"이황화탄탈럼은 부도체"..한·독 연구진, 40년 묵은 물리학계 논란 끝냈다

(좌) TaS2이 저온상을 도체로 기술하는 기존의 계산방법, (우) 본 연구에서 밝혀낸 오류를 보정한 후 새롭게 계산해 TaS2가 부도체임을 보여주는 결과. UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST)과 독일 막스플랑크 공동 연구진이 ‘이황화탄탈럼(TaS2)’이 부도체, 즉 전기가 통하지 않는 물질임을 입증해 40년 묵은 물리학계의 논란을 종결했다. 아황화탄탈럼이 부도체임이 입증됨에 따라 메모리, 센서 등 새 전자기기를 개발하는 데 도움이 될 것으로 보인다.

유니스트는 박노정(49·사진) 물리학과 교수팀과 막스프랑크 연구진이 이황화탄탈럼의 전기전도도 이론 예측에 쓰이는 계산법을 실제로 적용하는 데 간과됐던 오류를 발견, 새로운 계산법을 통해 이 물질이 절대온도 200K(캘빈)에서 부도체 상태로 존재한다는 것을 입증했다고 16일 밝혔다.

메모리와 센서 등에 응용이 기대되는 물질인 이황화탄탈럼은 특이하게 상온에서는 전기가 잘 흐르는 도체이지만, 절대온도 200K 이하에서는 전기가 안 통하는 부도체로 바뀐다. 절대온도는 물질을 구성하는 분자의 운동에너지가 0이 되는 온도로, 물리학의 기준 온도이다. 섭씨 온도로 환산하면 절대온도 0도는 영하 273.15도에 해당한다. 

이론 물리학자들은 그동안 양자역학에 기반한 이론예측값을 근거로 절대온도 200K 이하에서도 이 물질은 전기가 통하는 ‘도체’라고 주장해왔다.

공동연구진은 양자역학 계산법의 하나인 밀도범함수이론의 계산 오류를 줄이는 과정에서 ‘전하밀도파’ 상태가 제대로 고려되지 않았음을 발견했다.

이 계산법을 이용하면 전자의 흐름인 전기전도도를 예측할 수 있다. 그러나 수 많은 전자를 하나의 입자계로 가정하는 단순화를 거친 것이라 계산오차를 줄이기 위해서는 또 다른 계산법을 접목하는 과정이 필요하다.

그러나 이 과정에서 40여개의 원자가 하나처럼 움직이는 ‘전하밀도파’ 상태가 제대로 고려되지 않은 것이 오류의 원인이 된 것으로 공동연구진은 파악했다.

연구진이 파악한 오류를 수정해 계산하면 이황화탄탈럼은 절대온도 200K에서 특수 부도체인 모트(Mot) 부도체 상태에 있다. 일반 부도체를 전자가 움직이는 길 자체가 없는 물질에 비유한다면, 모트 부도체는 전자가 흐를 길은 있지만 징검다리처럼 생긴 전자길 안에 전자가 꽉 채워져 움직일 수 없는 형태의 물질이라고 공동연구진은 설명했다.

박노정 교수(사진)는 “이번 연구는 수많은 전자 간의 상관관계에 따른 물질 변화를 밝히는 양자역학 계산법의 진전”이라며 “다양한 상전이 물질의 특성을 이해하고, 온도 등 주변 환경에 민감하게 반응하는 상전이 특성을 기반으로 한 센서나 전자 기기 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 물리학 분야 저명 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 온라인판 최신호(13일)에 게재됐다.

울산=이보람 기자 boram@segye.com