▲ 윤미나 교수

1983년 처음 발견된 후 현재까지 10여 종만 실제 합성되어 보고된 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하는 신개념 재료인 전자화물(electride) 소재의 새로운 형태가 국내 연구진에 의해 보고됐다.

한국연구재단은 미국 테네시 대학 윤미나 교수와 성균관대 김성웅 교수 연구팀이 슈퍼컴퓨터의 이론 계산을 통해 1차원 형태의 전자화물을 발견했다고 29일 발표했다.

전자가 원소의 최외각 궤도에 위치하는 일반적인 물질과 달리, 전자가 원소들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하는 물질인 전자화물은 전자 배열만으로 물질의 성질이 바뀔 수 있어서 기존 소재의 성능한계를 돌파할 완전히 다른 소재의 개발, 고가의 희소 소재의 대체로 이어질 것으로 기대된다.

이번 연구에서는 기존에 활용되지 않은 이론 중심의 방법론을 통해 입체공간에서 1차원적으로 배열되어 존재하는 새로운 형태의 전자화물을 발견했다.

연구팀은 방대한 물질 데이터베이스에서 탐색하는 알고리즘과 제1원리 계산(양자물리학을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물질의 특성을 계산하는 것)을 효과적으로 수행하는 방법을 접목하였고, 여기에는 미국 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터가 이용되었다. 실험 중심의 연구를 벗어나, 소재를 먼저 예측할 수 있는 이론적 방법론으로서 계산과학 물질연구개발에 널리 적용될 것으로 전망된다.

▲ 김성웅 교수

이 새로운 1차원 전자화물은 안뻔한(nontrivial) 전자띠(electronic band) 위상(topology)이라는 새로운 양자상태를 가지고 있어, 물리적으로도 고무적인 발견이라는 점이 돋보인다.

안뻔한 전자띠 위상(nontrivial band topology)은 꼬이는 위상을 가지는 전자띠로, 베리곡률(Berry curvature)의 적분양을 통해서 위상도의 뻔한 정도를 계산할 수 있다. 이런 전자띠를 갖는 물질들은 위상적으로 보호되는 특이한 전자상태를 갖고 있고, 그 상태의 큰 안정성 때문에 양자컴퓨터 등의 기술개발에 혁신적인 이용가치가 있다.

김성웅 교수는 “지속적이고 선도적인 연구를 통해 새로운 전자화물 소재를 발굴‧합성하고, 그 물성을 최적화하여 전자소재, 자성소재, 화학적 촉매 등으로 응용분야를 확대해 나갈 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부․한국연구재단 미래소재디스커버리사업* 등의 지원으로 수행된 이 연구는 1858년 창간된 미국물리학회지(Physical Review Letters) 1월 8일자 논문으로 게재되었다.