▲ (左부터)윤미나 미국 테네시대학/오크리지 국립연구소 교수, 김성웅 성균관대학교 교수.

국내 연구진이 전자화물 소재의 새로운 형태를 보고했다. 전자 배열만으로 물질의 성질이 바뀔 수 있어서 기존 소재의 성능한계를 돌파할 소재 개발, 고가 희소 소재의 대체로 이어질 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 29일 윤미나 미국 테네시대학/오크리지 국립연구소 교수와 김성웅 성균관대학교 교수 연구팀이 슈퍼컴퓨터의 이론 계산을 통해 1차원 형태의 전자화물을 발견했다고 밝혔다.

전자화물(electride)은 미개척 연구분야로 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하는 신개념 재료이다. 전자가 원소의 최외각 궤도에 위치하는 일반적인 물질과 달리, 전자가 원소들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하며, 1983년 처음 발견된 후 현재까지 10여 종만 실제 합성되어 보고되었다.

연구팀은 방대한 물질 데이터베이스에서 탐색하는 알고리즘과 양자물리학을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물질의 특성을 계산하는 제1원리 계산을 효과적으로 수행하는 방법을 접목했다.

여기에는 미국 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터가 이용되었다. 실험 중심의 연구를 벗어나, 소재를 먼저 예측할 수 있는 이론적 방법론으로서 계산과학 물질연구개발에 널리 적용될 것으로 전망된다.

또한 이 새로운 1차원 전자화물은 안뻔한(nontrivial) 전자띠(electronic band) 위상(topology)이라는 새로운 양자상태를 가지고 있다.

안 뻔한 전자띠 위상이란 꼬이는 위상을 가지는 전자띠로 위상적으로 보호되는 특이한 전자상태를 갖고 있고, 큰 안정성 때문에 양자컴퓨터 등의 기술개발에 혁신적인 이용가치가 있어 물리적으로도 고무적인 발견이다.

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

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다. 또한 미국물리학회지(Physical Review Letters) 1월 8일자 논문으로 게재됐다.