그림. (왼쪽)초대칭 무질서 매질, (오른쪽) 밴드갭 특성
국내 연구진이 결정물질이 가진 에너지 제어의 장점과 비결정 구조 물질의 에너지 압축 장점을 동시에 가진 새로운 형태의 물질을 개발했다. 서울대학교 전기정보공학부 박남규 교수 연구팀이 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 파동에너지 준위와 공간적 집속을 독립적으로 제어하고 강화시킬 수 있는 제3의 인공매질 구조 설계 연구를 수행한 결과이다.
이로써 레이저 및 반도체 소자의 성능을 혁신적으로 개선하는 등 다양한 전자 소자 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
결정물질은 빛이나 전자와 같은 파동에너지(주파수)를 특정 영역으로 제어할 수 있어 레이저, 반도체, 태양전지 등에 응용되어 왔다. 한편, 비결정 물질은 파동에너지를 특정 공간에 집중시켜 압축시킴으로써 고성능 반도체/광학 소자 제작에 사용돼왔다. 그러나 현재까지 이 둘의 장점, 즉 에너지의 제어와 압축이 동시에 가능한 매질은 구현 불가하다고 여겨졌다. 그런데 이번 연구에서 '초대칭 변환'을 적용해 신매질 설계에 성공했다.
특히 이 기술은 초대칭 이론 기반 하향식 설계 방식을 가짐으로써, 다양한 매질 및 플랫폼에서 쉽게 재현 가능하다. 따라서 모든 결정구조에 적용해, 기존에 사용이 어려웠던 저품질 재료라도 원하는 특성으로 변환시킬 수 있어 산업에 활용될 경우 그 파급력이 클 것으로 연구진은 예상한다.
박남규 교수는 "입자 물리에서 초끈 이론에만 활용되던 초대칭 이론을 광학과 반도체의 실용적 영역으로 끌고 왔다는 점에서 의미가 있는 새 융합 기술"이라고 말했다. 또한 "이 기술을 이용하면 완전한 밴드갭(언제나 동일한 에너지)을 유지하면서도 동시에 수십 배 수준의 에너지 접속이 가능한 다양한 플랫폼을 설계할 수 있을 것으로 보여 차세대 레이저 기술 및 새로운 반도체 매질의 개발이 가능할 것"이라고 전망했다.
한편, 향후 연구계획은 무작위매질을 이용한 메타물질, 투명망토나 태양전지 등에의 응용 연구라고 밝혔으며, 이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월 16일자 온라인판에 게재됐다.
추경미 기자 (ckm@hellot.net)
