□ 섭씨 0도에서 얼음이 녹고 100도에서 물이 끓듯이 물질마다 정해져 있는 상태변화 온도에 비해 낮은 온도임에도 물질의 상태변화가 일어나는 저온 비열적 상전이 현상*에 대한 이론적 설명이 제시되어 소재공정 신기술 개발 등 관련연구가 활발해질 전망이다.
    *  저온 비열적 상전이 (non-thermal phase transition) 현상 : 빛과 물질간의 상호작용에 의해 물질 고유의 상태 변화 온도(예를 들어 물의 경우 0도와 100도)가 아닌 더 낮은 온도에서 상태 변화가 일어나는 현상

□  한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 기초지원연) 스핀공학물리연구팀 방준혁 박사팀은 반도체 물질에 쪼이는 레이저의 파장을 조절함으로써 반도체 물질에서 저온 비열적 상전이(non-thermal phase transition) 현상을 유도할 수 있음을 확인하고 그 발생원리를 규명했다고 29일 밝혔다. 

  - 저온 비열적 상전이는 물질을 이루는 원자와 전자간 상호작용의 변화로 일어나는데, 그 동안은 전자의 동역학(動力學)적 특성과 그들이 원자의 결합구조에 미치는 영향을 정확히 기술하는 이론적 방법론이 없어 구체적인 연구가 이루어지지 못했다.

  - 방박사팀은 전자와 원자들의 동역학적 특성을 시뮬레이션 하는 방법을 개발하여, 쪼이는 레이저의 파장을 짧게 해 물질 내 전자들의 에너지를 높이는 것이 저온 비열적 상전이 현상을 발현하는데 중요한 요소임을 밝혀냈다.

□  기존에는 레이저의 세기를 강하게 하여 물질 내 들뜬 전자 수를 늘리는 것이 현상 발현의 중요 요소라고 여겨졌는데, 이번 연구를 통해 들뜬 전자의 양 보다는 개별 전자 에너지를 높이는 것이 더 큰 영향을 끼친다는 것을 확인하였다.

□  특히, 연구에 사용된 반도체물질(Ge2Sb2Te5**)은 반도체 메모리 소자 적용을 위해 많은 연구가 진행 중인 물질로 이번 연구를 통해 300~400도의 낮은 온도에서도 600도 수준의 상태변화를 일으킬 수 있는 이론적 근거를 확보 하게 돼, 열로 인한 물질과 회로의 스트레스를 줄여 반도체 소자의 안정성을 크게 향상 시키는 한편 소재공정 관련 신기술 개발도 가능해질 것으로 보인다.     

     ** 저장매체인 Compact Disc (CD)에 사용되는 물질로 빛을 쪼이거나 전류를 흘려줌으로써 상태를 쉽게 조절 할 수 있으며 각 상태에서의 반사율과 전기전도도가 크게 달라지는 특정을 지님

□  이번 연구는 미국 렌셀러 폴리테크닉대학교(RPI, Rensselaer Polytechnic Institute)  생바이 장(Shengbai Zhang) 교수 연구팀과의 공동연구 결과로, 물리학 분야 유명 저널인 피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters) 誌’에 9월 16일자(주저자 방준혁, 논문명: Carrier-multiplication-induced structural change during ultrafast carrier relaxation and nonthermal phase transition in semiconductors, IF=7.645)로 게재되었다.

□  기초지원(연) 방준혁 박사는 “물질 내 전자 동역학은 트랜지스터, 태양전지, LED등 다양한 반도체 소자 응용뿐만 아니라, 광합성, 물 분해 과정 등 다양한 생물학적, 화학적 현상을 이해하는데 중요한 기초가 되지만, 아직 기본 원리에 대한 이해가 부족한 상태”라며, “향후 본 연구에서 개발하고 적용한 방법론을 다양한 물질, 현상들에 적용하여 여러 문제를 해결하기를 기대한다”고 밝혔다.

 ☎ 문의처 : 기초지원(연) 스핀공학물리연구팀 방준혁 선임연구원 (042-865-3668)