목포대(총장 박민서)는 손석균 물리학과 교수가 지난 2010년 노벨 물리학상 수상자인 앙드레 가임 영국 맨체스터대 물리학 교수팀과 공동으로 2차원(D) 상에서만 존재할 것으로 예측된 양자 홀 효과를 그라파이트내 3D에서 최초로 관측했다고 19일 밝혔다.
'꿈의 신소재'로 불리는 2D 그래핀은 높은 전도도와 열전도율, 신축성, 투명성 등으로 차세대 반도체 소자 및 응용 소자로 각광을 받고 있다. 하지만 상대적으로 이해하기 힘든 3D 그라파이트 영역에서는 아직 연구가 제대로 이뤄지지 못하고 있다.
양자 홀 효과는 홀 전도도가 특정한 값을 갖는 형태로 양자화되는 2D 전자 시스템에서만 나타나는 물리적 현상이다. 3D상에서 란다우 준위는 중첩 대역으로 인해 양자화 현상이 파괴되기 때문에 금지되는 것으로 알려져 있으며 실험적으로 보고된 바가 없다.
연구팀은 준 금속성으로 알려진 수백 층의 원자 두께로 이뤄진 그라파이트 소자를 활용해 전자 운동의 움직임이 제한된 2D 물질에서만 가능한 양자 홀 효과를 극저온에서의 전자 수송현상을 통해 3D에서도 관측하는 데 성공했다. 또 그라파이트 결정의 층수가 홀 수일 때의 양자 홀 효과 갭이 상응하는 짝 수층과 다르다는 사실도 규명했다.
이번 연구는 그라파이트가 가장 순수한 형태일 때 물리적으로 관측 가능하다는 것을 보여준 의미 있는 결과라는 평가다. 물리 분야 학술지 '네이처 피식스'의 15권 표지 논문으로 선정됐다.
손 교수는 “지난 수년간 맨체스터 대학교 연구팀의 지속적인 그래핀 연구 결과 덕분에 그라파이트에서 전혀 예상하지 못했던 양자홀 효과를 발견했다”면서 “그라파이트의 기본 특성을 이해하는 초석이 됐다”고 말했다.
무안=김한식기자 hskim@etnews.com
