은 구리 보다 17~21% 향상된 전도 특성 나타내

국내 학연 공동연구팀이 상온에서 가장 저항이 낮은 새로운 금속 물질을 개발했다.

부산대학교 정세영(나노융합공학과: 김지영(박사과정), 이승훈 박사(현 고려대 기초과학연구원)), 박철홍 교수팀(물리교육과)과 한국전기연구원 오민욱 박사는 금속 원자 일부를 다른 원자로 치환한 물질을 단결정(single crystal, 單結晶)으로 육성하고 이를 통해 전기저항을 오히려 감소시키는 것을 핵심으로 하는 연구를 수행해 이 같은 결과를 얻었다. 정세영 교수 연구팀은 이전의 연구에서 금속을 단결정으로 육성하여, 전기 전도도(electrical conductivity, 電氣傳導度)가 약 10% 이상 향상될 수 있음을 보고한 바 있으며, 이번 연구는 그 후속 연구에 해당한다.

금속 물질의 저항은 물질의 결정성에 크게 영향을 받는다. 이는 결정성에 관계하는 결정 결함, 불순물, 결정립 경계들이 전자의 운동(이동)을 방해하기 때문이다. 특히 상온에서는 원자들이 미세하게 진동하고 있는데, 이때 원자들의 진동(포논)은 전자와 충돌하여 전자의 이동을 방해하고 저항을 증가시키는 가장 큰 요인이다. 일반적으로 합금에서 저항이 증가하는 이유가 바로 이 때문인데, 서로 다른 금속 두 개를 섞으면서 결함과 불순물, 결정립 경계 등이 많아지면서 결정성이 크게 감소하기 때문이다.

정세영 교수 연구팀은 단결정 육성 기술을 통해 서로 다른 두 금속이 섞여 있음에도 불구하고, 결정 결함과 결정립 경계가 거의 없는 단결정을 육성했다.

은에 구리 원자가 치환된 이 단결정은 상온에서 전기전도도가 가장 높은 것으로 알려져 있던 은(Ag, 1.62×10-6Ωcm)보다 17%, 구리(Cu, 1.72×10-6Ωcm)보다는 무려 21%나 향상된 물성 값을 보였다. 

서로 다른 원자가 일부 치환되어 있음에도 불구하고, 저항이 낮아지는 이 현상은, 기존에 알려져 있던 지식과 이론에 역행하는 아주 비정상적인 형태다. 연구팀은 부산대학교 물리교육과 박철홍 교수, 한국전기연구원의 오민욱 박사 등 이론팀과 다양한 이론적 방법과 접근을 통하여 이러한 현상을 물리학적으로 설명하였다. 

정세영 교수는 “기존의 교과서적 상식을 뒤엎는 새로운 현상으로 생각된다. 앞으로 이 연구가 더 진행되면 금속 저항에 대한 새로운 물리적 고찰이 이루어져야 할 것으로 본다.”며 향후 이 연구 결과를 토대로 많은 후속 연구가 이어질 것으로 내다봤다. “은은 구리보다 가격면에서 불리함에도 불구하고 전도 특성이 좋기 때문에 고정밀 측정을 요구하는 첨단 바이오 산업, 음향 산업 등에 사용되는 사례가 아주 많이 있다. 본 연구에서 개발한 초저저항 금속 단결정은 이러한 고정밀 계측 장치, 부품 등에 적극 활용될 것이며, 국내 전자 기기, 나노 융합 및 바이오 연구의 활성화를 가지고 올 것이다.”라고 말했다.

이번 연구 성과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’지 (6월 26일)에 게재되었다.

이 연구는 미래창조과학부가 주관하는 신기술 융합형 성장 동력 사업과 한국연구재단이 추진하는 기초 연구 사업 및 한국전기연구원 주요사업지원으로 수행되었으며 연구재단 연구소재은행인 단결정은행의 결정성장 지도를 받아 진행되었다.

▲부산대 정세영 교수


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