50여년동안 물리학계에 이론적으로만 얘기되어왔던 금속－절연체 전이(MIT) 가설이 규명되면서 고체물리학의 발전과 산업화에 큰 진전이 있을 것으로 보인다. 이 전이 가설은 반도체 혁명에 비견되는 학설이다. 1949년 영국의 물리학자 모트는 “금속에서 전도전자들 사이에 전기 에너지가 크면 물질의 구조적 변화 없이 갑자기 모트 절연체가 된다”는 모트 금속 절연체 전이현상을 처음 예언했다.

이 현상은 그동안 실험으로 증명되지 못한 채 학문적 논쟁을 거듭해왔으나 이번에 김현탁 박사팀이 실험으로 증명한 것이다.

김현탁 박사는 금속－절연체 전이를 풀기 위해 2001년 ‘홀 드리븐 이론’이라는 새로운 이론을 만들어냈다. 이 이론을 근거로 산화바나듐을 아주 얇은 막으로 만들고 여기에 무늬를 새겨넣은 뒤 전류를 걸어주면 산화바나듐이 전기를 띠는 현상을 실험으로 증명했다.

김박사가 논문을 실은 ‘어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letter)’는 응용물리학 분야의 세계적인 권위지이다.

물리학계에서는 이를 뉴튼의 만유인력 법칙에 버금가는 업적으로 평가하고 있다. 고온초전도, 자성체의 거대 자기 저항과 고체·액체·기체에서 일어나는 절연파괴 등 지금까지 미제로 남아 있는 다른 물리현상들에 대해 해결 실마리를 제공할 수 있기 때문이다.

서울대 물리학과 노태원 교수는 “금속 절연체를 자유자재로 만들 수 있다면 고온 초전도 현상과 거대 자기저항 현상, 반도체에서의 자기저항 현상 등 다양한 메커니즘 규명을 위한 단서를 제공할 수 있다”고 설명했다.

산업계에서는 차세대 디스플레이와 차세대 반도체 등 기술응용 분야에서 커다란 진전이 이뤄질 것으로 기대하고 있다.

MIT응용시장은 신호처리(DSP)와 디스플레이, 메모리, 광(光)소자, 전지와 무선통신(RF) 소자 등 전자소자의 전 분야에 망라됐다. 21세기 최대 화두인 나노기술과 결합한 전자소자와 통신산업, 센서산업에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다. 특히 금속을 제어할 수 있는 트랜지스터와 차세대용 비휘발성 메모리, 금속 특성을 이용한 태양전지와 연료전지, 밀리미터파(T파) 통신용 광게이트, 홀로그램, 임계온도 센서, 노이즈 제거 소자 등에서 괄목할 만한 성과가 이뤄질 것으로 ETRI측은 기대하고 있다.

모바일 환경이 급속히 확산되면서 현재의 반도체 소자로는 고용량, 초소형 디지털 기기에 대응이 힘들지만 MIT 소자는 이런 문제를 단번에 해결할 수 있기 때문이다. 앞으로 꾸준한 원천기술 개발과 원천특허를 확보하면 향후 20년간 1천억달러 이상의 세계 시장을 선점할 수 있다는 전망도 나오고 있다.

ETRI는 김박사의 연구를 더욱 발전시키기 위해 ‘황우석센터’와 같은 MIT 연구센터를 만들 계획이다.

〈이은정 과학전문기자·김주현기자〉