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[신천옹]

철(Fe)로 만든 초전도체 상용화 가능성 높여- 표면 전자도핑으로 철 화합물 초전도체 성능 개선

보도일2016-08-16 00:00 연구단명강상관계 물질 연구단

 

철(Fe)로 만든 초전도체 상용화 가능성 높여
- 표면 전자도핑으로 철 화합물 초전도체 성능 개선 -

  1987년 요하네스 베드노르츠와 카를 뮐러는 구리화합물 고온 초전도체 초전도체는 특정온도(임계온도) 이하에서 전기저항이 0이 되고, 내부 자기장을 밀쳐내는 등의 성질을 보인다. 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원공급 없이 계속 흐를 수 있다. 임계온도를 올리는 것이 상용화를 위해 가장 필요한 조건이다.
(임계온도 35K(-238℃) 이상)를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 과학계는 구리화합물 초전도체의 임계온도를 133K(-140℃) 이상까지  끌어올리며, 상용화를 위해 노력해왔다. 하지만 희토류 원소 지구상에 광물 형태로 희귀하게 분포한 원소들이다. 특정 원소를 제외하면 지구의 지각에 풍부하게 분포하지만, 지구화학적 성질로 인해 경제성 있는 농축 형태로는 거의 산출되지 않는다. 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 등 17개 원소가 있다.
가 들어가 제작 단가가 높고, 대량생산 시 균일한 성능을 유지하기 어려워 제한적 상용화만 가능한 실정이다.
  최근 철-닉토겐 화합물 초전도체 철과 닉토겐, 즉 15족(질소족) 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi) 등의 화합물로 구성된 초전도체. 이번 연구에서는 철-비소 화합물 초전도체가 활용됐다.
와 철-칼코겐 화합물 초전도체 철과 칼코겐, 즉 16족(산소족) 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등의 화합물로 구성된 초전도체. 주로 철-셀레늄 화합물 초전도체가 연구되고 있다.
 등 철을 주재료로 한 초전도체 연구가 활발하다. 비용이 저렴하고 다루기 쉽기 때문이다. 특히 미량의 불순물을 넣어 전자나 정공을 추가하는 도핑(doping) 화합물에 불순물을 첨가해 전자나 전공을 더함으로써 물질의 전자기적 특성을 바꾸는데 이용한다. 원자를 화합물 안에 주입하는 방법이 주를 이루나, IBS 연구진은 표면에 원자를 안착시켜 전자를 전달하는 방법을 택했다.
으로 철 화합물의 전자기적 성질을 바꿔, 초전도 임계온도를 올리려는 시도가 이어지고 있다.
  미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)의 김창영(서울대 물리천문학부 교수) 부연구단장 연구진은, 철-닉토겐 초전도체에 알칼리금속 대체로 은백색을 띠며, 매우 무르고 밀도가 낮은 고체다. 리튬(Li), 나트륨(Na) 등의 수소(H)를 제외한 주기율표 상 1족 원소들로 최외각전자를 1개만 갖는다. 공기 중에 방치하면 표면의 은백색 광색이 곧장 사라질 만큼 반응성이 매우 뛰어나다.
인 칼륨과 나트륨 원자를 표면에 붙여 전자 도핑하는 방법을 최초로 적용, 임계온도를 끌어올리는데 성공했다.
  그 동안 초전도체 도핑은 화합물 내부에 특정 원자를 넣는 방법이 주를 이뤘다. 하지만 이 방법은 화합물 내 자유전자들을 산란시켜 초전도 성능 저하(임계온도 하락)를 일으키는 단점이 있었다. 
  이 때문에 원자를 넣지 않고 전자만 도핑하는 방법이 고안됐으나, 증착이 손쉬운 철-칼코겐 초전도체에만 적용됐다. IBS 연구진은 철-닉토겐 초전도체에 해당 기법을 최초로 적용해, 초전도체 성능의 잣대인 임계온도를 24K(-249℃)에서 41.5K(-231℃)로 획기적으로 끌어올렸다. 이로써 철 화합물 초전도체 상용화 가능성을 한 단계 높였다.
  또한 연구진은 철-닉토겐 초전도체의 임계온도와 전자의 운동량?운동에너지 측정값들을 분석한 결과, 철-닉토겐 초전도체의 초전도성 발현에 중요하게 여겨졌던‘네스팅 조건’(nesting condition) 네스팅 조건은 철-닉토겐 화합물에서 관찰되는 서로 다른 두개의 페르미면이 얼마나 유사한 모양을 가지는가[그림설명 1 참고]를 보고 둘의 모양이 비슷하면 네스팅 조건이 좋다, 많이 다르면 네스팅 조건이 나쁘다고 칭하는 것이다. 그동안 네스팅 조건이 좋으면 임계온도가 높고, 나쁘면 임계온도가 상대적으로 낮다고 여겨졌다.
이 관련 없음을 처음으로 밝혔다. 이로써 철-칼코겐 초전도체와 철-닉토겐 초전도체의 초전도성을 동일한 원리로 설명하는 이론의 토대를 마련했다.
  김창영 강상관계 물질 연구단 부연구단장은 “철 기반 초전도체는 대량생산 시에도 초전도성을 균일하게 발현할 수 있고, 제작비용도 저렴한 것이 장점”이라며 “이번 연구로 임계온도가 높은 철 초전도체 개발의 가능성을 열었다”고 말했다.
  김창영 부단장, 김용관 박사의 본 연구성과는 과학저널 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 38.891)에 8월 16일자로 온라인 게재됐다.

[붙임] 1. 연구결과 개요  2. 연구이야기  3. 그림설명  4. 연구진 이력사항

연 구 결 과 개 요

  
Enhanced superconductivity in surface electron doped iron pnictide Ba(Fe1.94Co0.06)As2
W.S. Kyung, S.S. Huh, Y.Y. Koh, K.-Y. Choi, M. Nakajima, H. Eisaki, J.D. Denlinger, S.-K. Mo, C. Kim, Y.K. Kim
(Nature Materials)
 
  최근 철(Fe) 기반 초전도체에 대한 학계의 관심이 뜨겁다. 철 화합물 초전도체는 아직 구리(Cu) 화합물 초전도체에 비해 임계온도(구리 기반 초전도체 : 133K(-140℃), 철 기반 초전도체 : 100K(-173℃))가 많이 낮지만, 재료가 저렴하면서 결점이 있어도 초전도성이 강하기 때문에 각광받는 미래 소재로 떠올랐다.
  초전도체의 임계온도를 올리기 위한 연구는 초전도성의 원인 규명에서 시작한다. 우선 철 화합물 초전도체는 구성 물질에 따라 비소(As) 등이 들어간 철-닉토겐 초전도체와 셀레늄(Se) 등을 포함된 철-칼코겐 초전도체로 나뉘는데, 둘은 페르미면의 분포와 물성이 서로 다르다. 철-닉토겐 초전도체의 경우 네스팅 조건과 초전도성이 밀접한 관련이 있다는 선행 연구들이 있어, 같은 철 화합물임에도 네스팅 조건이 없는 철-칼코겐 초전도체의 초전도성과는 서로 다른 메커니즘을 가질 것으로 인식돼 왔다.
  IBS 연구진은 이번 실험으로 알칼리금속 원자를 금속 표면에 붙여 초전도 현상이 어떻게 변화하는가를 관찰함으로써, 철-닉토겐 초전도체가 네스팅 조건과 관계없이 초전도성을 가짐을 증명했다. 이로써 두 종류의 철 화합물 초전도체를 모두 설명할 수 있는 통일 이론의 가능성을 확인했다.
  연구진은 철-닉토겐 초전도체에 일반적으로 특정 원자를 화합물 속에 주입해 도핑하는 방법과 달리, 나트륨(Na)과 칼륨(K)원자를 초전도체 표면에 증착시켜 도핑하는 방법을 고안했다. 이후 실시간으로 각분해 광전자 분광기로 전자구조를 측정해, 초전도체 표면 전자의 운동량과 운동에너지를 측정했다. 연구 결과, 동일한 철-닉토겐 초전도체에 원자 도핑 시 24K였던 임계온도가 표면전자 도핑으로 41.5K까지 높아졌고, 네스팅 조건이 나빠도 높은 초전도 임계온도가 관찰됐다.
  이로써 네스팅이 실제 초전도 임계온도 상승에 큰 영향을 미치지 않음을 최초로 증명했다. 연구진은 이번 성과가 향후 닉토겐 및 칼코겐 초전도체의 통일 이론 마련을 위한 초석으로 평가했다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 물질의 전자기적 성질을 변화시키기 위한 방법들 중, 일반적인 방법은 전자 도핑을 위해 최외각 전자의 개수가 다른 물질을 대체하는 방법이 있다. 하지만, 이 경우, 대체된 물질은 전자나 정공을 내어놓을 뿐만 아니라 고체 내의 결점으로서 전자들의 산란을 야기한다는 문제를 가지고 있다. 최근, 알칼리 금속 표면 증착 방법을 이용하면 부작용을 최소화 한 상태에서 전하 운반량을 변화시킬 수 있다는 것이 알려졌다. 우리는 철 기반 초전도체가 서로 다른 작동 기저를 갖는다는 연구 결과들이 알칼리금속 증착 방법으로 탐구될 수 있다는 것에 착안해 본 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 초전도 현상을 고체내 전자의 운동량과 에너지를 측정하는 장비인 각분해 광전자 분광기(ARPES, Angle Resolved Photoemission Spectroscopy)로 관찰하기 위해서 고품질의 시료가 필요하다. 고품질 Ba(Fe1.94Co0.06)As2 시료를 획득하기 위하여 오사카 대학교의 마사미치 나카지마(Masamichi Nakajima) 교수에게 연락했고, 그를 통해 고품질 시료 획득에 성공했다.
각분해 광전자 분광 실험은 알칼리금속 표면 증착에 최적화 되어 있는 미국 버클리 Advanced Light Source 가속기 연구소를 이용했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면? 어떻게 극복(해결)했는지?

 각분해 광전자 분광 실험으로 초전도 갭을 측정하기 위해서는 순도 높은 시료와 정밀한 실험적 분해능이 필요하다. 또한, 분석 방법이 다른 방법들 보다 훨씬 어렵기 때문에, 신빙성 있는 분석 결과 도출이 쉽지 않았다.
 실험 분해능을 최고로 높이기 위해 다양한 방법들을 고안해 시도했으며, 많은 시료를 이용해 실험의 신빙성을 높였다. 또한, 데이터 분석을 진행하는 동시에 분석 스크립트를 업그레이드해 효율적으로 신빙성 있는 결과를 도출할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 기존의 알칼리금속 증착 기법을 이용한 실험은 얇은 시료로 합성이 가능한 철-칼코겐 초전도체에 한정됐다. 이번 연구 결과는 철-닉토겐 초전도체에 최초로 알칼리금속 증착 기법을 이용한 실험으로 철 기반 초전도체 전체를 아우르는 중요한 결과를 얻을 수 있었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 철 기반 초전도체의 초전도 메커니즘을 실험적으로 명확하게 규명하는 것이 목표다. 그리고 이를 통해 더 높은 초전도 임계 온도를 가지는 초전도 물질을 합성하고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 상당히 많은 실험적 시도를 했었기 때문에, 분석해야 할 데이터 양이 많았다. 분석한 데이터 결과물 파일들을 별도로 백업하기 위해 모아 봤더니, 낱개로 10 MB 이하의 데이터 파일들의 총용량이 10 GB가 넘어가는 것을 보고 놀란 적이 있다.

 
그   림   설   명

[그림 1] 철-닉토겐 초전도체에 알칼리 금속 표면 증착 전·후 네스팅 조건 변화  (a)전자 도핑(주입) 전·후의 전자 운동량(X축)과 운동에너지(Y축), 전자 도핑에 의해 전자 운동에너지 분포에 변화가 생겼다. (b)전자 도핑 전·후의 페르미면 데이터, 네스트 조건이 많이 약화됐다.

[그림 2] 철-닉토겐 초전도체에 도핑(주입) 정도(X축)에 따른 임계온도(Y축) 변화. 원소 대체 방법으로 도핑한 경우 도핑 농도가 커질수록(네스팅 조건 나빠짐) 초전도 임계온도가 낮아지는 반면, 표면 알칼리 금속 증착 방법의 경우 임계온도가 높아짐(네스팅 조건 나빠짐)을 확인했다.

연구진 이력사항

<김창영 강상관계 물질 연구단 부연구단장, 공동 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단    서울대학교 물리천문학부 교수
 

2. 경력사항 
 2015 - 현재 서울대학교 물리천문학부 교수, IBS 강상관계 물질 연구단 부연구단장
 2010 - 2015 연세대학교 물리학과 정교수
 2005 - 2010 연세대학교 물리학과 부교수
 2001 - 2005 연세대학교 물리학과 조교수
 1994 - 2001 스탠포드 방사광 가속기 연구소 (SSRL) 연구원

3. 전문 분야 정보
 2013-2014 한국 물리학회 학술이사
 2012-2015 한국연구재단 전문위원
 2011-현재 한국 초전도 학회 이사
 2009-2013 한국기초기술연구회 전문위원
 2004-2015 한국 방사광 사용자 협회 전문위원
 2007-2011 편집위원, Progress in superconductivity 저널
 2010-현재 편집위원, Jounal of Analytical Science and Technology 저널

<김용관 KAIST 자연과학대학 물리학부 조교수, 공동 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소    속 : KAIST 자연과학대학 물리학부 조교수
 
2. 경력사항
 2016 ? 현재 KAIST 자연과학대학 물리학부 조교수
 2015 ? 2016 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 연구위원
 
      

<경원식 강상관계 물질 연구단 연구위원, 제 1저자>

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단 박사