[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 물리·광과학과 이종석·신동빈 교수 연구팀이 한국표준과학연구원 등과 공동으로 자성 금속막의 자화 방향을 바꾸면 맞닿은 전기 절연체의 열전달 정도가 달라지는 현상을 확인했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 코발트와 백금을 여러 층으로 쌓은 자성 금속막을 카이랄 구조를 가진 석영 결정 위에 결합한 구조를 제작했다. 카이랄 구조는 왼손과 오른손처럼 서로 거울에 비친 형태이지만 회전하거나 뒤집어도 완전히 겹쳐지지 않는 구조를 말한다. 연구팀은 금속막이 자성을 띠는 방향인 자화 방향을 위쪽과 아래쪽으로 바꿔가며 왼손형과 오른손형 석영의 열전달 특성을 비교했다.

실험은 금속막을 레이저로 가열한 뒤 시간에 따른 열 이동을 측정하는 방식으로 진행됐다. 금속막과 석영이 맞닿은 부근의 열전달 정도를 나타내는 유효 열전도도를 분석한 결과, 자화 방향을 반대로 바꾸자 유효 열전도도가 달라졌다. 왼손형 석영에서는 자화 방향이 위쪽일 때, 오른손형 석영에서는 아래쪽일 때 열이 더 잘 전달됐다. 반면 원자 배열이 불규칙한 비정질 이산화규소를 대상으로 같은 실험을 진행한 결과에서는 자화 방향을 바꿔도 유효 열전도도에 뚜렷한 변화가 없었다.

온도에 따른 차이도 확인됐다. 자화 방향을 위쪽과 아래쪽으로 바꿨을 때 유효 열전도도의 최댓값과 최솟값 차이는 상온에서 약 7%였으며, 영하 223도(50K)에서는 약 20%로 커졌다. 양자역학 등 기본 물리 법칙에 기반한 제일원리 기계학습 시뮬레이션에서도 원자 진동의 회전 방향에 따라 석영으로 열이 전달되는 속도와 정도에 차이가 나타났다.

신동빈 교수는 "이번 연구는 자성체의 자화 방향에 따라 절연체의 열전달 특성이 달라진다는 사실을 확인하고, 그 변화에 원자 진동의 회전 성향이 관여할 가능성을 제시한 성과"라고 말했다. 이종석 교수는 "향후 전기 절연을 유지하면서 열 흐름을 정밀하게 조절하는 소재와 소자 개발에 기초가 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 최인혁 박사와 김대헌 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부, 양자 포노닉스 연구센터, 산업통상자원부, GIST 등의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 10월 13일 온라인 게재됐다.

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