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김은성 교수팀, 초고체 헬륨에서 숨겨진 상(Hidden Phase) 존재 규명
- 초고체 헬륨에서 나타나는 이력현상과 동적 분산현상의 설명이 가능해져
- 세계적 권위지인‘Nature Physics’4월 5일자 온라인 게재
우리는 평소에 고체, 액체, 기체라는 세가지 대표적인 물질상태에 대해 배운다. 하지만 지난 100년간 물리학자들은 수많은 노력으로 그 외에서 초전도체, 초유체 등 많은 새로운 상태가 있다는 것을 밝혀냈고 이런 발견들은 종종 노벨상으로 이어지기도 했다.
2004년에는 -273℃(200 mK)의 극저온으로 가면 일부 고체 헬륨의 점성이 완전히 사라진다는 놀라운 사실이 발견되었고 이 새로운 상태는 초고체라 불린다. KAIST 물리학과 김은성 교수(39)는 이 초고체 상태를 세계 최초로 보고한 장본인이다. 하지만 왜 초고체가 생기는지 그 근본원인은 아직 베일에 싸여있었다.
최근 김은성 교수와 최형순 박사(30)팀은 교육과학기술부 창의적 연구진흥사업의 지원을 받아 비틀림진동자라는 초정밀 분석장치를 이용해 초고체 상태에 숨겨진 상(像)의 발견에 성공했다.
초고체가 진동의존성과 온도의존성을 보인다는 사실은 김 교수 자신에 의해 이미 밝혀져 있었다. 이번 연구에서는 초고체를 특정 온도에서 약하게 진동시키다가 갑자기 강하게 진동시킬 때 나오는 반응으로 초고체의 동역학을 실시간으로 분석했다. 이 때 김교수팀은 시간에 따른 초고체의 반응이 온도에 따라 크게 달라진다는 사실을 알아냈다. 더불어 연구팀은 진동 세기를 변화시켰을 때 바뀌기 이전 상태의 특성이 어느 정도 지속되는 이력 현상을 발견했다. 이는 초고체 상태에도 여러 단계의 서로 다른 안정한 상태가 존재한다는 것을 뜻한다. 이번 연구결과는 4월 5일 세계적 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 온라인판에 게재됐다.
김 교수는 “이번 연구결과로 21세기 순수물리의 최대 발견 중 하나로 꼽히는 초고체 상태에 대한 이해를 넓혀 초고체 연구분야에서 세계를 주도하는 위치에 서게 됐다”고 의미를 부여했다.
○ 용어해설 : 초유체는 2.17 K에서 액체 헬륨의 점성이 완전히 사라지는 상태를 말함. 초전도체는 저항 없이 전기가 흐를 수 있는 물질임.
<김은성 교수>
KAIST 물리학과 김은성 교수는 ‘초고체’ 현상 이라는 새로운 물질상태를 세계최초로 발견해 이 연구 분야를 개척하였고 이 결과를 인정받아 2008년에는 Lee Osheroff Richardson상을 수상하였다. 현재 교육과학기술부 창의적 연구진흥 사업의 지원을 받아 초고체 현상 규명에 대한 연구에 매진하고 있다. (042-350-2547,eunseong@kaist.edu)
2010.04.05
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김승우교수, 랩탑크기 시스템에서 극자외선 광원생성 성공
우리학교 기계공학과 김승우교수 연구팀은 4일 빛의 광자와 나노 크기의 금속 구조체 내부의 전자와의 상호작용을 통해 나타나는 플라즈몬 공명현상을 이용해 기존의 고출력 증폭기술 없이 결맞음 특성을 가진 극자외선(Extreme Ultraviolet: EUV) 광원을 랩톱컴퓨터 크기의 장치로 만들어내는 획기적인 기술을 개발했다.
Nature지에 발표된 이 기술은 매우 작은 크기의 금속 나노 구조물과 낮은 출력의 소형 극초단 레이저 광원만으로 구현 가능하기 때문에 획기적으로 작은 공간에 랩탑 크기의 장치 구현을 입증하였으며 이는 향후 EUV광원의 다양한 응용을 위한 초석을 놓은 학술적 공헌으로 인정 받았다.
극자외선 영역의 결맞음 특성을 갖는 광원을 얻기 위해서는, 전자를 고에너지로 운동하게 할 수 있는 엄청난 규모의 가속기가 필요하였다. 최근에는 초고속 펄스 레이저와 가스상태의 원자 내부의 전자와의 상호작용을 통해 발생하는 고차 조화파를 이용한 새로운 방법이 가능하였으나 고출력 레이저 증폭 기술을 필요로 하기 때문에 비용과 규모 면에서 제약이 많이 따라 왔다.
극자외선 (Extreme Ultraviolet: EUV) 영역의 레이저 광은 의학과 생명공학에 요구되는 현미경 기술, 그리고 나노 과학에 사용되는 리소그라피 기술 등을 포함한 광범위한 분야의 원천 과학기술 발전을 위해 주목 받고 있는 광원이다.
2008.06.09
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장순흥 교수, 관련 분야 최다인용 논문 선정
- 세계최대 학술논문 출판사인 엘스비어社 선정, 열 및 물질전달 분야에서셀(Cell)誌 등을 발행하는 세계최대 학술논문 출판사인 엘스비어(Elsevier)社는 최근 장순흥(張舜興, 54) KAIST 원자력 및 양자공학과 교수가 저술한 논문이 ‘열 및 물질 전달’ 분야에서 지난 2002년부터 2005년까지 4년간 발표된 논문 중에서 가장 많이 인용된 논문 중 하나로 선정됐다고 발표했다. 지난 2005년, SCI 등록 학술지 중 ‘열 및 물질 전달’ 분야에서 가장 권위 있는 학술지 중 하나인 국제 열 및 물질 전달 학술지(International journal of heat and mass transfer)에 등재된 이 논문의 제목은 “순수한 표면의 수조 비등에서 Al2O3를 이용한 나노 유체의 비등 열전달 성능 및 현상(Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-waternano-fluids from a plain surface in a pool)”이다.
張 교수는 이 논문에서 당시 세계적으로 정확히 규명되지 않았던 나노 유체에 의한 임계열유속 증진 현상의 원인을 나노 입자의 침전에 의한 표면의 변화에 기인한다는 내용을 밝혔다. 이는 기존 연구들에서 제시된 임계열유속 증진 원인이 실제 실험과 모순되는 상황에서 적절한 해결 방법을 제시한 것이었다. 최근에는 이 논문의 결과가 향후 관련 연구 분야의 연구 방향을 이끌고 있다. ‘임계열유속’은 원자로 노심과 화력 발전소 보일러의 열원의 열을 제거할 수 있는 한계출력을 의미하며, 발전소 효율 및 안전성에 결정적인 영향을 주는 인자다. 논문에 따르면, 나노 유체는 임계열유속을 최대 150%까지 증진시킬 수 있으며, 발전소의 출력 및 안전성도 크게 증대시킬 수 있다. 또한 임계열유속 증진은 발전소 관련 산업뿐만 아니라, 핵융합로 실용화에도 결정적인 관건이 되며, IT분야와 같은 초소형 열 교환기의 설계에서도 중요한 요소이므로 이 연구의 파급 효과는 앞으로도 지속될 것으로 예상된다. 이 논문을 저술한 張 교수는 지난 26년간 임계열유속 분야와 원자력 안전 및 설계와 관련된 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, 지난 2006년 6월에는 국제적인 학술 업적을 인정 받아 국제 원자력계의 최고의 영예인 미국 원자력학회(The American Nuclear Society) 학술상 수상 및 펠로우(Fellow)에 선정되기도 했다. 현재 KAIST 교학부총장을 역임하고 있다.
2008.04.29
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물리학과 김은성 교수, "리 오셔로프 리처드슨 상"수상
우리학교 물리학과 김은성(金恩成, 36) 교수가 "리 오셔로프 리처드슨 상(Lee Osheroff Richardson Prize)" 위원회가 정하는 2008년 수상자로 선정됐다고 밝혔다.
이 상은 헬륨-3의 초유체성을 발견한 업적으로 1996년 노벨 물리학상을 공동 수상한 데이비드 리, 더글러스 오셔로프, 로버트 리처드슨을 기려 제정됐다. 매년 ‘저온과 고자기장 분야’에서 뛰어난 연구업적을 이룬 젊은 과학자(박사학위 후 10년 이내)중 1명이 수상자로 선정되는 ‘저온 및 고자기장 분야 젊은 과학자상’에 해당한다.
김교수는 고체에서도 초유체 현상이 존재할 수 있다는 초고체 현상 이론을 실험적으로 증명한 업적을 인정받아 수상자로 선정됐다. 초고체 현상은 양자역학적 진동으로 인해 절대영도(-273.15℃) 근처에서 고체 격자를 이루는 원자들의 일부가 점성이 없는 초유체 상태로 존재한다는 것이다. 실험 물리학자들은 30년 이상 이 초고체 현상의 실체를 입증하기 위해 노력해 왔으며, 金 교수가 최초로 초고체 현상의 존재를 실험적으로 입증하여 고체 내에서도 보즈-아인슈타인 응축현상의 존재 가능성을 제안했다.
이 상은 영국 옥스퍼드 인스트루먼츠(Oxford instruments)社의 후원으로 저온과 고자기장 분야의 세계적 저명학자들로 구성된 위원회에서 수상자를 선정한다. 시상식은 오는 11일(화) 美 뉴올리언즈에서 열리는 미국 물리학회 학술대회에서 갖는다.
2008.03.10
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이흔교수, 온난화가스와 에너지가스 맞교환 원리 규명
“지구온난화 주범 이산화탄소를 천연 가스와 맞바꾼다”
- 천연가스 하이드레이트층에서 이산화탄소 저장과 천연가스 생산 동시에 일어나는 자연 현상적 메카니즘 이용
- 에너지 생산와 환경문제 해결 일거양득 효과 구현
- KAIST 이흔 교수팀, 미국 과학원 회보 최신호에 발표
해저에서 온난화 가스와 에너지 가스를 맞교환하여 에너지 생산과 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 원리가 국내 연구진에 의해 실험적으로 입증됐다.
KAIST(총장 서남표) 생명화학공학과 이흔(李琿, 55) 교수팀과 한국지질자원연구원이 공동으로, 해저 천연가스 하이드레이트층에 이산화탄소나 배기가스를 직접 저장하고 동시에 천연가스를 생산할 수 있는 자연 현상적 맞교환 메커니즘을 규명, 그 연구결과가 저명 과학저널 미국 과학원 회보(PNAS) 8월 15일자 온라인판에 발표됐다.
지난 2003년 李교수는‘연료와 이산화탄소의 맞교환’이란 제목의 논문으로 이 기술을 처음 발표하였으며 또한 사이언스지 11월호에 리서치 하이라이트로 소개되어 세계적 주목을 받았다. 이후 3년여 연구 끝에 막연한 개념으로만 존재하던 지구 온난화가스의 대규모 해양 직접 저장 가능성을 실험적으로 입증했다. 즉, 모든 구조의 천연가스 하이드레이트층에 이 원리를 적용, 얼음 형태의 퇴적층으로부터 천연가스가 거의 대부분 회수될 수 있음을 이번 연구결과 밝혀낸 것이다.
이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 문제는 최근 심각한 환경 문제를 야기하며 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이러한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해서는 발전소, 자동차 등 여러 배출원으로부터 나오는 이산화탄소를 줄이거나 없애는 방법 밖에 없다.
그동안 전 세계적으로 꾸준히 추진해온 산업구조 에너지 효율 향상이나 이산화탄소를 분리 처리하는 기술로는 지구온난화 문제를 적극적으로 대처하는데 극히 제한적일 수밖에 없었다. 따라서 대기권에 절대량으로 엄청나게 존재하는 이산화탄소를 지하나 바다 밑에 대규모로 저장하는 방법이 가장 현실성 있고 효과적인 대안으로 떠오르고 있다.
현재 바다 밑에는 천연가스 하이드레이트라고 하는 대규모 농축 메탄가스 퇴적층이 존재하는 것으로 확인되었다. 천연가스 하이드레이트의 매장량은 현 지구상 모든 화석 연료를 합친 것보다도 더 많은 것으로 알려져 있다. 이미 미국, 일본 캐나다, 러시아 등 세계 여러나라에서 이 미래 에너지원을 활용하기 위한 기술 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다.
천연가스 하이드레이트는 불안정하기 때문에 깊은 바다 밑에 매장된 천연가스 하이드레이트를 채취할 때는 압력과 온도를 그대로 유지해야 한다. 李 교수팀은 이 천연가스 하이드레이트 상태를 유지하기 위해 이산화탄소가 포함된 혼합 배기가스를 주입, 천연가스와 배기가스를 맞교환시키는 방법을 개발했다. 이 맞교환 원리에 따라 해저 천연가스는 지상으로 끌어 올려져 에너지로 사용되고, 지상의 배기가스는 해저에 거의 반영구적으로 저장된다.
이번에 개발된 맞교환 원리 기술을 적용하면 ▲여러 종류의 성분들이 혼합된 배기가스를 바로 해저로 직접 투입 가능하기 때문에 지상에서 순수한 이산화탄소를 만들 필요가 없고 ▲광범위한 천연가스 하이드레이트층 개발은 심각한 해저 생태계 파괴를 가져올 수 있으나, 해저에서 맞교환을 일으키면 천연가스가 이산화탄소와 질소로 대체되기 때문에 본래 층의 골격은 파괴되지 않고 유지되어 환경 피해가 거의 없으며 ▲온난화 가스를 이용하여 해저의 천연가스를 90% 이상 대부분 회수할 수 있기 때문에 개발의 경제성을 높일 수 있다.
이는 2003년 당시의 순수 이산화탄소만 사용, 천연가스 회수율 64% 등의 제약 조건을 획기적으로 개선, 실용화로 직접 접근할 수 있는 연구결과로 평가받고 있다.
李 교수는 “이번 주요 연구 결과들을 우리나라, 미국, 일본 등에 이미 특허 출원했다”며 “확보된 원천 핵심 자료를 바탕으로 실제 공정이 구현될 경우, 지구온난화 문제와 새로운 에너지원 활용에 있어서 획기적인 성과를 거둘 것이다”라고 말했다.
<사진 1 : 맞교환 원리>
지상의 온난화 배기가스를 모아서 깊은 바다 밑에 있는 천연가스 하이드레이트층에 저장하고 동시에 맞교환을 일으켜 천연가스 하이드레이트층으로부터 천연가스를 회수한다.
<사진 2 : 천연가스 하이드레이트>
미국 오레곤 앞바다에서 끌어올린 천연가스 하이드레이트
<사진 3 : 해저 맞교환 현상>
깊은 바다 밑 천연가스 하이드레이트층에 존재하는 축구공과 같이 속이 빈 수많은 얼음 나노 공간 내에서 일어나는 천연가스와 배기가스가 맞교환되는 현상
2006.08.17
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유룡교수 이재영교수, 대한민국 최고과학기술인 상 수상
`대한민국 최고과학기술인상" 수상자 3명 선정
우리학교의 유룡(50) 교수와 이재영(李在英ㆍ66) 명예교수를 비롯하여, KIST의 신희섭(申喜燮ㆍ55) 책임연구원 등 3명이 `대한민국 최고 과학기술인상" 수상자로 뽑혔다. 과학기술부와 한국과학기술단체총연합회는 20일 유 교수와 이 교수, 신 책임연구원을 대한민국 최고과학기술인상 수상자로 선정, 오는 21일 서울 삼성동 코엑스에서 열리는 과학의 날 기념식에서 시상한다고 발표했다. 수상자에게는 각각 대한민국 최고 과학기술인의 영예와 함께 상금 3억원이 수여된다.
우리학교 화학과의 유룡 교수는 나노다공성 탄소물질에 관한 새로운 연구분야를 개척, 국가위상을 높였으며 그의 논문이 최근 국내 `톱 10" 인용 논문 중에서 3편이나 포함됐고 연간 과학논문인용색인(SCI)에서 논문인용 횟수가 800여회에 이르는 등 국가 과학기술 향상에 크게 기여한 점을 인정받았다.
이재영 명예교수는 고체 내의 변칙적인 원자이동의 현상을 규명했으며 그가 개발한 수소 열 분석법은 미국과 독일의 대학 교재로 활용되는 등 세계적으로 인정받고 있다. 특히 미래 에너지원인 수소에너지에 대한 연구를 통해 프레온 가스를 사용하지 않은 환경친화적인 청정 냉방시스템과 고용량 수소저장 합금을 개발하는 데 성공했다.
신 책임연구원은 칼슘 이온통로 연구를 통해 뇌의 `의식-무의식 상태"를 조절하는 핵심기전을 규명해 수면조절, 간질, 통증치료의 기술개발 터전을 마련했으며 뇌의 작용 기전의 유전학적인 연구에서 큰 업적을 이뤄 이 분야에서 세계적인 선도자로 자리를 굳혔다고 과기부는 선정이유를 밝혔다.
대한민국 최고 과학기술인상은 1968년부터 시행되던 대한민국과학기술상이 확대, 개편된 것으로 매년 이학, 공학, 농수산, 의.약학 등 4개분야에서 1명씩 선정해 대통령상장과 상금 3억원이 각각 수여된다. 수상자에게 각각 주어지는 상금 3억원은 국내에서 제정된 모든 상중에서 최고의 액수로 정부의 과학기술 육성에 대한 의지가 담겨있다.
2005.04.21
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