[동아일보] 전기학 기반 ‘옴의 법칙’ 190년만에 한국인이 깼다

일정 규모의 저항을 일으키도록 만들어진 부품. 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항엔 반비례한다는 ‘옴의 법칙’에 위배되는 금속을 국내 연구진이 처음으로 발견했다. 옴의 법칙이 나온 지 190년 만의 일이다. 위키미디어 제공

옴의 법칙에 위배되는 물질이 190년 만에 나왔다. 국내 연구진이 특정 금속에서 ‘옴의 법칙’이 적용되지 않는 현상을 처음으로 발견했다.

김지훈 포스텍 물리학과 교수팀은 김헌정 대구대 교수와 공동으로 ‘바일 금속(BiSb)’ 표면에서 나타나는 독특한 전자의 움직임은 옴의 법칙으로는 설명할 수 없는 현상임을 규명해 ‘네이처 머티리얼스’ 8월 14일자에 발표했다.

김지훈 교수는 “190년간 깨지지 않은 법칙에 이의를 제기할 물질이 나타난 것이다. 교과서의 내용을 바꿀 만한 놀라운 발견”이라고 말했다.


1827년 처음 발표된 옴의 법칙은 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 설명하는 법칙이다. 금속 안에서 자유롭게 움직이던 전자는 전압이 걸리면 일정한 방향으로 움직인다. 모든 금속 내부에는 불순물이 있는데, 이 불순물 때문에 전자의 흐름(전류)이 방해를 받는 것이 저항이다. 전압이 강할수록 전자가 불순물의 방해를 이겨내고 더 잘 나아간다는 현상을 설명하는 것이 옴의 법칙이다.

바일 금속의 표면에도 불순물이 있다. 하지만 전자가 이동하는 양상은 보통 금속과 다르다. 바일 금속은 전압을 걸어주면 내부에 전자가 이동하는 통로가 형성된다. 전자는 이 통로로 불순물에 부딪치지 않고 이동한다. 통로 내부에선 저항을 받지 않고 전류가 흐른다는 의미다. 전압, 전류, 저항이라는 세 가지 요소가 모두 있을 때 성립하는 옴의 법칙으로는 설명이 불가능한 현상이다. 김 교수는 “바일 금속처럼 옴의 법칙에 위배되는 더 다양한 물질이 있을 수 있다”고 말했다.

바일 금속의 특성은 향후 에너지 손실이 거의 없는 반도체 기기를 개발하는 데 사용할 수 있다. 대부분의 전자는 자기장의 방향에 따라 움직이지만, 일부 전자는 금속 내부에서 자유롭게 돌아다닌다. 바일 금속에서도 통로 외부의 전자는 불순물이 있는 내부 공간에서 움직이기 때문에 미량의 저항은 있다. 향후 연구를 거듭하면 모든 전자가 통로를 통해 움직여 저항을 전혀 받지 않고 전류가 흐르는 소자를 만들 수 있다.

바일 금속의 최초 발견자도 국내 과학자다. 김기석 포스텍 교수와 김헌정 교수 등 국내 연구진이 2013년 발견했다. 금속의 최초 발견부터 성질 규명까지 모두 국내 연구진 손에서 진행된 것이다.
　
권예슬 동아사이언스 기자 yskwon@donga.com