과학과 영성에 오신 걸 환영합니다 원자를 하나 둘 가져와 주기적이고 규칙적인 고체의 결정을 얻어서 새로운 물질을 만드는 것이 가능하다고 생각하세요？

자연에서 한번도 보지 못한 결정체를 만들기 위해 현존하는 원소를 넣은 여러분의 도안을 따라 선택된 원자가 자연스럽게 정확한 자리에 들어갈 수 있다고 생각하세요？
더욱이 상상하기 힘든 일은 그런 원자 층이 샌드위치 같은 여러 겹의 결정 구조물과 기하학적인 모양을 형성하기 위해 배열된다는 것입니다 믿거나 말거나 그러한 원자 공학은 분자선 에피택시， 줄여서 ＭＢＥ를 사용할 가능성이 있죠

단어 에피택시는 『위쪽』이라는 뜻의 그리스어『에피』와 『정연한 방식』이란 택시스에서 유래합니다 이것은 단결정 기질 위의 정연한 결정의 발달을 묘사합니다 ＭＢＥ는 고도의 진공 속에서 가열된 자원에서 원자 혹은 분자가 증발된 정교한 형태입니다 이런 식으로 해서， 에피택시의 층이라고 불리는 새로운 결정 층은 단층 정밀도로 자랄 수 있습니다

에피텍시의 발달의 기본 원리는 깨끗한 표면 위의 원자가 결정체 격자 안에서 결합하기에 적합한 위치를 찾을 때까지 자유로이 움직인다는 것입니다 이 단순한 착상은 １９６８년 벨 연구소 알프레드 초와 존 아서의ＭＢＥ 발명으로 이어졌지만 ＭＢＥ로 높은 질의 결정층을 얻기까지는 １０년 간의 힘겨운 노력이 있었죠

최근 우리의 통신원이 ＭＢＥ뒤에 숨겨진 비밀과 가장 최근의 연구 추이를 이해하기 위해 ＭＢＥ기술의 전문가 톰 티제 박사와 만났습니다 티제 박사는 캐나다 밴쿠버 브리티쉬 콜롬비아 대학 (ＵＢＣ)에서 공동 직책을 맡고 있습니다 그는 물리학과 천문학부， 전기，컴퓨터 공학부의 교수입니다 그는ＵＢＣ에 있는 다학문 연구센터인 원자재 및 가공 공학 연구소 (ＡＭＰＥＬ)，ＭＢＥ 연구실도 감독합니다
티제 박사는 캐나다 왕립 협회와 미국 학술원의 특별회원입니다 그는ＢＣ 과학 이사회 금메달， ＵＢＣ 킬램 연구상， ＮＳＥＲＣ 스테이시 연구 장학금， 캐나다 물리학자 협회 헤르츠버그 메달을 수상했습니다

티제교수님，우리 쇼에 오신 것을 환영합니다 당신 같은 전문가를 모시게 되어 기쁩니다 먼저 에피택시가 실제로 무엇이며 다른 방법이 한 것과 비교해서 당신의 연구방법인 분자선 에피택시가 무엇인지，그리고 다른 결정의 발달과 관련해 도대체 무엇이 만들어진 건지 설명해 주시겠어요？

분자선 에피택시는 한 개의 결정 층에서 시작해서 결정을 발전시키는 방법입니다 두터운 결정을 만들기 위한 또 다른 방법으로 성장시킨 원자의 규칙적인 격자가 있습니다 두터운 결정이란 손에 쥘 수 있는 것을 말합니다 이 두터운 결정 조각을 만듭니다 결정체를 자르면 그것은 표면에 원자의 완벽한 배열을 가지고 있습니다 그리고 나서 분자선 에픽택시 과정에서 그것이 증기로부터 원자를 침전시킵니다

그래서 주전자에서 증발하는 물처럼 원자들이 금속에서 기화하기 시작하는 충분히 높은 온도로 금속원을 가열시킵니다 준비해놓은 결정체 표면에 이 원자들이 내려앉으면 그들은 결정체의 표면 위에 있는 원자들의 배열을 채택합니다 그래서 한 결정체 위에 다른 결정체를 키우죠 이것의 장점은 원자의 단층에 내려놓는 원자의 수를 조절할 수 있다는 점입니다 표면에 하나의 원자 층을 놓을 수 있습니다 이것은 전자파장과 같고 빛 파장보다 작은 구조가 자라는 것을 가능하게 합니다

이것을 잰다면 몇 나노미터 이거나 일 나노미터인데 이는 최고의 전자 현미경으로도 직접 볼 수 없는 상상하기 어려운 짧은 길이입니다 이 수준의 원자정밀도까지 통제할 수 있군요

그렇습니다 광선 앞에 도막을 놓아 원자가 나오는 뜨거운 금속 자원을 가지고 있는데 금속조각으로 원자 빔을 막는다면 원자의 흐름을 막을 수 있습니다 흐름을 저지함으로써 여러 개의 자원이 있다면， 직접 결정한 구성을 가진 인공결정체를 만들 수 있습니다 자연으로부터 얻는 조직이나 자연적인 결정체의 성장에 의지하지 않아도 됩니다 일부 사람들이 분자선 에픽택시를 물질의 원자공학이라 부르는 이유가 그겁니다

기본적으로 당신이 성장시키는 도안에 기초하여 결정할 수 있기 때문에 먼저 원자Ａ에서， 원자Ｂ 층으로， 원자Ｃ층으로， 다시Ａ로 돌아가죠 상상하는 대로요， 맞나요？

맞습니다

잠시 후， 티제 박사의 연구소를 방문하고 분자선 에픽택시 장치의 환상적인 발전을 목격합니다 채널 고정해주세요 과학과 영성이 곧 이어 계속됩니다

과학과 영성을 시청하고 계십니다 이제 우리 게스트인 티제 교수가 운영하는 분자선 에픽택시 연구소를 방문하고 어떤 종류의 복잡한 장비를 사용해 결정체 성장과 함께 원자의 정밀도를 통제하는지 알아봅시다

이것은 분자선 에픽택시 시스템으로 분자를 결정체 표면에 침전시키는데 사용합니다 물 속에 잠긴 방처럼 보이는 이유는 금속 개스킷으로 봉해져 있기 때문이죠 여기 나사가 박힌 테두리는 나머지 방에 구리 개스킷으로 매달려 있습니다 이것은 필수적인 아주 높은 진공 상태를 만들어 결정체에 이질적인 원자들이 포함되지 않도록 막습니다

여기 제 손에 있는 것은 우리가 키울 수 있는 단결정 기질입니다 아주 밝은 것을 보실 수 있죠 거울 같습니다 하지만 이것은 비화 갈륨의 결정입니다 반원 모양인 이유는 결정이 반으로 쪼개졌기 때문이지요 아주 날카롭고 곧게 잘라집니다 이것은 한 면에 들어간 칼자국으로 반으로 나뉜 원입니다 빛나는 표면은 원자적으로 정돈된 단결정 입니다 이 패키지는 뜨거운 용광로에 넣는 고순도 금속 입니다 원자의 자원을 제공하지요

여기 성장실에서는 성장 중 표면에 나타나는 것을 측정하기 위한 장비가 있습니다 여기 검은 것은 표면에 뿌려지는 전자 감지에 사용됩니다 결정이 자라는 동안 표면에 전자 광선을 비춥니다 이 전자들을 이용해 원자가 표면에 닿는 패턴을 측정할 수 있지요 여기 뒤의 이것은 질량 분광계입니다 이것은 관에 있는 가스 단계의 원자를 측정합니다

이 관에는 낮은 압력의 가스가 있으며 질량 분광계는 어떤 원자가 그 가스를 형성했는지 측정합니다 중요한 것은 이것들을 물 증기처럼 유지하며 가스의 산소와 질소 밀집을 아주 낮춰서 고순도 결정을 얻을 수 있도록 하는 겁니다

여기 이것은 회로를 따라 움직이는 기계장치 입니다 여기 회로를 이것에 장착하지요 이건 집의 현관과 같습니다 문을 열고 회로를 현관에 놓고 모든 공기를 빼냅니다 일단 공기가 모두 빠지면 방으로 전송할 수 있지요 공기가 일단 이 방으로 들어가면 일부는 벽에 붙어서 떼내는데 오래 걸립니다 방의 내부를 공기에 노출시키지 않습니다 공기가 전혀 없지요

그런 후 표본이 장착됩니다 볼 수는 없지만 안에는 표본을 통로 밸브를 통과해 운반하는 선로가 있는데 이 밸브는 두 방을 분리하며 이것은 성장이 이뤄지는 이 방으로 옮겨집니다 여기 바닥 아래 내부의 금속 파이프는 용광로가 있어요 이것은 원자가 증발하는 화씨 천도까지 가열합니다

회로를 여기 약간 기울여서 이 둥근 중앙 오른쪽에 있는 홀더에 장착합니다 회로가 섭씨 ５００도 정도로 가열되면 원자는 표면에서 움직이지요 결정의 온도를 조절해 원자가 움직이며 결정에서 알맞은 위치를 택하도록 합니다

원치 않는 불순물이 금속에 확실히 들어가지 않도록 매우 주의합니다 모든 분자 자원은 최고순도이며 침전된 원자의 기질은 최상의 결정이 생성됩니다 성장실의 스텐레스 벽은 면밀히 준비되고 청소될 뿐 아니라 가스 유출의 가능성을 막기 위해 액상 질소로 냉각됩니다 최고순도 자원만이 사용되며 반응실은 대기 압력보다 １조 배 보다 낮은 압력인 최고 진공까지 공기를 빼냅니다 그 상태의 압력을 유지하려면 진공 펌프가 지속적으로 작동해야 합니다 티제 박사가 이 기술의 현실적인 응용에 대해 설명합니다

이것이 마이크로 전자 공학에 기여하듯이 기본 물리 법칙에도 기여하는 것이 있나요？

이 기술은 이제 크게 확장되었지요 현대 핸드폰에 사용된 증폭기를 보세요 모두 라디오 진동을 전달하는 핸드폰의 증폭기가 있는데 이 증폭기가 이제 분자선 에픽택시로 만들어집니다

분자선 에픽택시는 광학과 전자 장치에 잘 사용되는데 핸드폰의 증폭기 뿐 아니라 광학 통신 시스템을 위한 레이저에도 많이 사용됩니다 이것들이 현재 분자선 에픽텍시로 대개 만들어집니다 하지만 아직 실용화되지 않은 많은 새로운 개발이 있지요

이 기술의 새 개발의 한 예로 산화물을 키우는 겁니다 산화물은 일반적인 반도체보다 더 복잡합니다 예를 들어 메모리에서 자성이 유용할 수 있지요 이례적인 변환 효과도 있어서 이런 기술은 미래세대 컴퓨터에 유용할 겁니다

현재 컴퓨터에 사용되는 반도체 장치는 이미 실리콘으로 된 나노 크기여서 그다지 여지가 많지 않습니다 이런 장치의 크기를 줄이는데는 한계가 있어서 새로운 기술이 필요하지요 분자선 에픽택시로 생성된 새 물질은 이 필요성의 충족을 가능하게 합니다

ＭＢＥ는 작고 투명한 구조를 만들어 과학자들이 저차원 사물같은 양자 물리학의 실험적 탐험을 가능하게 합니다 이는 지금까지 불가능했습니다 반세기 동안 과학도들은 상자 안의 분자나 양자에 대해 첫 시간에 배웠지만 현실 세계에서 예를 보진 못했습니다

ＭＢＥ는 실제 물질 구조에서 이런 기본 양자 개념을 이행하는 기회를 열었습니다 그 결과 과학자들과 기구 장치 공학자들이 현실적인 응용에 사용합니다

마찬가지로ＭＢＥ는 다양한 분야에서 전자 성능의 촉진을 가져오는 장치와의 연결도 수행합니다 ＭＢＥ덕분에 다른 물질 층 사이의 이상적으로 정확한 작동의 창조가 가능하며 과학자들은 ２차원적 전자 시스템의 물리 영역을 연구할 수 있으며 전자 제품의 고속 트랜지스터에도 사용됩니다 분자선 에픽택시는 과학과 기술에 있어 우리의 세계관을 확장시켰습니다

다음주에는 계속 티제 박사와 ＭＢＥ의 다른 면모를 토론합니다 수프림 마스터 텔레비전의 건설적인 프로그램에 채널 고정해주세요 주목할 뉴스에 이어 지혜의 말씀이 방영됩니다 다음주에 만나요