Celebrating the 100th Anniversary of Ferroelectricity

Jaichan LEE

It is 100 years when we think about the history of ferroelectricity. We, who study ferroelectricity, are honored and pleased to share the 100-year anniversary of ferroelectricity and recall its history. At this great moment, we look back to the brief history on the verge of ferroelectricity. Our hope is that ferroelectricity studied as an early collective phenomenon will be coupled with quantum behavior, the essence of modern science, to become a new age in the history of science and technology.

들어가며

Joseph Valasek 교수가 롯셀염에서 강유전체 현상을 발표한 지 100년이 되는 2021년에 강유전체를 연구해온 과학자의 한 사람으로서 강유전체 100년의 역사를 돌이켜보는 자리에 많은 훌륭한 과학자들과 함께 하게 되었다는 것에 감동과 감사의 마음이 듭니다. 100년이란 세월은 한 개인에게는 3대가 이어져 내려오는 기간이고 한 국가에서는 흥망성쇠의 변화가 뚜렷이 보이는 정도의 기간이니 100년을 바라보는 사람들은 제각기 상념에 빠지게 됩니다.

Valasek 교수는 미네소타대학의 대학원생으로 지도교수인 Swann 교수의 제안으로 롯셀염에 대하여 연구를 시작하게 됩니다. 강유전체 역사의 중심에 있는 롯셀염(프랑스 중서부 해안도시 이름에서 기원)은 1665년 경 제약업을 하는 Seignette 형제가 최초로 만들어 “sel polychreste”로 명명하게 됩니다. 그 후 200년 이상을 의약품으로 광범위하게 사용되어 오다가 19세기에 들어와 본격적으로 물리적 성질들이 연구되기 시작하여 1824년 David Brewster는 열전성질(pyroelectric properties)을, 1880년 Curie 형제는 압전성질을 발견하였고 에디슨은 압전현상을 이용하여 축음기를 만들게 됩니다. 20세기 들어와 Debye는 자성모멘트와 유사하게 영구적인 전기쌍극자모멘트가 있는 분자물질 존재 가능성을 제안했고 Schrodinger는 1912년에 Debye 모델을 고체까지 확장하여 모든 고체는 낮은 온도에서 “ferroelektrisch”가 될 수 있음을 제안하면서 “ferroelectricity” 관련 용어가 최초로 등장하게 됩니다.

롯셀염은 습기에 취약한 단점에도 불구하고 이와 같이 여러 가지 흥미있는 성질들이 발견되었고 특히 수정(quartz)보다 강한 압전성질을 갖고 있고 전기광학성질 등도 갖고 있다고 알려져 있었습니다. Valasek 교수는 연구를 시작한 지 일 년 남짓한 1920년 4월 23일 워싱턴에서 개최된 미국물리학회에서 “dielectric displacement, electric intensity, polarization”을 언급하며 롯셀염의 분극이 자연상태에서 안정하며 자성체에서 알려진 이력현상과 유사한 분극의 이력현상(hysteresis curve)을 보임을 최초로 발표하게 됩니다.1) 이어서 1921년 Phys. Rev. 저널에 “Piezo-electric and allied phenomena in Rochelle salt”라는 제목으로 완결된 연구결과를 발표합니다.2) 대학원생으로 학위논문 연구로 기념비적인 연구 결과를 발표했다는 사실에 당시와는 상황이 다를지라도 놀라움과 지금의 대학원생들에게도 많은 시사점을 줍니다.

돌이켜보면 대학원생 시절 강유전체에 대한 연구를 하게 되면서 많이 읽었던 학술지가 Ferroelectrics이었습니다. Ferroelectrics 저널은 강유전체 성질이 발표된 지 50년이 되던 1970년에 창간호를 발간하게 됩니다. 창간호의 서문은 강유전체 연구자들에게 익숙한 이름들인 Von Hippel (MIT), William Cochran (Univ. of Edinburgh), Yutaka Takagi (Nagoya Univ.), G. A. Smolenski (Academy of Sciences, USSR) 네 분이 썼는데 “In this stormy age of man’s expanding mind”란 글귀가 나옵니다.3) 과학기술에 대한 지식이 본격적으로 팽창하는 시대를 잘 반영하는 것이 보이며 또다시 50년의 세월이 흘러 강유전체에 관련된 과학기술은 과학기술사에 또 다른 장으로 넘어가는 시점이 되었습니다. Ferroelectrics 창간호 서문에 있던 글귀는 여전히 오히려 더욱 우리들의 마음에 다가옵니다. 강유전체가 갖고 있는 전기분극의 집합체 현상이 학문 세대를 이어가면서 본격적으로 현대 과학기술의 중심이 되어가고 있는 양자현상과 결합되어 미래 과학기술로 보다 풍성한 열매를 맺고 인류에 기여하기를 기대하고 바라면서 또한 선배과학자들의 노력으로 이루어진 우리나라 유전체 연구모임도 따뜻하면서도 풍성한 학회로 계속 이어지기를 기원하면서 강유전체 100년 역사와 미래를 다시 생각해봅니다.