크리스털(crystal)은 보석처럼 맑고 투명하게 반짝이는 물질들을 떠올리게 하는데, 물리학에서 크리스털은 물질을 구성하는 원자 또는 (고)분자들이 규칙적으로 배열된 집합체를 뜻한다. 크리스털 내 입자들이 공간상에 완벽하게 정렬된 상태는, 절대온도에서 계의 엔트로피는 0에 접근한다는 열역학 제3법칙을 발전시키고 양자역학을 기반으로 계를 이해하는 데 활용될 정도로 물리학에서 주요하게 다루는 계이다. 결정(結晶; 結: 맺을 결, 晶: 맑을 정)은 크리스털(crystal)의 국문으로, 단결정(單結晶)은 결정 중에서 원소들이 한치의 흐트러짐 없이 배열된 하나의 덩어리를 지칭한다.

단결정이 국가 연구개발 기술의 핵심어로 다루어지는 경우는 거의 없다. 하지만 흥미롭게도 우리나라 주요 과학기술하면 떠오르는 반도체, 태양전지, 레이저, 및 양자정보화 기술들은 모두 단결정에서 발현되는 물리 현상들로, 기초과학과 산업 모두에서 단결정의 품질 개선과 함께 새로운 물리현상에 대한 철저한 이해가 요구되고 있다. 이번 특집에서는 반짝이는 광물로 여겨지는 단결정이 최첨단 물리학의 실험대(testbed)로 발전해온 시간을 되짚어보고 최신 연구결과들을 소개하고자 하였다. 이를 위해 우리나라 단결정 성장과 관련 연구에서 최첨단에 계신 가능한 많은 전문가들의 옥고를 단결정 특집에 담았다.

먼저 20세기 초 양자역학이 태동하던 시기, 빛과 전자의 이중성 실증에 핵심이었던 단결정에 대한 이야기와 서양 단결정 성장의 역사에 대해 알아본다. 그리고 물리학 연구실에서 활용하는 단결정 성장기술과 원리를 간략히 소개하였다. 다음으로 한국물리학회지를 통해 학회지 초기부터 1990년까지 시대별 우리나라 단결정 연구의 성과들을 살펴본다. 마지막으로 12개 국내 단결정 연구그룹들의 최신 연구를 소개 및 갈무리하며 본 특집을 마무리한다.

이번 특집에 국내 학계의 첨단 단결정 연구뿐 아니라 전통적 반도체 및 양자 정보화 산업에 필수적인 산업과 직접적으로 관련된 단결정 기술을 소개하지 못한 것은 아쉬움으로 남는다. 한편 여러 전문가들의 옥고를 모으며 우리나라 물리학자들의 단결정을 이용한 연구결과들을 세계적 과학잡지에서 발견하는 것이 크게 어렵지 않은 일임을 알 수 있었다. 이번 단결정 특집을 통해 단결정이 선사하는 물리학적 의미를 되돌아보고, 향후 단결정 관련 연구 및 기술개발을 시작하는 이들에게는 새롭고 도전적인 연구를 수행하거나 개발기술을 사업에 접목함에 있어 유용한 자양분이 되길 바라며 편집후기를 마무리한다.

[객원 책임편집위원 울산과학기술원 물리학과 부교수 오윤석 (ysoh@unist.ac.kr)]