다아라 매거진 _ 2018.01

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[Technical News] 새로운 소재, 전자화물의 자성 극대화 원리 규명

희토류 같은 자성 원소 없이 자성 발현하는 새로운 소재 설계 가능성 열어

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희토류 같은 자성 원소 없이 자성 발현하는 새로운 소재 설계 가능성 열어


한국연구재단(이사장 조무제)은 김성웅 교수(성균관대학교) 연구팀이 새로운 소재인 전자화물이 자성을 발현하는 원리를 규명하고, 이를 통해서 자성을 극대화시키는 데에 성공했다고 밝혔다.

전자화물(electride)은 전자가 원소의 최외각 궤도에 위치하지 않고, 규칙적으로 배열된 원소들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재한다. 혁신적인 신소재로서 다양한 분야로의 응용이 기대되지만, 아직까지는 실제 합성에 성공한 전자화물 재료가 10여종에 지나지 않으며, 그 기능성 메커니즘에 대한 연구도 전무한 실정이다.

이에 연구의 필요성을 느낀 김성웅 교수 연구팀은 여러 시행착오 끝에 전자화물 내부의 격자간 전자에 의한 자성이 전자의 구속 정도에 따라 달라짐을 규명했다. 이는 전자화물 내부의 격자간 전자가 구속돼 있는 2차원 공간의 크기에 따라 발현되는 자기적 특성이 달라짐을 말한다.

기존에 이론적으로만 존재하던 초고압 금속 내부의 전자 구속 상태가 실제 합성된 전자화물 내에서 발현될 수 있음이 확인된 것이다.

연구팀은 이러한 원리를 기반으로, 불순물을 주입하는 간단한 공정으로 격자간 전자의 구속 정도를 극대화시키고 비자성 원소로만 이루어진 전자화물 재료 내부의 격자 전자의 자기 물성을 극대화 시키는 데에도 성공했다.

김성웅 교수는 “전자화물의 물질 특성을 결정하는 근본적인 원리를 최초로 규명해낸 연구라는 점과 전자화물이라는 실제 합성 가능한 소재를 통해, 이론적으로만 예측됐던 초고압 금속 상태를 모사할 수 있게 돼 연구결과로서의 그 의의가 크다”고 말했다.

또한 그는 “지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류와 같은 자성 원소가 없어도 자성을 발현할 수 있는 새로운 소재 설계의 가능성을 열었다는 점에서 그 시사점이 크다”고 덧붙였다.

앞으로 김성웅 연구단은 미개척 분야인 전자화물 소재에 대한 창의적 연구를 통해, 세계적 소재 연구 그룹으로 자리 잡아 나가는 것이 목표라고 밝혔다. “지속적이고 선도적인 연구를 통해 새로운 전자화물 소재를 발굴 및 창제해 나가고 그 소재 물성을 최적화 해 기존의 전자소재, 자성소재, 화학적 환원/촉매 소재 등으로의 응용분야를 개척해 나갈 계획”이라고 김 교수는 전했다.

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