새로운 소재 ‘전자화물의 자성’ 극대화 원리 규명

성균관대학교 김성웅 교수 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.

연구팀은 전자화물 내부의 격자간 전자에 의한 자성이 전자의 구속 정도에 따라 달라짐을 규명했다.

기존에 이론적으로만 존재하던 초고압 금속 내부의 전자 구속 상태가 실제 합성된 전자화물 내에서 발현될 수 있음이 확인됐다. 이러한 원리를 기반으로, 불순물을 주입하는 간단한 공정으로 격자간 전자의 구속 정도를 극대화시키고 물질의 자기적 성질을 획기적으로 증가시키는 데에도 성공했다.

연구팀은 “고가의 희토류와 같은 자성 원소가 없어도 자성을 발현할 수 있는 새로운 소재 설계의 가능성을 열었다는 점에서 그 시사점이 크다”고 연구의 의의를 설명했다.



이 연구는 김성웅 교수와 이기문 교수(군산대학교), 이규형 교수(강원대학교), 김성곤 교수(미국 미시시피 주립대학) 등 국내외 공동연구를 통해 이뤄졌다.





전자화물 소재 내부의 격자간 전자 구속 정도에 따른 자기 물성 극대화의 모식도 ▶ 원자층간에 음이온 역할을 하는 격자간 전자가 구속되어 있는 Y2C 전자화물 소재의 원자층간 거리를 Sc 불순물 원소의 치환을 통하여 크게 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 구속 정도가 강해진 격자간 전자의 자기 정렬 정도가 강해져 자기 물성이 극대화 되는 효과가 있다.빨간색 상자로 표시된 물질은 본 연구를 통해 미생물 효소들을 이용해 생합성된 헤폭실린과 트리오실린을 나타낸 것이다.





Y2C 전자화물의 Sc 불순물 치환에 따른 자성물성 극대화 ▶ Sc 불순물 주입에 따른 Y2C 전자화물의 자기모먼트 값 변화를 실험적으로 측정한 결과. Sc이 비자성 원소임에도 불구하고, 자기모먼트 값이 불순물 주입량의 증가함에 따라 증가하고 있음을 확인할 수 있다.



서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / 정승호 기자 saint096@naver.com