세계 최초로`자성을 갖는´전자화물 발견

미개척 전자화물 소재의 선도적 연구결과 발표-

미래창조과학부(장관 최양희)는 “세계 최초로 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electrons)로 이루어진 새로운 개념의 재료인 새로운 2차원 전자화물의 존재를 계산과학을 통해 예측하고, 이를 통해 자성이 없는 원소들만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데에 성공하였다”고 밝혔다.

일반적으로 소재는 원소의 결합으로 이루어져 있으며, 구성원소의 궤도전자(Orbital electrons)에 의해 그 특성이 결정된다. 그러나 전자화물 소재는 원소들의 결합으로 이루어진 소재 내부의 빈 공간 (real space)에 존재하는 격자간 전자(Interstitial Electrons)에 의해 특성이 결정된다.

연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용하여 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아냈다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해 단지 원소조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해 냈다.

찾아낸 물질들의 열역학적인 특성들을 다양한 전자 계산법을 통하여 규명하였고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다.

연구팀은 새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법인 국부용융법(zone melting method)을 통하여, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는데에 성공하였으며, 전자기적 물성 분석을 통하여 세계최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견해 내었다.

밀도범함수이론(density-functional theory)을 통한 재료전산모사를 통하여 Y2C 전자화물의 자기이방성의 근원이 격자간 전자가 정렬된 자석의 역할을 하기 때문이라는 사실을 규명하였다.

이번 연구는 미래창조과학부 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업 지원으로 김성웅 교수 연구단(성균관대)이 미국 오크리지 국립연구소, 미시시피 주립대학 및 군산대학교, 강원대학교 등 국내외 연구진과 공동연구로 수행하였으며, 연구결과는 미국화학학회가 발간하는 세계 최고권위의 화학 전문과학저널 Journal of the American Chemical Society(IF 13.083) 온라인판에 2편이 게재되었다.

김성웅 교수는 “미개척 분야인 전자화물 소재 연구에서 자성이 없는 원소로 구성된 전자화물 소재에서 격자간 전자만으로 자성 소재를 개발했다는 점에 큰 의의가 있다”며 “지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류 원소가 필수였던 기존의 자기 소재 조성을 탈피할 수 있는 새로운 자성소재 구현의 가능성을 제시한 점에서 그 시사점이 크다”고 밝혔다.

<무단전재 및 재배포금지> 최 대열 기자