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새로운 소재, 전자화물의 자성 극대화 원리 규명
특허뉴스 이성용기자 기사입력  2018/01/10 [13:00]


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.
 
연구팀은 전자화물 내부의 격자간 전자*에 의한 자성이 전자의 구속 정도에 따라 달라짐을 규명하였다. 기존에 이론적으로만 존재하던 초고압 금속 내부의 전자 구속 상태가 실제 합성된 전자화물 내에서 발현될 수 있음이 확인되었다.
* 격자간 전자(interstitial electrons) : 원자의 궤도가 아닌 물질 내의 독립적인 공간에 음이온 형태로 존재하는 전자
 
이러한 원리를 기반으로, 불순물을 주입하는 간단한 공정으로 격자간 전자의 구속 정도를 극대화시키고 물질의 자기적 성질을 획기적으로 증가시키는 데에도 성공하였다.
 
김성웅 교수는 “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.
    
이 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 물리화학 분야 국제학술지 미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society) 12월 6일자 표지논문으로 게재되었다. 
    
논문명, 저자정보    
논문명 : Tuning the Spin-Alignment of Interstitial Electrons in Two-Dimensional Y2C Electride via Chemical Pressure
저 자 : 김성웅 교수(교신저자, 성균관대학교), 이기문 교수(교신저자, 군산대학교), 박종호(제1저자, 성균관대학교), 황재열(공동저자, 성균관대학교), 이규형 교수(공동저자, 강원대학교), 김성곤(공동저자, 미시시피 주립대학교)
 
논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
전자화물(electride)은 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electron)로 이루어진 새로운 개념의 재료로서, 다양한 분야로의 응용이 기대되는 차세대 물질로 알려져 있다.
 
하지만, 실제로 전세계적으로 합성에 성공한 전자화물 재료는 10여종에 지나지 않으며, 그 기능성 발현 원리 및 극대화에 대한 연구도 전무하였다.
 
2. 연구 내용
연구팀은 전자화물 내부의 격자간 전자에 의한 자기 물성이 전자의 구속 정도에 따라 달라짐을 규명하였다.
 
연구팀은 기존의 이론적으로만 존재하던 초고압 금속 내부의 전자 구속 상태가 실제 합성된 전자화물 내에서 발현될 수 있음을 규명하였으며, 그렇게 규명된 원리를 통해 격자간 전자의 구속 정도를 간단한 불순물 주입 공정으로 보다 극대화시킴으로써 격자 전자의 자기 물성을 극대화 시키는 데에도 성공하였다.
 
3. 연구 성과
전자화물이라는 실제 합성 가능한 소재를 통해, 이론적으로만 예측되었던 초고압 금속 상태를 모사할 수 있는 연구결과로서의 그 의의가 크다.
 
지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류 원소가 필수였던 기존의 자성소재 조성을 탈피할 수 있는, 새로운 자성소재 구현의 가능성을 제시한 점에서 그 시사점이 크다.
 
용 어 설 명
1. 미국화학학회(Journal of the American Chemical Society) 誌
화학분야의 최고 권위 기관인 미국화학학회(American Chemical Society)의 학술지. 화학 분야에 대한 전반부를 다루며, 1879년에 창간된 오랜 역사와 권위를 인정받고 있는 국제학술지. (인용지수: 13.858, 화학분야 상위 6.0%)
 
2. 전자화물(electride)
전자가 물질을 이루는 원자의 궤도에 속해있는 기존 재료와는 달리, 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하고 있는 신개념의 재료로, 1983년 처음 존재가 발견된 후로 현재까지 10여종 밖에 실재로 합성된 소재가 보고되지 못하고 있다.
 
3. 격자간 전자(Interstitial Electron)
원자의 궤도(Atomic Orbital)가 아닌 물질 내의 독립적인 공간에 음이온(Anion)의 형태로 존재하고 있는 전자
 
▲     © 특허뉴스
 
그 림 설 명 : 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.

 

▲     © 특허뉴스
 
그 림 설 명 : Y2C 전자화물의 Sc 불순물 치환에 따른 자성 물성 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.

기사입력: 2018/01/10 [13:00]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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