에너지과학과 김성웅 교수 연구팀,
 음이온 역할을 하는 전자를 이용한
새로운 자석 소재 개발 성공
- 새로운 원리를 갖는 자성 소재 개발 및 활성화 기대

[그림1] 김성웅 교수, 이승용 연구원, 황재열 교수

자석은 일상에서 매우 중요한 소재로, 하드디스크 및 전기 모터 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 일반적으로 자석 소재는 고가의 희토류 원소를 주요 구성요소로 한 합금 형태로 이루어져 있으나, 희토류 원소에 대한 가격 부담 및 안정적인 원료 공급에 대한 문제로 인해서 새로운 자석 소재에 대한 필요성이 대두되고 있다.

현재까지 자석 소재에 필수 구성요소로 여겨졌던 희토류 원소를 사용하지 않거나 그 사용량을 현저히 감소시킨 새로운 자석 소재의 개발을 위한 하나의 가능성으로, 격자간 음이온 전자로 이루어진 ‘전자화물’에 대한 연구가 주목받아왔다. 격자간 음이온 전자가 독립적으로 소재 내부의 빈 공간에 존재할 경우 강자성 특성을 발현할 수 있다는 이론적인 예측은 보고되었으나, 이러한 아이디어를 활용하여 새로운 자성 소재의 합성에 성공한 예는 없었다.

에너지과학과 김성웅 교수 연구팀은 강자성 특성을 가진 전자화물 자석 소재를 세계 최초로 합성하고 그 원리 규명에 성공하였다.

김성웅 교수 연구팀은 2차원 층상구조의 층간의 빈 공간에 독립적으로 위치하면서 고유의 자기 모멘트(magnetic moment)를 갖는 격자간 음이온 전자의 존재를 세계 최초로 규명하였다. 또한 이러한 전자들이 층간에서 주변 양이온과 강한 상호작용(exchange interaction)을 통하여 강자성 특성이 발현되는 2차원 전자화물 자석 소재(Gd2C)를 개발하는 데 성공하였다.

특히, 2차원 전자화물 자석 소재(Gd2C)는 희토류 원소(Gd)만으로 이루어진 기존 자석보다 더 강한 자기 모멘트를 가지고 있어, 전자화물 소재를 응용하면 희토류 원소를 줄이면서도 동일한 자기 특성을 갖는 새로운 자석 소재 개발이 가능하다는 것을 보여준다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다.

[그림2] 2차원 자성 전자화물 개념도. 층간의 빈 공간에 위치한 격자간 음이온 전자가 

고유의 자기 모멘트를 갖고 주위의 원자들과 상호교환 작용을 하여 강자성 특성을 나타냄.

이번 연구는 기존의 희토류 원소가 자성을 발현한다는 일반적인 원리와는 다르게, 격자간 음이온 전자가 고유의 자기 모멘트를 가지면서 주변 원자와 상호작용을 통해 자성특성을 발현한다는 새로운 자성 구현 원리를 제시한다는 점에서도 의미가 크다.

또한 이론적으로만 제시된 자석 전자화물 소재 연구의 한계를 극복하고 처음으로 강자성체 특성을 갖는 전자화물 합성에 성공한 연구 결과로 자성체 전자화물 분야에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다.

본 연구가 제시하는 전자화물 소재에서의 새로운 자성특성 발현 원리를 이용한다면, 자석 소재 합성에 필요한 고가의 희토류 원소 사용을 줄이고 더 나아가 저가 원소로 이루어진 전자화물의 자석 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다. 

본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.878)에 3월 23일 게재됐다.