1. 연구배경

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 지금까지 발견되어 실제 합성된 전자화물 소재는 10여개 내외이며, 계산과학을 통해 예측된 재료가 합성되거나, 자성 등의 물성을 나타내는 전자화물이 발견된 예는 전무하였다. 더불어 격자간 전자만에 의한 자성물성 발현 메커니즘에 대한 예측 역시 전무하였다.

2. 연구내용

연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용하여 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아내었다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해서, 단지 원소 조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해내었다.

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

연구팀은 새롭게 발견한 Y2C 전자화물을 국부용융법(zone melting method)을 통하여, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 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.

3. 기대효과 

경험적인 데이터베이스에 기반한 기존 소재 연구 방법론을 탈피하여, 데이터 마이닝(Data Mining) 기반의 컴퓨팅 기술로 신규 소재를 도출하고, 그러한 소재의 물성을 고도화/정밀화 시키는 신개념 소재 연구 방법론을 통해 일궈낸 결과로서의 차세대 미래 신소재를 개발하는 연구 패러다임을 제시하였다. 

지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류 원소가 필수였던 기존의 자기 소재 조성을 탈피할 수 있는, 새로운 자성소재 구현의 가능성을 제시함으로써 미래 신규 소재 시장을 개척할 수 있는 기반 소재 기술로의 활용이 기대된다.

미개척 분야인 전자화물 소재의 지속적인 확보를 통한 미래 소재산업 육성 및 소재강국 실현의 기반이 될 것으로 기대된다.

용어 설명

1. Journal of the American Chemical Society (JACS)지
화학분야의 최고 권위 기관인 미국화학학회(American Chemical Society)의 학술 논문지이다. 화학 분야에 대한 전반부를 다루며, 1879년에 창간된 오랜 역사와 인용지수 13.038의 최고 권위를 인정받고 있는 국제학술지이다. 

2. 전자화물
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. 데이터 마이닝
대규모로 저장된 데이터 안에서 체계적이고 자동적으로 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 것.

4. 국부용융법
고순도, 고품질의 단결정을 성장시키는 공정법으로, 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법.

5. 밀도범함수이론
물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한 이론의 하나. 이를 통해 어떤 분자가 세상에 존재할 수 있는지 없는지의 여부, 특정 분자의 모양과 성질 등을 예측할 수 있다. 컴퓨터를 사용하는 과학 계산들 중에서 가장 널리 쓰이는 양자 역학 계산 분야 중 하나이다.