국내 연구진이 자성을 갖는 전자화물을 최초 발견했다. 전자화물은 그래핀과 함께 제2 꿈의 신소재로 불린다. 새로운 양자 물질과 물성 연구의 장을 열었다는 평가다.
김성웅 성균관대 교수 연구단이 미국 오크리지 국립연구소, 미시시피주립대학, 군산대, 강원대 등 국내외 연구진과 수행한 공동연구에서 이 같은 성과가 나왔다고 24일 밝혔다. 연구팀은 새로운 2차원 전자화물 존재를 계산과학으로 예측하고, 자성이 없는 원소만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데 성공했다고 설명했다.
전자화물은 양이온과 음이온으로 이뤄진 이온결정성 물질에서 전자만으로 음이온을 대체해 양이온과 전자만으로 이뤄진 물질을 말한다. 전자화물 내부 음이온 전자는 원자궤도가 아닌 구조적 공간에 존재하고 있는 것이 특징이며, 이로 인해 일함수(workfunction)가 낮아 전극소재나 전자방출소재로 응용이 기대된다.
연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용해 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아냈다. 슈퍼컴퓨터를 활용해 초고속, 대량 계산을 했고 원소조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지 물질을 찾아냈다. 그 중에서 2차원 전자화물이 되는 6개 물질을 단시간 내에 찾아냈다. 찾아낸 물질의 열역학적인 특성을 다양한 전자계산법으로 규명하고 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로 상온에서 안정한 물질임을 보였다.
연구팀은 새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 국부용융법(zone melting method)으로 고순도·고품질 단결정 소재로 합성하는 데에 성공했다. 전자기적 물성 분석을 통해 세계 최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견했다.
김성웅 교수는 “자성이 없는 원소로 구성된 전자화물 소재에서 격자간 전자만으로 자성 소재를 개발했다는 점에 큰 의의가 있다”면서 “지구 상에 매장량이 희귀한 고가 희토류 원소가 필수였던 기존의 자기소재 조성을 탈피할 수 있는 새로운 자성소재 구현 가능성을 제시했다”고 말했다.
연구결과는 미국화학학회가 발간하는 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판에 두 편이 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
