[MBS 서울 = 최정현 기자]

고가의 희토류 원소가 필수인 자기 소재 조성을 탈피할 수 있는 새로운 자성소재가 세계 최초로 국내 연구진에 의해 발견됐다.

24일 미래창조과학부(장관 최양희)에 따르면, 미래부 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업 지원으로 김성웅 교수 연구단(성균관대)이 미국 오크리지 국립연구소, 미시시피 주립대학 및 군산대학교, 강원대학교 등 국내외 연구진과 공동연구로 수행해 이 같은 성과를 거뒀다.

연구진은 세계 최초로 새로운 2차원 전자화물의 존재를 계산과학을 통해 예측하고, 이를 통해 자성이 없는 원소들만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데에 성공했다.

전자화물은 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electrons)로 이뤄진 새로운 개념의 재료를 말한다.

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

연구팀은 데이터 마이닝 기반의 컴퓨터 기술을 통해 전자가 이차원 공간 내에 퍼지지 않고 자발적으로 모여 있는 전자화물을 슈퍼컴퓨터를 통해 예측하고, 이를 통해 발견해낸 소재를 자성이 없는 원소들만을 이용해 합성, 세계 최초로 자성을 보이는 전자화물을 보고했다.

데이터 마이닝(Data Mining)은 대규모로 저장된 데이터 안에서 체계적이고 자동적으로 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 것으로, 이번 연구에서는 물질을 구성할 원소의 종류와 조성비만을 입력값으로 주고 새로운 전자화물을 찾아냈다.

이번 연구의 결과는 미국화학학회가 발간하는 세계 최고권위의 화학 전문과학저널(Journal of the American Chemical Society(IF 13.083)) 온라인판에 2편이 게재됐다.

첫 번째 논문명은 ‘Two-dimensional electrides predicted by global structure optimization’.

저자는 김성웅 교수(공동교신저자, 성균관대), 윤미나 박사(공동교신저자, Oak Ridge National Lab.), Wenmei Ming(제1저자, Oak Ridge National Lab.), M.ao-Hua Du(공동저자, Oak Ridge National Lab.), 이기문 교수(공동저자, 군산대) 등이다.

두 번째 논문명은 ‘Strong localization of anionic electrons at interlayer for electrical and magnetic anisotropy in two-dimensional Y2C electride’.

저자는 김성웅 교수(교신저자, 성균관대), 박종호(공동제1저자, 성균관대), 이기문 교수(공동제1저자, 군산대), 이승용(공동저자, 성균관대), Chandani N. Nandadasa(공동저자, Mississippi State Univ), 김성호 박사(공동저자, 성균관대), 이규형 교수(공동저자, 강원대), 이용희 교수(공동저자, 성균관대), Prof. Hideo Hosono(공동저자, 동경공업대), 김성곤 교수(공동저자, Mississippi State Univ) 등이다.

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.