백종범 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수(왼쪽)와 정선민 연구원이 실험결과를 살펴보고 있다. 사진제공 UNIST

국내 연구진이 금속이 아닌 유기 물질에서 자석처럼 자성을 띠도록 만드는 방법을 개발했다.

UNIST 백종범·유정우·박노정 교수 공동연구팀이 탄소 물질(유기물)이 상자성을 갖도록 합성하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 탄소 구조체 내부에 구멍 형태로 결함(hole defects)을 만들자 외부 자기장을 받고 자성을 띤 것이다. 이에 따라 상자성을 띠는 탄소 구조체를 대량으로 합성할 수 있다. 또 이 물질이 자성을 띠는 이론적 원리도 규명했다.

물질이 자기적 성질인 자성을 띠는 것은 원자 속 전자의 스핀(spin) 운동에 의해 결정된다. 스핀 방향이 외부 자기장 방향과 일치하면 자석 성질이 나타난다. 탄소 원자가 육각형으로 잘 정렬된 그래핀(graphene)은 스핀 방향과 외부 자기장 방향이 서로 반대여서 자성이 나타나지 않는다.

그런데 이번에 개발한 새로운 합성법을 이용하면 그래핀과 유사한 구조의 탄소 물질에서도 상자성을 띠게 만들 수 있다. 탄소 물질의 합성온도를 낮추면서 대량 합성에도 성공해 앞으로 응용에도 유리할 전망이다.

백종범 교수 공동연구팀은 물질을 합성할 재료로 아세틸기가 달린 단량체를 써서 비교적 낮은 온도인 500℃에서 반응을 유도해, ‘2차원 탄소 박막(graphitic carbon nanosheets)’을 대량으로 합성했다. 이때 분자에서 수소와 산소를 제거하는 탈수반응과 다른 원자를 탄소를 바꾸는 탄화반응을 동시에 진행했다. 그 결과로 ‘구멍 결함’과 ‘하이드록시기’가 나타났다. 연구팀은 실험과 이론 분석을 통해 두 요소가 탄소 박막에 상자성을 가져온 원인임을 밝혀냈다.

제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부 정선민 박사는 “비교적 손쉬운 합성 조건에서 상자성을 갖는 탄소 박막을 대량으로 합성할 수 있어 산업 적용이 쉬울 것”이라며 “MRI 조영제로 유기물을 이용하는 연구는 물론, 합성 물질에 구멍이 많다는 다공성을 이용해 흡착물질이나 전극 재료 등 다양한 방면으로도 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다

백종범 교수는 “이번 연구는 이론적 계산과 실증을 병행함으로써, 탄소 물질 내 결함이 자성과 어떤 연관이 있는지 근본적으로 푸는 실마리를 제공할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 화학 분야에서 세계적인 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)의 VIP(Very Importnat Paper)논문과 속표지(inside cover)로 선정돼 8월 12일자로 출판됐다.

박응서 테크엠 기자   gopoong@techm.kr