탄소기반의 유기물질이 자성을 띠도록 하는 방법이 개발돼 전극재료 연구 등 다양한 분야에 적용될 전망이다.
울산과학기술원(UNIST)은 14일 백종범(에너지및화학공학부)·유정우(신소재공학부)·박노정(자연과학부) 교수 공동연구팀이 탄소 물질(유기물)이 상자성을 갖도록 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 상자성은 외부의 강력한 자기장 영향으로 자성을 갖게 되는 성질이다.
물질의 자성은 원자속 전자의 자전운동인 스핀(spin)에 의해 결정된다. 스핀 방향이 외부 자기장 방향과 일치할 때 자석의 성질이 나타난다.
하지만 탄소원자들이 육각형으로 잘 정렬된 그래핀(graphene)에서는 스핀 방향과 외부 자기장 방향이 반대돼 일반적인 자성이 나타나지 않는다.
연구진은 구조체 내부에 구멍 형태의 결함(hole defects)을 도입, 외부 자기장을 받고 자성을 띠도록 했다. 연구팀은 물질을 합성할 재료(전구체)로 ‘아세틸기가 달린 단량체’를 써서 비교적 낮은 온도(500℃)에서 반응을 유도, ‘2차원 탄소 박막(graphitic carbon nanosheets)’을 대량으로 합성했다. 이때 탈수반응(dehydration‧반응 분자에서 수소와 산소 제거)과 탄화반응(carbonization‧다른 원자를 탄소로 치환하는 반응)이 동시에 진행된 결과로 ‘구멍 결함’과 ‘하이드록시기’가 나타났다. 연구팀은 실험과 이론 분석을 통해 두 요소가 탄소 박막에 상자성을 가져왔다는 사실을 규명했다.
이번에 고안된 합성법을 이용하면 그래핀과 유사한 구조의 탄소물질이 상자성을 띠게 만들 수 있고, 자성을 띠는 탄소구조체의 대량 합성도 가능하다.
백종범 교수는 “탄소 물질의 자성 연구는 이론이나 계산 연구에 주로 초점을 맞춰 이뤄져 왔다”며 “이번 연구는 이론적 계산과 실증을 병행함으로써, 탄소 물질 내의 결함이 자성과 어떤 연관이 있는지 근본적으로 푸는 실마리를 제공할 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 화학분야 세계적인 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)의 VIP(Very Importnat Paper)논문에 선정돼 12일자로 출판됐다.
