금속 아닌 탄소 구조체도 자성 띤다

탄소 물질 내 결함 형성해 ‘상자성’ 발현 성공... MRI 조영제 등에 활용 가능

특허TV 염현철 기자 | 기사입력 2019/08/16 [14:59]

금속 아닌 탄소 구조체도 자성 띤다

탄소 물질 내 결함 형성해 ‘상자성’ 발현 성공... MRI 조영제 등에 활용 가능

특허TV 염현철 기자 | 입력 : 2019/08/16 [14:59]

  

▲ 백종범 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수(좌측)와 정선민 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구원(우측)이 실험결과를 살펴보고 있다     © 특허TV

 

대부분 자성을 갖는 물질은 금속()이다. 강한 자기적 성질(강자성)을 갖는 철이나 외부 자기장의 영향으로 자성을 갖게 되는 성질(상자성)도 대부분이 금속()이 많다.

 

이런 가운데, UNIST 백종범·유정우·박노정 교수 공동연구팀이 탄소 기반의 유기 물질을 이용해 외부 자기장의 영향으로 자성을 갖게 되는 성질인 상자성을 띠게 만드는 방법을 개발해 눈길을 끌고 있다.

 

연구팀은 탄소 구조체 내부에 구멍 형태의 결함(hole defects)을 도입해 외부 자기장을 받고 자성을 띠는 이론적 원리도 규명했다. 무엇보다 연구팀이 개발한 방법으로 상자성을 띠는 탄소 구조체를 대량으로 합성할 수 있어 다방면 활용이 기대되고 있다.

 

 

물질의 자기적 성질(자성)은 원자 속 전자의 자전 운동인 스핀(spin)’에 의해 결정된다. 스핀 방향이 외부 자기장 방향과 일치할 때 자석의 성질이 나타난다. 하지만 탄소 원자들이 육각형으로 잘 정렬된 그래핀(graphene)’에서는 스핀 방향과 외부 자기장 방향이 서로 반대되므로 일반적인 자성이 나타나지 않는다.

 

▲ 결함과 하이드록시기의 상자성 유도 모식도     © 특허TV



백종범 교수 공동연구팀은 물질을 합성할 재료(전구체)아세틸기가 달린 단량체를 사용해 비교적 낮은 온도(500)에서 반응을 유도해 ‘2차원 탄소 박막(graphitic carbon nanosheets)’을 대량으로 합성했다. 이때 수소와 산소를 제거하는 탈수반응(dehydration)과 다른 원자를 탄소로 치환하는 탄화반응(carbonization)을 동시에 진행, 그 결과 구멍 결함하이드록시기이 나타났다. 연구팀은 실험과 이론 분석을 통해 두 요소가 탄소 박막에 상자성을 가져온 원인임을 밝혀냈다.

 

▲ 그래피틱 탄소 나노시트의 분자 모식조 및 현미경 관찰 사진     © 특허TV

 

이 원리로 연구팀이 개발한 새로운 합성법을 이용하면 그래핀과 유사한 구조의 탄소 물질이 상자성을 띠게 만들 수 있다. 또한 탄소 물질의 합성온도를 낮추면서 대량 합성에 성공한 방식이라 향후 응용하기에도 유리할 전망이다.

 

연구팀 정선민 박사는 비교적 손쉬운 합성 조건에서 상자성을 갖는 탄소 박막을 대량합성할 수 있어 산업에 적용이 쉬울 것이라며 “MRI 조영제로 유기물을 이용하는 연구는 물론, 합성한 물질에 구멍이 많다는 점(다공성)을 이용해 흡착물질이나 전극 재료 등 다양한 방면으로도 활용이 가능할 것이라고 전했다

 

백종범 교수는 탄소 물질의 자성 연구는 이론이나 계산 연구에 주로 초점을 맞춰 이뤄져 왔다이번 연구는 이론적 계산과 실증을 병행함으로써, 탄소 물질 내의 결함이 자성과 어떤 연관이 있는지 근본적으로 푸는 실마리를 제공할 것이라고 기대했다.

 

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