슈퍼컴 활용, 2차원 전자화물 합성 성공 세계 최초 ‘자성 갖는’ 전자화물 발견 기존 소재의 물질은 원소들의 결합으로 이루어져 있고, 소재의 특성은 원소의 주요 구성 요소인 궤도전자 (orbital electrons)들에 의해 결정된다고 할 수 있다. 이는 구성 원소가 결정되면 소재의 물성이 예측가능하다고 할 수 있으며 소재 개발의 한계로 여겨진다.전자화물(electride)은 궤도전자와는 본질적으로 다른 상태의 전자가 원소들이 결합들에 의해 만들어진 물질 내의 독립적인 실 공간 (real space)에 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electron)로 이루어진 새로운 개념의 물질이다. 전자화물은 기존 궤도전자에 의해 결정되는 소재의 물성과는 다르게 격자간 전자의 배열 및 상태에 따라서 촉매소재, 전자방출소재 및 자성소재 등의 다양한 분야에서 응용이 기대되는 차세대 물질로 알려져 있다.최근 그래핀과 같이 2차원 공간 안에 전자가 갇혀 있는 2차원 전자화물 소재가 보고돼 주목을 받고 있으며, 다양한 전산 모사 기술을 활용한 계산과학을 통해 새로운 2차원 전자화물을 찾는 연구가 이뤄지고 있다. 하지만, 실제로 계산과학을 통해 예측된 재료가 합성된 예는 거의 없으며, 2차원 공간 내에 퍼져있는 전자를 특정 위치에 구속시켜, 그렇게 형성된 격자간 전자만의 물성을 관찰한 예도 전무했다.기존 자성 소재는 구성원소들이 자성을 나타내고 있는 소재가 대부분이며 희토류금속 등 보존량이 적은 값 비싼 원소들로 구성된 자성 소재가 주로 응용되고 있다. 따라서, 보존량이 풍부하고 자성이 없는 값 싼 원소들로 이루어진 소재에서 자성 소재를 개발하는 것이 중요하다. 미래창조과학부는 24일 “세계 최초로 새로운 2차원 전자화물의 존재를 계산과학을 통해 예측하고, 이를 통해 자성이 없는 원소들만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데에 성공했다”고 밝혔다.일반적으로 소재는 원소의 결합으로 이루어져 있으며, 구성원소의 궤도전자(Orbital electrons)에 의해 그 특성이 결정된다. 그러나 전자화물 소재는 원소들의 결합으로 이루어진 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 슈퍼 컴퓨터를 통해 예측하고, 이를 통해 발견해낸 소재를 자성이 없는 원소들만을 이용해 합성해 세계 최초로 자성을 보이는 전자화물을 보고했다.연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용해 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아냈다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해 단지 원소조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해 냈다. 찾아낸 물질들의 열역학적인 특성들을 다양한 전자 계산법을 통해 규명했고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다.새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 국부용융법(zone melting method)을 통해, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 성공했으며, 전자기적 물성 분석을 통해 세계최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견해 낸 것이다.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.한편 이번 연구는 미래창조과학부 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업 지원으로 김성웅 교수 연구단(성균관대)이 미국 오크리지 국립연구소, 미시시피 주립대학 및 군산대학교, 강원대학교 등 국내외 연구진과 공동연구로 수행했으며, 연구결과는 미국화학학회가 발간하는 세계 최고권위의 화학 전문과학저널 Journal of the American Chemical Society(IF 13.083) 온라인판에 2편이 게재됐다.

슈퍼컴 활용, 2차원 전자화물 합성 성공

세계 최초 ‘자성 갖는’ 전자화물 발견

기사입력 2017-01-24 18:07:06

데이터 마이닝 법을 통한 새로운 전자화물 구조와 조성의 예측/Y2C 전자화물의 단결정 합성 및 자기이방성 특성

[산업일보]
기존 소재의 물질은 원소들의 결합으로 이루어져 있고, 소재의 특성은 원소의 주요 구성 요소인 궤도전자 (orbital electrons)들에 의해 결정된다고 할 수 있다. 이는 구성 원소가 결정되면 소재의 물성이 예측가능하다고 할 수 있으며 소재 개발의 한계로 여겨진다.

전자화물(electride)은 궤도전자와는 본질적으로 다른 상태의 전자가 원소들이 결합들에 의해 만들어진 물질 내의 독립적인 실 공간 (real space)에 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electron)로 이루어진 새로운 개념의 물질이다.

전자화물은 기존 궤도전자에 의해 결정되는 소재의 물성과는 다르게 격자간 전자의 배열 및 상태에 따라서 촉매소재, 전자방출소재 및 자성소재 등의 다양한 분야에서 응용이 기대되는 차세대 물질로 알려져 있다.

최근 그래핀과 같이 2차원 공간 안에 전자가 갇혀 있는 2차원 전자화물 소재가 보고돼 주목을 받고 있으며, 다양한 전산 모사 기술을 활용한 계산과학을 통해 새로운 2차원 전자화물을 찾는 연구가 이뤄지고 있다. 하지만, 실제로 계산과학을 통해 예측된 재료가 합성된 예는 거의 없으며, 2차원 공간 내에 퍼져있는 전자를 특정 위치에 구속시켜, 그렇게 형성된 격자간 전자만의 물성을 관찰한 예도 전무했다.

기존 자성 소재는 구성원소들이 자성을 나타내고 있는 소재가 대부분이며 희토류금속 등 보존량이 적은 값 비싼 원소들로 구성된 자성 소재가 주로 응용되고 있다. 따라서, 보존량이 풍부하고 자성이 없는 값 싼 원소들로 이루어진 소재에서 자성 소재를 개발하는 것이 중요하다.

미래창조과학부는 24일 “세계 최초로 새로운 2차원 전자화물의 존재를 계산과학을 통해 예측하고, 이를 통해 자성이 없는 원소들만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데에 성공했다”고 밝혔다.

일반적으로 소재는 원소의 결합으로 이루어져 있으며, 구성원소의 궤도전자(Orbital electrons)에 의해 그 특성이 결정된다. 그러나 전자화물 소재는 원소들의 결합으로 이루어진 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 슈퍼 컴퓨터를 통해 예측하고, 이를 통해 발견해낸 소재를 자성이 없는 원소들만을 이용해 합성해 세계 최초로 자성을 보이는 전자화물을 보고했다.

연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용해 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아냈다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해 단지 원소조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해 냈다. 찾아낸 물질들의 열역학적인 특성들을 다양한 전자 계산법을 통해 규명했고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다.

새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 국부용융법(zone melting method)을 통해, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 성공했으며, 전자기적 물성 분석을 통해 세계최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견해 낸 것이다.

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.

한편 이번 연구는 미래창조과학부 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리사업 지원으로 김성웅 교수 연구단(성균관대)이 미국 오크리지 국립연구소, 미시시피 주립대학 및 군산대학교, 강원대학교 등 국내외 연구진과 공동연구로 수행했으며, 연구결과는 미국화학학회가 발간하는 세계 최고권위의 화학 전문과학저널 Journal of the American Chemical Society(IF 13.083) 온라인판에 2편이 게재됐다.