11월 과학기술인상, 울산과학기술원(UNIST) 백종범 교수 선정

- 금속 자석 고정관념 깨고 세계 최초 플라스틱 자성체 규명

과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 노정혜, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 11월 수상자로 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 백종범 교수를 선정했다고 지난달 4일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여한다.
  가구나 냉장고 문뿐만 아니라 반도체, 전기차 모터 등 첨단산업의 핵심부품으로 사용되는 자석은 우리 삶에 필수 불가결한 핵심 소재다. 기존에는 금속물질만 자성을 가지기 때문에 자석은 금속으로만 만들 수 있다는 것이 상식이었는데 백종범 교수는 이런 통념을 깨고 유기 플라스틱 자석의 존재를 이론적으로 규명하고 실증을 통해 산업적 발전 가능성을 제시하였다.
  1831년 11월 마이클 패러데이가 전자기유도법칙을 발표한 이래 전자기 기술은 비약적으로 발전하여 텔레비전과 컴퓨터, 스마트폰과 전기차에 이르는 다양한 전자제품이 생활필수품으로 자리 잡았다. 이들 제품의 디지털화, 경량화 추세에 따라 무거운 금속 자석을 대체할 소재 개발이 요구되는 가운데 가볍고 생체 친화적이며 가공이 쉬운 플라스틱 자석의 가능성은 지속적으로 탐구되었다.
  하지만, 탄소로 이루어진 유기물은 전자가 화학결합으로 단단하게 묶여 자성을 갖기 어렵다. 2004년 영국 더럼대 연구진이 플라스틱 자석을 네이처에 보고하였지만, 그 재현성이 검증되지 않아 논문이 철회된 뒤 학계에서는 유기물 자성은 실현 불가능하다는 인식이 팽배했다. 
  백종범 교수는 가벼운 유기 플라스틱도 금속처럼 자유전자가 많아지면 자성을 띨 수 있음을 이론적으로 규명하고, 금속 오염을 철저히 배제한 상태에서 유기물이 자석에 이끌려 오는 실험을 진행하여 유기물 자성체의 실체를 증명하였다. 연구팀은 탄소 원자가 포함된 유기화합물인 TCNQ를 섭씨 155도 고온에서 반응시켜 자성을 띠는 플라스틱(p-TCNQ) 제작에 성공했다. 합성된 플라스틱은 전자스핀들이 적당한 거리를 두고 떨어져 서로 자연스럽게 영향을 주고받으며 강자성을 보였다. p-TCNQ로 이름 붙여진 플라스틱 자석은 2018년 8월 학술지 켐(CHEM)에 발표됐으며, 연구팀은 녹슬지 않고 영구적으로 사용 가능한 플라스틱 자석의 장점을 활용해 MRI 조영제, 전기차 모터 등 실생활에 응용 가능한 기술 개발을 목표로 후속연구를 진행하고 있다.
  백종범 교수는 “이번 연구는 자유전자를 가진 유기물 구조체를 설계하여 플라스틱 자석의 새로운 가능성을 제시한 데 의의가 있다”라며 “강자성의 세기를 높이는 후속연구를 통해 자성체 연구 분야의 초석을 다지고 금속 자석의 단점을 보완하여 산업 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 수상소감을 밝혔다.

그림 1. 유기 강자성체 구조 (좌) 및 강자성체 발현 메커니즘 (우)
금속이 아닌 유기물은 스핀이 상쇄하여 강자성을 가지기 어렵다. 이번 연구에서는 TCNQ라는 유기화합물을 고온에서 촉매와 반응시켜 p-TCNQ라는 망상구조의 고분자를 설계하고 제조하였다. TCNQ가 망상구조의 고분자로 만들어지면 아주 잠깐 자유전자 (그림의 하늘색 점 및 화살표)가 생성된다. 하지만 고분자가 편평한 구조가 아닌 뒤틀린 구조로 형성되면서 자유전자가 다른 곳으로 이동하지 못하고 특정 자리에 갇히게 된다. 이렇게 스핀의 상쇄를 방해하고 상호작용이 가능한 거리를 둠으로써 스핀 방향을 정렬시켜 강자성을 구현할 수 있다. 다시 말해 고분자 기반 유기물도 상온에서 강자성을 가질 수 있음을 입증한 것이다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>