누구나 무료로 참가할 수 있고, 국민의 세금으로 어떤 연구를 하고 있는지 궁금한 사람, 새로운 기술이나 아이디어가 필요한 사람, 과학기술에 대한 호기심을 채우고 싶어 하는 사람들이 유익한 정보를 나누는 금요일의 과학터치, 이번호에는 지난달 9일 서울 정독도서관에서 발표된 서울대학교 재료공학부 김상국 교수의 ‘전자의 또 다른 얼굴 : 재미있는 스핀의 세계’와 같은 날 대전 교육과학연구원에서 강연된 한남대학교 화학공학과 최성호 교수의 ‘고에너지를 이용한 나노재료의 개발 및 응용’에 대해 소개한다.  - 편집부 -

◈◈◈ 연구배경
막대자석이 다른 극(N,S)끼리 끌어당기고 같은 극끼리 밀어내는 힘은 어디서 나오는 것일까? 전문가들은 자석의 본질을 전자의 또 다른 얼굴, ‘스핀’(spin) 때문이라고 말한다. 스핀이란 전자가 가지고 있는 질량, 전하와 달리 자기적 성질을 띠게 하는 양자역학적 물리량이다. 스핀을 양자역학적으로 이해하기는 매우 어려우므로, 우선  원자크기의 막대자석(원자가 가지고 있는 스핀량: 원자스핀)이라고 하자.
넘어지려는 팽이가 비틀거리며 원추형 세차운동을 하는 것처럼 원자스핀도 일정한 축을 중심으로 특정 주파수를 가지고 세차운동을 한다. 자성체내에서 규칙적으로 배열된 원자스핀들이 집단적으로 형성하는 파도타기 거동을 스핀파(spinwave)라고 한다. 스핀파 연구는 수십년전부터 주목 받아 왔다. 빛이 공기나 특정 매질내에서 진행하듯 자성체로 이루어진 물질 내에서 특정 주파수를 가진 스핀파가 존재할 수 있다. 파동처럼 진행하는 스핀파는 진행, 굴절, 반사, 회절, 간섭 등 빛이 가지고 있는 광학적 파동특성을 유사하게 가지고 있어 이 현상을 이용하면 기존의 정보처리 소자의 한계를 뛰어넘는 다기능 센서 및 정보처리 소자를 개발할 수 있다.
또한 수 백 나노미터 크기의 자성 박막 내에 토네이도 소용돌이 형상을 닮은 스핀 소용돌이 구조가 존재한다. 이는 싱크대 배수구의 물 소용돌이, 태풍, 허리케인, 토네이도, 거시 세계의 나선 은하계를 닮아 자기소용돌이(magnetic vortex)라 칭한다. 자기소용돌이의 크기는 수 마이크로미터에서 작게는 수 십 나노미터이며 그 중심에는 태풍의 핵과 같이 스핀의 방향이 ‘업’ 혹은 ‘다운’의 안정된 형태를 가지고 있어 학문적 관심뿐만 아니라 초고밀도 비휘발성 메모리소자로서 응용 연구가 한창 진행 중이다. 

◈◈◈ 강연소개
막대자석은 무엇으로 이루어져 있을까? 왜 지구는 자기력을 만들어 낼까? 우리주변에 자석과 자기력을 이용한 소자는 어떤 것이 있을까? 주위에서 볼 수 있는 자연현상 중에 자기 힘과 관련된 현상은 신비한 마술과 같아서 일반인의 호기심을 불러왔다. 자기 특성을 나타내는 물질은 산소를 운반하는 혈액, 박테리아, 철분이 많이 함유된 시리얼에도 존재한다. 또한 우리가 살고 있는 지구는 거대한 자석이다. 자기와 관련된 자연현상은 지구상에 존재하는 동식물의 생명활동에 어떤 영향을 미치는 것일까? 본 강좌에서는 생명활동에 필요한 자성체부터 인류의 지식기반 사회를 풍요롭게 하는 자기 소재/소자에 대해 소개한다. 예를 들어 한번쯤은 누구든지 예상치 못한 정전이나 컴퓨터 운영시스템의 오작동으로 수 시간에 걸쳐 작성한 문서가 저장되지 않고 사라져 버리는 경험을 했을 것이다. 이는 컴퓨터 정보기억소자의 하나인 D램(DRAM)이 휘발성 메모리소자이기 때문에 발생하는 현상이다. 컴퓨터의 휘발성 램을 비휘발성 램으로 대체한다면 어떤 일이 일어날까? 본 강좌에서는 연구단이 연구하고 있는 스핀파의 파동이론, 이를 이용한 소자, 또한 토네이도 형태의 소용돌이 형상과 흡사한 자기소용돌이 구조를 소개하고, 본 창의단이 이룩한 세계적인 연구 성과인 비휘발성 메모리소자 개발 연구에 관해 소개한다.

◈◈◈ 연구팀 및 연구 소개
본 연구단은 수 십 피코초 (1 ps) 시간 간격에서 일어나는 스핀의 세차운동, 각 스핀간의 상호작용에 의해 발생하는 스핀파 거동을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 스핀 동역학 이론 정립에 정진하고 있다. 현재 진행하고 있는 연구는 두 가지 주제이다. 첫째 자성체 내부에서 발생하는 스핀파의 파동성을 규명하고 이를 이용한 신개념의 정보처리소자 개발을 목표로 한다. 둘째 자기소용돌이 구조가 가지는 동적 거동을 연구하고 이 특이 구조와 동적 거동을 이용한 비휘발성 메모리소자 개발 연구에 정진하고 있다.

동심원을 그리며 퍼지는 물결파와 스핀파 비교 

안정한 두 형태의 자기소용돌이 구조
가운데 핵의 스핀 방향을 이용하여 “1”과 “0”의 정보를 저장할 수 있다.

고에너지를 이용한 나노재료의 개발 및 응용

한남대학교 화학공학과 최성호 교수

◈◈◈ 고에너지(방사선)는 무엇인가?
에너지가 MeV 단위로 표시되는 방사선으로 주로 화학분야에서 사용하는 언어이다. 단순하게 방사선이라고 말하기도 한다.
고에너지 방사선은 크게 하전입자(α선, β선 등), 전자기파 방사선(γ선, χ선), 방사선핵으로 복사되는 것(α선, γ선), 가속기를 이용하여 인공적으로 만들어지는 것(χ선, 전자선, 양성자선), 그 외 중입자선과 경입자선이 있다. 물질에 방사선을 조사하여 일어나는 화학적 변화를 연구하는 것을 방사선화학이라 한다. 현재, 방사선을 이용하여 암치료 및 나노재료의 합성 등에 사용하고 있다.

◈◈◈ 나노재료란 무엇인가?
크기가 나노 스케일인 재료의 총칭으로 3차원적으로 볼 때 적어도 한 변의 길이가 100나노미터 이하 크기의 물질을 말한다. 나노미터의 크기의 수준에서 원자나 분자의 현상 및 구조, 구성요소를 제작, 제어하는 기술에 의해 만들어진 재료를 의미한다. 이러한 나노재료를 만드는 방법은 크기를 줄이는 방법(top-down, 하향식)과 크기를 늘리는 방법(bottom-up, 상향식)이 있다.

◈◈◈ 방사선을 이용하여 어떻게 나노재료를 만드는가?
방사선을 수용액에 조사하면 2가지 중요한 활성종이 생성되는데, 첫째는 수화전자이고 둘째는 라디칼이다. 수화전자는 수용액 중에 존재하는 금속이온을 환원시켜 0가의 금속입자가 만들어진다. 0가의 금속입자는 질량에 비해 표면적이 매우 크다. 따라서 표면적을 줄이기 위해 서로 응집되는데, 응집되지 못하게 적당한 화합물을 처리하게 되면 원하는 크기의 나노크기의 금속입자를 제조하게 되는 것이다. 활성종인 라디칼을 이용하는 경우는 나노재료를 개질하여 새로운 기능성을 부여하기 위하여 종종 이용한다. 

◈◈◈ 왜 이 연구를 시작하였는가?
방사선하면 산업, 식품 및 의약분야에 유용한 기반기술인데 비하여 일반인에게는 막연한 불안감을 갖고 있어 방사선을 이용한 나노재료 개발 및 응용가치를 일반인에게 인지시켜 원자력에 대한 막연한 불안감을 해소하기 위하여 이 연구를 시작하였다.
또한, 방사선을 이용하여 나노재료를 만드는 경우 부생성물이 발생하지 않고 실온이나 저온에서 반응가능하며, 연속공정이 간단하여 대량생산이 가능하므로 이 연구를 수행하게 되었다.

◈◈◈ 이 연구에서 얻은 것들은 무엇인가?
1. 연료전지용 촉매, 막 및 태양전지용 QD의 합성
본 연구를 통하여 단일공정으로 연료전지용 촉매 및 막 및 태양전지용 QD을 제작할 수 있었다. 또한 연료전지 및 태양전지에 사용되는 전하이송 물질을 단일공정으로 개발하였다.
2. 바이오센서용 나노재료의 합성 및 응용
본 연구를 통하여 전하이송이 유리한 다양한 기능성 탄소나노튜브를 합성할 수 있었다. 이러한 기능성 탄소나노튜브는 다양한 산업분야에 이용할 수 있다.

◈◈◈ 연구결과 및 미래의 비전은?
방사선을 이용하여 나노재료의 합성과 이를 이용한 산업적 응용을 수행한 결과, 본 연구결과로 제조된 나노재료는 에너지 분야에서 특히 효율이 매우 우수한 사실을 알 수 있었다. 따라서 이러한 나노재료를 이용하여 에너지 분야에서의 응용에 대한 연구를 확대할 계획에 있다.

방사선을 이용하여 제조된 나노금속입자
방사선을 이용하여 제조한 기능성 탄소나노튜브
다양한 기능성 탄소나노튜브의 응용