미래창조과학부(장관 최양희)는 “세계 최초로 새로운 2차원 전자화물*의 존재를 계산과학을 통해 예측하고, 이를 통해 자성이 없는 원소들만으로 자성이 발현되는 2차원 전자화물을 합성해 내는 데에 성공하였다”고 밝혔다.

 

 * 전자화물: 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electrons)로 이루어진 새로운 개념의 재료

 

 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 합성하여 세계 최초로 자성을 보이는 전자화물을 보고하였다.

 

 

 * 데이터 마이닝(Data Mining): 대규모로 저장된 데이터 안에서 체계적이고 자동적으로 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 것으로, 본 연구에서는 물질을 구성할 원소의 종류와 조성비만을 입력값으로 주고 새로운 전자화물을 찾아냈다.

 

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

 

 

 ① 논문명: Two-dimensional electrides predicted by global structure optimization

 

 - 저자 정보: 김성웅 교수(공동교신저자, 성균관대), 윤미나 박사(공동교신저자, Oak Ridge National Lab.), Wenmei Ming(제1저자, Oak Ridge National Lab.), M.ao-Hua Du(공동저자, Oak Ridge National Lab.), 이기문 교수(공동저자, 군산대)

 

 ② 논문명: Strong localization of anionic electrons at interlayer for electrical and magnetic anisotropy in two-dimensional Y2C electride

 

 - 저자 정보: 김성웅 교수(교신저자, 성균관대), 박종호(공동제1저자, 성균관대), 이기문 교수(공동제1저자, 군산대), 이승용(공동저자, 성균관대), Chandani N. Nandadasa(공동저자, Mississippi State Univ), 김성호 박사(공동저자, 성균관대), 이규형 교수(공동저자, 강원대), 이용희 교수(공동저자, 성균관대), Prof. Hideo Hosono(공동저자, 동경공업대), 김성곤 교수(공동저자, Mississippi State Univ)

 

  논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

 전자화물(electride)은 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electron)로 이루어진 새로운 개념의 재료로서, 다양한 분야로의 응용이 기대되는 차세대 물질로 알려져 있다.

 

 하지만, 실제로 계산과학을 통해 예측된 재료가 합성되거나, 자성을 나타내는 전자화물이 발견된 예는 전무하며, 격자간 전자에 의한 자성물성 발현 메커니즘에 대한 예측도 전무하였다.

 2. 연구 내용

 연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용하여 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 통하여 규명하였고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다.

 연구팀은 새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 국부용융법*(zone melting method)을 통하여, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 성공하였으며, 전자기적 물성 분석을 통하여 세계최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견해 내었다.

 * 국부용융법: 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법

 밀도범함수이론*(density-functional theory)을 통한 재료전산모사를 통하여 Y2C 전자화물의 자기이방성의 근원이 격자간 전자가 정렬된 자석의 역할을 하기 때문이라는 사실을 규명하였다.

 * 밀도범함수이론: 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한 이론의 하나

 3. 연구 성과    

 경험적인 데이터베이스에 기반한 기존 소재 연구 방법론을 탈피하여, 데이터 마이닝(Data Mining) 기반의 컴퓨팅 기술로 신규 소재를 도출하고, 그러한 소재의 물성을 고도화/정밀화 시키는 신개념 소재 연구 방법론을 통해 일궈낸 결과로서의 의의가 크다.

 

 

 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.