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[사진 1. (왼쪽부터) 이규형 교수, 이우영 교수, 황정윤 연구교수, 이승용 연구교수]

 

신소재공학과 이규형·이우영 교수 연구팀(제1저자 황정윤, 이승용 연구교수)이 성균관대학교 김성웅 교수, 군산대학교 이기문 교수와 공동연구를 통해 새로운 영구자석 개발 전략을 제시했다.

 

연구팀은 결정격자 내 특정 위치에 존재하며 음이온 역할을 하는 ‘침입형 준원자 전자(Interstitial Quasi-atomic Electrons, IQEs)’와 양이온인 희토류 간의 상호작용을 활용해, 강한 자기 이력과 높은 자기결정 이방성, 그리고 뛰어난 자화력을 지닌 영구자석 개발 전략을 고안했다.

 

일반적인 세라믹 소재는 금속 양이온과 음이온의 결합으로 이루어지지만, 전자화물(electride)은 전자가 원소들 사이의 특정 공간에 음이온 형태로 존재하는 물질이다. 전자화물에 존재하는 IQEs는 소재의 전기적, 촉매적, 자성 특성 등 다양한 물성을 결정짓는 핵심 인자다. 하지만 약한 스핀-오비탈 결합과 교환 상호작용(Spin-Orbit Coupling, SOC)으로 인해 큰 자기이방성이 형성되기 어려워 영구자석에 요구되는 높은 자기적 특성 구현에 한계가 있었다.

[그림 1. [Re2C]2+·2e− 전자화물의 결정구조 및 자기적 특성]

 

연구팀은 Er, Ho, Dy, Tb 등 희토류 원소 두 개와 탄소 원소 하나로 이루어진 2차원 전자화물을 합성해, 서로 다른 스핀 분극을 가진 자성 서브격자로 구성된 페라이트계 자석과 유사한 구조를 구현했다. 

 

이러한 소재에서 형성된 희토류 스핀 격자와 IQE 스핀 격자 간의 자기적 상호작용이 발생했고, 결과적으로 높은 자기결정 이방성과 보자력이 동시에 나타났다. 이를 통해 IQEs가 자성 서브격자로 작용해 영구자석 특성을 구현할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료공학 분야 전문학술지인 ‘Advanced Materials’에 2월 19일 게재됐다.