세계 최초‘자성을 갖는’전자화물 발견- 미개척 전자화물 소재의 선도적 연구결과 발표

세계 최초‘자성을 갖는’전자화물 발견- 미개척 전자화물 소재의 선도적 연구결과 발표

 

작성일 : 2017. 1. 24. 연구성과활용정책과

 

세계 최초‘자성을 갖는’전자화물 발견
- 미개척 전자화물 소재의 선도적 연구결과 발표-

□ 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.

 ㅇ 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.

 ○ 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

  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.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요,   2. 연구이야기,    3. 용어설명
             4. 그림설명,        5. 연구자 이력사항  

<붙임> 미래소재디스커버리 사업 개요

연 구 결 과  개 요

 1. 연구의 필요성
  ㅇ 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.
  ㅇ 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.
  ㅇ 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.
  ㅇ 근래에 들어 그래핀과 같이 2차원 공간 안에 전자가 갇혀 있는 2차원 전자화물 소재가 보고되어 주목을 받고 있으며, 다양한 전산 모사 기술을 활용한 계산과학을 통해 새로운 2차원 전자화물을 찾는 연구가 이뤄지고 있다.
  ㅇ 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 전무하였다.
  ㅇ 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. 

 2. 연구 내용
  ㅇ 연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용하여 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아내었다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해서, 단지 원소 조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해내었다.
  ㅇ 찾아낸 물질들의 열역학적인 특성들을 다양한 전자 계산법을 통하여 규명하였고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다.
  ㅇ 연구팀은 새롭게 발견한 전자화물인 Y2C 재료를 국부용융법*(zone melting method)을 통하여, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 성공하였으며, 전자기적 물성 분석을 통하여 Y2C 전자화물이 자성이 없는 Y와 C의 원소로만 이루어졌음에도 불구하고, 자성물성을 보임을 발견하였다.
     * 국부용융법: 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법
  ㅇ 밀도범함수이론(density-functional theory)을 통한 재료전산모사를 통하여 Y2C 전자화물의 자성의 근원이 2차원 공간 안에 퍼지지 않고 자발적으로 모여 있는 격자간 전자가 정렬된 자석의 역할을 하기 때문이라는 사실을 규명하였다.
     * 밀도범함수이론: 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한 이론의 하나
  ㅇ 본 연구팀이 2013년 Nature지에 보고한 Ca2N 전자화물은 2차원 공간 안에 격자간 전자가 완전히 퍼져 있는 물질이지만, Y2C는 격자간 전자가 2차원 공간에서도 완전히 퍼지지 않고 자발적으로 모여있는 새로운 배열 상태를 보이는 물질이다.  
 3. 연구 성과   
  ㅇ 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 결과로서 의의가 크다.
  ㅇ 지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류 원소가 필수였던 기존의 자기 소재 조성을 탈피할 수 있는, 새로운 자성소재 구현의 가능성을 제시한 점에서 그 시사점이 크다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존의 소재는 주기율표상 원소의 최외각 궤도에 속한 전자에 의한 물리적/화학적/기계적 성질 등이  결정되는 것이 일반적이었다. 전자화물은 전자가 원소의 궤도가 아닌 재료내의 독립적인 공간에 존재  하고 있는 신개념의 소재로 현재까지 실제로 합성되어 보고된 예가 10여가지 밖에 없다. 본 전자화물  연구단은 새로운 전자화물을 찾아내고 그 물성을 제어 및 최적화하여 기존 소재들의 한계 물성을 극복/대체를 시도하는 도전적이고 창의적인 연구를 수행하고 있다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구단은 새로운 전자화물을 발견해 내기 위하여 데이터 마이닝 기법을 도입한 새로운 소재 탐색 알고리즘을 개발하는 작업을 기획하였다. 공동연구기관인 Oak Ridge 연구소의 슈퍼컴퓨터를 활용하여, 소재의 구성 원소와 조성비만을 입력하고 열적으로 안정한 전자화물 구조를 계산/예측해 주는 시스템으로서, 기존의 데이터베이스 기반의 소재 연구 방법론을 탈피한 새로운 연구방법론을 개발/검증하는 과정을 거쳤다. 그렇게 슈퍼컴퓨터를 통해 예측된 새로운 전자화물 소재 중 하나인 Y2C 소재를 고순도/고품질의 단결정으로 합성하여, 그 물성을 정밀 분석하였으며, 이를 통해 세계 최초로 자성 물성을 갖는 전자화물 소재의 존재를 규명하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구단은 신개념의 전자화물 소재를 찾아내고 이를 합성 및 구현하여 그 소재 응용까지 망라하는 광범위한 선도적인 연구를 수행 하고 있다. 그러한 연구의 목표 달성을 위해 기초 이론 연구에서부터, 신소재 합성/분석 및 양산화 연구 각 분야의 국내외 전문 연구진을 구성하고 긴밀하게 연구를 진행하는 시스템을 기획/구성하는 것이 가장 어려웠다. 기존에 없는 신개념의 기초 소재 연구에 대한 열정으로 세계적인 수준의 연구자들이 모여, 화상회의 등으로 의견과 data를 공유하고 정기적인 워크샵을 통해 심층적인 논의를 공유해 나가면서 연구 결과를 체계적으로 정리/분석해내어 성과화 시킬 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 소재 연구는 데이터베이스에 등록되어 있는 소재를 개별적으로 탐색/분석하는 방법으로 수행한느 것이 일반적이었으나, 본 연구에서는 슈퍼컴퓨터를 활용한 데이터마이닝 기법으로 신규 전자화물 소재의 존재를 예측해내고 그러한 소재를 고순도/고품질로 합성해 새로운 물성을 규명해 내는 창의적인 연구방법론을 통해 이룬 성과라는 측면에서 그 의의가 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

본 연구단은 미개척 분야인 전자화물 소재에 대한 창의적 연구를 통해, 세계적 소재 연구 그룹으로 자리 잡아 나가는 것이 목표이다. 지속적이고 선도적인 연구를 통해 새로운 전자화물 소재를 발굴 및 창제해 나가고 그 소재 물성을 최적화 하여 기존의 전자소재, 자성소재, 화학적 환원/촉매 소재 등으로의 응용분야를 개척해 나갈 계획이다.

용 어 설 명

1. Journal of the American Society (JACS)지
  ○ 화학분야의 최고 권위 기관인 미국화학학회(American Chemical Society)의 학술 논문지이다. 화학 분야에 대한 전반부를 다루며, 1879년에 창간된  오랜 역사와 인용지수 13.038의 최고 권위를 인정받고 있는 국제학술지이다.

2. 전자화물
  ○ 전자가 물질을 이루는 원자의 궤도에 속해있는 기존 재료와는 달리, 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하고 있는 신개념의 재료로, 1983년 처음 존재가 발견된 후로 현재까지 10여종 밖에 실재로  합성된 소재가 보고되지 못하고 있다.
 
3. 데이터 마이닝
  ○ 대규모로 저장된 데이터 안에서 체계적이고 자동적으로 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 것.

4. 국부용융법
  ○ 고순도, 고품질의 단결정을 성장시키는 공정법으로, 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법.

5. 밀도범함수이론
  ○ 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로  계산하기 위한 이론의 하나. 이를 통해 어떤 분자가 세상에 존재할 수 있는지 없는지의 여부, 특정 분자의 모양과 성질 등을 예측할 수 있다. 컴퓨터를 사용하는 과학 계산들 중에서 가장 널리 쓰이는 양자 역학 계산 분야 중 하나이다.

그 림 설 명

    (그림 1) 데이터 마이닝 법을 통한 새로운 전자화물 구조와 조성의 예측
    (a) 2차원 전자화물의 결정 구조와 결정 구조 내에서의 양이온(A), 음이온(B), 음이온 격자간 전자(anionic electron)의 위치. (b) 선택 원소간 양이온 대비 음이온 반경 비율과 전자화물 형성 에너지의 상관관계. (Table 1) 다양한 양이온, 음이온 조합 및 조성비에 따라 도출된 안정한 전자화물 조성 목록.
 
      (그림 2) Y2C 전자화물의 단결정 합성 및 자기이방성 특성
     (a) 국부용융법을 통해 합성 및 성장된 Y2C 전자화물 단결정의 실물 사진. (b) Y2C 전자화물 단결정의 결정 구조 및 음이온 격자 전자의 결정 내 위치. Y2C 전자화물 단결정의 (c) 전도도 이방성과 (d) 자기이방성 특성.

김성웅 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항
 ○ 소 속: 성균관대학교 에너지과학과 교수
 

2. 경력사항

기      간
기관명(직위, 직책 등)
2016.03-현재
성균관대학교 에너지과학과 교수
2012.03-2016.02
성균관대학교 에너지과학과 부교수
2009.03-2012.02
동경공업대학 Frontier research center 부교수
2008.04-2009.02
동경공업대학 Material structural laboratory 조교수
2004.08-2008.03
동경공업대학 Frontier research center 연구원
2003.10-2004.09
일본과학기술진흥기구 ERATO Project 연구원

붙임

 미래소재디스커버리 사업 개요

□ 추진배경 및 필요성
 ㅇ 소재분야 대일무역역조 지속 등 산업경쟁력 약화에 따른 소재기술의 질적 성장과 소재산업의 국가 경쟁력 증진을 위한 창의적·도전적 R&D 필요성 대두
□ 추진경과
 ㅇ 미래소재디스커버리사업 기술성평가(‘13.3) 및 예비타당성조사 실시(‘14.4)
 ㅇ ‘15년부터 본 사업 추진(10개 연구단 운영)
   * ‘15년 39억원(32개 先기획과제 및 4개 사업단 선정․지원), ‘16년 132억원(14개 先기획과제, 10개 사업단(계속 4/신규 6) 선정․지원

□ 주요내용
 ㅇ (사업목적) 미래소재 확보를 통한 미래 신산업 육성 및 소재강국 실현
  ※ 미래소재는 실험분야 창의적 아이디어와 ICT 기반 新연구방법론에 의해   설계되어 기존 소재에서 볼 수 없는 새로운 물성과 기능을 구현하는 소재

기존 소재연구
미래소재디스커버리
장기간에 걸쳐 경험/시행착오에 의해 제품의 성능향상을 위한 소재 개발
소재개발 기간 단축을 위한 신연구방법론(빅데이터 이용 등) 및 융합연구를 통해 신시장 창출형 소재 개발

 ㅇ (추진 절차) 선 기획연구(약 3배수, 6개월) → 연구개발(3+3년)
 ㅇ (추진내용) 4대 중점추진분야 미래소재 원천특허 확보 추진
   - 중점 추진분야: ① 극한물성 구조･환경 소재 ② 스케일링 한계극복 ICT 소재 ③ 양자 알케미조성제어 소재 ④ 인간오감 증강소재
 ㅇ  (사업기간/사업규모 ) ’15년∼‘24년(10년)/3,066억원(28개 연구단)
 ㅇ  (기대효과) 신시장 창출형 미래소재 기술 개발 및 박사급 핵심브레인 양성 등
※ 4대 중점 추진분야

중점 연구개발 분야
내  용
극한물성 구조･환경 소재
∙소재내의 미세구조 설계 및 제어를 통해 발현되는 전혀 새로운 물성의 구조용 소재 혹은 환경대응 소재 분야
∙예시 : 에너지 효율/친환경 기반의 다중반응 재료 및 소자 등
양자 알케미 조성제어 소재
∙주기율표 상의 원소 조합에 의해 발현되는 물성을 이론적으로 예측하는 양자 알케미 방법을 통해 개발된 새로운 구조와 조성의 소재
∙예시:현대판 연금술 기반 수소저장 및 변환 소재 등
스케일링
한계극복 ICT 소재
∙소모전력 대비 빠르고 용이한 스위칭 속도를 가지면서 긴 정보유지 시간을 갖는 소재, 차세대 반도체에 적용될 수 있는 페러독스한 특성을 갖는 정보저장 및 처리 소재
∙예시:멀티레벨 고효율 정보처리 스마트소재 개발 등
인간오감
증강소재
∙인간이 갖는 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 등의 감각기능을 증강하거나 손상된 감각을 복구할 수 있는 소재
∙예시:오감증진용 자기조절 자기조립소재 기술 등

※ 미래소재디스커버리 연구단 지원 현황

선정연도
연구과제명
연구
책임자
소속기관
‘15년
휴리스틱스  전산기반 기능성 무기소재 창제 연구
손기선
세종대학교
격자간  전자(Interstitial Electron) 배열의 차원제어를 통한 신 기능성 전자화물(Electride) 창조
김성웅
성균관대학교
(자연과학캠퍼스)
Logic-in-Memory  구현을 위한 Spin-Orbitronics 소재개발
김영근
고려대학교
멀티레벨 전도도를 가지는  금속-반도체 변환 소재 개발
성명모
한양대학교
‘16년
Multi-Physics  Full-Scale 통합형 모델링 기반 극한환경용 다기능 고엔트로피합금 창제
김형섭
포항공과대학교
스핀전자 밀도 제어 의한  High Clarke Number 기반 Super-Magnet 개발
최철진
한국기계연구원부설
재료연구소
초저전압 mV 구동  멤리스터용 분자운동성 이온결정 소재 개발
박남규
성균관대학교
(자연과학캠퍼스)
기능면역체기술 기반  생분해성 피부재생소재 개발
조대호
숙명여자대학교
레이저 상호작용 기반  초망막 입체 디스플레이 핵심소재 개발
최성율
한국과학기술원
양자/구조 알케미 기반  프랙탈 촉매 개발
한상수
한국과학기술연구원