탄소 물질에 결함 내 자성 발현···MRI 조형제 활용 기대

백종범 UNIST 교수 공동연구팀, 탄소구조체 대량 합성 성공 기술 개발
결함과 하이드록시기의 상자성 유도 결합(hole defect) 및 기능화된(functionalized, 붉은색) 하이드록시기가 그래핀 구조체의 상자성(paramagnetism)을 유발한다. 외부에서 자기장을 걸어주었을 때 스핀의 정렬방향(푸른 화살표)이 자기장 방향과 일치한다. 스핀 운동이 서로 상쇄되지 않고, 일정한 방향으로 정렬해야 자성이 나타나는데, 결함 주변에 자성이 나타남을 확인할 수 있다.<사진=UNIST>결함과 하이드록시기의 상자성 유도 결합(hole defect) 및 기능화된(functionalized, 붉은색) 하이드록시기가 그래핀 구조체의 상자성(paramagnetism)을 유발한다. 외부에서 자기장을 걸어주었을 때 스핀의 정렬방향(푸른 화살표)이 자기장 방향과 일치한다. 스핀 운동이 서로 상쇄되지 않고, 일정한 방향으로 정렬해야 자성이 나타나는데, 결함 주변에 자성이 나타남을 확인할 수 있다.<사진=UNIST>

국내 연구진이 탄소 구조체에 구멍 형태의 결함을 도입해 자석 성질을 갖는 방법을 개발했다. 이를 대량 합성하면 독성이 있는 금속성 MRI 조영제를 대체할 수 있을 전망이다.

UNIST(총장 정무영)는 백종범·유정우·박노정 교수 공동연구팀이 탄소 물질(유기물)이 상자성을 갖도록 합성하는데 성공하고 이론적 원리도 규명했다고 15일 밝혔다.

상자성은 외부 강력한 자기장의 영향으로 자성을 갖게되는 성질이다. 물질의 자기적 성질(자성)은 원자 속 전자의 자전 운동인 스핀(spin)에 의해 결정된다. 스핀 방향이 외부 자기장 방향과 일치할 때 우리가 아는 자석의 성질이 나타난다.

탄소 원자들이 육각형으로 잘 정렬된 그래핀에서는 스핀 방향과 외부 자기장 방향이 서로 반대되므로 일반적인 자성이 나타나지 않는다. 또 그래핀 등 탄소 구조체는 합성이 쉽지 않다. 활성탄의 경우 합성 온도가 1000~2000℃로 높고, 그래핀도 이보다 조금 낮은 온도에서 화학기상층착법이라는 공법을 이용해야 한다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 아세틸기( CH₃CO-) 단량체를 실험전 물질로 삼고 탄수반응(수소와 산소를 제거하는 반응)과 탄화반응(다른 원자를 탄소로 치환)을 동시에 진행했다. 그 결과 비교적 낮은 온도인 500℃에서 2차원 탄소 박막을 합성하는데 성공했다. 이는 내부적으로 둥근 구멍 형태의 결함과 하이드록시기(-OH)를 갖고 있었다. 연구팀은 실험과 이론 분석으로 구멍 결함과 하이드록시기가 탄소 박막에 자성을 가져 온 것을 확인했다.

연구팀이개발한 방법으로 생산한 탄소박막은 비표면적이 높아 기체 흡착체, 촉매 담지체, 리튬이온배터리 음극 등 다양한 경로로 활용할 수 있다.

제1저자로 연구를 주도한 에너지 및 화학공학부의 정선민 박사는 "비교적 손쉬운 합성 조건에서 상자성을 갖는 탄소 박막을 대량 합성할 수 있어 산업 적용이 쉬울 것"이라면서 "MRI 조영제로 유기물을 이용하는 연구는 물론 전극 재료 등 다양한 방면에 활용 가능 할 것"이라고 말했다.

백종범 교수는 "탄소 물질의 자성 연구는 이론이나 계산 연구에 주로 초점을 맞춰 이뤄져 왔다"며 "이번 연구는 이론적 계산과 실증을 병행함으로써, 탄소 물질 내의 결함이 자성과 어떤 연관이 있는지 근본적으로 푸는 실마리를 제공할 것"이라고 기대했다.

 이번 연구는 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 기본연구 리서치 펠로우 사업, 기초연구실지원사업으로 이뤄졌다. 결과는 화학 분야에서 국제 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)의 VIP(Very Importnat Paper)논문과 속표지(inside cover)로 선정돼 12일자로 출판됐다. 
 
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