나노입자 크기별 자성특성 변화 이론, 실험으로 검증 성공

고려대와 서울대 연구진이 다양한 크기의 ‘자철석(자석의 성질을 갖고 있는 광물)’ 입자를 합성하고 자성 특성의 변화를 관찰하는데 성공했다. 기존 교과서에 이론적으로 담겨있던 내용을 실험으로 직접 확인한 연구로 향후 다양한 분야에 자철석을 적용할 때 활용될 것으로 기대된다.
고려대 신소재공학부 김영근 교수와 서울대 화학과 이진규 교수(현 LG화학 기술연구원 수석연구위원) 공동 연구진은 자철석 나노입자를 합성하고 중요한 자성특성인 ‘보자력’의 변화를 관찰하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구결과는 국제 학술지인 ‘사이언티픽 리포트’ 최신호에 게재됐다.
자성을 띤 입자를 자석 사이에 놓아두면 한 쪽이 양극, 다른 한 쪽이 음극이 되는 ‘자화’ 현상이 발생한다. 이때 역으로 다시 자화를 주면서 자성이 0이 될 때까지 필요한 강도를 보자력이라고 한다. 연구진은 지름 15~50㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 크기의 자철석 나노입자를 합성했다. 김영근 교수는 “동일한 방식으로 나노입자의 크기를 조절하고 이 특성을 널리 알려진 이론적 예측값과 비교 검증했다”며 “입자 크기에 따른 자기 보자력의 변화에 대한 자성학 이론은 이미 널리 알려져 있으나 기존의 연구결과는 서로 다른 방법으로 합성한 입자를 이용하였기 때문에 그 결과를 이론과 직접 비교하기 어려웠다”고 설명했다. 나노입자의 크기가 감소함에 따라 자기 보자력은 이론적으로 알려진 대로 증가하여 최대값을 보인 후 점차 감소하여 최종적으로는 0에 도달했다.
나노입자의 자기적 성질 중 보자력은 크기 및 형상에 매우 민감하게 영향을 받는다. 보자력의 유무 및 그 크기에 따라 자성물질의 특성이 크게 좌우되기 때문이다.
자철석은 예로부터 나침반을 비롯한 다방면으로 사용하고 있는 익숙한 재료다. 기술이 발전하면서 나노크기의 재료를 이용하는 산업이 많아지고 있다. 자성을 띠고 있는 재나노료의 경우 의료 및 산업 활용도가 높지만 특성을 제어하기 어려웠다. 김영근 교수는 “자철석 나노입자는 그 응용 분야에 따라 크기를 조절하여 알맞은 특성을 제어할 수 있고 산업적으로 대량생산이 가능한 합성법”이라며 “이러한 자기적 현상의 이해를 통해 전기전자나 바이오메디컬과 같은 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”으로 기대했다.
[원호섭 기자]