연세대, 탄소나노 이용 새 화합물질 합성 성공

▲연세대 이양진 박사(왼쪽부터), UC버클리 최영우 박사, 연세대 김관표 교수

[에너지경제신문 김철훈 기자] 연세대학교 물리학과 김관표 교수가 이끈 국제 공동 연구팀이 새로운 구조의 1차원 자성 전이금속 삼할로겐 화합물 물질을 최초로 합성에 성공했다.

12일 연세대에 따르면, 전이금속 삼할로겐 화합물(Transition Metal Tri-halide)은 MX3(M: 금속 Cr, V; X: 할로겐 Cl, Br, I)구조의 팔면체가 서로 모서리(Edge) 결합을 통해 벌집 구조 형태를 이루는 2차원 자성 물질이다.

원자 한 층 두께의 매우 얇은 두께에서도 자성을 띠어 새로운 자성 현상 연구에 큰 주목을 받고 있으나, 빛, 산소, 수분에 취약해 실험적으로 다형체(Polymorph) 탐구 및 구조 제어 연구에는 어려움이 있었다.

연세대 김관표 교수 연구팀은 버클리 캘리포니아 주립대 알렉스 제틀(Alex Zettl) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 전이금속 삼할로겐 화합물의 팔면체 결합 방식을 제어한 1차원 자성 구조체를 합성했다. 또한, 나노튜브 내부에 합성된 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물은 외부 환경 노출에도 매우 안정함을 확인했다.

또한, 국제 공동연구팀은 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL), 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 연구팀은 원자 단위 이미징을 통해 1차원 전이금속 삼할로겐 화합물의 단위체인 팔면체가 면(Face)을 공유해 1차원 체인을 형성함을 확인했다.

동시에 버클리 캘리포니아 주립대 마빈 코헨(Marvin Cohen) 교수 연구팀은 제일원리 계산을 수행해 나노튜브에서 내부 물질로의 전하이동(Charge Transfer)이 1차원 구조체를 안정화하며, 강자성(Ferromagnetic) 특성이 있음을 확인했다고 연세대측은 밝혔다.

연세대 김관표 교수 연구팀은 "이번 연구는 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 외부 환경에 매우 민감한 전이금속 할로겐화합물을 원자 수준에서 제어할 수 있음을 실험적으로 보인 것"이라며 "새로운 특성을 갖는 나노물질에 대한 탐구 가능성이 기대된다"고 설명했다.

이번 연구는 연세대 물리학과 이양진 박사와 UC버클리 물리학과 박사후연구원 최영우 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 박사후 국외연수, 세종과학펠로우십, 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(반데르발스물질연구센터), 기초과학연구원 나노의학연구단 및 연세시그니처 연구클러스터사업 등의 지원을 받아 수행됐다.