10억분의 1m에 해당하는 나노 세상에서 탄소 영구자석을 만들 수 있는 길이 국내 연구진에 의해 열렸다.



고려대학교 물리학과 이철의 교수팀은 양성자 빔을 쪼인 흑연이 상온에서 자석으로 변하는 현상의 원리를 처음으로 규명해 물리학 분야의 세계적 저널인 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 최근호에 게재했다고 10일 밝혔다.



흑연에 양성자 빔을 쪼이면 영구자석으로 변하는 현상은 최근 몇 년 사이에 밝혀졌는데, 그 원리는 알려지지 않은 채로 남아 있었다. 과학기술계에서 흑연 자석을 주목한 이유는 가볍고 강하면서도 가장 작은 탄소 영구자석을 만들 수 있기 때문.



기존의 영구자석들은 철, 코발트, 희토류 원소 등의 금속이나 화합물로 이루어진 것들로 단단하지만 무겁고 전기전도도가 매우 높아 조절하기 어렵다는 문제점을 지니고 있다. 가볍고 전기전도도를 조절할 수 있는 영구자석으로 유기물질로 만들어진 자석들이 보고되기는 했지만, 이들은 충격과 열에 약하고 극저온에서만 자석이 된다는 단점이 있다.



이에 반해 탄소로 이루어진 물질인 흑연은 매우 가볍고 단단하며, 자기장을 사용해 전기전도도를 조절할 수 있다는 특성을 갖고 있다. 특히 나노 수준의 양성자 빔을 사용하면 나노스케일의 초경량, 초미세 탄소 영구자석을 만드는 일이 가능하다.



이철의 교수팀은 과학기술부 21세기프론티어사업의 일환인 양성자기반공학기술개발사업단(단장 최병호)의 2.5MeV 양성자 가속기를 이용, 흑연에 양성자 빔을 조사한 결과 빔을 쪼인 부분만 자성을 띤다는 사실을 확인했다. 자유 전하의 증가로 전기적 특성이 향상되고, 흑연 내부의 결함으로 원자자석이 형성된 것. 연구팀은 이를 통해 흑연을 영구자석으로 만드는 힘은 생성된 원자 자석들 사이의 직접적인 상호작용임을 밝혀내는 데 성공했다.





이 교수는 “영구자석을 형성하는 힘은 양성자 빔을 쪼여서 만들어진 원자규모 자석들 사이의 직접적인 상호작용이라는 점은 철과 코발트 및 금속화합물 등 영구자석의 경우와 동일한 원리”라며 “최근 큰 관심을 끌었던 거대자기저항 물질과 달리 자유 전하들은 영구자석의 형성을 돕지 않았다”고 밝혔다. 거대자기저항 물질은 자기장에 의해 전기전도도가 급격하게 증가하는데, 소자나 디스플레이 등 IT분야 전반에서 새 바람을 불러일으킬 것으로 관심을 모으는 물질이다.



이 교수는 “이번 연구결과는 양성자가속기 분야의 핵심기술을 응용한 것으로, 현재까지 가능성 수준에서 검토되는 흑연 영구자석 관련 연구가 한층 활기를 띨 것으로 예상된다”고 밝혔다.



마이크로 이하의 직경을 가지는 양성자 빔을 사용하면 초경량 초미세의 가공된 문양을 가지는 흑연 자기기록매체를 만들 수 있으며, 이는 우주선과 초경량 노트북 등에 적용할 수 있다. 또 나노 크기의 양성자 빔을 쪼이면 세상에서 제일 작은 탄소 영구자석을 만들 수 있어, 초소형 자석을 인체의 종양에 주입한 후 열을 발생시켜 종양을 파괴하는 새로운 암 치료방법으로 활용할 수도 있다는 설명이다.