김영근 교수팀, “나노크기의 산화철 메조결정의 형성과정 규명”
세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 실려

▲ 김영근 고려대 교수(교신저자), 박범철 고려대 공학기술연구소 박사(제1저자), 조지웅 한국기초과학지원 연구원(제1저자)

공과대학 신소재공학부 김영근 교수팀은 한국기초과학지원(KBSI) 연구원 조지웅 박사 연구팀과 공동으로 나노크기의  산화철 마그네타이트(magnetite) 메조결정(mesocrystal)이 생성되는 과정에 따라서 메조결정의 미세구조가 달라지는 현상을 규명하고 상천이 제어를 위한 새로운 접근 방법을 제시했다.
* 메조결정 : 아주 작은 단위결정들이 서로 뭉쳐있는 형태로 존재하는 소재로 낱개의 단위결정에서는 나타나지 않는 새로운 집합적 특성을 보이기 때문에 산업에 관심을 받고 있음

공동연구팀은 마그네타이트(Fe3O4) 산화철 메조결정이 생성되는 경로들이 다양한데 어떤 경로로 생성되는지에 따라서 메조결정을 구성하는 단위결정의 크기가 다르게 형성되는 현상을 규명하고, 더 나아가 원하는 대로 단위결정 자체의 크기와 이것들이 뭉쳐진 크기를 제어해 산화철 메조결정의 자기적 특성을 제어하는데 성공했다. 이번 성과는 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)에 1월 15일 게재됐다.
* 논문명 : Strategy to control magnetic coercivity by elucidating crystallization pathway-dependent microstructural evolution of magnetite mesocrystals
*  저자 : 김영근 고려대 교수(교신저자), 박범철 고려대 공학기술연구소 박사(제1저자), 조지웅 한국기초과학지원 연구원(제1저자)

마그네타이트 산화철 소재는 크기에 따라서 독특한 자기적 특성을 나타내기 때문에 인체 내 영상, 체외 진단, 온열 치료 등의 의료 분야 외부 자기장 차폐, 스텔스 기술 등의 전자 분야에서 각광받는 소재이다. 이렇게 다양한 분야에 마그네타이트 산화철 소재를 적용하기 위해서는 특성의 지표 중에 하나인 자기 보자력을 응용분야에 맞게 정밀하게 조절할 필요가 있고 미세구조의 형성과 크기는 보자력에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 그러나 화학적으로 합성되는 나노크기의 입자에서 미세구조가 형성되는 과정은 매우 복잡하기 때문에 미세구조를 정밀하게 설계하는 데에 큰 제약이 따른다.
* 자기 보자력(magnetic coercivity): 자성소재의 자화를 0으로 감소하는데 요구되는 역자장으로 나타내는 지표로서 소재의 성분, 크기, 미세구조에 큰 영향을 받음
  
연구진은 마그네타이트 산화철 메조결정이 생성되는 과정을 시간별로 확인하는 과정에서, 서로 다른 동질이상체 중간물질로부터 메조결정이 형성될 때 메조결정을 구성하는 단위결정의 크기가 다르게 형성되는 것을 규명했다.  연구팀은 이러한 원리를 바탕으로 마그네타이트 산화철 메조결정의 직경과 단위결정의 크기를 독립적으로 제어하는 데에 성공하고 단위결정의 크기가 메조결정의 직경에 따른 자기보자력 거동에 미치는 영향을 나타내는 실험적 모델을 제시했다.
* 동질이상체(polymorph): 동일한 성분의 물질이지만 소재를 이루는 원자들의 결합 방식이 다르기 때문에 다른 성질을 갖는 물질
* 중간물질(intermediate): 열역학적으로 가장 안정한 소재가 생성되기 이전에 나타나는 불안정한 소재로서 경우에 따라 결정이 만들어질 때 용액의 이온으로부터 바로 결정이 만들어지지 않고 여러 중간물질의 단계를 거쳐서 만들어짐

과학기술정보통신부·한국연구재단의 나노·소재원천기술개발사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구 지원으로 수행된 이번 연구는 복합한 금속산화물 소재의 생성 과정 속에 숨겨진 미세구조의 형성 원리를 밝혀낸 결과로 단계적 상변화 과정으로 생성되는 금속산화물 전반으로 대상을 넓혀서 적용시킬 수 있을 것으로 기대된다.  향후 미세구조를 정밀 조절하는데 새로운 접근방법으로 활용할 수 있다는 학문적 의의와 함께 이번 연구에서 제시한 마그네타이트 산화철 메조결정의 단위결정립 크기 별 직경-자기보자력 거동 실험모델은 자기보자력의 정밀제어가 필요한 다양한 의료 및 전자 분야에 활용될 수 있는 플랫폼이라는 데에 산업적 의의가 있다. 

(그림 1) 산화철 메조결정의 생성 과정에서 밝혀진 2가지 결정화 경로의 모식도. 경로 1은 철 전구체의 비율이 수산화 이온 (OH-)에 비해서 과량이 주입되었을 때 주로 나타나며 페리하이드라이트(ferrihydrite, Fe5HO8·4H2O), 레피도크로사이트(lepidocrocite, γ-FeOOH), 마그네타이트 (magnetite, Fe3O4) 순으로 형성된다. 경로 2는 철 전구체의 양이 경로 1보다 상대적으로 적게 주입되었을 때 나타나고 페리하이드라이트(ferrihydrite, Fe5HO8·4H2O), 레피도크로사이트(lepidocrocite, γ-FeOOH), 침철석 (goethite, α-FeOOH), 마그네타이트 (magnetite, Fe3O4) 순으로 형성된다. 경로 1을 거쳐서 만들어진 마그네타이트 산화철 메조결정이 경로 2를 거쳐서 만들어졌을 때 보다 작은 단위결정으로 구성된 메조결정이 만들어진다.

(그림 2) 마그네타이트 산화철 메조결정의 직경 및 단위결정의 크기에 따른 자기보자력 거동 모델. 평균 단위결정의 크기가 다른 5개의 그룹에서 측정된 자기보자력을 메조결정의 직경의 함수로서 나타냈다 (그림 2a의 실선). 이것은 기존에 알려진 실험식과 잘 맞는 결과를 나타낸 것이다. 메조결정을 구성하는 단위결정들은 모두 같은 결정학적 방향으로 정렬되어 있다. 이것은 정렬된 구의 집합체 (ordered aggregate of spheres)로 표현할 수 있다. 그림 1a의 그래프에서 잘 나타나 있듯이 정렬된 구의 집합체는 같은 부피의 단결정 입자보다 작은 자기보자력을 나타낸다. 이것은 단위결정들 간에 자기적으로 상호작용을 하고 있기 때문에 외부자기장에 대해서 쉽게 자화된다고 할 수 있다. 또한 메조결정을 구성하는 단위결정의 숫자가 들어날수록 자기보자력은 증가하고, 이것은 기존의 입자의 직경에 따른 보자력 변화의 실험식과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이것은 단위결정들 간에 자기적 상호작용을 하고 있을 때 메조결정은 마치 하나의 입자처럼 거동하려는 경향을 보인다는 것을 의미한다. 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)