자석은 일반적으로 철을 비롯한 금속으로 만든다. 그런데 금속이 아니면서 자석 같은 성질(자성)을 지니는 물질이 개발됐다. 탄소 원자가 포함된 순수한 유기화합물이 실온에서 자성을 띠는 ‘플라스틱 자석’이 구현된 최초 사례다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 TCNQ*라는 유기화합물에 반응을 일으켜 자성을 띠는 구조로 만드는 데 성공했다. p-TCNQ로 이름 붙여진 플라스틱 자석은 세계적 권위지 셀(Cell)의 자매지, 켐(CHEM) 8월 2일자로 공개됐다.

어떤 물질이 자성을 띠는 이유는 내부 전자들의 스핀(spin)이 한 방향으로 정렬되기 때문이다. 스핀은 전자가 갖는 벡터(vector)** 형태의 고유한 양자수로 업(up) 스핀과 다운(down) 스핀으로 표현된다. 보통 분자에서는 스핀 방향이 반대인 2개의 전자쌍이 안정된 상태로 존재한다. 하지만 전이금속 등에서는 상쇄되지 않고 홀로 존재하는 자유전자의 스핀들이 모여 상호작용하면서 한쪽으로 정렬된다. 이때 커다란 자기(스핀) 모멘트(moment)***를 갖게 되는데 이런 물질을 강자성체라 부른다.

금속이 아닌 유기물에서는 대부분의 전자들이 화학결합으로 단단하게 묶이며, 항상 업 스핀과 다운 스핀이 쌍으로 존재해 서로 상쇄되므로 강자성*을 가지기 어렵다. 실제로 2004년 영국 더럼대 연구진이 네이처(Nature)에 보고한 유기물로 만든 플라스틱 자석은 재현성이 검증되지 않아 금속으로 오염된 것으로 추측된 바 있다.

백종범 교수는 “2004년 발표된 논문이 철회되자 플라스틱 자성은 불가능하다는 인식이 퍼졌지만, 유기물에도 금속처럼 자유전자가 많아지면 스핀을 정렬시켜 자성을 띠게 만들 수 있다”며 “이를 증명하기 위해 금속 오염을 철저히 배제하면서 연구를 진행해 자성을 부여하는 데 성공했다”고 말했다.

이번에 사용한 TCNQ라는 유기화합물은 고온에서 반응시킬 때 급격하게 분자량이 커지면서 망상구조의 고분자(플라스틱)를 형성한다. 이때 탄소 원자 사이에 형성되는 이중결합(시그마결합과 파이결합) 중 상대적으로 약한 파이결합이 물리적 힘에 의해 끊어지게 된다. 이 과정에서 생긴 자유전자들이 다시 결합하기 전에 플라스틱을 빠르게 굳히면 스핀이 쌍으로 존재하지 못하고, 적당한 거리에서 서로 영향을 주고받으며 강자성을 띠게 된다.

연구진은 155℃에서 TCNQ(그림 1a)에 고분자중합반응을 빠르게 일으켜 원자간 파이결합이 다시 형성되지 못하도록 뒤틀린 구조를 만들어냈다. 이렇게 만들어진 플라스틱(p-TCNQ, 그림 1b)에서는 전자 스핀들이 적당한 거리(그림 2)를 두고 떨어지는데, 서로 자연스럽게 영향을 주고받으며 스핀 방향을 정렬시켰다. 유기물도 상온에서 강자성(그림 3)을 가질 수 있다는 걸 처음 입증한 것이다.

제1저자인 자비드 무하마드 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사는 “p-TCNQ의 구조를 고정시킨 상태에서 자유전자의 존재를 전자 스핀 공명(ESR) 분광법으로 확인했다”며 “이들 전자 스핀이 서로간의 상호작용에 의해 나란히 정렬되므로 유기물이지만 강자성을 보였다 (동영상)”고 설명했다.

백종범 교수는 “이번 연구는 유기물 기반 자성 재료의 새로운 방향을 제시할 뿐 아니라 강자성을 띠도록 더 많은 자유전자를 가진 새로운 구조체를 설계해 보다 강력한 플라스틱 자석을 개발하는 데 기여할 초석을 다지는데 의의가 있다”며 “과학적 호기심과 플라스틱 자석의 잠재적 응용 가능성 덕분에 많은 분야에서 주목받을 것”이라고 전망했다.

백 교수는 이어 “플라스틱 자석은 녹슬지 않아 영구적으로 쓸 수 있고, 인체에 흡수되지 않아 MRI 촬영 시 조영제로 활용하기도 좋을 것”이라며 “실생활에 사용하기 위해서는 강자성의 세기를 더 높이는 등 후속연구가 필요하다”고 덧붙였다.

이번 연구는 UNIST 신소재공학과의 유정우 교수와 박정민 석‧박사통합과정 연구원, UNIST 물리학과 신동빈 석‧박사통합과정 연구원이 함께 참여했다. 연구지원은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구자사업, BK21플러스, 선도연구센터, 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌다. (끝)

• 논문명: Organic Ferromagnetism: Trapping Spins in the Glassy State of an Organic Network Structure

그림 1. (A) TCNQ 용액은 중합 전의 모습으로 용액의 점도가 매우 낮고, (B) p-TCNQ 용액은 중합 후 플라스틱의 분자량이 급격히 커지면서 용액의 점도가 매우 높아졌다. (A)에서 (B)로 변하면서 물리적 뒤틀림에 생겨 결합하지 못한 자유전자(하늘색 점)가 플라스틱 내부에 많이 존재하게 된다.

그림 2. (A)처럼 플라스틱의 기본구조에서 뒤틀림이 없을 때는 자유전자가 생성되지 않지만, (B)처럼 가운데 고리를 중심으로 하나의 가지가 뒤틀렸을 때는 하나의 자유전자가 생긴다. (C)는 가운데 고리를 중심으로 세 개의 가지가 모두 뒤틀린 모습이며, 이때 자유전자 세 개가 생긴다. 이런 기본 구조가 수백만 개 연결돼 플라스틱(p-TCNQ) 구조를 형성하기 때문에 수많은 자유전자가 생긴다.

그림 3. 자성 측정 장비로 상온(300 K)에서도 강자성을 보이는 실험결과

[동영상 설명] 빈 플라스틱 용기는 자석을 갖다대도 끌어당겨지지 않지만(왼쪽), p-TCNQ를 담고 있는 플라스틱 용기는 자석에 의해 끌려 다니는 장면(오른쪽)을 보여준다.