~ 비자성체의 물질을 전기적으로 자석으로 하는 방법 ~
도쿄대학 대학원 공학계연구과, 전력중앙연구소, 재료과학연구소 연구팀은 자연계에 존재하는 상태에서는 비자성체 금속으로서 알려진 ‘팔라듐’에 자력을 부여하여 그 자력의 크기를 전압을 가해 제어할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 팔라듐의 박막에 코발트의 박막을 근접시켜 팔라듐 자신에 자력을 부여한 구조를 제조하여 그 자력의 크기를 정부(正負)의 전압으로 제어할 수 있다는 것을 나타내었다.
최근 한쪽 전극이 자석의 박막인 콘덴서의 구조를 이용하여 전기적으로 자력과 자극의 향하기 쉬운 방향 등을 제어하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 커패시터 구조에 전압을 가하면 자석의 박막 중의 전하가 충방전된다. 즉, 전자의 농도가 바뀐다. 이것이 자석의 특성변화의 요인이라고 생각된다. 지금까지 본 연구팀은 자석인 코발트 자석을 이 방법으로 없애거나 원래로 되돌리거나 할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이번에 본 연구팀은 “자연계에서는 자석으로서 존재하지 않는 금속에 전압을 추가함으로써 역으로 자력을 부가할 수 있는 것은 아닌지”라는 가설을 세워 연구를 추진해 왔다.
본 연구팀은 비자성금속으로서 팔라듐에 주목하였다. 팔라듐이 비자성체 중에서도 자석에 가까운 성질을 갖고 있다는 것이 알려졌기 때문이었다. 또한 본 연구팀은 팔라듐이 가진 특성 중 하나인 강자성 근접효과를 이용하였다. 이것은 코발트 등의 강자성 금속과 팔라듐을 근접시킴으로써 팔라듐이 자력을 갖는 효과이다. 그래서 이렇게 하여 팔라듐에 여러 가지 자력을 갖게 한 시료를 이용하여 팔라듐의 자력을 전압으로 제어할 수 있다는 것을 조사하였다.
구체적으로는 7원자층 정도(1.7나노미터)의 팔라듐 초박막을 평범한 실리콘 기판 위에 미리 제막한 1원자층 정도(또는 그 이하)의 코발트 초박막 위에 제막하여, 팔라듐에 자력을 갖게 하였다. 또한 전원을 가하여 팔라듐 중의 전자농도를 크게 제어하기 위하여 이온액체를 이용한 전기이중층 캐퍼시터를 제작하였다. 이렇게 하여 제작한 캐퍼시터 구조에 ±2V의 전압을 가하면 전극금속이 갖는 스스로의 차폐효과 때문에 전극표면의 1원자층 정도만 전하가 축적한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구팀이 이용한 캐퍼시터 구조에서는 전압으로 최표면의 팔라듐만 전하가 변화하게 되었다.
그 결과 자력의 크기가 전압에 의해 변화한다는 것이 명확히 관측되었다. 구체적으로는 전압에 의한 자력 강함의 변화량은 낮은 온도일수록 크며, 정(+)의 전압 인가를 추가하여 팔라듐 표면의 전자농도를 증가시켰을 때(+2V)가 전자농도를 감소하였을 때(-2V)에 비하여 자력이 강해진다는 것을 알게 되었다. 이번에 얻은 결과는 팔라듐의 자력 크기를 정부(正負)의 전압에 의해 제어할 수 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 전압을 가하지 않은 단계에서 팔라듐은 자력을 갖추고 있으며, 자석 상태가 된다. 그러나 본 연구에 의해 팔라듐과 같은 원래 자석으로서 존재하지 않는 비자성 금속에서도 전압으로 그 자기성 성질을 제어할 수 있다는 것을 알게 되었다. 즉, 비자성 금속을 전기적으로 자석이 될 가능성을 발견하였다고 말할 수 있다. 원래 자성을 띄고 있는 재료에 전압을 가하여 자석으로 하거나 또한 원래 되돌리거나 하는 것이 쉽게 가능해지면 현재, 자기공학 분야에서 이용할 수 없는 물질도 활용할 수 있으므로 자기디바이스에 사용된 재료의 폭이 더욱 넓어질 것으로 기대할 수 있다. 앞으로 연구팀은 이번에 얻은 지견을 기본으로 비자성체 물질의 전기적 수법에 의한 자석화로의 길을 개척해 나갈 예정이다.
도쿄대학 대학원 공학계연구과, 전력중앙연구소, 재료과학연구소 연구팀은 자연계에 존재하는 상태에서는 비자성체 금속으로서 알려진 ‘팔라듐’에 자력을 부여하여 그 자력의 크기를 전압을 가해 제어할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 팔라듐의 박막에 코발트의 박막을 근접시켜 팔라듐 자신에 자력을 부여한 구조를 제조하여 그 자력의 크기를 정부(正負)의 전압으로 제어할 수 있다는 것을 나타내었다.
최근 한쪽 전극이 자석의 박막인 콘덴서의 구조를 이용하여 전기적으로 자력과 자극의 향하기 쉬운 방향 등을 제어하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 커패시터 구조에 전압을 가하면 자석의 박막 중의 전하가 충방전된다. 즉, 전자의 농도가 바뀐다. 이것이 자석의 특성변화의 요인이라고 생각된다. 지금까지 본 연구팀은 자석인 코발트 자석을 이 방법으로 없애거나 원래로 되돌리거나 할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이번에 본 연구팀은 “자연계에서는 자석으로서 존재하지 않는 금속에 전압을 추가함으로써 역으로 자력을 부가할 수 있는 것은 아닌지”라는 가설을 세워 연구를 추진해 왔다.
본 연구팀은 비자성금속으로서 팔라듐에 주목하였다. 팔라듐이 비자성체 중에서도 자석에 가까운 성질을 갖고 있다는 것이 알려졌기 때문이었다. 또한 본 연구팀은 팔라듐이 가진 특성 중 하나인 강자성 근접효과를 이용하였다. 이것은 코발트 등의 강자성 금속과 팔라듐을 근접시킴으로써 팔라듐이 자력을 갖는 효과이다. 그래서 이렇게 하여 팔라듐에 여러 가지 자력을 갖게 한 시료를 이용하여 팔라듐의 자력을 전압으로 제어할 수 있다는 것을 조사하였다.
구체적으로는 7원자층 정도(1.7나노미터)의 팔라듐 초박막을 평범한 실리콘 기판 위에 미리 제막한 1원자층 정도(또는 그 이하)의 코발트 초박막 위에 제막하여, 팔라듐에 자력을 갖게 하였다. 또한 전원을 가하여 팔라듐 중의 전자농도를 크게 제어하기 위하여 이온액체를 이용한 전기이중층 캐퍼시터를 제작하였다. 이렇게 하여 제작한 캐퍼시터 구조에 ±2V의 전압을 가하면 전극금속이 갖는 스스로의 차폐효과 때문에 전극표면의 1원자층 정도만 전하가 축적한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구팀이 이용한 캐퍼시터 구조에서는 전압으로 최표면의 팔라듐만 전하가 변화하게 되었다.
그 결과 자력의 크기가 전압에 의해 변화한다는 것이 명확히 관측되었다. 구체적으로는 전압에 의한 자력 강함의 변화량은 낮은 온도일수록 크며, 정(+)의 전압 인가를 추가하여 팔라듐 표면의 전자농도를 증가시켰을 때(+2V)가 전자농도를 감소하였을 때(-2V)에 비하여 자력이 강해진다는 것을 알게 되었다. 이번에 얻은 결과는 팔라듐의 자력 크기를 정부(正負)의 전압에 의해 제어할 수 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 전압을 가하지 않은 단계에서 팔라듐은 자력을 갖추고 있으며, 자석 상태가 된다. 그러나 본 연구에 의해 팔라듐과 같은 원래 자석으로서 존재하지 않는 비자성 금속에서도 전압으로 그 자기성 성질을 제어할 수 있다는 것을 알게 되었다. 즉, 비자성 금속을 전기적으로 자석이 될 가능성을 발견하였다고 말할 수 있다. 원래 자성을 띄고 있는 재료에 전압을 가하여 자석으로 하거나 또한 원래 되돌리거나 하는 것이 쉽게 가능해지면 현재, 자기공학 분야에서 이용할 수 없는 물질도 활용할 수 있으므로 자기디바이스에 사용된 재료의 폭이 더욱 넓어질 것으로 기대할 수 있다. 앞으로 연구팀은 이번에 얻은 지견을 기본으로 비자성체 물질의 전기적 수법에 의한 자석화로의 길을 개척해 나갈 예정이다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
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