성균관대 김태성 교수팀, 상온 작동 신개념 2차원 자성 플랫폼 개발

[이뉴스투데이 수도권1취재본부 권오경 기자] 성균관대학교(총장 유지범)는 기계공학부 김태성 교수 연구팀이 "비자성 물질인 벌크 바나듐 셀레나이드(VSe₂)에 인공적으로 자성을 부여해, 상온에서도 작동 가능한 신개념 2차원 자성 플랫폼을 구현하는 데 성공했다"고 2일 밝혔다.

이번 연구는 기존 2차원 강자성체(van der Waals ferromagnet)가 갖고 있던 구조적·온도적 한계를 극복한 것으로, 차세대 스핀트로닉스 및 양자소자 기술의 핵심 소재 개발 가능성을 제시했다는 점에서 주목받고 있다.

기존의 2차원 자성체는 대부분 단층 재료(monolayer)를 박리해 사용하는 방식이었고, 자성은 극저온 상태에서만 발현돼 실용적인 대면적 합성이나 상온 작동이 어려웠다.

또한, 자성 유지가 어렵다는 ‘머민-바그너 정리(Mermin-Wagner theorem)’로 인해, 상온 2차원 강자성 구현은 오랫동안 불가능한 영역으로 여겨져 왔다.

이에 김 교수 연구팀은 자성을 갖지 않는 벌크 상태의 VSe₂에 주목해, 아르곤(Ar)과 황화수소(H₂S) 플라즈마 처리를 통해 나노결정화(nano-crystallization) 및 단층화 격리(monolayer isolation)를 유도했다.

이 과정을 통해 벌크 상태에서도 인공적인 강자성 특성이 나타나는 데 성공했다.

연구진은 자기력 현미경(MFM)을 통해 자성 도메인(magnetic domain)을 실시간으로 관측해, 자성을 띤 영역이 나노 크기의 결정립(grain) 경계에 따라 명확히 구분됨을 확인했다.

결정립 경계는 자성 도메인을 고정하는 ‘피닝(pinning)’ 역할을 하며, 자성 분포가 특정 영역에 안정적으로 유지되는 현상이 관측됐다.

이 외에도 전자현미경(TEM), 에너지 분산 X선 분석(EDS), X선 광전자 분광법(XPS) 등 다양한 분석 기법을 활용해 구조적·화학적 검증을 병행했다.

김태성 교수는 “이번 연구는 향후 다양한 물질군으로 확장될 수 있는 가능성을 보여주는 결과로, 인공적으로 다강성(multiferroic)을 조절할 수 있는 새로운 반데르발스(van der Waals) 소재 플랫폼으로의 발전을 기대한다”며, “복잡한 상호작용 문제나 확장성 제약 없이 원하는 위치에 다강성을 정밀하게 설계할 수 있다는 점에서 기술적 의의가 크다”고 강조했다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단, 한국기계연구원, 파크시스템스 R&D센터가 공동으로 참여했으며, 연구 결과는 세계적 국제학술지 Advanced Science 5월 30일자에 게재됐다.