▲ 울산과기원 백종범 교수

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 11월 수상자로 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 백종범 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여한다.

가구나 냉장고 문뿐만 아니라 반도체, 전기차 모터 등 첨단산업의 핵심부품으로 사용되는 자석은 우리 삶에 필수 불가결한 핵심 소재다. 기존에는 금속물질만 자성을 가지기 때문에 자석은 금속으로만 만들 수 있다는 것이 상식이었는데 백종범 교수는 이런 통념을 깨고 유기 플라스틱 자석의 존재를 이론적으로 규명하고 실증을 통해 산업적 발전 가능성을 제시하였다.

1831년 11월 마이클 패러데이가 전자기유도법칙을 발표한 이래 전자기 기술은 비약적으로 발전하여 텔레비전과 컴퓨터, 스마트폰과 전기차에 이르는 다양한 전자제품이 생활필수품으로 자리 잡았다.

이들 제품의 디지털화, 경량화 추세에 따라 무거운 금속 자석을 대체할 소재 개발이 요구되는 가운데 가볍고 생체 친화적이며 가공이 쉬운 플라스틱 자석의 가능성은 지속적으로 탐구되었다.

하지만, 탄소로 이루어진 유기물은 전자가 화학결합으로 단단하게 묶여 자성을 갖기 어렵다. 2004년 영국 더럼대 연구진이 플라스틱 자석을 네이처에 보고하였지만, 그 재현성이 검증되지 않아 논문이 철회된 뒤 학계에서는 유기물 자성은 실현 불가능하다는 인식이 팽배했다.

백종범 교수는 가벼운 유기 플라스틱도 금속처럼 자유전자가 많아지면 자성을 띨 수 있음을 이론적으로 규명하고, 금속 오염을 철저히 배제한 상태에서 유기물이 자석에 이끌려 오는 실험을 진행하여 유기물 자성체의 실체를 증명하였다.

연구팀은 탄소 원자가 포함된 유기화합물인 TCNQ를 섭씨 155도 고온에서 반응시켜 자성을 띠는 플라스틱(p-TCNQ) 제작에 성공했다. 합성된 플라스틱은 전자 스핀들이 적당한 거리를 두고 떨어져 서로 자연스럽게 영향을 주고받으며 강자성을 보였다. 강자성이란 물질 외부에서 자기장이 가해지지 않아도 스스로 자기화돼 자석이 될 수 있는 성질을 말한다.

p-TCNQ로 이름 붙여진 플라스틱 자석은 2018년 8월 학술지 켐(CHEM)에 발표됐으며, 연구팀은 녹슬지 않고 영구적으로 사용 가능한 플라스틱 자석의 장점을 활용해 MRI 조영제, 전기차 모터 등 실생활에 응용 가능한 기술 개발을 목표로 후속연구를 진행하고 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 자유전자를 가진 유기물 구조체를 설계하여 플라스틱 자석의 새로운 가능성을 제시한 데 의의가 있다”라며 “강자성의 세기를 높이는 후속연구를 통해 자성체 연구 분야의 초석을 다지고 금속 자석의 단점을 보완하여 산업 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 수상소감을 밝혔다.