자기 상태 변화하는 온도를 제어하여 비열을 제어한다.

연구 개요

여러분은 저온이라고 하면 어느 정도의 온도를 떠올리시나요? 제 연구 주제는 주로 절대온도 10K, 섭씨로는 약 -263℃ 이하의 극저온에서 잘 뜨거워지지 않고 잘 식지 않는(비열이 큰) 자성 물질을 연구하고 있습니다. 일본에서는 -20℃ 정도이니 상당히 낮은 온도라는 것을 알 수 있을 것입니다. 당연히 인간이 생활할 수 있는 온도는 아닙니다. 그런 저온은 어디에서 활용되고 있을까요? 가까운 곳으로는 의료용 MRI, 흥미로운 곳으로는 우주개발이 있는데요, MRI는 초전도 자석을 작동시키기 위해 냉동기를 사용하고 있습니다. 우주개발 분야에서는 적외선 탐지의 감도를 높이기 위해 냉동기가 필요합니다. 이 냉동기는 저온을 유지하기 위해 비열이 큰 재료인 축냉재를 사용합니다. 냉동기의 냉동 능력을 높이려면 10K 이하에서 축냉재의 비열을 높여야 하는데, 저는 이 축냉재로 사용할 새로운 자성 재료를 연구하고 있습니다.

연구의 특징

자성 재료라고 하면 자석을 가장 먼저 떠올리게 되지만, 이 주제의 자성 재료는 전혀 다르다. 이 연구의 핵심은 어느 온도에서 자성 재료의 비열이 커지는가 하는 것이다. 비열은 자성 재료의 자기 상태가 변하는 온도(자기상 전이 온도)에서 커지기 때문에 자기상 전이 온도를 10K 이하로 제어해야 한다. 자석에도 자기상 전이 온도가 있지만, 수백도라는 높은 온도입니다. 반면 이 테마에서는 약 -260℃라는 저온에 자기상전이 온도가 없어야 합니다. 저온에 자기상전이 온도가 있을 것 같은 화합물을 눈여겨보고, 실제로 제작하여 비열을 측정합니다. 그리고 왜 그 물성이 발현되는지를 밝힙니다.

시료를 제작할 때 주로 금속을 다루는데, 대부분 1000℃ 이상의 고온에서 녹여야 하는 경우가 많습니다. 그림과 같이 아크용해로라는 2000℃ 이상의 고온을 발생시킬 수 있는 장치로 금속을 녹여 시료를 제작합니다. 연구실 학생들도 각자 자신의 주제의 시료를 아크용해로 등으로 제작하여 그 비열을 밝혀내고 있습니다.

연구의 매력

직접 손으로 재료를 제작하고 그 물성을 밝히는 것이 매력입니다. 대부분의 경우 시료를 제작하는 것이 가장 힘들어요. 원료를 넣는 양, 온도 등 다양한 조건을 바꿔가며 제작합니다. 제작 후 원하는 것을 얻을 수 있는지 확인하는데, 잘 안 되는 경우가 많기 때문에 원하는 화합물을 얻었을 때는 감격스럽습니다. 그리고 제작이 완료되면 드디어 비열 등 물성을 측정합니다. 세계에서 내가 그 재료의 물성을 가장 먼저 알 수 있기 때문에 측정하는 동안은 매우 신이 납니다. 교내에 측정 장비가 없는 경우에는 학생들과 함께 교외 시설에 가서 실험할 때도 있습니다. 학생들과 함께 새로운 자성 재료에 대한 지식을 얻을 수 있다는 것도 큰 매력입니다.

향후 전망

지금까지의 연구를 통해 밝혀진 지식을 바탕으로 실용화되어 있는 재료보다 더 큰 비열을 나타내는 새로운 화합물이나 합금을 찾아낼 것입니다. 최종적으로는 냉동기에 구현해 우주개발이나 의료용 냉동기에 활용될 수 있도록 하고 싶습니다. 이를 위해 구현을 위한 기초 연구도 병행하고 있습니다. 기업들과 협력하여 새로운 자성 재료를 세상에 내놓고 싶습니다.

이 연구를 희망하는 사람들에게 메시지

제 연구에는 고등학교나 대학에서 배우는 수학, 물리학, 공학 등의 지식을 활용하고 있습니다. 연구를 진행하면서 분석 프로그램을 만들거나 하는 학생들도 있기 때문에, 다양한 분야에 관심을 가지고 임해주셨으면 좋겠어요. 또 실제로 손을 움직여 실험을 해보면 그 어려움과 재미를 알 수 있을 것 같아요. 저온 실험을 접할 기회도 많지 않으니 꼭 도전해 보시기 바랍니다.