초상자기성

초상자성(superparamagnetism) 혹은 초상자기성은 강자성(ferromagnetic) 물질에서 나타나는 자기적 성질의 한 형태이다. 크기가 충분히 작은 나노 입자(nano particle)에서 자화(magnetization)는 온도에 영향을 받아 무작위로 배열 방향을 바꿀 수 있다. 자기 모멘트의 배열이 바뀌어 젖혀짐(flips)에 걸리는 시간을 네엘 이완 시간(Néel relaxation time)이라고 한다. 외부 자기장이 없는 경우, 나노 입자의 자화를 측정하는 데 걸리는 시간이 네일 이완 시간보다 훨씬 길면 나노 입자의 자화가 0인 것으로 나타나며, 이때 나노 입자를 초상자성 상태라고 한다. 이 상태에서 외부 자기장을 가하면 상자성체(paramagnet)와 유사하게 나노 입자를 자화시킬 수 있으며 이때 입자의 자화율(magnetic susceptibility)은 상자성체의 자화율보다 훨씬 크게 나타난다.

목차

일반적으로 모든 강자성체는 전이 온도(transition temperature)인 퀴리 온도(Curie temperature) 이상에서 강자성 상태로부터 상자성 상태로 자기적 특성이 바뀐다. 그러나 초상자성체는 퀴리 온도 이하에서 자기적 특성이 바뀌기 때문에 이러한 표준 전이와는 다르다. 초상자성은 영역 내 모든 자기 모멘트가 평행한 상태인 하나의 단일 자기 영역(single magnetic domain)으로 구성된 입자에서 나타나는데, 소재의 종류에 따라 직경이 3∼50nm 미만의 나노 크기일 때 나타나는 자기적 성질이다. 초상자성을 나타내는 조건에서 나노 입자의 자화는 입자를 구성하고 있는 원자에서 발생하는 모든 개별 자기 모멘트의 합이 하나의 거대한 자기 모멘트를 가지고 있는 것으로 간주할 수 있다.

나노 입자는 자기적 비등방성(magnetic anisotropy)이기에 일반적으로 에너지 장벽(energy barrier)으로 분리된 나노 입자의 자기 모멘트는 서로에 대해 역 평행(antiparallel)한 안정된 배향만을 갖는다. 유한 온도(finite temperature)에서 이러한 자기 모멘트의 배열 방향이 바꿔 반전될 확률이 존재한다. 자기 모멘트의 평행과 역평행 두 배열 변화 사이에 걸리는 평균 시간을 네엘 이완 시간이라 하며 네엘-아레니우스 식(Néel–Arrhenius equation)으로 나타낼 수 있다.

여기서, τ_N은 나노 입자의 자화가 열 변동(thermal fluctuation)에 따라 무작위로 반전되는 데 걸리는 평균 시간이고, τ₀은 시도 시간(attempt time) 또는 시도 기간(attempt period)이라고 하는 재료의 특징적인 시간이며, K는 나노 입자의 자기적 비등방성 에너지 밀도, V는 부피, k_B는 볼츠만 상수, T는 절대온도이다. 이 식에서 네엘 이완 시간은 입자 부피의 지수 함수로 표현되는데 이는 왜 벌크 재료나 입자 크기가 상대적으로 큰 나노 입자에서 자화의 반전 확률이 급격히 무시되는지 그 이유를 설명한다.

단일 초상자성 나노 입자의 자화를 측정한다고 가정하고, 측정 시간을 τ_m으로 나타낼 때, 만약 τ_m ≫ τ_N이면 나노 입자의 자화는 측정하는 동안 여러 번 뒤집히게 되고 따라서 측정된 자화는 평균값인 영이 된다. 반면, τ_m ≪ τ_N이면 측정 중에 자화가 뒤집히지 않음으로 측정된 자화는 측정 시의 순간 자화(instantaneous magnetization)가 된다. 전자의 경우 나노 입자는 초상자성 상태인 것처럼 보이지만 후자의 경우 초기 상태에서 "차단(blocked)"된 것처럼 보인다. 따라서 나노 입자의 자기적 상태(초상자기성 상태 또는 차단 상태)는 측정 시간에 따라 다르게 나타날 수 있다. 초상자성 상태와 차단 상태 사이의 전이는 τ_m = τ_N일 때 일어난다. 실험에서 측정 시간을 일정하게 하면 초상자성과 차단 상태 사이의 전이를 온도의 함수로 나타낼 수 있으며, 그때 온도를 차단 온도(blocking temperature)라고 한다.

초상자성 계는 외부 자기장이 시간에 따라 변하고, 계의 자기 응답을 측정할 수 있는 AC 자화율 측정기로 측정할 수 있다. 외부 자기장(H)이 초상자성 나노 입자 조립체에 가해지면, 나노 입자의 자기 모멘트가 가해진 자기장을 따라 정렬되는 현상이 발생하여 알짜 자화(net magnetization)가 일어난다. 조립체의 자화 곡선은 가해진 자기장에 대한 함수로써, 전형적으로 아래 그림과 같은 가역적인 S자형 증가함수가 된다.

자기적 성질에 따른 일반적인 자화 곡선(출처: 대한화학회)

초상자성을 나타내는 물질의 크기가 nm 수준으로 매우 작기 때문에 이러한 초자성체의 성질을 이용하여 단위 면적 당 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 고용량 하드 디스크 드라이브를 제작하는 데 사용한다. 또한, 액체자석(ferrofluid)으로도 불리며, 액체의 점도를 자기장의 세기에 따라 변화시킬 수 있는 자성 유체(magnetic fluid)로도 사용되는데 자기적 신호를 기계적으로 변환할 때의 제동 장치나 자기 잉크, 베어링, 센서로 응용된다. 최근에는 초상자성 물질을 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)의 조영제(contrast agent)나 세포, DNA, 단백질과 같은 생체 물질을 자기적으로 분리하는 기술 및 표적 약물 전달(targeted drug delivery)이나 자기 온열치료(magnetic hyperthermia)와 같은 생의학 분야에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

자기장 하에서의 액체자석()