KBSI '이산화바나듐' 실시간 결정구조 변화 관찰 성공

기사내용 요약

방사광가속기 활용해 금속-절연체간 급격한 상변화 특성 밝혀

KBSI-동국대-PAL 공동연구, 상전이 물성제어 및 현상규명

[대전=뉴시스] 방사광 가속기 X선을 이용한 상변화 나노결정의 미세 결정구조변화 관찰 모식도(왼쪽)와 이산화바나듐의 결정상에 따른 결정격자구조 모델. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 홍웅기 박사 연구팀이 동국대학교 손정인 교수팀, 포항가속기연구소(PAL) 이수용 박사팀과 공동으로 이산화바나듐 나노결정 내부 미세구조 변화를 초고분해능으로 실시간 관찰하는데 성공했다고 17일 밝혔다.

이를 통해 공동연구진은 물질의 내부 응력상태가 금속-절연체간 급격한 상변화 특성에 미치는 영향을 밝혀냈다.

이번 연구결과는 나노결정의 균일한 내부응력 조절만으로 상변화 온도나 결정상을 제어할 수 있고 내부 응력상태와 미세한 결정구조 및 급속한 전기·광학적 특성 변화 사이에 연관관계가 있음을 방사광가속기를 이용해 처음으로 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다.

이산화바나듐은 외적조건에 따라 절연체상에서 금속상으로 전기적 특성이 바뀜과 동시에 광학적으로 적외선을 투과시켰다가 차단하는 상태로 변하는 물질이다.

이런 특성에 따라 초고속 스위칭소자, 고성능센서, 메모리소자는 물론 온도에 따라 스스로 적외선 투과율을 조정해 건물의 냉난방 에너지를 절감하는 열변색 스마트윈도우 등 차세대 핵심소재로 각광받고 있다.

하지만 이산화바나듐은 외부 조건 변화에 따라 특성이 변하고 물성제어에도 어려움이 있어 산업적 활용에 한계가 있다.

이로 물질내부의 응력에 따른 결정구조 변화와 상전이 물성의 상관관계를 밝히고 응력을 조절할 기술이 필요하다.

이번에 공동연구팀은 물질내부의 압축응력 상태를 균일하게 하기 위해 비정질 산화물인 산화알루미늄(Al2O3)을 이산화바나듐 나노결정 표면에 얇게 코팅해 코어-쉘(core-shell) 모양의 구조로 제작했다.

또 나노결정 내 미세결정구조 변화를 3세대 원형 방사광가속기 X선 장치(포항가속기 PLS-II 9C빔라인)로 관찰했다.

이를 통해 일반적으로 이산화바나듐이 섭씨 80~120도에서 부분적인 상전이와 불안정한 결정상을 보여줬던 기존 실험결과와는 달리 코어-쉘(core-shell) 구조로 압축응력을 균일하게 만든 이산화바나듐은 상온에 가까운 섭씨 66도 근처에서 혼합된 결정상없이 급속한 상전이를 일으킨다는 것을 확인했다.

KBSI 홍웅기 박사팀과 동국대 손정인 교수팀은 나노결정 합성 및 실시간 물성변화 관찰과 함께 응력상태-구조변화 시뮬레이션 연구를 수행했으며 PAL 이수용 박사팀은 방사광 X선 회절장치를 이용한 나노결정 내부의 미세 결정구조 변화에 대한 분석을 맡았다.

연구결과는 재료과학분야 국제학술지인 'Applied Materials Today' 온라인판에 11월6일자에 게재됐다. 논문명:Core-shell Heterostructure-Enabled Stress Engineering in Vanadium Dioxide Nanobeams.

홍웅기 박사는 "이번 연구서 다양한 분야서 활용될 상변화 물질의 물성제어를 방사광가속기를 통해 규명한 결과"라며 "향후 방사광가속기를 활용한 고난도 분석용 장치 및 신소재 개발 분야로 후속연구를 확대해 나갈 것"이라고 밝혔다.

KBSI 신형식 원장은 "탄소중립 실현과 에너지비용 저감을 위한 노력이 세계적으로 진행중인 가운데 이번 연구결과는 이 과정에서 중요하게 활용될 수 있을 것"이라며 "신소재부터 바이오·생명과학, 반도체, 디스플레이, 신약 개발 연구에 다양하게 활용되는 방사광가속기의 필요성을 다시 한번 확인한 연구성과다"고 말했다.

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