한국기초과학지원연구원(KBSI)은 홍웅기 연구장비개발부 연구원팀이 이산화바나듐 나노결정 내부 미세구조 변화를 초고분해능으로 실시간 관찰하는데 성공했다고 17일 밝혔다.
손정인 동국대 교수팀, 이수용 포항가속기연구소(PAL) 연구원팀과 함께 물질 내부 응력상태가 금속-절연체간 급격한 상변화 특성에 미치는 영향을 밝혀냈다. 방사광가속기를 이용해 불순물 도핑 없이 나노결정 내부응력 조절만으로 상변화 온도나 결정상을 제어할 수 있고, 내부 응력상태와 미세한 결정구조 및 급속한 전기·광학적 특성 변화 사이에 연관관계가 있음을 최초로 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다.
이산화바나듐은 외부 조건에 따라 절연체상에서 금속상으로 전기적 특성이 바뀜과 동시에 광학적으로 적외선을 투과시켰다가 차단하는 상태로 변하는 물질이다. 초고속 스위칭소자, 고성능센서, 메모리소자는 물론, 온도에 따라 스스로 적외선 투과율을 조정해 건물 냉난방 에너지를 절감하는 열변색 스마트윈도우 등에 쓰인다. 그러나 외부 조건 변화에 따라 특성이 변하고, 물성 제어에도 어려움이 있어 산업 활용에 한계가 있었다.
연구팀은 물질 내부의 압축응력 상태를 균일하게 하기 위해 비정질 산화물인 산화알루미늄을 이산화바나듐 나노결정 표면에 얇게 코팅해 '코어-쉘' 구조를 제작했다. 나노결정 내 미세 결정구조 변화는 3세대 원형 방사광가속기 X선 장치(포항가속기 PLS-II 9C빔라인)로 관찰할 수 있었다. 활용한 가속기 X선은 일반 실험실 수준 X선 보다 100만배 더 밝으며, 미세 구조변화를 약 100배 이상 더 자세히 관찰할 수 있다.
코어-쉘 구조로 압축응력을 균일하게 만든 이산화바나듐은 상온에 가까운 섭씨 66도 근처에서, 혼합된 결정상없이 급속한 상전이를 일으킨다는 것을 확인할 수 있었다.
홍웅기 연구원은 “이번 연구는 고속으로 작동하는 스위칭 전자소자, 고성능센서, 탄소중립 실현을 위한 열변색 스마트윈도우 등 다양하게 활용되는 상변화 물질의 물성제어에 대한 나노세계의 과학적 현상을 방사광가속기를 통해 규명한 결과”라며, “향후 방사광가속기를 활용한 고난도 분석용 장치 및 신소재 개발 분야로 후속연구를 확대해나갈 것”이라고 밝혔다.
신형식 원장은 “탄소중립 실현과 에너지비용 저감을 위한 전세계적 노력에 발맞춰 이번 KBSI의 연구결과가 중요하게 활용될 수 있을 것”이라며, “신소재부터 바이오·생명과학, 반도체, 디스플레이, 신약 개발 연구에 다양하게 활용되는 방사광가속기의 필요성을 다시 한번 확인한 연구성과”라고 밝혔다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
