나노기술 및 정책 정보

• 목록

● 한국기초과학지원연구원(KBSI) 연구장비개발부 홍웅기 박사, 동국대학교 손정인 교수, 포항가속기연구소(PAL) 이수용 박사 공동 연구팀은 차세대 상변화 산화물 소재인 이산화바나듐 나노결정의 내부 미세구조 변화를 초고분해능으로 실시간 관찰

● 이산화바나듐은 외적 조건에 따라 절연체상에서 금속상으로 전기적 특성이 바뀜과 동시에 광학적으로 적외선을 투과시켰다 차단하는 상태로 변하는 물질로 초고속 스위칭소자, 고성능 센서, 메모리소자는 물론, 온도에 따라 스스로 적외선 투과율을 조정하여 건물의 냉난방 에너지를 절감하는 스마트윈도우에도 요구되며 차세대 핵심 소재로 부상됨.

● 박막 필름이나 나노결정 형태로 만들어지는 이산화바나듐은 외부 조건 변화에 따라 특성이 변하고, 물성 제어의 어려움으로 산업적 활용에 한계가 있으며, 물질 내부의 응력에 따른 결정구조 변화와 상전이 물성의 상관관계를 밝히고, 그 응력을 조절할 수 있어야 하는 것이 주요 연구과제 중 하나

● 연구팀은 물질 내부의 압축응력 상태를 균일하게 만들기 위해 비정질 산화물인 산화알루미늄(Al2O3)을 이산화바나듐 나노결정 표면에 얇게 코팅하여 코어-쉘(core-shell) 모양의 구조로 제작하였으며, 나노결정 내 미세결정 구조 변화는 마이크로미터(㎛) 크기의 빔사이즈를 가진 3세대 원형 방사광가속기 X선 장치로 관찰

● 본 연구에 활용한 가속기 X선은 일반 실험실 수준의 X선보다 100만 배 더 밝으며, 미세한 구조 변화를 약 100배 이상 더 자세히 관찰 가능

기존 실험에서는 이산화바나듐이 80~120℃ 환경에서 부분적인 상전이와 불안정한 결정상을 나타내었지만, 코어-쉘(core-shell) 구조로 압축응력을 균일하게 만든 이산화바나듐은 상온에 가까운 66℃ 근처에서도 혼합된 결정상 없이 급속한 상전이를 나타냄.

● 본 연구는 나노결정의 균일한 내부응력 조절만으로 상변화 온도나 결정상을 제어할 수 있으며, 내부 응력상태와 미세한 결정구조 및 급속한 전기·광학적 특성 변화 사이에 연관관계가 있음을 방사광가속기를 이용하여 최초로 규명

● 향후 연구팀은 방사광가속기를 활용한 고난도 분석용 장치 및 신소재 개발 분야로 후속 연구를 확대해 나갈 예정

※ 한국기초과학지원연구원(분석과학연구장비개발사업, 가속기구축운영역량강화사업), 한국연구재단(중견연구자지원사업) 지원

※ Applied Materials 게재(2021.11.06.), “Core-shell Heterostructure-Enabled Stress Engineering in Vanadium Dioxide Nanobeams”