나노기술 및 정책 정보

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  하이비전 방송 프로그램이 증가하고 풀 HD로 촬영할 수 있는 비디오 카메라가 보급되고 있다. 또, 3D화면에 대응한 TV 수상기를 각 기업들이 출시하고 있으며, 「The 2010 FIFA World Cup」(2010.6.11~7.11, 남아프리카공화국에서 개최)이 3D로 방송되는 등 3D 프로그램이 증가하고 있다.
  동영상의 고세밀화나 3D화가 진행되면 녹화 미디어의 기록 용량이 문제가 된다. 고화질 방송을 장시간 기록하고 보존하려는 요구에 대응하기 위해서는 광디스크의 대용량화가 필요하다.
3가 Ti에 주목 도쿄대학(東京大學) 대학원 이학계연구과 화학전공의 오오코시 신이치(大越愼一) 교수는 TiO2로부터 광디스크의 기록층에 사용할 수 있는 신재료를 발견했다. TiO2는 안료나 촉매로 사용되는 매우 흔한 물질로 싼값으로 구입할 수 있다. 오오코시교수에 의하면 TiO2는 GeSbTe 가격의 1/100 밖에 되지 않는다고 한다.

  Ti 산화물 중에서도 Ti가 3가인것은 온도에 따라 물질의 상(결정의 구조)이 변한다는 것이 지금까지의 연구에서 밝혀졌다. 물질의 상이 변하면, 예를 들어 금속과 같은 도체에서부터 절연체로 물질의 성질이 바뀐다.
  오오코시 교수는 3가의 Ti 산화물중에서도 Ti3O5에 주목했다. Ti3O5는 실온에서는 반도체적 성질을 보이는 ‘β상’이라는 상태로 안정되어 있지만, 187℃까지 열을 가하면‘α상’으로 변하여 도전체와 같이 금지대(禁止帶, forbidden band: 전자가 존재 할 수 없는 대역)가 없어진다.

  오오코시 교수는 열을 가함으로써상이 변한다면, 물질을 나노 입자화할 경우 상전이에 필요한 에너지 등도 바뀔 것이라고 생각하여 TiO2를 재료로 직경 10 nm 정도의 Ti3O5의 입자를 만들었다. TiO2는 Ti가 4가이므로 H2(수소)와 반응시켜 Ti3O5나노 입자를 만들었다. 그 결과, 입자는 백색에서 흑색으로 변하였고 실온에서도 도전체와 같이 전기가
통하는 것을 알았다. 또, 이 물질은 파장 532 nm의 녹색 레이저를 조사하는 것만으로 순식간에 다갈색의‘β상’으로 변화되는 것을 알았다. 나아가, β층으로 변한 나노 입자에 파장 410 nm의 청색 레이저를 조사하자 바로 원래의 상태로 돌아갔다.

  오오코시 교수는 흑색의 Ti3O5 를‘λ-Ti3O5’라 부르기로 했다. 빛으로 상이 변화되는 금속산화물을 발견한 것은 세계 최초이다. 기록 밀도는 Blu-ray의 300배 λ-Ti3O5는 빛을 조사하는 것만으로 β상으로 변화되고, 다시 빛을 조사하면 λ상으로 돌아간다. 광디스크 기록층의 재료로 충분히 응용 가능한 성질을 가지고 있다. 또한, 입자의 직경이 약 10 nm로 매우 작다.

  오오코시 교수에 의하면 입자 1개로 1비트를 표현한다고 가정했을 경우, 현시점에서는 Blu-ray Disk의 약 300배의 기록 밀도를 달성할 수 있을 것이라고 말한다. 게다가, λ-Ti3O5의 재료는 대단히 저렴한 TiO2로, H2를 조금 첨가한 수소환원로에서 TiO2를 소성(燒成)하여 λ-Ti3O5를 만들 수 있다. 기록밀도 면에서나 재료비용 면에서나 기존의 Blu-ray Disk를 뛰어넘을 가능성을 간직하고 있다.

  성능 면에서도 Blu-ray Disk를 앞서고 있다. 상을 변화시키기 위해서는 레이저광을 10ps(피코 초) 정도 조사하면 된다고 한다. 기존의 광디스크는 레이저광으로 기록층을 가열하고 급냉시켜 아모퍼스 상을 만들던가, 천천히 냉각시켜 결정층을 만들어 데이터를 표현하기 때문에 기록에는 아무래도 시간이 걸리게 된다.

  상이 변하면 표면 반사율도 변하기 때문에 레이저광으로 기록을 읽어내는 일도 가능하다고 한다. 오오코시 교수는 λ-Ti3O5를 발견하고 처음에는 광디스크에 응용을 생각했지만, 그외에도 직시각형 판에 도포하여 메모리 카드처럼 사용할 수도 있을 것이라 기대하고 있다.