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'거대 현미경' 방사광가속기로 제로에너지 해답을 찾다
이름 : 언론홍보 | 작성일 : 2021.11.17 10:08 | 조회수 : 13518
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'거대 현미경' 방사광가속기로 제로에너지 해답을 찾다 

차세대 상변화 산화물 소재의 초고분해능 실시간 결정구조 변화 관찰

KBSI-동국대-PAL 공동연구, 상전이 물성제어 및 현상규명



 ‘거대 현미경’인 방사광가속기를 활용하여 절연체상에서 금속상으로 급속한 전기저항 변화를 가진 상변화* 물질의 내부응력에 따른 미세구조 변화를 실시간 관찰함에 따라 ‘제로에너지 빌딩’ 실현을 위한 스마트윈도우 소재 원천기술 확보가 가능할 것으로 보인다.   

 *상변화(phase transition) : 온도, 압력, 응력 등 외부 환경조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상으로, 상전이와 같은 말이다. 대표적인 예로 액체인 물이 온도나 압력에 의해 고체인 얼음, 기체인 수증기 등으로 상태가 바뀌는 것을 들 수 있다.


 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비개발부 홍웅기 박사 연구팀이 동국대학교(총장 윤성이, 이하 동국대) 손정인 교수 연구팀, 포항가속기연구소(이하 PAL) 이수용 박사 연구팀과 공동으로 이산화바나듐 나노결정 내부 미세구조 변화를 초고분해능으로 실시간 관찰하는데 성공하여, 물질의 내부 응력상태가 금속-절연체간 급격한 상변화 특성에 미치는 영향을 밝혀냈다고 17일(수) 밝혔다.


 이번 연구결과는 불순물 도핑에 의하지 않고 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 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다. 


 이산화바나듐은 외적조건에 따라 절연체상에서 금속상으로 전기적 특성이 바뀜과 동시에 광학적으로 적외선을 투과시켰다가 차단하는 상태로 변하는 물질이다. 이에, 초고속 스위칭소자, 고성능센서, 메모리소자는 물론, 온도에 따라 스스로 적외선 투과율을 조정하여 건물의 냉난방 에너지를 절감하는 열변색 스마트윈도우 등 차세대 핵심소재로 각광받고 있다.


 실리콘, 알루미나, 유리 등 기판위 박막필름이나 나노결정 형태로 만들어 지는 이산화바나듐은 외부 조건 변화에 따라 특성이 변하고, 물성 제어에도 어려움이 있어 산업적 활용에 한계가 있었다. 물질 내부의 응력에 따른 결정구조 변화와 상전이 물성의 상관관계를 밝히고 그 응력을 조절할 수 있어야 하는 것이 관건이다.   


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


그림1. (왼쪽)방사광 가속기 X선을 이용한 상변화 나노결정의 미세 결정구조변화 관찰 모식도

(오른쪽)이산화바나듐의 결정상에 따른 결정격자구조 모델


 나노결정 내 미세 결정구조 변화는 마이크로미터(1㎛는 100만분의 1미터) 크기의 빔사이즈를 가진 3세대 원형 방사광가속기 X선 장치(포항가속기 PLS-II 9C빔라인)로 관찰할 수 있었다. 이번에 활용한 가속기 X선은 일반 실험실 수준의 X선 보다 100만배 더 밝으며, 미세한 구조변화를 약 100배 이상 더 자세히 관찰할 수 있다.


그림2. 응력상태가 다른 이산화바나듐(VO2쉘없는 형태, CS-VO2코어-쉘 형태나노결정에서 결정격자구조와 전기저항이 다른 절연체상(M1, M2)과 금속상(R)간 응력에 따른 상변화과정을 보여주는 상태도_온도에 따른 결정구조 및 저항변화 결과코어-쉘 형태의 이산화바나듐(CS-VO2나노결정의 투과전자현미경 단면 및 원소분포 이미지(바나듐(V), 산소(O), 알루미늄(Al))


 이번 공동연구를 통해 일반적으로 이산화바나듐이 섭씨 80~120도에서 부분적인 상전이와 불안정한 결정상을 보여줬던 기존 실험들과 달리, 코어-쉘(core-shell) 구조로 압축응력을 균일하게 만든 이산화바나듐은 상온에 가까운 섭씨 66도 근처에서 혼합된 결정상없이 급속한 상전이를 일으킨다는 것을 확인할 수 있었다. 


 이번 공동연구에서 KBSI 홍웅기 박사 연구팀과 동국대 손정인 교수 연구팀은 나노결정 합성 및 실시간 물성변화 관찰은 물론, 응력상태-구조변화 시뮬레이션 연구를 수행하였으며, PAL 이수용 박사 연구팀은 방사광 X선 회절장치를 이용한 나노결정 내부의 미세 결정구조 변화에 대한 분석을 담당했다.


사진. (왼쪽부터동국대 신기훈 박사과정생(공동 제1저자), KBSI 배지용 박사(공동 제1저자), PAL 이수용 박사(공동 제1저자), 

KBSI 홍웅기 박사(공동교신저자), 동국대 손정인 교수(공동교신저자)


 본 연구결과는 KBSI 분석과학 연구장비개발사업과 가속기 구축운영 역량강화사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 진행됐으며, 재료과학분야 국제학술지인 Applied Materials Today誌 온라인판[논문명: Core-shell Heterostructure-Enabled Stress Engineering in Vanadium Dioxide Nanobeams, IF:10.041, 동국대 신기훈(공동제1저자), KBSI 배지용(공동제1저자), PAL 이수용(공동제1저자), KBSI 홍웅기(공동교신저자), 동국대 손정인(공동교신저자)]에 11월 6일(토) 게재되었다.


 KBSI 홍웅기 박사는 “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.


 KBSI 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. <끝>  

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