‘금속-절연체간 상전이 특성’을 산소함량 차이로 규명

상전이 특성제어 통해 차세대 전자소자 응용 개발의 길 열어

- 기초(연) 홍웅기 박사, ‘나노레터스(Nano Letters) 誌’에 논문 게재 -

□ 단결정 이산화바나듐(VO2)의 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’을 산화물내의 산소함량 차이로 나타나는 현상 규명 및 특성제어에 성공함에 따라 이를 활용한 광소자, 차세대 메모리, 차세대 스위칭 소자 개발 등에 한걸음 더 다가서게 됐다.

※ 상전이(相轉移) 현상이란? : 고체, 액체, 기체 등의 상태가 서로 바뀌는 것을 말하며, 전기가 통하는 금속 상태에서 온도변화 등에 따라 전기가 통하지 않는 절연체로 변화되는 상전이(相轉移) 현상을 ‘금속-절연체 상전이(MIT : Metal-Insulator phase Transition)’라고 부른다.(추가 용어설명 참조)

□ 한국기초과학지원연구원(원장 정광화, 이하 기초연) 전주센터 홍웅기 박사 연구팀은, 공동교신저자인 광주과학기술원 김봉중 교수, 서울대 이탁희 교수와의 공동연구를 통해 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’을 갖는 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노산화물 내에서의 산소함량 정도에 따른 이산화바나듐(VO2)의 구조적, 화학적, 전기적 특성 변화에 미치는 영향을 규명함으로써 상전이 특성제어에 성공했다고 13일 밝혔다.

□ 이번 연구는 기초(연)과 광주과학기술원 차세대에너지연구소, 교육과학기술부 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노 분야 최고 권위지인 ‘나노레터스(Nano Letters) 誌’의 3월 4일자 온라인판(논문명 : Hydrogen-Induced Morphotropic Phase Transformation of Single-Crystalline Vanadium Dioixde Nanobeams, IF=13.198)에 게재되었다.

□ 기초(연) 홍웅기 박사와 김봉중교수, 이탁희교수 공동연구팀은 고온의 수소환경에서 산소가 환원되는 특성을 고려하여 단결정의 열처리시간을 조절함으로써 단결정 이산화바나듐(VO2) 나노산화물의 산소함량 정도를 제어하였다.

□ 또한 연구팀은 이산화바나듐(VO2) 나노산화물의 산소함량 정도가 결정구조, 전기저항, 일함수(work function) 변화에 어떠한 영향을 미치는지 관찰함으로써 산소함량 정도와 결정 구조적, 전기적 상전이 현상의 상관관계를 규명하였다.

※ 일함수(work function)란? : 고체의 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 최소의 일(work) 또는 에너지를 말함.

□ 이번 연구에서 공동연구팀은 산소함량 정도를 제어하기 위해 이산화바나듐(VO2) 나노단결정에 대해 각각 수소 열처리 전 상태, 1분에서 30분동안의 수소 열처리를 실시했으며, 이에 따른 산소함량 정도가 일함수와 전기저항에 어떤 변화를 주었는지를 비교 분석했다.

□ 이를 통해 이산화바나듐(VO2) 나노단결정은 수소 열처리에 따른 산소함량이 감소될수록 일함수와 전기저항이 점진적으로 감소했다는 것을 수소 열처리를 하지 않은(= 산소함량감소가 없는) 상태와의 비교를 통해 규명이 이뤄졌다.

□ 특히 이번 연구결과는 수소나 금속이온 같은 불순물을 도핑하여 ‘금속-절연체 상전이(相轉移) 특성’의 원인을 밝히고 그 특성을 제어하는 기존 방법과 달리, 열처리에 의한 환원작용을 통해 산소함량 정도를 변화시켜 상전이 특성을 제어할 수 있음을 보여준 연구결과이다.

※도핑(doping)이란? : 고체결정 내에 필요한 불순물을 필요한 양만큼 첨가하는 것.

□ 기초(연) 전주센터 홍웅기 박사는 “이번 연구는 상전이 산화물내의 산소함량 정도를 제어하여 구조적, 화학적, 전기적 특성변화 및 상관관계를 규명하고 상전이 특성을 제어한 것으로 복잡한 상전이 현상에 대한 이해의 폭을 넓힌 것”이며, “향후 ‘금속-절연체간 상전이 현상’을 이용하는 차세대 메모리, 차세대 디스플레이, 센서, 스위칭 소자 등의 새로운 기능소자 개발 및 응용에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.