KR101290590B1 - 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 이산화바나듐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 가지며, 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)가 매우 짧은 온도 구간에서 급격히 일어나는 특성을 가짐으로써, 각종 응용소자 제작에 유용하게 쓰일 수 있는 새로운 이산화바나듐에 관한 것이다.

Description

단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 이산화바나듐{Vanadium dioxides having single metal-insulator transition phase boundary}
본 발명은 단일 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT) 상 경계를 가짐으로써, 금속 도메인과 절연체 도메인의 비율을 조절할 수 있어 각종 응용 소자 제작에 유용하게 쓰일 수 있는 새로운 이산화바나듐에 관한 것이다.
이산화바나듐(VO2)은 금속-절연체 전이를 보이는 다양한 물질들 중에서 전이 온도가 상온 근처인 유일한 물질이다. 센서, 반도체 소자, 전기 소자 등 대부분의 응용 소자는 상온 근방에서 동작하므로, 전이 온도가 상온 근처인 이산화바나듐은 특히 중요하다.
이산화바나듐에서 금속-절연체 전이 현상은 1959년 Morin에 의하여 처음으로 발견되었는데, 최초 관측된 이산화바나듐에서의 금속-절연체 전이온도(Tc)는 도 1에서 보여지는 바와 같이 67℃였다. 이산화바나듐은 상기 전이온도(Tc)보다 낮은 온도에서는 저항이 큰 상태, 즉 절연체로 존재하다가 전이온도(Tc)보다 높은 온도에서는 저항이 작은 상태, 즉 금속으로 변화한다.
지금까지의 보고에 의하면, 이산화바나듐은 67~68℃의 전이온도를 갖고, 상기 전이온도에서 금속-절연체 전이가 일어나는 것으로 알려져 있는데, 종래의 이산화바나듐은 금속-절연체 전이가 일어날 때 금속과 절연체 간의 상 경계가 뚜렷이 존재하지 않는다. 따라서, 전이 정도를 조절 하는 것이 어려워, 이를 이용하여 소자를 제작할 시 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 위와 같은 문제점을 개선 또는 해결할 수 있는 새로운 이산화바나듐 및 그의 제조 방법에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.
한편 바나듐 산화물과 관련한 종래의 기술을 살펴보면, 공개특허공보 특2002-0077022에 바나듐 이온으로부터 구형의 나노사이즈 입자로 되는 분말상의 오산화 이바나듐(V2O5)을 제조하는 방법이 제안되어 있고, 공개특허공보 특2003-0019772에 아몰퍼스 상태의 산화바나듐(VO) 박막과 금속 바나듐 박막을 다층으로 형성한 후 열처리를 통해 이산화바나듐(VO2) 박막을 제조하는 방법이 제안되어 있다. 또한 이산화바나듐의 응용과 관련한 기술로는 공개특허공보 특2005-0059010에 이산화바나듐 막을 구비한 정온 온도스위치에 관한 기술이 개시되어 있고, 공개특허공보 특2005-0038834에는 이산화바나듐 박막을 채널층 재료로 이용한 금속-절연체 상전이 고속 스위칭 소자 제작에 관한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 소자에 적용할 수 있는 충분한 물성을 갖는 이산화바나듐은 개발되어 있지 않다.
본 발명은 목적은 기존의 이산화바나듐과 달리 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 이산화바나듐을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 이산화바나듐을 제공한다.
상기 이산화바나듐은 금속 상태일 때 온도가 올라감에 따라 전기저항이 증가할 수 있다.
상기 이산화바나듐은 전기장에 의해 금속-절연체 전이를 일으킬 수 있다.
상기 이산화바나듐은 단결정, 다결정, 박막 형태 및 나노 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 형태로 제조될 수 있다.
상기 이산화바나듐은 진공-자기-플럭스 증발법(Vacuum-self-flux evaporation)을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화바나듐은 전이온도에서 금속 도메인과 절연체 도메인이 단일 상 경계를 가지며, 상기 상 경계가 옆으로 이동하며 금속-절연체 전이가 이루어지므로 전이 정도를 조절함으로써 금속 도메인과 절연체 도메인의 상대적인 비율을 조절할 수 있으며, 전이가 매우 짧은 온도 구간에서 급격히 일어나는 특성을 가짐으로써, 각종 응용소자 제작에 유용하게 쓰일 수 있다.
도 1은 기존의 이산화바나듐의 금속-절연체 전이 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 이산화바나듐 단결정의 금속-절연체 전이 과정을 관찰한 결과이다.
이하, 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 새로운 물성의 이산화바나듐에 관한 것이다.
이 때, 본 발명에서 금속-절연체 전이(또는 ‘금속-비금속 전이’라고 함. 본 명세서에서는 ‘금속-절연체 전이’로 통일시킴)란 온도, 전기장 등의 영향으로 물질이 부도체에서 도체로 또는 도체에서 부도체로 특성이 바뀌는 현상을 말하며, 금속-절연체 전이온도는 상기한 금속-절연체 전이가 일어나는 온도의 중간 정도로 잡을 수 있다.
본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 금속-절연체 전이가 일어날 때, 금속 도메인 부와 절연체 도메인 부 간에 뚜렷한 단일 상 경계를 가진다. 따라서, 전이가 진행됨에 따라 상기 금속-절연체 전이 상 경계의 위치가 이동하게 되며, 상기 금속-절연체 전이 상 경계의 위치를 조절함으로써 금속 도메인과 절연체 도메인의 비율을 조절할 수 있어 각종 응용 소자 제작에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 이산화바나듐은 금속-절연체 전이가 62℃~67℃ 에서 매우 급격히 일어나는 특성을 갖는데, 바람직하게는 1℃ 이하, 보다 바람직하게는 0.5℃ 이하, 더욱 바람직하게는 0.1℃ 이하의 매우 짧은 온도 구간에서 상기 금속-절연체 전이가 일어난다. 이렇게 금속-절연체 전이가 급격히 일어나는 특성으로 인하여 본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 소자 제작시 기존의 바나듐 산화물보다 더 빠른 응답속도를 나타내며, 따라서 센서, 반도체 소자, 전기소자 등의 응용소자 제작에 유리하게 사용될 수 있다. 또한 상기 이산화바나듐은 금속 상태일 때 온도가 올라감에 따라 전기저항이 증가하는 우수한 특성을 갖는다.
한편, 상기 이산화바나듐에 불순물을 첨가하거나, 스트레스를 가하거나 또는 이산화바나듐의 크기를 조절하여 금속-절연체 전이 온도를 약 0℃~200℃ 의 범위 내에서 조절할 수 있다. 상기 불순물은 크롬(Cr), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 나이오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 안티몬(Sb) 또는 구리(Cu) 원소를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 온도뿐만 아니라 전기장을 가하여서도 금속-절연체 전이를 일으키는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 이산화바나듐으로 박막을 만들어 전기장을 가하면서 점차 전압을 증가시키면, 처음에는 전류가 조금 흐르다가 갑자기 많이 흐르게 되는 금속-절연체 전이가 생기는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 단결정의 형태를 가질 수 있으나, 경우에 따라서는 다결정, 박막, 나노구조물 등의 형태를 가질 수도 있다. 이 때, 이산화바나듐의 크기, 격자 방향 등을 조절하면 계단 형태의 다양한 전이곡선 및 전이폭을 가지는 소자를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 상술한 물성 및 특성으로 인하여 각종 응용소자에 센서물질, 채널층 등으로 이용될 수 있는데, 그러한 응용소자의 예로는 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 초고속 메모리 소자, 모트 전계효과 트랜지스터(Mott field-effect transistors), 멤리스터(Memrister), 온도에 의한 투과도 변형소자(Thermochromic devices), 초고속 광스위치(Ultrafast optical switching devices), 가변형 광결정(Tunable photonic crystals), 군사용 초고속 소자, 의료용 소자, 배터리 및 화재 방지용 안전장치(Safety device for batteries and fire detections) 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 상기 이산화바나듐은 특별히 한정되지는 않지만, 바나듐옥사이드 분말을 진공 상태에서 가열하는 진공-자기-플럭스 증발법(Vacuum-self-flux evaporation)을 사용하여 제조할 수 있으며, 상기 이산화바나듐은 단결정 뿐만 아니라 다결정, 박막, 나노구조물 등의 형태를 갖는 이산화바나듐으로 제조할 수도 있다.
이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 설명하나, 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 진공-자기- 플럭스 증발법에 의한 이산화바나듐 단결정의 제조
플럭스 물질로서 V2O5를 진공에 가까운 10-3torr의 압력 하에서 석영관 튜브로에 넣고 800℃로 가열하였다. 산소가 없는 관계로 V2O5가 이산화바나듐으로 되면서 V2O5에 녹아들었다. 또한 V2O5가 증발되어 양이 줄어듦에 따라 이산화바나듐이 바닥에 침전되면서 작은 바늘형태의 단결정이 성장하였다. 일정 시간 경과 후 V2O5가 모두 증발하여 보트 안에는 V2O5는 없고 이산화바나듐 단결정만 남게 되었다.
이렇게 수득한 이산화바나듐 단결정에 대해 금속-절연체 전이 과정을 관찰하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2의 좌측 사진을 참조하면, 본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화바나듐 단결정은 66.80℃의 온도에서 절연체에서 금속으로의 전이가 이뤄지고 있으며, 금속 도메인을 나타내는 어두운 색 부분과 절연체 도메인을 나타내는 밝은 색 부분 사이에 단일 상 경계가 뚜렷이 존재하고, 상기 단일 상 경계가 옆으로 이동하면서 순차적으로 절연체로부터 금속으로의 전이가 이뤄지고 있음을 확인할 수 있다.
도 2의 우측 사진을 참조하면, 본 발명의 방법에 의해 제조된 이산화바나듐 단결정은 61.27℃의 온도에서 금속에서 절연체로의 전이가 이뤄지고 있으며, 상기 좌측 사진과 마찬가지로 금속 도메인을 나타내는 어두운 색 부분과 절연체 도메인을 나타내는 밝은 색 부분 사이에 단일 상 경계가 뚜렷이 존재하고, 상기 단일 상 경계가 옆으로 이동하면서 순차적으로 금속으로부터 절연체로의 전이가 이뤄지고 있음을 확인할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화바나듐은 전이 과정에서 금속 도메인과 절연체 도메인 간에 단일 상 경계가 뚜렷이 존재하고, 상기 상 경계가 옆으로 이동하면서 전이가 이루어지므로, 상기 전이 과정을 특정 시점에 중단시켜 상기 금속 도메인과 상기 절연체 도메인의 상대적인 비율을 조절할 수 있다.

Claims (7)

  1. 단일 금속-절연체 전이 상 경계를 갖는 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화바나듐은 전기장에 의해 금속-절연체 전이를 일으키는 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화바나듐은 단결정, 다결정, 박막 형태 및 나노 형태로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화바나듐은 진공-자기-플럭스 증발법(Vacuum-self-flux evaporation)을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화바나듐은 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 불순물은 크롬(Cr), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 나이오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 안티몬(Sb) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화바나듐.

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