KR101376719B1 - 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법은, 금속-절연체 상전이 물질을 준비하는 준비단계, 그리고 상기 금속-절연체 상전이 물질에 이온빔 조사 처리를 하여 변경된 상전이 온도가 유지되도록 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제조하는 제어단계를 포함한다. 상기 제어 방법에 의하면, 상기 이온빔 처리를 이용하여 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제공할 수 있으며, 비교적 간단한 방법으로 제조가 가능하고, 변경된 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도가 영구적으로 유지될 수 있어서, 대면적 사업화에도 적용할 수 있는 금속-절연체 상전이 물질을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질에 대한 것으로, 이온빔 처리를 이용하여 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도를 변경시키고, 변경된 상전이 온도가 유지되도록 하는 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질에 대한 것이다. 본 발명의 제어 방법에 따르면, 이온빔 처리라는 비교적 간단하고 대면적 처리가 가능한 방법을 이용하여, 금속 절연체 상전이 물질의 상전이 온도를 기존의 상전이 온도 미만 또는 초과로 변경시키고, 변경된 상전이 온도를 유지시킬 수 있다.
현재, 상온 근처인 68 ℃에서 금속-절연체 상전이(metal-insulator phase transition) 현상을 보이는 금속 산화물의 예로 VO2가 있고, VO2는 펨토 초 단위의 빠른 상전이 현상과 자외선 영역을 차단하는 장점을 가지는 재료이다. 이러한 VO2의 합성법으로는, 스퍼터링 방법을 이용한 박막 증착법과 전자빔 증발법을 이용한 박막 합성법 등이 있다. 또한, 산화바나늄(Vanadium oxide)계 상태도를 고려하면, VO2 안정한 상태는 매우 좁은 영역에 형성되어 있어서 VO2 합성이 매우 어려운 공정 작업이라는 점을 알 수 있다.
1960년을 시작으로 VO2의 상전이 현상 규명 연구가 시작된 이후 현재까지, 상전이 현상에 대해서 규명이 이론적, 실험적으로 정확하게 이루어지지 않고 있다. 그러한 원인으로, 앞에서 설명한 것과 같이 안정적인 VO2상을 형성이 어렵고, 합성된 박막은 다결정성의 특성을 가지고 있어서, 상전이 현상을 규명하기가 쉽지 않았기 때문이다.
단결정 나노선을 이용한 연구는 현재 많은 연구 분야에서 시행이 되고 있으며, 나노구조의 단결정 물질이 이용하여 물질의 물성과 현상의 규명 및 응용성 제시를 시도하고 있다.
VO2 상전이 현상에 대한 연구는, 1958년 처음 F. J. Morin에 의하여 발표되었다 [1]. 이후 많은 연구가 진행되어 왔지만, 다결정 박막을 통한 연구적인 한계로 인하여 VO2 상전이 현상의 실험적 이론적 설명이 어려웠다. 2005년 하버드 (Harvard) 대학의 홍근 박 (Hongkun Park) 그룹에서 단결정 VO2 나노선을 합성하여 JACS에 보고 하였고 [2], 이후, 단결정 VO2에 관한 많은 기초적인 연구가 이루어졌다. 2009년에 nature nanotechnology[3]에 보고된 상전이 현상의 제어법은, 단결정을 통한 VO2 상전이 현상을 조절할 수 있다는 실험적 제안이었다. 상기 문헌에서, 마이크로 길이의 VO2 나노선을 기계적 힘을 가하여 인장을 가하여 상전이 온도를 상전이 온도인 68℃ 이상 증가시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었다.
최근에는 전류를 인가하여 VO2 나노선을 인장하여[4] 상전이 현상을 분석하는 방법, 그리고 MEM (micro-electro-mechanical) device 방법을 통하여[5] 상전이 현상을 분석하고, 상전이 온도를 제어하는 연구 결과를 보여 주고 있다.
하지만, 종래 기술을 이용한 상전이 현상 제어법은 기계적인 힘, 인가된 전류, micro-electro-mechanical device에 가한 전압 등 주어진 조건을 제거하면 제어된 상전이 현상들이 제어되기 전인 초기의 VO2 나노선이 가진 특성으로 돌아가는 문제점이 있다.
[1] N. F. Mott, Rev. of Mod. Phys. 40 (1968), 667-683.
[2] Beth S. Guiton, Qian Gu, Amy L. Prieto, Mark S. Gudikson, and Hongkun park, JACS 127 (2005) 498-499.
[3] J. Cao, E. Ertekin, V. Srinivasan, W. Fan, S. Huang, H. Zheng, J. W. L. Yim, D. R. Khanal, D. F. Ogletree, J. C. Grossman, and J. Wu, Nature nanotechnology 4 (2009) 732-737.
[4] Alexander Tselev, John D. Budai, Evgheni Strelcov, Jonathan Z. Tischer, Andrei Kolmakov, and Sergi V. Kalinin, Nano Lett. 11 (2011) 3605-3073.
[5] Hua Guo, Kai Chen, Y. Oh, Kevin Wang, Catherine Dejoie, S. A. Syed Asif, O. L. Warren, Z. W. Shan, J. Wu, and A. M. Minor, Nano Lett. 11 (2011) 3207-3213.
본 발명의 목적은, 변경된 상전이 온도 특성이 영구적으로 유지되는 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제공하는 것이다. 또한, 변경된 상전이 온도 특성이 유지되며, 영구적인 상전이 온도 제어가 가능한 방법 및 제어된 상전이 물질을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 제어 방법은, 이온빔을 이용한 처리로 대면적 사업화에 응용할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법은 금속-절연체 상전이 물질을 준비하는 준비단계, 그리고 안정적으로 재연이 가능한 이온빔 조사 방법을 이용하여, 상기 금속-절연체 상전이 물질에 이온빔 조사 처리를 하여 변경된 상전이 온도가 유지되도록 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제조하는 제어단계를 포함한다.
상기 이온빔 조사 처리는 20 x 10-6 내지 1 A의 전류 조건에서 이루어지는 것일 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리는 1,000,000 V 이하의 전압 조건에서 이루어지는 것일 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리에 사용되는 이온빔 가스는 아르곤, 네온, 클립톤, 제논, 수소, 실리콘, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리는 60초 내지 3600초 동안 이루어지는 것일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질 및 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 적층 성장된 것 또는 단결정인 것일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 341.15 K 미만의 온도에서 M2 상(phase)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 화합물은 337 K 이하의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속상인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 이온빔 처리에 의한 압축응력에 의하여 상전이 온도가 변경된 상태로 유지된다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나의 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 화합물은 적층성장된 것 또는 단결정인 것일 수 있다.
상기 화합물은, 나노선, 나노로드, 나노입자, 박막 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태인 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 341.15 K 미만의 온도에서 M2 상(phase)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 337 K 이하의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물로 이루어진 나노선을 포함하고, 상기 나노선은 장축방향이 [020]인 것일 수 있다.
상기 나노선은 직경이 300 내지 500 nm 이고, 길이가 5 내지 100 ㎛인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 적외선 차단 윈도우는 상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상변화 메모리 장치는 상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시넵스 구조 메모리 소자는 상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 “변경된 상전이 온도”가 “유지”된다는 표현은, “제어된 금속-절연체 상전이 물질”이, 본 발명의 처리 방법인 이온빔의 조사가 계속 이루어지지 않은 상태에서도 변경된 상전이 온도로 제어된 특성을 계속 가진다는 것을 의미하며, 기존에 상전이 물질의 상전이 온도를 조절하기 위하여는 기계적인 힘을 가하는 등의 조건이 존재하는 상태에서만 변경된 상전이 온도를 가지고, 기계적인 힘을 제거하는 등 조건이 사라지면 변경된 상전이 온도가 유지되지 못하고 최초의 상전이 온도로 돌아가는 특성과 대비되기 위하여 사용되는 용어이다.
본 발명에서 “금속-절연체 상전이 물질”이라 함은, 특정한 온도에서 “금속에서 절연체” 또는 “절연체에서 금속”으로 변화하는 상전이 특성을 가지는 물질을 의미하며, 금속-절연체 상전이 물질이라는 용어와 상전이 물질이라는 용어를 혼용하여 사용한다. 이하에서, 상전이 물질로 산화바나듐(VO2)을 기초로 설명하나 이에 한정되지 아니하고 상전이 물질로서 특성을 가지는 물질에 본 발명은 응용될 수 있으며, 본 발명의 처리 방법 등은 산화바나듐에 대한 처리 등에 한정되지 않는다.
본 발명에서 “상온(room temperature)”은, 15 ℃ 내지 25 ℃의 범위에 포함되는 온도를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체 상전이 물질의 제조 방법은, 준비단계 및 제어단계를 포함한다. 상기 준비단계는 금속-절연체 상전이 물질을 준비하는 과정을 포함하고, 상기 제어단계는 상기 금속-절연체 상전이 물질에 이온빔 조사 처리를 하여 변경된 상전이 온도가 유지되도록 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제조하는 과정을 포함한다.
상기 이온빔 조사 처리는, 이온빔 장비를 이용하여 이루어지며, 이온빔 장비로부터 금속-절연체 상전이 물질로 입사된 이온이 이온-고체 상호작용(ion-solid interaction)을 하여 금속-상전이 물질의 특성을 변화시키는 처리이다. 일반적으로, 이온빔 조사 처리는, 스퍼터링(sputtering)과 같은 증착, 이온주입(ion implantation), 조사에 의한 손상(damage), 전자 방출(electron emission), 열 에너지(thermal energy)의 제공과 같은 작용을 하면서 시료 표면을 변화시킨다.
본 발명에서는, 상기 이온빔 조사 처리를 이용하여 상기 금속-절연체 상전이 물질에 압축응력을 발생시키고, 이러한 압축응력에 의하여 상기 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도를 변화시킬 수 있다. 또한, 상기 압축응력이 상기 이온빔 처리가 끝난 후에도 상기 금속-절연체 상전이 물질 내에 남아있어서 별도의 추가적인 처리 없이도 변경된 상전이 온도가 영구적으로 유지될 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리는, 1,000,000 V 이하의 전압 조건에서 이루어진 것일 수 있다. 상기 이온빔 조사처리 시의 전압은 1,000 V 이하, 바람직하게 500 내지 1,000 V일 수 있으며, 이러한 경우 두께 500 nm 이하의 상전이 물질 처리에 적절하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 이온빔 조사처리 시의 전압은 1,000 V 초과 1,000,000 V 이하의 범위에서 이루어질 수 있으며, 이러한 경우에는 두께 500 nm 초과의 상전이 물질 처리에 적절하게 적용될 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리는, 바람직하게 20 x 10-6 내지 1 A의 전류 조건에서 이루어질 수 있고, 이러한 경우 상기 제어단계에서 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리에 사용되는 이온빔 가스는 아르곤, 네온, 클립톤, 제논, 수소, 실리콘, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 이들로 이루어진 것일 수 있다. 상기 실리콘을 포함하는 이온빔 가스는 실란처럼 가스 형태로 존재할 수 있는 실리콘 소스일 수 있다. 상기 이온빔 가스는 더욱 바람직하게 상기 이온빔 가스는 아르곤 가스일 수 있다.
상기 이온빔 조사는 60 내지 3600 초간 이루어질 수 있고, 상기 시간의 범위에서 이온빔 조사 처리가 이루어지는 경우에는 압축응력에 의한 상전이 온도 제어 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게 VO2을 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어는, 최초의 상전이 물질이 가지는 상전이 온도보다 낮거나 높게 변경된 상전이 온도를 가질 수 있고, VO2를 포함하는 물질의 경우에는 기존의 상전이 온도보다 낮은 상전이 온도를 가지도록 제어될 수 있으며, 특히 단결정 VO2로 이루어진 상전이 물질의 경우에는, 변경된 상전이 온도가 약 328 K로 유지될 수 있다.
상기 준비단계의 금속-절연체 상전이 물질로 적층성장된 물질 또는 단결정인 물질을 적용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속-절연체 상전이 물질로 단결정인 물질을 이용하는 경우에는, 불순물이나 도펀트에 의한 영향이 아닌 순수하게 이온빔 처리에 의하여 제어된 상전이 물질의 특성을 관찰할 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 단결정인 것일 수 있다. 특히, 상기 금속-절연체 상전이 물질로 단결정 물질을 처리한 경우에는, 이온빔 처리 후인 제어된 금속-절연체 상전이 물질도 단결정 상태가 유지되는 것일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은, 341.15 K 미만의 온도에서 M2 상(phase)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질인 VO2은 M1 상과 M2 상의 두 가지 절연상과 금속상인 R 상이 존재하고, 상온에서 외부의 스트레스가 없을 때에는 M1 상으로 존재한다. 상기 이온빔 조사 처리를 한 후에는, 상기 금속-절연체 상전이 물질에 발생하는 압축응력을 풀어주기 위해서 압축응력에 상응하는 인장력이 상기 금속-절연체 상전이 물질에 발생되고, 이러한 인장력에 의하여 VO2는 상온에서의 M1 상이 M2 상으로 변화될 수 있으며, 상전이 온도가 변경될 수 있다. 또한, 이렇게 변경된 상전이 온도는 이온빔 처리가 끝난 후에도 유지되며 영구적으로 변경된 상전이 온도를 가지는 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제조할 수 있다.
상기 이온빔 조사 처리는, 바람직하게 20 x 10-6 내지 1 A의 전류 조건에서 이루어질 수 있고, 이러한 경우 M1 상이 M2 상으로 변화하는 속도를 빠르게 할 수 있다.
상기 VO2로 표시되는 화합물은 337 K 이하의 온도에서, 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 VO2로 표시되는 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서, 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 VO2로 표시되는 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속상인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 온도의 범위에서 상기 화합물의 상전이가 일어나며, 변경된 상전이 온도를 가지도록 제어된 상태에서 상전이 현상이 일어나기 때문에, 금속상과 절연상이 함께 나타내는 특성을 가질 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법은, 영구적으로 제어된 상전이 온도를 가지는 금속-절연체 상전이 물질을 제조할 수 있으며, 이온빔 조사를 이용한 처리 방법이어서 대면적 재료에 적용이 용이하고, 일단 처리된 상전이 물질은 변경된 상전이 온도가 영구적으로 유지되므로, 집접 소자의 대량생산에 응용될 수 있다. 또한, 이온빔 조사 처리 후에도 고품질의 단결정 성질을 유지하면서 제어된 특성이 유지되므로 산업적으로 활용 가치가 크다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질은, 이온빔 처리에 의한 압축응력에 의하여 상전이 온도가 변경된 상태로 유지되는 것이다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 화합물을 포함하는 것일 수 있고, VO2를 포함하는 것일 수 있으며, VO2로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 적층성장된 것 또는 단결정인 것일 수 있다. 이렇게, 변경된 상전이 온도가 유지되도록 제어된 특성을 가지면서도 단결정 특성을 가지는 경우에는, 고품질의 금속-절연체 상전이 물질을 제공할 수 있다는 이점이 있다.
상기 화합물은, 나노선, 나노로드, 나노입자, 박막 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태인 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 341.15 K 미만인 제어된 상전이 온도에서 M2 상(phase)을 포함하는 것일 수 있다. 일반적으로, VO2로 표시되는 화합물은 341.15 K (68 ℃)의 상전이 온도를 가지는 물질이나, 본 발명에서는 그 미만의 온도로 변경된 상전이 온도가 유지되도록 물질의 특성을 제어할 수 있다.
상온에서, VO2로 표시되는 화합물은 상기 변경된 상전이 온도가 제어된 상태에서, 절연상인 M2 상(phase)을 포함하는 것일 수 있다. 일반적으로, VO2로 표시되는 화합물인 산화바나듐은 2개의 절연상(M1과 M2)과 금속상(R)이 존재한다. 상온에서 외부의 스트레스가 없을 때에는 M1 상으로 존재하나, 본 발명의 처리에 의하여 상온에서 M2 상을 포함하여 존재하게 되며, 이는 본 발명의 일 실시예인 제어 방법에 의하여 처리된 상전이 물질이 상기 상전이 물질에 가해지는 압축응력을 풀어주기 위해서 압축응력에 상응하는 인장력이 부여되기 때문이다.
상기 화합물은 단결정 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 화합물은 상전이 온도 제어를 위한 처리를 한 이후에도 단결정의 결정성을 유지하는 것일 수 있다. 특히, 단결정인 금속-절연체 상전이 물질을 이용하여 처리한 제어된 금속-절연체 상전이 물질이 단결정인 경우에는, 상기 상전이 물질에 나타나는 상전이 온도 제어 현상을 직접적으로 관찰할 수 있어서, 상기 이온빔 처리에 의한 효과를 확인하기가 용이할 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 337 K 이하의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다. 또한, 상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것일 수 있다.
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 화합물은 상기 온도의 범위에서 금속-절연체 상전이 현상이 나타나는 특징을 보일 수 있으며, 따라서 상기 온도에서 상기 금속상과 절연상인 M2 상이 공존하는 특성을 보일 수 있다. 이는 일반적인 산화바나늄이 68 ℃ (약 341.15 K)에서 상전이 현상이 일어난다는 특성을 가지고, 이러한 경우에는 M1 상만 존재한다는 점과 대비되는 특성일 수 있다.
상기 VO2로 표시되는 화합물은 나노선의 형태인 것일 수 있다. 상기 나노선은 직경이 300 내지 500 nm 이고, 길이가 5 내지 100 ㎛인 것일 수 있다. 상기 화합물이 나노선 형태를 가지는 경우에는, 상기 제어된 상변화 물질의 특징을 관찰하기에 용이할 수 있다.
상기 나노선은 상기 제어된 상전이 온도에서 나노선의 장축방향이 [020]인 것일 수 있다. 이는, 상전이 온도 제어 처리를 하기 전의 상기 나노선의 성장 방향이 [110] 방향이라는 점과 대비되는 특성일 수 있다.
상기 금속-절연체 상전이 물질은, 상전이 온도를 제어하고, 제어된 상전이 온도가 영구적으로 유지될 수 있도록 하여서, 금속과 절연상이 복합적으로 공존하여 소자를 집접화 할 수 있는 기술을 제공할 수 있다. 이는, 기존의 방법에 의하여 이루어진 상전이 현상 제어와 달리, 일단 처리된 물질이 영구적으로 상전이 온도가 제어된 상태로 유지될 수 있어서, 제어된 상전이 물질의 대면적화, 산업화에 유리한 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 적외선 차단 윈도우는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다. 상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 적외선을 차단하는 특성을 지닐 수 있으며, 이러한 재료의 특성을 이용하여 적외선 차단 윈도우의 소재로 활용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 상변화 메모리 장치는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다. 즉, 본 발명의 제어된 금속-절연체 상변화 물질의 특성을 이용하여서 메모리 소자로 활용될 수 있다. 특히, 본 발명의 제어된 금속-절연체 상변화 물질은 기존의 물질보다 낮거나 높은 상전이 온도를 가지도록 제어된 것으로, 제어된 상전이 온도가 영구적으로 유지될 수 있어서, 상기 상변화 메모리 장치의 집적화, 상업화에 기여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 시넵스 구조 메모리 소자는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-절연체 상전이 물질을 포함한다. 상기 시넵스 구조 메모리 소자는 상기 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함하여서 시넵스 구조 메모리 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 제어된 금속-절연체 상전이 물질은, 금속 절연체 상변화 물질의 변화된 상전이 온도를 유지하도록 제어하는 방법을 제공하며, 이러한 처리 방법을 이용하여 제조되는 영구적으로 변경된 특징이 유지되도록 제어된 금속-절연체 상변화 물질을 제공한다. 이러한 물질은, 금속과 절연상이 복합적으로 공존하여 소자를 집적화 할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
기계적인 힘을 인가하거나, 전류를 인가하거나, 마이크로 기계 소자를 이용하는 기술들과 같은 기존의 상전이 온도 제어 방법들과는 다르게, 본 방법의 발명은 상전이 현상 제어가 영구적으로 가능하다는 것을 확인하였다. 또한, 이렇게 영구적으로 제어된 상전이 온도를 가지는 금속-절연체 상전이 물질을 제조하는 방법은 처리과정이 비교적 간단하고, 대면적 처리가 가능한 방법이어서 산업적으로 활용 가치가 높으며, 이온빔 조사 처리 후의 제어된 상전이 물질도 고품질의 단결정 성질을 가질 수 있는 이점이 있다. 상기 금속-절연체 상전이 물질은 상변화 메모리 디바이스, 적외선 차단 윈도우, 시넵스 구조 메모리 소자 등에 적용될 수 있다.
도 1은 나노선을 제조할 수 있는 반응로의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 실시예의 (1)에서 제조한 나노선의 투과전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 상전이 온도의 제어를 위하여 이온빔으로 나노선을 처리하는 방법에 대한 개략도이다.
도 4는 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 샘플을 관찰하는 방법에 대한 개략도(좌측)와 실시예 1의 샘플의 TEM 사진(우측 상단)과 개략도(우측 하단)이다.
도 5는 비교예의 샘플을 이용하여 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 단면을 관찰한 결과와 동일한 샘플의 SAED 패턴이다.
도 6은 실시예의 샘플을 이용하여 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 단면을 관찰한 결과와 동일한 샘플의 SAED 패턴이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 샘플들을 온도의 변화에 따라 VO2의 결정 구조의 변화가 어떻게 일어나는지를 SAED 패턴을 이용하여 관찰한 결과이다. 도 7의 상단은 비교예의 샘플을 이용하여 측정한 결과를, 도 7의 하단은 실시예의 샘플을 이용하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예의 샘플이 328 K일 때의 표면을 TEM으로 관찰한 사진이다.
도 9는 실시예의 샘플을 이용하여, 1 K 간격으로 승온하면서 VO2 나노선의 변화를 TEM에서 관찰한 결과이다.
도 2는 실시예의 (1)에서 제조한 나노선의 투과전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 상전이 온도의 제어를 위하여 이온빔으로 나노선을 처리하는 방법에 대한 개략도이다.
도 4는 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 샘플을 관찰하는 방법에 대한 개략도(좌측)와 실시예 1의 샘플의 TEM 사진(우측 상단)과 개략도(우측 하단)이다.
도 5는 비교예의 샘플을 이용하여 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 단면을 관찰한 결과와 동일한 샘플의 SAED 패턴이다.
도 6은 실시예의 샘플을 이용하여 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경 (TEM)으로 단면을 관찰한 결과와 동일한 샘플의 SAED 패턴이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 샘플들을 온도의 변화에 따라 VO2의 결정 구조의 변화가 어떻게 일어나는지를 SAED 패턴을 이용하여 관찰한 결과이다. 도 7의 상단은 비교예의 샘플을 이용하여 측정한 결과를, 도 7의 하단은 실시예의 샘플을 이용하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 실시예의 샘플이 328 K일 때의 표면을 TEM으로 관찰한 사진이다.
도 9는 실시예의 샘플을 이용하여, 1 K 간격으로 승온하면서 VO2 나노선의 변화를 TEM에서 관찰한 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
:
VO
2
나노선
및 제어된 상전이 온도를 가지는
VO
2
나노선의
제조
(1)
VO
2
나노선의
제조
본 실시예에서는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 VO2 나노선을 합성하였다.
도 1은 나노선을 제조할 수 있는 반응로의 일 실시예의 개략도이다. 상기 도 1을 참조하여 이하 도 1에 VO2 나노와이어의 제조과정을 설명한다.
VO2분말 0.1g을 알루미나 도가니(13)에 넣고, 석영관(2) 중간에 위치시킨 후, 위로 1 cm 정도 떨어진 곳에 사파이어 기판(14)을 넣어 반응로(3) 안에 장입하였다.
반응로(3) 내부를 10-3 Torr까지 진공으로 한 후에, 질소와 수소 혼합가스를 500 Torr까지 채운 후, 다시 10-3 Torr까지 진공으로 하였다. 상기 진공-혼합가스-진공의 과정을 3번 이상 반복하여, 반응로(3) 내에 잔류하고 있는 산소와 불순물을 제거하였다.
불순물이 제거된 반응로(3)에, 아르곤 가스(5)를 유량 10 ml/분으로 일정하게 유지하면서 15 °C/분의 승온하였다. 승온은, 반응로 내부의 크리스탈로 이루어진 가열 챔버가 900 °C로 될 때까지 이루어졌고, 900 °C에서 3 시간 유지시켰다. 이러한 과정에서, 승화된 원료 분말이 아르곤 가스(5)에 의해 이동해서 기판(14)에 흡착되었고, 3 시간의 반응 시간 동안 승화된 원료 분말의 이동 과정이 반복되어, 사파이어 기판 위에 VO2 나노선(나노와이어)가 합성되었다. 상기 합성된 나노선의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 2에 나타내었고, 상기 사진에 의하여 직경 300 nm 의 나노선이 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 상전이 특성 제어를 위한 이온빔 처리 및 제어된 상전이 물질의 특성 평가
도 3은 상전이 온도 제어를 위하여 이온빔으로 나노선을 처리하는 방법에 대한 개략도이다. 상기 도 3을 참고하면, 이온빔 처리는 상기 사파이어 기판상에 형성된 VO2 나노선에 선형 건 타입 이온빔 처리장치(Linear Ion Gun)를 이용하여 이온빔 조사처리를 하는 과정으로 이루어졌다.
구체적으로, 상기 실시예의 (1)에서 형성된 VO2 나노선에 하이브리드 이온 빔(Hybrid ion beam) 장비를 이용하여, 장비의 챔버 내에서 아르곤 (Ar)을 8 sccm 의 유량(flow rate)으로 유지하고, 챔버 내의 압력을 10-4 Torr이하로 유지하며, Ar 이온은 1000 V를 유지하도록 하여 Ar 이온 빔 처리를 하였다. 이렇게 제조된 샘플은 상전이 특성이 제어된 VO2 나노선으로 실시예 1의 샘플이라 한다.
상기 실시예 1의 샘플을 in - situ 방법을 이용하여 가열하면서 동시에 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하였다. 이렇게 관찰하는 방법에 대한 개략도를 도 4의 좌측에 나타내었고, 도 4의 우측에는 실시예 1의 샘플의 TEM 사진(우측 상단)과 이의 개략도(우측 하단)를 나타내었다. 실시예 1의 샘플은 약 328 켈빈 (K) (또는 55 ℃)에서 금속상(R 상)과 절연상(M2 상)이 공존하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는, VO2 나노선의 상전이 온도가 약 68 ℃(약 341.15 K)라는 점과 비교하면, 실시예의 VO2가 최초의 상전이 온도 미만인 약 55 ℃에서 상전이 현상이 일어났다는 것을 의미하며, 상기 이온빔 처리에 의하여 실시예 1의 샘플의 상전이 온도가 제어되었음을 확인한 것이다. 또한, 일단 이온빔 처리가 이루어진 샘플은 시간이 경과하여도 상기 제어된 상전이 온도에서 상전이 현상이 일어나서, 변경된 상전이 온도가 유지된다는 점도 확인하였다.
실험예
:
비교예
및
실시예의
물성 분석
(1) 전자현미경을 이용한
비교예
및
실시예의
상전이 현상 관찰: 온도 변화에 따른 샘플의 특성 변화 관찰
상기 실시예 (1)에서 제조하여 이온빔 처리를 하지 않은 샘플을 비교예의 샘플로 하고, 상기 실시예 1의 샘플을 실시예로 하여 온도의 변화에 따른 상전이 현상을 전자현미경으로 관찰하였다. 전자현미경에는 샘플의 온도를 변경시킬 수 있도록 장치하여, 온도변화에 따른 상전이 현상을 실시간으로 관찰하였으며, 이를 위하여 도 4의 좌측의 개략도와 같이 가열과 동시에 투과전자현미경 관찰이 가능하도록 하는 장치를 이용하였다.
비교예 및 실시예의 샘플은, 집속이온빔장치로 나노선의 단면방향으로 Pt 표면 보호 층을 쌓은 후, 30 kV와 수 nA 내지 수 pA를 이용하여 단면 TEM 시편을 제작하여 사용하였고, 시편의 온도를 조절하면서 in-situ TEM 이미지 (도4 좌측 개념도 참조)를 측정하고, SAED도 관찰하여 각각 도 5 및 도 6에 나타내었다.
상기 도 5의 SAED 패턴을 참조하면, SAED 패턴으로부터 비교예의 VO2 나노선이 단결정의 결정성인 것으로 나타났으며, 절연상인 M1(monoclinic) 상으로 관찰되었다. 이 나노선은 [110] 방향으로 성장하였다.
상기 도 5의 온도별 TEM 사진을 참고하면, 온도의 상승에 따라서 비교예의 샘플의 단면 형상이 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, VO2의 상전위 온도인 340 K에서 상전이가 일어난 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 328 K에서는 불안정적인 절연상도 관찰할 수 있었다.
도 6의 SAED 패턴을 참조하면, 실시예의 VO2 나노선이 단결정의 결정성이라는 것을 확인할 수 있었고, 절연상이라는 점은 동일하지만 그 결정구도가 도 5과는 다른 M2 (monoclinic) 상으로 나타났다. 이는, 이온빔 조사로 인하여 실시예의 샘플의 결정성이 변화된 결과로 생각된다.
상기 도 6의 온도별 TEM 사진을 참고하면, 온도의 상승에 따라서 실시예의 샘플의 단면 형상이 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, VO2의 상전이 온도인 341.15 K(약 68 ℃)가 아닌 328 K(약 55 ℃)에서 금속상(R)과 절연상(M1)이 삼각형의 형태로 공존하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는, 이온빔 조사에 의해서 임계 온도 이하에서도 상전이가 일어남을 보여주는 결과이며, 제어된 임계온도 이상에서는 모든 절연상(M2)이 금속상(R)으로 변화한 것도 확인할 수 있었다.
도 7는 실시예 및 비교예의 샘플들을 이용하여 온도 변화에 따라 VO2의 결정 구조에 어떠한 변화가 일어나는지를 SAED 패턴을 이용하여 관찰한 결과이다. 온도의 변화에 따른 비교예의 SAED 패턴 변화를 나타내는 사진을 도 7 상단에 나타냈으며, 이를 참고하면, 상온인 303 K에서는 M1(monoclinic) 상을 유지하고 있으나, 임계온도 이상인 340 K에서는 R(rutile)상으로 변화 된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 승온되면서도 단결정 성질이 유지됨을 보여주었다.
온도의 변화에 따른 실시예의 SAED 패턴 변화를 도 7의 하단에 나타냈으며, 이를 참고하면, 이온빔이 조사된 VO2 나노선의 결정구조는 임계온도 미만에서 M1 상에서 M2 (monoclinic)상으로 변화하였으며, 임계온도를 초과한 때에는 모든 결정상이 R (rutile)상으로 변화했고, 변화한 후에도 결정성을 유지한다는 점을 보여주었다. 특히, VO2의 임계온도 미만인 328 K에서는 이온빔 조사 후 M2 상과 R 상이 공존하고 있는 것을 확인하였다. 나아가, 도 8에는 도 7의 점선박스로 표시한 328 K의 실시예의 샘플을 TEM 으로 관찰한 사진을 나타내었으며, 도 8을 참조하면, 328 K의 실시예 샘플은 삼각형 형태로 M2 상과 R 상이 공존하는 특성을 가진다는 점도 확인하였다.
(2) 미세 온도 변화에 따른 상전이 현상의 관찰(
TEM
cross
-
sectional
images): 온도의 변화에 따른
나노선의
길이 방향 단면 관찰
실시예의 샘플을 이용하여, 온도의 변화에 따른 VO2 나노선의 상전이 현상을 나노선의 길이 방향 단면의 결정구조 변화로 관찰하였고, TEM에서 1 K 간격으로 샘플의 온도를 승온하면서 관찰한 결과를 도 9에 나타내었다.
상기 도 9를 참조하면, 이온빔이 조사된 실시예의 나노선 단면에는 M2 상과 R 상이 삼각형 형상으로 공존하는 것을 확인할 수 있었으며, 328 K부터 1 K씩 승온함에 따라서 삼각형 형태로 공존하는 M2와 R 상의 비율이 달라지고, 온도가 증가할수록 R 상의 비율이 더 켜지는 것을 확인하였다. 또한, 340 K 이상에서는 M2 상의 면적이 전체 면적의 50 % 미만으로 관찰되었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 가열부품 2: 석영관
3: 반응로 4: 냉각수
5: 가스 6: 벤트
7: 진공게이지 8: 쓰로틀밸브
9: 러핑밸브 10: 펌프
11: 써모커플 12: 소스
13: 도가니 14: 기판
3: 반응로 4: 냉각수
5: 가스 6: 벤트
7: 진공게이지 8: 쓰로틀밸브
9: 러핑밸브 10: 펌프
11: 써모커플 12: 소스
13: 도가니 14: 기판
Claims (24)
- 금속-절연체 상전이 물질을 준비하는 준비단계, 그리고
상기 금속-절연체 상전이 물질에 이온빔 조사 처리를 하여 변경된 상전이 온도가 유지되도록 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 제조하는 제어단계,를 포함하고,
상기 금속-절연체 상전이 물질 및 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 적층성장된 것 또는 단결정인 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온빔 조사 처리는 20 x 10-6 내지 1 A의 전류 조건에서 이루어지는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온빔 조사 처리는 1,000,000 V 이하의 전압 조건에서 이루어지는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온빔 조사 처리에 사용되는 이온빔 가스는 아르곤, 네온, 클립톤, 제논, 수소, 실리콘, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이온빔 조사 처리는 60초 내지 3600초 동안 이루어지는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 금속-절연체 상전이 물질은, VO2로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 화합물은, 341.15 K 미만의 온도에서 M2 상(phase)를 포함하는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 화합물은 337 K 이하의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속상인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것인, 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법. - 삭제
- 이온빔 처리에 의한 압축응력에 의하여 상전이 온도가 변경된 상태로 유지되고, VO2, VO, V2O5, V2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 화합물을 포함하며,
상기 화합물은 적층성장된 것 또는 단결정인 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 삭제
- 제13항에 있어서,
상기 화합물은, 나노선, 나노로드, 나노입자, 박막 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 형태인 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 있어서,
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 341.15 K 미만의 온도에서 M2 상(phase)을 포함하는 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 있어서,
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 337 K 이하의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 있어서,
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 320 K 내지 335 K의 온도에서 절연체에서 금속 또는 금속에서 절연체로의 상전이가 일어나는 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 있어서,
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 328 K과 333 K 사이의 온도에서 금속인 R 상과 절연상인 M2 상을 포함하는 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 있어서,
상기 제어된 금속-절연체 상전이 물질은 VO2로 표시되는 화합물로 이루어진 나노선을 포함하고, 상기 나노선은 장축방향이 [020]인 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제15항 또는 제20항에 있어서,
상기 나노선은 직경이 300 내지 500 nm 이고, 길이가 5 내지 100 ㎛인 것인, 제어된 금속-절연체 상전이 물질. - 제13항에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함하는, 적외선 차단 윈도우.
- 제13항에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함하는, 상변화 메모리 장치.
- 제13항에 따른 제어된 금속-절연체 상전이 물질을 포함하는, 시넵스 구조 메모리 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120143005A KR101376719B1 (ko) | 2012-12-10 | 2012-12-10 | 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120143005A KR101376719B1 (ko) | 2012-12-10 | 2012-12-10 | 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101376719B1 true KR101376719B1 (ko) | 2014-03-20 |
Family
ID=50649225
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120143005A KR101376719B1 (ko) | 2012-12-10 | 2012-12-10 | 금속-절연체 상전이 물질의 상전이 온도 제어 방법 및 상전이 온도가 제어된 금속-절연체 상전이 물질 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101376719B1 (ko) |
-
2012
- 2012-12-10 KR KR1020120143005A patent/KR101376719B1/ko not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| W.-K. Seong et al., "Tunable Metal-Insulator Phase Transition in VO2 Nanowires", 한국진공학회 제43회 하계정기학술대회, p. 385 (2012년 08월)* |
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