한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김봉중 교수(광주과학기술원) 연구팀이 금속-절연체 전이물질¹⁾의 본질과 물리적 속성을 밝혀냈다고 밝혔다. 

1) 금속-절연체 전이물질: 전기가 통하는 금속상태에서 온도, 응력, 전기장 등의 변화에 따라 전기가 통하지 않는 절연상태로 상전이(相轉移)를  일으키는 물질  

절연물질 중 하나인 이산화바나듐(VO₂)²⁾은 섭씨 68도에서 일어나는 금속-절연체 간 상전이³⁾ 현상으로 인해 전기적 또는 광학적 스위칭 소자와 센서로 쓰일 수 있어 많은 주목을 받고 있다.  

2) 이산화바나듐: 절연상태에서는 단사정계의 결정성을 갖고, 금속상태에서는 정방정계의 결정성을 갖는 물질로 섭씨 약 68도에서 두 상태의 전이를 나타내는 물질 
3) 상전이: 고체·액체·기체 등과 같이 물질의 원자 또는 분자의 구조와 조성 상태가 바뀌는 현상

연구팀은 먼저 전기가 통하는 금속 상태에서 온도 변화 등에 따라 전기가 통하지 않는 절연체로 변화하는 현상을 살펴보기 위해 나노 또는 마이크로 굵기의 와이어 형태로 이산화바나듐(VO₂)을 성장시켰다.

연구팀은 와이어 성장 중 산소가스를 적절히 활용해 초기 액상 촉매 단계와 바로 그 이후의 단계인 와이어 성장을 구별해 진행할 수 있는 원리를 개발햇다. 이로 인해 단결정 이산화바나듐(VO₂) 와이어의 굵기를 최초로 완벽하게 조절할 수 있게 됏다. 이렇게 성장된 굵기가 다른 와이어는 기판⁴⁾과 다양한 크기의 응력을 생성시켜 상온에서 초기 절연상들(M1, T, M2)을 선택적으로 생성시킬 수 있게 돼다. 이로 인해 각각의 초기 절연상들의 순수한 물성을 이해하게 되어 상전이 현상 시 M1, T, M2의 역할을 정확히 이해할 수 있게 됐다. 

4) 기판: 와이어를 성장시키는 지지대 

연구팀은 또한 지금까지 밝혀지지 않았던 초기 절연상들(M1, T, M2)의 근본적인 속성을 밝혀냈다. 실시간 구조 및 전기적 분석, 이론 모델링을 통해 순수한 세 가지 절연상의 응력⁵⁾에 따른 저항, 활성화 에너지, 상전이에 필요한 에너지 장벽 등을 정량적인 값으로 도출해 내는데 성공했다. 이를 통해 비저항과 활성화 에너지⁶⁾는 T가 가장 낮고, M1이 중간에 위치하며, M2가 가장 높은 값을 가지고 있다는 것을 발견하였다. 

5) 응력 : 외부에 힘을 받아 변형을 일으킨 물체의 내부에 발생하는 단위 면적당 힘 

6) 비저항과 활성화 에너지 :비저항은 물질의 조직에 의해서 발생되는 저항으로서 재질, 단면적, 형상, 온도에 따라 변화되며, 기호는 ρ를 사용한다. 활성화 에너지는 반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 에너지로 반응에 참여하기 위해서는 이 에너지 이상의 에너지를 가져야만 한다.

김봉중 교수는 “이 연구결과는 금속-절연체 전이물질의 속성과 특성을 근본적이고, 총체적으로 밝혀낸 것"이라며 "향후 금속-절연체 상전이의 열역학적, 전기적 이해의 폭을 넓히고, 차세대 에너지와 기능소자의 감도를 조절하는데 적용될 것으로 기대된다”하고 연구의 의의를 설명했다.