유리의 상변태 메커니즘 해명
2012년 10월 15일
 
일본 토호쿠대학 대학원 공학 연구과의 연구 그룹은 물질재료 연구기구(NIMS) 국제 나노아키텍트닉스 연구 거점과의 공동 연구에 의해, 유리 중에 5nm 이하의 매우 작은 반강유전성 NaNbO3 나노 결정의 형성을 확인, 그 메커니즘 해명에 성공했다. 이 연구는 유리를 비롯한 랜덤 구조 물질의 이해 및 비납계 유전재료의 개발에 유용한 정보를 줄 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구 성과는 영국 네이처계 온라인 과학잡지 "Scientific Reports"에 게재될 예정이다.

전자재료 등에 광범위하게 응용되는 유전체는 현대 사회에 필수적인 재료로서, 빛이나 전자를 자유자재로 제어하는 첨단 재료로 연구 개발되고 있다.

실용적으로는 Pb(Zr, Ti)O3 등 납을 포함한 강유전체가 이용되는 한편, 환경 문제가 고조됨에 따라 납을 사용하지 않는 대체 재료의 개발이 강하게 요구되고 있다. 또한, 사이즈를 미소화한 나노 결정에 의해 그 유전 기능을 비약적으로 향상시키는 연구 개발도 활발하게 이루어지고 있다.

산화물 유리에서부터 열처리 등에 의해 기능성 결정을 석출시키는 "결정화 유리법"은 다양한 원소 구성 하에서 석출 결정 사이즈의 제어가 가능하기 때문에 납을 포함하지 않는 나노 유전재료(예:니오브(Nb)계 산화물 결정 등)를 창제하는 유력한 방법으로 일컬어지고 있다. 5산화 니오브(Nb2O5)는 유리 중에 다량으로 포함될 수 있지만, 임의의 구조를 가지는 유리 중의 Nb 배위 다면체의 행동은 아직 완전하게 이해되고 있지 않았다. 이것은 비납계로서 주목받는 Nb계 나노 결정의 유전 특성을 결정하는 중요한 과제이며, 또한 랜덤계 물질의 상변태에 관련되는 미해명 문제로 여겨지고 있다.

본 연구는 분광계측에 의해 얻을 수 있는 현상과 유리 중에서 발생하는 이벤트를 묶은 것으로, 지금까지는 열처리 "후"의 사후 결과 관찰에만 머물고 있었지만, 열처리 "중"에 준 탄성 산란을 관측하는 것으로 유리~과냉각 액체~나노 결정이라고 하는 상변태 과정에 있어서의 Nb 배위 다면체의 행동을 확인해 유리의 상변태 다이내믹스의 이해에 매우 유력한 정보를 줄 수 있게 되었다. 또, 유리의 나노 결정 형성은 결정 단체에서는 일반적으로 곤란하다고 여겨진, 유전 나노 입자의 입자 지름 제어나 고분산화, 광학적 투명성을 가능하게 한다. 이들은 나노 유전재료 개발에 대하여 실용적으로 매우 효과적인 것과 동시에 저가로 제작이 가능한 유리 재료를 기반으로 하는 혁신적인 광·전자 제어 디바이스의 창출을 구현화하는 것으로 기대된다.

【용어 해설】
1) 준탄성 산란:강유전체나 이온 전도체 등에 있어서 비탄성 광산란의 저파수 영역에서 관찰되는 현상이며, 물질 중의 움직임에 의한 분극율의 변화가 원인으로 되어 있다.
2) 유리 전이 온도:이 온도 이하에서 유리는 결정 수준으로 단단하고, 고체적으로 행동하지만, 유리 전이 온도 이상에서는 점성이 급격하게 저하해, 어느 정도의 유동성을 가지게 된다(액체적 행동).
3) NaNbO3:페로브스카이트 구조를 가지는 실온에서 반강유전성을 나타내는 결정이며, 리튬 이온 등을 도핑함으로써 강유전성을 나타내는 것이 알려져 있다. 납계 강유전체의 대체 후보 재료로서 기대되고 있으며, 또한, 나노 구조를 가지는 NaNbO3 상으로부터 광촉매 활성도 확인되고 있어 최근 주목을 받고 있다.
(자료출처: http://radar.ndsl.kr/, http://www.tohoku.ac.jp/)
 
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