권오훈 교수(뒤)와 박원우 연구원(앞줄 왼쪽), 최예진 연구원.
울산과학기술원이 초미세 상태의 물질 온도와 구조 변화를 동시에 관측할 수 있는 나노측정기술을 개발했다. 미세 시료의 특이 구조와 열역학적 상관관계를 분석할 수 있어 첨단 소재 개발에 유용할 것으로 전망된다.
울산과학기술원(UNIST·총장 박종래)은 권오훈 화학과 교수팀이 투과전자현미경 안에서 미세시료의 온도를 정밀하게 측정할 수 있는 범용 ‘나노온도계’를 개발했다고 2일 밝혔다.
나노온도계는 나노입자가 전자빔을 맞으면 방출하는 음극선 발광 스펙트럼을 분석해 입자 온도를 측정한다. 투과전자현미경은 미세 시료 구조를 관찰하기 위해 전자빔을 이용하는데, 나노온도계는 이 전자빔을 온도 측정에 응용한다.
기존 나노온도계는 이러한 전자빔 세기에 맞춰 매번 보정 후 사용해야 하는 번거로움이 있었다.
권 교수팀은 나노온도계 소재인 나노입자를 디스프로슘 이온(Dy3+)으로 바꿔 이 문제를 해결하고 나노온도계 신뢰성과 범용성을 높였다.
나노온도계 온도 측정 원리
디스프로슘 이온이 전자빔을 맞아 방출하는 음극선 발광 스펙트럼에서 양자 상태는 전자빔 세기와 상관없이 온도에만 의존하는 볼츠만 분포를 따른다. 볼츠만 분포는 온도가 높아질수록 고에너지 양자 상태의 비율이 증가하는 현상을 설명하는 통계 이론이다.
권 교수팀은 디스프로슘 이온이 고에너지 전자빔을 견딜 수 있도록 이트륨 바나데이트(YVO4)를 도핑하고 150nm(나노미터) 크기의 나노온도계 입자를 합성했다. 나노 온도계로 주변 온도를 -170℃~50℃까지 바꿔가며 측정했을 때 약 4℃ 이내 측정 오차를 보였다.
미세 시료에 레이저빔을 조사해 온도를 올리고 온도 변화의 공간 분포를 추적하는 데도 성공했다. 외부 자극에 의해 실시간 변화하는 미세 시료 온도와 구조를 동시에 관측할 수 있다는 것을 입증했다.
권오훈 교수는 “새로운 소재를 개발 적용해 나노온도계 측정의 신뢰도를 크게 높이고 범용성도 확보했다”며 “충·방전에 따라 온도에 민감한 이차전지 소재 및 디스플레이 소재 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 ACS 나노 12월 10일자에 실렸다.
울산=임동식기자 [email protected]
