DGIST, 순수 바나듐 산화물에서 강자성 발현 실험 성공

대구경북과학기술원(이하 DGIST)이 화학물리학과 유천열 교수 연구팀이 바나듐 산화물이라는 물질에서 자석처럼 작동하는 특성(강자성)을 구현하는 데 성공했다고 23일 밝혔다.이번 연구에서는 바나듐 이온의 산화 상태, 즉 얼마나 산화됐는지를 조절하는 방법만으로 원래 자석처럼 작동하지 않던 물질이 자석처럼 바뀌는 현상을 실험적으로 확인했다.바나듐 산화물은 온도에 따라 전기가 잘 통하거나 잘 안 통하는 '금속-절연체 전이(MIT)' 현상으로 유명한 물질이다. 전기적 특성에 대한 연구는 오래전부터 활발했지만 자석처럼 작동하는 자기적 특성, 특히 강자성 측면에서는 상대적으로 연구가 적었다. 바나듐 산화물은 일반적으로 반강자성이나 상자성 특성을 보이기 때문에 자성 재료로 활용하는 데는 한계가 있었다.연구팀은 다른 물질을 섞거나 복잡한 처리를 하지 않고 순수한 바나듐 산화물만으로 강자성이 나올 수 있는지 실험에 나섰다. 금속 바나듐을 얇게 깔고 산소 농도를 다르게 해가며 산화 상태가 다른 박막 샘플을 여러 개 만들었다. 그 결과 산화도가 낮을수록 강자성 특성이 강하게 나타났고 산화도가 높을수록 그 특성이 줄어드는 것을 확인했다. 특히 바나듐 이온이 서로 다른 상태(예: 바나듐(Ⅲ), 바나듐(Ⅳ))로 섞여 있을 때 강자성이 나타났으며 아주 작은 영역 안에서 이 특성이 형성되는 것으로 보였다. 이러한 관찰 결과는 이론 계산(DFT) 결과와도 일치했다.기존에는 바나듐 산화물에서 강자성을 만들기 위해 도핑이나 구조적 결함 같은 인위적 처리가 필요하다는 인식이 많았지만 이번 연구는 산화도 조절만으로도 자석처럼 만들 수 있다는 가능성을 제시한 것이다. 바나듐 산화물 자체의 특성을 새롭게 밝혀낸 이 연구는 자성 재료의 기본 성질을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.유천열 교수는 “바나듐 이온의 혼합 상태가 강자성 발현에 핵심적인 역할을 하며 산화도 조절을 통해 이를 정밀하게 제어할 수 있다는 점을 확인했다”며 “향후 다양한 자성 재료 설계에 참고가 될 수 있는 실험 결과로 차세대 정보 소자의 물질적 기반을 다지는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구 결과는 재료과학 분야의 국제 권위지 Advanced Functional Materials 4월 1일자 온라인판에 게재됐다.