포항가속기연구소, 빛으로 물질 상태를 초고속 제어하는 새로운 상전이 경로 규명

VO₂ 박막서 전기적·구조적 상전이 시간 분리 현상 확인

Mott 부도체–도체 전이 실험 규명…광유도 스마트 소재 제어 기술 기대

경북 포항가속기연구소 천세환 박사 연구팀이 스마트 소재로 알려진 이산화바나듐(VO₂) 박막에서 빛에 의해 유도되는 초고속 상전이 과정의 새로운 물리적 경로를 규명했다.

연구팀은 포항가속기연구소의 X선 자유전자레이저(PAL-XFEL)와 방사광가속기(PLS-II)를 활용해, 인장 변형이 가해진 VO₂ 박막에서 구조적 상전이와 전기적 상전이가 서로 다른 시간대에 발생한다는 점을 실험적으로 확인했다.

전기적 상전이는 수백 펨토초(10⁻¹⁵초) 수준에서 구조 변화와 분리돼 나타났다.

▲빛 조사 이후 이산화바나듐 박막시료의 구조적 상전이와 전기적 상전이 과정 모식도ⓒ포항가속기연구소 제공

이를 통해 연구진은 VO₂의 부도체–도체 전이가 결정 구조 변화가 아닌 전자 상호작용에 의해 발생하는 ‘Mott 부도체–도체 전이’임을 제시했다.

또한 인장 변형 조건에 따라 빛에 의해 유도되는 전기적 전이의 시작 시점을 조절할 수 있는 가능성도 함께 제안했다.

이번 결과는 VO₂뿐 아니라 유사한 전자 상관계 물질에도 적용될 수 있어, 빛을 이용한 초고속 스마트 소재 제어 기술 개발에 기초 자료가 될 것으로 평가된다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 온라인 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 지원 사업과 포스텍–막스플랑크 연구소 공동 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 실험에 사용된 VO₂ 박막은 DGIST 이신범 교수 연구팀이 제공했다.

포항가속기연구소 천세환 박사는 “첨단 실험 장치를 연계 활용해 가능했던 연구로, 반도체·스마트 소재 기술과 최첨단 측정 기술의 결합을 통해 세계를 선도할 수 있음을 보여준 성과”라고 말했다.

▲(사진 왼쪽부터) 포항가속기연구소 박순희, 박재구, 천세환 박사ⓒ포항가속기연구소 제공