• 검색 결과가 없습니다.

[신기술 소개] Zero 팽창

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "[신기술 소개] Zero 팽창"

Copied!
3
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

Zero

대부분의 고체는 열을 가하면 팽창한다. 고체의 온도가 상승하면 원자의 열운동이 활발해져 원자 사이의 거리가 증가하기 때문이다. 이러한 온도의 상승에 의한 팽창을 (+)열팽창이라 한다. 반면 어 떤 물질은 열을 가했을 때 수축, 즉 (-)열팽창을 보이기도 한다. 최근 미국 미시간 주립대학 화학 과의 Kanatzidis 교수팀은 Yb, Ga, 그리고 Ge으 로 이루진 합금에서 (-)열팽창 메카니즘이 (+)열 팽창을 상쇄시키기 때문에 거의 팽창하지 않음을 발견하였다[Nature, Vol. 425, p. 702(2003)]. 지 금까지 Zero 팽창을 나타내는 것으로 알려진 물질 들은 모두 전기전도성이 없는 금속산화물이었다 는 점에서 Kanatzidis 교수팀이 발견한 이 합금은 많은 주목을 받고 있다.

결합된 원자 사이의 거리를 이들 원자 사이의 인력과 척력을 합한 값(퍼텐셜 에너지)으로 표현 하면, 일반적으로 퍼텐셜 에너지 곡선은 비대칭을

이룬다[그림 1]. 이는 온도가 상승함에 따라 원자 사이의 거리가 증가하여 나타나는 불균형 때문이 다. 퍼텐셜 에너지 곡선이 대칭이라면 온도 상승 에 따라 원자가 격렬하게 진동하더라도 원자 사이 의 거리는 증가하거나 감소하지 않기 때문에 물질 은 팽창하거나 수축하지 않는다. 그러나 원자 사 이의 결합이 매우 강할 경우, 퍼텐셜 에너지 곡선 은 대칭에 가까워져 고체는 (-)열팽창하게 된다.

반면에 원자 사이의 결합이 약할 때에는 퍼텐셜 에너지 곡선은 비대칭이 되며 따라서 고체는 (+) 열팽창하게 된다. 한편, 많은 산화물들이 (-)열팽 창한다는 사실이 발견되면서 그 원인에 대한 연구 가 중요한 관심사가 되었으며, 그 이유가 온도가 상승함에 따라 결합하지 않은 원자 사이의 거리가 감소하기 때문에 일어나는 것으로 규명되었다. 예 를 들어, Y2W2O12산화물의 경우 Y-O-W 결합 중앙에 있는 산소 원자가 결합의 수직 방향으로 진동하여 Y-W 거리가 감소하기 때문이다.

대부분 원자들의 이온 상태는 핵 주위의 껍질에 있는 전자의 단일 배치와 일치한다. 하지만 희토 류 금속 이온의 경우, 특별한 이온 상태(또는 원자 가 상태)에 대하여 두 개의 다른 전자배치를 가질 수 있다. 예를 들어 희토류 금속에 속하는 Yb2+온은 (4f)14 또는 (4f)13(5d)1 형태의 최외각 전자 전자배치를 할 수 있는데 두 경우 모두 +2가의 이 온 상태를 갖는다. 한편, d-전자를 가지고 있는 이 온은 d-전자를 가지고 있지 않은 이온보다 현저하 게 작으며, 희토류 이온을 포함하고 있는 물질의 전자 배치에서, 각각의 상대적인 양은 온도에 따 라 다르다. 만약 온도 상승에 따라 d-전자를 가지 고 있는 이온의 수가 증가한다면, 이온의 평균 크 기는 감소한다. 이러한 이유로 60K 이하에서 722NICE, 제21권 제6호, 2003

그림 1. 비대칭 퍼텐셜 에너지 곡선.

(2)

YbCuAl 금속이 (-)열팽창을 보이는 것으로 해석 되어 왔다. 그러나 지금까지 이보다 높은 온도에 서 (+)열팽창과 (-)열팽창이 평형을 이루어 Zero 열팽창하는 물질의 사례는 보고된 바가 없었다.

Kanatzidis 교수팀은 YbGaGe 화합물의 (-)열 팽창을 Yb의 5d 오비탈과 Ga의 4p 오비탈의 겹 침에 기인하는 것으로 제안하였다[그림 2]. 온도 가 증가하면 전자밀도는 Yb의 4f 오비탈에서 Ga 의 4p 오비탈로 이동하기 때문에 Yb 이온의 크기 는 감소하지만 Ga 이온의 크기는 변하지 않는다.

YbGaGe 결정은 육각구조로 이루어져있는데, 이 육각형 단위세포의 두 축을 따라 일어나는 강한

(-)열팽창은 세 번째 축을 따라 일어나는 더 강한 (+)열팽창에 의해 약간 상쇄되며 이에 따라 온도 100~400K 범위에서 YbGaGe 화합물이 거의 Zero 열팽창을 나타내는 것으로 해석하였다. 온도 변화에 따라 팽창하거나 수축하지 않는 물질의 응 용분야로는 우주선을 들 수 있다. YbGaGe, cordierite(Mg2Al4Si5O18), β-eucryptite(LiAlSiO4) 그리고 NZP(NaZr2P3O12)와 같은 물질은 모두 비등방성 열팽창한다. 이 물질들은 모두 육각구조 로 이루어져 있어 두 축을 따라 일어나는 (-)열팽 창이 세 번째 축을 따라 일어나는 (+)열팽창에 의해 상쇄된다. 하지만 이 물질들은 다결정체로

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003723

신·기·술·소·개

그림 2. 원자가 축퇴와 이온 크기 (A) 온도가 증가하면 Yb2+이온의 전자는 4f 오비탈에서 5d 오비탈로 이동하 여 들뜬상태가 된다(채워진 부분은 가려짐에 의한 것이다). Yb2+이온의 원자가는 변하지 않지만, 이온 크기는 감소한다(여기서 궤도함수의 겹침을 원자가 축퇴(degeneracy)라 한다). (B) Kanatzidis 교수팀에 의해 발견된 YbGaGe 화합물은 a와 유사한 거동을 보인다. 온도가 증가함에 따라 전자는 Yb의 4p 오비탈로 이동하여 들뜬 상태가 되어 Yb2+이온은 더 작은 Yb3+이온으로 변하게 된다.

(3)

724NICE, 제21권 제6호, 2003

신·기·술·소·개

이루어져 단위세포의 열팽창에 의해 생긴 압력이

‘미소균열’을 야기시키기 때문에 물리적 특성의 심각한 저하가 발생할 수 있다. 반면에 YbGaGe 과 같은 물질은 Zero 열팽창하기 때문에 ‘미소균 열’이 거의 일어나지 않는다.

앞에서 언급한 바와 같이 (-)열팽창 또는 저열 팽창 하는 것으로 알려진 산화물은 모두 전기절연 체이기 때문에 높은 전기전도성이나 열전도성과 함께 Zero 팽창하는 물질의 발견은 매우 중요한 의미를 갖는다. 지금까지 자기적 성질과 관련해 저열팽창 하는 것으로 알려진 유일한 물질은 강철 과 니켈의 합금인 ‘인바’였다. 따라서 Kanatzidis 교수팀에 의해 발견된 YbGaGe 합금의 응용에 많 은 관심이 집중되고 있다[Nature, Vol. 425, p.

674(2003)].

TEM

현재 큰 관심을 받고 있는 나노 기술은 단지 크 기만을 줄이는 개념이 아니라 물리적 관념, 시스 템 디자인, 제조기술에 있어서 혁신적인 사고의 전환을 필요로 한다. 마이크로 전자공학과 마이크 로 시스템에 관한 로드맵에 따르면 연결선 (interconnect)이 100nm 이하가 되면 머지않아 하나의 전자가 소자의 스위칭을 하게 되고 양자역 학적인 현상들이 지배적이게 될 것으로 예측된다.

이와 같은 나노구조의 디자이닝, 제조, 재조립 기술 개발을 위한 핵심기술로서 나노분석의 중요 성은 매우 크다. 대표적인 나노분석기술로서 TEM(Transmission Electron Microscopy)과 SPM (Scanning Probe Microscopy)을 들 수 있다. 이 기술들은 표면이나 고체내에서의 직접적인 원자 구조 이메이징을 가능하게 하며 원자조작을 통한

나노구조 형성을 가능케 한다.

특별히, 분해능이 매우 뛰어난 HRTEM(High- Resolutin Transmission Electron Microscopy)은 고 에너지의 전자빔을 투과시켜 나노물질의 구조 및 조성을 분석하는 기술이다. 나노원자배열 분석 뿐 아니라 EDS(Dispersive X-ray Spectroscopy) 와 EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy) 의 도움으로 TEM은 나노 규모에서 화학적, 전기 적 특성파악 등 다양하고 폭넓은 분석이 가능하다.

이러한 HRTEM은 다양한 형상의 나노입자, 탄소 나노튜브, 나노선, 나노도트 및 나노박막의 구조를 분석하는데 널리 사용되어왔다.

최근에는 TEM 기술에 있어서 나노결정의 동 적인 상변화의 실시간 분석, 전기장과 자기장의 홀로그라피 이미지, 나노미터 이하 해상도를 가지

그림 1. (A) TEM의 탐침에 의한 원자선의 기계적 스트 레칭, (B) 기계적 스트레칭에 의해 만들어진 0~5개의 원자 칼럼의 너비를 갖는 금 나노선들의 HRTEM 이미 지, (C) (B)에 보이는 나노선들의 스트레칭 시간의 함 수로 나타낸 전기전도성, 즉 양자 전도성을 나타낸다.

수치

그림 2. 원자가 축퇴와 이온 크기 (A) 온도가 증가하면 Yb 2+ 이온의 전자는 4f 오비탈에서 5d 오비탈로 이동하 여 들뜬상태가 된다(채워진 부분은 가려짐에 의한 것이다)

참조

관련 문서

• 우주의 팽창에 따라 온도가 내려가면서 반응 속도가 팽창 속도보다 더 빨리 떨어지면 열 평형상태를 유지하지 못하는 상황이 생기고, 열 평형이 깨지는 과정에서

네덜란드 정부를 위해 법 적으로 중요한 질병에 관한 연구, 국가적 국제적 규정을 위한 모든 동물 질병의 연구, 네덜란드에서 중요한 질병에 대한 표준실험실(reference

2.. 그러나 임화에게 이 둘은 모두 탐탁지 않은 것이었다. 일단, 리얼 리즘은 그 경직성으로 말미암아 많은 젊은 작가들에게 그 매력이 없어진 지 오래 였다. 또

바람직하지 않은 현상의 원인들을 조사 해보면 중요한 문제들은 소수에 불과 중요한 소수의 문제들에 치중함으로써 그

[r]

어떤 사람이 외적인 보상을 바라지 않고 스포츠 그 자체가 좋아서 운동을 하면 내적 동기가 높다고 말한다.. 반면, 스포츠 활동을 하는 이유가 상금이나 기타 외적인 보상

태도에 대한 문항들은 단일차원성을 만족하고, 그 태도에 대한 호의적 또는 비호의적 문항(진술)은 그 정도에 따라 순서대로 나열할 수 있어야 한다. • 최선의

인구 집단에서의 질병의 발생과 관계되는 모든 현상을 기술하여, 질병 발생의 원인에 대한 가설을 얻기 위하여 시행되는