Update2024.06.12 (수)
일본 도쿄공업대학 응용세라믹스 연구소는 중앙대, 고휘도 광과학 연구센터, 교토 대학과의 공동 연구에 의해 실온 부근에서 기존 재료의 2배 이상 ‘음의 열팽창’을 나타내는 산화물 재료 ‘BiNi1-xFexO3(비스무트·니켈·철 산화물)’을 발견했다.
첨가 원소의 양을 변화시킴으로써 음의 열팽창이 나타나는 온도 영역을 제어할 수 있으며, 지금까지 재료의 문제점이었던 온도 이력을 억제할 수 있다.
음의 열팽창 재료는 광통신 및 반도체 제조 장치 등 정밀한 위치 결정이 요구되는 국면에서 구조재의 열팽창을 상쇄해 제로 열팽창 물질을 제작하는데 사용된다. 이번 신소재를 에폭시 수지 중에 소량 분산시킴으로써 열팽창을 제로로 할 수 있는 것도 확인했다.
대부분의 물질은 온도가 상승하면 열 팽창에 따라 길이나 부피가 증가한다. 광통신, 반도체 제조 등의 정밀한 위치 결정이 요구되는 상황에서는 이 작은 열 팽창이 문제가 된다. 때문에, 온도가 올라감에 따라 수축하는 ‘음의 열 팽창’을 갖는 물질을 이용해 구조재의 열 팽창을 상쇄하는 방법이 활용되고 있다.
현재는 음의 열 팽창을 갖는 물질의 종류가 적고, 시판되고 있는 물질들은 온도 상승 1℃당 100만 분의 40(-40×10-6 /℃)의 음의 선열 팽창 계수(수축) 정도로 작은 게 문제였다.
연구팀이 2011년에 보고한 Bi0.95La0.05NiO3(비스무트·란탄 니켈 산화물)은 온도 상승 1℃당 100만 분의 82(-82×10-6 /℃)라는 거대한 음성의 열 팽창을 나타내는데, 온도 이력(승온시와 강온시 시료 길이에 차이가 나는 것)이 큰 것이 문제였다. 또한, 열 팽창 억제제로서의 실증도 이루어지지 않았다.
이번 연구에서는 ‘페로브스카이트’라는 구조를 가진 산화물 BiNi1-xFexO3(비스무트·니켈·철 산화물)이 실온 부근의 온도 영역에서 온도 상승 1℃당 100만 분의 187(-187×10-6 /℃)이라는 Bi0.95La0.05NiO3의 2배 이상의 음의 선열팽창 계수를 갖는 것을 발견했다. 이에 따라 열 팽창 억제제로 이용량을 절반으로 줄일 수 있다.
대형 방사광 시설 SPring-8의 빔라인 BL02B2를 이용한 방사광 X선 회절에 의한 정밀 구조 해석과 BL27XU의 방사광 X선 흡수 실험을 통해, 저온에서는 비스무트(Bi)의 절반이 3가, 나머지 절반이 5가라는 특이한 산화 상태를 갖고 있지만, 온도가 올라가면, 니켈(Ni)의 전자가 5가의 비스무트에 이동해 니켈이 2가에서 3가로 변화해 산소를 더욱 강하게 끌게 되는 것이 나타났다.
이때 페로브스카이트 구조의 골격을 만드는 니켈(Ni)-산소(O)의 결합이 줄어들기 때문에 약 3%의 부피 수축이 일어난다. 이 변화는 서서히 일어나기 때문에, 넓은 온도 범위에 걸쳐 연속적으로 길이가 수축하고 음의 열 팽창이 관측된다.
X선 회절 실험에서 구한 미시적인 격자 상수 변화와 열 기계 분석 장치를 이용한 거시적인 시료 길이의 변화 모두에 음성의 열 팽창을 확인했다.
또한, 음의 열 팽창이 일어나는 온도 영역을, 니켈(Ni)을 치환하는 철(Fe)의 양을 변화시키는 것으로 조절할 수 있음을 알아냈다. Bi0.95La0.05NiO3(비스무트·란탄 니켈 산화물)에서는 La농도를 늘릴 경우 70℃ 이상이 돼 버리는 온도 이력의 폭을 BiNi1-xFexO3(비스무트·니켈·철 산화물)에서는 조성에 의하지 않고 15℃ 이하로 억제할 수 있었다.
또한, BiNi0.85Fe0.15O3의 분말을 비스페놀형 에폭시 수지에 부피 기준 18% 분산시킨 그림 3의 복합재료를 제조, 온도 상승 1℃당 100만 분의 80(80×10-6 /℃)이라는 에폭시 수지의 열 팽창을 상쇄하고, 27℃에서 57℃의 범위에서 제로 열 팽창을 실현할 수 있다는 것을 밝혀냈다.
이번에 새롭게 발견된 음의 열 팽창 재료는 정밀 광학 부품 및 정밀 기계 부품 등 기존의 음의 열 팽창 재료가 맡고 있던 여러 분야에서 이용될 것으로 기대된다. 아울러 절연체-금속 전이를 따름에 따라 길이의 변화를 전기 저항의 거대한 변화로 변환하는 고정밀 센서 재료에 대한 응용으로도 이어질 수 있다.
