“미세시료 온도변화 실시간 포착” UNIST, 신개념 ‘나노온도계’개발

이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 박원우(왼쪽부터) 연구원, 권오훈 교수, 최예진 연구원.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 실시간으로 물질의 초미세구조와 온도 변화를 동시에 관측할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 시료의 특이구조와 열역학적 특성 간의 상관관계를 분석하여 첨단 소재 개발에 쓰일 수 있을 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 권오훈 교수팀은 투과전자현미경 안에서 미세시료의 온도를 정밀하게 측정할 수 있는 범용 ‘나노온도계’를 개발했다고 2일 밝혔다.

개발된 나노온도계는 온도계 역할을 하는 나노입자가 전자빔을 맞아 방출하는 음극선 발광 스펙트럼을 분석해 온도를 측정하는 방식이다. 투과전자현미경은 시료의 미세구조를 관찰하기 위한 빛으로써 전자빔을 이용하는데, 이 전자빔을 온도 측정에도 활용하는 것이다.

기존 개발된 나노온도계는 실시간 투과전자현미경을 이용한 미세구조 변화 관측과 함께 활용할 수 있지만 전자빔의 세기에 따라 매번 보정을 한 후 사용해야 하는 번거로움이 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 나노온도계 소재를 바꿔 온도계의 신뢰도와 범용성을 향상시켰다. 음극선 방출 소재로써 디스프로슘 이온(Dy3+)을 택한 것이다.

연구팀은 디스프로슘 이온을 전자빔의 고에너지를 견딜 수 있는 이트륨 바나데이트(YVO4)에 도핑해 150 nm(나노미터, 10-9 m) 크기의 나노온도계 입자를 합성했다. 개발된 온도계로 주변 온도를 –170℃ ~ 50℃로 바꿔가며 측정했을 때 약 4℃ 이내의 측정 오차를 보였다.

나노온도계의 작동 원리.[UNIST 제공]

또 시료에 레이저빔을 조사해 온도를 올리고 온도 변화의 공간 분포를 추적하는 데도 성공했다. 이는 외부 자극에 의해 실시간으로 변화하는 온도와 구조를 동시에 관측할 수 있는 기술의 유효성을 입증하는 결과이다.

권오훈 교수는 “나노온도계의 소재를 새롭게 설계해 온도 측정의 신뢰도를 크게 향상시켰고 범용성도 확보했다”며 “충·방전에 따라 온도에 민감한 이차전지 소재 및 디스플레이 소재 개발에도 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘에이씨에스나노(ACS Nano)’에 출판됐다.