npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 1-7

Published online January 31, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.1

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

The Synthesis of β-Ti3O5 and λ-AlxTi3−xO5 with Arc Melting Method

아크 융해로를 이용한 β-Ti3O5 및 λ-AlxTi3−xO5의 합성

Minsik Kong, Seohee Kim, Min Jae Kim, Myeongjun Kang, Gwangcheol Ji, Seonguk Park, Jisung Lee, Yeongjun Son, Sungkyun Park*, Jong Mok Ok

Department of Physics, Pusan National University, Busan 46241, Korea

Correspondence to:*psk@pusan.ac.kr
okjongmok@pusan.ac.kr

Received: October 11, 2023; Revised: October 25, 2023; Accepted: October 25, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Ti3O5 exhibits a metal-insulator transition (MIT) accompanied by a structural change from β- phase to λ-phase at 514 K. During the transition, Ti3O5 demonstrates significant resistance changes and high thermal energy storage characteristics. To harness the beneficial characteristics of Ti3O5, it is essential to develop a growth method that yields homogeneous samples and to control the phase transition temperature. In this study, we successfully synthesized high-quality β-Ti3O5 and λ-AlxTi3−xO5 polycrystalline samples using an arc melting method. Furthermore, the structural and physical properties of β-Ti3O5 and λ-AlxTi3−xO5 were investigated as a function of the Al doping ratio. Our results suggest that the arc melting method provides an effective way to synthesize high-quality Ti3O5 and control the transition temperature of the MIT.

Keywords: Ti3O5, Metal-insulator transition, Arc melting method

마그넬리(Magneli)상 티타늄 산화물인 Ti3O5는 514 K에서 β상에서 λ상으로 변화하며 절연체에서 도체로 변화하는 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT)를 보인다. Ti3O5의 MIT는 큰 저항 변화와 높은 열에너지 저장 특성을 동반하는 것으로 알려져있어 높은 응용성을 가지고 있다. 이러한 Ti3O5의 전기적 혹은 열적 특성을 활용하기 위해선 균일한 시료의 합성과 상전이 온도의 제어가 우선되어야 한다. 본 연구에서는 아크 융해로(arc melting furnace)를 이용한 티타늄 환원법으로 Ti3O5를 합성하였고, 그 구조를 탄소 환원법으로 제조한 Ti3O5와 비교하였다. 또한, 티타늄 환원법을 이용해 Al이 도핑된 AlxTi3−xO5를 합성하고 Al 도핑 비율에 따른 구조, 상전이 온도 및 잠열량을 확인함을 통해 아크 융해법이 Ti3O5를 합성하고 상전이를 온도를 제어하는데 효과적인 합성법임을 확인하였다.

Keywords: Ti3O5, 금속-절연체 전이, 아크 융해법

금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT)는 온도나 압력같은 외부 조건의 변화에 의해 절연체에서 금속으로 변화하는 현상을 말한다. 이 현상은 1930년대에 반도체 물질인 NiO에서 처음 연구되기 시작되어[1], 현재까지 자기장으로 상전이가 제어되는 거대한 자기 저항(colossal magneto-resistance) 효과[2]와 구리계 고온 초전도체에서 발견되는 상전이 현상[3] 등으로 연구가 확장되며 그 중요성이 높아지고 있다.

이를 설명하기 위해서 N. F. Mott[4], J. Hubbard[5], M. C. Gutzwiller[6] 등의 연구자들에 의해 다양한 이론들이 제시되어왔다. 그 중에서 모트-하바드 모형(Mott-Hubbard model)은 MIT를 설명하는 가장 성공적인 이론으로 평가받고 있다. 이 모형은 d 궤도 상태(orbital)(혹은 f 궤도 상태)를 이용해 MIT 현상을 설명한다. 절연체상 MIT 물질의 내부에선 전자간의 강한 상호작용에 의해서 5개의 동등했던 d 궤도 상태가 dxy,dyz,dzx의 3가지 궤도 상태와 dz2,dx2y2 의 2가지 궤도 상태로 갈라지는 결정장 갈라지기(crystal field splitting) 현상이 발생한다. 그로 인해 강한 전자간의 쿨롱 반발력 에 비례하는 에너지 틈이 생기게 되면서 절연체가 된다. 그러나 외부에서 온도 변화나 전기장 등으로 전자 사이의 쿨롱 반발력을 뛰어넘는 에너지가 가해지면 띠틈이 닫히거나 이동하며 도체 상으로 전이하게 된다.

이러한 모트-하바드 모형은 구조변화를 동반하지 않고 MIT 현상을 설명하지만, 실제로는 구조 변화와 함께 MIT 현 상이 일어나는 구조 상전이 MIT 물질이 다양하게 보고되고 있다. 이러한 물질들은 모트-하바드 모형 이외에 파이얼스 전이 모형(Peierls transition model)[7], 앤더슨 모형(Anderson model)[8] 등의 강한 상호작용을 이용한 다양한 모형들이 복합적으로 이용되면서 강한 상호작용을 이해하기 위한 발판으로써 꾸준하게 연구되고 있다. 구조 상전이 MIT 물질에는 대표적으로 VO2와 TiOx가 있다. 그 중 VO2는 1959년에 처음 발견되어[9] 다양한 연구가 진행되었으나, 비교적 최근 에 전기 전도도와 열 전도도가 비례한다는 비데만-프란츠 법칙(Wiedemann-Franz law)에 위배된다는 것이[10] 새롭게 발견되는 등 완벽히 설명되지 않는 현상들이 여전히 존재하는 연구 가치가 높은 물질이다.

다른 구조 상전이 MIT 물질인 TiOx에 대한 연구는 1968년에 Ti2O3에서 MIT 현상이 발견된 이래로[9] 지속적으로 이뤄지고 있으며, 최근 여러 산화수의 TiOx 물질군들로 관심이 확장되고 있다. TiOx는 구조 변화를 통한 상전이가 발견된 다는 점, 온도뿐만 아니라 압력[11]이나 레이저[12] 등으로도 상전이를 유도할 수 있다는 점, 그리고 다양한 산화수를 가진 전이금속 화합물이라는점에서 VO2와 매우 유사한 물질이다. 그렇기에 VO2의 MIT 현상 연구를 통해 제시된 다양한 이론 과 모형들이 전이금속 산화물 MIT 물질들에 일반적으로 적용되는지를 확인하기 좋은 물질이다. 그중에서도 마그넬리상 티타늄 산화물인 Ti3O5는 온도에 따른 구조 변화를 통해서 저항이 크게 변화하는 MIT 물질이다. Ti3O5는 온도나 합성 환경에 따라 α, β, λ, γ, δ의 5개의 구조를 가지고 있다고 알려져 있다[13]. 이렇게 Ti3O5는 다양한 구조 변화를 보여주는 물질이기에 구조적인 변화를 동반하는 MIT 현상을 연구하는데 있어서 다른 마그넬리상 티타늄 산화물들에 비해 중요도가 높다.

Ti3O5의 MIT는 Fig. 1에서 보여지듯이 결정 구조 변화에 의한 궤도 상태의 변화로 이해되고 있다[14]. 상온의 β-Ti3O5의 경우 페르미 준위 부근의 Ti3+d 궤도 상태들이 서로 강한 상호작용으로 인해 국소 상태(localized state)를 이루어 절연체가 되지만, 온도가 상승하여 격자간 거리가 멀어지게 되면 상호작용이 약해지며 Ti의 d 궤도 상태 사이에 전자의 이동이 가능해지면서 도체로 상전이가 된다. 이렇듯 Ti3O5는 전자-전자간의 강한 상호작용과 밀접한 관련이 있기 때문에 MIT 현상을 이해하는데 중요한 물질이다.

Figure 1. (Color online) Illustration of structure transition of Ti3O5. Green, blue, and purple indicate d-orbitals of Ti atom near the Fermi level.

학문적 중요성뿐만 아니라 MIT 현상은 응용성 측면에서도 높은 가치를 가진다. 급격한 저항의 변화를 이용하는 센서[15], 산소 비율에 따른 저항 변화를 이용한 이전의 상태를 기억하는 멤리스터 소자[16], 상전이 온도의 제어를 통한 계단식 저항 변화를 이용한 뉴로모픽 소자[17] 등의 다양한 응용분야에서 활용될 가능성이 있기 때문이다. 특히, Ti3O5는 상전이 과정 중 잠열로 약 230 kJ/L의 열에너지를 저장할 수 있어 이를 이용한 에너지 저장 물질로써 크게 주목받고 있다[18]. 앞서 언급한 응용 가능성에도 불구하고, 514 K의 상대적으로 높은 상전이 온도로 인해 Ti3O5의 활용이 고온 응용분 야에 국한되고 있다. 따라서, 광범위한 응용 분야에 활용되기 위해서는 상전이 온도를 상온까지 낮추는 노력이 우선되어야 한다.

Ti3O5의 MIT을 활용하기 위해서 필수적으로 요구되는 상전이 온도 제어는 불순물 도핑과 입자 크기 조절을 통해서 이루어지고 있다. 도핑을 통한 상전이 온도 제어에는 Al, Fe, Mg[19-21]등의 불순물이 활용된다. 불순물이 도핑을 통해 Ti 자리에 대체되면 Ti-Ti d 궤도 상태의 결합이 약해지며 상전이 온도 감소를 유발한다. 이 방법은 도핑 비율의 조절을 통해서 원하는 만큼 상전이 온도를 감소시키는 것이 가능하다는 장점이 있어 상전이 온도 제어의 측면에서는 가장 적합한 방법이다. 하지만 도핑은 전기적, 열적 특성을 함께 변화시키기 때문에 최소의 도핑 비율로 최대의 상전이 온도 감소를 이룰 수 있는 물질을 탐색하는 것이 필요하다. 또한, 입자 크기 조절을 통한 상전이 온도 제어는 Ti3O5의 표면 에너지를 증가시킴으로써 상전이에 필요한 에너지를 감소시키는 것을 통해 이루어진다[14]. 이 방법을 통해 상전이 온도를 상온 이하로 낮출수 있지만, 상전이 온도 제어 메커니즘에 대한 정확한 이해 부족으로 추가적인 연구가 필요한 상황이다.

더불어, 상전이 온도를 낮추는 것뿐만 아니라 단일한 상의 균질한 시료를 경제적인 방법으로 얻는 것 역시 산업적 활용을 위해서 중요하다. 티타늄 산화물은 Ti2O3부터 Ti9O17까지 다양한 산화수의 물질이 존재하기에 정확히 환원 및 도핑할 수 있는 합성 방법 개발이 필수적이다. Ti3O5는 지금까지 고상 반응법(solid state reaction)법을 이용한 환원, 졸-겔법(sol-gel method)[22], 그리고 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD)[23] 등의 방법으로 합성되고 있다.

고상 반응법은 고체 상태의 원물질(raw material)을 수소[24], 탄소[25], 티타늄[26]과 같은 환원재를 이용하여 환원시키는 방식을 말한다. 우선 수소를 이용한 환원 방식은 TiO2를 약 1500 K에서 수소 기체에 노출시키는 것을 통해서 이루어지며 그 반응식은 아래와 같다.

3TiO2(s)+H2(g)Ti3O5(s)+H2O(g)

이 방식은 H2의 높은 반응성으로 인해 비교적 쉽게 Ti3O5를 합성할 수 있으나, 기체와 고체 간의 반응에서 오는 표면과 내부의 반응 차이 때문에 균일한 시료를 만들기는 어렵다는 단점이 존재한다.

탄소 환원 방식은 TiO2와 C를 혼합하여 아르곤과 같은 비활성 기체를 흘려주며 약 1300 K 이상의 온도에서 수 시간 가열하여 얻을 수 있으며 그 반응식은 아래와 같다.

3TiO2(s)+C(s)Ti3O5(s)+CO(g)
3TiO2(s)+CO(g)Ti3O5(s)+CO2(g)

탄소를 이용한 환원 방식은 고체-고체 간 반응이기 때문에 시료의 내부까지 균일한 상을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 탄소의 양이나 아르곤 기체 유량 등의 영향을 받아 반응식 3과 같이 CO가 CO2로 추가적으로 환원될 수 있기에 여전히 고품질의 시료를 얻기에는 부족한 점이 많다.

티타늄를 이용한 환원 방식은 Ti와 TiO2를 혼합하여 비활성 기체를 흘리며 1400 K 이상의 온도에서 약 2주간 가열하여 얻을 수 있으며, 그 반응식은 아래와 같다.

5TiO2(s)+Ti(s)2Ti3O5(s)

이 방식은 타타늄의 반응성이 수소와 탄소 환원재에 비해 낮아 합성시간이 길어지는 경제적인 문제가 있다. 그러나 Ti와 O 이외에 다른 물질이 반응에 참여하지 않아 불순물이 적은 고품질의 시료를 합성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

본 연구에서는 타타늄 환원 방식의 높은 순도라는 장점은 유지하고 긴 반응 시간이라는 단점은 줄이기 위해 아크 융해로 (arc melting furnace)를 이용하였다. 아크 융해로에서는 2300 K 이상의 고온까지 빠르게 도달할 수 있어 합성 시간을 대폭 줄이는 것이 가능하다. 실제로 합성시간을 2주(기존)에서 30분으로 단축시킬 수 있었다. 이를 통해, 균질한 고품질 Ti3O5 시료를 확보하는데 성공하였다. 더 나아가, Al 도핑을 통해 상전이 온도 약 340 K까지 낮출 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

Ti3O5는 TiO2(99.8%, anatase type) 나노 파우더와 C(carbon black) 나노파우더를 재료로 탄소 환원 방법을 이용해 합성하였다. 먼저, TiO2와 C를 3:x (x = 1, 1.05, 1.1)의 화학량론적 비로 물질을 혼합한 뒤 20 MPa의 압력으로 압착 성형하여 보트형 Al2O3 도가니의 중앙에 놓는다. 이 후, 튜브형 전기로(tube furnace)의 중앙에 준비된 시료를 놓은 뒤 아르곤 기체 유량 0.5 L/min, 1523 K의 온도로 3시간 가열하였다.

고품질 AlxTi3-xO5 (x = 0.0, 0.03, 0.05, 0.06, 0.1) 벌크 시료는 TiO2(99.8%, anatase type) 나노파우더, Ti(99.7%), 그 리고 Al2O3(99.99%)를 시작물질로 하여 아크 융해로를 이용해 합성되었다. 아크 융해로는 참고문헌[27]의 장비와 유사한 구조로, 크게 챔버와 수냉식 구리 도가니, 텅스텐 전극으로 구성되어 있다. 아크 융해로 챔버 내부에 준비된 시료를 수냉식 구리 도가니 위에 놓은 뒤, 10 A 이상의 고전류를 텅스텐 전극에 흘려 이로 인해 발생하는 아크 방전으로 물질을 합성할 수 있었다. Al2O3:TiO2:Ti = 2x:(10 - 3x):(2-x)의 화학양론적 비로 물질을 혼합한 뒤 이를 20 MPa의 압력으로 압착 성형한다. 이후 준비된 시료를 아크 융해로의 챔버에 넣고 회전 진공 펌프를 이용해 10-2 Torr 수준의 진공상태를 만든 뒤, 고순도 아르곤 가스를 9 Torr까지 채우는 퍼지(purge) 과정을 3회 반복한다. 이후 전극에 10 A에서 20 A 사이의 전류를 인가하여 펠렛이 완전히 녹인 뒤 5분간 추가로 가열한다. 이후 녹여서 얻어낸 물질은 균일성을 위해 뒤집어 다시 녹이는 과정을 추가적으로 2회 반복한다. 합성된 펠렛 형태의 시료들은 분쇄하여 가루로 만든 뒤 X-선 회절분석기(X-Ray diffraction; XRD, 부산대학교 핵심연구지원센터 X-pert 3)과 시차 주사 열량계(differential scanning calorimetry; DSC)을 이용해 그 구조와 상전이 온도를 분석하였다.

우선 탄소 환원을 통해 합성된 Ti3O5에 대한 XRD 결과는 Fig. 2(a)와 같다. 반응식 2에서와 같이 Ti3O5를 합성하기 위한 정확한 몰비율인 TiO2:C = 3:1의 비율로 합성한 샘플에서는 환원이 덜 진행되어 Ti5O9이 합성되었다. 그리고 탄소 비율을 증가시키면서 합성하면 Ti3O5를 거쳐 Ti2O3로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 탄소 환원 방식으로는 환원 반응 조절의 어려움 때문에 원하는 단일상을 얻기 힘들다는 것을 보여준다. 이에 반해, 아크 융해로를 이용한 티타늄 환원법으로 합성된 샘플은 XRD 분석을 통해서 Fig. 2(b)와 같이 Ti3O5 단일상이 합성되었음을 확인할 수 있다. Ti3O5 단일상의 형성은 탄소 환원법의 불균일성을 아크 융해로를 이용한 티타늄 환원법이 해결하고 있음을 보여준다.

Figure 2. (Color online) XRD patterns of Ti3O5 samples by (a) carbon reduction with different carbon rate and (b) Ti reduction using arc melting furnace.

추가적으로 탄소 환원법에 의해 합성된 Ti3O5β상과 λ상이 혼재되어 있으나, 티타늄 환원법에 의해 합성된 시료는 순수한 β상임을 확인할 수 있다. 이러한 상 변화의 원인은 도핑과 입자의 나노화가 있을 수 있으나, 일반적으로 도핑시 나타나는 (101)픽의 이동[19]이 확인되지 않아 다른 원소의 도핑으로 보기는 어렵다. 또 다른 가능성인 입자의 나노화 를 확인하기 위해서 XRD 픽의 반치폭을 구하고 이를 아래의 셰러 방정식(Scherrer Equation)에 대입하여 입도 크기를 계산하였다.

B(2θ)=KλxLcos(θ)

여기서 B(2θ)는 주어진 브래그 각(Bragg angle)에서 계산된 입자의 크기, θ는 브래그 각, λx는 X-Ray의 파장(Cu Kα의 경우 0.15418 nm), L은 반치폭, K는 형상계수(0.94로 계산)이다. 셰러 방정식을 이용한 입자 크기 분석의 경우, 30° 이하의 저각에서 보이는 픽 비대칭성[28]을 고려하여 30° 이상에서 상대적 강도가 높은 픽을 이용하는 것이 오차를 줄일 수 있기 때문에 탄소 환원 시료와 티타늄 환원 시료는 각각 48°와 43.1° 픽을 이용해 분석하였다. 탄소 환원 시료에서는 반치폭 0.4862°이며, 대응되는 입자 크기는 약 17.59 nm으로 확인되었다. 반면, 티타늄 환원 시료의 반치폭은 0.1690° 이며, 입자 크기 52.82 nm로 추정되었다. 이 결과는 티타늄 환원 시료가 탄소 환원 시료에 비해 약 3배 큰 입자 크기를 가짐을 보여준다. 티타늄 환원 시료의 큰 입자는 높은 반응 온도에 의한 용융때문으로 이해될 수 있다. 졸-겔법으로 합성된 λ상 Ti3O5의 입자 크기가 평균 25 nm였다는 보고[14]가 있었으므로, 탄소 환원 시료에서 λ상 Ti3O5가 나온 이유가 입도 크기의 나노화가 원인이라고 결론지을 수 있다. 이를 통해 탄소 환원 방식은 아크 융해로를 이용한 티타늄 환원법과 달리 환원 반응을 제어하고 상전이 온도를 제어하는 것에 어려움이 따른다는 것을 알 수 있다.

상전이 온도제어를 위한 Al 도핑은 티타늄 환원 방법을 통해 시도되었다. Al 도핑된 Ti3O5는 XRD 분석을 통해 아래 Fig. 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. Al의 도핑 비율이 높아질수록 λ상의 비율이 커지고, x = 0.1에서는 λ상 Ti3O5가 지배적이었다. 특히, Fig. 3(b)에서 보는 바와 같이 31°에서 36° 사이의 XRD 픽을 통해서 Al의 도핑 비율이 높아질 수록 33.5°와 34.5° 부근의 β상 Ti3O5 픽은 줄어들고, 32.5°와 33° 부근의 λ상 픽을 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 플로팅 존(floating zone)방법으로 AlxTi3-xO5를 합성한 이전 연구[19]와 비슷한 결과임을 알 수 있다. 또한, 탄소 환원을 이용해 Al을 도핑한 다른 연구[29]에서 x = 0.06에서부터 λ상이 확인되고 x = 0.18에서 완전히 λ상으로 변화하여 본 연구보다 낮은 상전이 온도 감소 효율을 보여준다. 이를 통해서 탄소 환원을 이용한 합성에서는 Al이 완전히 도핑되지 못한다는 것을 알 수있다.

Figure 3. (Color online) (a) XRD patterns of AlxTi3-xO5 samples. (x = 0–0.1) (b) Magnified XRD patterns from 31° to 36°.

추가적으로 온도에 따른 상전이 특성을 정확히 확인하기 위해 DSC 측정을 진행하였으며, 아래 Fig. 4와 같은 결과를

Figure 4. (Color online) (a) DSC results of AlxTi3-xO5 (x = 0–0.1) samples. Positive side is a result of heating process and negative side is a result of cooling process. (b) Transition temperature change with different Al doping rate. Red upper triangles are transition temperature at heating process, and blue downward triangles are transition temperature at cooling process. (c) Latent heat during transition with different Al doping rate. Red bars are absorbed heat energy, and blue bars are emitted heat energy.

얻을 수 있었다. Al의 도핑 비율이 x = 0.0에서 부터 x = 0.1로 늘어날 수록 가열과정에서는 26.5 K/at%, 냉각과정에서는 43.6 K/at%로 상전이 온도가 떨어짐을 확인할 수 있었다. 특히, 승온 시에는 x = 0.1에서는 약 369 K, 냉각 시 x = 0.06에서 348 K로 VO2의 상전이 온도인 341 K에 근접하고 있다. 이는 Al3+ 이온이 Ti3O5 내의 Ti3+와 대체되면서 국지화된 궤도 상태 결합이 사라지지 때문이라고 이해되고 있다[29].

또한, x = 0 시료는 승온 시 단위 부피 당 잠열량 203.4 kJ/L로 고품질 시료를 이용한 종전의 연구[18]에서 보고된 결과와 유사함을 알 수 있다. 이 값은 주로 사용하는 상변화 물질인 파라핀 왁스의 잠열량 약 0.79 kJ/L에 비해 250배[30], VO2의 잠열량 82.2 kJ/L에 비해서 2.5배가량 큰 값이다[31]. 심지어 330 kJ/L의 높은 잠열량을 가진 물과 비교해도 충분히 높은 값이기에 에너지 수확 물질로 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있다. 하지만 냉각 과정에서는 약 425 K에서 상전이가 보이는 히스테리시스(hysterisis) 현상을 보여줬으나, 승온 과정과는 달리 DSC 픽이 넓고 잠열 역시 170.0 kJ/L로 약 16%가량 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이는 시료의 성분 혹은 입자 크기의 불균일성 문제인 것으로 보인다. 이러한 문제는 Fig. 4(b)와 Fig. 4(c)에서 보여지듯이 Al 도핑양이 증가되면 더 뚜렷하게 나타난다. Al 도핑비율이 증가함에 따라 상전이 온도 감소하지만 동시에 잠열량 역시 감소하고 있다. 특히, x = 0.05 이상에서는 약 38%로 감소하고, x = 0.1 에서는 거의 90% 이상 감소하는 것으로 확인되었다. 이를 통해 일정수준 이상의 도핑은 열저장 특성을 크게 저하시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서, 에너지 수확 물질로써 Ti3O5를 활용하기 위해서는 상전이 온도 감소 효율이 높은 도핑 물질의 탐색이 필수적이고, 이를 위해선 Ti3O5의 상전이 온도 변화의 정확한 메커니즘을 이해하기 위한 이론적 계산과 실험적 검증이 추가적으로 필요하다.

본 연구에서는 아크 융해로를 이용한 티타늄 환원 방식으로 탄소 환원 방식에 비해 균일한 고품질의 Ti3O5 시료를 합성하는데 성공하였다. 아크 융해로를 이용한 시료 합성에서는 합성 온도를 크게 높임으로써, 티타늄의 반응성을 높여 반응 시간을 크게 단축할 수 있었다. 이러한 방법을 이용하여 Al 도핑된 Ti3O5를 합성하였으며, 도핑을 통해 상전이 온도가 효 과적으로 제어될 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 그러나 상전이 온도의 감소와 함께 잠열양도 함께 어짐이 관측되어 일정량 이상의 도핑은 Ti3O5의 열적인 특성을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 상전이 온도 제어에 더 효과적인 도핑 물질에 대한 탐색의 필요성을 시사한다. 본 연구를 통해 개발된 아크 융해로를 이용한 티타늄 환원 방식은 고품질의 Ti3O5를 확보할 수 있는 방법을 제공함으로써, 향후 상전이 온도 제어에 효율적인 도핑 물질을 탐색하고 상전이 메커니즘을 이해하는데 있어 중요한 위치를 차지하게 될 것으로 판단된다.

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었습니다.

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