산화물 원자 구조 바뀌는 과정을 실시간으로 보는 기술 개발

2017.07.25 14:30

산화물의 환원 과정을 시각적으로 실시간 관찰하는 기술이 개발됐다. 고체 산화물을 쓰는 연료전지의 성능 개선에 활용될 전망이다. 

 

한국기초과학지원연구원(KBSI) 환경소재분석본부 전자현미경연구부 장재혁 박사는 원자 세계를 관찰할 수 있는 수차보정 투과전자현미경을 활용, 산화물 안에서 산소의 이동에 따른 물질의 구조 변화를 실시간 이미징으로 관찰하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

 

수차보정 투과전자현미경이 지닌 작은 전자빔 1 옹스트롱(Å;10-10 m)을 산화물에 짧은 시간(10-6초) 조사하면 산화물이 훼손되는 것이 아니라 오히려 원하는 환원 과정을 유도할 수 있음을 실험적으로 증명했다. 시료 손상 없이 정확히 물질의 특성을 분석하고, 원하는 성질을 갖도록 만들 수 있어 기초과학뿐 아니라 관련 신소재 개발 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

 

 장재혁 박사가 산화물 구조의 촬영 이미지를 분석하고 있다. - 한국기초과학지원연구원 제공
장재혁 박사가 산화물 구조의 촬영 이미지를 분석하고 있다. - 한국기초과학지원연구원 제공

고체산화물연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 산소의 환원 반응에 의해 양극(+)에서 생겨난 산소이온이 음극(-)에서 수소와 반응하며 전자를 생성해 전류가 발생하기 때문에 산소 환원에 따른 구조변화 이해가 중요하다.

 

기존 구조 연구는 전자빔으로 물질을 투과해 분석하는 투과전자현미경의 특성 때문에 실험 과정에서 시료 손상이 불가피했다.  전자빔에 의해 이미 산소 이온들이 환원되어 버린 구조를 관찰하는 결과론적 연구에 그쳤다.

 

최근 산화물에서 산소 원자의 빈자리를 인위적으로 조절해 산화물의 특성을 변화시키려는 시도가 있지만, 산소 환원 과정에서 발생하는 구조 변화의 규칙을 정확히 이해하지 못해 어려움을 겪고 있기도 하다.

 

약 20분에 걸친 산화물 환원 과정을 1700여 장의 이미지로 촬영해 실시간 관측할 수 있게 됨에 따라 그 동안 전산 계산을 통해 예측해 온 산소 이온의 이동 경로를 실험적으로 직접 관찰할 수 있게 됐다. 장재혁 박사는 “이번 연구를 통해 수차보정 투과전자현미경을 활용한 원자 수준의 분석 분야에서 새로운 연구가 가능해졌다”며 “재료의 원자 구조 변화와 그 물질의 성질에 대한 상관 관계를 규명할 수 있는 투과전자현미경 분석기술 개발에 더욱 집중할 계획”이라고 말했다.

 

이번 연구는 KBSI와 미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Lab)가 공동 진행했으며 학술지 ‘ACS나노’ 7월호 표지 논문으로 선정됐다.

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