□ 원자세계를 관찰할 수 있는 ‘수차보정 투과전자현미경’을 활용해 산화물의 환원과정에서 원자구조의 변화를 실시간으로 관찰하는 기술이 개발 돼 고체산화물을 사용하는 연료전지의 성능 개선 연구에 새로운 계기가 마련될 전망이다. □ 한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 KBSI) 환경·소재분석본부 전자현미경연구부 장재혁 박사는 ‘수차보정 투과전자현미경’을 활용해 산화물 내에서 산소의 이동현상에 따른 물질의 구조변화를 실시간 이미징(In Situ Imaging)으로 관찰하는데 성공했다고 밝혔다. □ 3세대 연료전지라고 불리는 고체산화물연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 산소의 환원반응에 의해 양극(+)에서 생겨난 산소이온이 음극(-)에서 수소와 반응하며 전자를 생성해 전류가 발생하기 때문에 산소환원에 따른 구조변화를 이해하는 것은 대단히 중요하다. □ 하지만 투과전자현미경을 활용한 지금까지의 구조연구는 전자빔으로 물질을 투과하여 분석하는 투과전자현미경의 특성 상 실험과정에서 시료의 손상이 불가피하여, 최대한 전자빔에 의한 시료의 변화를 억제하거나 전자빔에 의해 이미 산소이온들이 환원되어 버린 구조를 관찰하는 결과론적인 연구에 머물렀다. - 또한 최근에는 산화물에서 산소원자의 빈자리를 인위적으로 조절하여 산화물의 특성을 변화시키려는 시도가 있지만, 산소의 환원과정에서 발생하는 구조변화의 규칙을 정확히 이해하지 못해 어려움을 겪어왔다. □ 이번 연구에서 장재혁 박사는 ‘수차보정 투과전자현미경’이 지닌 작은 전자빔 1 옹스트롱(Å;10-10m)을 산화물에 짧은 시간(10-6초) 조사하면 산화물이 훼손되는 것이 아니라 오히려 원하는 환원과정을 유도할 수 있다는 것을 실험적으로 증명했다. - 약 20분에 걸친 산화물의 환원과정을 1,700여 장의 이미지로 촬영해 실시간 관측에 성공함에 따라 그 동안 전산 계산을 통해 예측되어 온 산소이온의 이동 경로를 실험적으로 직접 관찰할 수 있게 돼 기초과학 뿐 아니라 관련 신소재 개발연구에 새로운 방향을 제시할 수 있게 됐다. □ KBSI와 미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Lab.)의 공동연구로 진행된 이번 성과는, 나노소재 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘ACS Nano’誌 7월 25일자 온라인판에 게재(논문명 : In Situ Observation of Oxygen Vacancy Dynamics and Ordering in the Epitaxial LaCoO3 system, IF=13.942)에 게재되고 7월 호 표지 논문으로도 선정되었다. □ KBSI 장재혁 박사는 “이번 연구를 통해 수차보정 투과전자현미경을 활용한 원자레벨의 분석분야에서 새로운 연구가 가능해졌다”며 “재료의 원자구조의 변화와 그 물질의 성질에 대한 상관관계를 규명할 수 있는 투과전자현미경 분석기술 개발에 더욱 집중할 계획”이라고 밝혔다. ☎ 문의처 : KBSI 전자현미경연구부 장재혁 선임연구원 |