지금까지 전자현미경을 사용하여 원자 수준에서 물질의 구조 변화 과정을 실시간으로 관찰하기는 어려웠습니다.

따라서 변화를 일으키는 원인이 연구자의 의도에 따른 자연스러운 변화인지, 실험 과정에서 발생하는 의도치 않은 자극이나 훼손에 의한 변화인지 알기가 어려웠습니다.

연구자는 물질의 구조 변화가 끝난 결과만을 알 수 있으며, 변화 과정에 대해서는 예측만 가능할 뿐이었습니다.

원자 수준에서 물질의 구조 변화를 제어할 수 있다면 새롭고 우수한 성능을 가진 신소재를 개발할 수 있기 때문에 변화 과정을 밝히는 연구는 매우 중요한 기초과학 분야입니다.

한국기초과학지원연구원 장재혁 박사는 수차보정투과전자현미경을 이용해 산화물 재료에서 산소가 떨어져 나가는 환원 과정을 실시간으로 관찰하여 지금까지 예측에 머물렀던 환원의 중간 과정을 규명하는데 성공했습니다.

1 옹스토롱의 전자빔을 매우 짧은 시간 조사하여 산화물 재료의 훼손을 막고 원하는 환원 과정을 유도할 수 있었으며, 산소의 환원으로 인한 재료의 구조 변화 양상을 실험적으로 직접 관찰할 수 있었습니다.

관찰 결과, 환원이 시작되면서 산소가 떨어져 나간 층과 머물러 있는 층이 2:1 비율 구조를 가지면서 산소가 떨어져 나간 자리에 이웃한 코발트 원자는 점차 서로 가까워지고 란타늄 원자는 점차 서로 멀어지는 현상을 확인했습니다.

환원의 마무리 단계에서는 산소가 떨어져 나간 층과 머물러 있는 층이 1:1 비율 구조로 안정화되었고 이웃한 코발트 원자는 서로 가까워지고 란타늄 원자는 서로 멀어진 최종 구조의 모습을 확인할 수 있었습니다.

이번 연구성과는 수차보정투자전자현미경을 통한 원자 수준 분석 기술의 새로운 전기를 마련하였으며, 향후 3세대 연료전지나 차세대 이차전지의 전극, 촉매 등의 소재로 주목받는 산화물의 특성을 규명하는데 기여하게 될 것입니다.