KENTECH, 실시간 전자현미경으로 페로브스카이트 박막의 나노입자 용출 메커니즘 규명

중앙일보

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한국에너지공과대학교 (총장 윤의준, KENTECH)의 오상호 교수 연구팀, 독일 막스플랑크 연구소의 한현 박사, 부산대학교 (총장 차정인) 이재광 교수 연구팀이 공동연구를 통해 페로브스카이트 (Perovskite) 박막에서의 나노입자 용출(Exsolution) 메커니즘을 실시간 원자 단위 현미경으로 관찰하고, 제일원리 계산으로 검증하는데 성공했다고 밝혔다.

나노입자의 용출 (Exsolution)은 고온 및 환원 조건에서 금속산화물로부터 금속 이온이 빠져나와 표면에 나노입자가 형성되는 현상으로, 기존의 증착 방식으로 형성된 나노입자보다 월등한 안정성과 효율성으로 친환경 미래 에너지·환경 기술로 주목을 받고 있다.

이러한 용출 현상을 이해하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔으나 구체적인 나노입자 형성의 원자 단위 메커니즘이 규명되지 않았다.

격자로부터의 금속 나노 입자의 생성 및 이동을 실시간으로 추적하여 메커니즘을 분석하기 위해서는 고품질의 결정성 샘플과 공간 분해능 및 시 분해능이 매우 뛰어난 원자분해능 실시간 현미경 분석법이 요구된다.

막스플랑크 연구소의 한현 박사는 화학양론적 (Stoichiometric) 박막보다 화학비양론적 (Non-stoichiometric) 박막에서 용출현상이 더욱 활성화되는 것을 확인하였고, KENTECH의 오상호 교수 연구팀은 수차보정 주사투과전자현미경을 이용한 실시간 원자분해능 이미징법을 통해 화학비양론적 페로브스카이트 박막에서 역위상 경계 (Antiphase boundary)의 형성 및 해당 경계 부위에서 금속 원자들의 뭉침 현상을 발견했을뿐만 아니라, 고온 (700~800도)에서 금속 원자들이 수직으로 형성된 역위상 경계를 통해 박막 표면으로 빠르게 이동하는 것을 관찰하였다

이는 역위상 경계를 통한 원자의 확산 에너지 장벽(Diffusion energy barrier)이 0.68 eV으로 페로브스카이트 격자를 통한 확산 에너지 장벽인 4.37 eV 보다 더욱 낮은 것에 기인하는 것을 제일원리 계산 (부산대학교 이재광 교수 연구팀)을 통해 검증하였다.

또한, 연구팀은 표면으로 이동된 나노입자들이 2단계 결정화 (Two-step crystallization)를 통해 결정성을 가지는 안정적인 구조로 변형되는 것을 실시간으로 관찰하였다. 즉, 초기에는 에너지적으로 안정한 비정질 (Amorphous) 형태의 나노입자들이 표면에 형성된 이후 결정질 (Crystalline) 형태로 변형이 되는 것이다. 최종적으로, 이러한 결정성 나노입자는 페로브스카이트와의 반응성 젖음 (Reactive wetting)을 통해 표면에 나노입자가 박혀 있는 구조를 초래하는 것을 관찰하였다. 이러한 구조는 용출 과정으로 생성된 나노입자의 매우 높은 열적 안정성을 보이는 원인을 나타낸다

KENTECH 오상호 교수는 “격자로부터 금속 나노 입자의 생성 및 확산 거동을 고온에서 실시간 원자분해능으로 관찰하여 정밀하게 분석한 이번 연구 결과는 전자현미경 분석 능력을 한 단계 발전시킨데 큰 의의가 있다. 향후 촉매 및 연료전지 등의 에너지 소재의 원자 단위 실시간 연구에 중요한 분석법으로 활용될 수 있다”라고 밝혔다.

막스플랑크 연구소의 한현 박사는“이러한 나노 입자의 용출 메커니즘을 바탕으로 수전해 및 연료전지 기술의 발전과 동시에 전·자기적 특성의 변화를 통한 전자소재의 응용에도 기여할 수 있을 것이다”고 전망했다.

이번 연구 성과에는 KENTECH의 오상호 교수와 막스플랑크 연구소의 한현 박사가 교신저자로 참여하였고, 박사과정 Yaolong Xing 학생이 공동 제 1저자로 참여하였으며, 부산대학교 이재광 교수와 박사과정 진영록 학생이 공동저자로 함께 참여했다.

또한, 국제 저명 학술지 Nature Communications에 온라인으로 11월 5일에 게재되었으며 (논문명: Anti-phase boundary accelerated exsolution of nanoparticles in non-stoichiometric perovskite thin films), 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 개인기초 중견연구자사업과 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

서명수 기자 seo.myongsoo@joongang.co.kr