실시간 원자분해능 전자현미경으로 관찰한 산소 원자의 확산 거동 및 계산 결과. SrFeO3-SrFeO2.5 상 경계면에 형성된 SrFeO2.5+델타(δ) 중간상에서 FeO4 사면체가 산소를 받아 FeO5 로 변한 뒤, 바로 이웃하는 FeO4 사면체에 산소를 전달하는 방식으로 산소의 확산이 일어난다.

한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍)는 오상호 교수 연구팀이 이재광 부산대학교 교수, 최우석 성균관대학교 교수와 공동연구를 통해 고체연료전지의 전극 및 전해질에서 일어나는 산소의 확산을 실시간 원자 단위로 관찰하고, 제일원리 계산으로 검증해 확산 메커니즘을 규명했다고 3일 밝혔다.

고체연료전지에 사용되는 산화물에서 산소의 확산은 전체 반응속도를 결정하는 매우 중요한 단계이다.

페로브스카이트 구조(SrFeO3)에서 브라운밀러라이트 구조(SrFeO2.5)로의 가역적인 위상 상전이 과정에서 일어나는 산소의 확산은 비교적 저온에서 특정 결정 방위로 매우 빠르게 일어난다. 또 부피 변화가 크지 않아 SrFeOx 물질은 고체연료전지의 전극, 전해질로 유망한 재료이다.

SrFeO3-SrFeO2.5 위상 상전이 과정에서 일어나는 물질 내 산소 확산은 철(Fe) 원자의 가전자 상태와 산소 배위수의 변화를 수반하게 된다.

이때 산소의 확산이 불규칙하고 무작위적인 방법으로 일어나는 것보다는 특정한 결정 방위와 경로를 통해 일어나는 것이 에너지적으로 안정하다고 예측돼 왔다.

산소 원자의 확산 거동을 고온에서 실시간으로 추적해 확산 메커니즘을 분석하기 위해서는 공간 분해능과 시 분해능이 매우 뛰어난 원자분해능 실시간 현미경 분석법이 요구된다. 기존 투과전자현미경 분석법으로 스트론튬(Sr), 철(Fe)과 동시에 산소의 움직임을 고속으로 촬영하는 데는 한계가 있고 수많은 이미지를 분석할 수 있는 영상 해석법도 확립되지 않았다.

이에 오상호 교수 연구팀은 수차보정 투과전자현미경을 이용한 실시간 원자분해능 이미징법을 고온(300도)에서 일어나는 SrFeO3-SrFeO2.5 위상 상전이를 적용, 특정 결정 방향으로 산소 확산이 빠르게 일어나 채널이 형성된다.

실험으로 관찰한 확산 경로는 원자단위 시뮬레이션을 통해 에너지적으로 안정한 경로임을 확인했다.

미국에서 설립된 Cell Press 사의 국제학술지 Matter에 온라인으로 실렸으며 (논문명: Atomic-scale Operando Observation of Oxygen Diffusion during Topotactic Phase Transition of a Perovskite Oxide), 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 개인기초 중견연구자사업과 삼성미래기술육성사업의 지원을 받았다.

오상호 교수는 “산소 원자의 격자 내 확산 거동을 고온에서 실시간 원자분해능으로 관찰해 정밀하게 분석한 이번 연구 결과는 전자현미경 분석 능력을 한 단계 발전시킨 데 큰 의의가 있다”며 “향후 고체연료전지 등 신재생 에너지 소재의 원자 단위 실시간 연구에 중요한 분석법으로 활용될 수 있다”고 밝혔다.