KAIST, 고체 전해질 내부 나노단위 영상화 성공

(a) 시료 깊이에 따라 가해진 삼각 직류 펄스와 펄스 종료 직후, 이온의 거동을 보여주는 전기화학 변위 현미경 결과, (b) 비행시간형 2차 이온 질량 분석법 및 유도결합 플라즈마 분광분석기 결과와 전기화학 변위 현미경 결과의 상관관계 분석.(KAIST 제공) © 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 리튬이온전지 고체 전해질의 이온 움직임 나노 단위 영상화에 성공했다.

이는 리튬이온전지의 이온 거동 메커니즘 이해를 바탕으로 차세대 배터리 개발에 기여할 것으로 기대된다.

13일 KAIST에 따르면 전기화학 변위 현미경은 나노 크기의 탐침에 전압을 가했을 때 이온의 이동이 유발하는 시료 표면의 변형(displacement)을 측정하는 기술이다.

이같은 변형을 발생시킨 이온의 양과 이온의 이동도 등을 간접적으로 측정할 수 있게 도와주는 역할을 한다.

연구팀은 Δ비행시간형 2차 이온 질량 분석법(Time-of-flight secondary ion mass spectroscopy, ToF-SIMS) Δ유도결합 플라즈마 분광분석기(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)를 이용해 고체 전해질 시료의 깊이에 따른 이온 분포를 정량적으로 계산했다.

이어 전기화학 변위 현미경 결과와의 캘리브레이션(calibration, 계측기 등의 눈금을 표준기 등을 사용해 바로잡는 일)에 성공했다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수(왼쪽)와 박건 박사과정 (KAIST 제공) © 뉴스1

이후, 연구팀은 자신들이 고안한 직류 전압 펄스(pulse)를 시료의 깊이에 따라 가했다.

연구팀은 이같은 방법으로 전기장에 의해 표면으로 이동했다가 다시 내부 쪽으로 확산하는 이온을 전기화학 변위 현미경으로 영상화했다.

특히, 해당 펄스를 설계하는 과정에서 기존 전기화학 변위 현미경 사용에 대한 오류를 지적하고, 개선된 사용 방법에 대해 안내했다.

그 결과, 연구팀은 시간 및 거리의 함수로 이온의 이동 과정을 영상화하는 데 성공했으며, 이 결과를 이용해 깊이 및 이온의 농도에 따라 변화하는 확산계수 값을 정량적으로 보여줬다.

홍승범 교수는 "이온의 움직임을 나노미터 수준에서 정량적으로 관찰할 수 있는 방법론이 다양한 이온 거동의 메커니즘을 규명하는데 기여할 것?이라며 "추후 다양한 실제 소자 구동 환경을 모사한 상태에서 이번 방법론을 적용하는 후속 연구를 진행할 것?이라고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스’에 게재됐다.

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