국내 연구진이 세계 최초로 팔라듐 수소화물의 존재와 생성원리를 밝혔다. 또한 이를 바탕으로 수소와 리튬 등의 경량 원소를 함유하는 합금소재의 새로운 합성 방법론을 제시함에 따라 수소연료전지와 저장장치 등 친환경 에너지소재 개발을 향한 국제사회의 움직임이 더욱 가속화될 전망이다.
수소화물 (水素化物, hydride) : 수소가 다른 원소와 결합한 화합물
한국과학기술연구원(원장 윤석진, 이하 KIST)은 청청신기술연구본부 천동원 박사팀이 기존에 보고된 바 없는 새로운 준안정상 팔라듐 수소화물(PdHx) 소재 개발과 함께 생성 기전을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘네이처’(Nature, IF 49.962) 지 최신호에 게재됐다.
‘준안정상’(metastable phase) 물질이란 열역학적으로 에너지가 낮은 안정한 상태로 존재하는 대부분의 물질과 다르게 열역학적 에너지가 안정상 보다 높지만, 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지의 양이 매우 커서 준안정 상태로 존재하는 물질이다. 다이아몬드와 흑연을 대표적인 예로 들 수 있다. 다이아몬드와 흑연은 같은 탄소로 이뤄져 있지만 일반적인 대기압과 상온에서 흑연은 안정상(stable phase), 다이아몬드는 준안정상(metastable phase)으로 존재한다. 열역학적으로 에너지가 높고 불안정한 상태인 다이아몬드가 낮은 에너지와 안정한 상태의 흑연으로 변화하려면 매우 큰 에너지가 필요하다. 이에 따라 물질의 집합 상태가 다른 상으로 변화하는 상변태(phase transformation)를 하지 않고 준안전상으로 존재한다. 그간 준안정상을 통해 새로운 성능을 갖는 소재의 개발에 대한 많은 연구가 이뤄졌으나, 절삭·가공용 다이아몬드 합성과 박막증착처럼 주로 경험적인 방법론에 의존해 한계를 보여왔다.
KIST 연구진은 백금과 비슷한 촉매 작용과 함께 수소를 흡수하는 성질로 차세대 수소 에너지의 핵심소재로 주목받고 있는 팔라듐에 주목했다. 연구진은 준안정상 소재 개발의 체계적인 이론화를 위해, 투과전자현미경 액상셀 내부에 수소가 충분한 수소분위기를 조성하고 팔라듐 결정을 성장시켜 새로운 결정구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는데 성공했다. 이렇게 개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열안정성과 더불어 수소저장 성능이 2배에 가까운 것으로 확인됐다.
수소분위기 (hydrogen atmosphere) : 수용액 내부에 수소분자 및 수소라디칼이 급격하게 증가하도록 만든 환경.
KIST 연구진은 이렇게 개발한 준안정 금속 수소화물 합성법의 과학적 근거를 마련하기 위해 2차원 전자현미경 이미지들을 3차원 이미지로 재구성하는 원자분해능 전자토모그래피(Atomic Electron Tomography) 분석법으로 나노미터 크기의 금속 수소화물 결정을 분석했다. 그 결과 3차원 구조의 준안정상 팔라듐 수소화물이 열역학적으로 안정적임을 증명했다. 연구진은 이를 토대로 안정상 중심의 소재 개발 연구가 주종을 이뤄온 국제 연구계에 ‘다단계 결정화과정’이라는 새로운 준안정 소재 개발 패러다임을 제시할 수 있게 됐다.
KIST 천동원 박사는 “새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론으로 경량원소가 포함된 합금신소재 개발의 중요한 원천기술을 마련하게 됐다”며 “추가 연구를 통해 수소, 리튬 등을 저장할 수 있는 준안정상 기반 친환경 에너지소재 개발과 함께 현대 반도체 산업의 핵심기술이 된 초크랄스키 공정처럼 새로운 소재 혁신의 전기가 될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 미래소재디스커버리 사업 및 KIST 미래원천청정신기술 개발 사업으로 수행되었다.
* (논문명) Metastable Hexagonal Close-Packed Palladium Hydride in Liquid Cell TEM
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 홍재영 연구원 (現, UIUC)
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 배지환 전문원
- (교신저자) Postech 손창윤 교수
- (교신저자) KAIST 양용수 교수
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이영수 박사
- (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사
- (교신저자) 한국과학기술연구원 천동원 박사
▲ 상단 왼쪽부터: 홍재영 연구원, 배지환 전문원, 손창윤 교수, 양용수 교수, 하단 왼쪽부터 이영수 박사, 유성종 박사, 천동원 박사
