KAIST, 고체 전해질 내부 나노 단위 영상화 성공
KAIST, 고체 전해질 내부 나노 단위 영상화 성공
  • 오혜민 기자
  • 승인 2021.04.13 13:00
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홍승범 교수팀, 이온의 움직임과 확산계수를 정량적으로 영상화 성공
리튬이온전지의 이온 거동 메커니즘 이해를 바탕, 차세대 배터리 개발 전망
(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 홍승범 교수, 박건 박사과정 대학원생. 사진=KAIST 제공
KAIST 신소재공학과 홍승범(왼쪽) 교수, 박건 박사과정 대학원생. 사진=KAIST 제공

[대학저널 오혜민 기자] KAIST(한국과학기술원·총장 이광형)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)의 한 모드인 전기화학 변위 현미경(Electrochemical strain microscopy, ESM)을 이용해 리튬이온전지 소재 내부의 이온 이동 특성을 나노미터 수준에서 정량적으로 측정하는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다.

전기화학 변위 현미경은 나노 크기의 탐침에 전압을 가했을 때 이온의 이동이 유발하는 시료 표면의 변형(displacement)을 측정하는 기술로, 이 변형을 발생시킨 이온의 양과 이온의 이동도 등을 간접적으로 측정할 수 있게 도와주는 기술이다.

홍 교수 연구팀은 비행시간형 2차 이온 질량 분석법(Time-of-flight secondary ion mass spectroscopy, ToF-SIMS)과 유도결합 플라즈마 분광분석기(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)를 이용해 고체 전해질 시료의 깊이에 따른 이온 분포를 정량적으로 계산하고 전기화학 변위 현미경 결과와의 캘리브레이션(calibration, 계측기 등의 눈금을 표준기 등을 사용해 바로잡는 일)에 성공했다.

이후 연구진에 의해 고안된 직류 전압 펄스(pulse)를 시료의 깊이에 따라 가했으며, 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 사용방법에 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 것ˮ이라며 "다양한 실제 소자 구동 환경을 모사한 상태에서 이번 방법론을 적용하는 후속 연구를 진행할 것ˮ이라고 설명했다.

KAIST 신소재공학과 박건 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials)에 게재됐다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 거대과학연구개발사업 및 KAIST 글로벌특이점연구 지원으로 수행됐다.


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