KAIST, 고체 전해질 내부 나노 단위 영상화 성공
KAIST, 고체 전해질 내부 나노 단위 영상화 성공
  • 함예솔
  • 승인 2021.05.01 08:02
  • 조회수 981
  • 댓글 0
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오늘날 리튬이온전지는 휴대용 전자 장비와 전기차를 비롯한 각종 이동 수단에 필수적인 에너지 저장 매체로 사용되고 있습니다. 폭발적인 수요에 발맞춰 리튬이온전지의 에너지 용량, 충전 속도 등의 전기화학적 특성을 향상하려는 연구들이 가속화되고 있습니다. 

 

그러나 기존의 전기화학 특성 평가 방법은 소재 혹은 소자 특성의 평균값을 측정하는 것에 집중돼 있기에 나노미터 수준의 미시세계에서 벌어지고 있는 현상들을 이해하기에는 충분하지 않습니다. 따라서 전기화학 특성에 대한 통합적인 이해를 위해 미시적 수준에서 공간 분해능을 가진 분석 기술의 개발은 필수적입니다.

더 자세히 보아요. 출처: Pixabay
더 자세히 보아요. 출처: Pixabay

KAIST 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 밝혔습니다. 해당 연구결과는 'ACS Applied Energy Materials'에 게재됐습니다. 

 

이온의 움직임과 확산계수를 정량적으로 영상화 성공

 

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

 

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 성공했습니다.

 

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. 출처:KAIST
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. 출처:KAIST

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

(a) 시간과 거리에 따른 전기화학 변위 현미경 결과, (b) 깊이에 따른 이온 확산계수 계산 결과. 출처: KAIST
(a) 시간과 거리에 따른 전기화학 변위 현미경 결과, (b) 깊이에 따른 이온 확산계수 계산 결과. 출처: KAIST

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 설명했습니다.


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