국내 연구진, 준안정상 팔라듐 수소화물 '세계 첫' 개발…경량원소 합금소재 新패러다임 제시

투과전자현미경을 통해 관찰한 액상 내 준안정 팔라듐 수소화물 나노입자 생성과정 실시간 분석과 준안정상 나노입자 생성과정 모식도<포스텍 제공>

국내 연구진이 세계 최초로 팔라듐 수소화물(hydride·수소가 다른 원소와 결합한 화합물)의 존재와 생성원리를 규명했다. 이를 바탕으로 수소와 리튬 등 경량 원소를 함유하는 합금 소재의 새로운 합성 이론을 제시해 친환경 에너지 소재 개발이 가속할 전망이다.

24일 포스텍에 따르면 포스텍 손창윤 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 청청신기술연구본부 청동원 박사팀이 기존에 보고된 바 없는 새로운 준안정상 팔라듐 수소화물 소재를 개발하고 생성 기전을 규명하는 데 성공했다. 공동 제1 저자는 KIST 홍재영 (현 미국 일리노이대 박사과정) 연구원과 배지환 전문원이다.

준안정상은 열역학적으로 에너지가 낮은 안정한 상태로 존재하는 대부분의 물질과 다르게 열역학적 에너지가 안정상보다 높지만, 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지의 양이 매우 커서 준안정 상태로 존재하는 물질이다. 다이아몬드와 흑연을 대표적으로 두 물질은 같은 탄소로 이뤄져 있지만, 일반적인 대기압과 상온에서 흑연은 안정상(stable phase), 다이아몬드는 준안정상(metastable phase)으로 존재한다.

그동안 준안정상을 통해 새로운 성능을 갖는 소재의 개발에 대한 많은 연구가 이뤄졌으나, 절삭·가공용 다이아몬드 합성과 박막증착과 같이 주로 경험적인 이론에 의존하는 한계를 보여왔다.

이에 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 수소분위기(수용액 내부에 수소분자 및 수소라디칼 급격하게 증가하도록 만든 환경)를 조성하고, 팔라듐 결정을 성장시켜 새로운 결정구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는 데 성공했다.

이렇게 만든 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열 안정성과 수소저장 성능이 2배 가까이 늘어난 것으로 확인됐다. 2차원 전자현미경 이미지들을 3차원 이미지로 재구성하는 원자분해능 전자토모그래피 분석법으로 나노미터 크기의 금속 수소화물 결정을 분석한 결과, 3차원 구조의 준안정상 팔라듐 수소화물이 열역학적으로 안정적임을 증명했다.

이를 토대로 안정상 중심의 소재 개발 연구가 주종을 이뤄온 국제 연구계에 '다단계 결정화과정'이라는 새로운 준안정 소재 개발 패러다임을 제시할 수 있게 됐다고 연구진은 설명했다.

천동원 KIST 박사는 "새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론으로 경량원소가 포함된 합금 신소재 개발의 중요한 원천 기술을 마련했다"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 말했다.

이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 '네이처'(Nature, IF 49.962)지 최신호에 실렸다.
 

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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