기초과학

구면수차 보정기술을 이용한 리튬이온 저장메커니즘 연구

발행일 : 2011 / 09 / 02

투사전자현미경(TEM)은 높은 공간해상도에서 재료의 미시구조를 관찰하는 측정수단이다. 높은 공간해상도(0.1nm 미만)에서 재료의 물리화학 특성을 측정하여 응집체물리의 구체적 문제를 해결하는 것은 당대 과학기술발전의 필연적 추세가 되었다. 대물렌즈는 수차 특히 그중 구면수차의 제한을 받아 일반 전자현미경으로서는 옴스트롱 이하(sub-Angstrom) 척도에서는 직접적으로 영상을 형성하기 힘들다. 해상도를 높이는 수단은 주로 복잡한 도면처리와 계산에 의존할 수 밖에 없다. 20세기말 첫 구면수차 보정장비가 출시된 후 구면수차보정 전자현미경기술이 폭넓게 응용되면서 옴스트롱(Å) 수준의 높은 공간해상도에서 구조정보의 직접적인 획득이 가능케 되었다. 하지만 투사현미경으로는 수소, 리튬, 붕소, 탄소, 질소, 산소 등과 같은 가벼운 원소의 전자난반사 단면이 작아 일반적인 이미징법으로는 가벼운 원자의 공간위치를 직접적으로 식별할 수 없는 것이 단점이다.

최근 중국과학원 물리연구소/북경응집체물리 국가실험실(준비중) 선진재료·구조분석실험실의 구린(谷林) 연구원, 돤샤오펑(段曉峰)연구원, 허샤오칭(賀小慶)박사와 청정에너지실험실의 리훙(李泓)연구원, 후융성(胡勇胜)연구원, 천리췐(陳立泉)연구원은 독일 막스플랑크 고체연구소, 일본 정밀세라믹연구소, 도쿄대학의 연구자와 긴밀한 협력을 통해 선진적인 구면수차보정 스캔투사 링모양 명시야 이미징기술(STEM-ABF)을 이용해 양극재료 LiFePO4로부터 리튬이온을 직접 관찰하였고(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja109412x), 실험조건과 이미지 콘트라스트(image contrast)와의 관계에 대한 체계적인 토론을 하였다(Mater. Express 1, 43-50, 2011). 처음으로 일부 충전한 LiFePO4로 리튬이온의 비월주사 탈출 현상을 관측하였는데, 이는 흑연에 존재하는 ‘계단’현상과 유사하였다.

이 발견은 앞서 제출한 상경계(phase boundary)이동, core-shell structure 등의 각종 반응모형과 모두 일치하지 않았다. 이는 재료의 리튬저장 메커니즘 및 ‘계단현상’을 심층적으로 인식하는데 중요한 의의가 있다. 이 결과가 발표되자 Malik Rahul 등은 Nature Mater. (10, 587-590, 2011)에 발표된 이론계산에 지지한다는 관점을 밝혔다.

정보출처 : 중국과학원 물리연구소