독립행정법인 물질재료연구기구 (NIMS) 국제Nanoarchitectonics 연구거점의 아오노 마사카즈 거점장, 하세가와 츠요시 주임연구원, 츠루오카 토오루 MANA (International center for Materials Nanoarchitectonics) 연구원등의 연구팀은, 독일 Aachen 공과대학의 Rainer Waser 교수, 유리히연구소의 llia Valov 박사등의 연구팀과 공동으로, 고체전기화학반응에서 전자의 주고받음에 동반한 금속이온의 환원-석출반응을 원자수준으로 관측하는데 세계최초로 성공하였다.
고체전기화학반응은 페러데이(Faraday)의 시대에서부터 알려진 현상으로, 전지나 센서등의 매우 넓은분야에서 이용되고 있다. 그 반응과정은, 전자의 주고받음에 동반되는 이온의 산화-환원반응으로서 화학반응식으로 기술되어왔다. 하지만 이 반응이 원자수준에서 어떤형태로 진행되는지는 알려지지 않았었다.
연료전지등의 고체전기화학반응을 이용한 Ionics device는, 저탄소-저에너지사회를 실현할 소자로서 기대를 받고있다. 이 소자의 고효율화를 실현시키기위해 원자수준에서 반응과정을 밝혀내는것이 요구되어왔다.
본연구에서는, 기판재료인 이온전도체에 불순물을 미량첨가시키는것으로 고체전기화학반응에필요한 이온전도체의 특성은 유지시키고 전자전도성을 발현시키는데 성공하였다. 그 결과, 미약한전류를 필요로하는 주사형터널현미경 (Scanning Tunneling Microscope)에의한 관측이 가능하게되어, 고체전기화학반응에 필요한 전자의 주고받음과 이에 동반한 금속이온의 환원-석출반응의 관찰을 동시에 실현시켰다.
관측결과, 고체전기화학반응에서는 전압인가( 印加 )후 금속이온의 환원-석출반응이 시작되기까지 일정시간이 필요한것과, 일정수치이상의 전압을 인가하는것으로, 그시간이 무시될정도로 짧아지는것등, 화학반응식에서는 볼 수없었던 여러 현상이 밝혀졌다. 관측으로 얻어진 정보를, Ionics device의 하나인 원자스위치 (Atomic Switch)에 응용한 결과, 일정이상의 작동전압을 사용하는것으로 스위칭속도가 현격하게 빨라진것을 확인하였다.
고체전기화학반응의 효율은 전극의 미세구조나 조성등에의해 매우크게 변화한다. 이번에 개발된 관측방법은 고체전기화학반응 전반에 적용가능하며, 센서나 연료전지, 촉매등, 고체전기화학반응을 이용한 제품의 고효율화에 기여할것으로 기대된다.
이 연구의 결과는 2012년 4월29일 영국의 과학잡지 Nature Materials 온라인상에 속보판으로 공개되었다.
Title: Atomically controlled electrochemical nucleation at superionic solid electrolyte surfaces (논문은 여기)
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| 고체화학반응에의해 형성된 클러스터 (주사형터널현미경에의한 관찰) (a) 형성전표면 (b)형성후표면 (c)관측된 이온전도체 (RbAg4l5)의 표면구조 |
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| 고체전기화학반응의 과정 |
（ａ）모식도로 반응과정을 다음 5단계로 구분할수 있다.
- ①고체전기화학반응이 일어나지 않는 조건에서표면을 STM관찰
- ②부전압을 인가하여 이온전도체에 전자를 주입
- ③일정시간이 경과, 석출반응이 일어남
- ④석출된 원자가 대향전극과의 사이에 가교를 형성
- ⑤원자가 더욱 석출되어 가교가 두꺼워짐
- （ｂ）전극간에 인가한 전압(녹색)과 이에 동반된 전류(검은색)의 시간변화
- 전류변화로부터 원자의 석출량을 어림잡을수 있다. 전압을 인가하고부터 원자의 석출이 시작될때까지 시간( ② 로 나타나있는) 의 존재가 처음으로 밝혀졌다.
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