▲기초연 김영민 박사.  ⓒ2012 HelloDD.com

한국기초과학지원연구원(원장 박준택)은 전자현미경연구부 김영민 박사가 전자현미경을 이용해 산화물 구조속 산소 원자 결함이 원자 단위에서 어떻게 분포하고, 얼마나 많이 존재하는지를 파악할 수 있는 획기적인 분석기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

산소 원자 결함(Oxygen Vacancy, 물질 구조 내 산소 원자의 빈자리)은 물질구조 내 산소원자의 빈자리를 의미하는 것으로 새로운 특성을 가진 복합 산화물 재료개발에 필수 정보이자 재료 물성을 결정하는 주요 인자이다. 기존의 투과전자현미경을 이용한 분석기술은 산소 원자 자체를 직접 관찰하는데 집중했던 만큼 측정조건이 매우 까다롭고 분석자료의 해석에 많은 시간이 필요했다.

하지만 김 박사는 재료구조 내에 산소 원자 빈자리가 존재하면 양이온의 원자간 거리가 팽창한다는 사실에 주목하고, 양이온의 팽창 거리를 측정함으로써 구조 내에 존재하는 산소원자 결함의 양과 분포를 알아내는 방법을 고안했다.

이번 연구를 통해 개발된 '산소원자 결함' 분석기술은 종전 분석방법의 문제점을 해소하고 측정오차를 3% 이하(종전방법 5% 이하)로 유지할 수 있는 획기적인 분석방법이라는 평가를 받고 있다. 특히 0.1나노미터(nm, 10억분의 1미터) 이하의 분해능을 가진 첨단 수차보정 전자현미경을 활용하면 양이온의 팽창거리를 피코미터(pm, 1조분의 1미터) 정밀도로 측정할 수 있기 때문에 전자현미경 이미지 상에 나타난 양이온의 팽창 거리 측정을 통하여 산화물 재료 내 산소원자 빈자리의 분포와 양을 정확하게 가늠할 수 있다.

김영민 박사는 "보다 정밀하면서 손쉽게 측정할 수 있는 산소 원자 결함 분석법을 고민하다 오히려 양이온간 거리 변화를 간접적으로 측정하는 것이 산소를 직접 관찰하는 것보다 더 쉽고 정확할 수 있다는 발상의 전환을 통해 새로운 분석기술을 개발할 수 있었다"고 설명했다.

이번 연구는 미국 오크리지 국립연구소와 공동으로 진행됐으며 물리 및 재료 분야에서 세계적 권위를 인정받고 있는 '네이처 머트리얼스(Nature Materials)'지 최근호 온라인판에 게재됐다.
 

▲LAST라는 기판 재료 위에 올려진 LSCO 필름의 원자분해 투과전자현미경 영상(왼쪽)으로부터 산소 원자의 결함 분포 도(오른쪽)를 획득한 사례. 이 분포도에서 각 사각형의 높낮이는 산소 원자 결함의 양에 비례한다. ⓒ2012 HelloDD.com