국내 연구진이 세계 최초로 팔라듐 수소화물의 존재와 생성원리를 밝혔다. 이는 준안정상 기반 소재개발의 새로운 트렌드를 이끌 것으로 기대된다.

준안정상 물질은 에너지가 낮은 안정된 상태로 존재하는 대부분의 물질과 다르게 열역학적 에너지가 안정상보다 높다. 다만 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지 양이 커서 준안정 상태로 존재한다. 대표적인 것이 흑연과 다이아몬드다. 다이아몬드와 흑연은 같은 탄소로 이루어져 있지만 상온과 일반적인 대기압에서 흑연은 안정상, 다이아몬드는 준안정상으로 존재한다. 다이아몬드가 낮은 에너지·안정한 상태의 흑연으로 변화하려면 매우 큰 에너지가 필요하다. 때문에 그저 준안전상으로 존재한다.

기존 연구진들은 이런 준안정상의 특성을 통해 새로운 성능을 갖는 소재 개발에 대한 연구를 진행해왔다. 하지만 절삭·가공용 다이아몬드 합성이나 박막증착처럼 주로 경험적인 방법론에 의존하는 한계를 보였다.

연구팀은 팔라듐에 주목했다. 팔라듐은 백금과 비슷한 촉매 작용을 가지고, 수소를 흡수하는 성질이 있어 차세대 수소에너지의 핵심 소재로 주목받는다. 연구진은 투과전자현미경 액상셀 내부에 수소가 충분한 '수소분위기'를 조성하고 팔라듐 결정을 성장시켰다. 이에 따라 새로운 결정구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는데 성공했다.

이렇게 개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 열안정성이 우수하고, 수소저장 성능이 2배에 가까웠다.

연구팀은 이에 대한 과학적 근거를 마련하기 위해 2차원 전자현미경 이미지들을 3차원 이미지로 재구성했다. 이런 원자분해능 전자토모그래피 분석법으로 나노미터 크기의 금속 수소화물을 살펴본 결과, 준안정상 팔라듐 수소화물이 열역학적으로 안정적임이 확인됐다.

연구팀은 이를 토대로 안정상 중심의 소재 개발 연구가 주류였던 국제 연구계에 '다단계 결정화 과정'이라는 새로운 준안정 소재 개발 패러다임을 제시했다. 앞으로 수소연료전지와 저장장치 등 친환경 에너지소재 개발의 가속화가 기대된다.

천동원 KIST 박사는 "새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론으로 경량원소가 포함된 합금신소재 개발의 중요한 원천기술을  마련하게 됐다"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 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 미래소재디스커버리 사업, KIST 미래원천청정신기술 개발 사업으로 수행됐다. 또 연구 결과는 글로벌 과학저널인 '네이처(Nature)' 최신호에 게재됐다.