[나주=뉴시스]이창우 기자 = 한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍) 오상호 교수 연구팀이 성균관대·경북대·부산대와 공동연구를 통해 온도에 따라 산화물의 원자 배열이 서로 다른 경로로 변하는 과정을 실시간으로 규명했다.
 
산소의 이동에 따라 구조가 바뀌는 과정에서 기존에 알려지지 않은 중간 구조까지 발견해 산화물 소재의 구조 전이 메커니즘을 원자 수준에서 밝혀낸 것이다.

22일 켄텍에 따르면 연구팀은 스트론튬·철·산소로 구성된 '스트론튬 페라이트'(SrFeO₃) 박막을 투과전자현미경 안에서 가열·냉각하며 원자 배열 변화를 추적했다.

그 결과 200도에서는 변화가 박막과 기판이 맞닿은 부분에서 시작해 표면으로 진행되면서 뚜렷한 중간상 없이 약 15초 만에 구조 전이가 완료됐다.

대신 20도로 급냉했을 때는 산소의 양과 배열이 다른 여러 중간 구조가 수분에 걸쳐 차례로 나타나는 것으로 확인됐다.

특히 연구팀은 이 과정에서 기존에 보고되지 않은 'SrFeO₂+σ' 중간상을 발견했다.

이 구조에서는 철 원자 주변의 산소가 입체적인 사면체와 평평한 사각형 형태로 함께 배열돼 있었으며 연구팀은 이를 입체적인 결합망이 층상 구조로 바뀌는 과정에서 나타나는 완충 단계로 분석했다.

컴퓨터 시뮬레이션에서도 낮은 온도에서는 여러 산소 이온이 연동해 이동하면서 단계적인 구조 전이가 나타났으나 높은 온도에서는 산소의 개별 확산이 우세해 중간 구조를 거치지 않고 전이가 진행되는 것으로 나타났다.

연구를 총괄한 오상호 교수는 "같은 소재라도 온도에 따라 원자들이 움직이는 방식과 거쳐 가는 중간 구조가 달라진다는 점을 직접 확인했다"며 "그동안 최종 물질을 만드는 과정에서 지나쳐 왔던 중간 구조를 새로운 소재 후보로 바라보고 선택적으로 형성하거나 건너뛰기 위한 설계 방향을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 미국화학회 국제학술지 'Journal of the American Chemical Society(JACS-저널 오브 더 아메리칸 케미칼 소사이어티)'에 게재됐으며 연구 이미지는 지난 2일자 제148권 제34호 표지로 선정됐다.


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