최근 에너지 수요의 증가와 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서 시대적 요구에 가장 잘 부응하는 소재/소자 기술의 개발이 필수적인 핵심 요소로 각광 받고 있다. 그중 전기화학 촉매반응은 연료전지와 수소충전소와 같은 에너지 변환 장치 및 저장 장치의 기본 작동 메커니즘으로 중요한 부분을 차지하고 있다. 전기화학에너지 소재 평가에 있어 전기분해를 하는 장치의 음극에서 일어나는 반응을 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)이라고 한다. 일반적으로 양극에서 발생하는 수소를 에너지원으로 이용한 것이 대체에너지로 많이 알려진 수소 에너지이지만, 전체 반응의 효율을 결정하는 것은 음극에서 발생하는 산소 발생 반응이므로 전기화학 촉매 작용의 명확한 이해와 장기적인 효율 향상을 위해서는 이에 대한 면밀한 연구가 필요하다.

본 연구팀은 대부분의 기존 연구가 격자가 잘 정의되지 않은 나노 구조물의 효율 향상에 집중한 것에 비해, 결정구조가 매우 잘 정렬된 고품질 단결정 재료를 합성하여 전기화학 촉매 작용의 근본적인 물리/화학적 메커니즘을 규명하고자 하였다. 나아가 펄스 레이저 에피택시(PLE, Pulsed Laser Epitaxy)의 원자단위 결함 제어 방법을 도입하여 다른 변수를 최소화했으며, 이를 통해 동일 물질 내에서 격자 및 전자 구조적 상전이에 의한 전기화학 촉매 효율의 변화를 확인할 수 있었다.

페로브스카이트 구조를 갖는 루테늄산스트론튬(SrRuO3) 박막을 원소 결함을 제어한 고품질의 박막으로 제작하여 단일 박막 내에서의 결함에 따른 결정 구조의 변화를 관찰하였다. 이러한 결정 구조의 대칭성의 변화는 필연적으로 페르미 에너지 주위의 전자 구조의 변화를 가져오게 되는데, 이러한 전자 구조의 변화는 전기화학 촉매 작용 때에 일어나는 산소 혹은 OH 분자들의 흡착과 탈착을 통한 전자 교환에 큰 영향을 미치게 된다. 특히 격자구조의 대칭성이 사방정계(orthorhombic)에서 정방정계(tetragonal)로 변화했을 때 산소 발생 반응에 필요한 에너지가 30% 이상 줄어드는 것을 확인하였고, 이는 정방정계 구조에서의 루테늄과 산소의 공유결합 혹은 hybridization이 줄어들기 때문이라는 것을 파악할 수 있었다.

이번 연구 결과에 쓰인 분석 방법은 층상구조를 띤 다른 반도체 물질에도 적용할 수 있을 것이고 이를 토대로 고성능 신소재 반도체를 구현하는 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구를 통해, 매우 다양하고 유용한 발현물성을 보이는 페로브스카이트 산화물의 강한 상호 작용이 산소 발생 반응 등의 에너지 관련 연구에도 필수적인 요소가 된다는 것을 확인하였다. 또한 에너지 연구에 있어 상대적으로 부족했던 미시적인 격자 구조, 혹은 전자 구조를 연구함으로써 근본적인 전기화학 촉매작용의 메커니즘 이해를 위해 한 발 더 다가간 연구라고 할 수 있다.

본 연구는 저널 Energy & Environmental Science (IF = 25.427, JCR 상위 0.44%) 4월호에 출판되었다.