RIST, 세계최고 성능 차세대 구면수차 보정 투과전자현미경 도입해

▶ 세계최고 성능을 보유한 RIST의 차세대 구면수차 보정 투과전자현미경

하이브리드소재, 세라믹, 반도체, 나노소재, 극한금속소재 등 첨단소재의 개발을 주도하고 있는 RIST는 이러한 소재의 단일 원자를 100억분의 1미터 단위까지 분석할 수 있는 ‘차세대 구면수차 보정 투과전자현미경(Spherical Aberration-Corrected Transmission Electron Microscope; 이하 Cs-Corr. TEM)’을 도입했다고 밝혔다.

이 장비를 활용해 차세대 소재로 주목받고 있는 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 및 세라믹 나노입자, 이차전지용 양극재·음극재 소재 등의 원자 단위 물질구조 정보를 얻을 수 있어, 신소재분야 연구가 한층 속도를 얻을 것으로 기대하고 있다.

국내에서 운용되고 있는 Cs-Corr. TEM은 약 40여 대로 추정되고 있으나, 이 중 대부분은 1세대 또는 2세대 장비로써, 열 음극형(Thermal Type) 전계방출 전자총(Field Emission Gun; FEG)을 갖추고 있고, 단일 구면수차 보정기(Single Cs-Corrector)만 설치돼 있다.

최근 RIST가 도입한 Cs-Corr. TEM은 3세대 장비로써, 훨씬 향상된 에너지 분해능(0.3 eV), 고휘도(high brightness), 고안정성, 고수명의 냉 음극형(Cold type) FEG가 채택되었고, 전자현미경의 성능을 나타내는 분해능에 영향을 주는 구면수차를 보정하기 위해 두 개의 구면수차 보정기(Double Cs-Corrector)가 시편 장입부의 위, 아래에 설치돼 있다.

RIST는 지난 9개월 여 동안의 시험운전을 통해 지난달 최종설치를 완료했으며, 포스코, 포스텍을 비롯한 국내 유수 연구기관, 대학, 기업 등과의 연구협력 및 시험분석 서비스에 착수했다.

분석평가그룹의 허윤 박사는 "RIST는 한국인정기구(KOLAS) 인증 3년 연속 국내최고 시험분석기관으로 선정되는 등 국내 최고수준의 시험분석인프라를 구축하고 국내외 시험분석평가 분야에서 두각을 나타내고 있다. 주요 장비 300여 대를 포함한 총 1000여 대의 최신 시험분석장비를 운용해 연 1000여 건의 시험성적서를 제공하고 있다" 며 "국내외 대학, 연구기관, 기업 등과의 공동연구 및 분석지원에 이번에 도입한 Cs-Corr. TEM 장비를 활용할 계획으로, 소재 분야에서 세계적 수준의 연구성과를 창출하고 국가소재 산업 발전에 기여할 것" 이라고 말했다.

이중 구면수차 보정기(Double Cs-Corrector)의 효과에 의해, 0.1 nm(나노미터, 10억분의 1 미터) 이하의 세계최고 원자분해능으로 단일 원자를 관찰할 수 있는 본 장비는 차세대 소재로 주목 받고 있는 극한소재, 하이브리드 소재, 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 및 세라믹 나노입자, 이차전지용 양·음극재 소재 등의 연구개발에서 지금까지 알려지지 않았던 원자 단위에서 발생되는 미세구조적 메커니즘을 밝히는데 활용될 예정이다.

일반적으로 리튬이온 이차전지 양극재 활물질의 경우, 전지 성능 분석이나 열화 기구 분석을 위해서 전지 셀을 분해해 조사를 하는데, 이렇게 분해하면 대기에 노출돼 산화와 변형이 발생하기 때문에 분석 오차가 발생할 수밖에 없다.

하지만, 본 장비는 전지 셀 분해에서부터 집속 이온빔 가공 장비(Focused Ion Beam; FIB)에 의한 시편 가공, 투과전자현미경으로의 시편 이송과 분석이 모두 대기에 노출되지 않고 원스톱으로 가능한 기능이 구축되어 있어, 이차전지 관련 연구자들에게 큰 매력으로 작용하고 있다.

또한, 일반적인 투과전자현미경에 설치되어 있는 에너지 분산 X선 분광검출기(Energy Dispersive X-ray Spectrometer; EDS)로는 분석이 불가능한 리튬(Li), 베릴륨(Be), 붕소(B), 질소(N), 산소(O) 등의 경원소를 분석할 수 있는 전자 에너지 손실 분광검출기(Electron Energy Loss Spectrometer; EELS)가 설치되어 있어서, 특히 이차전지의 주 원소인 리튬의 거동을 분석하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

안광진 커뮤니케이터