중성자 회절로 관찰, 연료전지 효율설계로의 길 동경공업대학종합 이공학 연구과 八島正知 조교수 등은 차세대 연료전지의 고체 전해질 등의 재료로서 주목받는 산화 비스무스의 산화물 이온의 정확한 공간분포를 결정하는데 성공하였다. 지금까지 점으로 원자위치를 나타내는 단순모델이었으나 중성자 회절로 원자핵 이온의 움직임을 관찰 처음으로 복잡한 산화물 이온의 분포가 연속적으로 퍼지는 것을 알아냈다. 전도경로도 추정가능하여 가장 효율적인 전지재료 등의 설계지침을 알아냈다. 산화비스무스는 가장 고속의 산화물이온 전도도를 가지며 차세대 연료전지의 전해질과 산소 센서, 촉매의 열쇠가 되는 재료. 이번 중성자 회절로 그 원자핵 이온 밀도분포를 조사하였다. 보통 결정구조 해석은 X선회절로 행해지는데 X선회절에서는 전자를 얻기 위해 원자핵 이온 위치를 정확히 알 수 없다. 이에 전자에 의한 영향을 피하기 위해 중성자 회절을 이용하였다. 측정에는 일본원자력 연구소인 토카이(東海)연구소에 설치된 도호쿠대학 금속재료연구소의 중성자회절장치를 이용하였다. 시료는 1000℃까지 가열, 측정할 수 있도록 八島 조교수 등이 토호쿠대학 금속재료연구소와 공동으로 개발한 고온가열장치를 이용하였다. 산화물계 연료전지는 효율을 높이기 위하여 고온상태로 전도도를 높인다. 거기에 중성자회절 장치도 고온가열상태로 측정 가능케한다. 산화 비스마스의 중성자 회절 패턴부터 리트벨트법을 이용한 원자 위치랑 진동상태를 해석, 최대 엔트로피법으로 원자핵의 밀도 분포를 해석 가시화하였다. 그 결과 퍼져나가는 성질이 있는 전도이온의 공간 분포를 알수 있게 되었다. 분포의 퍼져나가는 방향부터 (111)방향과 c축 방향으로 산화물 이온의 전도경로가 추정가능케 되는 등 전도 메카니즘에 대한 이해가 발달하여 보다 높은 고전도 산화물 이온설계가 가능케 되엇다. 연료전지는 포리마계가 실용화되고 있다. 차세대형으로 고온에서도 사용가능한 산화물계 연구도 진행되고 있다. 산화 비스무스는 앞으로 그 개발 추이가 주목시 되는데 八島 조교수 등은 앞으로 개발완료된 질리코니아 등의 다른 산화물 관찰도 함께하여 개량설계하도록 한다. 이 성과는 네델란드의 엘제비아사 발행의 국제 학술지 ‘케미컬 피직스 레터’ 5월호에 게재되었다. (NK)