기존에는 산소공공을 형성하기 위해 이트륨이나 이터븀과 같은 원소를 첨가하는 화학적 도핑 방법이 주로 활용됐다. 그러나 새로운 도핑 조성을 개발할 때마다 합성온도와 소결조건, 상 안정성 및 전극과의 계면 적합성을 다시 최적화해야 한다. 과도한 조성 변경은 소재의 열화학적 안정성이나 전지 제조공정에도 영향을 줄 수 있어, 추가적인 원소를 도입하지 않고 산소결함을 조절할 수 있는 물리적 처리 기술의 필요성이 제기돼 왔다. 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위한 방법으로 순간적인 압력과 온도 변화를 발생시키는 충격파에 주목했다. 충격파가 세라믹 입자에 도달하면 짧은 시간 동안 압축과 팽창, 격자 진동 및 국부적인 응력이 발생한다. 연구팀은 이와 같은 비평형 동적 하중이 결정격자 내부의 산소 이온을 평형 위치에서 미세하게 이동시키고, 화학적 도핑 없이도 산소결함을 형성할 수 있을 것으로 판단했다.

이번 연구의 가장 큰 의의는 충격파를 단순히 소재의 손상이나 파괴를 유발하는 극한 하중이 아니라, 기능성 세라믹의 결함을 설계하는 비열적·비화학적 처리수단으로 활용했다는 점이다. 기존의 열처리나 환원 분위기 공정, 화학적 도핑 없이도 반복적인 동적 기계 자극만으로 산소공공과 격자 왜곡을 변화시킬 수 있음을 실험적으로 규명했다. 특히 양성자 전도성 세라믹에서 산소공공은 수분을 받아들여 이동 가능한 양성자 결함을 형성하는 핵심 위치로 작용한다. 따라서 관찰된 산소결함 증가는 습윤 환경에서 더 많은 양성자가 소재 내부로 도입될 수 있는 가능성을 제시한다. 

공동연구팀은 향후 충격파의 세기와 압력 임펄스, 반복 횟수에 따른 산소공공 생성 및 회복 메커니즘을 정량적으로 분석할 계획이다. 아울러 습윤 분위기에서의 수화 특성, 양성자 전도도 및 실제 양성자 세라믹 전지의 출력 특성을 평가해 충격파 기반 결함 제어가 전해질 성능 향상으로 이어지는지를 규명할 예정이다. 이번 연구는 반복 충격파가 BCZYYb의 결정상을 안정적으로 유지하면서 산소결함, 세륨의 산화 상태, 결정격자 왜곡 및 분말 분산 특성을 동시에 변화시킬 수 있음을 보여줬다. 이를 통해 동적 기계 자극을 활용한 충격파 기반 결함공학이 차세대 양성자 전도성 세라믹 소재의 기능을 조절하는 새로운 공정 기술로 활용될 가능성을 제시했다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.07.218

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