[논문](Ba0.5Sr0.5)0.99Co0.2Fe0.8O3-δ(BSCF)의 합성 및 BSCF/GDC(Buffer)/ScSZ의 전기화학적 특성

임용호; 황해진; 문지웅; 박선민; 최병현; 이미재

doi:10.4191/kcers.2006.43.6.369

[국내논문] (Ba0.5Sr0.5)0.99Co0.2Fe0.8O3-δ(BSCF)의 합성 및 BSCF/GDC(Buffer)/ScSZ의 전기화학적 특성
Synthesis of (Ba0.5Sr0.5)0.99Co0.2Fe0.8O3-δ (BSCF) and the Electrochemical Performance of the BSCF/GDC(Buffer)/ScSZ 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.43 no.6 = no.289, 2006년, pp.369 - 375

임용호 (인하대학교 신소재공학부) , 황해진 (인하대학교 신소재공학부) , 문지웅 (요업(세라믹)기술원) , 박선민 (요업(세라믹)기술원) , 최병현 (요업(세라믹)기술원) , 이미재 (요업(세라믹)기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

[ $(Ba_{0.5}Sr_{0.5})_{0.99}Co_{x}Fe_{1-x}O_{3-{\delta}}$ ] [x=0.8, 0.2](BSCF) powders were synthesized by a Glycine-Nitrate Process (GNP) and the electrochemical performance of the BSCF cathode on a scandia stabilized zirconia, $[(Sc_{2}O_3)_{0.11}(ZrO_2)_{0.89}]-1Al_{2}O_3$ was investigated. In order to prevent unfavorable solid-state reactions between the cathode and zirconia electrolyte, a GDC ($Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{2-{delta}}$) buffer layer was applied on ScSZ. The BSCF (x = 0.8) cathode formed on GDC(Buffer)/ScSZ(Disk) showed poor electrochemical property, because the BSCF cathode layer peeled off after the heat-treatment. On the other hand, there were no delamination or peel off between the BSCF and GDC buffer layer, and the BSCF (x = 0.2) cathode exhibited fairly good electrochemical performances. It was considered that the observed phenomenon was associated with the thermal expansion mismatch between the cathode and buffer layer. The ohmic resistance of the double layer cathode was slightly lower than that of the single layer BSCF cathode due to the incorporation of platinum particle into the BSCF second layer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산소이온전도성과 전자전도성이 뛰어난 BSCF[(Ba0.5Sr05)099CoxFe1.xO₃.5(x=0.8, 0.2)] cathode를 ZrO₂ 계 전해질에 적용하고자 하는 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
JCPDS 에 의한 상분석 결과 계면반응상으로는 SrZrC>3상 이외에 Ba2ZrO₄, BaaZhCA상들이 관찰되었다. 전해질과 BSCF cathode의 계면에 생겨난 SrZiQ상으로 인하여 BSCF cathode 성능이 크게 저하될 것으로 예상되며, 이와 같은 결과를 토대로 본 연구에서는 ScSZ 전해질에 BSCF cathode를 적용하기 위한 방법으로써 Co계 cathode 재료와 계면안정성을 가지고 있는 Ce계 전해질재료인 GDC* ScSZ 전해질과 BSCF cathode 사이에 buffer layer로서 형성하여 cathode와 전해질의 계면 안정성을 확보하고자 하였다. BSCF의 일부 성분이 buffer layer(GDC)를 통하여 확산한 후 ScSZ과 계면반응을 일으킬 수 있는 가능성도 배제할 수는 없지만 BSCF/GDC/ScSZ cell의 임피던스 (Rp:0.

제안 방법

한편, 상기 방법으로 제조한 cathode층 위에 as-heat-treated BSCF (Fig. 1(a))를 screen printing함으로써 미세구조가 다른 BSCF 층을 적층한 구조를 갖는 double layer cathode를 동시에 제조하여 그 성능을 비교하였다. 전극의 단면적은 0.
Cathode층의 미세구조는 SEM(JEOL, JSM-6700F & TOPCON, SM 300)을 이용하여 관찰하였다. Cathode의 전기화학특성은 교류임피던스 분석을 통하여 평가였다. 교류 임피던스 측정은 Solatron 1260/1287 electrochemical inter住ice를 이용하여 2단자 법에의해 측정하였다.
BSCF의열팽창 계수는 Dilatometer(LINSEIS, L75/N₁)를 이용하여 측정 하였으며, 길이 20 mm, 직경 5 mm로 균일하게 가공한 규격화된 시편을 이용하였다. Cathode층의 미세구조는 SEM(JEOL, JSM-6700F & TOPCON, SM 300)을 이용하여 관찰하였다. Cathode의 전기화학특성은 교류임피던스 분석을 통하여 평가였다.
이때 생성된 precursor는 공기 중에서 1000℃, 5시간 하소하여 최종적으로 원하는 BSCF 분말을 얻을 수 있었다. 그리고 하소된 분말의 일부는 planetary milling을 통하여 입자의 크기를 제어하였다. Fig.
99%)을 사용하였다. 용액의 pH가 BSCF 합성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 HNO₃와 NH₄OH를 가하여 pH = 0, 1, 2, 3의 수용액을 제조한 뒤, 이 용액에 총 금속의 몰수에 해당하는 glycine을 첨가함으로써 전구체 용액을 제조하였다. 각각의 수용액은 320℃에서 가열 및 교반 시 켰으며, 수용액의 점도는 시간이 지남에 따라 증가하였다.
우선, 지름 12mm, 두께 1mm의 ScSZKScQDo.n (Zr02)o.89]-1A1203 고체전해질 디스크 양면에 screen printing 법을 이용하여 GDC(90Ce02-10Gd203) 후막을 형성한 뒤, 1200℃에서 2시간 동안 열처리 하였다. GDC 후막은 ScSZ 과 BSCF와의 계면반응을 억제하기 위하여 형성하였다.
따라서 수용액의 pH가 1 미만인 경우에서는 카르복실기는 대부분 이온화 되지 못하고 COOH의 형태로 존재하게 되며, 알칼리와 알칼리 토금속과의 배위가 어렵게 되어, 선택적 침전에 의한 상당수의미 반응상이 존재하게 되는 것으로 생각한다. 이러한 결과를 토대로, 본 연구에서는 출발용액의 pH는 2, BSCF(Co0.2&Co0.8)분말의 하소온도는 1000℃로 고정하였다.
5 cm? 로 하였으며 BSCF 후막은 건조 후 1000℃에서 2시간 동안 열처리 하였다. 집전의 효과와 실험의 재현성을 향상시키기 위하여 BSCF cathode층 위에는 Pt-GDC 집 전 층을 형성하였다.
89]-lA1203] 고체전해질 디스크를이 용하여 BSCF(cathode)/GDC(buffer)/ScSZ(electrolyte)/ GDC/BSCF symmetric cell을 제조한 후 BSCF cathode의 분극 저항을 측정하였다. 한편 cathode층에서의 산소확산과 cathode층과 집전층간의 접촉을 향상시키기 위하여 BSCF cathode를 다증구조화한 cell을 함께 제조하여 cathode의 미세구조와 cell의 전기화학특성과의 상관관계를 조사하였다. ,

대상 데이터

6H₂O(Acros, 99%), Fe(NO₃)3 . 9H₂O(Kanto Chemical Co. Inc. 99%), Glycine (Kanto Chemical Co. Inc. 99%)을 사용하였다. 용액의 pH가 BSCF 합성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 HNO₃와 NH₄OH를 가하여 pH = 0, 1, 2, 3의 수용액을 제조한 뒤, 이 용액에 총 금속의 몰수에 해당하는 glycine을 첨가함으로써 전구체 용액을 제조하였다.
)를 사용하여 분석하였다. BSCF의열팽창 계수는 Dilatometer(LINSEIS, L75/N₁)를 이용하여 측정 하였으며, 길이 20 mm, 직경 5 mm로 균일하게 가공한 규격화된 시편을 이용하였다. Cathode층의 미세구조는 SEM(JEOL, JSM-6700F & TOPCON, SM 300)을 이용하여 관찰하였다.
본 연구에서는 전해질 지지형의 symmetric cell을 제조하였다. 우선, 지름 12mm, 두께 1mm의 ScSZKScQDo.

이론/모형

GNP법으로 제조된 분말의 결정상은 X-ray 회절분석기 (MAC Science Co. Ltd.)를 사용하여 분석하였다. BSCF의열팽창 계수는 Dilatometer(LINSEIS, L75/N₁)를 이용하여 측정 하였으며, 길이 20 mm, 직경 5 mm로 균일하게 가공한 규격화된 시편을 이용하였다.
Cathode의 전기화학특성은 교류임피던스 분석을 통하여 평가였다. 교류 임피던스 측정은 Solatron 1260/1287 electrochemical inter住ice를 이용하여 2단자 법에의해 측정하였다. 이때, 인가한 교류전압은 ±20mV이고, 1 MHz~0.

성능/효과

1. BSCF는 다른 Co계 perovskite cathode와 같이 셀 제조온도 근처에서 전해질인 ScSZ([(Sc2O₃)0.1, (ZHD2)0.89]-1A12O₃) 과 계면반응을 일으키는 것으로 확인되었다.
2. BSCF와 ScSZ간의 계면반응을 억제하기 위해서는 GDC(G%.iCeo.902-6)buffer 층을 형성하는 것이 필수적 이라고 생각된다.
3. BSCF(Co0.8)의 경우 GDC와의 계면에서 발생하는 박리로 인하여 분극저항이 급격히 증가하였으며(Rp= 22.22 Qcm² at 600℃), 계면박리 현상은 BSCF(Co0.8)과 ScSZ과의 thermal expansion mismatch에 기인하고 있는 것으로 판단되었다.
4. BSCF(Co0.8)에 비하여 낮은 열팽창계수를 갖는 BSCF (Co0.2)를 cathode로 적용한 경우 계면박리현상은 일어나지 않았으며 BSCF(Co0.2)/GDC/ScSZ cell의 600℃에 서의 분극 저항은 O.MQcn?로서 아주 작은 값을 가짐을 알 수 있었다.
5. Double layer cathode# 갖는 BSCF(Co0.2)/GDC/ScSZ cell의 경우 ohmic 저항이 다소 감소되었으며 이는 cathode 와 집전층과의 접촉이 일부 향상되었기 때문으로 판단된다. 한편 분극저 항은 0.
2)] 분말에 대한 XRD pattern을 나타내었다. 800℃에서 하소한 분말의 경우 상당수의미 반응 중간상들이 관찰되었으나 900℃ 이상에서는 본 연구에서 원하는 최종상인 perovskite상을 얻을 수 있었다. 한편 출발용액의 pH가 BSCF의 결정화과정에 미치는 영향을 조사한 결과, Fig.
BSCF(Co0.2&Co0.8)는 LSCF와 마찬가지로 ScSZ 전해질과 계면반응을 하는 것으로 확인되었다. BSCF(Co0.
2)/GDC/ ScSZ의 impedance spectra를 나타내었다. BSCF(Co0.8)의경우 cathode층과 GDC buffer layer간의 박리현상으로 인하여 삼상계면의 면적이 극도로 감소되어 반원형태의 임피던스 스펙트럼이 얻어졌으며 매우 큰 분극저항(Rp = 22.22 Qcm² at 600℃)을 나타내었다. 저자들에 의한 연구 결과에 의하면 cathode와 전해질 간에 계면반응층이 생겨난 cell의 경우에도 이와 같은 형태의 임피던스 스펙트럼이 관찰된 바 있다.
4에 나타내었다. JCPDS 에 의한 상분석 결과 계면반응상으로는 SrZrC>3상 이외에 Ba2ZrO₄, BaaZhCA상들이 관찰되었다. 전해질과 BSCF cathode의 계면에 생겨난 SrZiQ상으로 인하여 BSCF cathode 성능이 크게 저하될 것으로 예상되며, 이와 같은 결과를 토대로 본 연구에서는 ScSZ 전해질에 BSCF cathode를 적용하기 위한 방법으로써 Co계 cathode 재료와 계면안정성을 가지고 있는 Ce계 전해질재료인 GDC* ScSZ 전해질과 BSCF cathode 사이에 buffer layer로서 형성하여 cathode와 전해질의 계면 안정성을 확보하고자 하였다.
2) 의 열팽창계수는 각각 31.3 X 10"6 K?과 24.0X 10% iL였으며 이와 같은 결과는 Wei 등이 dilatometer를 이용하여 측정한 BSCF(Co0.8)의 열팽창계수 값(24.26x 10% K「') (500-1000℃) 보다 조금 큰 값을 갖고 있음을 알 수 있었다. 25)
3에서 제시된 바와 같이 PH=1 미만의 조건에서는 원하는 perovskite상을 얻을 수 없었으며, 상당수의 미 반응 상들이 관찰되었다. 수용액의 pH가 증가함에 따라 perovskite상의 peak가 보다 sharp 해짐을 알 수 있었고 이는 수용액의 pH값이 BSCF의 결정화에 큰 영향을 미치고 있음을 알려주는 결과라고 할 수 있다. 이와 같은 결과는 GNP법을 이용한 분말 합성 공정에서의 lycine 의 작용이 출발용액의 pH값에 강하게 의존하고 있음을 시사하고 있다.
800℃에서 하소한 분말의 경우 상당수의미 반응 중간상들이 관찰되었으나 900℃ 이상에서는 본 연구에서 원하는 최종상인 perovskite상을 얻을 수 있었다. 한편 출발용액의 pH가 BSCF의 결정화과정에 미치는 영향을 조사한 결과, Fig. 3에서 제시된 바와 같이 PH=1 미만의 조건에서는 원하는 perovskite상을 얻을 수 없었으며, 상당수의 미 반응 상들이 관찰되었다. 수용액의 pH가 증가함에 따라 perovskite상의 peak가 보다 sharp 해짐을 알 수 있었고 이는 수용액의 pH값이 BSCF의 결정화에 큰 영향을 미치고 있음을 알려주는 결과라고 할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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