선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는, PLD를 이용하여 LSM-YSZ 나노복합체로 경사구조 공기극을 형성한 SOFC 단전지를 평가함으로서 나노복합체화의 효과를 확인하고자 하였다. 선행연구에서 확인된 LSM 단일물질 공기극을 적용한 SOFC와1) 셀성능 및 전기화학적 물성의 비교를 통해 복합체화와 공기극 박막의 두께 증가가 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 연료극 지지형 YSZ 반전지 및 GDC 층의 형성방법은 선행연구에 상세하게 기술되어 있다.1) LSM-YSZ 나노복합체 박막을 형성하기 위해서 LSM-YSZ 복합체 타겟을 제조하여 PLD로 박막을 증착하였다. LSM((La0.
- 측정셋업 및 조건은 LSM 단일물질 공기극 SOFC의 경우와 동일하였다.1) 공기극의상, 미세구조 등 물성은 X선 회절분석(XRD, PW3830, PANalytical) 및 주사전자현미경(SEM, XL-30 FEG, FEI)을 통해 분석하였다.
- 8 마이크론 두께의 YSZ 전해질이 형성된 2 cm × 2 cm 크기의 연료극 지지체 상에, 200 nm의 GDC를 증착하여 공기극을 형성하기 위한 반전지를 제조하였다.
- Fig. 6에 본 연구에서 얻어진 복합체 경사구조 공기 극을 사용한 경우와 단일물질 공기극을 사용한 경우의 650 oC에서의 전류-전압-출력(I-V-P) 곡선을 비교하였다.
- PLD를 이용하여 증착한 LSM-YSZ 나노복합체를 포함한 공기극을 연료극 지지형 SOFC에 적용하여 물성과 전기화학적 평가를 진행하였다. 공기극은 200 mTorr에서 증착한1 마이크론의 LSM-YSZ; 300 mTorr에서 증착한 2 마이크론의 LSM-YSZ; 2 마이크론의 LSC 집전층의 세 부분으로 이루어진, 기공률이 공기극의 상부로 갈수록 증가하는 경사 구조로 제작되었다.
- 나노복합체 공기극 박막을 제조하기 위해서 KrF 엑시머 레이저(λ= 248 nm, COMPEX Pro 201F, Coherent)를 복합체 타겟에 집속-조사하여 박막을 증착했으며, 타겟 표면에서 레이저 에너지는 약 2.5 J cm-2, 타겟과 기판 사이의 거리는 5 cm로 유지되었다.
- 2에 도식적으로 나타내었다. 단전지의 출력특성과 임피던스 특성은 솔라트론 임피던스 분석기(SI1260 + SI1287, Solartron)를 이용하여 분석하였다. 측정셋업 및 조건은 LSM 단일물질 공기극 SOFC의 경우와 동일하였다.
- 복합체 공기극의 상부에 2 마이크론의 LSC 층을 집전 층으로 형성하였고, LSC 층은 상온에서 100 mTorr의 증착압력에서 증착하여 650oC에서 1시간 후열처리하여 형성하였다.
- 따라서 본 연구에서는, PLD를 이용하여 LSM-YSZ 나노복합체로 경사구조 공기극을 형성한 SOFC 단전지를 평가함으로서 나노복합체화의 효과를 확인하고자 하였다. 선행연구에서 확인된 LSM 단일물질 공기극을 적용한 SOFC와1) 셀성능 및 전기화학적 물성의 비교를 통해 복합체화와 공기극 박막의 두께 증가가 미치는 영향을 분석하였다.
- 와 본 연구에 적용된 공기극의 차이점은 크게 i) LSM 단일물질에서 LSM-YSZ 복합체로 변화, 그리고 ii) LSM계 전극층이 1마이크론에서 3마이크론으로 증가한 것으로 정리할 수 있다. 이러한 변화가 전기화학적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해서 두 종류의 단전지에서 650o C에서 측정한 임피던스를 Fig. 5에 비교하였다. 가장 눈에 띠는 변화는 LSM 단일물질에서 경사구조 복합체 공기극으로 변화하면서 10 Hz 이상의 고주파수 영역의 임피던스 arc가 확연하게 감소한 것이다.
대상 데이터
- ) 과 YSZ(8 mol% Y2O3-doped ZrO2, TZ-8Y, Tosoh Corp.) 분말을 1:1 질량비(LSM : YSZ = 48 : 52 vol%)로 혼합하여 일축가압 성형 후, 1200oC에서 3시간 소결하여 복합체 타겟을 제조하였다.
- PLD를 이용하여 증착한 LSM-YSZ 나노복합체를 포함한 공기극을 연료극 지지형 SOFC에 적용하여 물성과 전기화학적 평가를 진행하였다. 공기극은 200 mTorr에서 증착한1 마이크론의 LSM-YSZ; 300 mTorr에서 증착한 2 마이크론의 LSM-YSZ; 2 마이크론의 LSC 집전층의 세 부분으로 이루어진, 기공률이 공기극의 상부로 갈수록 증가하는 경사 구조로 제작되었다. LSM 단일물질 공기극과 비교하였을때, LSM-YSZ로 복합체를 형성함에 따라 TPB를 공기극 두께 전체로 확장시킬 수 있으며, 공기극의 물리적 두께를 증가시켜 추가적으로 TPB의 증가를 얻어낼 수 있을 것으로 기대되었다.
- 복합체 공기극의 상부에 2 마이크론의 LSC 층을 집전 층으로 형성하였고, LSC 층은 상온에서 100 mTorr의 증착압력에서 증착하여 650℃에서 1시간 후열처리하여 형성하였다. 본 연구에 사용된 모든 PLD 증착에서 산소를 공정기체로 사용하였다. 제작한 SOFC 단전지의 단면구조를 Fig.
성능/효과
- 1,9,10) 저자들은 앞선 연구에서 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD)를 이용하여 저온에서 LSM 공기극을 형성하여 미세구조를 나노화한 결과를 발표하였다.1) 하지만이 경우 1 마이크론 두께의 나노다공성 LSM 단일물질 공기극으로는 분말공정으로 형성한 LSM계 복합체 공기극 (e.g. LSM-YSZ)에 비해 매우 낮은 성능결과를 보였다.1) 이는 혼합전도성을 거의 지니지 않은 LSM의 경우 단일물질로 공기극을 형성할 때, LSM과 전해질이 만나는 계면에 TPB가 국한되므로 미세구조가 나노화되어도 성능향상에 기여하는 정도가 제한적이기 때문이다.
- 3에 제작한 단전지의 XRD 결과를 보였다. Fig. 2에 보인 다층구조의 XRD이므로 공기극 이외의 다른 층의 회절 피크도 나타나지만, YSZ와 LSM의 회절 피크가 확연히 분리되어 나타난 것을 확인할 수 있었다. 집전체인 LSC의 경우는 LSM과 피크 위치가 유사하여 겹쳐져 나타난 것으로 보인다.
- 또한, 공기극 두께의 증가는 전극의 분극(polarization resistance)의 개선 뿐 아니라 오믹분극(ohmic resistance)의 개선에도 영향을 미치는 것으로 보인다. Fig. 5의 삽입 그래프에 오믹분극을 확인할 수 있는 고주파 영역 arc와 실수축 (x축)이 교차하는 부분을 확대하여 같이 도시하였는데, 오믹 비면적저항(area specific resistance, ASR)이 LSM 단일물질의 경우와 복합체 경사구조 공기극의 경우 각각 약 1.2과 0.7 Ω-cm2으로, 오믹분극 역시 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 공기극 두께의 증가에 따라 공기극 면에 수평한 방향의 전기적 전도가 일어날 수 있는 면적(전극의 수직단면면적)이 증가되므로, 수평 방향의 전기적 저항 손실이 감소되어 나타난 결과로 보여진다.
- 와 본 연구에 적용된 공기극의 차이점은 크게 i) LSM 단일물질에서 LSM-YSZ 복합체로 변화, 그리고 ii) LSM계 전극층이 1마이크론에서 3마이크론으로 증가한 것으로 정리할 수 있다. 이러한 변화가 전기화학적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해서 두 종류의 단전지에서 650o C에서 측정한 임피던스를 Fig.
- 표면 LSC 집전층의 구조는 기존에 같은 방법으로 제작되었던 LSC 층의 미세구조와 거의 동일하며,15) 낮은 온도와 높은 공압에서 증착한 후후열처리를 통해 얻어진 구조로서 국부적인 소결수축에 의한 균열 형상의 기공이 수직방향으로 확보되었음을 확인할 수 있다. 단면 구조는 LSC-GDC 다층 경사구조와13) 유사하게 200 mTorr의 공압에서 증착한 LSM-YSZ 층은 다소 치밀하게, 300 mTorr에서 증착한 LSM-YSZ 층은 보다 더 다공성으로 형성되었음을 확인할 수 있으며, 최상부의 LSC 집전층은 가장 다공성으로 형성되어 의도한 바와 같이 경사구조를 형성한 것을 관찰할 수 있다.
- 25 Acm-2)에서 복합체 공기극을 사용한 경우 전압의 하강이 완화되는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 임피던스에 나타난 것과 같이 공기극의 전극활성이 향상되어 활성화 분극이 감소되어 나타난 결과로 해석할 수 있다. 또한 오믹저항이 지배하는 I-V의 직선영역에서도 기울기의 차이가 확연히 드러나, 두께가 증가한 복합체 공기극을 사용함으로써 획득한 오믹분극저항의 감소의 영향이 셀 성능에 미친 영향을 확인할 수 있었다.
- LSM의 경우, 혼합전도성이 거의 없기 때문에 전극의 활성점이 증가하기 위해서는 공기와 LSM, 그리고 전해질의 3상이 동시에 만나는 TPB가 증가하여야 함과 동시에, 이 TPB가 실제로 전극반응에 기여하려면 전극 반응으로 생성된 전하의 전달을 위해서 공기극 내 공기극 물질 간, 그리고 전해질 물질 간의 상호연결도도 공고해야 하는 반면, 혼합전도체인 LSC는 공기와 LSC의 2상이 만나는 2상 계면(2 phase boundary, 2PB)의 증가로도 효과적으로 반응점 밀도를 증가시킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, Fig. 4에 보인 PLD를 이용한 공정으로 만들어진 LSM-YSZ 복합체 공기극의 미세구조와 참고문헌 13에서 저자들이 보고한 LSC-GDC 복합체 공기극의 미세구조는 거의 동일하므로, 본 연구결과는 이러한 미세구조가 수 마이크론의 얇은 두께에서 2PB의 증가에는 매우 효과적이나, TPB의 증가에는 그 효과가 상대적으로 제한되어 있는 것을 보여주는 것으로 생각된다.
- LSM 단일물질 공기극과 비교하였을때, LSM-YSZ로 복합체를 형성함에 따라 TPB를 공기극 두께 전체로 확장시킬 수 있으며, 공기극의 물리적 두께를 증가시켜 추가적으로 TPB의 증가를 얻어낼 수 있을 것으로 기대되었다. 이를 통해 단일물질 공기극에 비해 공기극의 전극 분극을 30% 수준으로 낮출 수 있었으며, 공기극의 두께 증가에 따라 수평방향 전도를 향상시켜 오믹분극 또한 감소되는 효과를 얻어낼 수 있었다. 하지만 기존의 분말 공정으로 제작된 LSM-YSZ 공기극과 비교했을 때 만족스럽지 않은 성능을 보였는데, 이는 PLD로 증착한 복합체 박막의 미세구조가 수 마이크론의 얇은 두께에서 기존의 공기극과 비견할 만큼의 효과적인 TPB 증가를 얻어내기에는 한계가 있기 때문으로 사료된다.
- 4(a)와 (b)에 공기극의 표면과단면의 미세구조를 각각 보였다. 표면 LSC 집전층의 구조는 기존에 같은 방법으로 제작되었던 LSC 층의 미세구조와 거의 동일하며,15) 낮은 온도와 높은 공압에서 증착한 후후열처리를 통해 얻어진 구조로서 국부적인 소결수축에 의한 균열 형상의 기공이 수직방향으로 확보되었음을 확인할 수 있다. 단면 구조는 LSC-GDC 다층 경사구조와13) 유사하게 200 mTorr의 공압에서 증착한 LSM-YSZ 층은 다소 치밀하게, 300 mTorr에서 증착한 LSM-YSZ 층은 보다 더 다공성으로 형성되었음을 확인할 수 있으며, 최상부의 LSC 집전층은 가장 다공성으로 형성되어 의도한 바와 같이 경사구조를 형성한 것을 관찰할 수 있다.
후속연구
- 공기극은 200 mTorr에서 증착한1 마이크론의 LSM-YSZ; 300 mTorr에서 증착한 2 마이크론의 LSM-YSZ; 2 마이크론의 LSC 집전층의 세 부분으로 이루어진, 기공률이 공기극의 상부로 갈수록 증가하는 경사 구조로 제작되었다. LSM 단일물질 공기극과 비교하였을때, LSM-YSZ로 복합체를 형성함에 따라 TPB를 공기극 두께 전체로 확장시킬 수 있으며, 공기극의 물리적 두께를 증가시켜 추가적으로 TPB의 증가를 얻어낼 수 있을 것으로 기대되었다. 이를 통해 단일물질 공기극에 비해 공기극의 전극 분극을 30% 수준으로 낮출 수 있었으며, 공기극의 두께 증가에 따라 수평방향 전도를 향상시켜 오믹분극 또한 감소되는 효과를 얻어낼 수 있었다.
- 이는 공기극 두께의 증가에 따라 공기극 면에 수평한 방향의 전기적 전도가 일어날 수 있는 면적(전극의 수직단면면적)이 증가되므로, 수평 방향의 전기적 저항 손실이 감소되어 나타난 결과로 보여진다. 특히 본 연구에서 사용된 것 같은 수 마이크론 이하의 박막 전극에서는 전극의 두께가 얇아 수평방향의 전도 손실이 클 수 있기 때문에 전극 두께의 변화가 오믹분극에 영향을 미칠 개연성이 크다고 할 수 있겠다. Table 1에 Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.