[논문]적층 평판형 SOFC에서 LSM 전극 코팅

이성일; 여동훈; 신효순; 윤영수

doi:10.4313/jkem.2012.25.7.552

적층 평판형 SOFC에서 LSM 전극 코팅
Coating of LSM Ink in the Layered Planar Type SOFC 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.7, 2012년, pp.552 - 557

이성일 (연세대학교 신소재공학과) , 여동훈 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 신효순 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 윤영수 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have coated the inner surface of YSZ channel using LSM powder ink through depressurization process for making the cathode of a stacked planar-type SOFC module. To coat the surface of YSZ channel uniformly, we tried to find the optimum manufacturing condition for LSM ink. We used four different dispersants (BYK series) and two different solvents (ethanol and DMF) to make the LSM ink. It was revealed that the ink made with the ethanol solvent and the BYK-111 dispersant has the lowest viscosity, relatively low contact angle and most excellent dispersibility. After depressurizing a chamber filled with LSM ink and sintered YSZ channel, we have found that the YSZ channel was uniformly coated with LSM cathode. The LSM ink with 25 vol% BYK-111 showed the most uniform coating.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

채널 내부에 잉크를 도포하게 되면 잉크에 포함된 솔벤트는 건조되면서 날아가고 남아있는 LSM 파우더들이 YSZ 표면에 코팅된다. LSM을 YSZ 표면에 균일하게 코팅하기 위하여 LSM의 합성과 잉크의 제조 및 잉크에 포함된 솔벤트와 분산제가 코팅공정에 미치는 영향에 대하여 관찰하고 잉크 제조를 위한 최적 조건을 찾고자 하였다.
본 연구에서는 적층 평판형 SOFC 모듈의 공기극 전극 구현을 위하여 LSM 분말을 이용하여 잉크로 제작한 후 YSZ 구조체 채널 내부에 LSM 잉크를 코팅하고자 하였다. LSM을 YSZ 표면에 균일하게 코팅 하기 위하여 LSM 잉크 제조를 위한 용매와 분산제 변화 및 최적 조건을 관찰한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 적층 평판형 SOFC 모듈의 공기극 전극 구현을 위하여 LSM을 잉크로 제작하여 YSZ 구조체의 채널 내부에 코팅을 하고자 하였다. 채널 내부에 잉크를 도포하게 되면 잉크에 포함된 솔벤트는 건조되면서 날아가고 남아있는 LSM 파우더들이 YSZ 표면에 코팅된다.

제안 방법

Solid loading 30 vol%에 해당하는 LSM 분말에 솔벤트와 서로 다른 4종류의 분산제인 BYK-111, BYK-180, BYK-425, BYK-2010을 넣고 볼밀을 이용 하여 24시간 동안 분산하였다. 1차 밀링한 슬러리를 solid loading 5 vol%의 잉크로 희석시키기 위해 각각의 솔벤트와 분산제를 첨가한 후 24시간 볼밀하여 잉크를 제조하였다.(그림 2)
LSM 전극의 제조 방법에 따라 YSZ 지지체로 이루어진 버튼셀에서 성능차이가 있는지를 확인하기 위해 LSM 분말을 에탄올을 용매로 하여 BYK-111을 25 vol% 첨가하여 제조한 잉크와 다른 하나는 paste 로 제조한 후 전류-전압 특성을 관찰하였다. LSM paste에 폴리머 파우더를 60 vol%를 넣고 제조한 뒤 두께 300 ㎛, 직경 Ø 13 ㎜인 YSZ 전해질 지지체에 인쇄한 후 소결하여 850℃에서 측정한 결과 73 ㎽/㎠를 나타내었다.
테이프 캐스팅 방법으로 제조한 100 ㎛ 두께의 YSZ 그린시트에 폭이 1,000 ㎛, 길이가 10 ㎜로 펀칭한 채널용 시트를 만들고 이들을 각 2장 씩 적층하여 하나의 채널 층을 형성하였다. Pre-lamination을 이용하여 적층시 채널이 눌리거나 휘는 것을 막기 위해 100 ㎛ 두께 YSZ 그린시트 3장 씩 적층하여 더미층을 만들고 채널의 위, 아래 부분에 위치시켜 적층한 후 1,400℃에서 소결하여 적층 평판형 SOFC 단위 셀의 채널을 제작하였다. 이렇게 얻은 소결체를 LSM 잉크 속에 넣고 감압하여 채널 내부가 LSM 잉크로 채워지게 하고 80℃ 건조 오븐에서 2시간 건조한 후 1,200℃에서 1시간 유지시켜 소결하였다.
분산제로는 copolymer acidic계 상용분산제인 BYK series(BYK-chemie, Germany) 중 예비 실험을 통하여 4종류를 선정하여 사용하였다. Solid loading 30 vol%에 해당하는 LSM 분말에 솔벤트와 서로 다른 4종류의 분산제인 BYK-111, BYK-180, BYK-425, BYK-2010을 넣고 볼밀을 이용 하여 24시간 동안 분산하였다. 1차 밀링한 슬러리를 solid loading 5 vol%의 잉크로 희석시키기 위해 각각의 솔벤트와 분산제를 첨가한 후 24시간 볼밀하여 잉크를 제조하였다.
이렇게 얻은 소결체를 LSM 잉크 속에 넣고 감압하여 채널 내부가 LSM 잉크로 채워지게 하고 80℃ 건조 오븐에서 2시간 건조한 후 1,200℃에서 1시간 유지시켜 소결하였다. 입도분석기 (LA-950 V2, HORIBA, Japan) 와 점도계 (programmable viscometer DVⅡ+ Pro, BROOKFIELD, Canada)를 사용하여 제조된 LSM 분말의 입도 및 점도를 측정하였으며, 접촉각 측정기 (FM40 Easydrop standard, KRUSS, Germany)를 사용 하여 접촉각을 측정하였다. 채널 내부에 코팅된 전극의 미세구조 및 두께를 주사전자현미경 (JSM 6700F, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
입도분석기 (LA-950 V2, HORIBA, Japan) 와 점도계 (programmable viscometer DVⅡ+ Pro, BROOKFIELD, Canada)를 사용하여 제조된 LSM 분말의 입도 및 점도를 측정하였으며, 접촉각 측정기 (FM40 Easydrop standard, KRUSS, Germany)를 사용 하여 접촉각을 측정하였다. 채널 내부에 코팅된 전극의 미세구조 및 두께를 주사전자현미경 (JSM 6700F, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
LSM 잉크 코팅 실험을 진행하기 위한 SOFC 단위 셀의 채널 제조공정을 그림 3에 나타내었다. 테이프 캐스팅 방법으로 제조한 100 ㎛ 두께의 YSZ 그린시트에 폭이 1,000 ㎛, 길이가 10 ㎜로 펀칭한 채널용 시트를 만들고 이들을 각 2장 씩 적층하여 하나의 채널 층을 형성하였다. Pre-lamination을 이용하여 적층시 채널이 눌리거나 휘는 것을 막기 위해 100 ㎛ 두께 YSZ 그린시트 3장 씩 적층하여 더미층을 만들고 채널의 위, 아래 부분에 위치시켜 적층한 후 1,400℃에서 소결하여 적층 평판형 SOFC 단위 셀의 채널을 제작하였다.

대상 데이터

LSM 분말을 이용하여 잉크를 제조하기 위하여 세라믹 분말로 잉크를 제조할 때 분산성 확보가 용이한 N,N-dimethylformamide(99.8%, Avantor Performance Materials Co. Ltd., U.S.A.) [11,12]와 에탄올 [13]을 솔벤트로 사용하였다. 분산제로는 copolymer acidic계 상용분산제인 BYK series(BYK-chemie, Germany) 중 예비 실험을 통하여 4종류를 선정하여 사용하였다.
) [11,12]와 에탄올 [13]을 솔벤트로 사용하였다. 분산제로는 copolymer acidic계 상용분산제인 BYK series(BYK-chemie, Germany) 중 예비 실험을 통하여 4종류를 선정하여 사용하였다. Solid loading 30 vol%에 해당하는 LSM 분말에 솔벤트와 서로 다른 4종류의 분산제인 BYK-111, BYK-180, BYK-425, BYK-2010을 넣고 볼밀을 이용 하여 24시간 동안 분산하였다.
출발물질로 La₂O₃(99.9%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea), SrCO₃(99.9%, High Purity Materials Kojundo Korea Co. Ltd., Japan), MnCO₃(99.9%, Sigma-Aldrich Co. LLC., America)를 0.8:0.2:1의 비율로 칭량한 후 에탄올(99.5%, Daejung chemical and metals Co. Ltd., Korea)을 용매로 볼밀을 이용하여 24시간 동안 혼합하였다. 혼합된 출발물질은 100℃ 오븐에서 건조하였고 1,150℃에서 1시간 유지하여 LSM을 합성하였다.

성능/효과

그림 8은 에탄올과 DMF를 용매로 제조한 각각의 LSM 잉크에 YSZ 소결체를 넣어 감압 후 건조하여 1,200℃에서 소결한 SOFC 채널 내부를 SEM으로 관찰하고 코팅된 LSM 잉크 두께의 가운데 부분과 모서리 부분의 비를 분산제 종류와 양의 변화에 대하여 나타낸 것이다. 그림에서 (a)는 에탄올을 용매로 사용한 경우이며 각 분산제 함량이 10 vol%와 25 vol%를 첨가한 잉크를 비교한 결과 분산제 첨가량이 증가함에 따라 a/b의 비율은 전체적으로 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 그림 (b)에서 DMF를 용매로 사용한 경우 분산제를 15 vol%와 25 vol%를 첨가한 잉크에서 역시 비슷한 경향을 나타내었다.
1. 에탄올과 DMF를 용매로 4종류의 상용 분산제를 첨가하여 잉크를 제조한 결과 에탄올을 용매로 BYK-111 분산제를 첨가하였을 때 가장 낮은 점도를 나타내어 상대적으로 분산성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
2. 용매, 분산제의 종류 및 분산제 첨가량 변화에 따라 제조한 잉크를 소결한 YSZ 기판위에 한 방울 떨어뜨려 접촉각을 측정한 결과 에탄올을 용매로 BYK-111을 25 vol% 분산제로 첨가한 조건에서 다른 분산제와 비교하여 접촉각이 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있었다.
3. LSM 잉크를 함침 방법으로 YSZ 소결체에 코팅한 후 1200℃에서 소결한 SOFC 채널 내부에 코팅된 LSM 전극의 가운데 부분과 모서리 부분의 두께 비를 측정한 결과 접촉각이 적은 잉크를 적용하였을 경우에 채널 내부에서 상대적으로 균일하게 코팅할 수 있었다. 에탄올 용매에 분산제로 BYK-111 25 vol%를 첨가한 경우가 잉크 코팅 후 채널 가운데 부분과 모서리 부분을 가장 균일하게 코팅할 수 있는 조건임을 확인하였다.
그림 4는 에탄올 용매에서 4종의 분산제 종류와 함량에 따라 LSM 분말이 분산된 잉크를 제조하고 이들의 점도 변화를 나타낸 것이다. BYK-111분산제를 첨가하였을 때 상대적으로 가장 낮은 점도를 나타내어 분산성이 우수한 것으로 판단된다. BYK-111, BYK-180, BYK-425, 및 BYK-2010 분산 제를 첨가하였을 경우 10 vol%, 15 vol%, 15 vol%, 및 5 vol%일 때 각각의 분산제에 대해 가장 낮은 점도 값을 나타내었으며 그 이상을 첨가하였을 경우에는 점도 값이 높아지는 경향을 보이고 있다.
LSM paste에 폴리머 파우더를 60 vol%를 넣고 제조한 뒤 두께 300 ㎛, 직경 Ø 13 ㎜인 YSZ 전해질 지지체에 인쇄한 후 소결하여 850℃에서 측정한 결과 73 ㎽/㎠를 나타내었다. 그리고 LSM을 잉크로 제조한 후 paste와 동일한 방법으로 전류-전압 특성을 측정한결과 850℃에서 67 ㎽/㎠로 측정되었으며, 이러한 성능값은 paste로 제조한 시편의 최대전력밀도 측정값과 비교하여 약 92%에 해당된다. 즉 LSM powder를 잉크로 제조하여 적용하여도 SOFC 캐소드 전극으로 적용이 가능한 것을 확인하였다.
13으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 또한, 전체적으로 DMF에 비해 에탄올을 사용하였을 경우 채널 가운데 부분과 모서리 부분에 코팅된 LSM 전극의 두께 편차가 낮은 것으로부터 에탄올 용매에서 코팅되는 잉크 두께가 상대적으로 더 균일한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 편차는 그림 6과 그림 7에서 분산제 함량 변화에 따른 접촉각의 변화와 유사한 경향을 나타내고 있다.
LSM 잉크를 함침 방법으로 YSZ 소결체에 코팅한 후 1200℃에서 소결한 SOFC 채널 내부에 코팅된 LSM 전극의 가운데 부분과 모서리 부분의 두께 비를 측정한 결과 접촉각이 적은 잉크를 적용하였을 경우에 채널 내부에서 상대적으로 균일하게 코팅할 수 있었다. 에탄올 용매에 분산제로 BYK-111 25 vol%를 첨가한 경우가 잉크 코팅 후 채널 가운데 부분과 모서리 부분을 가장 균일하게 코팅할 수 있는 조건임을 확인하였다.
그리고 LSM을 잉크로 제조한 후 paste와 동일한 방법으로 전류-전압 특성을 측정한결과 850℃에서 67 ㎽/㎠로 측정되었으며, 이러한 성능값은 paste로 제조한 시편의 최대전력밀도 측정값과 비교하여 약 92%에 해당된다. 즉 LSM powder를 잉크로 제조하여 적용하여도 SOFC 캐소드 전극으로 적용이 가능한 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 장점은?	연료전지는 화석 에너지의 대체에너지원으로서 전기화학적으로 효율이 높을 뿐만 아니라 반응생성물이 물이므로 대기 오염이 없는 친환경적인 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 다른 연료전지와 비교하여 구성이 단순하고, 다양한 연료 (수소, CO, 탄화수소 등)의 사용이 가능하며 고온에서 작동시킬 수 있어 변환효율이 높아 다양한 차세대의 연료전지로 기대되고 있다 [1-3].
	고체산화물 연료전지는 단전지의 형태에 따라 어떻게 구분되는가?	SOFC는 일반적으로 단전지의 형태에 따라 평판형과 원통형으로 구분된다. SOFC는 산소이온 전도성이 우수한 지르코니아 (8 mol% Y2O3 안정화 ZrO2, 8YSZ)를 전해질로 널리 사용하고 있으며, 여기에 공기극 및 연료극이 부착되어 있는 형태를 취한다.
	고체산화물 연료전지의 장점은?	연료전지는 화석 에너지의 대체에너지원으로서 전기화학적으로 효율이 높을 뿐만 아니라 반응생성물이 물이므로 대기 오염이 없는 친환경적인 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 다른 연료전지와 비교하여 구성이 단순하고, 다양한 연료 (수소, CO, 탄화수소 등)의 사용이 가능하며 고온에서 작동시킬 수 있어 변환효율이 높아 다양한 차세대의 연료전지로 기대되고 있다 [1-3].

참고문헌 (16)

J. T. Brown, Energy, 11, 209 (1986).

상세보기
S. M. Haile, Acta Mater., 51, 5981 (2003).

상세보기
H. Y. Lee, B. K. Kang, H. C. Lee, Y. W. Heo, and J. H. Lee, J. KIEEME, 25, 392 (2012).

원문보기 상세보기
N. Q. Minh, J. Am. Ceram. Soc., 76, 563 (1993).

상세보기
A. Hammouche, E. Siebert, and A. Hammou, Mater. Res. Bull., 24, 367 (1989).

상세보기
C. Xia and M. Liu, Adv. Mater., 14, 521 (2002).

상세보기
B. C. H. Steele, Solid State Ionics, 129, 95 (2000).

상세보기
S. Souza, S. Visco, and L. Jonghe, Solid State Ionics, 98, 57 (1997).

상세보기
H. S. Shin, D. H. Yeo, Y. W. Hong, J. H. Kim, and S. O. Yoon, Korea Patent, 10-2011-0026944 (2011).
M. W. Oh, S. I. Gu, H. S. Shin, and D. H. Yeo, J. KIEEME, 25, 241 (2012).

원문보기 상세보기
J. W. Lim, J. H. Kim, Y. J. Yoon, and H. T. Kim, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 9, 199 (2012).

상세보기
M. S. Hwang, J. H. Kim, H. T. Kim, and J. H. M, J. Appl. Phys., 108, 102809 (2010).

상세보기
W. Shen, Y. Zhao, and C. Zhang, Thin Solid Films, 483, 382 (2005).

상세보기
Y. Liu and L. Gao, Mater. Chem. Phys., 78, 480 (2002).
C. Galassi, E. Roncari, C. Capiani, and P. Pinasco, J. Eur. Ceram. Soc., 17, 361 (1997).
J. H. Byun, D. S. Seo, Y. M. Choi, H. J. Chang, K. J. Kong, J. O. Lee, and B. H. Ryu, J. Kor. Ceram. Soc., 41, 788 (2004).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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