[논문]중·저온형 고체산화물 연료전지 공기극 물질로 사용되는 이중층 페로브스카이트와 컴플렉스 페로브스카이트의 전기 전도도 비교

김정현

doi:10.4191/kcers.2014.51.4.295

중·저온형 고체산화물 연료전지 공기극 물질로 사용되는 이중층 페로브스카이트와 컴플렉스 페로브스카이트의 전기 전도도 비교
Comparison of Electrical Conductivities in Complex Perovskites and Layered Perovskite for Cathode Materials of Intermediate Temperature-operating Solid Oxide Fuel Cell 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.51 no.4, 2014년, pp.295 - 299

김정현 (국립 한밭대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical conductivities of complex perovskites, layered perovskite and Sr doped layered perovskite oxides were measured and analyzed for cathode materials of Intermediate Temperature-operating Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFCs). The electrical conductivities of $Sm_{1-x}Sr_xCoO_{3-\delta}$ (x = 0.3 and 0.7) exhibit a metal-insulator transition (MIT) behavior as a function of temperature. However, $Sm_{0.5}Sr_{0.5}CoO_{3-\delta}$ (SSC55) shows metallic conductivity characteristics and the maximum electrical conductivity value compared to the values of $Pr_{0.5}Sr_{0.5}CoO_{3-\delta}$ (PSC55) and $Nd_{0.5}Sr_{0.5}CoO_{3-\delta}$ (NSC55). The electrical conductivity of $SmBaCo_2O_{5+\delta}$ (SBCO) exhibits a MIT at about $250^{\circ}C$. The maximum conductivity is 570 S/cm at $200^{\circ}C$ and its value is higher than 170 S/cm over the whole temperature range tested. $SmBa_{0.5}Sr_{0.5}Co_2O_{5+\delta}$ (SBSCO), 0.5 mol% Sr and Ba substituted at the layered perovskite shows a typically metallic conductivity that is very similar to the behavior of the SSC55 cathode, and the maximum and minimum electrical conductivity in the SBSCO are 1280 S/cm at $50^{\circ}C$ and 280 S/cm at $900^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

3은 layered perovskite와 Sr이 치환된 layered perovskite의 전기 전도도를 비교한 결과이다.^17,20) 동시에 Fig. 1(b) 와 Fig. 2에서 확인된 SSC55의 전기 전도도 결과를 제시 하여 전기 전도도의 상대적인 크기와 전도거동을 비교 하였다. 본 결과에서 SmBaCo₂O_5+δ (SBCO)는 상온에서 250℃ 온도 사이에서 전기 전도도가 증가하여 이후 고온의 온도 범위에서 전기 전도도 값이 감소하는 전기전도 특성을 보이고 있다.
본 연구는 perovskite 구조를 보이는 Sm1-xSrxCoO3-δ (x =0, 0.3, 0.5, 0.7 및 1), Ln0.5Sr0.5CoO3-δ (Ln=Pr, Nd 및 Sm) 산화물들의 전기 전도도의 특성을 확인 하였으며 이를 바탕으로 layered perovskite 구조를 갖는 SmBaCo2O5+δ (SBCO)와 0.5 mol%의 Sr이 Ba과 함께 A-sit에 치환된 layered perovskite (SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ, SBSCO)의 전기 전도특성을 비교, 분석하였다.
이러한 연구 경향을 바탕으로 본 연구에서는 ABO3의 A 및 B-site에 Sm과 Sr이 치환된 Sm1-xSrxCoO3-δ (x = 0, 0.3, 0.5, 0.7 및 1)와 Ln0.5Sr0.5CoO3-δ (Ln= Pr, Nd 및 Sm) complex perovskite에서 발견되는 전기 전도도를 측정하였으며 이를 바탕으로 layered perovskite인 SBCO와 Sr이 치환된 SBSCO의 전기 전도도의 특성을 비교 분석하였다.
준비된 단일상의 산화물의 전기 전도도를 측정하기 위한 시편은 가로: 5 mm, 세로: 5 mm 길이: 15 mm의 시편을 성형하여 1100℃의 온도에서 약 12시간 소결하였다. 전기 전도도는 소결된 시편을 50 ~ 900℃의 온도범위에서 50℃의 간격으로 직류 4단자법을 이용하여 Keithley 2400 Source Meter를 이용하여 측정하였다.
5Co₂O_5+δ, SBSCO)를 전통적인 고상합성법으로 합성하기 위해서 Praseodymium oxide (Pr₂O₃), Neodymium oxide (Nd₂O₃), Samarium oxide (Sm₂O₃), Barium carbonate (BaCO₃), Strontium carbonate (SrCO₃) 및 Cobalt oxide (Co₃O₄)를 기본 출발 물질들로 사용하였다. 칭량에 앞서 출발 원료 분발에 존재할 수 있는 수분을 제거하기 위해서 각각의 산화물을 300℃의 전기로에 약 1시간 열처리를 실시하여 수분을 제거 하였으며 이후 합성을 위해서 준비된 각각의 산화물들을 정확하게 칭량하였다. 단일상을 합성하기 위한 열처리 과정은 2번의 하소 과정으로 구성하여 실시하였다.
합성된 산화물의 구조는 Cu Kα 필터를 이용한 X-ray diffraction (XRD) 측정을 수행하여 단일상을 확인 했으며 이때의 X-ray 스펙트럼은 2θ의 범위가 20o ~ 90o 인 구간에서 2o /min의 속도로 측정하였다.

대상 데이터

Complex perovskite 구조를 보이는 Ln1-xSrxCoO3-δ (Ln = Pr, Nd 및 Sm, x=0, 0.3, 0.5, 0.7 및 1) 산화물들과 layered perovskite 구조를 갖는 SmBaCo2O5+δ (SBCO)와 0.5 mol %의 Sr이 Ba과 함께 A-site에 치환된 layered perovskite (SmBa0.5Sr0.5Co2O5+δ, SBSCO)를 전통적인 고상합성법으로 합성하기 위해서 Praseodymium oxide (Pr2O3), Neodymium oxide (Nd2O3), Samarium oxide (Sm2O3), Barium carbonate (BaCO3), Strontium carbonate (SrCO3) 및 Cobalt oxide (Co3O4)를 기본 출발 물질들로 사용하였다.

이론/모형

준비된 단일상의 산화물의 전기 전도도를 측정하기 위한 시편은 가로: 5 mm, 세로: 5 mm 길이: 15 mm의 시편을 성형하여 1100℃의 온도에서 약 12시간 소결하였다. 전기 전도도는 소결된 시편을 50 ~ 900℃의 온도범위에서 50℃의 간격으로 직류 4단자법을 이용하여 Keithley 2400 Source Meter를 이용하여 측정하였다. 측정된 전기 전도도값은 형상계수를 이용하여 보정하였다.

성능/효과

6) 이러한 layered perovskite는 거대자기저항영역에서 주로 연구되었던 산화물들이었으며 특히 LnBaCo2O5+δ (Ln: Lanthanide)의 화학구조를 보이는 layered perovskite는 기본적으로 산화물 내부 격자에 비어있는 자리가 많으므로 산소 원자들이 [Ln-O]x 면에서 부분적으로 제거되거나 완전하게 제거되어 있고 이러한 구조적인 특성으로 인해서 우수한 산소 이동도 (oxygen mobility) 및 표면 키네틱스 (surface kinetics)의 특성을 보이고 있다.
1(c)는 Sm_1-xSr_xCoO_3-δ에 Sr의 치환량에 따른 전기전도도의 변화를 500, 650, 700 및 800℃의 온도에서 정리한 결과이다. SSC55의 경우 상온에서 600℃까지의 온도범위에서 가장 높은 전도도 값을 보이며 650℃ 이후의 온도 구간에서는 Sr이 0.3 mol%가 치환된 SSC73의 전기전도도가 가장 큰 것을 확인하였다.
따라서 complex perovskite 구조를 보이는 Ln0.5 Sr0.5CoO3-δ에서 Ln이 상대적인 이온반경이 작은 Sm으로 치환될 때 가장 높은 전기전도 특성을 보이고 있는 것을 알 수 있다.
또한 Pr, Nd 및 Sm 과 같은 란타나이드 원소가 치환된 경우의 전기 전도도는 500℃를 제외하고 이온반경이 작을수록 (Pr >Nd >Sm) 전기 전도도의 값은 증가하였다.
반면 SSC55의 경우 전 온도구간에서 전형적인 메탈릭 거동을 보이고 있다. 또한 SSC55의 전기 전도도는 상온에서 약 1700 S/cm의 결과를 보였으며 700℃의 온도에서는 약 616 S/cm의 결과를 확인 하였다. 이러한 메탈릭 거동은 Co-3d와 O-2p 오비탈의 중첩과 함께 Co³⁺가 열적으로 활성화되어 발생한 Co⁴⁺가 존재하기 때문으로 판단 할 수 있다.
본 결과에서 SmBaCo2O5+δ (SBCO)는 상온에서 250℃ 온도 사이에서 전기 전도도가 증가하여 이후 고온의 온도 범위에서 전기 전도도 값이 감소하는 전기전도 특성을 보이고 있다.
1(a)는 ABO_3-δ로 표현되는 simple perovskite의 Asite에 하나의 원소만 치환된 SmCoO_3-δ (SmCO)와 SrCoO_3-δ (SCO)의 전기 전도도를 온도의 함수로 정리한 결과이다. 본 결과에서 두 조성에서 확인 된 전기 전도도는 SmCO 가 SCO보다 크며 두 조성 모두 온도가 증가할수록 전기전도도는 증가하였다.
또한 A-site에 동일한 전하수를 보이지만 Sm 보다 상대적으로 큰 이온반경을 갖는 Pr 및 Nd이 치환될 경우 전기 전도도는 메탈릭의 전도특성을 보이는 반면 그 크기는 SSC55에 비해 감소하였다. 이러한 분석결과를 이용하여 layered perovskite에 적용해 본 결과 SBCO는 측정온도 구간에서 MIT 거동을 보였으며 SBSCO는 상온의 경우 약 1280 S/cm, 250℃에서는1075 S/cm 그리고 700℃의 고온에서는 430 S/cm의 메탈릭 전기 전도도 특성을 발견하였다. SBCO 및 SBSCO는 상대적으로 SSC55 보다 전기 전도도의 값이 낮은 것으로 확인 되었으나 Ba 및 Sr의 치환에 의한 layered perovskite의 oxygen vacancy layer를 확보할 수 있으며 이는 SSC55에서 발생되는 산소이온의 문제점을 해결 할 수 있을 것으로 기대한다.
하지만 이러한 산소 함량의 감소는 layered perovskite의 전도 메커니즘에 영향을 주지 않는 것으로 확인 되었다. 즉 본 결과에서 확인 할 수 있듯이 layered perovskite인 SBCO는 Sr이 치환됨에 따라서 산화물내부의 전도 메커니즘이 MIT에서 메탈릭으로 변화하게 된다. 반면 SBSCO의 경우 SSC55와 동일한 메탈릭 거동을 보이지만 그 크기는 상대적으로 작은 것을 알 수 있다.

후속연구

이러한 분석결과를 이용하여 layered perovskite에 적용해 본 결과 SBCO는 측정온도 구간에서 MIT 거동을 보였으며 SBSCO는 상온의 경우 약 1280 S/cm, 250℃에서는1075 S/cm 그리고 700℃의 고온에서는 430 S/cm의 메탈릭 전기 전도도 특성을 발견하였다. SBCO 및 SBSCO는 상대적으로 SSC55 보다 전기 전도도의 값이 낮은 것으로 확인 되었으나 Ba 및 Sr의 치환에 의한 layered perovskite의 oxygen vacancy layer를 확보할 수 있으며 이는 SSC55에서 발생되는 산소이온의 문제점을 해결 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 SBCO 및 SBSCO 물질을 SOFC 분야뿐 아니라 용융탄산염 연료전지, 메탄올 연료 전지, 고분자 전해질 연료전지 및 직접 카본 연료전지의 전극물질로 적용이 가능하며 상온에서의 높은 전기 전도 도의 특성은 배터리 및 고온 배터리 전극 물질에도 적용이 가능 할 것으로 판단한다.
SBCO 및 SBSCO는 상대적으로 SSC55 보다 전기 전도도의 값이 낮은 것으로 확인 되었으나 Ba 및 Sr의 치환에 의한 layered perovskite의 oxygen vacancy layer를 확보할 수 있으며 이는 SSC55에서 발생되는 산소이온의 문제점을 해결 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 SBCO 및 SBSCO 물질을 SOFC 분야뿐 아니라 용융탄산염 연료전지, 메탄올 연료 전지, 고분자 전해질 연료전지 및 직접 카본 연료전지의 전극물질로 적용이 가능하며 상온에서의 높은 전기 전도 도의 특성은 배터리 및 고온 배터리 전극 물질에도 적용이 가능 할 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영국 imperial college 의 John Kilner 연구팀은 A/ A//B2O5+δ의 화학적 조성형태를 보이는 GdBaCo2O5+δ (GBCO)의 layered perovskite를 개발하여 중·저온형 고체산화물 연료전지의 공기극 물질로 적용하였는데, 이는 어떤 문제점을 해결하기 위함인가?	2O3−δ (BSCF)와 같은 complex perovskite의 구조를 보이는 산화물들이며, 이들 물질들은 기존 공기극 물질과 비교할 경우 우수한 전기화학적인 특성을 바탕으로 현재 중·저온 고체산화물 연료전지의 공기극 물질로 주로 사용되고 있다.3,4) 하지만 complex perovskite는 앞서 언급한 바와 같이 우수한 전기화학적인 특성을 보이지만 다양한 물질이 치환되는 경우에 발생하는 무질서 (disordering)에 의해서 쿨롱 포텐셜 (coulomb potential) 뿐만 아니라, 탄성 포텐셜 (elastic potential)에 따른 변위가 공기극 격자에 작용하게 되어 산소 이온의 이동도 (mobility) 를 감소시킬 수 있다.5)
	중·저온형 고체산화물 연료전지에 사용되는 공기극 물질에는 무엇이 적용되는가?	중·저온형 고체산화물 연료전지에 사용되는 공기극 물질의 경우 ABO3의 화학조성을 기본형으로 하는 simple perovskite의 구조에 A 및 B-site에 다양한 종류의 원소를 치환한 A/ A//B/ B//O3의 화학조성을 보이는 complex perovskite 가 적용되고 있다. 특히 complex perovskite의 경우 A/ , A// , B/ 및 B//-site의 치환량에 따라서 다양한 물성을 보이는 perovskite 산화물을 형성할 수 있는 것으로 보고하고 있으며 이를 이용하여 중·저온형 고체산화물 연료전지 공기극의 물리적인 특성뿐만 아니라 전기화학적인 특성을 개선하고 있다.
	중·저온형 고체산화물 공기극 물질 중 가장 대표적인 물질은 무엇인가?	중·저온형 고체산화물 공기극 물질 중에서 가장 대표적인 공기극 물질은 Steele 및 Bae에 의해서 연구된 La0.6 Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF)와 Shao등에 의해서 개발된 Ba0.5 Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF)와 같은 complex perovskite의 구조를 보이는 산화물들이며, 이들 물질들은 기존 공기극 물질과 비교할 경우 우수한 전기화학적인 특성을 바탕으로 현재 중·저온 고체산화물 연료전지의 공기극 물질로 주로 사용되고 있다.3,4) 하지만 complex perovskite는 앞서 언급한 바와 같이 우수한 전기화학적인 특성을 보이지만 다양한 물질이 치환되는 경우에 발생하는 무질서 (disordering)에 의해서 쿨롱 포텐셜 (coulomb potential) 뿐만 아니라, 탄성 포텐셜 (elastic potential)에 따른 변위가 공기극 격자에 작용하게 되어 산소 이온의 이동도 (mobility) 를 감소시킬 수 있다.

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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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