[논문]ALD YSZ 연료극 중간층 박막 적용을 통한 고체 산화물 연료전지의 성능 향상

안지환; 김형준; 유진근; 오성국

doi:10.6117/kmeps.2016.23.3.031

ALD YSZ 연료극 중간층 박막 적용을 통한 고체 산화물 연료전지의 성능 향상
Performance Enhancement of SOFC by ALD YSZ Thin Film Anode Interlayer 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.3, 2016년, pp.31 - 35

안지환 (서울과학기술대학교 스마트생산융합시스템공학과) , 김형준 (서울과학기술대학교 스마트생산융합시스템공학과) , 유진근 (서울과학기술대학교 스마트생산융합시스템공학과) , 오성국 (서울과학기술대학교 스마트생산융합시스템공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 원자층 증착법을 이용해 증착된 YSZ 박막을 산화 세륨계 전해질 기반 고체 산화물 연료전지의 연료극 중간층으로 적용한 결과를 보여준다. $500^{\circ}C$ 이상의 고온에서는 산화 세륨계 전해질의 전기전도도가 상승하여 이를 전해질로 사용한 고체 산화물 연료전지의 개회로 전압이 하강하고 성능이 저하된다. 원자층 증착법을 이용해 연료극 측 전해질 표면에 증착된 YSZ 박막은 얇은 두께(60 nm)에도 불구하고 산화 세륨계 전해질 표면을 완벽하게 도포함으로써, 전해질을 관통하는 전자의 흐름을 막아 개회로 전압을 최대 20%까지 상승시켰다. 이를 통해 $500^{\circ}C$에서의 최대 전력 밀도는 52%가 상승하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper demonstrates the successful application of yttria-stabilized zirconia thin films deposited by atomic layer deposition to the anode-side interlayer for cerium oxide electrolyte based solid oxide fuel cell. At the operating temperature over $500^{\circ}C$, the electrical conductivity of cerium oxide electrolyte is known to dramatically increase and, therefore, the open circuit voltage of the cell decreases leading to the decrease of the performance. Ultra-thin (60 nm) atomic layer deposited yttria-stabilized zirconia thin film in this study conformally coated the anode-side surface of the cerium oxide electrolyte and efficiently blocked the electrical conduction through the electrolyte. Accordingly, the open circuit voltage increased by up to 20%, and the maximum power density increased by 52% at $500^{\circ}C$

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

본 논문에서는 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD)을 이용하여 Samaria-doped Ceria(SDC) 전해질의 연료극 표면에 YSZ 박막(60 nm)를 고르게 증착하였다. 연료극 및 공기극 촉매로는 스퍼터로 증착된 다공성 Pt를 사용하였다.
연료전지의 개회로 전압(open circuit voltage; OCV) 측정을 400, 500, 600°C에서 수행하였으며, 특히 500°C에서는 전류밀도-전압 측정이 이루어졌다. 성능 측정을 위해서는 Gamry Potentiostat (FAS2, Gamry Instruments, Inc.)을 이용하였으며, 두 전극은 각각 연료극 및 공기극에 프로브(MS Tech)을 이용하여 접촉되었다. SDC 및 YSZ 샘플의 조성 분석을 위해서는 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS; PHI VersaProbe Scanning XPS Microprobe)가 이용되었으며, YSZ 샘플의 미세 구조 분석을 위해서는 투과 전자 현미경(TEM, FEI Tecnai G2 F20 X-TWIN)이 이용되었다.
연료전지 성능 측정을 위해서는 자체 제작된 테스트 스테이션이 사용되었다. 샘플의 연료극 측과 수소 챔버 사이에 실링을 위해서는 금 오링이 사용되었다.
연료전지의 개회로 전압(open circuit voltage; OCV) 측정을 400, 500, 600°C에서 수행하였으며, 특히 500°C에서는 전류밀도-전압 측정이 이루어졌다.

대상 데이터

ALD YSZ의 증착을 위해서는 직접 제작된 travelling-wave 타입의 ALD 장비가 사용되었다.⁵⁾ ZrO₂와 Y₂O₃의 증착을 위한 프리커 서로는 각각 tetrakis(dimethylamido)-zirconium [Zr(NMe₂)₄]과 tris(methylcyclopentadienyl)yttrium[Y(MeCp)₃]이 사용되었고, 산화제 물질로는 물(distilled water)이 사용되었다. ALD 공정 온도는 250C로 고정되었다.
ALD YSZ 사이클은 도핑을 위하여 7번의 ZrO₂ 사이클 당 1번의 Y₂O₃ 사이클이 이루어져있다. ALD YSZ 중간층이 있는 샘플의 제작을 위하여 SDC 기판 상에 총 700 사이클의 ALD YSZ가 증착이 되었다. 공기극/연료극 전극 물질으로 sputtered Pt가 샘플의 양단에 증착되었다.
본 실험에서는 1 cm × 1 cm 크기, 300 µm 두께의 다결정 SDC 기판이 사용되었다. SDC 기판은 소결된 SDC 디스크(Kurt J. Lesker)를 잘라서 제작되었다. ALD YSZ의 증착을 위해서는 직접 제작된 travelling-wave 타입의 ALD 장비가 사용되었다.
)을 이용하였으며, 두 전극은 각각 연료극 및 공기극에 프로브(MS Tech)을 이용하여 접촉되었다. SDC 및 YSZ 샘플의 조성 분석을 위해서는 X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS; PHI VersaProbe Scanning XPS Microprobe)가 이용되었으며, YSZ 샘플의 미세 구조 분석을 위해서는 투과 전자 현미경(TEM, FEI Tecnai G2 F20 X-TWIN)이 이용되었다.
본 실험에서는 1 cm × 1 cm 크기, 300 µm 두께의 다결정 SDC 기판이 사용되었다.
본 논문에서는 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD)을 이용하여 Samaria-doped Ceria(SDC) 전해질의 연료극 표면에 YSZ 박막(60 nm)를 고르게 증착하였다. 연료극 및 공기극 촉매로는 스퍼터로 증착된 다공성 Pt를 사용하였다. 이를 통하여 YSZ 박막을 적용하지 않은 샘플에 비하여 400-600°C에서 10-20%의 개회로 전압 상승과 500°C에서 약 52%의 최대 전력 밀도 상승이 일어남을 보였다.
두께는 약 80 nm 로 측정이 되었다. 이를 통하여 ALD YSZ 중간층이 있는 샘플과 없는 샘플의 두가지 샘플이 제작되었다(Fig. 1).
Zr 프리커서와 Y 프리커서는 각각 65°C, 170°C에서 자가 증발(self-evaporation) 방식으로 챔버에 공급되었다. 캐리어 가스로는 10 sccm의 Ar gas(99.999%)가 사용되었다. 공정 압력은 0.

성능/효과

예를 들어, GDC는 YSZ에 비하여 600°C에서의 이온 전도도가 약 5배 정도 높다.¹⁾ 게다가 같은 온도에서 doped CeO₂의 표면 반응 속도는 YSZ의 표면 반응 속도에 비하여 획기적으로 빠르기 때문에 전극/전해질 계면에서 이온의 침투(ion incorporation)와 같은 전기화학적 반응 속도가 빠르고 따라서 연료전지 구동상의 활성화 손실이 낮다. 반면 doped CeO₂ 전해질은 연료전지의 연료극과 같은 낮은 산소 분압 하에서는 화학적으로 불안정해진다는 단점이 있다.
약 500°C 부근 또는 그 이상의 온도에서 도핑된 쎄리아 전해질의 전기전도도 향상으로 인한 OCV의 저하 문제는 기존의 논문에서도 관측된 바가 있다.¹⁾ 실제로 도핑된 쎄리아 물질로만 제작된 전해질이 높은 온도에서 구동되었을 때의 OCV의 저하 현상은 이 온도에서의 총 구동 시간의 함수이기도 하며, 따라서 시간이 지날수록 이러한 현상이 심화될 것이라는 예측이 가능하다. 예를 들어 기존 논문의 결과에 따르면, Gadolinia-doped ceria(GDC) 전해질이 단독으로 사용되었을 경우, 600°C에서 80시간 동안 구동시 OCV가 0.
반면 오믹 손실은 전해질 내부에서의 이온 전도(ionic conduction)에 의하여 발생한다.^1,2) 전류밀도-전압 그래프에서 보았을 때, 활성화 손실은 낮은 전류 밀도 영역에서의 전압의 저하를 야기시키며(Fig. 7의 0-0.01 A/cm² 영역), 오믹 손실은 상대적으로 높은 전류 밀도 영역에서 전압의 저하를 야기시킨다(Fig. 7에서는 0.01-0.03 A/cm² 영역). Fig.
이는 YSZ 중간층 박막의 두께(60 nm)가 SDC 기판의 두께(300 um)보다 현저히 얇아(약 10⁴ 차이), YSZ의 이온 전도도가 SDC의 이온 전도도에 비하여 약 5배 정도 낮음에도 불구하고 전체적인 전해질 저항에의 기여도가 매우 낮았기 때문으로 생각된다.⁷ 하지만 ALD YSZ 중간층이 있는 샘플은 중간층이 없는 샘플에 비하여 활성화 손실이 다소 컸음에도 불구하고 더 높은 OCV로 인하여 결과적으로 약 52% 더 큰 최대 전력 밀도(중간층이 있는 샘플: 8.5 mW/cm² vs. 중간층이 없는 샘플: 5.6 mW/cm²)를 보였다.
9%의 성분비를 보이며 이를 통하여 15 mol%의 도핑이 되었음을 확인할 수 있었다. ALD YSZ 박막은 Zr 29.2%, Y 4.6%, O 66.2%로 7.3 mol%의 도핑이 되었음을 확인할 수 있다. SDC 및 YSZ의 경우 각각 15 mol% 및 7-8 mol%의 도핑 범위에서 최적의 이온 전도도를 보이는 것으로 보고되었다.
3은 본 실험에서 사용된 SDC 기판과 ALD YSZ 박막의 조성 분석을 위한 XPS 결과를 나타낸 그래프이다. SDC 기판과 ALD YSZ 박막에서 Si, C 등의 불순물이 검출되지 않음을 확인할 수 있다. XPS 결과에 따르면 SDC는 Sm 10.
SDC 기판과 ALD YSZ 박막에서 Si, C 등의 불순물이 검출되지 않음을 확인할 수 있다. XPS 결과에 따르면 SDC는 Sm 10.5%, Ce 29.2%, O 59.9%의 성분비를 보이며 이를 통하여 15 mol%의 도핑이 되었음을 확인할 수 있었다. ALD YSZ 박막은 Zr 29.
ALD 공정의 장점인 고밀도 박막의 증착이 가능함으로 인하여 YSZ 박막이 전해질 표면에 나노 스케일 결정립을 가진 구조로 고르게 증착되었다. YSZ의 낮은 전기전도도로 인하여 고온에서 전기전도도가 증가하는 SDC 전해질의 단점이 극복되었고, 이를 통하여 ALD YSZ 중간층이 있는 연료전지의 개회로 전압이 중간층이 없는 연료전지 대비 10-20% 상승하는 결과를 확인할 수 있었다. 궁극적으로 연료전지의 성능 중 가장 중요한 평가 요소인 최대 전력 밀도가 500°C에서 52% 상승함을 알 수 있었다.
궁극적으로 연료전지의 성능 중 가장 중요한 평가 요소인 최대 전력 밀도가 500°C에서 52% 상승함을 알 수 있었다.
⁷⁾ 따라서 ALD YSZ 중간층이 증착된 샘플은 그렇지 않은 샘플에 비하여 위와 같은 높은 OCV를 보이는 것으로 생각된다. 또한 중간층의 유무에 따라 OCV가 10-20% 정도의 차이를 보일 수 있어 이로 인하여 성능(전력밀도) 상에 차이가 생길 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.
SDC 및 YSZ의 경우 각각 15 mol% 및 7-8 mol%의 도핑 범위에서 최적의 이온 전도도를 보이는 것으로 보고되었다. 본 실험에서 사용된 SDC 기판 및 YSZ 박막의 조성은 이러한 최적 범위 내에 존재함을 확인할 수 있다.
13 nm/cycle)이 ALD ZrO₂의 증착률보다 상대적으로 크다는 점에 기인한다고 보여진다. 본 실험을 위하여 총 700 cycles 의 ALD YSZ가 증착이 되었으므로, 이를통하여 60 nm 두께의 YSZ 가 증착되었음을 알 수 있다.
본 연구에서는 원자층 증착법을 이용하여 증착된 ALD YSZ 박막이 고체 산화물 연료전지의 산화 세륨계 전해질의 연료극 측 중간층으로 성공적으로 적용될 수 있음이 확인되었다. ALD 공정의 장점인 고밀도 박막의 증착이 가능함으로 인하여 YSZ 박막이 전해질 표면에 나노 스케일 결정립을 가진 구조로 고르게 증착되었다.
이를 통하여 YSZ 박막을 적용하지 않은 샘플에 비하여 400-600°C에서 10-20%의 개회로 전압 상승과 500°C에서 약 52%의 최대 전력 밀도 상승이 일어남을 보였다.

후속연구

궁극적으로 연료전지의 성능 중 가장 중요한 평가 요소인 최대 전력 밀도가 500°C에서 52% 상승함을 알 수 있었다. 위와 같은 결과를 활용하면, 고성능의 고체 산화물 연료전지 제작이 용이해질 것으로 기대되며, 휴대용 전자 제품의 전력 공급용 등 고체 산화물 연료전지의 새로운 분야로의 적용이 활발해질 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체 산화물 연료전지의 장점은?	고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell; SOFC)는 고효율, 환경친화적이라는 장점 때문에 차세대 청정 에너지 변환 장치로 많은 관심을 받고 있다. 보통 SOFC는 800°C 이상의 고온에서 구동이 되는데, 이로 인하여 열적 내구성 문제 및 적용 범위가 한정되는 문제 등이 발생하게 된다.
	SOFC에서 문제가 발생하는 이유는?	고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell; SOFC)는 고효율, 환경친화적이라는 장점 때문에 차세대 청정 에너지 변환 장치로 많은 관심을 받고 있다. 보통 SOFC는 800°C 이상의 고온에서 구동이 되는데, 이로 인하여 열적 내구성 문제 및 적용 범위가 한정되는 문제 등이 발생하게 된다. 따라서 최근 중저온 SOFC(구동온도<600°C)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
	중저온 SOFC의 문제점은?	1-4) 중저온 SOFC는 기존 SOFC에 비하여 낮은 온도에서 구동하기 때문에 재료 선택의 폭이 넓고 궁극적으로 휴대용 전원 공급 장치 등의 용도로 적용될 수 있는 잠재성이 있다. 그러나 중저온에서는 연료전지의 구동상의 손실 요인인 오믹 손실(전해질 내부에서의 이온의 전달로 인한 손실; ohmic loss)과 활성화 손실(전해질/전극 계면에서의 전기화학적 반응으로 인한 손실; activation loss)이 증가하여 전체적인 성능이 낮아진다는 것이 문제점으로 지적된다. 따라서 오믹 손실과 활성화 손실의 증가를 최소화하여 중저온 SOFC의 성능을 높이기 위한 연구가 필요하다.

참고문헌 (7)

Y. Jee, G. Y. Cho, J. An, H.-R. Kim, J.-W. Son, J.-H. Lee, F. B. Prinz, M. H. Lee and S. W. Cha, "High performance Bilayered electrolytes via atomic layer deposition for solid oxide fuel cells", J. Power Sources, 253, 114 (2014).

상세보기
W. H. Tanveer, S. Ji, W. Yu and S. W. Cha, "Characterization of Atomic Layer Deposited and Sputtered Yttria-Stabilized- Zirconia Thin Films for Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cells," Int. J. Precis. Eng. Manuf., 16(10), 2229 (2015).

상세보기
J. An, Y. B. Kim, H. J. Jung, J. S. Park, S. W. Cha, T. M. Gur and F. B. Prinz, "Structural and Compositional Analysis of Solid Oxide Fuel Cell Electrolytes Using Transmission Electron Microscopy," Int. J. Precis. Eng. Manuf., 13(7), 1273 (2012).

원문보기 상세보기
W. Y. Lee and F. B. Prinz, "Localized charge transfer reactions near the Pt-YSZ interfaces using Kelvin probe microscopy," Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Tech., 1(3), 201 (2016).
W. H. Park, J. W. Shin, B. C. Yang, M. J. Park, D. Y. Jang and J. An, "Study on the Properties of $TiO_2$ Film Deposited by ALD at Low Temperature", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(2), 43 (2016).
H. Lee, M. Jeong, B. H. Bae, T. Cheon, S. H. Kim and Y. B. Park, "Effects of Post-annealing and Temperature/Humidity Conditions on the Interfacial Adhesion Energies of ALD RuAlO Diffusion Barrier Layer for Cu Interconnects", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(2), 49 (2016).

원문보기 상세보기
D. S. D. Gunn, N. L. Allan and J. A. Purton, "Adaptive kinetic Monte Carlo simulation of solid oxide fuel cell components", J. Mater. Chem. A, 2, 13407 (2014).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증