[논문]에피 박막을 통한 산화물연료전지 소재 연구

안은영; 진형진

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세라미스트 = Ceramist, v.20 no.1, 2017년, pp.24 - 31

안은영 (부산대학교 물리학과) , 진형진 (부산대학교 물리학과)

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문제 정의

^{6, 7)} 최근 이러한 방법론을 활용한 기초연구가 활발히 진행되고 있다. (Fig. 2 참조) 이 글에서는 최근 많은 주목을 받고 있는 에너지 소재 연구 분야들 중 전이금속 산화물 에피텍셜(epitaxial) 박막을 활용하는 저온 산화물 연료전지 소재와 관련하여 최근 발표된 몇몇 사례에 대해 소개하고자 한다.
특히 저온에서 일어나는 산화, 환원 반응이 주목을 받고 있는데, 이는 일반적으로 700℃ 이상의 고온에서 일어나는 반응에 비해 저온 반응의 경우 작동 시간과, 에너지 효율 면에서 뛰어나기 때문이다. 그 예로 최근 연구가 이루어진 MoO_x 와 SrCoO_x에서 일어나는 저온 촉매 반응에 관해 소개하고자 한다.
일반적으로 표면과 수직 방향으로 형성되어 있는 산소 결함 채널(Oxygen vacancy channels, OVCs)에서 보다 촉매 반응의 속도가 빠르게 나타난다고 알려져 있어 기판을 이용한 박막의 성장 방향 제어는 더더욱 중요한 연구 주제로 떠오르고 있다. 앞서 설명한 SrCoO_x 를 예로 들어 결정 방향에 따라 달라지는 촉매 현상에 관해 논의하고자 한다.⁸⁾

제안 방법

이는 기존에 알려진 다결정 SrCoO_x 가 짧게는 10시간에서 길게는 일주일간의 시간을 거쳐 상이 바뀌는 것과 비교하면 매우 빠른 속도임을 알 수 있다. 본 상전이에 대한 이론적 해석은 깁스에너지 비교를 통한 전산열역학 방법을 통해서 이루어졌으며, 산소 결함 채널을 통한 산소 이온의 전도에 대한 이론적 해석은 DFT 계산을 통해서 후속 연구가 진행되었다.¹³⁾

이론/모형

5는 기판과 대략 60˚정도 틀어 져 있는 out-of-plane의 산소 이동 채널(OVCOOP)을 가진다. 각각의 OVCs 방향에서 나타나는 산소 환원 반응은 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용해 확인할 수 있다. 이때의 산소 환원 반응은 촉매 반응이 관여하는 물질에서 일어나는 반응으로 양극 물질에 해당하는 SrCoO_2.

성능/효과

일반적으로 MoO₂ 에서 MoO₃ 로의 상전이 과정은 가장 앞쪽의 피크 증가로 나타남이 잘 알려져 있으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 점점 상전이가 진행됨을 알 수 있다. 위의 결과에서 250℃에서 열처리 한 MoO_2+x의 결과를 보면 그 두 측정 모드의 스펙트럼이 서로 다르게 나타나는데 이는 250℃의 열처리 과정에서 표면과 박막 전체의 특성이 다르게 나타남을 의미한다. 특히 표면 특성에 해당하는 TEY 스펙트럼 결과는 MoO₃ 와 매우 유사하다.

후속연구

이러한 박막은, 물질 고유의 결정구조에서 비롯되는 다양한 특성을 연구할 수 있다는 장점이 있다. 즉 과거 연구 과정에서 이해하기 힘들었던 물성 향상의 원인을 구조적 관점에서 이해 함으로써 더욱 조직적이고 체계적인 연구설계가 가능하다. 또한 이를 바탕으로 새로운 물질 후보군 설정이 가능하고, 물리적 특성 변화에 대한 결과를 예측할 수 있다.
서론에서 언급한 것처럼 지금까지 에너지 소재의 연구는 화학적 조성비 변화를 바탕으로 하고 있으나, 이러한 관점의 연구는 물질의 근본적 특성에 관한 이해가 힘들어 지속적 개발을 위해서는 뚜렷한 한계가 존재한다. 앞선 SrCoO_x , SrRuO₃ 경우처럼 이전까지 많은 관심을 받지 못했던 물질에서의 새로운 가능성들이 발견되면서¹⁵⁾ 더 나은 성능을 보일 수 있는 새로운 물질의 후보군은 점점 증가하고 있으며 보다 효율적이고 효과적인 연구 진행과 성과를 얻기 위해서는 물질의 근본적 특성에 관한 이해와 이를 바탕으로 하는 응용적 연구가 필요하다. 에피텍셜 박막은 이러한 연구를 가능하게 해 준다.
소재 연구 분야에서도 마찬가지이다. 위와 같은 에피텍셜 박막을 이용한 물질의 근원적 특성에 관한 이해는 새로운 물질 디자인을 가능하게 하고 보다 효율적 연구를 가능하게 할 것이다. 그리고 이러한 연구 결과를 바탕으로 세라믹, 합금과 같은 형태의 재료가 주로 이용되는 실제 산업 분야에서 새로운 발전을 이루어 나갈 수 있을 것으로 기대된다.
위와 같은 에피텍셜 박막을 이용한 물질의 근원적 특성에 관한 이해는 새로운 물질 디자인을 가능하게 하고 보다 효율적 연구를 가능하게 할 것이다. 그리고 이러한 연구 결과를 바탕으로 세라믹, 합금과 같은 형태의 재료가 주로 이용되는 실제 산업 분야에서 새로운 발전을 이루어 나갈 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에피텍셜 박막이란?	에피텍셜 박막이란 결정화된 기판 위에 동일한 방향으로 단결정과 같이 성장시킨 박막을 말한다. 이러한 박막은, 물질 고유의 결정구조에서 비롯되는 다양한 특성을 연구할 수 있다는 장점이 있다.
	에피텍셜 박막 연구의 장점은?	에피텍셜 박막이란 결정화된 기판 위에 동일한 방향으로 단결정과 같이 성장시킨 박막을 말한다. 이러한 박막은, 물질 고유의 결정구조에서 비롯되는 다양한 특성을 연구할 수 있다는 장점이 있다. 즉 과거 연구 과정에서 이해하기 힘들었던 물성 향상의 원인을 구조적 관점에서 이해 함으로써 더욱 조직적이고 체계적인 연구설계가 가능하다. 또한 이를 바탕으로 새로운 물질 후보군 설정이 가능하고, 물리적 특성 변화에 대한 결과를 예측할 수 있다. 뿐만 아니라 에피텍셜 박막을 이용한 연구의 가장 큰 강점은 결정방향 제어에 있다.
	에피텍셜 박막을 형성하는 물리적 방법에는 어떤 것들이 있는가?	에피텍셜 박막을 형성하는 방법에는 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 나눌 수 있으며, 그 중 물리적 기상 증 착법(Physical Vapor Deposition, PVD) 방법은 타겟 물질을 열, 레이저, 전자빔 등을 이용해 플라즈마와 같은 기체형태로 변화시킨 후 다양한 물리적 과정을 거쳐 기판에 고체 상태로 증착하는 방법이다. 기체 형태로 변화시키는 방법에 따라서 전자 빔 증착법(E-beam evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 등 다양한 방법 등이 있으며, 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 보다 낮은 온도에서 증착이 가능하고 외부 변수 조절을 통해 결정학적 면에서 높은 수준의 에피텍셜 박막을 성장시킬 수 있다는 장점이 있어 다양한 분야에서 이용되고 있는 증착법이다.

참고문헌 (15)

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