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문제 정의
- 특히 최근 수직 방향으로 계면이 형성되는 Vertically Aligned Nanocomposite(VAN) 구조의 에피 박막에서 SPM을 이용하여 산소 이온 움직임을 직접 관측한 결과들이 보고되고 있다. 본 글에서는 최근 개발된 SPM 기술들을 이용하여 SOFC에 쓰일 수 있는 산화물 에피 박막에서 산소 이온의 움직임을 나노 스케일에서 시각화한 연구결과들에 대해 소개하고자 한다.
- 특히 산소 이온 전도도 향상의 원인 규명 및 산소 이온의 움직임을 연구하는데 있어서 최근 개발된 ESM 및 FORC-IV spectroscopy와 같은 SPM 기술은 매우 효과적이다. 본 글이 국내 연구자들로 하여금 SOFC를 비롯한 다양한 에피 산화물 박막 내에서 산소 이온 움직임을 연구하는 데 있어서 SPM을 활발히 사용하게 하는 기폭제가 되었으면 한다.
- 앞서 소개한 두 가지 최신 SPM 기술, ESM과 FORCIV spectroscopy에 대한 이해를 돕기 위하여 최근에 수행된 연구 결과 하나를 소개하도록 하겠다. 서론에서도 언급되었던, ‘수직방향으로 길러진 이종구조 에피 산화물’이라는 것은 전통적인 수평 다층 박막(Fig.
- 5b에서 보는바와 같이 이력곡선(Hysteresis)을 얻을 수 있다(보다 자세한 측정방법에 대해서는 참고문헌 10, 11을 참고해주기 바란다). 이러한 전기 역학적 변위의 이력곡선 넓이는 ESM activity, 즉 국소적인 영역의 ORR/OER이 얼마나 활발하게 일어나는지에 대한 정보를 제공한다. Fig.
- 10) ESM은 기본적으로 물질의 전기역학적 변위(Electromechanical Displacement), 즉 탐침에 전압을 가했을 때 탐침 아래의 물성 변화에 의해 물질의 높낮이가 바뀌는 것을 측정한다. 일례로 우리가 산화물 연료전지 물질(예: YSZ)에 탐침을 통해 전압을 가하는 상황을 생각해보자. 나노 크기의 탐침을 통해 가해진 전압은 국소적인 영역에서 산소의 환원/발생 반응(Oxygen Reduction/Evolution Reaction, ORR/OER)을 일으킬 수 있다(물론 그 전압이 ORR/OER을 일으키기 위한 문턱 전압보다 클 때 이러한 반응은 일어난다).
가설 설정
- 이러한 이유로 STO 기판혹은 STO 층에서의 p타입 정공에 의한 전도도가 포함된 것이 아니냐는 의문이 지속적으로 제기되었다.7) 이러한 논란을 깔끔하게 종결하기 위해서는 실제 이온 전도 채널이 어디인지를 규명하는 것이 필수적이다. 그러나 수평적으로 쌓인 다층 박막에서 두 물질의 계면은 내부에 숨어있기 때문에 이를 실험적으로 밝히기가 쉽지 않았다.
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