[논문]원자층 증착법을 통한 고체산화물 연료전지의 세라믹 인터페이스 제어

서종수; 정우철; 김정환

doi:10.31613/ceramist.2020.23.2.06

문제 정의

ALD는 ALD가 지닌 다양한 장점을 이용하여 SOFC의 전해질 및 전극이 겪고 있는 다양한 문제들을 효과적으로 해결할 수 있었다. SOFC분야로의 ALD 도입은, 전해질 제작뿐만 아니라, 전극 및 나노 촉매의 안정화, 더 나아가 금속 촉매 및 다성분계의 기능성 산화물 코팅을 통해 고성능/고내구성 SOFC 전극을 개발하는 새로운 연구 분야를 열어 주었다. 괄목할만한 성과로는 다성분계 산화물 코팅을 통해 SOFC 전극의 반응 활성을 극대화할수 있다는 점이다.
본 리뷰에서, ALD가 SOFC의 전해질, 전극 제작에 도입되어 이루어낸 성공적인 사례들에 대해서 살펴보았다. 얇고, 치밀한 박막을 제공할 수 있는 ALD를 이용하여 제작된 전해질은 SOFC의 ohmic loss를 최소화하여 전력 밀도를 크게 향상시켰다.
아직까지 ALD는 SOFC 셀이나 스텍 제작 과정에 활발히 사용되고 있지는 않지만, 최근 세라믹 소재들로 구성된 SOFC 전극과 전해질에 새로운 기능성 계면을 만들어 낼 수 있음이 활발히 보고되고 있다. 본 리뷰에서는 이러한 장점을 지닌 ALD의 도입이 SOFC 분야에 어떠한 기여를 하였는지를 구체적으로 살펴보겠다.
본 리뷰에서는, 고성능의 SOFC 구현을 위해 보고된 다양한 연구들 중, 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)을 SOFC의 전극 및 전해질 성능과 내구성 향상에 활용한 최근 사례들을 소개한다. ALD는 매우 얇고 치밀한 박막을 코팅할 수 있는 기술로 다른 코팅기술과 비교했을 때 매우 우수한 단차피복성 (step-coverage)를 보여 복잡한 다공성 구조체 표면에도 균일하게 코팅이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
뿐만 아니라, Pt촉매가 증착된 전극을, 스퍼터를 통해서 80 nm의 두께로 제작된 백금 전극과 비교하였을 때, 소량의 촉매만 도입이 되더라도 스퍼터를 통해 제작된 Pt전극과 유사한 성능을 보이는 것을 보고하였다. 본 연구는 ALD를 이용한 촉매 도입을 통한 성공적인 ORR 반응성 향상뿐만 아니라, 추후에 ALD를 이용하여 금속 촉매를 도입할 때의 전극 디자인 설계 지표를 제시하였다는 점에서 의의를 지니는 논문이다.
5 nm에서 최적점을 보이는 것이라고 주장하였다. 본 연구는, 메탄 연료에서 고성능/고내구성의 전극을 개발하였다는 것뿐만 아니라, ALD 기술을 도입한 다면 열적/화학적 불안정성으로 인해서 사용이 제한되 었던 금속 나노촉매를, 고온에서 구동하는 전기화학 장치에도 활용할 수 있음을 시사하는 최초의 논문이다.
더 나아가, 이렇게 제작된 샘플들의 전력 밀도를 비교해보면, YSZ 가 코팅되지 않은 Ru 전극을 지닌 셀의 경우 초기 수 시간 내에서 급격한 성능 저하를 보이는 반면, 10 nm의 YSZ가 코팅된 Ru전극을 지닌 셀의 경우 초기 전력 밀도가 35 % 증가하였고, 그 내구성 또한 매우 우수한 것을 확인하였다. 본 연구팀은 ALD를 이용한 전극 코팅이, 전극의 열적 뭉침 효과를 완화하여 반응 활성점인 TBP 밀도를 높게 유지하였기 때문에 보다 높은 성능이 구현되었다고 보고하였다. 이렇듯, 적절한 두께의 산화물 박막을 코팅해주는 것은 전극의 뭉침 현상을 완화하고 전극 반응에 대한 활성점을 유지해주는 방법으로, 고성능/고내구성 전극 개발을 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 장점으로 인해서, ALD는 복잡한 3-D 구조를 지니는 SOFC 전극을 균일하게 코팅하여, 표면이나 계면을 안정화 및 기능화 할 수 있다. 본챕터에서는 ALD 코팅을 통해 고온에서 일어날 수 있는 다양한 열적, 화학적 열화 현상을 개선한 사례와, 3 성분계 이상의 기능성 산화물을 코팅하거나 금속 촉매를 도포하여 전극 표면을 기능화한 사례로 나누어 ALD 가 SOFC 전극에 기여한 연구 사례에 대해서 소개하도록 하겠다.
하지만, 최근 우리 연구팀은 ALD를 이용한 금속-산화물 복합 나노 촉매 제작은 고성능/고내구성을 지니는 SOFC 전극을 개발할 수 있는 방법임을 확인하였다. 우리 연구팀에서는 La_0.75 Sr_0.25 Cr_0.5 Mn_0.5O₃ (LSCM) 산화물 전극 위에 도입된 Pt 나노입자를 ALD를 이용하여 열적/화학적 안정성을 효과적으로 향상하여 고성능/고내 구성의 전극 개발에 성공하였다.
뿐만 아니라 본 연구에 서는, DFT결과를 통해서 ALD로 제작된 LSC는 소량의 결정질이 포함된 비결정질의 LSC로써, 결정을 이루고 있는 LSC에 비해 ORR 반응에 있어서 활성이 우수함을 제시하고 있다. 이는 성공적인 ORR 반응성 향상뿐만 아니라, ALD를 이용하여 제작하는 복잡한 조성의 박막이 지니는 특이한 결정성에 대한 특성을 보고한 내용으로, 추후에 ALD를 이용한 다양한 조성의 박막 코팅 도입은 기존의 방식과는 다른 고성능의 SOFC 전극을 제작이 가능한 기술임을 시사하는 데 의의가 있는 보고이다.

가설 설정

5. (A) Al₂O₃코팅을 통한 Pt전극의 triple phase boundary (TPB)를 안정화하는 모식도. (B) Al₂O₃코팅 유무에 따른 열처리 전/후의 백금 전극 SEM 사진.

제안 방법

이렇게 백금 전극의 열적 내구성 향상을 통한 반응성 향상뿐만 아니라, 안지환 교수 연구팀은 Ru 전극 위에, YSZ를 ALD로 코팅한 후, 연료극에서의 연료 산화 반응에 대한 그 효과를 보고하였다. 본 연구에서는, sputtering으로 제작된 다공성의 Ru 전극 위를, ALD를 이용하여 10 nm, 20 nm, 40 nm를 증착하고 methane 연료에 대한 전극 반응성 및 내구성을 확인하였다. Fig.
본 연구팀은 SrO/CoO_x /La₂O₃ 로 이루어진 ALD cycle을 반복하여 La_0.57 Sr_0.4 CoO₃ (LSC) 산화물 증착에 성공하였다. TEM분석을 통해 pulse layer deposition (PLD) 기법을 이용하여 제작된 다공성의 나노 구조체를 지니는 La_0.
우선, 본 연구팀에서는 스퍼터로 제작된 전극이 지니는 표면 에너지와 ALD로 증착되는 Pt와의 표면 에너지 차이를 이용하여 증착되는 Pt의 형상을 설명하였다. Ru 의 표면에너지는 3.
하지만, SOFC의 높은 작동온도로 인해서 고온에서 제작된 전극이 뭉치게 되고, 이로 인해 전자 흐름이 끊기거나, 전극의 비표면적 감소 및 핵심 반응사이트로 알려진 삼상계면 (triple phase boundary, TPB) 감소로 인한 비가역적인 성능 저하는 SOFC의 장기 구동을 위해서 해결해야 할 필수적인 문제이다. 이를 해결하기 위해 서, 우리 연구팀은 ALD를 이용하여 sputtering으로 제작된 다공성 Pt전극을 Al₂O₃로 코팅하는 연구를 시도하였다 (Fig. 5).

대상 데이터

12. (A) ALD를 이용하여 La_0.6 Sr_0.4 Co_0.2 Fe_0.8O₃ (LSCF) 전극에 코팅된 La_0.57 Sr_0.4 CoO₃ (LSC)의 단면 TEM 사진. (B) LSC 코팅 유무에 따른 전력 밀도.
4. (A) YSZ위에 ALD를 이용하여서 증착된 Yttria-doped-ceria (YDC)의 단면 TEM 사진. (B) 350 ℃에서의 다양한 조성의 YDC 증착 유무에 따른 전력 밀도.
6. ALD를 이용하여 YSZ가 증착된 Ru 전극의 단면 TEM 사진. ¹³⁾

성능/효과

11). TEM 분석 결과 스퍼터링을 이용하여 제작된 백금 전극 위에 ALD를 통해 증착한 Ru이 island growth가 이루어진 것을 확인하였다. 이렇게 제작된 전극의 I-V 분석 결과, 450℃에서 Ru이 코팅되지 않은 백금전극에 비해, Ru이 100 cycle 증착된 백금 전극의 전력 밀도가 10 배 이상 향상되는 것을 확인하였다.
4 CoO₃ (LSC) 산화물 증착에 성공하였다. TEM분석을 통해 pulse layer deposition (PLD) 기법을 이용하여 제작된 다공성의 나노 구조체를 지니는 La_0.6 Sr_0.4 Co_0.2 Fe_0.8 O₃(LSCF) 전극 위에도 LSC 가 균일하게 코팅되는 것을 확인하였다. 또한, XRD 및 TEM 분석을 통해 증착된 LSC는 amorphous한 결정 구조 안에 부분적으로 결정화가 되어있는 형태로 증착이 된다는 것을 확인하였다.
결론적으로 적절한 Al2O3 코팅을 하면, 고온에서 의 백금 뭉침 현상을 완화하여 산소 환원 반응의 활성점으로 알려진 TPB 밀도를 높게 유지하는 것이 가능하며, 이에 따라 높은 성능이 구현될 수 있다.
그리고, Ce와 Y의 pulsing ratio를 다양하게 바꾸어 가면서, 다양한 doping level의 YDC를 증착하고, 다양한 조성의 YDC가 전력 밀도에 미치는 효과를 확인하였다. 그 결과, 350℃에서 YDC가 코팅되지 않은 셀의 성능 대비, ALD를 이용하여 약 12 %의 Y 가 도핑된 YDC가 사용된 셀이 2배 이상의 높은 성능을 보이는 것이 확인되었다. 이는, inter-layer를 도입 하게 됨으로써 활성점이 Pt/YSZ/O₂ 에서 Pt/YDC/O₂로 바뀌게 되고, YSZ보다 YDC가 oxygen reduction reaction (ORR) 반응에 있어서 우수한 활성을 지녔기 때문으로 보고되었다.
그 결과, Fig. 5를 보면, 코팅이 되지 않은 백금 전극의 경우 500℃에서 10시간만 노출되어도 미세구조가 뭉치는 것을 알 수 있었다. 반면에 3.
4). 그리고, Ce와 Y의 pulsing ratio를 다양하게 바꾸어 가면서, 다양한 doping level의 YDC를 증착하고, 다양한 조성의 YDC가 전력 밀도에 미치는 효과를 확인하였다. 그 결과, 350℃에서 YDC가 코팅되지 않은 셀의 성능 대비, ALD를 이용하여 약 12 %의 Y 가 도핑된 YDC가 사용된 셀이 2배 이상의 높은 성능을 보이는 것이 확인되었다.
뿐만 아니라, 고온에 노출된 ALD 박막 내부에는 micro-crack이 형성되는 것을 확인하여, 원활한 연료 공급이 되는 것과 동시에 TPB가 확장된다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 이렇게 제작된 샘플들의 전력 밀도를 비교해보면, YSZ 가 코팅되지 않은 Ru 전극을 지닌 셀의 경우 초기 수 시간 내에서 급격한 성능 저하를 보이는 반면, 10 nm의 YSZ가 코팅된 Ru전극을 지닌 셀의 경우 초기 전력 밀도가 35 % 증가하였고, 그 내구성 또한 매우 우수한 것을 확인하였다. 본 연구팀은 ALD를 이용한 전극 코팅이, 전극의 열적 뭉침 효과를 완화하여 반응 활성점인 TBP 밀도를 높게 유지하였기 때문에 보다 높은 성능이 구현되었다고 보고하였다.
0 J/m² )에는, 증착되는 Pt가 shell구조가 아닌, 전극 표면에서 작은 핵 형성을 통해 island cluster를 형성한다고 주장하였다. 또한, I-V 분석을 통해, Pt 촉매가 증착되지 않은 전극 대비, Pt 촉매가 사용된 Ag, Pd, Ru 전극 모두에서 우수한 열적 안정성 및 성능 향상을 확인하였다. 이러한 이유로는 백금 자체의 높은 열적 안정성뿐만 아니라, 표면에서 백금이 지지체 금속과 alloying되어 지지체의 산화를 방지하였기 때문이라고 주장하였다.
미세구조 분석 결과, 스퍼터로 제작된 백금 전극 사이에 ALD를 이용하여 제작된 YSZ 전해질이 치밀하고 균일하게 증착이 된 것을 확인하였다. 또한, RFsputtering을 이용하여 50 nm의 두께로 제작된 YSZ 전해질을 사용한 셀과, ALD를 이용하여 제작된 전해 질을 사용한 셀의 전력밀도를 350℃에서 비교한 결과, ALD를 이용하여서 제작된 YSZ 전해질을 사용한 셀이 RF-sputtering을 사용하여 제작된 전해질을 사용한 경우보다 약 2배의 전력밀도 향상이 확인되었다. 연구팀은 이러한 성능 향상의 이유로 ALD를 이용하여 제작한 전해질이 RF-sputtering으로 제작된 전해질보다 이온 전도 특성이 소폭 우수하기 때문이라고 보고하였다.
이렇게 제작된 전극의 I-V 분석 결과, 450℃에서 Ru이 코팅되지 않은 백금전극에 비해, Ru이 100 cycle 증착된 백금 전극의 전력 밀도가 10 배 이상 향상되는 것을 확인하였다. 또한, SEM 분석을 통해 Ru이 증착되지 않은 백금 전극은, 측정 후 TPB가 75 %가량 줄어들었지만, Ru이 증착된 전극의 경우 4% 이내의 TPB 감소율을 보이는 것을 통해 효과적인 활성점 유지를 통해 전극 성능이 향상되었다고 주장하였다. 또한, 메탄올 산화반응을 자세히 살펴보면
9를 보면, 용액 침투 공정을 통해 10 nm의 백금 나노입자가 LSCM 표면에 잘 도포 된 것을 알 수 있다. 또한, TEM 분석을 통해 ALD를 이용한 Al₂O₃코팅이 Pt 나노입자와 LSCM전극 표면에 균일하게 코팅되었음을 확인하였다. 이렇게 제작된 전극의 임피던스의 초기 분석 결과를 보면, 650℃ wet (2 % H₂O) CH₄ 분위기에서, 나노입자가 없는 LSCM전극 대비 나노입자가 담지된 LSCM전극은 100배 이상의 높은 전극 반응성을 보이는 것을 알 수 있었다.
8 O₃(LSCF) 전극 위에도 LSC 가 균일하게 코팅되는 것을 확인하였다. 또한, XRD 및 TEM 분석을 통해 증착된 LSC는 amorphous한 결정 구조 안에 부분적으로 결정화가 되어있는 형태로 증착이 된다는 것을 확인하였다. I-V 분석을 통해서, 코팅이 되지 않은 전극에 비해 LSC가 코팅된 셀의 성능이 600℃에서 최대 2배가량 향상된다는 것을 보고하였다.
얇고, 치밀한 박막을 제공할 수 있는 ALD를 이용하여 제작된 전해질은 SOFC의 ohmic loss를 최소화하여 전력 밀도를 크게 향상시켰다. 또한, 우수한 단차피복성이 장점인 ALD를 이용하여 복잡한 3-D 구조체를 지니는 SOFC 전극 표면에 다양한 산화물 및 금속 촉매를 균일하게 코팅함으로써 SOFC 전극의 성공적인 안정화/ 기능화에 성공하였다. 이렇게 성공적인 성능 향상들이 많이 보고되었지만, ALD가 전극의 반응성이나 내구성에 미치는 정확한 메커니즘에 관한 추가적인 연구가 필요한 상황이다.
이는, inter-layer를 도입 하게 됨으로써 활성점이 Pt/YSZ/O₂ 에서 Pt/YDC/O₂로 바뀌게 되고, YSZ보다 YDC가 oxygen reduction reaction (ORR) 반응에 있어서 우수한 활성을 지녔기 때문으로 보고되었다. 또한, 특이한 점으로는 기존 문헌들에서는 8-10 %의 Y가 도핑된 YDC가 최적의 산소 이온 전도체라는 보고와는 달리, Pt-YSZ 전극에서는 약 12%의 YDC가 가장 높은 성능을 보였다는 점에 있다. 본 연구팀에서 약 12 %의 Y이 도핑된 YDC에서 높은 성능 향상을 보이는 이유로, Y 도핑으로 인해서 형성된 산소 공극이 산소 흡착을 용이하게 되었고, 이렇게 향상된 산소 흡착 거동으로 인해 전극과 전해질계면 저항이 줄어들게 되어 우수한 성능 향상이 되었다고 주장하였다.
미세구조 분석 결과, 스퍼터로 제작된 백금 전극 사이에 ALD를 이용하여 제작된 YSZ 전해질이 치밀하고 균일하게 증착이 된 것을 확인하였다. 또한, RFsputtering을 이용하여 50 nm의 두께로 제작된 YSZ 전해질을 사용한 셀과, ALD를 이용하여 제작된 전해 질을 사용한 셀의 전력밀도를 350℃에서 비교한 결과, ALD를 이용하여서 제작된 YSZ 전해질을 사용한 셀이 RF-sputtering을 사용하여 제작된 전해질을 사용한 경우보다 약 2배의 전력밀도 향상이 확인되었다.
8). 본 연구에서는, 코팅을 하지 않은 LSCF 전극의 경우는 45 %/kh의 열화율을 보인 반면, 5 nm의 ZrO₂ 가 코팅된 전극의 경우에는 열화율이 12 %/kh로 성공적으로 열화 억제가 가능한 것을 확인하였다. 그 이유로는, 앞선 연구에서와는 달리, 편석되는 Sr의 구동력을 억제하는 것이 아니라, 편석된 Sr이 표면에 코팅된 Zr과 반응하여 SrZrO₃ 를 형성하면서, Sr를 clean up 하였기 때문에, 성능 열화를 억제하였다고 주장하였다.
또한, 특이한 점으로는 기존 문헌들에서는 8-10 %의 Y가 도핑된 YDC가 최적의 산소 이온 전도체라는 보고와는 달리, Pt-YSZ 전극에서는 약 12%의 YDC가 가장 높은 성능을 보였다는 점에 있다. 본 연구팀에서 약 12 %의 Y이 도핑된 YDC에서 높은 성능 향상을 보이는 이유로, Y 도핑으로 인해서 형성된 산소 공극이 산소 흡착을 용이하게 되었고, 이렇게 향상된 산소 흡착 거동으로 인해 전극과 전해질계면 저항이 줄어들게 되어 우수한 성능 향상이 되었다고 주장하였다. 반면, Y 농도가 너무 적을 때는 충분한 산소 공극이 형성되지 못하고, 너무 농도가 높을 때는 산소 공극의 agglomeration 현상으로 인해 성능이 감소하는 것이라고 보고하였다.
이는 LSCF보다 LSC가 ORR반응에 있어서 보다 촉매 활성이 높기 때문이라고 주장하고 있다. 뿐만 아니라 본 연구에 서는, DFT결과를 통해서 ALD로 제작된 LSC는 소량의 결정질이 포함된 비결정질의 LSC로써, 결정을 이루고 있는 LSC에 비해 ORR 반응에 있어서 활성이 우수함을 제시하고 있다. 이는 성공적인 ORR 반응성 향상뿐만 아니라, ALD를 이용하여 제작하는 복잡한 조성의 박막이 지니는 특이한 결정성에 대한 특성을 보고한 내용으로, 추후에 ALD를 이용한 다양한 조성의 박막 코팅 도입은 기존의 방식과는 다른 고성능의 SOFC 전극을 제작이 가능한 기술임을 시사하는 데 의의가 있는 보고이다.
연구팀은 이러한 성능 향상의 이유로 ALD를 이용하여 제작한 전해질이 RF-sputtering으로 제작된 전해질보다 이온 전도 특성이 소폭 우수하기 때문이라고 보고하였다. 뿐만 아니라, ALD로 증착된 YSZ 전해질은 bulk YSZ 대비 나노 수준의 결정립계를 지니고 있으며, 나노 결정립계에서의 뛰어난 산소 교환 반응 속도 역시 전극 반응성을 크게 증가시키는데 기여한 것으로 판단하였다.
6을 보면, 단면 TEM 분석을 통해, 전극 내부까지도 균일하게 YSZ가 증착이 된 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 고온에 노출된 ALD 박막 내부에는 micro-crack이 형성되는 것을 확인하여, 원활한 연료 공급이 되는 것과 동시에 TPB가 확장된다는 것을 확인하였다. 더 나아가, 이렇게 제작된 샘플들의 전력 밀도를 비교해보면, YSZ 가 코팅되지 않은 Ru 전극을 지닌 셀의 경우 초기 수 시간 내에서 급격한 성능 저하를 보이는 반면, 10 nm의 YSZ가 코팅된 Ru전극을 지닌 셀의 경우 초기 전력 밀도가 35 % 증가하였고, 그 내구성 또한 매우 우수한 것을 확인하였다.
본 리뷰에서, ALD가 SOFC의 전해질, 전극 제작에 도입되어 이루어낸 성공적인 사례들에 대해서 살펴보았다. 얇고, 치밀한 박막을 제공할 수 있는 ALD를 이용하여 제작된 전해질은 SOFC의 ohmic loss를 최소화하여 전력 밀도를 크게 향상시켰다. 또한, 우수한 단차피복성이 장점인 ALD를 이용하여 복잡한 3-D 구조체를 지니는 SOFC 전극 표면에 다양한 산화물 및 금속 촉매를 균일하게 코팅함으로써 SOFC 전극의 성공적인 안정화/ 기능화에 성공하였다.
하지만 더 두껍게 코팅된 6 nm의 경우에는 초기 미세구조를 잘 유지하기는 하지만 절연체인 Al₂O₃가 너무 두껍게 코팅되어, charging 문제로 인해 이미지가 선명하게 얻어지지 않는 것을 알 수 있었다. 이러한 미세구조가 미치는 영향을 임피던스 분석을 통해 측정한 결과, 450℃에서 Al₂O₃가 3.6 nm 코팅된 백금 전극이 코팅이 되지 않은 전극에 비해서 산소 환원 반응에 대한 전극 반응성이 2배 이상 향상되었음을 보였다. 하지만, 더 두꺼운 6 nm의 Al₂O₃가 코팅이 된 백금 전극에서는 코팅이 되지 않은 전극 보다 약 2배가량 큰 전극 저항을 나타내었다.
TEM 분석 결과 스퍼터링을 이용하여 제작된 백금 전극 위에 ALD를 통해 증착한 Ru이 island growth가 이루어진 것을 확인하였다. 이렇게 제작된 전극의 I-V 분석 결과, 450℃에서 Ru이 코팅되지 않은 백금전극에 비해, Ru이 100 cycle 증착된 백금 전극의 전력 밀도가 10 배 이상 향상되는 것을 확인하였다. 또한, SEM 분석을 통해 Ru이 증착되지 않은 백금 전극은, 측정 후 TPB가 75 %가량 줄어들었지만, Ru이 증착된 전극의 경우 4% 이내의 TPB 감소율을 보이는 것을 통해 효과적인 활성점 유지를 통해 전극 성능이 향상되었다고 주장하였다.
또한, TEM 분석을 통해 ALD를 이용한 Al₂O₃코팅이 Pt 나노입자와 LSCM전극 표면에 균일하게 코팅되었음을 확인하였다. 이렇게 제작된 전극의 임피던스의 초기 분석 결과를 보면, 650℃ wet (2 % H₂O) CH₄ 분위기에서, 나노입자가 없는 LSCM전극 대비 나노입자가 담지된 LSCM전극은 100배 이상의 높은 전극 반응성을 보이는 것을 알 수 있었다. 하지만 백금 나노입자의 열적 불안정성 및 탄소 침적 문제로 인해서 매우 빠른시간 안에 급격한 성능 감소를 보이는 것이 확인되었다.
하지만 백금 나노입자의 열적 불안정성 및 탄소 침적 문제로 인해서 매우 빠른시간 안에 급격한 성능 감소를 보이는 것이 확인되었다. 이와 반면에, 1.5 nm의 Al₂O₃가 코팅된 전극의 경우는, 25시간이 지난 이후에도 bare LSCM 전극 대비 100배 이상의 전극 활성을 유지하는 것을 확인하였다. 하지만, Al₂O₃를 1.
이렇게 제작된 전극의 임피던스의 초기 분석 결과를 보면, 650℃ wet (2 % H₂O) CH₄ 분위기에서, 나노입자가 없는 LSCM전극 대비 나노입자가 담지된 LSCM전극은 100배 이상의 높은 전극 반응성을 보이는 것을 알 수 있었다. 하지만 백금 나노입자의 열적 불안정성 및 탄소 침적 문제로 인해서 매우 빠른시간 안에 급격한 성능 감소를 보이는 것이 확인되었다. 이와 반면에, 1.

후속연구

이렇게 성공적인 성능 향상들이 많이 보고되었지만, ALD가 전극의 반응성이나 내구성에 미치는 정확한 메커니즘에 관한 추가적인 연구가 필요한 상황이다. ALD 기술 적용에 대한 보다 체계적인 연구를 통해 고성능/고내구성의 전해질 및 전극 구현과 SOFC 분야의 새로운 도약을 기대해 본다.
ALD는 증착하고자 하는 precursor 와 reactant pulse 조절을 통해 손쉽게 박막의 조성을 조절할 수 있다. 그러므로 ALD를 이용하여 다양한 조성의 기능성 산화물 코팅이 SOFC 전극의 반응성에 미치는 효과에 관한 다양한 연구가 이루어진다면 고성능/고 내구성의 SOFC 전극 개발이 가능할 것이다. 뿐만 아니라 금속 나노입자가 담지 된 SOFC 전극에 ALD의 도입은 고활성의 금속 나노 촉매를 SOFC 전극에 적용 가능 하게 해줄 수 있다.
뿐만 아니라 금속 나노입자가 담지 된 SOFC 전극에 ALD의 도입은 고활성의 금속 나노 촉매를 SOFC 전극에 적용 가능 하게 해줄 수 있다. 그러므로 앞에서 말한 다성분계 산화물 코팅을 금속 나노촉매가 담지된 전극에 도입한다면 Al₂O₃를 코팅하였을 때 보다 우수한 성능 향상을 기대할 수 있을 것이다. 또한, 다양한 코팅 물질 탐색 및 도입을 통해, ALD 코팅층과 금속 나노입자 사이의 strong metal support interaction 으로 인한 흥미로운 현상들도 SOFC 전극 표면에서 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 앞에서 말한 다성분계 산화물 코팅을 금속 나노촉매가 담지된 전극에 도입한다면 Al₂O₃를 코팅하였을 때 보다 우수한 성능 향상을 기대할 수 있을 것이다. 또한, 다양한 코팅 물질 탐색 및 도입을 통해, ALD 코팅층과 금속 나노입자 사이의 strong metal support interaction 으로 인한 흥미로운 현상들도 SOFC 전극 표면에서 구현할 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지란?	연료전지란 화학 에너지를 다른 중간 과정 없이 전기 화학 반응을 통해서 바로 전기 에너지로 변환하는 장치로써, 연료극 (anode), 공기극 (cathode) 그리고 전해질 (electrolyte)로 구성되어있다 (Fig. 1).
	고체산화물 연료전지가 주목받는 이유는?	에너지 수요 증가 및 환경 문제로 인해 고효율을 지니며 친환경적인 발전 기술에 대한 필요성이 점점 중요해 지고 있다. 이러한 요구를 충족시키는 다양한 에너지 생산 기술 중에서, 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell, SOFC)는 높은 에너지 효율과 다른 연료전지와는 다르게 다양한 연료를 주입하여 구동할 수 있다는 장점으로 인해 차세대 발전 장치로 크게 주목받고 있다.
	ALD 기술의 원리는?	ALD 박막 공정은 화학기상증착법 (chemical vapor deposition, CVD)과 달리 반응 원료를 각각 분리하여 공급하여, 한 사이클 증착 시에 자기 제한적 표면 반응에 의해 단원자층 (monolayer) 이하의 박막이 성장하게 한다.6) Fig.

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연합인증

원자층 증착법을 통한 고체산화물 연료전지의 세라믹 인터페이스 제어
Control of solid oxide fuel cell ceramic interfaces via atomic layer deposition 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

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원자층 증착법을 통한 고체산화물 연료전지의 세라믹 인터페이스 제어 Control of solid oxide fuel cell ceramic interfaces via atomic layer deposition 원문보기

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