초록 ▼

연구개요
□ 페로브스카이트 산화물 표면 편석 제어 기술 및 고내구성·고활성 공기극 소재 개발
· 고체산화물연료전지는 높은 에너지 전환 효율의 친환경적 에너지 전환 장치로써 미래 에너지 기술로 크게 주목받고 있음.
· 페로브스카이트계 산화물은 산소 환원 반응에 대한 촉매적 특성과 우수한 전도도로 공기극 소재로 활발하게 연구되고 있지만, 표면에서의 구조적/화학적 불안정성으로 인한 성능 열화는 상용화의 중요한 기술적 장벽으로 남아있음.
· 표면 편석 현상은 공기극의 대표적인 열화 현상으로 알려져 있으나, 이에 대한

연구개요
□ 페로브스카이트 산화물 표면 편석 제어 기술 및 고내구성·고활성 공기극 소재 개발
· 고체산화물연료전지는 높은 에너지 전환 효율의 친환경적 에너지 전환 장치로써 미래 에너지 기술로 크게 주목받고 있음.
· 페로브스카이트계 산화물은 산소 환원 반응에 대한 촉매적 특성과 우수한 전도도로 공기극 소재로 활발하게 연구되고 있지만, 표면에서의 구조적/화학적 불안정성으로 인한 성능 열화는 상용화의 중요한 기술적 장벽으로 남아있음.
· 표면 편석 현상은 공기극의 대표적인 열화 현상으로 알려져 있으나, 이에 대한 반응 기작 및 Sr 편석이 전극 활성에 미치는 영향에 대한 명확한 원인이 제안된 바가 없으므로 이를 효과적으로 억제하는 기술 역시 개발된 바 없음.
1) 페로브스카이트계 산화물 표면의 Sr 편석과 전극 활성 간의 상관관계 규명
2) 등가 양이온 도핑을 통한 페로브스카이트 산화물 공기극 표면 안정화 기술 개발
3) 음이온 도핑을 통한 새로운 표면 편석 제어 기술 개발

연구 목표대비 연구결과
■ 페로브스카이트 산화물 표면의 Sr 편석과 전극 활성 간의 상관관계 규명 (100% 달성)
· 원자 수준으로 균일한 종단층을 지닌 STF 단결정 박막을 성공적으로 제작함.
· Sr 편석 현상의 초기 단계를 원자간력 현미경으로 정밀하게 관측함.
· ECR을 통해 시간에 따른 표면산소교환속도의 변화를 측정하고 이를 표면의 구조/조성변화와 연관 지음을 통해 Sr 편석과 전극 활성 간의 상관관계를 규명함.
■ 등가양이온 도핑 통한 페로브스카이트 산화물 공기극 표면 안정화 기술 개발 (100% 달성)
· 본 그룹 선행 연구의 결과를 통해 STF에서 Sr 편석 제어를 위한 최적의 Sr-O 결합길이를 알아내고, 이를 달성하기 위한 등가원소 도펀트인 Zr로 단일상의 파우더를 합성함.
· X선 회절 패턴 분석을 통해 Zr 도핑이 Sr-O 결합을 안정화하는 방향으로 격자를 팽창시키는 것을 확인함.
· Zr이 도핑된 STF 모델 박막 전극을 제작하여 650 °C에서 표면산소교환속도의 열화가 발생하지 않아, 등가원소 도핑법이 Sr 편석 현상 제어 기술임을 실증함.
■ 음이온 도핑을 통한 새로운 표면 편석 제어 기술 개발 (100% 달성)
· 페치니법을 이용해 F^-, Cl^- 이 도핑된 STF를 이차상 없이 합성하는 데 성공함.
· 음이온이 도핑된 STF 소재로 다공성 구조의 전극의 반쪽 전지를 제작해, 음이온이 산소환원 반응에 대한 전기화학적 특성을 개선할 수 있음을 보임.
· Cl^-이 도핑된 STF 다공성 및 박막 기반 전극에 대해 실제 구동 조건에서의 장기 안정성 및 우수한 전극 성능을 확인함.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
· 원자 수준으로 제어된 정교한 박막 시스템을 이용하여 온도/가스/시간에 따라 초고분해능 표면분석을 정량화한 체계적인 연구는 아직까지 보고된 바 없는 최초의 시도임.
· 표면 편석현상과 전극 활성 간의 정량적 상관관계 도출을 통해 고체산화물 연료전지 공기극의 열화에 대한 오랜 논쟁을 마무리하는 학문적으로 중요한 연구임.
· 본 연구를 통해 기본에 보고된 바 없는 새로운 표면 양이온 편석 제어 기술들을 확보하여 향후 고성능 고온 산화물 전극 소재 분야를 선도할 수 있음.
· 본 연구를 통해 확보될 기술들은 다양한 다성분계 페로브스카이트계 산화물에 적용 될 수 있으며, 고체산화물 연료전지의 전극 소재뿐만 아니라 전기화학 촉매, 화학 촉매, 센서 등의 폭넓은 응용 및 적용이 가능한 범용 기술임.
· 2009년 이후 지난 10여 년간 꾸준한 성장세인 고정형 연료전지 시장에 대한 고체산화물 전기화학 전지의 원천기술 개발을 통한 경쟁력 확보는 국내 기술 자립도를 향상시키고 미국·일본 주도적 세계 시장 내 영향력을 확대할 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 15
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 참고문헌 ... 16
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 29
• 끝페이지 ... 44