CaTi0.9Sc0.1O3-δ의 온도물매에 의한 이온 이동 특성

Abstract

페로브스카이트계(ABO3) 물질들은 높은 안정성을 바탕으로 많은 연구를 시도하고 있다. 그 중 몇몇의 연구자들이 CaTiO3에 acceptor를 들여 이온전도도를 높이면 기존의 SOFC의 전해질인 YSZ를 대체할수도 있다는것에 입각하여 이온나름수를 높이는 노력을 해왔다. Sc 10 m/o 들인 CaTi0.9Sc0.1O3-δ는 1000도 에서의 이온전도도가 기존의 YSZ에 상응하며 또한 이온나름수가 0.9 이상인 영역이 다른 물질에 비해 넓은 편임을 보였다. 따라서 SOFC의 전해질의 후보로 여러 특성의 연구가 필요하지만 특성연구에 대해 문헌도 부족한 실정이다. 물질이 이동하게 되는 현상의 구동력(driving force)에는 전기화학포텐셜 물매(electrochemical potential gradient), 온도물매(temperature gradient) 가 있다. 이러한 구동력이 존재할 때 물질이 이동하게 되는데 전기화학 포텐셜 물매가 직접적인(direct effect) 구동력으로 보는데 비해 온도물매는 간접적인(indirect effect) 구동력이다. 그러나 직접적인 구동력에 비해 간접적인 구동력의 효과가 미비하다고 판단하여 아직까지 연구가 미비하였다. 그러나 보다 정밀해진 연구조건에서 온도물매는 더 이상 무시할 수 있는 구동력으로 보기 힘들어 이러한 온도물매가 걸렸을 때 대상계에서 어떠한 물질이동이 있는지에 대한 연구의 필요성이 점차 대두 되고 있다. 따라서 온도물매가 걸렸을 때의 이온이동특성 분석에 중요한 지표인 reduced heat of transport을 이용하여 몇몇의 연구자들이 분석을 시도하였다. 특히 본 연구에 사용된 Sc들인 CaTiO3는 1000도에서 산소분압에따라 n-type, p-type, 그리고 electrolyte영역을 확인할 수 있어서 주 결함영역에 따른 이동현상에 대한 분석이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 이러한 이동현상 실험을 위해, 차단전극을 형성하여 Soret 평형상태를 얻을 수 있는 실험을 하였으며, 그에 따른 분석식(analytic solution)을 얻어냈다. 이러한 분석식을 바탕으로 화학확산계수, reduced heat of transport 와 이온나름수의 곱, 부분 전자 열기전력을 얻어내었다. reduced heat of transport를 따로 분리해내기 위해 전체 전기전도도를 다시 한번 800~1000도에서 산소분압 10-20<Po2 <1 영역에서 측정하였고 이온전도도와 전자전도도를 분리하여 재현성을 확인하였다. 따라서 결함 영역에 따라 분리된 reduced heat of transport와 산소분압 의존성을 분석하려고 시도하였다.