받개 들인 수소이온전도체 BaZrO3의 결함구조와 물질/전하 나름 특성

Abstract

페로브스카이트 타입의 수소이온전도체는 C.Wagner에 의해 고상에서의 수소 이온 전도성의 가능성이 예측된 이후 1980년도 초반 H.Iwahara에 의해 발견되어 많은 학술적인 관심과 응용 분야로의 가능성을 시사하였다. 특히 받개들인 BaZrO3는 수소 이온 전도성이 높고, 화학적으로 안정하여 응용가능성이 큰 물질로 많은 관심을 받고 있다. 하지만 BaZrO3의 난소결성과 느린 안정화 거동 때문에 이에 대한 결함구조 및 전기적 특성에 대한 연구는 많이 이뤄지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 열중량 분석법이 가지는 문제에 대해 고찰하고, 이에 대한 문제를 피하기 위해서 BaZrO3의 평형 전기 전도도를 온도, 수증기 분압, 산소 분압에 대하여 측정하여 수화 반응의 평형 상수를 도출하고, 각 나름종의 부분 전기 전도도를 계산하여 결함 구조를 분석하였다. 또한 페로브스카이트 타입 수소이온전도체의 수화 반응 기구에 대해서 선행 연구들에서는 수소 이온과 산소 이온의 Decoupled chemical diffusion으로 설명한 바 있으며, 이와 같은 수화 반응 기구를 통해 전기 전도도의 안정화 곡선을 분석하여 산소와 수소의 화학 확산 계수 및 표면 반응상수를 도출하고 온도, 수증기 분압, 산소 분압에 대한 상관 관계를 분석하였다. 특히 수소와 산소의 독립적 화학 확산에서 산소 분압에 따라 수소와 산소의 ambipolar diffusion으로 변해가는 과정을 실험적으로, 또 이론적으로 해석할 수 있었다. 또한 NiO를 소결조제로 사용한 시편의 물성을 함께 보고하여, BaZrO3의 난소결성을 극복하는데 도움을 주었다. 한편, 2개 이상의 전하 나르개 이온이 존재할 때, 이에 대하여 2개 이상의 화학 포텐셜 물매가 인가되면 열린 회로 기전력이 경로에 의존하는 함수라는 논문에 대하여, 이를 직접 실험으로 증명할 수 있었다.