KR101812387B1 - 페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법 - Google Patents

페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 페로브스카이트(perovskite) 전구체 용액(precursor solution)을 코팅하는 단계, 및 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하는 방법으로, 상기 전구체 용액을 소결하여, 상기 전구체 용액 내에 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)를 형성하는 단계를 포함하는 페로브스카이트 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.

Description

페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법{Method for manufacturing a perovskite thin film, and method for manufacturing a fuel cell using same}
본 발명은 페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법에 관련된 것으로, 페로브스카이트 전구체 용액 상에 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하는 페로브스카이트 박막을 제조하는 방법, 및 상기 페로브스카이트 박막으로 전극을 제조하여 연료 전지를 제조하는 방법과 관련된 것이다.
유기 및 무기 하이브리드 페로브스카이트(perovskite)는 광학적, 전기적 특성이 우수하고, 가격이 저렴하며, 공정에서의 이용이 용이한 장점을 지닌 차세대 광흡수 물질이다. 특히, 최근 페로브스카이트 유기 및 무기 하이브리드 반도체는 기본적으로 화학 조성이 ABX3이므로, 다양한 종류의 물질과의 합성이 용이하고, 저가의 재료비로 전지, 센서, 메모리, 및 반도체의 제작이 가능하여 궁극적인 차세대 물질로 많은 관심을 받고 있다.
또한, 페로브스카이트 태양전지는 유기태양전지와 같이 용액 공정이 가능하기 때문에 대면적 및 플랙서블 소자로의 다양한 활용이 가능하여 레이저나 발광전자소자와 같은 다양한 분야로의 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 KR20140003998A (출원인: 성균관대학교산학협력단, 출원번호 KR20130032089A)에는, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층, 및 상기 정공전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 페로브스카이트 구조를 가지는 염료를 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로, 기존의 염료감응 태양전지와는 달리 루테늄 금속 착체가 아닌 페로브스카이트 구조를 가지는 염료를 감광제로서 사용함으로써, 상기 루테늄 금속 착체를 염료로서 사용하는 염료감응 태양전지의 경우 발생하였던 높은 가격, 염료 흡착을 위해 소요되는 장시간, 두꺼운 광흡수층 등의 문제점을 해결할 수 있는 높은 높은 에너지 전환효율을 갖는 태양전지의 제조 기술이 개시되어 있다.
페로브스카이트의 다양한 분야로의 적용 및 상용화를 위해, 공정 시간 및 공정 비용을 절감할 수 있는 간소화된 공정으로 페로브스카이트 박막을 제조하는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 특허 공개 공보 KR20140003998A
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 공정이 간소화된 페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 시간 및 공정 비용을 절감하는 페로브스카이트 박막의 제조 방법, 및 이를 이용한 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기판의 열변형을 최소화하는 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 이온 전도성이 우수한 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 전해질 막을 포함하는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기 전도성이 우수한 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 전해질 막을 포함하는 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 페로브스카이트 박막의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 페로브스카이트(perovskite) 전구체 용액(precursor solution)을 코팅하는 단계, 및 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하는 방법으로, 상기 전구체 용액을 소결하여, 상기 전구체 용액 내에 상기 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전구체 용액은, 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 페로브스카이트 박막의 제조 방법은, 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하기 전, 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 상기 전구체 용액을 열분해(pyrolysis)하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전구체 용액을 열분해하는 공정은, 상기 전구체 용액으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 페로브스카이트 박막의 제조 방법은, 상기 전구체 용액 상에 상기 극단파 백색광을 조사하기 전, 상기 전구체 용액에 포함된 수분을 제거하기 위해 건조 공정(drying process)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 페로브스카이트 박막은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)인 것을 포함을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 연료 전지는, 제1 전극(first electrode)을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 지르코니아(zirconia) 및 세리아(ceria)계 페로브스카이트(perovskite) 전구체 용액을 코팅한 후, 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하여 전해질 막을 형성하는 단계, 및 상기 전해질 막 상에 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후, 상기 극단파 백색광을 조사하여 제2 전극(second electrode)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 란탄계 페로브스카이트 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질 막 및 상기 제2 전극은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 전극 상에 지르코니아 및 세리아계 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후, 극단파 백색광을 조사하여 전해질 막을 형성할 수 있다. 상기 전해질 막 상에 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 제2 전극을 형성하여 연료 전지를 제작할 수 있다. 이 경우, 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 소결이 요구되는 상기 지르코니아 및 세리아계 페로브스카이트 전구체 용액 및 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 전극 및 상기 전해질 막의 손상 및/또는 변형을 최소화할 수 있고, 공정시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 전해질 막 및 상기 제2 전극은 pore가 형성된 다공성 박막이므로, 외부로부터 상기 제2 전극으로 유입된 산소(O2) 가스가 환원되어 생성된 산소 이온(O2 -)이, 상기 제2 전극 및 상기 전해질 막에 형성된 상기 pore를 통해 상기 제1 전극으로 용이하게 전달되어, 이온전도성 및 전기전도성이 향상된 상기 연료 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 극단파 백색광의 에너지에 따른 시트 저항(sheet resistance)를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)가 형성된 것을 확인하였다.
도 6은 80J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 열분해 공정을 수행한 경우, 페로브스카이트 박막의 극단파 백색광의 에너지에 따른 시트 저항(sheet resistance)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 열분해 공정 수행한 경우 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 9는 열소결(heat sintering)에 의해 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 XRD 결과 그래프이다.
도 11은 열분해 공정의 극단파 백색광 에너지에 따른 LSC(lanthanum-strontium cobaltite)를 포함한 페로브스카이트 박막의 시트 저항을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 기판(100)이 준비된다(S100). 상기 기판(100)은, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 기판(100)은, 금속 기판, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 플라스틱 기판, 또는 유리 기판 중 어느 하나일 수 있다. 상기 기판(100)은 플렉시블(flexible)할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은, 규소(Si), 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 산화 티타늄(TiO2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판(100) 상에 페로브스카이트(perovskite) 전구체 용액(precursor solution, 120)이 코팅될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100) 상에 상기 전구체 용액(120)이 코팅되는 방법은, 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전구체 용액(120)은, 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 상기 란탄계 페로브스카이트를 포함하는 상기 전구체 용액(120)은, 유기 용매에 란탄계 페로브스카이트 전구체 물질이 첨가되어 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 유기 용매는, 메타올, 에탄올, 아세트산, 또는 아세틸 아세테이트 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 물질은, LaCl3, La(NO)3, La(CH3CO2)3, La(OH)3, La2(CO3)3, La(C5H7O2)3, 또는 La(CH3CO2)3 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하는 방법으로, 상기 전구체 용액(120)이 소결되어, 상기 전구체 용액(120) 내에 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하기 전, 상기 전구체 용액(120) 내에 포함된 수분을 제거하기 위한 건조 공정(drying process), 및 상기 전구체 용액(120) 내에 포함된 상기 유기 용매를 제거하기 위한 열분해(pyrolysis) 공정이 차례대로 수행될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 코팅된 상기 전구체 용액(120)에 포함된 수분을 제거하기 위해 상기 건조 공정이 수행될 수 있다. 상기 건조 공정에 사용되는 건조기의 형태로는, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 건조기는, 진공 오븐(vaccum oven), 히터(Heater), 또는 핫 플레이트(Hot plate) 중에서 어느 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 건조 공정은, 200℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 전구체 용액(120)으로부터 상기 유기 용매를 제거하기 위한 상기 열분해 공정이 수행될 수 있다. 상기 열분해 공정은, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하는 것을 포함할 수 있다. 상기 극단파 백색광은, 전자기파(microwave light)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제논 플래쉬 램프(xenon flash lamp)에 높은 전류를 인가하여 생성되는 아크 플라즈마(arc Plasma)를 이용하여, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(pulse width)은 0.1~100ms이고, 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 갭(pulse gap)은 0.1~100ms이고, 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 수(pulse number)는 1~1000회이고, 상기 제논 플래쉬 램프의 강도(intensity)는 0.01~100J/cm2일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되는 시간은, 수 밀리세컨드(milisecond)일 수 있다. 이에 따라, 상기 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 상기 열분해 공정이 요구되는 국부부위에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 기판(100)의 손상 및/또는 변형을 최소화하고, 공정 비용 및 공정 시간을 감소시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 열분해 공정은, 500℃ 미만의 온도에서 수행될 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 코팅된 상기 전구체 용액(120)에 포함된 수분 및 유기 용매를 제거하기 위한 상기 건조 및 열분해 공정이 수행된 후, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 소결 공정(sintering process)이 수행될 수 있다. 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 전구체 용액(120) 내에 상기 페로브스카이트 결정 구조체가 형성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 전구체 용액(120) 내에 상기 페로브스카이트 결정이 성장되는 동시에, 상기 전구체 용액(120)이 소결되어 페로브스카이트 박막(perovskite thin film, 122)이 제조될 수 있다. 상기 페로브스카이트 박막(122) 내에 형성된 상기 페로브스카이트 결정에 의해, 상기 페로브스카이트 박막(122)은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)일 수 있다. 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광은, 전자기파일 수 있다. 상기 열분해 공정에서 상술된 바와 같이, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광은, 상기 제논 플래쉬 램프에 의해 상기 전구체 용액(120) 상에 조사될 수 있다. 상기 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 소결(sintering)이 요구되는 국부부위에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 기판(100)의 손상 및/또는 변형을 최소화하고, 공정시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 소결 공정은, 500℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 열 소결(heat sintering)을 이용하여 페로브스카이트 박막을 제조하는 경우, 500℃ 이상의 온도에서 페로브스카이트 결정 구조가 형성되므로, 페로브스카이트 전구체 물질이 코팅된 기판이 500℃ 이상의 고온 환경에 장시간 노출된다. 특히, 박막의 경우 벌크(bulk)에 비해 상대적으로 외부 변화에 더 민감하기 때문에, 소결을 위한 고온 환경 조성에 시간이 많이 소모된다. 또한, 박막의 소결을 위해 소비되는 에너지에 비해 외부로 손실되는 에너지가 더 크기 때문에 낭비되는 에너지 양이 매우 크다. 뿐만 아니라, 상기 페로브스카이트 전구체 물질이 코팅된 상기 기판에도 고온 환경에서 상당한 에너지가 장시간 가해지기 때문에, 기판의 손상 및/또는 변형이 발생한다. 이에 따라, 플라스틱 등의 유연 기판에의 적용에 한계가 존재한다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제논 플래쉬 램프를 이용하여 기판(100) 상에 코팅된 페로브스카이트 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 상기 전구체 용액(120) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 전구체 용액(120) 내에 페로브스카이트 결정 구조체가 형성되는 동시에, 상기 전구체 용액(120)이 소결되어 페로브스카이트 박막(122)이 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 소결이 요구되는 국부부위에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 기판(100)의 손상 및/또는 변형과 공정시간을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100)의 제한 없이, 상기 페로브스카이트 박막(122)이 제조될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 페로브스카이트 박막을 이용한 연료 전지의 제조 방법이 도 3을 참조하여 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지(300)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 전극(200)이 준비된다. 상기 제1 전극(200)은, 니켈 옥사이드가 혼합된 cermet일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(200)은, Ni-YSZ cermet 또는 Ni-SDC(Sm doped CeO2) cermet 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 전극(200) 상에 지르코니아(zirconia) 및 세리아(ceria)계 전구체 용액(precursor solution, 210)이 코팅된 후, 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)이 조사되어 전해질 막(215)이 형성될 수 있다.
상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210)은, 유기 용매에 지르코니아 및 세리아계 전구체 물질이 첨가되어 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 유기 용매는, 메타올, 에탄올, 아세트산, 또는 아세틸 아세테이트 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 물질은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ:(ZrO2)1-x(Y2O3)x(0.08≤x≤0.13)), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ:(ZrO2)1-x(Sc2O3)x(0.09≤x≤0.10)), 세리아(CeO2)를 첨가물로 첨가한 스칸디아 안정화 지르코니아(ScCeSZ:(ZrO2)1-x(CeO2)0.01(Sc2O3(0.09=x)), 사마리움 도핑한 세리아(SDC:SmxCe1-xO2(0.1≤x≤0.2)), 갈도리니움 도핑한 세리아(GDC:SmxCe1-xO2(0.1≤x≤0.2)), 및 이트리아 도핑한 세리아(YDC:(Y2O3)xCe1-xO2(0.1≤x≤0.2)) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(200) 상에 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210)이 코팅되는 방법은, 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating) 중 어느 하나일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제1 전극(200) 상에 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210)이 코팅된 후, 상기 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 상에 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 내에 지르코니아 및 세리아계 결정 구조체(crystal structure)가 형성되는 동시에, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210)이 소결(sintering)되어, 상기 전해질 막(215)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전해질 막(215)에 형성된 상기 지르코니아 및 세리아계 결정 구조체로 인해, 상기 전해질 막(215)은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)일 수 있다. 이에 따라, 상기 전해질 막(215)에 형성된 상기 pore를 통해 산소 이온(O2 -) 및 전자의 이동이 용이하여, 상기 연료 전지(300)의 이온전도성 및 전기전도성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 전해질 막(215)에 형성된 상기 pore를 통해 산소 이온(O2 -)이 상기 제1 전극(200)으로 용이하게 전달되어, 상기 제1 전극(200)으로부터 유입된 수소 이온(H+), 또는 탄소 이온(C4+)과 효율적으로 반응할 수 있다.
또한, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 상에 조사되는 상기 극단파 백색광은, 전자기파(microwave light)일 수 있다. 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 페로브스카이트 박막(122)의 제조 방법과 동일한 방법으로, 상기 제논 플래쉬 램프를 이용하여, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 상에 특정 파장 영역의 상기 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 상에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지를 가하여, 상기 전해질 막(215)을 형성하므로, 상기 제1 전극(210)의 손상 및/또는 변형을 최소화하고, 공정 비용 및 공정 시간을 감소시킬 수 있다.
상기 전해질 막(215) 상에 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트(perovskite) 전구체 용액(precursor solution, 230)이 코팅된 후, 상기 극단파 백색광을 조사되어, 제2 전극(second electrode, 235)이 형성될 수 있다. 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 페로브스카이트 박막(122)의 제조 방법과 동일한 방법으로, 상기 전해질 막(215) 상에 코팅된 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230) 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230) 내에 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)가 형성되는 동시에, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230)이 소결되어, 상기 제2 전극(235)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(235) 내에 형성된 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체로 인해, 상기 제2 전극(235)은, pore가 형성된 다공성 박막일 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 상기 제2 전극(235)으로 유입된 산소(O2) 가스가 환원되어 생성된 산소 이온(O2 -)이 상기 제2 전극(235)에 형성된 상기 pore를 통해 상기 전해질 막(215)으로 효율적으로 전달될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 종래의 진공 공정을 이용하여, 전극 상에 지르코니아 및 세리아계 결정 구조를 포함하는 전해질 막을 형성하는 경우, 상기 전극에 대한 상기 전해질 막의 증착률이 낮고, 상기 진공 공정 환경을 조성하는데 많은 비용과 시간이 소요되는 단점이 있다.
또한, 유기 금속 화학용액 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCSD)에 의해 상기 전극 상에 상기 지르코니아 및 세리아계 결정 구조를 포함하는 전해질 막을 형성하는 경우, 상압 및 상온 환경에서 공정이 수행되므로, 상대적으로 적은 비용으로 상기 전해질 막을 형성할 수 있으나, 지르코니아 및 세리아계 결정 구조의 형성을 위해, 500℃ 이상의 고온에서 장시간 동안 열 소결 해야한다. 이 경우, 상기 전해질 막의 소결을 위해 소비되는 에너지에 비해 외부로 손실되는 에너지가 더 크기 때문에 낭비되는 에너지 양이 매우 크다. 뿐만 아니라, 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 물질이 코팅된 상기 전극에도 고온 환경에서 상당한 에너지가 장시간 가해지기 때문에, 상기 전극의 손상 및/또는 변형을 발생시킨다. 이에 따라, 적용할 수 있는 상기 전극 물질에 한계가 있다는 단점이 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 전극(200) 상에 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210)을 코팅한 후, 특정 파장 영역의 극단파 백색광을 조사하여 전해질 막(215)을 형성할 수 있다. 상기 전해질 막(215) 상에 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230)을 코팅한 후, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 제2 전극(235)을 형성하여 연료 전지(300)를 제작할 수 있다. 이 경우, 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 소결이 요구되는 상기 지르코니아 및 세리아계 전구체 용액(210) 및 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액(230)에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 전극(200) 및 상기 전해질 막(215)의 손상 및/또는 변형을 최소화할 수 있고, 공정시간 및 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 전해질 막(215) 및 상기 제2 전극(235)은 pore가 형성된 다공성 박막이므로, 외부로부터 상기 제2 전극(235)으로 유입된 산소(O2) 가스가 환원되어 생성된 산소 이온(O2 -)이, 상기 제2 전극(235) 및 상기 전해질 막(215)에 형성된 상기 pore를 통해 상기 제1 전극(200)으로 용이하게 전달되어, 상기 연료 전지(300)의 이온전도성 및 전기전도성이 향상될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 페로브스카이트 박막에 대한 특성 평가 결과가 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 극단파 백색광의 에너지에 따른 시트 저항(sheet resistance)를 나타낸 그래프이다.
실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액인 LSM(strontium-doped lanthanum manganate) 용액을 코팅하였다. 상기 실리콘 웨이퍼 상에 코팅된 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 제논 플래쉬 램프를 이용하여 50~80J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 폭(pulse width) 및 펄스 갭(pulse gap)은, 각각 10ms이고, 상기 제논 플래쉬 램프의 펄스 수(pulse number)는, 5회이다. 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사된 상기 극단파 백색광의 에너지에 따른 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값을 측정하였다. 또한, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후, 700℃로 열 소결(heat sintering)하는 경우, 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값을 측정하였다.
도 4를 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 50J인 경우, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 2000kΩ/sq이고, 상기 극단파 백색광의 에너지가 60J로 증가함에 따라, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 10kΩ/sq으로 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 60~70J인 경우, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값이 10kΩ/sq으로 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 70J에서 80J로 증가함에 따라, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항은 1000kΩ/sq으로 증가하는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 60~70J인 경우, 제조된 상기 페로브스카이트 박막의 시트 저항값이 가장 작은 것을 알 수 있었다. 반면, 700℃의 온도로 열 소결하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 경우, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 내에 제공되는 에너지의 크기에 상관없이 8Ω/sq단위수정의 일정한 시트 저항값을 나타내는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 코팅된 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값(10kΩ/sq)이, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 코팅된 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃의 고온으로 열소결하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값(8kΩ/sq)과 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 60J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 표면 이미지를 측정하였다.
도 5를 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체(crystal structure)가 형성된 것을 확인하였다.
도 6은 80J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 80J의 에너지를 갖는 극단파 백색광을 조사하여 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 표면 이미지를 측정하였다.
도 6을 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체가 형성된 것을 확인하였다.
도 5 및 도 6의 결과로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 60J 및 80J인 경우, 동일한 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체를 포함하나, 상기 란탄계 페로브스카이트 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색과의 에너지가 80J인 경우, 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 형성된 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체의 결정성이 낮은 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 과도한 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 경우, 결정성이 낮은 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체가 형성되는 것을 알 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 열분해 공정을 수행한 경우, 페로브스카이트 박막의 극단파 백색광의 에너지에 따른 시트 저항(sheet resistance)를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하여 설명된 방법과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하되, 50J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사하여, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 내에 포함된 유기 용매를 제거하는 열분해 공정을 수행하였다. 상기 열분해 공정 수행 후, 50~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사하여, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막에 대하여, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막에 조사된 상기 극단파 백색광의 에너지(50~70J)에 따른 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값을 측정하였다.
도 7을 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 50J에서 70J로 증가함에 따라, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 약 16kΩ/sq에서 약 5kΩ/sq로 감소하는 것을 확인하였다. 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 약 60J인 경우, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 열 소결하여 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값과 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 또한, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 60J에서 70J로 증가하는 경우, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 열 소결하여 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값보다 작은 시트 저항값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지가 50J에서 70J로 증가함에 따라, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 약 5kΩ/sq에서 약 1000kΩ/sq으로 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다. 이로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 조사되는 상기 극단파 백색광의 에너지는 60J~70J이 가장 적합한 것을 알 수 있었다.
도 4 및 도 7의 결과로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지(50J)를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 열분해 한 후, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 소결하는 경우, 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 열소결하여 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 시트 저항값과 유사하거나 더 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 열분해 공정 수행한 경우 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 7을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 표면 이미지를 측정하였다.
도 8을 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체가 형성된 것을 확인하였다.
도 5 및 도 8의 결과로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지보다 낮은 에너지(50J)를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 열분해 한 후, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 소결하는 경우, 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막 내에 형성된 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체의 결정성이 높은 것을 확인하였다. 이는 50J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 열분해 공정에서 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액의 표면 structure가 형성되고, 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 소결 공정에서 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 내에 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체가 형성된 것에 대한 결과로 판단된다. 또한, 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막은, pore가 형성된 다공성 박막인 것을 알 수 있었다.
도 9는 열소결(heat sintering)에 의해 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이다. 구체적으로, 도 9의 (a)는 열소결에 의해 제조된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지이고, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)를 확대한 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃ 이상의 고온으로 열소결하여 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. SEM(scanning electron microscope)기기를 이용하여, 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막의 표면 이미지를 측정하였다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃ 이상의 고온으로 열소결하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막은, 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조체가 치밀하게 형성되어, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 상기 극단파 백색광을 조사하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막보다 다공도가 낮은 다공성 박막이 형성되는 것을 확인하였다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 페로브스카이트 박막의 XRD 결과 그래프이다.
도 7을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃ 이상의 고온으로 열 소결하여 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하고, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 상기 극단파 백색광을 조사하여 본 발명의 실시 예에 따른 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하였다. XRD(X-Ray Diffraction) 기기를 이용하여, 란탄계 페로브스카이트 박막의 X선 흡수에 따른 발광강도(intensity)를 측정하였다.
도 10을 참조하면, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃ 이상의 고온으로 열 소결하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 발광강도 피크(peak)와 본 발명의 실시 예에 따라 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 상기 극단파 백색광을 조사하여 제조된 상기 란탄계 페로브스카이트 박막의 발광강도 피크가 동일한 2θ값에서 나타나는 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 700℃ 이상의 고온으로 열소결하는 경우와 본 발명의 실시 예에 따라 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 상기 극단파 백색광을 조사하는 경우, 제조된 란탄계 페로브스카이트 박막에 형성된 상기 란탄계 페로브스카이트 결정 구조가 동일하다는 것을 알 수 있었다.
도 11은 열분해 공정의 극단파 백색광 에너지에 따른 LSC(lanthanum-strontium cobaltite)를 포함한 페로브스카이트 박막의 시트 저항을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 상기 란탄계 페로브스카이트 박막을 제조하되, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 물질로 LSC(lanthanum-strontium cobaltite)를 사용하였다. 상기 열분해 공정의 극단파 백색광 에너지(50, 100, 200, 300J/cm2)를 달리하여 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막을 제조하여, 상기 열분해 공정의 극단파 백색광 에너지에 따른 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막의 시트 저항값을 측정하였다. 또한, 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 전구체 용액을 650℃의 고온으로 열소결하여 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막을 제조하였다.
도 11을 참조하면, 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 전구체 용액 상에 100J 및 200J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 열분해 공정을 수행한 경우, 상기 열분해 공정 후, 80J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 제조된 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 1.46kΩ/sq인 것을 확인하였다. 또한, 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 전구체 용액을 650℃의 고온으로 열소결하여 제조된 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막의 시트 저항값은 1.6kΩ/sq인 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 전구체 용액 상에 100J 및 200J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 열분해 공정을 수행한 후, 80J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막을 제조하는 경우, 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 전구체 용액을 650℃의 고온으로 열소결하여 상기 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막을 제조하는 경우와 유사한 전기 저항 특성을 갖는 란탄계(LSC) 페로브스카이트 박막이 제조되는 것을 알 수 있었다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료 전지를 사용하는 발전용 연료 전지 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 상기 발전용 연료전지 시스템은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 연료전지(300) 및 상기 연료전지(300)로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 연료전지(300)로부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 연료전지(300)로부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제논 플래쉬 램프를 이용하여 기판 상에 코팅된 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 극단파 백색광이 조사될 수 있다. 상기 전구체 용액 상에 60~70J의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광이 조사되어, 상기 전구체 용액 내에 페로브스카이트 결정 구조체가 형성되는 동시에, 상기 전구체 용액이 소결되어 페로브스카이트 박막이 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 제논 플래쉬 램프에 의해, 상온 환경에서 소결이 요구되는 국부부위에 밀리세컨드 단위의 짧은 시간 동안 에너지가 가해지므로, 상기 기판의 손상 및/또는 변형과 공정시간을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판의 종류에 제한이 없는 상기 페로브스카이트 박막의 제조 방법이 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
120: 전구체 용액
122: 페로브스카이트 박막
200: 제1 전극
210: 지르코니아 및 세리아계 페로브스카이트 전구체 용액
215: 전해질막
230: 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액
235: 제2 전극

Claims (12)

  1. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 금속 산화물을 포함하는 전구체 용액(precursorsolution)을 코팅하는 단계; 및
    상기 전구체 용액 상에 극단파 백색광(IntensePulsed Light)을 조사하는 방법으로, 상기 전구체 용액을 소결하여, 상기 전구체 용액 내에 상기 금속 산화물을 포함하는 결정 구조체(crystal structure)를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 전구체 용액 상에 상기 극단파 백색광을 조사하기 전,
    상기 전구체 용액 상에 상기 전구체 용액을 상기 소결하기 위해 조사된 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 상기 전구체 용액을 열분해(pyrolysis)하는 것을 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액은, 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트를 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액을 상기 소결하기 위해 조사되는 에너지가 60~70J/㎠인 것을 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액을 열분해하는 공정은, 상기 전구체 용액으로부터 유기 용매를 제거하는 것을 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액을 상기 열분해하는 단계 전,
    상기 전구체 용액에 포함된 수분을 제거하기 위해 건조 공정(dryingprocess)을 수행하는 것을 더 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 박막은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은, 금속 기판, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 플라스틱 기판, 또는 유리 기판 중 어느 하나인 것을 포함하는 금속 산화물 박막의 제조 방법.
  8. 제1 전극(first electrode)을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 지르코니아(zirconia) 및 세리아(ceria)계 전구체 용액을 코팅한 후, 극단파 백색광(Intense Pulsed Light)을 조사하여 전해질 막을 형성하는 단계; 및
    상기 전해질 막 상에 란탄(lanthanum)계 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후, 상기 극단파 백색광을 조사하는 방법으로 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 소결하여, 제2 전극(second electrode)을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 상기 극단파 백색광을 조사하기 전,
    상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체를 상기 소결하기 위해 조사된 에너지보다 낮은 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하여 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액을 열분해하는 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 란탄계 페로브스카이트 전구체 용액 상에 60~70J/㎠의 에너지를 갖는 상기 극단파 백색광을 조사하는 것을 포함하는 연료전지의 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 전해질 막 및 상기 제2 전극은, pore가 형성된 다공성 박막(porous thin film)인 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 기판 상에 배치되는 것을 포함하되,
    상기 기판은, 금속 기판, 실리콘 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 플라스틱 기판, 또는 유리 기판 중 어느 하나인 것을 포함하는 연료 전지의 제조 방법.
  12. 제8 항 내지 제11 항 중에서 어느 한 항에 따라 제조된 연료 전지; 및
    상기 연료 전지로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력 제어 장치를 포함하는 발전용 연료 전지 시스템.
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