KR20050016431A - Solid oxide electrolyte with ion conductivity enhancement by dislocation - Google Patents

Solid oxide electrolyte with ion conductivity enhancement by dislocation

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KR20050016431A
KR20050016431A KR10-2004-7018990A KR20047018990A KR20050016431A KR 20050016431 A KR20050016431 A KR 20050016431A KR 20047018990 A KR20047018990 A KR 20047018990A KR 20050016431 A KR20050016431 A KR 20050016431A
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dislocation
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oxide layer
ion
ion conductive
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KR10-2004-7018990A
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유지 사이토
프레드릭비 프린즈
용일 박
리얀 오하이레
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

이온전도율을 향상시키기 위해 전해질 막에 전위구조를 형성한다. 이온선 및/또는 전자선은 박막 내부에서 빈자리 클러스터를 성장시키고 높은 이온전도율을 보이는 프랭크 전위루프로 변환한다. 프랭크 전위루프들을 후속 박막 열처리 과정동안 공간적으로 재배향하면 이온전도율이 최대로 된다. 이 경우, 전위루프들은 면대면 연속전위구조를 형성하고, 이런 전위구조를 따라 이온은 최소의 활성에너지로 막을 통과할 수 있다. YSZ, DC와 같은 세라믹에 종래의 방식으로 조사를 하면 약 108~1014 cm/㎤의 전위밀도를 얻을 수 있다.In order to improve the ionic conductivity, a dislocation structure is formed in the electrolyte membrane. Ion rays and / or electron beams grow vacant clusters within the thin film and convert them into Frank potential loops that exhibit high ion conductivity. Spatial rearrangement of the Frank dislocation loops during subsequent thin film heat treatment maximizes the ion conductivity. In this case, the potential loops form a face-to-face continuous potential structure, and along this potential structure, ions can pass through the membrane with minimal activation energy. By irradiating ceramics such as YSZ and DC in a conventional manner, dislocation densities of about 10 8 to 10 14 cm / cm 3 can be obtained.

Description

전위구조에 의해 이온전도율을 향상시킨 고체산화물 전해질{SOLID OXIDE ELECTROLYTE WITH ION CONDUCTIVITY ENHANCEMENT BY DISLOCATION}Solid oxide electrolyte with improved ion conductivity by dislocation structure {SOLID OXIDE ELECTROLYTE WITH ION CONDUCTIVITY ENHANCEMENT BY DISLOCATION}

본 발명은 전기화학장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 전위구조를 이용해 연료전지나 기체센서와 같은 고체상태의 이온장치의 고체산화물 이온전도성 전해질에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to electrochemical devices and methods, and more particularly, to a solid oxide ion conductive electrolyte in a solid state ion device such as a fuel cell or a gas sensor using a potential structure.

연료전지는 화학반응으로 전류를 생성하는 전기화학장치이다. 연료전지의 기본구조는 연료/산화제 분배기로 지지되는 2개의 전극들 사이에 이온전도성 전해질이 삽입된 것이다. 한쪽 전극의 촉매로 인해 산화제측에서 이온과 전자의 분리가 촉진된다. 이온만 전해질을 통과하여 연료측에서 전자와 재결합한다. 이들 전자가 외부회로를 흐르면, 전력이 공급된다. 고체산화물 연료전지는 이온전도성 금속산화물 막을 전해질 층으로서 구비한다. 산소분자들은 공기측에서 각각의 전자와 산소이온으로 분리된다. 산소이온들은 전해질 막을 통과해 전자와 수소분자들과 결합해 물로 된다. 기체센서도 기본 구조는 동일하고, 기체의 농도차로 전류를 생산한다.Fuel cells are electrochemical devices that generate electrical current through chemical reactions. The basic structure of a fuel cell is the insertion of an ion conductive electrolyte between two electrodes supported by a fuel / oxidant distributor. The catalyst on one electrode promotes separation of ions and electrons on the oxidant side. Only ions pass through the electrolyte and recombine with the electrons on the fuel side. When these electrons flow through an external circuit, electric power is supplied. The solid oxide fuel cell includes an ion conductive metal oxide film as an electrolyte layer. Oxygen molecules are separated into individual electrons and oxygen ions on the air side. Oxygen ions pass through the electrolyte membrane and combine with electrons and hydrogen molecules into water. The basic structure of the gas sensor is the same, and current is produced by the difference in concentration of gas.

연료전지에서, 전해질의 공지의 전자전도율은 최소화하고 공지의 이온전도율은 최대화하면 효율이 증가한다. 동시에, 연료전지는 열역학적으로 저온에서 더 효율적이고 엔트로피 손실이 적어, 전압이 높아진다.In fuel cells, efficiency is increased by minimizing the known electron conductivity of the electrolyte and maximizing the known ion conductivity. At the same time, fuel cells are thermodynamically more efficient at low temperatures and have less entropy losses, resulting in higher voltages.

고체산화물 연료전지[SOFC; solid oxide fuel cell]는 아래와 같은 장점을 갖는다:Solid oxide fuel cell [SOFC; Solid oxide fuel cells have the following advantages:

- 이온교환에 특별한 습도조건이 불필요-No special humidity conditions for ion exchange

- 생성된 물로 막히는 문제가 없음-No clogging with generated water

- 고가의 금속촉매가 불필요하거나 적게 필요함-Expensive metal catalyst is unnecessary or small

- 높은 CO 허용High CO Tolerance

- 폐열 이용-Using waste heat

그러나, SOFC는 몇가지 문제도 있다. 해결해야할 문제점중 하나는 밀봉시일을 형성하는 것이다. 작동온도를 1000℃에서 600℃ 밑으로 낮추면, 금속재료를 밀봉에 사용할 수 있어서 이 문제가 해결될 수 있다. 출력 손실이 많음에도 불구하고, SOFC의 작동온도를 600℃ 밑으로 낮추려고 하는 많은 시도가 있었다. 그러나, 이 작동온도도 이동형에 대해서는 여전히 너무 높다.However, SOFCs also have some problems. One problem to be solved is to form a sealing seal. Lowering the operating temperature below 1000 ° C. to 600 ° C. can solve this problem by allowing the metal material to be used for sealing. Despite the large output losses, many attempts have been made to lower the operating temperature of the SOFC below 600 ° C. However, this operating temperature is still too high for the mobile type.

특히, 연료전지가 500℃ 이하에서도 효과적으로 작동하는 구조를 갖고 저렴하게 제작할 수 있는 전해질층이 필요하다. 본 발명은 이런 조건들을 반영한다.In particular, there is a need for an electrolyte layer that can be manufactured at low cost and has a structure in which a fuel cell operates effectively even at 500 ° C or lower. The present invention reflects these conditions.

도 1은 YSZ의 mol% Y2O3에 대한 이온전도율을 나타낸 등온선 그래프;1 is an isotherm graph showing the ion conductivity for mol% Y 2 O 3 of YSZ;

도 2는 전위밀도에 대한 이온전도율을 나타낸 등온선 그래프;2 is an isotherm graph showing ion conductivity versus dislocation density;

도 3은 면대면 전위구조를 갖는 필름 제작과정을 보여주는 블록도;3 is a block diagram showing a film manufacturing process having a face-to-face dislocation structure;

도 4는 전위구조를 갖는 층을 포함한 다층구조의 확대단면 사진;4 is an enlarged cross-sectional photograph of a multilayer structure including a layer having a dislocation structure;

도 5는 면대면 전위구조가 이온 경로로서 기능함을 보여주는 개략도;5 is a schematic diagram showing that the face-to-face dislocation structure functions as an ion path;

도 6은 몇가지 전위밀도의 예를 들어 YSZ와 SDC에 대한 온도에 다른 이온전도율을 나타낸 그래프;FIG. 6 is a graph showing different ion conductivities with temperature for several potential densities, for example YSZ and SDC;

도 7은 본 발명에 따른 전위구조가 형성된 박막을 구비한 장치의 일례.7 is an example of a device having a thin film having a dislocation structure according to the present invention.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 전위구조를 갖는 고체산화물 전해질 박막을 제공하되, 전위구조는 전해질의 윗면에서 바닥면까지 퍼진다. 본 발명은 이온조사와 더불어 열처리를 이용해 전해질 박막을 형성한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예의 기본 구조는 아래와 같다:The present invention provides a solid oxide electrolyte thin film having a dislocation structure, wherein the dislocation structure spreads from the top surface to the bottom surface of the electrolyte. The present invention forms an electrolyte thin film using heat treatment in addition to ion irradiation. The basic structure of one preferred embodiment of the present invention is as follows:

1. 전해질로 준비된 YTS(yttria stabilized zirconia)나 DC(doped ceria)와 같은 종래의 이온전도성 물질(물론 이에 한정되지 않음).1. Conventional ion conductive materials such as, but not limited to, yttria stabilized zirconia (YTS) or doped ceria (DC) prepared with an electrolyte.

2. 고에너지 전자선 및/또는 이온선을 이용해 전해질 물질에 형성되는 전위구조.2. A potential structure formed in an electrolyte material using high energy electron beams and / or ion beams.

3. 전위구조의 형상과 방향을 열처리로 변경.3. Change the shape and direction of dislocation structure to heat treatment.

기존의 장치와 방법에 대한 본 발명의 몇가지 장점들은 아래와 같다:Some of the advantages of the present invention over existing devices and methods are as follows:

1. 이온전도율이 높아 전력밀도/효율이 높은 연료전지와 고감도 기체센서 가능.1. High ion conductivity, high power density / efficient fuel cell and high sensitivity gas sensor.

2. 작동온도가 낮아, 전극과 전해질 사이의 열팽창계수 차이로 생기는 문제점들을 해결함은 물론, 금속과 폴리머를 포함해 재료의 활용도가 향상되어 설계가 자유롭다.2. The low operating temperature solves the problems caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the electrode and the electrolyte, as well as improves the utilization of materials including metals and polymers.

SDC(samarium doped ceria)와 같은 DC(doped ceria)와 YAZ(yttria stabilized zirconia; 이트리아 안정화 지르코니아) 등 이온전도율이 높은 세라믹이 전해질에 적절하다. 이런 세라믹을 단결정, 다결정, 비정질 상태로 하여 유체불투과성 박막층을 제작할 수 있다. 단결정이나 다결정 세라믹에 전위구조가 형성될 수 있다. 일반적으로 소성변형, 급속냉각 또는 이온선, 전자선, 중성자선에 의해 전위구조가 형성될 수 있다.Ceramics with high ionic conductivity, such as doped ceria (DC) such as samarium doped ceria (SDC) and yttria stabilized zirconia (YAZ), are suitable for the electrolyte. Such a ceramic can be made into a single crystal, polycrystalline, or amorphous state to produce a fluid impermeable thin film layer. Dislocation structures may be formed in single crystals or polycrystalline ceramics. In general, dislocation structures may be formed by plastic deformation, rapid cooling, or ion beams, electron beams, and neutron beams.

소성변형은 1010 ㎝/㎤ 이하의 전위밀도를 일으킬 수 있다. 그러나, 세라믹의 소성변형은 고온에서만 일어날 수 있다. YSZ에서는 1000℃ 이상의 온도에서 상당히 높은 속도로 소성변형이 일어난다. 고온에서의 소성변형은 효율적인 전해질 막을 적절한 두께로 제작하는데 복잡한 단계를 필요로 한다.Plastic deformation can cause dislocation densities of 10 10 cm / cm 3 or less. However, plastic deformation of the ceramic can only occur at high temperatures. In YSZ, plastic deformation occurs at a considerably high rate at temperatures above 1000 ° C. Plastic deformation at high temperatures requires complex steps to fabricate an efficient electrolyte membrane to the appropriate thickness.

소성변형이 아닌 급냉이나 담금질에 의해 전위가 생길 수도 있다. 이 과정중에, 세라믹 막을 1000℃ 이상의 온도로 가열한 다음 급속냉각한다. 가열/냉각에 의해 원자격자구조에 고밀도의 빈자리(vacancy)가 생긴다. 최상의 결과를 위해서는, 냉각을 가능한 짧게 하는 것이 좋다. 높은 온도구배로 짧은 냉각을 여러번 하면, 세라믹에 균열과 같은 기계적 변형이 생긴다. 전해질 막에서는, 유체투과를 방지하기 위해 균열을 피해야 한다. Dislocations may be caused by quenching or quenching rather than plastic deformation. During this process, the ceramic film is heated to a temperature of at least 1000 ° C. and then rapidly cooled. Heating / cooling creates high density vacancies in the atomic lattice structure. For best results, make the cooling as short as possible. Many short cooling cycles with high temperature gradients lead to mechanical deformation such as cracks in the ceramic. In electrolyte membranes, cracks should be avoided to prevent fluid permeation.

조사는 전위밀도가 1012 ㎝/㎤ 이상인 박막을 형성하는 바람직한 방법이다. 이온, 전자 및/또는 중성자를 세라믹에 조사할 수 있다. 중성자조사를 하면 방사성동위원소가 잔류할 수 있지만, 이온조사와 전자조사는 환경적으로 안전하고 간단하며 저렴하여 시중에서 쉽게 구할 수 있는 장비로 가능하다.Irradiation is a preferred method of forming a thin film having a dislocation density of 10 12 cm / cm 3 or more. Ions, electrons and / or neutrons can be irradiated to the ceramic. Although neutron irradiation may cause radioisotopes to remain, ion irradiation and electron irradiation are environmentally safe, simple, and inexpensive, making it easily available on the market.

이온/전자선은 세라믹의 조사 깊이에서 빈자리 클러스터의 성장을 일으킨다. 빈자리 클러스터가 임계 사이즈에 도달하면, 주변 원자격자구조가 붕괴되면서 빈자리 클러스터가 공지의 프랭크 전위 루프로 변환된다. 조사에 이은 열처리 과정에서, 세라믹은 소정 온도로 가열되고, 프랭크 전위 루프 자체가 공간적으로 재배열되어 연속 전위구조를 형성하는 동안 이 온도로 유지된다. 공지 방식으로 열처리인자들을 조정하여, 전위루프의 재결합을 최소로 유지한다. Ion / electron beams cause the growth of vacant clusters at the depth of irradiation of the ceramic. When the vacancies cluster reaches a critical size, the surrounding atomic lattice structure collapses and the vacancies cluster is converted into a known Frank dislocation loop. In the heat treatment following the irradiation, the ceramic is heated to a predetermined temperature and maintained at this temperature while the Frank Dislocation Loop itself is spatially rearranged to form a continuous dislocation structure. The heat treatment factors are adjusted in a known manner to keep the recombination of the potential loop to a minimum.

조사처리로 연속 전위구조를 형성하는데 바람직한 세라믹이 YSZ이다. YSZ의 자연 이온전도율은 이리듐 옥사이드 Y2O3의 함량에 따라 좌우된다. 도 1의 등온선에서 알 수 있듯이, 자연 이온전도율은 4~8 mol% Y2O3에서 최대이다. 이들 등온선은 YSZ 재료의 온도들을 마킹한 것이다. YSZ의 온도가 낮아질수록 최대 자연 이온전도율은 대략 4 mol% Y2O3 부근에 집중된다. 도 1에 도시된 자연 이온전도율은 전위가 없는 것이다.A preferred ceramic for forming a continuous dislocation structure by irradiation treatment is YSZ. The natural ionic conductivity of YSZ depends on the content of iridium oxide Y 2 O 3 . As can be seen from the isotherm of Fig. 1, the natural ion conductivity is the maximum at 4-8 mol% Y 2 O 3 . These isotherms mark the temperatures of the YSZ material. As the temperature of YSZ decreases, the maximum natural ion conductivity is concentrated around 4 mol% Y 2 O 3 . The natural ionic conductivity shown in FIG. 1 has no potential.

기준선(60)은 두께 500nm의 YSZ 박막(1)의 이온전도율 기준이다(도 3 참조). 이온전도율, 박막 두께 및 박막의 전체 이온저항율 사이의 관게에 대해 더 자세한 것은, 본 출원인의 동시출원인 "Sub-micron Electrolyte Thin Film on Nano-Porous Substrate by Oxidation of Metal Film"을 참고할 것.The reference line 60 is based on the ion conductivity of the YSZ thin film 1 having a thickness of 500 nm (see FIG. 3). For further details on the relationship between ionic conductivity, thin film thickness and overall ionic resistivity of thin films, see our co-filed "Sub-micron Electrolyte Thin Film on Nano-Porous Substrate by Oxidation of Metal Film".

도 2는 여러 온도의 전위밀도에 대한 8 mol% Y2O3의 YSZ[8YSZ]의 이온전도율을 보여준다. 이들 여러 온도는 연료전지의 전해질 막 작동온도 부근의 온도이다. 최대 온도 약 500℃ 이하로 작동하는 연료전지에서는 공지의 작동 억제효과를 줄이는 것이 바람직하다. 이런 억제효과로는, 열팽창, 열소산, 열전달 등에 맞도록 구조적 부분과 시일 및/또는 설계 특징부들의 재료를 고온재료로 선택하는 것이 있다.FIG. 2 shows the ionic conductivity of YSZ [8YSZ] of 8 mol% Y 2 O 3 over dislocation densities at various temperatures. These various temperatures are near the operating temperature of the electrolyte membrane of the fuel cell. In a fuel cell operating at a maximum temperature of about 500 ° C. or less, it is desirable to reduce the known operation inhibiting effect. Such inhibitory effects include selecting materials of structural parts, seals and / or design features as high temperature materials to suit thermal expansion, heat dissipation, heat transfer, and the like.

도 2에 도시된 바와 같이, 1010 ㎝/㎤ 내지 1014 ㎝/㎤의 전위밀도 범위(21)에서 이온전도율이 상당히 낮아졌다. 연속 전위구조로 인해, 이온전도율이 고온영역의 2등급에서 저온영역의 8등급으로 상승할 수 있다. 따라서, 연료전지와 기체센서의 작동온도가 낮아질수록, 연속 전위구조로 인해 효율적인 전해질 막 형성을 위한 가중치가 얻어진다.As shown in Fig. 2, the ion conductivity was considerably lowered in the dislocation density range 21 of 10 10 cm / cm 3 to 10 14 cm / cm 3. Due to the continuous dislocation structure, the ion conductivity can rise from the second grade in the high temperature region to the eighth grade in the low temperature region. Therefore, as the operating temperature of the fuel cell and the gas sensor is lowered, weights for efficient electrolyte membrane formation due to the continuous potential structure are obtained.

전위구조를 갖는 고체물질의 이온전도율은 다음과 같다: 전위밀도는 ρpipe로 정의된 전위파이프에 대해 측정되고 그 단위는 단위체적에 대한 전위 길이로서 [mm-2]이다. 전위 방향이 재료의 두께방향이라면, 아래와 같이 전위를 통한 전도 면적율이 전위의 체적율과 같게 된다.The ionic conductivity of a solid material having a dislocation structure is as follows: Dislocation density is measured for the dislocation pipe defined by ρ pipe and its unit is [mm-2] as dislocation length for unit volume. If the dislocation direction is the thickness direction of the material, the conductive area ratio through the dislocation becomes equal to the volume ratio of the dislocation as follows.

fpipe = ρpipe *πb2 f pipe = ρ pipe * πb 2

여기서, 각각의 전위는 πb2의 면적을 통해 연장하고, b는 전위의 버거스벡터(burgers vector)로서 1-2 원자 크기이다. 샘플의 총 전도율은 rule of mixture 논리를 이용해 계산된다. 기본적으로, 총 전도율은 재료전체의 체적율로 측정한 재료전체의 전도율과 전위파이프의 체적율로 측정한 전위파이프의 전도율을 합한 것이다.Here, each potential extends through an area of πb 2 , and b is 1-2 atomic in size as a burgers vector of potentials. The total conductivity of the sample is calculated using the rule of mixture logic. Basically, the total conductivity is the sum of the conductivity of the whole material measured by the volume ratio of the whole material and the conductivity of the potential pipe measured by the volume ratio of the potential pipe.

마지막으로, 전위부의 전도율은 전체재료의 전도율에 비해 개선된다고 본다. 전위부의 전도율이 개선된 원인은, 전위파이프 부근에서 전도 활성에너지(Ea)가 낮아진 때문이다. YSZ의 경우, 전위구조 부근에서 격자가 팽창하고 산소와 Zr 사이의 결합강도가 약해지기 때문이다. 결합강도가 약해지면, 산소측으로부터 산소 빈자리(oxygen vacancy)로의 산소이온 이동(활성)에너지가 낮아진다. 전위파이프의 활성에너지는 재료전체의 활성에너지에 대해 아래와 같다:Finally, the conductivity of the dislocations is considered to be improved compared to that of the entire material. The reason why the conductivity of the potential portion is improved is that the conduction active energy Ea is lowered in the vicinity of the potential pipe. In the case of YSZ, the lattice expands near the dislocation structure and the bond strength between oxygen and Zr is weakened. As the bond strength weakens, the oxygen ion transfer (active) energy from the oxygen side to the oxygen vacancy is lowered. The active energy of the potential pipe is given below for the active energy of the material as a whole:

ρbulk = Ae-Ea/kT ρpipe = Ae-Ea/2kT ρbulk = Ae-Ea / kT ρpipe = Ae-Ea / 2kT

도 3은 연속 전위구조 형성단계들을 보여준다. 첫번째 단계에서, 소정의 두께(11)로 미리 형성된 박막(1)을 이온이나 전자선에 노출시킨다. 표면을 침투하는 이온이 두께(11)를 투과하여 분산될 정도의 조사 파라미터로 두께(11)를 선택한다. 예를 들면, YSZ 박막의 두께는 약 140nm로 한다. 유체 불투과성 YSZ 박막의 형성에 관해 더 자세한 것은 전술한 특허출원 "Sub-micron Electrolyte Thin Film on Nano-Porous Substrate by Oxidation of Metal Film"을 참고할 것.3 shows the steps of forming a continuous dislocation structure. In the first step, the thin film 1 previously formed to a predetermined thickness 11 is exposed to ions or electron beams. The thickness 11 is selected as an irradiation parameter such that ions penetrating the surface are dispersed through the thickness 11. For example, the thickness of the YSZ thin film is about 140 nm. For further details on the formation of a fluid impermeable YSZ thin film, see the aforementioned patent application "Sub-micron Electrolyte Thin Film on Nano-Porous Substrate by Oxidation of Metal Film".

파라미터가 450㎸에서 5x1015 ions/㎠ Xe3+이면 전위밀도가 약 1012 ㎝/㎤이도록 두께(11)를 선택한다. 첫번째 단계에서, 박막(1)의 결정구조에 빈자리 클러스터(61)가 생기기 시작한다. 조사가 계속되면, 빈자리 클러스터(61)가 결정 크기로 성장한다. 크세논 이온 외에 아르곤 이온 등의 다른 이온들을 사용해도 된다. 크세논 이온의 사용은 기존의 TEM(Transmission Electron Microscope) 관찰을 위한 것이다. 반대로 아르곤 이온을 이용하면 전위밀도는 낮아지되 깊이 침투하는데, 아르곤 이온이 크세논 이온보다 더 작고 가볍기 때문이다. 전자선의 경우 전자가 이온보다 훨씬 작기 때문에 침투깊이도 훨씬 깊다. 시중에서 구입할 수 있는 IBM사의 소프트웨어 "SPIM-2000.40"을 이용하면 침투깊이를 측정할 수 있다. 예컨대, 450keV 아르곤 이온 조사의 경우 측정된 YSZ에서의 최대 침투깊이는 약 340nm일 수 있다. 조사강도는 최대 침투깊이와 높은 전위밀도를 위해 최대로 유지하는 것이 좋다. 당업자라면 알 수 있겠지만, 조사강도는 박막(1)의 구조적 파괴가 일어나지 않을 정도로 제한된다. 경우에 따라서는, 박막(1)의 양쪽면(12,13)에서 동시에 조사를 할 수도 있는데, 이 경우 최대 침투깊이가 두배로 된다.If the parameter is 5 × 10 15 ions / cm 2 Xe 3+ at 450 kW, the thickness 11 is selected so that the dislocation density is about 10 12 cm / cm 3. In the first step, vacancy clusters 61 start to form in the crystal structure of the thin film 1. If irradiation continues, the empty cluster 61 grows to a crystal size. In addition to xenon ions, other ions such as argon ions may be used. The use of xenon ions is for conventional transmission electron microscope (TEM) observation. On the contrary, when argon ions are used, the dislocation density decreases but penetrates deeply, since argon ions are smaller and lighter than xenon ions. In the case of electron beams, the penetration depth is much deeper because the electrons are much smaller than the ions. The penetration depth can be measured using the commercially available IBM software "SPIM-2000.40". For example, in the case of 450 keV argon ion irradiation, the maximum penetration depth in the measured YSZ may be about 340 nm. Irradiation intensity should be kept at maximum for maximum penetration depth and high dislocation density. As will be appreciated by those skilled in the art, the irradiation intensity is limited such that structural breakdown of the thin film 1 does not occur. In some cases, irradiation may be performed simultaneously on both surfaces 12 and 13 of the thin film 1, in which case the maximum penetration depth is doubled.

조사를 계속하면서 임계 사이즈를 넘으면, 주변 원자격자구조가 붕괴하여 빈자리 클러스터(61)가 공지의 프랭크 전위루프(62)로 바뀐다. 이런 두번째 단계동안, 프랭크 전위루프(62)의 쌍극자들은 박막(1) 내부의 임의의 위치에 있게 된다. 프랭크 전위루프가 임의의 방향으로 형성되는 동안에는 조사에 의해서만 이온전도율이 개선될 수 있다.If the irradiation continues beyond the critical size, the surrounding atomic lattice structure collapses and the vacant cluster 61 is changed into a known Frank dislocation loop 62. During this second step, the dipoles of the frank potential loop 62 are at any position inside the thin film 1. The ion conductivity can be improved only by irradiation while the Frank dislocation loop is formed in any direction.

이온전도율은 일정 전위밀도에 대한 최대치로 될 수 있는데, 이 경우 프랭크 전위루프들은 양쪽 쌍극자들이 상하면(12,13)과 일치하도록 공간적으로 재배향된다(도 5 참조). 이런 식으로, 연속적인 면대면 전위(63)가 형성되고, 이 전위구조를 따라 이온들이 최소 활성에너지로 양측면(12,13) 사이를 통과할 수 있다. The ion conductivity can be a maximum for a certain dislocation density, in which case the Frank dislocation loops are spatially redirected so that both dipoles coincide with the upper and lower surfaces 12, 13 (see FIG. 5). In this way, a continuous face-to-face dislocation 63 is formed, and along this dislocation structure ions can pass between both sides 12, 13 with minimal active energy.

프랭크 전위루프는 조사가 끝난 뒤 박막(1)에 대한 별도의 열처리 과정중에 공간적으로 재배향된다. YSZ 박막(1)의 경우, 열처리는 약 3시간 동안 800℃ 정도의 온도에 노출시키는 것이다. 이 온도는, 전위루프들의 부적절한 재결합으로 인한 전위밀도의 감소 없이 프랭크 전위루프(62)의 성장과 공간적 재배향을 개시하도록 선택된다. 열처리 말미에, 샘플을 서서히 냉각하여 균열을 방지한다.The Frank dislocation loop is spatially reoriented during the separate heat treatment process for the thin film 1 after the irradiation is completed. In the case of the YSZ thin film 1, the heat treatment is to expose to a temperature of about 800 ℃ for about 3 hours. This temperature is chosen to initiate growth and spatial reorientation of the frank potential loop 62 without a decrease in potential density due to improper recombination of the potential loops. At the end of the heat treatment, the sample is cooled slowly to prevent cracking.

도 4는 위에서부터 차례대로 백금층(54), 금층(53), 조사처리된 YSZ 층(52), 조사처리되지 않은 YSZ 벌크층(51)으로 된 YSZ 다층구조 단면의 확대된 TEM 사진이다. 층(52)의 흰 부분은 전위밀도가 약 1012 ㎝/㎤인 전위구조를 보여준다. 도 4의 샘플에서는 조사처리층(52) 위에 금과 백금으로 된 층(53,54)이 있다. 이들 층(53,54)은 샘플에 대한 조사처리가 끝난 뒤 증착된다. 이 샘플을 준비하기 위해, 조사처리하지 않은 층(51)에 조사처리층(52)을 결합했다. 층(52)에서 흰 부분으로 보이는 프랭크 전위루프들은 아직 공간적으로 재배향되지 않은 것이다. 도 4의 샘플은 단지 관찰을 위한 것이다.FIG. 4 is an enlarged TEM image of a cross section of an YSZ multilayer structure consisting of a platinum layer 54, a gold layer 53, an irradiated YSZ layer 52, and an unirradiated YSZ bulk layer 51 in order from the top. The white portion of layer 52 shows a dislocation structure with a dislocation density of about 10 12 cm / cm 3. In the sample of FIG. 4, there are layers 53 and 54 of gold and platinum on the irradiation treatment layer 52. These layers 53 and 54 are deposited after the irradiation of the sample is finished. In order to prepare this sample, the irradiation treatment layer 52 was bonded to the unirradiated layer 51. Frank dislocation loops that appear white in layer 52 have not yet been spatially redirected. The sample of FIG. 4 is for observation only.

도 5는 박막의 한쪽면(13)에서 반대쪽 면(12)까지 이온이 침투하여 이루어지는 연속 면대면 전위구조의 영향을 보여준다. 5 shows the effect of the continuous face-to-face dislocation structure in which ions penetrate from one side 13 to the opposite side 12 of the thin film.

YSZ 이외에도, 전해질 막에 바람직한 세라믹 재료로는 SDC도 있다. SDC의 화학식은 Sm0.2Ce0.8O1.9 [20SDC]이다. 도 6은 온도의 함수로 도전율을 나타낸 각종 그래프로서, 천연 8YSZ(곡선 81), 20SDC(곡선 83)는 물론, 전위밀도가 1011 ㎝/㎤(곡선 82), 1014 ㎝/㎤(곡선 84)인 8YSZ, 전위밀도가 1011 ㎝/㎤(곡선 85), 1014 ㎝/㎤(곡선 86)인 20SDC를 보여준다.In addition to YSZ, a preferred ceramic material for the electrolyte membrane is SDC. The chemical formula of SDC is Sm 0.2 Ce 0.8 O 1.9 [20 SDC]. 6 is a graph showing the conductivity as a function of temperature, with natural 8YSZ (curve 81), 20 SDC (curve 83), as well as dislocation densities of 10 11 cm / cm 3 (curve 82) and 10 14 cm / cm 3 (curve 84 ) 8YSZ, 20SDC having a dislocation density of 10 11 cm / cm 3 (curve 85) and 10 14 cm / cm 3 (curve 86).

도 7은 본 발명에 따라 전위구조가 형성된 박막(1)을 갖는 장치(100)를 보여준다. 이 장치(100)는 연료전지나 기체센서일 수 있다. 7 shows a device 100 having a thin film 1 in which a dislocation structure is formed according to the present invention. The device 100 may be a fuel cell or a gas sensor.

당업자라면 알 수 있듯이, 전술한 여러 실시예들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 여러가지로 변형될 수 있다. 예컨대, Ca 안정 지르코니아, Sc 안정 지르코니아와 같은 형석 물질을 전해질 재료로 사용할 수도 있지만, 이에 한정되지도 않는다. 또, 공지의 Perovskite 이온전도재를 전해질 재료로 사용할 수도 있다.As will be appreciated by those skilled in the art, the various embodiments described above may be variously modified without departing from the scope of the present invention. For example, a fluorite material such as Ca stable zirconia and Sc stable zirconia may be used as the electrolyte material, but is not limited thereto. In addition, a known Perovskite ion conductive material may be used as the electrolyte material.

Claims (15)

전위밀도 1010 ㎝/㎤ 이상의 전위구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.An ion conductive oxide layer having a dislocation structure of dislocation density of 10 10 cm / cm 3 or more. 제1항에 있어서, 상기 전위구조가 윗면과 바닥면 사이에서 연속되는 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conducting oxide layer according to claim 1, wherein the dislocation structure is continuous between the top and bottom surfaces. 제1항에 있어서, 두께가 350nm 이하인 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 1, wherein the thickness is 350 nm or less. 제1항에 있어서, YSZ로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 1, which is composed of YSZ. 제3항에 있어서, 이온전도율이 200℃의 온도에서 10-6 S/㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 3, wherein the ion conductivity is 10 -6 S / cm or more at a temperature of 200 ° C. 제1항에 있어서, Sm이 도핑된 산화세륨으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conducting oxide layer of claim 1, wherein Sm is composed of doped cerium oxide. 제6항에 있어서, 이온전도율이 200℃의 온도에서 5x10-4 S/㎝ 이상인 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 6, wherein the ion conductivity is 5x10 -4 S / cm or more at a temperature of 200 占 폚. 제1항에 있어서, 연료전지의 전해질 막인 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 1, which is an electrolyte membrane of a fuel cell. 제1항에 있어서, 기체센서의 전해질 막인 것을 특징으로 하는 이온전도 산화물층.The ion conductive oxide layer according to claim 1, which is an electrolyte membrane of a gas sensor. 밀도 1010 ㎝/㎤ 이상의 전위구조를 갖는 이온전도성 산화물층을 형성하는 방법에 있어서:In the method for forming an ion conductive oxide layer having a dislocation structure with a density of 10 10 cm / cm 3 or more: a. 소정 두께의 산화 박막을 형성하는 단계; 및a. Forming an oxide thin film having a predetermined thickness; And b. 빈자리 클러스터가 상기 박막 내부에서 결정크기로 성장하되, 빈자리 클러스터 주변의 원자격자구조가 붕괴되어 프랭크 전위루프가 형성되도록 상기 박막에 조사선을 조사하는 단계;를 포함하고,b. Irradiating irradiated radiation on the thin film to grow a vacant cluster in a crystal size in the thin film, but to collapse the atomic lattice structure around the vacant cluster to form a Frank dislocation loop; 상기 두께는 상기 조사선이 박막을 침투하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.Wherein the thickness is determined such that the radiation penetrates the thin film. 제10항에 있어서, 상기 프랭크 전위루프를 공간적으로 재배향하여 연속적인 면대면 전위구조를 형성하기 위한 박막 열처리 단계가 상기 조사단계에 이어지고, 상기 프랭크 전위루프들이 공간적으로 성장하고 재배향되어 상기 연속 면대면 전위구조로 되도록 상기 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.The thin film heat treatment step of claim 10, wherein the thin film heat treatment step for spatially reorienting the frank potential loop to form a continuous face-to-face dislocation structure is followed by the irradiation step, and the frank dislocation loops are spatially grown and redirected to form the continuous plane. And the thickness is determined such that it becomes a facing dislocation structure. 제10항에 있어서, 상기 조사선이 이온선인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 10, wherein said radiation is ion beam. 제12항에 있어서, 상기 조사된 이온들이 아르곤이나 크세논인 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the irradiated ions are argon or xenon. 제10항에 있어서, 상기 두께가 350nm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 10, wherein the thickness is 350 nm or less. 산화물 전해질 막을 포함하고, 연속 내부 작동온도가 200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지.A fuel cell comprising an oxide electrolyte membrane, wherein the continuous internal operating temperature is 200 ° C. or less.
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