방전 플라즈마 소결법을 이용한 8YSZ-Al2O3 고체 산화물 연료전지 전해질 제조

Abstract

고체 산화물 연료전지 전해질 재료인 8YSZ(yttria stabilized zirconia)세라믹 소재의 전기 전도도와 기계적 특성을 동시에 향상시키기 위하여 첨가제로서 Al2O3를 사용하고, 방전 플라즈마 소결법을 적용하였다. 제조된 소결체는 1200oC의 소결 온도에서 96 % 이상의 밀도를 보이며, 1 mm 이하의 균일한 크기의 결정립들로 구성된 미세구조를 보여주고 있다. 첨가된 Al2O3는 순수한 8YSZ의 결정립성장을 억제하여 파괴인성 및 굽힘강도 등 기계적 물성을 향상시키고, 또한 결정립 내부 전도도는 일정하게 유지한 채, 결정립계 전도도를 향상시켜 전체 이온 전도도를 증가시킴을 확인하였다. 이는 방전 플라즈마 소결법이 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하여 기존의 소결 방법에서 문제시 되었던 8YSZ 내로 Al2O3가 용해 되는 것이 억제 되었을 뿐 아니라, 결정립계에 존재하는 SiO2가 Al2O3와 반응하여 Al2 - xSi1 - yO5상으로 결정화되면서 결정립계 전도도를 향상시킨 결과로 사료된다.

In order to improve electrical conductivity and mechanical properties of 8YSZ SOFC electrolyte material, we used Al2O3 as an additive and applied the spark plasma sintering (SPS) method. The sintered bodies were densified above 96 % of theoretical density at 1200oC and possessed microstructures composed of homogeneous grains less than 1 μm in size. The addition of Al2O3 improved fracture toughness and bending strength by inhibiting grain growth of 8YSZ and increased total ionic conductivity because grain interior conductivity appeared to remain constant and grain boundary conductivity increased. It was assumed that the dissolution of Al2O3 into 8YSZ which was inevitable problem at commercial sintering method was effectively prohibited by the SPS technique with a relatively low sintering temperature and the reaction between Al2O3 and SiO2 present at grain boundary to produce the crystalline Al2 − xSi1 − yO5 phase, resulting in the increase of grain boundary conductivity.