저온 작동형 음극지지체형 고체산화물연료전지에서의 공소결 거동의 파악을 이 논문에서 다루었다. 공소결에 따른 기계적 화학적 결함에 대하여 원인을 분석하고 그를 해결할 수 있는 방안에 대해 살펴보았다.
Chapter 3에서 nano-sized doped zirconia 의 다층의 공소결시 발생하는 휨(warpage) 을 discrete element method를 이용하여 살펴보았다. 휨을 발생시킬수 있는 조건으로 다른 초기입자 크기, 초기 밀도 그리고 다층의 형상을 변화시키면서 상용프로그램인 dp3D으로 휨의 변화를 관찰하였다. 작은 입자크기와 낮은 초기밀도는 상대적으로 빠른 수축률을 보이게 됨으로 그러한 구성재가 있는 쪽으로 휨이 발생함을 관찰할수 있었고, 또한 다층의 형상에 의해서 발생하는 휨의 거동도 파악할수 있었다. DEM결과로부터 알수있는 정보는 실험적인 관측과 정성적으로 일치함을 볼 수있었다. 그에 따라 휨을 예측하는 프로그램의 성능을 다시한번 확인해 볼 수 있었다.
나노크기의 입자사이즈를 가지는 Gd가 도핑된 ceria(GDC)의 소결거동을 chapter 4에서 살펴보았다. GDC의 소결거동은 점탄성접근법에 의하여 관찰하였으며, 그중 일축 점도는 discontinuous sinter forge 장치에 의해서 구하였다. GDC의 일축점도는 85 %의 이론밀도에서 수 GPa정도의 값을 보이다가 97%의 밀도로 소결이 진행됨에 따라 120 GPa까지 매우 급속하게 증가하였다. 하지만 이값들은 다른 산화물 재료와 비교해보았을 때 상대적으로 작은 값임을 알 수 있는데 이는 다른 산화물 재료보다 입자사이즈가 매우작기 때문이다. 실험이 등온도 조건에서 실시되었으므로 일축점도에 대한 입자크기와 밀도의 영향을 분리해볼 수 있었는데, 후기소결의 입성장에 의해서 급격한 일축점도의 증가가 나타남을 확인하였다. 또한 소결거동이 Rahaman 등이 제안한 모델과 매울 잘 맞아들어감을 확인할 수 있었고 또한 다른 모델들과도 큰차이를 보이지 않음을 확인하였다. 이를 통해 discontinuous sinter forge기술의 효용성을 다시한번 확인하였다.
Chapter 5에서 음극지지체형 고체산화물 연료전지의 전해질(GDC/NiO-YSZ) 음극재 반전지의 휨의 발생과 성장거동에 대하여 점탄성 분석을 실시하였다. 구성재들의 1300℃에서의 점탄성 특성은 discontinuous sinter forge(GDC 경우)와 continuous sinter forge(음극재 경우)로 측정되었다. 이렇게 구해진 각 구성재의 일축점도와 점성 Poisson 비는 GDC/NiO-YSZ 반전지의 휨발생을 예측할 두 모델, Cai와 Kanters의 모델에 적용하여 휨을 예측하였다. 특히 Cai의 모델이 휨예측에 더욱 유리한 것을 확인하였으며, Kanters의 모델도 정성적인 일치를 보여주었다. 이러한 결과를 바탕으로 이중층의 공소결시 발생하는 휨은 두 구성재의 정확한 일축점도 및 점성 Poisson비를 알고 있다면 위의 두모델을 이용하여 예측가능하며 또한 제어가능하다는 것을 보이고 있다.
Chapter 6에서는 상용 Sr-, Mg- 도핑된 란탄늄 갈라이트의 분위기에 따른소결거동을 살펴보았다. 실제 Sr-, Mg- 도핑된 란탄늄 갈라이트는 차세대 연료전지의 전해질 재료로 각광받고 있으나, 공정온도가 너무 높은 관계로 Ni기반의 음극재와의 공소결이 불가능하여 실제 사용이 크게 제약 당하고 있다. 이러한 제약에서 벗어나기 위하여 재료의 소결온도를 낮추기 위한 연구들이 진행중에 있으며 현재 연구에서는 소결분위기를 제어하여 치밀화를 도모하고자 하였다. Sr-, Mg- 도핑된 란탄늄 갈라이트가 질소 분위기 혹은 약환원분위기($95N_2 -5H_2$)에서 1400℃ 1시간 소결하였을 때, 97 %에 가까운 소결 밀도를 얻을 수가 있었다. 반면 공기나 수소분위기에서 소결하였을때는 각각 93% 와 87 %의 밀도를 가짐을 보았다. 특히 재료를 1350 ℃ 질소에서 1 시간 소결하였을 때, 95 %이상의 높은 소결밀도를 얻을 수 있었지만, 많은 양의 이차상에 의하여 전기전도도가 낮아짐을 보았다.
위와 비슷한 연구를 보다 순도가 높은 Sr-, Mg- 도핑된 란탄늄 갈라이트를 이용하여 chapter 7에서 수행하였다. 질소와 산소 분위기에서 1350 ℃의 온도에서도 98 % 이상의 높은 소결밀도를 얻을 수 있음을 확인하였고 또한 높은 전기전도도를 얻을 수 있었다. 4 probe dc 법에 의해 측정된 전기전도도는 600 ℃에서 0.02 S/cm정도의 값을 지님을 확인하였다. 그리고 활성화에너지는 대략 0.91 eV임을 아레니우스 관계에서 구할 수 있었다. Sr-, Mg- 도핑된 란탄늄 갈라이트에서 산소팔면체 자리는 재료의 전기전도에 큰 영향을 미친다고 보고 되어있는데, 이 자리는 재료가 질소에서 소결되었을 때, 변형이 일어나는 것을 Raman 분광법에 의하여 확인하였다. 즉 질소에서 소결된 재료를 후처리없이 전기전도도를 측정할 경우 후처리가 있을 때의 2/3수준의 낮은 전기전도도를 나타내었다. 하지만 공기중에서 후처리후 본래의 전기전도도가 회복됨을 볼 수 있었다. 또한 Ni 기반의 음극재와 공소결을 시도해 보았으며, 질소와 산소분위기에서 공정을 진행할 때, 전해질 쪽으로의 Ni침입이 거의 없었음을 확인할 수 있었다.
