산소투과용 이온전도성 혼합 세라믹 멤브레인 (La1-xSrx)(Mn0.85Fe0.05Co0.05Ni0.05)O3+δ - YSZ 제조 및 특성평가 : Fabrication and Characterization of Oxygen Permeable Ion-Transport Membrane Composed of (La1-xSrx)(Mn0.85Fe0.05Co0.05Ni0.05)O3+δ with YSZ

국문 초록 (Abstract)

최근 지구 온난화를 유발하는 온실가스 중 가장 큰 비중을 차지하는 이산화탄소의 배출을 억제하기 위한 방안으로, 이산화탄소를 저감하고 고효율의 순산소 제조를 위한 산소투과용 멤브레인에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 산소투과용 멤브레인은 높은 산소이온전도성과 전자전도성, 낮은 열팽창계수를 갖는 소재여야 하며, 화학적으로 안정해야 한다. 또한, 고온에서 가스를 효율적으로 분리하기 위해 열적으로 안정하고 고온에서 높은 기계적 강도를 가져야 한다. 이러한 이유로, 최근에는 치밀한 구조를 가지고 이온전도성과 전자전도성을 동시에 갖으면서 서로 2 order 이상의 차이가 나지 않는 재료, 이른바 혼합전도체에 관한 연구가 진행되고 있다.

본 연구에서는 높은 전기전도도와 높은 촉매특성을 갖고 고온에서 안정성이 좋은 La1-xSrxMnO3(LSM)물질을 기반으로하여 보다 좋은 산소투과특성을 위해 Pechini method를 이용하여 Mn site를 Fe2+, Co2+, Ni2+ (각각 0.05 mole씩)으로 치환함으로써 perovskite structure인 La1-xSrxMn0.85Fe0.05Co0.05-
Ni0.05 (LSMFCN)을 제조하였다. LSMFCN에서 La site를 Sr2+로 치환(0-0.4 mole%)하여 그 영향을 확인하였으며, YSZ의 함량변화에 따른 산소투과도 변화를 알아보았다. 또한 세라믹멤브레인의 소결온도 변화에 따른 산소투과량의 변화를 확인하였다.

멤브레인의 밀도특성을 알아보기 위하여 Archimedes principle을 이용하여 상대밀도를 확인하였으며, XRD를 이용하여 perovskite structure임을 확인하고 2차상의 생성여부를 평가하였다. 입자크기 등의 미세구조를 관찰하기 위해 SEM measurement를 활용하였으며, 전기전도도의 변화여부를 알아보기 위하여 4단자법을 이용하여 900℃-600℃까지의 온도범위에서 전기전도도 측정을 하였다. 또한 본 소재를 이용한 멤브레인의 산소투과량의 측정을 위하여 제조된 분말을 disk형태로 성형한 후 소결하여 멤브레인을 제작하였다. 소결된 멤브레인은 일정한 크기로 가공하여 파이렉스 링 (pyrex 7740)을 이용하여 실링을 하였다. 산소투과도는 900℃-600℃의 온도범위에서 변화시켜주었으며, 100 sccm의 O2와 Ar gas를 흘려주면서 투과된 양은 Micro Gas Chromatography (Micro GC)를 이용하여 측정하였다.

결론적으로 본 연구에서 제조한 멤브레인의 조성은 Sr2+가 첨가되지 않은 LSMFCN과 YSZ의 비가 4:6인 멤브레인을 1200℃의 온도에서 소결하였을 때의 산소투과량이 가장 높은 수치인 1.06 sccm/min을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1. Perovskite구조 산화물 4
• 2.2. Ion Transport Membrane 조성의 선정 8
• 2.3. 혼합전도성 Ion-Transport Membrane소재 10
• 2.4. 산소투과이론 13
• 제 3 장 실험방법 17
• 3.1. 분말합성 및 소결체 제조 17
• 3.2. 특성평가 23
• 3.2.1. X-ray 회절분석 23
• 3.2.2. 미세구조 분석 23
• 3.2.3. 밀도 측정 23
• 3.2.4. 전기전도도 측정 24
• 3.2.5. 산소투과도 측정 24
• 제 4 장 실험결과 및 토의 28
• 4.1. LSMFCN 멤브레인의 특성 28
• 4.2. Y2O3 stabilized ZrO2 37
• 4.3. 8 mol% YSZ를 첨가한 LSMFCN 멤브레인의 특성 39
• 제 5 장 결론 57
• 제 6 장 참고문헌 59