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도쿄이과대학(東京理科大學) 이학부 응용물리학과와 토호쿠대학(東北大學) 다원물질과학연구소 등의 공동연구팀이 산소 결함과 결정격자를 제어한 ‘Sm-doped CeO2-δ박막(SDC 박막)’을 스퍼터링 (sputtering)법을 통해 제작하고 그 표면 구조 및 특이한 이온 전도성을 규명함. 최근 CeO2와 관련, 표면 흡착에 의한 양성자 전도가 시사되고 있는데, ‘산소 이온, 전자, 양성자’의 3종류의 캐리어 제어 및 전도성을 기대할 수 있으며, 고체산화물연료전지(SOFC)의 전해질로 사용되는 것이 기대됨. 연구진은 CeO2에 같은 희토류 금속인 원소 Sm(사마륨)을 화학 도핑시킨 Ce0.9Sm0.1O2-δ 박막을 제작, 양성자 전도 특성을 실용화 수준까지 끌어 올리는 연구를 진행했으며, 그 결과 이 새로운 SDC 박막에 대해, 물리 흡착된 물 분자에 의한 높은 표면 양성자 전도성이, 100℃ 이하의 저온 영역에서 발생하는 것을 확인함. 이 박막은 SOFC의 동작 온도를 저하시킬 수 있기 때문에 SOFC의 용도 확대 및 제조 비용을 절감하는 효과가 있을 것으로 기대됨. 또한 SOFC는 향후 원자력·화력 발전을 대체할 에너지 시스템이 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Nanoscale Research Letters’ (“Surface Proton Conduction of Sm-doped CeO2-δ Thin Film preferentially grown on Al2O3(0001)”)지에 게재됨