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이트리아 안정화 지르코니아

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목차

1. 개요

이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 지르코늄 이산화물(지르코니아)에 이트리아(Y₂O₃)를 첨가하여 상온에서 안정적인 입방정 구조를 갖도록 만든 세라믹 재료이다. 순수한 지르코니아는 온도 변화에 따라 부피가 변하는 상전이를 겪지만, YSZ는 안정화제인 이트리아를 통해 이러한 문제를 해결하여 균열 및 파손을 방지한다. YSZ는 높은 경도와 화학적 안정성, 이온 전도성을 갖춰 치아 크라운, 내화물, 가스 터빈 열 차단 코팅, 전자 세라믹스, 고체 산화물 연료 전지, 보석 등 다양한 분야에 활용된다.

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이트리아 안정화 지르코니아
일반 정보
이름이트리아 안정화 지르코니아
다른 이름YSZ, 이트리아 부분 안정화 지르코니아 (YPSZ)
화학식ZrO2 + Y2O3
몰 질량122.212 g/mol (ZrO2), 225.81 g/mol (Y2O3)
밀도5.5–6.0 g/cm3
특성
결정 구조입방정
용융점2700 °C
열전도율2.6 W/(m·K) (1000 °C)
열팽창 계수10.5 × 10−6/K (25–1000 °C)
굴곡 강도800–1000 MPa
파괴 인성9–11 MPa·m1/2
경도1200 Vickers
탄성 계수200 GPa
포아송 비0.30
응용 분야
일반산소 센서
고체 산화물 연료 전지 (SOFC)의 전해질
내마모성 코팅
플라스마 스프레이
치과 크라운
굴절성 세라믹
칼날
특정고온 환경
열 장벽 코팅 (TBC)
제트 엔진
가스 터빈
추가 정보
도핑3–8 mol% Y2O3 (부분 안정화)
>8 mol% Y2O3 (완전 안정화)
안정화 이유상온에서 안정적인 입방정 구조 유지

2. 안정화

순수한 지르코니아(ZrO₂)는 온도에 따라 단사정, 정방정, 입방정의 세 가지 결정 구조를 가지며, 상전이 과정에서 부피 변화가 발생하여 균열을 유발한다. 이트리아(Y₂O₃)와 같은 안정화제를 첨가하면 상온에서도 입방정 구조를 유지하게 되어 이러한 문제를 해결할 수 있다.

순수한 지르코늄 이산화물은 다음과 같은 상 변환을 겪는다.

: 단사정상 (1173 °C) ↔ 정방정상 (2370 °C) ↔ 입방정상 (2690 °C) ↔ 용융

이러한 변환 과정에서 지르코니아는 5~6%의 부피 팽창을 겪을 수 있다.[1] 이로 인해 내부 응력이 발생하여 세라믹 재료에 균열이나 파손이 일어날 수 있다.[2] 정방정상에서 단사정상으로 전이될 때 발생하는 약 5%의 부피 변화 때문에 안정적인 소결 지르코니아 세라믹 제품을 얻는 것은 어렵다. 지르코니아의 입방정 다형체를 넓은 온도 범위에서 안정화시키기 위해 Zr4+ 이온(이온 반경 0.82 Å)의 일부를 더 큰 이온, 예를 들어 Y3+ 이온(이온 반경 0.96 Å)으로 치환한다. 이렇게 도핑된 지르코니아 재료를 ''안정화 지르코니아''라고 부른다.[3]

8–9 몰% YSZ는 1000 °C 이상의 온도까지 순수한 입방 YSZ 상에서 완전히 안정화되지 않는 것으로 알려져 있다.[7]

이트리아 안정화 지르코니아와 함께 일반적으로 사용되는 약어는 다음과 같다.

약어설명
PSZ부분 안정화 지르코니아
TZP정방정 지르코니아 다결정
4YSZ4 몰% Y2O3를 갖는 부분 안정화 ZrO2, 이트리아 안정화 지르코니아
FSZ완전 안정화 지르코니아
CSZ입방 안정화 지르코니아
8YSZ8 몰% Y2O3를 갖는 완전 안정화 ZrO2
8YDZ8–9 몰% Y2O3 도핑된 ZrO2 (완전히 안정화되지 않으며 고온에서 분해됨)[7][8][9]


2. 1. 안정화 원리

순수한 지르코늄 이산화물(ZrO₂)은 온도에 따라 여러 결정 구조를 가진다. 상온에서는 단사정상, 약 1173 °C에서는 정방정상, 약 2370 °C에서는 입방정상으로 변한다.[1] 이러한 상 변환 과정에서 지르코니아는 최대 5-6%의 부피 변화를 겪는데,[1] 이는 재료 내부에 응력을 발생시켜 균열이나 파손을 유발할 수 있다.[2]

이러한 문제를 해결하기 위해 지르코니아에 안정화제를 첨가한다. 안정화제는 Zr⁴⁺ 이온보다 이온 반경이 큰 이온(예: Y³⁺)을 사용하여 지르코니아 격자에 치환하는 방식으로 작용한다. Y³⁺ 이온(이온 반경 0.96 Å)은 Zr⁴⁺ 이온(이온 반경 0.82 Å)보다 크기가 커서 입방정 구조를 안정화시킨다.[3] 이렇게 안정화제가 첨가된 지르코니아를 '안정화 지르코니아'라고 부른다.[3]

이트리아(Y₂O₃)를 안정화제로 사용한 경우를 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)라고 한다. Y³⁺ 이온이 Zr⁴⁺ 이온 자리에 치환되면 전하 균형을 맞추기 위해 산소 빈자리(vacancy)가 생성된다. 이 산소 빈자리는 이온 전도성을 향상시킨다.

안정화제의 종류와 함량에 따라 부분 안정화 지르코니아(PSZ)와 완전 안정화 지르코니아(FSZ)로 나뉜다. 부분 안정화 지르코니아(PSZ)는 정방정 지르코니아 다결정(TZP)이라고도 불리며, 4YSZ(4 몰% Y₂O₃) 등이 이에 해당한다. 완전 안정화 지르코니아(FSZ)는 입방 안정화 지르코니아(CSZ)라고도 하며, 8YSZ(8 몰% Y₂O₃) 등이 있다. 8-9 몰% YSZ는 1000 °C 이상의 온도에서 완전히 안정화되지 않고 분해되는 특성이 있다.[7]

YSZ와 관련된 재료로는 석회(산화칼슘), 마그네시아, 세리아, 알루미나 안정화 지르코니아 등이 있으며, 하프니아로 안정화된 지르코니아는 열 전도율이 낮아 열 차단 응용 분야에 적합하다.[4] 산화 칼슘을 첨가한 산화 칼슘 안정화 지르코니아에 비해, 이트리아 안정화 지르코니아는 고온에서 장시간 안정성이 우수하다.

2. 2. 주요 안정화제

이트리아(Y₂O₃) 외에도 산화칼슘(CaO), 산화 마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃) 등이 안정화제로 사용된다.[3] 하프니아로 안정화된 지르코니아는 열 전도율이 약 25% 낮아 열 차단 응용 분야에 더 적합하다.[4]

3. 물리적/화학적 성질

YSZ는 높은 경도(모스 굳기 8~8.5)와 내마모성을 가지며, 화학적으로 매우 안정적이다.[16] 600 ℃ 이상의 고온에서 고체 전해질이 된다. 산화 칼슘을 안정화제로 첨가한 산화 칼슘 안정화 지르코니아에 비해 고온에서 장시간 안정성이 높다(탈 안정화성이 낮다).[16]

3. 1. 이온 전도성

YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)는 순수 지르코니아에 이트리아(Y2O3)를 첨가하여 만든 고체 용액이다. 이트리아를 첨가하면 Y3+ 이온이 Zr4+ 이온을 치환하면서 산소 빈자리(VO••)가 생성된다.[6]

: \text{Y}_2\text{O}_3 \to 2\text{Y}_\text{Zr}' + 3\text{O}_\text{O}^\text{x} + \text{V}_\text{O}^{\bullet\bullet}

\text{ with } [\text{V}_\text{O}^{\bullet\bullet}] = \frac{1}{2}[\text{Y}_\text{Zr}'],



이러한 산소 빈자리 덕분에 YSZ는 고온에서 산소 이온(O2−) 전도성을 가지게 되며, 이 특성은 고체산화물 연료전지의 고체 전해질 등 다양한 분야에 응용된다.[6]

이트리아 함량이 증가함에 따라 YSZ의 이온 전도도는 증가하며, 약 8~9 mol% 부근에서 최대값을 가진다. 이 범위는 온도에 거의 영향을 받지 않고 800~1200°C에서 유지된다.[3][7] 그러나 8~9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ)는 고온에서 상 분해가 일어나 Y가 풍부한 영역과 고갈된 영역으로 나뉘어 전기적 성능이 저하될 수 있다.[8] 예를 들어, 950°C에서 2500시간 이내에 8YSZ의 산소 이온 전도도가 약 40% 감소할 수 있다.[9]

또한, 연료 전지 제조 과정에서 유입되는 Ni와 같은 미량의 불순물은 분해 속도를 크게 가속화시켜, 낮은 작동 온도(500~700°C)에서도 전도성 저하 문제를 일으킬 수 있다.[10]

최근에는 스칸디아와 같이 코도핑된 지르코니아가 고체 전해질로 사용되기도 한다.

3. 2. 열팽창 계수

열팽창 계수는 지르코니아의 변형에 따라 다음과 같이 달라진다.[5]

  • 단사정: 7×10−6/K
  • 정방정: 12×10−6/K
  • Y2O3 안정화: 10.5×10−6/K

4. 용도

이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)는 높은 경도, 화학적 안정성, 이온 전도성 등 뛰어난 특성을 바탕으로 다양한 분야에 활용된다.

YSZ는 치과용 크라운과 같이 경도와 화학적 불활성이 필요한 곳, 제트 엔진과 같은 내화물, 가스 터빈의 단열 코팅재로 사용된다.

전자세라믹스 분야에서는 이온 전도성을 이용해 배기 가스 중 산소 농도 측정, 고온 물의 pH 측정, 연료 전지 등에 활용되며, 특히 고체산화물 연료전지(SOFC)의 재료로 쓰인다.

YSZ는 높은 경도와 단결정의 광학적 특성 덕분에 큐빅이라 불리는 보석으로도 사용되며, Boker사와 Kyocera사에서 생산하는 비금속 칼날 재료로도 쓰인다.

4. 1. 구조 재료

YSZ는 높은 경도와 내마모성, 화학적 안정성을 가진다. 이러한 특성 덕분에 치과용 크라운, 칼날, 내화물, 절삭 공구 등에 사용된다.[16]

4. 2. 열차폐 코팅

YSZ는 가스 터빈, 제트 엔진 등 고온 환경에서 부품을 보호하는 단열 코팅재로 사용된다.

4. 3. 전자 세라믹

YSZ는 이온 전도성을 이용해 전자세라믹스 분야에서 활용된다. 예를 들어, 배기 가스 중 산소 농도를 측정하거나, 고온에서 pH를 측정하거나, 연료 전지 등에 사용된다. 특히, 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 YSZ는 고체 전해질 역할을 하며, 전자는 차단하고 산소 이온만 통과시키는 중요한 기능을 수행한다.

4. 3. 1. 고체산화물 연료전지 (SOFC)

YSZ는 전기 전도성 세라믹스의 일종으로 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 제품의 재료로 사용된다.

4. 4. 보석

단결정 YSZ는 굴절률과 분산도가 높아 큐빅 지르코니아라는 이름으로 다이아몬드를 대체하는 보석으로 사용된다.[16]

4. 5. 기타 응용

자가 수리용 세라믹 및 시멘트용 수성 페이스트의 재료로 사용되는데, 이 페이스트에는 미세한 YSZ 섬유 또는 서브마이크로미터 입자가 포함되며, 종종 규산칼륨 및 아세트산 지르코늄 바인더가 포함된다(약산성 pH에서). 물을 제거하면 시멘트화가 발생한다. 이렇게 생성된 세라믹 재료는 매우 고온의 응용 분야에 적합하다. 희토류 물질로 도핑된 YSZ는 온도 측정 형광체 및 발광 물질로 작용할 수 있다.[16] 역사적으로 네른스트 램프의 발광 막대로 사용되었으며, 광섬유 커넥터 페룰용 고정밀 정렬 슬리브로도 사용된다.[15]

참조

[1] 논문 Zirconia transformation in multi-phases ceramic composites https://www.research[...] 2024-10-07
[2] 웹사이트 The Role of Yttrium Oxide in Advanced Ceramics https://www.stanford[...] 2024-10-07
[3] 서적 The Chemistry of Ceramics John Wiley & Sons
[4] 논문 Thermal conductivity of yttria-stabilized zirconia–hafnia solid solutions
[5] 웹사이트 CeramTec 848 Zirconia (ZrO2) & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO2 http://www.matweb.co[...]
[6] 논문 Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte
[7] 서적 Yttria-doped zirconia as solid electrolyte for fuel-cell applications: Fundamental aspects https://publikatione[...] Südwestdt. Verl. für Hochschulschr.
[8] 논문 Decomposition of 8.5 mol.% Y2O3-doped zirconia and its contribution to the degradation of ionic conductivity 2009-10-01
[9] 논문 Correlation between microstructure and degradation in conductivity for cubic Y2O3-doped ZrO2 2006-12-01
[10] 논문 Accelerated degradation of 8.5 mol% Y2O3-doped zirconia by dissolved Ni 2012-04-25
[11] 논문 Enhanced mechanical stability of Ni-YSZ scaffold demonstrated by nanoindentation and Electrochemical Impedance Spectroscopy 2018-08
[12] 논문 Ceramic Fuel-Cells
[13] 간행물 Solid Oxide Fuel Cells http://www.csa.com/d[...] CSA
[14] 서적 Progress in Thermal Barrier Coatings https://books.google[...] John Wiley and Sons 2009-05-29
[15] 웹사이트 Fiber Optic Interconnect Solutions http://www.diamond-f[...]
[16] 저널


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