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JP2887308B2 - Manufacturing method of stabilized zirconia thin film - Google Patents
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JP2887308B2 - Manufacturing method of stabilized zirconia thin film - Google Patents

Manufacturing method of stabilized zirconia thin film

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JP2887308B2
JP2887308B2 JP8296496A JP8296496A JP2887308B2 JP 2887308 B2 JP2887308 B2 JP 2887308B2 JP 8296496 A JP8296496 A JP 8296496A JP 8296496 A JP8296496 A JP 8296496A JP 2887308 B2 JP2887308 B2 JP 2887308B2
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stabilized zirconia
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zirconia thin
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は安定化ジルコニア薄膜の
製造法に関するものである。ここに、この安定化ジルコ
ニア薄膜は、高温において高い酸素イオン伝導性を示す
ことから、酸素センサーとして使用されるものである。
また、高温での化学的安定性、高酸素イオン伝導性、高
強度の点から固体電解質型燃料電池(Solid Ox
ideFuel Cell:SOFC)の固体電解質と
して使用されるものである。
The present invention relates to a method for producing a stabilized zirconia thin film. Here, this stabilized zirconia thin film exhibits high oxygen ion conductivity at high temperatures, and is therefore used as an oxygen sensor.
Further, in view of chemical stability at high temperature, high oxygen ion conductivity, and high strength, solid oxide fuel cells (Solid Ox
(ideFuel Cell: SOFC).

【0002】[0002]

【従来の技術】現在迄の代表的な例としては、粉末から
の焼結体を使用する方法が取られていたが、その厚さか
ら非常に内部抵抗(比抵抗×厚さ)が大きくなってしま
うことから薄膜化が重要な課題となっていた。そこで、
現在では気相法に電気化学反応を組み合わせた電気化学
的蒸着法(Electrical Depositio
n,EVD)により、膜厚約20μmの緻密な膜が作成
されているが、膜厚はまだ十分な薄さとはいえず、ま
た、コスト面にも問題が残されている。
2. Description of the Related Art As a typical example up to now, a method using a sintered body made of powder has been adopted, but the internal resistance (resistivity × thickness) becomes extremely large due to its thickness. Therefore, thinning has become an important issue. Therefore,
At present, an electrochemical deposition method (Electrical Deposition) that combines an electrochemical reaction with a gas phase method.
(n, EVD), a dense film having a film thickness of about 20 μm has been prepared, but the film thickness is not yet sufficiently thin, and there is still a problem in terms of cost.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高温
において高い酸素イオン伝導性を示す安定化ジルコニア
薄膜の製造法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for producing a stabilized zirconia thin film having high oxygen ion conductivity at high temperatures.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】前記課題を達成するため
に、この発明に係る安定化ジルコニア薄膜の製造法にお
いては、アルコールを分散媒とするイットリウムとジル
コニウムの混合物の水酸化物であるM(OH)及び
M′ (OH)(M=Y,M′=Zr)のゾルを調整
し、得られたこのゾルをゲル化させると同時に600゜
C〜1300゜Cで焼成することを特徴とするものであ
る。
In order to achieve the above-mentioned object, in the method for producing a stabilized zirconia thin film according to the present invention, M () is a hydroxide of a mixture of yttrium and zirconium using alcohol as a dispersion medium. A sol of OH) 3 and M ′ (OH) 4 (M = Y, M ′ = Zr) is prepared, and the obtained sol is gelled and simultaneously fired at 600 ° C. to 1300 ° C. It is assumed that.

【0005】この発明に係る安定化ジルコニア薄膜の製
造法は上記のように構成されているため、ゾル・ゲル法
という高精度の化学組成制御,高均質性,任意な形状付
与性の高さ,プロセス温度の低温化,操作の簡便さとい
う特徴を備えた方法を用いる事によって、原料としてイ
ットリウムおよびジルコニウムの各塩化物,硝酸塩など
の無機塩や各酢酸塩などの有機酸塩を用いたゾル・ゲル
法から、図3に示した様に酵素のイオン伝導が600゜
Cにおいて、log σ600゜C(S/cm)=−
3. 5という優れた安定化ジルコニア薄膜を作成する
ことができる。
[0005] Since the method for producing a stabilized zirconia thin film according to the present invention is constituted as described above, it is possible to control the chemical composition with high precision, which is called the sol-gel method, to have high homogeneity, and to have an arbitrary shape imparting property. By using a method that has the features of lowering the process temperature and simplicity of operation, it is possible to use sols and salts that use inorganic salts such as yttrium and zirconium chlorides and nitrates and organic acid salts such as acetates as raw materials. From the gel method, as shown in FIG. 3, when the ionic conduction of the enzyme is 600 ° C., log σ 600 ° C. (S / cm) = −
3. An excellent stabilized zirconia thin film of 5 can be produced.

【0006】なお、前記原料化合物として、有機酸塩お
よび無機酸塩からなるグループの少なくともいずれか一
つを用いることができる。
[0006] At least one of the group consisting of organic acid salts and inorganic acid salts can be used as the raw material compound.

【0007】また、前記アルコールとして、エタノー
ル,2−ブタノールおよびエチレングリコールからなる
グループの少なくともいずれか一つを用いることができ
る。
Further, at least one of the group consisting of ethanol, 2-butanol and ethylene glycol can be used as the alcohol.

【0008】[0008]

【発明の実施の態様】アルコール中にイットリウム,ジ
ルコニウムの水酸化物を生成させるための原料化合物と
しては、これらの金属の有機酸塩又は無機酸塩が適当で
ある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As a raw material compound for producing a yttrium or zirconium hydroxide in alcohol, an organic acid salt or an inorganic acid salt of these metals is suitable.

【0009】原料化合物として好適な安定化ジルコニア
化合物の具体例としては、塩化ジルコニル,酢酸ジルコ
ニア,硝酸ジルコニア等を用いる。また、イットリウム
化合物の好ましい具体例としては、塩化イットリウム,
酢酸イットリウム,硝酸イットリウム等を用いる。
As specific examples of the stabilized zirconia compound suitable as a raw material compound, zirconyl chloride, zirconia acetate, zirconia nitrate and the like are used. Preferred specific examples of the yttrium compound include yttrium chloride,
Yttrium acetate, yttrium nitrate or the like is used.

【0010】これらの原料化合物を溶解させ、次いでゾ
ルを生成させるためのアルコールは、原料化合物の種類
に応じて適当なものを任意に選択することができるが、
多くの場合に適当なものの例としては、エタノール,2
−プロパノール,エチレングリコール,アセチルアセト
ン,2−(2−エトキシエトキシ)エタノール等があ
る。
As the alcohol for dissolving these starting compounds and then forming a sol, an appropriate alcohol can be arbitrarily selected depending on the type of the starting compounds.
Examples of suitable in many cases are ethanol, 2
-Propanol, ethylene glycol, acetylacetone, 2- (2-ethoxyethoxy) ethanol and the like.

【0011】原料として、塩化ジルコニル及び塩化イッ
トリウムを用いる場合、2つの方法が取られる。第一の
方法は、これらの原料を水,エチレングリコール及び2
−ブタノールの混合液に溶解させてコーティング溶液と
する。第二の方法は、これらの原料をエタノールに溶解
させ、約80゜Cで還流することによりコーティング溶
液(ゾル)を調整する。
When zirconyl chloride and yttrium chloride are used as raw materials, two methods are employed. The first method is to convert these raw materials into water, ethylene glycol and 2
-Dissolved in a mixture of butanol to form a coating solution. In the second method, a coating solution (sol) is prepared by dissolving these raw materials in ethanol and refluxing at about 80 ° C.

【0012】調整されたゾルは、そのまま長時間放置す
ると徐々に脱水縮重合を起こして容器中でゲル化するた
め、ゲル化以前に膜状に展開させる。例えば、ディップ
コーティング法、スピンコーティング法、スプレー法,
超音波スプレー法等の方法により適当な基板(例えば、
無アルカリガラス,バイレックスガラス,石英ガラス,
アルミナ,白金等の板)の表面に均一にコーティングす
る。
When the prepared sol is left as it is for a long time, it gradually undergoes dehydration-condensation polymerization and gels in a container, so that it is developed into a film before gelation. For example, dip coating, spin coating, spraying,
A suitable substrate (for example, an ultrasonic spray method)
Alkali-free glass, Vyrex glass, quartz glass,
(Plate of alumina, platinum, etc.).

【0013】基板上にコーティングされたゾルは、放置
するか水分を徐々に蒸発させると、ゲル化して軟らかい
膜を形成する。このゲル膜を乾燥後、焼成して安定化し
たジルコニアの結晶を生成させる。必要な焼成温度は、
用いる原料によって多少異なるが、約600〜1300
゜Cである。
[0013] The sol coated on the substrate gels to form a soft film when left to stand or when the water is gradually evaporated. After drying this gel film, it is fired to produce stabilized zirconia crystals. The required firing temperature is
It varies slightly depending on the raw materials used, but is about 600-1300
゜ C.

【0014】安定化したジルコニアの結晶を十分に生成
させるには、約2時間の焼成を必要とする。得られる薄
膜状の安定化ジルコニアセラミックスは、調整したコー
ティング溶液の濃度により、一回のディップコーティン
グで膜厚が約0.05〜0.1μmまで制御することが
可能である。基板をディップし、引き上げ後、乾燥した
後、500゜Cで焼成し、この操作を繰り返し行うこと
により任意な厚さの膜が得られる(図2を参照のこ
と)。
Approximately two hours of calcination is required to produce sufficient stabilized zirconia crystals. The thickness of the obtained thin-film stabilized zirconia ceramics can be controlled to about 0.05 to 0.1 μm by one dip coating, depending on the adjusted concentration of the coating solution. The substrate is dipped, pulled up, dried, baked at 500 ° C., and this operation is repeated to obtain a film having an arbitrary thickness (see FIG. 2).

【0015】上記の製造法により、化学組成がxY
・(100−x)ZrOにおいて、xの値を2〜2
0mol%まで変化させた任意の薄膜を作成することが
できる。
According to the above manufacturing method, the chemical composition is xY 2 O
In 3 · (100-x) ZrO 2, the value of x 2 to 2
It is possible to prepare an arbitrary thin film in which the thickness is changed to 0 mol%.

【0016】[0016]

【実施例】第一実施例を図1に基づいて説明する。塩化
ジルコニウム・八水和物1.4374gと塩化イットリ
ウム・六水和物0.2332gを秤り取り、水1ml,
エチレングリコール3ml,2−ブタノール2mlの混
合溶媒に溶解させ、室温で約1hr以上攬拌してコーテ
ィング溶液(ゾル)を調整する。この溶液に前記基板
(例えばアルミナ:Al板)をディップし、1c
m/minで引き上げる。これを乾燥後、電気炉中で昇
温速度約5゜C/minで500゜C迄昇温させ約1h
r保温した後、所定の温度600゜C〜1300゜C迄
急激に昇温させて約2hr焼成し、安定化ジルコニア薄
膜を得る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment will be described with reference to FIG. 1.4374 g of zirconium chloride / octahydrate and 0.2332 g of yttrium chloride / hexahydrate are weighed, and 1 ml of water,
It is dissolved in a mixed solvent of 3 ml of ethylene glycol and 2 ml of 2-butanol, and the mixture is stirred at room temperature for about 1 hr or more to prepare a coating solution (sol). The substrate (for example, alumina: Al 2 O 3 plate) is dipped in this solution, and 1c
Raise at m / min. After drying, the temperature is raised to 500 ° C. at a rate of about 5 ° C./min in an electric furnace, and about 1 hour
After the temperature is maintained, the temperature is rapidly raised to a predetermined temperature of 600 ° C. to 1300 ° C. and calcined for about 2 hours to obtain a stabilized zirconia thin film.

【0017】[0017]

【実施例】次に、第二実施例を説明する。塩化ジルコニ
ウム・八水和物1.2578gと塩化イットリウム・六
水和物0.2041gを秤り取り、エタノール10ml
に攬拌溶解させ、約80゜Cで10hr還流し、冷却後
コーティング溶液が得られる。この溶液に前記基板(例
えばアルミナ:Al板)をディップし、引き上げ
速度1cm/minで引き上げ、乾燥後、昇温速度約5
゜C/min程度で500゜C迄昇温させ約1hr保温
後、所定の温度600゜C〜1300゜C迄急激に昇温
させて約2hr焼成して、安定化ジルコニア薄膜を得ら
れる。例1および例2共に500゜Cで1hr保温した
薄膜をディップを繰り返し行うことにより任意な厚さの
薄膜を得ることが可能である。また、例1および例2共
に、コーティング溶液を乾燥させ、所定の温度600〜
1300゜Cで各2hr焼成して粉末の安定化ジルコニ
アを得ることも可能である。
Next, a second embodiment will be described. Weigh and weigh 1.2578 g of zirconium chloride octahydrate and 0.2041 g of yttrium chloride hexahydrate and 10 ml of ethanol
The mixture was dissolved under reflux and refluxed at about 80 ° C for 10 hours. After cooling, a coating solution was obtained. The substrate (eg, alumina: Al 2 O 3 plate) is dipped in this solution, pulled up at a pulling rate of 1 cm / min, dried, and heated at a rate of about 5
The temperature is raised to about 500 ° C. at about さ せ C / min and kept for about 1 hour, then rapidly raised to a predetermined temperature of 600 ° C. to 1300 ° C. and baked for about 2 hours to obtain a stabilized zirconia thin film. In each of Examples 1 and 2, a thin film having an arbitrary thickness can be obtained by repeatedly dipping the thin film kept at 500 ° C. for 1 hour. Further, in both Examples 1 and 2, the coating solution was dried to a predetermined temperature of 600 to
It is also possible to obtain powdered stabilized zirconia by baking at 1300 ° C. for 2 hours each.

【0018】[0018]

【発明の効果】この発明に係る安定化ジルコニア薄膜の
製造法は上記のように構成されているため、ゾル・ゲル
法という高精度の化学組成制御,高均質性,任意な形状
付与性の高さ,プロセス温度の低温化,操作の簡便さと
いう特徴を備えた方法を用いる事によって、原料として
イットリウムおよびジルコニウムの各塩化物,硝酸塩な
どの無機塩や各酢酸塩などの有機酸塩を用いたゾル・ゲ
ル法から、図3に示した様に酵素のイオン伝導が600
゜Cにおいて、log σ600°c(S/cm)=−
3.5という優れた安定化ジルコニア薄膜を作成するこ
とができる。
Since the method for producing a stabilized zirconia thin film according to the present invention is constituted as described above, the sol-gel method is used to control the chemical composition with high precision, to achieve high homogeneity, and to provide an arbitrary shape imparting property. By using a method that has the characteristics of lowering the process temperature and simplicity of operation, inorganic salts such as yttrium and zirconium chlorides and nitrates and organic acid salts such as acetates are used as raw materials. From the sol-gel method, as shown in FIG.
In ゜ C, log σ 600 ° c (S / cm) = −
An excellent stabilized zirconia thin film of 3.5 can be produced.

【0019】よって、この安定化ジルコニア薄膜の製造
法を使用すれば、安定化ジルコニア薄膜を簡便な操作で
行うことができるとともにその組成や成形形状を容易に
変更することができる。この結果、安定化ジルコニア薄
膜の大量生産に適し、高温において非常に高い酸素イオ
ン伝導を示す優れた安定化ジルコニアを安価に提供する
ことができる。
Therefore, by using this method for producing a stabilized zirconia thin film, the stabilized zirconia thin film can be formed by a simple operation, and its composition and shape can be easily changed. As a result, it is suitable for mass production of a stabilized zirconia thin film, and it is possible to inexpensively provide excellent stabilized zirconia exhibiting extremely high oxygen ion conduction at high temperatures.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】原料として塩化イットリウム,塩化ジルコニル
を用いて薄膜を作成する場合の操作工程を示した図であ
る。
FIG. 1 is a view showing operation steps when a thin film is formed using yttrium chloride and zirconyl chloride as raw materials.

【図2】図1の操作方法により準備したコーティング溶
液からディップコーティングによりAl基板に作
成した薄膜の厚さとディッピング回数との関係を示した
グラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of a thin film formed on an Al 2 O 3 substrate by dip coating from a coating solution prepared by the operation method of FIG. 1 and the number of times of dipping.

【図3】1300゜C,2hrの熱処理によって作成し
た安定化ジルコニア蒲膜を空気中600゜Cの温度にお
ける導電率log σ(S/cm)のYの導入量
依存性を示したグラフである。
FIG. 3 shows the dependence of the conductivity log σ (S / cm) of Y 2 O 3 on the stabilized zirconia cap film prepared by heat treatment at 1300 ° C. for 2 hours at a temperature of 600 ° C. in air. It is a graph.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アルコールに溶解させた原料化合物を加
水分解することによって、アルコールを分散媒とするイ
ットリウムとジルコニウムの混合物の水酸化物であるM
(OH)及びM′ (OH)(M=Y,M′=Z
r)のゾルを調整し、得られたこのゾルをゲル化させる
と同時に600゜C〜1300゜Cで焼成することを特
徴とする、高温での化学的安定性及び強度に優れた安定
化ジルコニア薄膜の製造法。
1. Hydrolysis of a raw material compound dissolved in alcohol to form a hydroxide of a mixture of yttrium and zirconium using alcohol as a dispersion medium.
(OH) 3 and M ′ (OH) 4 (M = Y, M ′ = Z
The stabilized zirconia excellent in chemical stability and strength at high temperature, characterized in that the sol of r) is prepared, and the obtained sol is gelled and fired at 600 ° C. to 1300 ° C. Manufacturing method of thin film.
【請求項2】 前記原料化合物として、有機酸塩および
無機酸塩からなるグループの少なくともいずれか一つを
用いることを特徴とする請求項1記載の安定化ジルコニ
ア薄膜の製造法。
2. The method for producing a stabilized zirconia thin film according to claim 1, wherein at least one of a group consisting of an organic acid salt and an inorganic acid salt is used as the raw material compound.
【請求項3】 前記アルコールとして、エタノール,2
−ブタノールおよびエチレングリコールからなるグルー
プの少なくともいずれか一つを用いることを特徴とする
請求項1記載の安定化ジルコニア薄膜の製造法。
3. The method according to claim 1, wherein the alcohol is ethanol,
The method for producing a stabilized zirconia thin film according to claim 1, wherein at least one of a group consisting of butanol and ethylene glycol is used.
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