KR100441376B1 - A very thin Composite membrane - Google Patents
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Abstract
본 발명은 얇은 두께이면서도 기계적 강도를 유지할 수 있는 강화 고분자 막에 관한 것으로서, 연료전지용 콤포지트 멤브레인에 있어서, 반복적이고 규칙적인 망(net) 형상의 마이크로 격자구조로 구성, 지지(support)되며, 마이크로 격자구조틀 내에 이온교환물질(ion exchange material)이나 이온교환수지(ion exchange resin)를 완전히 채워(filling) 고분자 전해질 막을 형성하는 성능과 신뢰성이 우수한 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reinforcing polymer membrane capable of maintaining mechanical strength while having a thin thickness. The composite membrane for a fuel cell is constructed and supported by a repetitive and regular net-shaped micro lattice structure. The present invention relates to a composite membrane having a thin thickness with excellent performance and reliability of forming a polymer electrolyte membrane completely filled with an ion exchange material or an ion exchange resin in a structural frame, and a method of manufacturing the same.
본 발명은 실리콘 소재 박막이나 실리콘산화물 박막을 포함하는 기판에 망(net) 형상의 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 마이크로 격자구조를 형성하는 단계, 상기 마이크로 격자구조의 구멍에 이온교환수지 혼합물이 완전히 채워지도록 이온교환수지 혼합물을 스프레이 방법으로 도포, 건조하는 단계를 반복하는 단계를 포함함으로써, 상기 콤포지트 멤브레인 내의 마이크로 격자구조 망(net) 양면이 이온교환수지 혼합물로 완전히 덮혀 있는 구조를 특징으로 한다.The present invention provides a method of forming a mask pattern having a net shape on a substrate including a silicon material thin film or a silicon oxide thin film, and etching the mask patterned substrate to form a micro lattice structure on the thin film. Repeating the step of applying and drying the ion exchange resin mixture by a spray method so that the hole of the structure is completely filled with the ion exchange resin mixture, so that both sides of the micro lattice net in the composite membrane are ion exchange resin mixture. It is characterized by a structure that is completely covered with.
본 발명에 의하여 실리콘산화물/실리콘 소재(단결정실리콘, 다결정실리콘, 에피실리콘)의 이중층으로 구성된 마이크로 격자구조의 역할로, 고분자 전해질 막의 탈수에 대한 저항성을 증가시키고 균일한 얇은 두께로 제조할 수 있으며 국부적으로 균일한 성능을 갖는 고성능 및 고신뢰성의 얇은 두께를 갖은 콤포지트 멤브레인을 제공할 수 있다.The present invention serves as a micro lattice structure composed of a double layer of silicon oxide / silicon material (single crystal silicon, polycrystalline silicon, episilicon), increases the resistance to dehydration of the polymer electrolyte membrane, and can be manufactured to a uniform thin thickness. As a result, it is possible to provide a composite membrane having a thin film having high performance and high reliability with uniform performance.
Description
본 발명은 연료전지의 고체 고분자 전해질 막의 성능향상과 신뢰성을 증가시킬 수 있는 콤포지트(composite) 멤브레인(membrane)에 관한 것으로써, 보다 상세히는 강화재 역할을 하는 망(net) 형상의 마이크로 격자구조를 형성하고 그 위에 이온교환수지 혼합물을 도포하여 제조한 강화막(reinforced membrane)에 관한 것이다.The present invention relates to a composite membrane (membrane) that can increase the performance and reliability of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell, and more specifically to form a net-like micro lattice structure to act as a reinforcing material And it relates to a reinforced membrane prepared by coating an ion exchange resin mixture thereon.
상기 반복적이고 규칙적인 망 형상의 마이크로 격자구조를 포함한 콤포지트 멤브레인은 두께가 균일하여 전류밀도의 분포와 기계적 강도가 균일한 장점을 가지고 있으며, 얇은 두께로 제조할 수 있어 막의 저항을 낮추고 재료비를 절감할 수 있다. 또한, 상기 망 형상의 마이크로 격자구조에 실리콘산화물 층을 더 구성하여 고체 고분자 전해질 막의 탈수 저항성을 증가시켜 이온전도도가 급격히 떨어지는 현상을 방지시켜, 고체 고분자 전해질 막 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 얇은 두께의 콤포지트 멤브레인에 관한 것이다.The composite membrane including the repetitive and regular mesh-like micro lattice structure has a uniform thickness and has the advantage of uniform current density distribution and mechanical strength, and can be manufactured in a thin thickness to reduce the resistance of the membrane and reduce material costs. Can be. In addition, by forming a silicon oxide layer in the mesh-like micro lattice structure to increase the dehydration resistance of the solid polymer electrolyte membrane to prevent the sudden drop in the ionic conductivity, a thin thickness that can improve the performance and reliability of the solid polymer electrolyte membrane To a composite membrane.
연료전지의 경우, 증발이나 전해액 누출에 의한 소모가 거의 없는 고체 고분자 전해질 막을 사이에 두고, 산화전극(anode)에서는 수소가 수소이온과 전자로 분리되며 이 중 수소이온은 전해질 막을 통해 환원전극(cathode)으로 이동하며, 발생한 전자들은 환원전극(cathode) 표면에서 산소와 결합하여 물을 생성된다.In the case of a fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane with little consumption due to evaporation or electrolyte leakage is interposed, and hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at an anode, and hydrogen ions are cathode through the electrolyte membrane. Electrons are generated and combine with oxygen at the cathode surface to produce water.
산화전극에서의 반응식은 반응식 1과 같다.The reaction scheme at the anode is shown in Scheme 1.
[반응식 1]Scheme 1
산화반응:H 2(g)→2H+2e - Oxidation reaction: H 2 (g) → 2 H +2 e -
환원전극에서의 반응식은 반응식 2와 같다.Scheme at the cathode is the same as in Scheme 2.
[반응식 2]Scheme 2
환원반응: Reduction reaction:
셀(Cell)의 총 반응식은 반응식 3과 같다.The overall scheme of the cell is shown in Scheme 3.
[반응식 3]Scheme 3
셀 반응: Cell reaction:
두 전극에 산화 및 환원반응을 촉진시키기 위하여 백금 혹은 백금-루테늄 합금을 사용한 촉매층을 기체확산층과 고분자전해질 막 사이에 코팅(coating)한다. 상기 반응식에서와 같이 산화환원반응에 의해 전기, 열 및 물이 생성되는데 물은 물 및 수증기의 형태로 일반적으로 환원전극 쪽으로 공기를 강하게 흘려서 제거한다.In order to promote oxidation and reduction of the two electrodes, a catalyst layer using platinum or a platinum-ruthenium alloy is coated between the gas diffusion layer and the polymer electrolyte membrane. As in the reaction scheme, electricity, heat, and water are generated by the redox reaction. Water is generally removed by strongly flowing air toward the cathode in the form of water and steam.
수소이온과 같은 프로톤이 고체 고분자 전해질 막을 통해 이동하는 메카니즘은 다음과 같이 알려져 있다.The mechanism by which protons, such as hydrogen ions, travel through a solid polymer electrolyte membrane is known as follows.
고체 고분자 전해질 막은 일반적으로 양이온을 교환해 줄 수 있는 기능기가 있는 폴리머 소재로 제조하며 양이온 교환 능력이 있는 기능기 중에서는 술폰산(solfonic acid)기가 대표적인데, 술폰산 음이온에 양이온으로서 프로톤(proton)이 붙어 있으면 프로톤 교환막이 되고 프로톤의 전도도를 높게 유지하기 위해 물 분자와 함께 존재시킨다. 물 분자 존재시에는 막에 붙어 있는 술폰산기가 술폰산 음이온과 프로톤으로 해리되어, 황산용액 전해질에서의 프로톤처럼 농도구배나 전기장의 영향에 의해 이동하게 된다.Solid polymer electrolyte membranes are generally made of polymer materials with functional groups capable of cation exchange. Among functional groups capable of cation exchange, sulfonic acid groups are typical, and protons are attached to sulfonic anions as cations. If present, it becomes a proton exchange membrane and is present with water molecules to maintain high proton conductivity. In the presence of water molecules, the sulfonic acid groups attached to the membrane dissociate into sulfonic acid anions and protons, and move under the influence of concentration gradients and electric fields like protons in sulfuric acid solution electrolytes.
도 1은 종래 연료전지 스택의 개략적인 단면을 나타낸 도면이다. 연료전지 스택의 기본을 이루는 단위전지(101)는 고체 고분자 전해질 막(102)에 의하여 분리된 산화전극(103)과 환원전극(104)의 두 전극으로 구성되고, 고분자전해질 막 외면의 두 전극(103,104)은 열간 압착(hot press)에 의하여 막전극접합체(MEA)를 구성하게 되고 상기의 막전극접합체는 연료인 수소와 환원제인 산소를 공급하여 주고 산화환원 반응에 의하여 생성되는 물을 배출시켜줄 수 있는 유로(105)가 형성된 분리판(106)에 의하여 지지되고 있다. 상기 분리판의 유로(105)를 통하여 공급 또는 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 아니하도록 가스켓(107)이 구성되어 있으며, 상기의 막전극접합체(MEA), 분리판(106) 및 가스켓(107)으로 구성된 단위전지(101)는 요구되는 출력을 얻기 위해 직렬로 적층되며 이들을 고정하는 수단으로 양끝에 동판(copper plate)(108)으로 고정하여 스택이 구성된다.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional fuel cell stack. The unit cell 101 that forms the basis of the fuel cell stack is composed of two electrodes, an anode 103 and a cathode 104 separated by a solid polymer electrolyte membrane 102, and two electrodes on the outer surface of the polymer electrolyte membrane ( 103 and 104 constitute a membrane electrode assembly (MEA) by hot pressing, and the membrane electrode assembly can supply hydrogen as a fuel and oxygen as a reducing agent and discharge water generated by a redox reaction. It is supported by the separating plate 106 in which the flow path 105 is formed. The gasket 107 is configured such that the gas or liquid supplied or discharged through the flow path 105 of the separation plate does not flow out, and the membrane electrode assembly (MEA), the separation plate 106 and the gasket 107 are formed. The unit cells 101 are stacked in series to obtain the required output, and a stack is formed by fixing with copper plates 108 at both ends as a means for fixing them.
전극(103,104)들은 기체확산층과 촉매층으로 구성되어 있으며 기체확산층은 분리판(106) 바로 다음에 위치하면서 촉매층에 연료 및 공기를 공급해주고 생성된 전자의 이동통로 역할을 수행하며 다공성 탄소종이(Carbon Paper)나 탄소천(Carbon Cloth)으로 제조한다.The electrodes 103 and 104 are composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The gas diffusion layer is positioned immediately after the separator plate 106 to supply fuel and air to the catalyst layer, and serves as a movement path for the generated electrons. ) Or carbon cloth.
상기 전극(103,104)들과 인접한 고체 고분자 전해질 막(102)은 통상적으로 50 ∼ 200㎛ 정도의 두께를 가지며 이온 전도도가 높아야 하며 전자 전도성은 없어야 하고 가스 투과가 되지 않는 치밀질이고 치수 안정성이 있어야 한다. 또한, 탈수 시에는 이온 전도도가 급격히 감소하므로 탈수에 저항성이 있어야하며 수화에 따른 형상 안정성 및 기계적 강도가 켜야 하고 열, 산화환원반응 그리고 가수분해등에 안정성이 있어야 한다.The solid polymer electrolyte membrane 102 adjacent to the electrodes 103 and 104 should have a thickness of about 50 to 200 μm, have high ion conductivity, have no electronic conductivity, be dense and have no dimensional gas permeability, and have dimensional stability. . In addition, when dehydration, ionic conductivity rapidly decreases, so it must be resistant to dehydration, shape stability and mechanical strength by hydration, and stability to heat, redox reaction and hydrolysis.
종래 기술의 연료전지용 고분자 전해질 막인 미국 제너럴 일렉트릭(GE)에서 페놀 술폰산(phenol sulfonic acid)과 포름알데히드(formaldehyde)의 축합에 의해제조한 페놀 포름알데히드술폰산(phenol-formaldehyde sulfonic acid) 막은 잘 부서지고 요구되는 가수분해 안정성이 부족하였다. 또한 다이비닐벤젠(divinyl-benzene) 교차결합 폴리스티렌술폰산(polystyrene sulfonic acid) 막은 70℃ 이상의 운전 온도에서 막의 안정성이 급격히 떨어지는 단점이 있으며 폴리트리플루오르스티렌(polytrifluorostyrene) 술폰산(sulfonic acid) 막은 기계적 물성이 좋지 않는 단점 때문에 실용화 되지 못하였다.Phenol-formaldehyde sulfonic acid membranes prepared by condensation of phenol sulfonic acid and formaldehyde in the US General Electric (GE), a polymer electrolyte membrane for fuel cells of the prior art, are well broken and demanded. There was a lack of hydrolytic stability. In addition, the divinyl-benzene crosslinked polystyrene sulfonic acid membrane has a disadvantage in that the membrane stability is drastically deteriorated at an operating temperature of 70 ° C. or higher, and the polytrifluorostyrene sulfonic acid membrane has poor mechanical properties. It has not been practical because of its disadvantages.
상기와 같은 막에 비하여 열적, 화학적 안정성이 우수한 퍼플루오르네이티드 폴리머(perfluorinated polymer)가 개발되면서 나피온(Nafion, Dupont사 제조)과 같은 고분자 전해질 막이 상용화 되었으며, 나피온 막은 전부 불소로 치환된 폴리머 골격에 술폰산기가 치환되어 있는 고분자로 당량무게가 1000∼1200정도이고 건조상태에서 막 두께는 50 ∼ 200㎛ 정도이며, 인장강도는 2500psi, 연신율은 150%, 버스트(burst) 강도는 150psi로 기계적 특성면이나 수소 및 산소의 분리막 기능면에서 우수한 성질을 나타내는 고분자 전해질 막이다.The development of perfluorinated polymers with superior thermal and chemical stability compared to the membranes described above has led to the commercialization of polymer electrolyte membranes such as Nafion (manufactured by Dupont, Inc.). It is a polymer having a sulfonic acid group substituted in its skeleton, and its equivalent weight is about 1000 ~ 1200, its film thickness is about 50 ~ 200㎛, its tensile strength is 2500psi, elongation is 150%, burst strength is 150psi. It is a polymer electrolyte membrane that exhibits excellent properties in terms of cotton, membrane and hydrogen and oxygen separator functions.
하지만, 상기와 같은 퍼플루오르네이티드 폴리머(perfluorinated polymer) 막 두께를 감소시켜 막의 저항을 낮춤으로써 이온 전도도를 대폭 증가시킬 수 있는, 이온교환수지와 비전도성기를 갖은 미세다공성매체의 조합으로 제조된 강화 고분자막에 대한 관심이 고조되고 있다.However, the combination of the ion exchange resin and the microporous medium having the non-conductive group, which can greatly increase the ionic conductivity by reducing the perfluorinated polymer film thickness and lowering the resistance of the membrane. There is a growing interest in reinforced polymer membranes.
미국특허 제 5,547,551호에서는 폴리머 피브릴(fibrils)로 지지되는 (support) 미세다공성 구조인 폴리테트라플루오르에 틸렌(polytetrafluo개ethylene) 멤브레인에 이온교환물질을 함침하여미세구멍(micropore)을 완전히 채워, 가스 등이 통과할 수 없도록 폐색(occlusive)하여 막 두께가 25㎛ 이하인 콤포지트 멤브레인을 제조하는 방법이 게재되어 있다.U.S. Patent No. 5,547,551 discloses a polytetrafluo ethylene membrane, which is a microporous structure supported by polymer fibrils, to impregnate an ion exchanger to completely fill the micropore, thereby producing a gas. A method of producing a composite membrane having a film thickness of 25 μm or less by occlusive so as not to pass through is disclosed.
도 2는 종래 기술의 콤포지트 멤브레인의 개략적인 단면을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이 얇은 두께로 충분한 기계적 강도를 유지하게 하는 지지체 역할을 하는, 피브릴(fibrils)로 연결되는 다공성 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluo개ethylene) 멤브레인(200)에 이온교환물질(201)이나 이온교환수지(201)를 함침하여 제조한다.2 is a schematic cross-sectional view of a composite membrane of the prior art. As shown in FIG. 2, the ion exchange material 201 is formed on a porous polytetrafluo ethylene membrane 200 connected to fibrils, which serves as a support for maintaining sufficient mechanical strength at a thin thickness. Or ion exchange resin 201 is prepared.
하지만, 종래 강화 고분자 막의 지지체 역할을 하는 피브릴(fibrils)이나 폴리머 지지체를 사용하는 경우에는 불규칙한(random)한 구조로 피브릴이 나열, 형성되어 있어, 국부적으로는 고분자 전해질 막 성능의 균일성을 보장할 수 없으며, 프로톤 이동시에 탈수에 대한 저항성을 증진시킬 수 없는 문제점이 여전히 남아 있다.However, in the case of using fibrils or polymer supports serving as supports of conventional reinforced polymer membranes, fibrils are formed and formed in a random structure, and thus, uniformity of polymer electrolyte membrane performance is locally obtained. There is still a problem that cannot be guaranteed, and that the resistance to dehydration cannot be enhanced during proton migration.
따라서, 얇은 두께의 강화 고분자 막의 이점인 높은 이온 전도도 특성을 갖은 동시에, 고분자 전해질 막의 국부적인 영역에서도 막 성능의 균일성과 프로톤 이동시 탈수에 대한 저항성을 획기적으로 증가시킬 수 있는 콤포지트 멤브레인이 필요하다.Therefore, there is a need for a composite membrane that has high ionic conductivity, which is an advantage of thin, reinforced polymer membranes, and can dramatically increase the uniformity of membrane performance and resistance to dehydration during proton migration even in the local region of the polymer electrolyte membrane.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연료전지용 콤포지트 멤브레인에 있어서, 서로 연결된 반복적이고 규칙적인 망(net) 형상의 마이크로 격자구조로 구성, 지지(support)되며, 마이크로 격자구조의구멍(micropore)에 이온교환물질(ion exchange material)이나 이온교환수지(ion exchange resin)를 채워(filling) 고분자 전해질 막을 형성하여, 성능과 신뢰성이 우수한 얇은 두께를 갖은 콤포지트 멤브레인을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and in a composite membrane for a fuel cell, it is composed and supported by a repetitive and regular net-shaped micro lattice structure connected to each other. The present invention provides a composite membrane having a thin thickness having excellent performance and reliability by forming a polymer electrolyte membrane by filling an ion exchange material or an ion exchange resin in a micropore. There is a purpose.
또한, 지지체 역할을 하는, 망 형상 마이크로 격자구조는 실리콘산화물/실리콘 소재(단결정실리콘, 다결정실리콘, 에피실리콘)의 이중층으로 구성하여 고분자 전해질 막의 탈수에 대한 저항성을 증가시키는 콤포지트 멤브레인을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the mesh-like micro lattice structure, which serves as a support, is composed of a double layer of silicon oxide / silicon material (monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, episilicon) to provide a composite membrane that increases resistance to dehydration of the polymer electrolyte membrane. have.
또한, 지지체 역할을 하는, 망 형상 마이크로 격자구조의 두께와 구멍(micropore)을 수 마이크로미터(㎛) 단위로 미세 가공하여 국부적으로 균일한 성능을 갖은 얇은 두께의 콤포지트 멤브레인을 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a composite membrane having a thin thickness having a locally uniform performance by finely processing a thickness and a micropore of a mesh-like micro lattice structure serving as a support in units of several micrometers (μm).
본 발명은 지지체 역할을 하는, 망 형상 마이크로 격자구조의 인접한 구멍(micropores)들을 서로 연결하는 보조구멍(sub-micropores)을 형성하여 이온교환물질이 균일하게 분포하도록 하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to form sub-micropores that connect adjacent micropores of a mesh-like micro lattice structure, which serves as a support, to uniformly distribute ion exchange materials.
[도 1] 종래 연료전지 스택의 개략적인 단면을 나타낸 도면.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional fuel cell stack.
[도 2] 종래 기술의 콤포지트 멤브레인의 개략적인 단면을 나타낸 도면.2 shows a schematic cross section of a composite membrane of the prior art;
[도 3] 본 발명의 마이크로 격자구조로 구성되는 콤포지트 멤브레인을 나타낸 도면.3 is a view showing a composite membrane composed of a micro lattice structure of the present invention.
[도 4] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인의의 제조공정을 나타낸 도면.4 is a view showing a manufacturing process of a composite membrane having a thin thickness according to an embodiment of the present invention.
[도 5] 본 발명의 마이크로 격자구조 보조구멍(sub-micropore)의 개념을 나타낸 도면.5 is a view showing the concept of a micro lattice structure sub-micropore of the present invention.
상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면에 따르면, 연료전지의 고분자 전해질 막으로 사용하는 콤포지트(composite) 멤브레인(membrane)에 있어서, 다수개의 마이크로 구멍(micropore)이 격자구조를 이루며 반복적이고 규칙적으로 형성되는 망(net) 형상의 지지체를 가지고, 상기 지지체의 마이크로 구멍(micropore)에 이온교환물질(ion exchange material)이나 이온교환수지(ion exchange resin)가 채워(filling)져 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, in a composite membrane (membrane) used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell, a plurality of micropores are repeated in a lattice structure It has a net-shaped support formed regularly, and is formed by filling an ion exchange material or an ion exchange resin in a micropore of the support. A composite membrane having a thin thickness is provided.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 격자구조의 마이크로 구멍이 형성되는 망 형상의 지지체는 단결정실리콘(single-silicon), 에피실리콘(epitaxially grown silicon) 또는 다결정실리콘으로 구성되는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a mesh-like support in which the micropores of the lattice structure are formed is provided with a composite membrane composed of single-silicon, epitaxially grown silicon, or polycrystalline silicon.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 격자구조의 마이크로 구멍이 형성되는 망 형상의 지지체는 실리콘산화물(SiO2)이거나 실리콘산화물/단결정실리콘, 실리콘산화물/에피실리콘, 실리콘산화물/다결정실리콘 중, 어느 하나의 이중층으로 구성되어 탈수에 대한 저항성이 증가된 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the grid-shaped support in which the micro holes of the lattice structure are formed is silicon oxide (SiO 2 ) or silicon oxide / single crystal silicon, silicon oxide / episilicon, silicon oxide / polycrystalline silicon, It is provided with a composite membrane composed of either bilayer, which has increased resistance to dehydration.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기의 실리콘산화물은 열적 산화법(thermal oxidation)으로 제조한 실리콘산화물(SiO2), PECVD 방법으로 제조한 실리콘산화물, TEOS(tetraethylorthosilicate)를 소스로 사용한 산화물 그리고 TTIP(titanium tetraisopropoxide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the silicon oxide is a silicon oxide (SiO 2 ) prepared by thermal oxidation (SiO 2 ), a silicon oxide prepared by PECVD method, an oxide using TEOS (tetraethylorthosilicate) as a source and TTIP There is provided a composite membrane, characterized in that any one of (titanium tetraisopropoxide).
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 격자구조의 마이크로 구멍이 형성되는 망 형상의 지지체는 두께가 1㎛이상 50㎛이하인 것을 특징으로 하고, 마이크로 구멍 지름은 0.5㎛이상 50㎛이하이며 마이크로 구멍 사이의 간격은 0.5㎛이상 20㎛이하인 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the mesh-like support on which the micro holes of the lattice structure are formed has a thickness of 1 μm or more and 50 μm or less. A composite membrane is provided, characterized in that the gap therebetween is 0.5 µm or more and 20 µm or less.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 격자구조의 마이크로 구멍이 형성되는 망 형상의 지지체는 두께가 2㎛이상 10㎛이하가 바람직하고, 마이크로 구멍 지름은 1㎛이상 5㎛이하가 바람직하며 마이크로 구멍 사이의 간격은 1㎛이상 5㎛이하인 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the mesh-like support in which the micro holes of the lattice structure are formed is preferably 2 μm or more and 10 μm or less, and micropore diameter is preferably 1 μm or more and 5 μm or less. It is preferable that the space | interval between holes is 1 micrometer or more and 5 micrometers or less.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 마이크로 구멍(micropore)을 채우는 이온교환수지는 이온교환수지 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기의 이온교환수지 혼합물은 퍼플루오르술폰산(perfluorosulfonic acid)/테트라플루오르에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체(copolymer) 수지(resin)를 포함하는 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the ion exchange resin filling the micropores is composed of an ion exchange resin mixture, wherein the ion exchange resin mixture is perfluorosulfonic acid / tetrafluoro There is provided a composite membrane comprising an ethylene (tetrafluoroethylene) copolymer resin.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이온교환수지 혼합물은 퍼플로리네이티드 술폰산 수지(perfluorinated sulfonic acid resin), 퍼플로리네이티드 카르복실산 수지(perfluorinated carboxylic acid resin), 폴리비닐 알콜 레진(polyvinyl alcohol resin), 다이비닐 벤젠 수지(divinyl benzene resin) 그리고 스틸렌 함유 폴리머(styrene-based polymer) 중, 어느 한가지 종류를 포함하거나 두가지 종류 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to another embodiment of the invention, the ion exchange resin mixture is a perfluorinated sulfonic acid resin (perfluorinated sulfonic acid resin), a perfluorinated carboxylic acid resin (polyfluorinated carboxylic acid resin), polyvinyl alcohol resin (polyvinyl alcohol Resin, divinyl benzene resin, and styrene-based polymer, a composite membrane is provided comprising any one or two or more.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 망(net) 형상의 지지체에 다수개가 격자구조를 이루며 반복적이고 규칙적으로 형성되는 각각의 마이크로 구멍(micropore)에 이온교환수지(ion exchange resin)를 채워 (filling) 콤포지트(composite) 멤브레인(membrane)을 제조하는 방법에 있어서, 실리콘 소재 박막이나 실리콘산화물 박막을 포함하는 기판에 망(net) 형상의 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 격자구조의 마이크로 구멍을 형성하는 단계, 상기 박막 위의 마스크 패턴을 제거, 세척하는 단계, 상기 격자구조의 마이크로 구멍(micropore) 안에 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계, 상기 격자구조의 마이크로 구멍에 이온교환수지 혼합물이 완전히 채워지도록 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계를 반복하는 단계를 포함하되, 상기 콤포지트 멤브레인 내의 마이크로 격자구조 망(net) 양면이 이온교환수지 혼합물로 덮혀 있는 구조를 특징으로 하는 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인 제조방법이 제공된다.According to the second aspect of the present invention, a plurality of lattice structures in a net-like support are filled with ion exchange resins in respective micropores, which are repeatedly and regularly formed. A method of manufacturing a composite membrane, the method comprising: forming a net-shaped mask pattern on a substrate including a silicon material thin film or a silicon oxide thin film, and etching the mask patterned substrate to form the net film Forming a micro hole in the lattice structure, removing and washing the mask pattern on the thin film, applying and drying an ion exchange resin mixture in the micro hole of the lattice structure, and drying the micro structure of the lattice structure Repeating the step of applying and drying the ion exchange resin mixture to completely fill the hole with the ion exchange resin mixture. However, there is provided a method of manufacturing a composite membrane having a thin thickness, characterized in that the structure of the both sides of the micro lattice net (net) in the composite membrane is covered with an ion exchange resin mixture.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실리콘 소재 박막이나 실리콘산화물 박막을 포함하는 기판에 망(net) 형상의 마스크 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판에 포토리지스트를 코팅하는 단계, 상기 포토리지스트가 코팅된 기판을 노광하는 단계, 상기 기판을 현상, 건조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, forming a net-shaped mask pattern on a substrate including a silicon material thin film or a silicon oxide thin film is a step of coating a photoresist on the substrate, the photoresist is The method may further include exposing the coated substrate, and developing and drying the substrate.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 격자구조의 마이크로 구멍 제조 시에 ICP(Induced Coupled Plama) 식각 장비를 이용하여 건식 식각을 수행하는 것을 특징으로 하고 격자구조의 마이크로 구멍에 보조구멍(sub-micropore)를 형성하는 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, dry etching is performed by using an ICP (Induced Coupled Plama) etching equipment when manufacturing micro holes of the lattice structure, and the sub-micropore is formed in the micro holes of the lattice structure. Provided is a method for producing a composite membrane, characterized in that forming a).
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 격자구조의 마이크로 구멍을 형성하는 단계는, 식각용액(etchant)에서 습식식각을 수행하여 격자구조의 마이크로 구멍의 내벽 면이 수직이 아닌, 경사도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 콤포지트 멤브레인 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, the step of etching the mask patterned substrate to form a micro hole of the lattice structure in the thin film, by performing a wet etching in an etching solution (etchant) the inner wall of the micro hole of the lattice structure There is provided a composite membrane production method characterized in that the surface is inclined rather than vertical.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마이크로 격자구조의 구멍(micropore) 안에 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계는, 스프레이 코팅 방법을 이용하여 이온교환수지 혼합물의 도포를 수행하는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the step of applying and drying the ion exchange resin mixture in the micropore of the micro lattice structure, it is preferable to perform the application of the ion exchange resin mixture using a spray coating method. .
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 박막 일측면에 격자구조의 마이크로 구멍에 이온교환수지 혼합물이 완전히 채워지도록 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계를 반복하는 단계는, 상기 박막을 기판에서 분리하는 단계, 상기 박막의 다른 측면에 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, repeating the step of applying and drying the ion exchange resin mixture to completely fill the ion exchange resin mixture in the lattice micro-holes on one side of the thin film, the thin film on the substrate Separation, a method for producing a composite membrane having a thin thickness, characterized in that further comprising the step of applying, drying the ion exchange resin mixture on the other side of the thin film.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 제조된 얇은 두께를 갖은 콤포지트 멤브레인이 제공된다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a composite membrane having a thin thickness produced by the method described above.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 제조된 콤포지트 멤브레인을 포함한 것을 특징으로 하는 막전극접합체, 단위전지, 연료전지 스택, 연료전지시스템 또는 센서 등이 제공될 수 있다.According to the fourth aspect of the present invention, a membrane electrode assembly, a unit cell, a fuel cell stack, a fuel cell system or a sensor, etc., comprising a composite membrane manufactured by the method described above may be provided.
우선, 발명의 이해를 돕기 위하여 강화 고분자 막에서 지지체 역할을 하는, 서로 연결된 마이크로 격자구조의 두께가 수십 마이크로미터 단위(scale)의 크기를 가지는 콤포지트 멤브레인을 적용할 경우 그 효과를 아래에 상술하였다.First, in order to assist the understanding of the invention, the effect of applying a composite membrane having a thickness of several tens of micrometers scales, which are connected to each other, serving as a support in a reinforced polymer membrane, is described in detail below.
연료전지용 고분자 전해질 막은 연료전지 운전 시에 자체의 분자 상부구조 내에 상당량의 물을 흡수한다. 고분자 막의 수분함량은 이온 전도도, 기계적 안정성 및 막의 가스분리능력에 영향을 미치며, 또한 고분자 막은 이방성을 가지고 있으므로 수화되면서 발생하는 길이팽창이 막의 습도에 의해서 뿐만 아니라 제조 방향에 따른 배열에 따라 서로 다르고 그 방향에 따라 기계적 물성 뿐만 아니라 이온전도도도 두배 이상 달라진다.The polymer electrolyte membrane for fuel cells absorbs a significant amount of water in its molecular superstructure during fuel cell operation. The water content of the polymer membrane affects the ionic conductivity, mechanical stability and gas separation ability of the membrane, and since the polymer membrane has anisotropy, the length expansion caused by hydration is different depending on the arrangement according to the manufacturing direction as well as the humidity of the membrane. Depending on the direction, not only the mechanical properties but also the ionic conductivity is more than doubled.
본 발명은 다수개의 마이크로 구멍이 격자구조를 이루며 반복적이고 규칙적으로 형성되는 망(net) 형상의 지지체를 구성하여, 상기 마이크로 구멍(micropore)에 이온교환물질(ion exchange material)이나 이온교환수지(ion exchange resin)를 채워(filling) 강화고분자 막을 형성하는 경우, 격자구조의 마이크로 구멍이 형성된 망 형상의 지지체가 고분자 막의 수화에 따른 불균일한 길이 팽창을 억제할 수 있으며 방향에 따른 기계적 물성도 조절이 가능해 신뢰성 있는 콤포지트 멤브레인을 제공할 수 있다. 또한 실리콘산화물을 격자구조의 마이크로 구멍이 형성되는 지지체에 형성하여 연료전지 운전 시에 발생할 수 있는 탈수에 대한 저항성을 증가시켜 이온 전도도의 급격한 감소현상을 방지할 수 있다.According to the present invention, a plurality of micro holes are formed in a lattice structure to form a net-like support which is formed repeatedly and regularly, and ion exchange material or ion exchange resin is formed in the micro holes. When forming a reinforced polymer membrane filled with exchange resin, a mesh-shaped support having a lattice-type micro hole can suppress uneven length expansion caused by the hydration of the polymer membrane and can control mechanical properties according to directions. It is possible to provide reliable composite membranes. In addition, the silicon oxide is formed on the support having the lattice micro holes to increase resistance to dehydration that may occur during operation of the fuel cell, thereby preventing a sudden decrease in ion conductivity.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 먼저 발명의 이해를 돕기 위하여 실리콘산화물/단결정실리콘의 이중층 구조의 마이크로 격자구조로 구성된 콤포지트 멤브레인을 중심으로 설명하겠으나, 본 발명이 상기 연료전지에 한정되는 것은 아니다. 따라서 고분자 막을 포함하는 연료전지에 있어서 연료가 기체인 고분자 전해질 연료전지(PEFC)와 연료가 액체(메탄올)인 직접메탄올 연료전지(DMFC)에도 사용할 수 있으며, 전해의 전극을 놓고 확산을 촉진시키는 전해투석(electrodialysis)에서도 유사한 가공 공정을 적용해 사용할 수 있음은 물론이며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 의한 얇은 두께를 갖은 콤포지트 멤브레인을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 당연하다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the composite membrane composed of a micro lattice structure of a double layer structure of silicon oxide / single crystal silicon will be described for the purpose of understanding the present invention, but the present invention is not limited to the fuel cell. Therefore, it is also possible to use a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) in which a fuel is a gas and a direct methanol fuel cell (DMFC) in which a fuel is a liquid (methanol) in a fuel cell including a polymer membrane. Similar processing steps can be applied and used in electrodialysis as well as those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It is natural that various modifications and changes can be made to the composite membrane having a thin thickness according to the invention.
도 3은 본 발명의 마이크로 격자구조로 구성되는 콤포지트 멤브레인을 나타낸 도면이다. 서로 연결된 반복적이고 규칙적인 망 형상의 격자구조 지지체(300)의 구멍(micropore)(301)에 이온교환물질(ion exchange material)(302)이나 이온교환수지(ion exchange resin)(302)을 채워 완전히 함침시킨 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조한다. 또한 AA' 단면선에서의 단면을 도시한 바와 같이, 고분자 전해질 막의 탈수의 대한 저항성을 증진시키기 위해 실리콘산화물의 친수성을 이용한, 실리콘산화물(303)/단결정실리콘(304)의 이중층으로 망 형상의 마이크로 격자구조를 구성한다. 망 형상 마이크로 격자구조는 단결정실리콘(single-silicon), 에피실리콘(epitaxially grown silicon) 그리고 다결정실리콘(polysilicon), 실리콘산화물(SiO2) 등으로 제조할 수 있으며 실리콘산화물/에피실리콘, 실리콘산화물/다결정실리콘의 이중층 구조로도 제조할 수 있다. 상기의 실리콘산화물(SiO2)로는 열적산화법(thermal oxidation)으로 제조한 실리콘산화물, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 제조한 실리콘산화물, TEOS(tetraethylorthosilcate)를 소스로 사용하는 산화물 그리고 TTIP(titaniumtetraisopropoxide) 등이 있다.3 is a view showing a composite membrane composed of a micro lattice structure of the present invention. The ion exchange material 302 or the ion exchange resin 302 is completely filled in the micropores 301 of the repetitive and regular mesh-shaped grid support 300 connected to each other. A composite membrane having a thin thickness that is impregnated is prepared. In addition, as shown in the cross-section along the AA ′ cross-section, the microstructures of the mesh form a double layer of silicon oxide 303 / single crystal silicon 304 using the hydrophilicity of silicon oxide to enhance the resistance to dehydration of the polymer electrolyte membrane. Construct a grid structure. The mesh-like micro lattice structure can be made of single-silicon, epitaxially grown silicon and polysilicon, silicon oxide (SiO 2 ), and silicon oxide / epic silicon, silicon oxide / polycrystalline It can also be produced in a double layer structure of silicon. Examples of the silicon oxide (SiO 2 ) include silicon oxide prepared by thermal oxidation, silicon oxide prepared by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), oxide using TEOS (tetraethylorthosilcate) as a source, and TTIP (titaniumtetraisopropoxide). ).
망 형상 마이크로 격자구조 지지체(300)의 두께(305)는 1㎛이상 50㎛이하인 것을 특징으로 하고, 10㎛이상 20㎛이하가 바람직하며 얇은 두께의 콤포지트 멤브레인을 고려하면 2㎛이상 10㎛이하인 것이 가장 바람직하다.The thickness 305 of the mesh-shaped micro lattice support 300 is characterized by being 1 μm or more and 50 μm or less, preferably 10 μm or more and 20 μm or less, and considering the thin film composite membrane of 2 μm or more and 10 μm or less. Most preferred.
이온교환물질(302)이나 이온교환교환수지(302)가 채워지는 마이크로 격자의 구멍(301)의 형상은 사각형, 원형, 삼각형, 마름모꼴형 등 다양한 형상이 가능하며 구멍(301) 지름은 0.5㎛이상 50㎛이하인 것을 특징으로 하고, 5㎛이상 20㎛이하가 바람직하며 강화 고분자 막에서 요구되는 균일한 기계적 성질을 고려하면 1㎛이상5㎛이하인 것이 가장 바람직하다. 또한 마이크로 격자구조의 어느 한변의 폭(306)은 0.5㎛이상 50㎛이하인 것을 특징으로 하고, 5㎛이상 20㎛이하가 바람직하며 1㎛이상 5㎛이하인 것이 가장 바람직하다.The shape of the hole 301 of the micro lattice in which the ion exchange material 302 or the ion exchange resin 302 is filled is possible in various shapes such as a rectangle, a circle, a triangle, and a lozenge, and the hole 301 has a diameter of 0.5 μm or more. It is characterized by being 50㎛ or less, preferably 5㎛ 20㎛ or less, and considering the uniform mechanical properties required in the reinforced polymer membrane is most preferably 1㎛ 5㎛. In addition, the width 306 of one side of the micro lattice structure is characterized by being 0.5 µm or more and 50 µm or less, preferably 5 µm or more and 20 µm or less, and most preferably 1 µm or more and 5 µm or less.
상기의 마이크로 격자구조 구멍과 틀을 완전히 감싸는 이온교환수지는 이온교환수지 혼합물로 구성되는데 퍼플루오르술포산(perfluorosulfonic acid)/테트라플루오르에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체(copolymer) 수지 (resin)를 용매에 용해한 상태로 사용한다. 상기의 이온교환수지를 용해하는 용매로는 물, 에탄올, 프로파놀, 부타놀, 메탄올 그리고 상기 용매의 혼합용매 등이 있다. 또한 상기 이온교환수지 혼합물은 퍼플로리네이티드 술폰산 수지(perfluorinated sulfonic acid resin), 퍼플로리네이티드 카르복실산 수지(perfluorinated carboxylic acid resin), 폴리비닐 알콜 레진(polyvinyl alcohol resin), 다이비닐 벤젠 수지(divinyl benzene resin) 그리고 스틸렌 함유 폴리머(styrene-based polymer) 중, 어느 한가지 종류이거나 두가지 종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.The ion exchange resin completely covering the micro lattice hole and the frame is composed of an ion exchange resin mixture, in which a perfluorosulfonic acid / tetrafluoroethylene copolymer resin is dissolved in a solvent. Use in state. Examples of the solvent for dissolving the ion exchange resin include water, ethanol, propanol, butanol, methanol, a mixed solvent of the solvent, and the like. In addition, the ion exchange resin mixture is a perfluorinated sulfonic acid resin (perfluorinated sulfonic acid resin), a perfluorinated carboxylic acid resin (perfluorinated carboxylic acid resin), polyvinyl alcohol resin (polyvinyl alcohol resin), divinyl benzene resin ( Divinyl benzene resins and styrene-based polymers can be used in one or a combination of two or more.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인의의 제조공정을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a manufacturing process of a composite membrane having a thin thickness according to an embodiment of the present invention.
반복적이고 규칙적인 망(net) 형상의 마이크로 격자구조의 구멍(micropore)에 이온교환물질(ion exchange material)을 채워(filling) 콤포지트(composite) 멤브레인(membrane)을 제조하는 공정은 다음과 같다. 단계 405에서 실리콘 소재 박막이나 실리콘산화물 박막을 포함하는 기판에 망(net) 형상의 마스크 패턴을 형성한다. 그리고 단계 410에서 상기 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 마이크로 격자구조를 형성하고 단계 415에서 상기 박막 위의 마스크 패턴을 제거, 세척하며 단계 420에서 상기 마이크로 격자구조의 구멍(micropore) 안에 이온교환물질을 도포, 건조하고 단계 425에서 상기 마이크로 격자구조의 구멍에 이온교환물질이 완전히 채워지도록 이온교환물질을 도포, 건조하는 단계를 반복하여, 멤브레인 내의 마이크로 격자구조 망(net) 구멍과 틀에 이온교환물질을 완전히 덮어 함침한다. 또한 상기 이온교환물질을 도포, 건조하는 단계를 반복하는 단계는 상기 박막을 기판에서 분리하는 단계, 상기 박막의 다른 측면에 이온교환물질을 도포, 건조하는 단계를 더 포함하여 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조한다.A process of manufacturing a composite membrane by filling an ion exchange material into a micropore of a repetitive and regular net-shaped micro lattice structure is as follows. In operation 405, a mask pattern having a net shape is formed on the substrate including the silicon material thin film or the silicon oxide thin film. In step 410, the mask patterned substrate is etched to form a micro lattice structure in the thin film, and in step 415, the mask pattern on the thin film is removed and cleaned, and in step 420, ion exchange is performed in the micropore of the micro lattice structure. Applying and drying the material and repeating the step of applying and drying the ion exchange material to completely fill the pores of the micro lattice in step 425, so that the ions in the micro lattice net holes and framework in the membrane are repeated. Immerse and completely cover the exchange material. In addition, repeating the step of applying and drying the ion exchange material, the composite membrane having a thin thickness further comprising the step of separating the thin film from the substrate, applying and drying the ion exchange material on the other side of the thin film To prepare.
단계 405의 망(net) 형상 마스크 패턴을 형성하는 단계는, 상기 기판에 포토리지스트를 코팅하는 단계, 상기 포토리지스트가 코팅된 기판을 노광하는 단계, 상기 기판을 현상, 건조하는 세부 단계로 이루어진다.The forming of the net-shaped mask pattern of step 405 may include coating a photoresist on the substrate, exposing the photoresist-coated substrate, and developing and drying the substrate. Is done.
단계 410의 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 마이크로 격자구조를 형성하는 단계는, ICP(Induced Coupled Plama) 식각 장비를 이용하여 건식 식각을 수행하는 것을 특징으로 하며, ICP 식각 장비로 건식 식각 시에, 크기효과(size effect)를 이용하여 마이크로 격자구조 구멍지름 크기의 1/10∼1/3 정도의 크기로 보조구멍(sub-micropore)을 형성하여, 각각의 마이크로 격자구조 구멍들을 연결하는 보조구멍을 통해 이온교환 물질의 균일한 도포를 이룰 수 있다. 도 5는 본 발명의 마이크로 격자구조 보조구멍(sub-micropore)(500)의 개념을 나타낸 도면이다. BB' 단면선에서의 단면을 도시한 바와 같이, 건식 식각에서의 크기효과(size effect)에 의해 보조구멍의 깊이(depth)는 일정시간 건식 식각 시에, 마이크로 격자구조의 구멍 깊이(depth)보다 식각된 깊이가 작은 것을 알 수 있다.The step of forming a micro lattice structure on the thin film by etching the mask patterned substrate of step 410, characterized in that for performing dry etching by using an ICP (Induced Coupled Plama) etching equipment, dry etching with an ICP etching equipment Using the size effect, the sub-micropore is formed in a size of about 1/10 to 1/3 of the size of the hole diameter of the micro lattice structure. The pores allow for uniform application of the ion exchange material. 5 is a view showing the concept of a micro-lattice sub-micropore (500) of the present invention. As shown in the cross-section along the BB 'cross-section, the depth of the auxiliary hole due to the size effect in the dry etching is less than the depth of the micro lattice structure at the time of dry etching. It can be seen that the etched depth is small.
단계 410의 마스크 패턴된 기판을 식각하여 상기 박막에 마이크로 격자구조를 형성하는 또 다른 방법으로는, 식각용액(etchant)에서 습식 식각을 수행하여 마이크로 격자구조 구멍의 내벽 면이 수직이 아닌, 경사도를 갖도록 할 수 있다.In another method of forming a micro lattice structure on the thin film by etching the mask patterned substrate of step 410, wet etching is performed in an etchant to obtain a gradient in which the inner wall surface of the micro lattice hole is not vertical. You can have it.
단계 420의 상기 마이크로 격자구조의 구멍(micropore) 안에 이온교환물질이나 이온교환수지 혼합물을 도포, 건조하는 단계는, 스프레이 코팅 방법을 이용하여 이온교환수지 혼합물의 도포를 수행하며, 이때 사용되는 이온교환수지 혼합물은 마이크로 격자구조와 이온교환수지 혼합물의 계면안정화를 위하여 계면활성제(surfactant)를 포함한다.The step of applying and drying the ion exchange material or the ion exchange resin mixture in the micropore of the micro lattice structure of step 420 is to perform the application of the ion exchange resin mixture using a spray coating method, wherein the ion exchange used is The resin mixture contains a surfactant for interfacial stabilization of the micro lattice structure and the ion exchange resin mixture.
이하, 단결정실리콘으로 이루어진 망 형상 마이크로 격자구조로 강화된 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a composite membrane having a thin thickness reinforced by a mesh-like micro lattice structure made of single crystal silicon will be described in detail.
우선, 망 형상 마이크로 격자구조를 제조하기 위해 실리콘 두께가 20㎛인 4인치 SOG(silicon on glass)웨이퍼 위에 포토리지스트(photoresist)인 AZ1518(Clariant사)을 회전속도 3000rpm, 40초 동안 스핀코터기(spin coater)에서 회전시켜 코팅한 후, 오븐(oven)에서 95℃, 30분 동안 베이크(bake)를 실시하여 포토리지스트 속의 잉여 수분을 제거한다. 그 다음 단계로 마이크로 격자구조 망 형상이 패턴된 포토마스크(photo mask)를 사용하여 마스크 얼라이너(mask aligner)에서 20mW/㎠ 정도의 에너지 밀도로 약 7-8초 동안 노광한 후, 현상액(AZ 500 MIF developer, Clariant사)에 60초 동안 담그어(dip) 현상한다. 현상된 기판은 오븐(oven)에서 110℃, 30분 동안 베이크(bake)를 실시하는 것이 바람직하다.First of all, to manufacture a mesh micro lattice structure, a photoresist AZ1518 (Clariant) was placed on a 4-inch silicon on glass (SOG) wafer with a silicon thickness of 20 µm and spin-coated for 3000 seconds at a rotation speed of 3000 rpm. After coating by rotating in a spin coater, the oven is baked at 95 ° C. for 30 minutes to remove excess water in the photoresist. The next step is to use a photomask patterned with a microgrid network pattern to expose the mask aligner at an energy density of about 20 mW / cm 2 for about 7-8 seconds, followed by a developer (AZ). 500 MIF developer, Clariant) dipped for 60 seconds. The developed substrate is preferably baked at 110 ° C. for 30 minutes in an oven.
상기와 같이 마스크(mask) 패턴(pattern) 공정을 거친 SOG 웨이퍼를 ICP(Induced Coupled Plasma) 식각 장비(SLR-7701 ICP, Plasma-Therm사 제조)를 사용하여 마이크로 격자구조 구멍 깊이(depth)가 20㎛ 되도록 식각(etch)한다. ICP(Induced Coupled Plasma) 식각에서의 공정조건은 식각단계(etch step)에서는 식각가스인 SF6은 100sccm, Ar은 30sccm 유량이고 식각시간은 7초이며 증착단계(deposition step)에서는 증착가스인 C4F8은 70sccm, Ar은 30sccm 유량이고 증착시간은 5초이다. 기판 플레이트 파워(RF1)는 식각단계에서 9W이고 증착단계에서 1W이며, 쳄버(chamber)코일 파워(RF2)는 식각 및 증착단계 모두 825W를 인가하여 식각하는 것이 바람직하다.The SOG wafer, which has undergone the mask pattern process as described above, was fabricated using an ICP (Induced Coupled Plasma) etching equipment (SLR-7701 ICP, manufactured by Plasma-Therm) to achieve a micro lattice hole depth of 20. Etch to be μm. In the process of ICP (Induced Coupled Plasma) etching, SF 6 , the etching gas, is 100 sccm, Ar is 30sccm, the etching time is 7 seconds, and the deposition gas, C 4 , is the deposition gas. F 8 is 70 sccm, Ar is 30 sccm flow rate and deposition time is 5 seconds. The substrate plate power RF1 is 9W in the etching step and 1W in the deposition step, and the chamber coil power RF2 is preferably etched by applying 825W in both the etching and deposition steps.
또한, ICP 식각 공정을 거친 마스크 패턴을 제거하기 위해 애서(asher) 장비에서 10분 동안 애싱(ashing) 공정을 거처, 4:1 황산과 과산화수소 용액에서 120℃, 10분 동안 끓여(boiling) 포토리지스트를 제거하고 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃ 정도에서 약 20분 동안 건조하여 수분을 제거함이 바람직하다.In addition, the ashing process is carried out for 10 minutes in an asher to remove the mask pattern which has been subjected to the ICP etching process, and the photoridge is boiled for 10 minutes at 120 ° C. in 4: 1 sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. After removing the test strip and washing with deionized water for about 10 minutes in a scrubber, it is preferable to remove the moisture by drying in a dryer at about 120 ℃ for about 20 minutes.
상기와 같이 망 형상 마이크로 격자구조를 실리콘 두께가 20㎛인 4인치 SOG(silicon on glass) 웨이퍼 위에 식각하여 제조한 후, 프로파놀(propanol), 부타놀(butanol) 그리고 메탄올(methanol)로 이루어진 용매에 퍼플루오르술폰산(perfluorosulfonic acid)/테트라플루오르에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체(copolymer)수지(resin)가 용해된 용액(95%)에 계면활성제인 Triton X100(Rohm & Haas사) 용액(5%)을 혼합하여 만든 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 분사하여 도포한 후, 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조한다. 상기의 이온교환수지 혼합물의 도포와 건조과정을 3회 반복, 수행하여 마이크로 격자구조 구멍과 틀에 이온교환수지 혼합물을 완전히 덮어 함침시킨다. 또한 이소프로파놀(isopropanol) 용액에 5분 동안 담그어 계면활성제를 제거한 후, 탈이온수로 세척하고 상온에서 건조시킨다.After fabricating the mesh-like micro lattice structure on a 4 inch silicon on glass (SOG) wafer having a silicon thickness of 20 μm, a solvent consisting of propanol, butanol, and methanol is prepared. A solution of Triton X100 (Rohm & Haas) solution (5%) was dissolved in a solution (95%) in which a perfluorosulfonic acid / tetrafluoroethylene copolymer resin was dissolved. The mixed ion exchange resin mixture is sprayed and applied using a spray equipment, and then dried by baking at 130 ° C. for 1 minute. The application and drying process of the ion exchange resin mixture is repeated three times, and the micro lattice hole and the frame are completely covered with the ion exchange resin mixture to be impregnated. In addition, after dipping in an isopropanol solution for 5 minutes to remove the surfactant, washed with deionized water and dried at room temperature.
상기와 같이 마이크로 격자구조 구멍에 이온교환수지 혼합물을 채워 제조한 SOG 웨이퍼 표면 위에 상기의 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 수 마이크로미터 단위로 얇게 도포한 후 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조한다.Apply the ion exchange resin mixture thinly on the surface of the SOG wafer prepared by filling the hole of the micro lattice structure with the ion exchange resin mixture in the unit of several micrometers using a spray equipment, and then bake at 130 ° C. for 1 minute. ) And dry.
그 다음 단계에서는 상기의 SOG 웨이퍼 중, 유리(glass)부분을 랩핑(lapping)장비로 대부분 갈아서 제거한 후, 10:1 HF용액에서 1분 동안 습식 식각하여 유리(glass) 부분을 완전히 제거한다. 이렇게 제조된 마이크로 격자구조의 틀의 다른 측면에 상기의 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 수 마이크로미터 단위로 얇게 도포한 후 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조한 후, 이소프로파놀(isopropanol) 용액에 3분 동안 담그어 계면활성제를 제거한 후, 탈이온수로 1 기압 하에서 10분 동안 끊여 수화처리하여 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조한다.In the next step, the glass part of the SOG wafer is mostly removed by lapping equipment, and then wet-etched in a 10: 1 HF solution for 1 minute to completely remove the glass part. The ion exchange resin mixture was applied to the other side of the frame of the micro lattice structure thus prepared by using a spray device, and then dried by baking at 130 ° C. for 1 minute and then isopropanol After immersing in (isopropanol) solution for 3 minutes to remove the surfactant, the composite membrane having a thin thickness was prepared by hydrating by breaking for 10 minutes under 1 atm of deionized water.
실리콘산화물/단결정실리콘의 이중층으로 구성된 망 형상 마이크로 격자구조로 강화된 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조하는 방법은 다음과 같다.A method for producing a composite membrane having a thin thickness reinforced by a mesh-like micro lattice structure composed of a double layer of silicon oxide / monocrystalline silicon is as follows.
우선, 망 형상 마이크로 격자구조를 제조하기 위해 실리콘 두께가 20㎛인 4인치 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 위에 포토리지스트(photoresist)인 AZ1518(Clariant사)을 회전속도 3000rpm, 40초 동안 스핀코터기(spin coater)에서 회전시켜 코팅한 후, 오븐(oven)에서 95℃, 30분 동안 베이크(bake)를 실시하여 포토리지스트 속의 잉여 수분을 제거한다. 그 다음 단계로 마이크로 격자구조 망 형상이 패턴된 포토마스크(photo mask)를 사용하여 마스크 얼라이너(mask aligner)에서 20mW/㎠ 정도의 에너지 밀도로 약 7-8초 동안 노광한 후, 현상액(AZ 500 MIF developer, Clariant사)에 60초 동안 담그어(dip) 현상한다. 현상된 기판은 오븐(oven)에서 110℃, 30분 동안 베이크(bake)를 실시하는 것이 바람직하다.First, spin-coating machine was used to fabricate photoresist AZ1518 (Clariant) on a 4-inch silicon on insulator (SOI) wafer with a silicon thickness of 20 µm to produce a mesh-shaped microgrid structure. After coating by rotating in a spin coater, the oven is baked at 95 ° C. for 30 minutes to remove excess water in the photoresist. The next step is to use a photomask patterned with a microgrid network pattern to expose the mask aligner at an energy density of about 20 mW / cm 2 for about 7-8 seconds, followed by a developer (AZ). 500 MIF developer, Clariant) dipped for 60 seconds. The developed substrate is preferably baked at 110 ° C. for 30 minutes in an oven.
상기와 같이 마스크(mask) 패턴(pattern) 공정을 거친 SOI 웨이퍼를 ICP(Induced Coupled Plasma) 식각 장비(SLR-7701 ICP, Plasma-Therm사 제조)를 사용하여 마이크로 격자구조 구멍 깊이(depth)가 20㎛ 되도록 식각(etch)한다. ICP(Induced Coupled Plasma) 식각에서의 공정조건은 식각단계(etch step)에서는 식각가스인 SF6은 100sccm, Ar은 30sccm 유량이고 식각시간은 7초이며 증착단계(deposition step)에서는 증착가스인 C4F8은 70sccm, Ar은 30sccm 유량이고 증착시간은 5초이다. 기판 플레이트 파워(RF1)는 식각단계에서 9W이고 증착단계에서 1W이며, 쳄버(chamber)코일 파워(RF2)는 식각 및 증착단계 모두 825W를 인가하여 식각하는 것이 바람직하다.The SOI wafer, which has undergone a mask pattern process as described above, was fabricated using an ICP (Induced Coupled Plasma) etching equipment (SLR-7701 ICP, manufactured by Plasma-Therm) to achieve a micro lattice hole depth of 20. Etch to be μm. In the process of ICP (Induced Coupled Plasma) etching, SF 6 , the etching gas, is 100 sccm, Ar is 30sccm, the etching time is 7 seconds, and the deposition gas, C 4 , is the deposition gas. F 8 is 70 sccm, Ar is 30 sccm flow rate and deposition time is 5 seconds. The substrate plate power RF1 is 9W in the etching step and 1W in the deposition step, and the chamber coil power RF2 is preferably etched by applying 825W in both the etching and deposition steps.
또한, ICP 식각 공정을 거친 마스크 패턴을 제거하기 위해 애셔(asher) 장비에서 10분 동안 애싱(ashing) 공정을 거처, 4:1 황산과 과산화수소 용액에서 120℃, 10분 동안 끓여(boiling) 포토리지스트를 제거하고 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃ 정도에서 약 20분 동안 건조하여 수분을 제거함이 바람직하다.In addition, the ashing process is carried out in an asher for 10 minutes to remove the mask pattern which has been subjected to the ICP etching process, and the photoridge is boiled at 120 ° C. for 10 minutes in a 4: 1 sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. After removing the test strip and washing with deionized water for about 10 minutes in a scrubber, it is preferable to remove the moisture by drying in a dryer at about 120 ℃ for about 20 minutes.
상기와 같이 망 형상 마이크로 격자구조를 실리콘 두께가 20㎛인 4인치 SOI(silicon on Insulator) 웨이퍼 위에 식각하여 제조한 후, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 실리콘산화막을 0.4㎛ 두께로 증착한다.After fabricating a mesh-like micro lattice structure on a 4 inch silicon on insulator (SOI) wafer having a silicon thickness of 20 μm, the silicon oxide film is deposited to a thickness of 0.4 μm by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. .
상기와 같이 실리콘산화물/단결정실리콘의 이중층으로 구성된 마이크로 격자구조 틀 위에 프로파놀(propanol), 부타놀(butanol) 그리고 메탄올(methanol)로 이루어진 용매에 퍼플루오르술폰산(perfluorosulfonic acid)/테트라플루오르에틸렌(tetrafluoroethylene) 공중합체(copolymer) 수지(resin)가 용해된 용액(95%)에 계면활성제인 Triton X100(Rohm & Haas사) 용액(5%)을 혼합하여 만든 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 분사하여 도포한 후 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조한다. 상기의 이온교환수지 혼합물의 도포와 건조과정을 3회 반복, 수행하여 마이크로 격자구조 구멍과 틀에 이온교환수지 혼합물을 완전히 덮어 함침시킨다. 또한 이소프로파놀(isopropanol) 용액에 5분동안 담그어 계면활성제를 제거한 후, 탈이온수로 세척하고 상온에서 건조시킨다.Perfluorosulfonic acid / tetrafluoroethylene in a solvent consisting of propanol, butanol and methanol on a micro lattice framework composed of a double layer of silicon oxide / monocrystalline silicon as described above. ) Spray the ion exchange resin mixture made by mixing Triton X100 (Rohm & Haas Co., Ltd.) solution (5%) with a solution of copolymer resin (95%) using a spray equipment. After coating, it is dried by baking at 130 ° C. for 1 minute. The application and drying process of the ion exchange resin mixture is repeated three times, and the micro lattice hole and the frame are completely covered with the ion exchange resin mixture to be impregnated. In addition, the solution is immersed in an isopropanol solution for 5 minutes to remove the surfactant, washed with deionized water and dried at room temperature.
상기와 같이 마이크로 격자구조 구멍에 이온교환수지 혼합물을 채워 제조한SOI 웨이퍼 표면 위에 상기의 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 수마이크로미터 단위로 얇게 도포한 후 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조한다.Apply the ion exchange resin mixture thinly on the surface of the SOI wafer prepared by filling the micro lattice structure hole with the ion exchange resin mixture in the unit of several micrometers using a spray equipment, and then bake at 130 ° C. for 1 minute. ) And dry.
그 다음 단계에서는 상기의 SOI 웨이퍼 중, 기판 실리콘 부분을 랩핑(lapping)장비로 대부분 갈아서 제거한 후, 80℃의 KOH 용액에서 1분 동안 습식 식각하여 기판 실리콘 부분을 완전히 제거한 후, 10:1 HF 용액에서 SOI의 절연막(insulator)을 제거한다. 이렇게 제조된 마이크로 격자구조의 틀의 다른 측면에 상기의 이온교환수지 혼합물을 스프레이 장비를 사용하여 수 마이크로미터 단위로 얇게 도포한 후 130℃, 1분 동안 베이크(bake)하여 건조하고 이소프로파놀(isopropanol) 용액에 3분 동안 담그어 계면활성제를 제거한 후, 탈이온수로 1 기압 하에서 10분 동안 끊여 수화처리하여 얇은 두께를 갖는 콤포지트 멤브레인을 제조한다.In the next step, the substrate silicon portion of the SOI wafer was removed by lapping equipment, and then wet-etched in a KOH solution at 80 ° C. for 1 minute to completely remove the substrate silicon portion, followed by a 10: 1 HF solution. Remove the insulator of the SOI. The ion-exchange resin mixture was applied to the other side of the frame of the micro lattice structure thus prepared by using a spray equipment in a few micrometers, and then baked and dried by baking at 130 ° C. for 1 minute and isopropanol ( isopropanol) soaked for 3 minutes to remove the surfactant, and then hydrated by deionized water at 1 atm for 10 minutes to prepare a composite membrane having a thin thickness.
본 발명은 연료전지용 콤포지트 멤브레인에 있어서, 반복적이고 규칙적인 망(net) 형상의 마이크로 격자구조로 강화된 틀 내에 이온교환물질(ion exchange material)이나 이온교환수지(ion exchange resin)를 채워(filling) 고분자 전해질 막을 형성함으로써, 콤포지트 멤브레인의 두께가 균일하여 전류밀도의 분포와 기계적 강도가 균일한 장점을 가지고 있으며, 상기 망 형상 마이크로 격자구조에 실리콘산화물 층을 더 구성하여 고분자 전해질 막의 탈수 저항성을 증가시켜 연료전지 운전 시에 발생할 수 있는 이온전도도의 급격한 변동 현상을 방지할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a composite membrane for a fuel cell, wherein an ion exchange material or an ion exchange resin is filled in a frame reinforced with a repetitive and regular net-shaped micro lattice structure. By forming a polymer electrolyte membrane, the composite membrane has a uniform thickness and has an advantage of uniform current density distribution and mechanical strength. A silicon oxide layer is further formed on the mesh-like micro lattice structure to increase dehydration resistance of the polymer electrolyte membrane. It is possible to prevent sudden fluctuations in ion conductivity that may occur during operation of the fuel cell.
상기 마이크로 격자구조의 두께와 구멍(micropore)을 수 마이크로미터(㎛)단위로 미세 가공하므로 고분자 전해질 막을 5㎛이상 30㎛이하의 두께로 제조할 수 있어 고분자 막의 기계적 강도는 유지하면서 막의 저항을 감소시켜, 국부적으로도 균일한 성능을 갖은 얇은 두께를 갖은 콤포지트 멤브레인을 구현할 수 있으므로 고성능 및 고신뢰성의 고분자 전해질 막을 제공할 수 있다.Since the thickness of the micro lattice structure and micropores are finely processed in units of several micrometers (μm), the polymer electrolyte membrane can be manufactured to a thickness of 5 μm or more and 30 μm or less, thereby reducing the membrane resistance while maintaining the mechanical strength of the polymer membrane As a result, a composite membrane having a thin thickness having a locally uniform performance can be realized, thereby providing a high performance and highly reliable polymer electrolyte membrane.
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