KR100448519B1 - 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질제조 방법 - Google Patents

초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법은, 고체 산화물 연료전지, 센서, 또는 고체상 장치의 소형화를 위한 전극 및 전해질막의 제조공정으로서, 전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링함으로써 치밀한 전극을 제조하는 단계(a); 상기 단계(a)의 전극 위에 이온 전도성 세라믹 전해질을 스퍼터링하여 박막을 형성시키는 단계(b); 상기 단계(b)의 전해질 위에 다시 전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링하여 상대 전극을 형성하는 단계(c); 및 상기 단계(c) 후 열처리, 산처리, 또는 염기처리로 기공형성제를 선택적으로 제거하여 다공성 전극을 제조하는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(a)의 전극 재료는 백금, 은, 금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 또는 루테늄으로부터 선택하여 사용하고, 기공형성제는 구리, 코발트, 또는 니켈로부터 하나 이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(a)의 기공형성제는 전극 재료에 대하여 8:2 내지 5:5 정도의 비율로 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법{Method for manufacturing porous electrode and thin film electrolyte for micro electrochemical device}
본 발명은 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC), 센서, 또는 고체상 장치의 소형화를 위한 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극을 전극 재료와 선택적 제거가 가능한 첨가물로 구성된 두 가지 이상의 상으로 치밀하게 제조하고, 그 위에 전해질을 형성한 후 다공성 전극을 얻도록 첨가물을 선택적으로 제거함으로써, 연료전지 또는 센서에 필수적인 삼상계면(triple phase boundary)을 형성시킬 수 있는, 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조방법에 관한 것이다.
전해질 박막화는 소형화 또는 고성능화에 필수적인 제조 공정이다. 소형화 또는 마이크로화를 위한 박막 전해질을 형성하기 위하여 종래에는 EVD(Electrochemical Vapor Deposition)법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 스퍼터링(Sputtering)법 등을 사용하여 왔으며, 습식 공정으로는 졸-겔법 또는 전기영동(Electrophoretic Deposition)법 등이 연구된 바 있다. 그러나, 이러한 방법으로는 연료전지 또는 센서의 특성상 필요한 전극/전해질/연료 또는 반응기체가 만나는 삼상계면을 형성할 수 있는 전극 기공 크기보다 작은 두께의 전해질막을 만들 수 없다. 즉, 이러한 방법들은 모두 수~ 수백 미크론(㎛) 이상의 전해질을 형성하기에 적합한 방법으로서, 마이크로 연료전지에서 요구되는 수미크론 이하의 전해질 박막 제조 공정에는 부적합하여, 예컨대, 전극 기공 크기보다 작은 박막을 형성할 경우에는 전극 기공을 완전히 덮지 못하여 치밀한 전해질막을 형성하기 어렵고, 전극 기공을 막을 정도로 치밀한 경우에는 전해질 두께가 원하는 정도의 얇은 박막을 이루기 어려운 문제점이 있다.
일본특허( JP 06283179, JP 02038362)와 미국특허(USP 5993988) 등에 졸-겔 법을 이용한 박막 전해질 제조 공정이 보고되어 있다. 일본특허 평6-283179는 공기극 또는 연료극 지지체 위에 YSZ 슬러리를 코팅하고, 열처리 후 발생하는 균열 또는 핀홀을 YSZ 졸을 이용하여 막음으로써, 치밀한 YSZ 전해질 박막을 형성하는 방법에 관한 것이나, 소형화에 적용시키기에는 부적합하다.
Tsai 등은 (T. Tsai and S. A. Barnett,J. Electrochem. Soc., 142,3084(1995)) 스퍼터링법을 이용하여 다공성 전극위에 전해질을 증착시켜 박막 전해질을 제조함으로써 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시킨 바 있으나, 이들 역시 전해질 두께가 전극의 기공크기 및 기공율의 영향으로 10 미크론 정도에 불과하였다.
본 발명은 상기와 같은 기존 박막 전해질 제조공정의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고체 산화물 연료전지, 센서, 그리고 고체상 장치 등에 사용되는 전극의 제조시, 전극 재료와 선택적 제거가 가능한 기공형성제로 구성된 두 가지 이상의 상으로 치밀하게 제조한 후, 그 위에 전해질을 형성하고 다공성 전극을 얻도록 상기 기공형성제를 선택적으로 제거함으로써, 연료전지 또는 센서에 필수적인 삼상계면을 형성할 수 있도록 하는, 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법을 도시한 공정도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조방법에 있어서, 기공형성제 제거 전 및 제거 후의 초소형 연료전지의 미세구조를 나타낸 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법은, 고체 산화물 연료전지, 센서, 또는 고체상 장치의 소형화를 위한 전극 및 전해질막의 제조공정으로서, 전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링함으로써 치밀한 전극을 제조하는 단계(a); 상기 단계(a)의 전극 위에 이온 전도성 세라믹 전해질을 스퍼터링하여 박막을 형성시키는 단계(b); 상기 단계(b)의 전해질 위에 다시 전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링하여 상대 전극을 형성하는 단계(c); 및 상기 단계(c) 후 열처리, 산처리,또는 염기처리로 기공형성제를 선택적으로 제거하여 다공성 전극을 제조하는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(a)의 전극 재료는 백금(Pt), 은(Ag), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 또는 루테늄(Ru)으로부터 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(a)의 기공형성제는 구리(Cu), 코발트(Co), 또는 니켈(Ni)로부터 하나 이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(a)의 기공형성제는 전극 재료에 대하여 8:2 내지 5:5 정도의 비율로 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(b)의 이온 전도성 세라믹 전해질은, 30% 이하의 Gd가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Sm가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Y가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Sr가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 La가 도핑된 CeO2, 및 30% 이하의 Ca가 도핑된 CeO2로 구성되는 군에서 1 이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법에 있어서, 상기 단계(d)의 기공형성제를 선택적으로 제거하기 위한 산처리는 염산, 질산, 또는 황산 용액을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 초기 치밀한 전극위에 전해질막을 형성하게 되므로, 전극의 기공 크기 및 기공율의 영향을 받지 않아 1미크론 이하의 초미세한 박막화가 가능하며, 일단 박막 전해질을 형성한 후에는 열처리 또는 산·염기 용액 등으로 전극의 제2상을 선택적으로 제거하여 다공성화함으로써, 연료전지 및 센서에 필수적인 삼상계면을 형성할 수 있게 된다.
이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법을 도시한 공정도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 치밀한 전극 위에 박막의 전해질을 형성한 후, 전극 재료에서 선택적으로 기공형성제를 제거함으로써 다공성 전극을 형성하여 연료전지 및 센서에서 전기화학 반응자리로 작용하는 삼상계면을 형성할 수 있게 된다.
본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부되는 도면과 함께 제공된 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 고찰함으로써 더욱 명확하게 될 것이다.
<실시예 1>
본 실시예의 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법은 다음과 같다.
우선 전극 재료인 백금과 기공부위를 형성할 기공형성제로서 구리를 동시에 스퍼터링하여 치밀한 전극 박막을 형성하는데, 이 때 구리는 백금에 대하여 6:4~5:5 정도의 비율로 형성되도록 증착량을 조절한다. 전극을 증착한 후 전해질인세리아를 증착하며, 이때 산소 이온 전도도를 증가시키기 위하여 사마리아(Sm2O3) 또는 가돌리니아(Gd2O3)를 세리아 몰수에 대하여 20% 정도 함께 증착시킨다. 그리고, 증착된 전해질 위에 다시 같은 방법으로 전극을 증착시킨 후 상온에서 구리만 염산 용매에서 제거하여 다공성 전극을 제조한다.
상기 실시예에서 전해질 세리아와 전극 재료 백금은 염산에 용해되지 않아 궁극적으로 구리가 제거된 자리가 전극 기공을 형성하게 됨으로써 삼상계면을 형성하고, 그 결과 연료전지 또는 센서의 역할을 할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면 마이크로 연료전지에 적합한 1미크론 이하의 초미세한 전해질을 다공성 전극에 형성할 수 있는 기술을 확보할 수 있다.
본 발명에 의한 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법은, 초기에 전극 재료 및 선택적 제거가 가능한 기공형성제의 두 가지 상으로 치밀한 전극을 제조한 후 그 위에 전해질막을 형성하게 되므로, 전극의 기공 크기 및 기공율의 영향을 받지 않아 서브미크론 이하의 박막화가 가능하다. 따라서, 본 발명은 고출력 밀도를 요구하는 고체 산화물 연료전지, 센서, 또는 고체상 장치 등의 다양한 소형 장치의 전원을 제조하는데 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 박막 제조공정에 적합한 스퍼터링법을 전극과 전해질 모두에 적용할 수 있어 대량 생산에도 적합하다.

Claims (6)

  1. 고체 산화물 연료전지, 센서, 또는 고체상 장치의 소형화를 위한 전극 및 전해질막의 제조공정으로서,
    전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링함으로써 치밀한 전극을 제조하는 단계(a);
    상기 단계(a)의 전극 위에 이온 전도성 세라믹 전해질을 스퍼터링하여 박막을 형성시키는 단계(b);
    상기 단계(b)의 전해질 위에 다시 전극 재료 및 기공형성제를 동시에 스퍼터링하여 상대 전극을 형성하는 단계(c); 및
    상기 단계(c) 후 열처리, 산처리, 또는 염기처리로 기공형성제를 선택적으로 제거하여 다공성 전극을 제조하는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계(a)의 전극 재료는 백금, 은, 금, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 또는 루테늄으로부터 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계(a)의 기공형성제는 구리, 코발트, 또는 니켈로부터 하나 이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계(a)의 기공형성제는 전극 재료에 대하여 8:2 내지 5:5 정도의 비율로 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계(b)의 이온 전도성 세라믹 전해질은,
    30% 이하의 Gd가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Sm가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Y가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Sr가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 La가 도핑된 CeO2, 및 30% 이하의 Ca가 도핑된 CeO2로 구성되는 군에서 1 이상 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한 다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계(d)의 기공형성제를 선택적으로 제거하기 위한 산처리는 염산, 질산, 또는 황산 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기화학 장치를 위한다공성 전극 및 박막 전해질 제조 방법.
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