KR100494307B1 - 감광성 고분자 구조체를 포함하는 마이크로 연료전지 및그 제조방법 - Google Patents

감광성 고분자 구조체를 포함하는 마이크로 연료전지 및그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양이온 전도성 고분자 전해질막과 계면접합 특성이 우수하고 전체적으로 유연한 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, (a) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀; (ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 애노드;
(b) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀; (ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제 1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 캐소드; 및
(c) 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되어 열압착된 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함하는 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 연료전지는 마이크로 머시닝 기술을 이용함으로써 휴대용 전자기기뿐만 아니라 마이크로머신(micro-machine)의 전원으로 사용할 수 있다. 또한 감광성 고분자 물질을 구조체로 사용함으로써 제작이 간편하고, 제작시 형태와 두께의 변형이 자유로워 사용자의 요구 사양에 따른 다양한 형태로의 제작이 가능하다. 더 나아가 기존의 집적 회로 제작 공정을 응용하였으므로, 공정을 진행시키기 위한 설계 및 시설 비용을 크게 절감할 수 있으며 대량 생산에의 적용도 용이하다.

Description

감광성 고분자 구조체를 포함하는 마이크로 연료전지 및 그 제조방법{Micro fuel cell comprising photosensitive polymer and preparation thereof}
본 발명은 소형 전자 기기에 장착하거나 인체에 삽입하여 전원공급장치로 사용할 수 있는 마이크로 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 마이크로머시닝(MEMS) 기술 중 사진식각 공정(lithography)과 리프트오프 공정(lift-off)을 이용하고, 감광성 고분자 물질(photosensitive polymer)만을 그 소재로 하여 제조하는 마이크로 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
노트북 PC나 휴대전화기 등의 기기의 개발에서는 2차 전지로 인한 제약에 묶이는 사항이 많다. 즉, 에너지 밀도가 충분하지 않으므로 구동시간을 늘릴 수 없는 점이나 가격이 비싼 점, 나아가서는 번거로운 충전을 전제로 한 기기 설계가 요구된다는 점이다. 이에 비해 연료전지를 이용하는 경우에는 이러한 제약에서 해방된다. 연료 전지의 에너지 밀도는 리튬이온 2차 전지나 니켈 수소전지 등에 비해 수 십 내지 수 백배 높으므로 이러한 특성을 이용하면 기기의 장시간 구동화로 60시간 동작의 노트북 PC, 1개월 동안 충전이 필요 없는 휴대 전화기 등을 실현할 수 있고, 소형화 및 경량화로 초박형 노트북 PC, 경량 디지털 카메라 등을 제조할 수 있다.
연료전지의 에너지 밀도는 리튬이온 2차 전지나 니켈수소 전지 등에 비해 수십 내지 수백 배만큼 높다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이미 시장에 나와 있는 연료전지를 탑재한 버스나 자동차가 실생활에 미치는 영향력보다 더 짧은 시간 안에 마이크로 연료전지(micro fuel cell)의 영향력이 훨씬 더 커질 것으로 기대된다.
휴대기기용 마이크로 연료전지는 일반적으로 고체 전해질을 사용하는데, 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 액체형 연료를 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)를 중심으로 연구가 진행되고 있는 추세이다.
연료전지를 휴대용으로 사용하기 위한 필요 조건은 연료전지 시스템의 크기, 무게, 온도 등이다. 기술과 저장 시설의 발전과 함께 PEMFC와 DMFC가 시장에서 계속적으로 경쟁하리라 예상되지만, 수소 연료전지는 취급이 어렵고 위험하며, 저장과 공급을 위한 특별한 부속 장치가 필요하므로, 전력밀도가 향상될 수 있다면 휴대용 기기에는 DMFC 시스템이 더 적합하다.
마이크로 연료전지의 기술 개발 과제는 전해질막, 전극 또는 연료의 신소재 개발로 성능을 향상시키는 것과, 최적의 시스템을 구성하는 것으로 크게 나눌 수 있다. 시스템의 소형화와 경량화는 마이크로 연료전지 기술의 필요조건이며, 핵심 기술이다.
현재, 전극 구조를 최적화하여 전극 성능을 향상시키고, 스택(stack) 형태를 정밀하게 디자인하여 내부 질량을 최소화하고, 단위 부피 당 출력 밀도를 높이기 위한 과제를 해결하기 위해 집적회로 제조공정 기술을 이용하려는 움직임이 일고 있다. 집적회로 제조공정 기술을 이용하면 기존의 축적되어 있는 방대한 양의 기술로 소형화에의 접근이 용이하기 때문이다. 그 한가지 방법으로 셀(cell)의 재료로 실리콘을 사용하는 실리콘 연료전지는 박막형태로 제조할 수 있는데, 실리콘 기판에 반도체의 식각 공정을 이용해서 채널을 형성시키고, 그 위에 박막 증착 기술 등을 이용하여 MEA(Membrane-Electrode Assembly)를 형성시켜 만든다. 여러 연구자들이 서로 다른 아이디어를 가지고 실리콘 기판 위에 수십 마이크로미터 크기의 구멍을 뚫거나 채널을 형성시켰으나, 실제로 완전한 박막형 연료전지를 제조하여 성능을 측정한 예는 매우 드물며, 제조된 MEA의 성능 역시 만족할 만한 수준에 이르지 못하고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 집적회로 공정의 사진 식각 공정을 응용한 마이크로머시닝을 적용하여 실리콘과는 달리 고분자 전해질막과의 계면 접합 특성이 우수하고 가격이 저렴하며 전체적으로 유연한 고분자 구조체를 포함한 마이크로 연료전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 (a) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀;
(ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 애노드;
(b) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀;
(ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제 1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 캐소드; 및
(c) 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되어 열압착된 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함하는 마이크로 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명에서는 (a) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층;
(ii) 상기 확산층 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체; 및
(iii) 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층으로 이루어지는 애노드;
(b) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층;
(ii) 상기 확산층 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체; 및
(iii) 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층으로 이루어지는 캐소드; 및
(c) 상기 애노드와 캐소드 사이에 열압착되는 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함하는 마이크로 연료전지를 제공한다.
더 나아가 본 발명에서는 (a) 감광성 고분자 재료를 유리기판에 코팅한 다음, 사진식각공정으로 상기 감광성 고분자 재료상에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 감광성 고분자 재료를 리프트 오프(lift-off)공정으로 상기 유리기판으로부터 제거하여 감광성 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 얻은 고분자 구조체 위에 연료 확산층을 형성하여 제 1 고분자 셀을 얻는 단계;
(c) 상기 (a) 단계에서 얻은 별도의 고분자 구조체 위에 금속으로 이루어진 집전체를 증착하고 상기 집전체 위에 촉매층을 형성하여 제2 고분자 셀을 얻는 단계;
(d) 상기 (b)의 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 (d)의 제2 고분자 셀의 고분자 구조체를 서로 접하게 배치한 후 압착하여 애노드 및 캐소드를 형성하는 단계;
(e) 상기 (d)에서 얻은 애노드, 캐소드 및 그 사이에 양이온 전도성 고분자 전해질막을 개재시켜 열압착하는 단계를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명에서는 (a) 감광성 고분자 재료를 유리기판에 코팅한 다음, 사진식각공정으로 상기 감광성 고분자 재료상에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 감광성 고분자 재료를 리프트 오프(lift-off)공정으로 상기 유리기판으로부터 제거하여 감광성 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 얻은 고분자 구조체 위에 연료 확산층을 형성하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계의 연료 확산층 위에 금속으로 이루어진 집전체를 증착하고, 상기 집전체 위에 촉매층을 형성하여 애노드 및 캐소드를 형성하는 단계;
(d) 상기 (c)에서 얻은 애노드, 캐소드 및 그 사이에 양이온 전도성 고분자 전해질막을 개재시켜 열압착하는 단계를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 소형 연료 전지는 (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀; (ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 애노드와 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되어 열압착된 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지 반 쪽 셀의 구조도이다. 이를 참고로 하여 본 발명의 연료전지의 구조를 살펴보면, 각각 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 구조체 위에 형성된 금속으로 이루어진 집전체(4), 별도의 감광성 고분자 구조체 위에 형성된 연료 확산층(2), 상기 확산층(2) 위에 촉매가 담지된 촉매층(3) 및 양이온 전도성 고분자 전해질막(1)을 포함한다.
상기 감광성 고분자 구조체로는 반도체 공정 및 MEMS 공정에 사용되는 감광성 고분자를 사용할 수 있으며, 네가티브 형태의 감광성 고분자 재료를 사용할 수 있으며, 구체적인 예로는 SU-8 또는 AZ1512 등과 같은 시판되는 제품도 사용가능하다.
상기 고분자 구조체는 채널과 촉매 지지층으로 사용되며, 상기 고분자 구조체에 형성된 마이크로 채널은 수백 마이크로미터 크기이다.
고분자 구조체 상부에는 카본을 담지하여 연료 확산층으로 사용된다.
상기 카본이 담지된 고분자 구조체의 상부 표면 또는 별도의 고분자 구조체상부 표면에는 집전체(current collector) 역할을 하는 금속이 증착되어 있다. 증착되는 금속으로는 백금, 알루미늄, 금, 구리 또는 니켈 등을 사용할 수 있다. 집전체 역할을 하는 금속을 증착시킬 경우, 도 4와 같은 방식으로 행하면 이 후 셀 간의 다양한 직렬 혹은 병렬 연결이 가능하여 여러 가지 회로 연결에 따른 수소 양성자의 이동 거리나 방향에 따른 성능 변화를 측정할 수 있게 된다. 도 4와 같은 방식으로 집전체가 형성된 감광성 고분자 구조체의 사진을 도 7에 나타내었다.
집전체가 증착된 상기 고분자 셀은 그 상부에 촉매를 담지하여 촉매층의 역할을 하게 된다. 촉매로는 백금 또는 백금계 합금 분말을 포함하는 것이 바람직하다.
도 1과 같은 형태의 고분자 셀 2개가 열압착되어 도 2와 같은 마이크로 연료전지를 형성하게 된다.
도 3은 본 발명의 마이크로 연료전지의 평면구조도로서, 애노드 칩(5) 위에 집전체인 금속 라인(6), 그 상부의 고분자 전해질막의 일종인 나피온 필름(7) 및 그 상부의 캐소드 칩(8)을 나타낸다.
본 발명의 마이크로 연료전지는 (a) 감광성 고분자 재료를 유리기판에 코팅한 다음, 사진식각공정으로 상기 감광성 고분자 재료상에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 감광성 고분자 재료를 리프트 오프(lift-off)공정으로 상기 유리기판으로부터 제거하여 감광성 고분자 구조체를 형성하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 얻은 고분자 구조체 위에 연료 확산층을 형성하여 제 1 고분자 셀을 얻는 단계;
(c) 상기 (a) 단계에서 얻은 별도의 고분자 구조체 위에 금속으로 이루어진 집전체를 증착하고, 상기 집전체 위에 촉매층을 형성하여 제2 고분자 셀을 얻는 단계;
(d) 상기 (b)의 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 (d)의 제2 고분자 셀의 고분자 구조체를 서로 접하게 배치한 후 압착하여 애노드 및 캐소드를 형성하는 단계;
(e) 상기 (d)에서 얻은 애노드, 캐소드 및 그 사이에 양이온 전도성 고분자 전해질막을 개재시켜 열압착하는 단계를 포함하는 방법으로 제조된다.
본 발명의 고분자 셀은 사진식각공정을 통하여 마이크로 채널을 형성하게 된다.
즉, 감광성 고분자 물질을 유리기판 위에 코팅하여 사진식각공정으로 마이크로 채널을 구현한 후, 묽은 산 용액내에서 리프트 오프 공정을 진행하여 감광성 고분자 재료로 이루어진 구조체를 형성하게 된다. 이 때 통상의 사진식각공정에서 사용되는 마스크를 제작하여 사용할 수 있는데, 상업적으로 판매되는 고분자 필름에 프린터로 패턴을 형성시켜 필름 마스크를 제작함으로써 비용을 대폭 절감할 수 있다.
사진식각공정을 통한 감광성 고분자 구조체를 제조하는 과정을 도 5에 나타낸 공정도를 참고로 하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 고분자 물질을 코팅할 유리기판의 유기물을 제거하기 위한 세척과정을 거친 후 탈수시킨다. 완전히 탈수시키기 위해서 100℃∼250℃의 대류 오븐(convection oven)에 5분∼10분 정도 건조시킨다.
다음으로 감광성 고분자 물질 중 점도가 높아서 스핀 코팅 과정에서 고분자 필름(film) 속에 버블(bubble)이 발생할 경우에는 제작되는 셀이 제대로 형태가 구현되지 않으므로, 버블 생성 억제를 위한 전처리를 할 필요가 있다. 작은 병에 1회 사용분의 고분자 물질을 담아 40℃∼80℃의 오븐(oven)에서 1시간 내지 2시간 정도 보관 후, 상온으로 냉각시켜 사용하게 되면 생성되는 버블 양이 현저히 줄어들 수 있다.
세척된 유리기판 위에 감광성 고분자를 코팅(spin-coating)하여 적당한 두께의 필름을 형성시킨다(도 5의 (a)). 네가티브 타입의 감광체(photoresist)일 경우에는 점도가 높으므로 스핀 코팅시에 기판의 단위 면적당(1 inch2) 수 ml의 감광성 고분자 물질을 골고루 분배하여야만 이후 기판 전면에 코팅이 된다. 필름 마스크를 상기 코팅된 기판위에 놓은 후 UV광에 1분간 노출시킨 다음 패턴을 형성한다(도 5의 (b) 및 (c)).
다음으로 코팅한 감광성 고분자를 적당한 온도로 베이킹한다. 소프트 베이크(soft bake)는 두 단계로 이루어지는데, 65℃ 내지 70℃의 대류 오븐에서 10분 내지 15분간 베이크한 후 95℃ 내지 100℃의 대류 오븐에서 30분 내지 40분간 베이크 한다. 소프트 베이크 시간을 조절함으로써 좀 더 유연한 고분자 셀(polymer cell)을 제조할 수 있다. 마이크로 채널이 형성된 고분자 셀을 유리기판에서 분리해 낸다(도 5의 (d)). 분리 방법으로는 마이크로머시닝 기술 (micromaching technique) 중 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용한다.
리프트 오프 공정의 온도에 따라 제작되는 감광성 고분자 필름의 유연도를 변화시킬 수 있다. 30℃~40℃의 온도에서 공정을 진행함으로써 적당한 공정 속도와 유연도를 유지할 수 있다.
이와 같이 하여 얻은 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체의 광학 현미경 사진을 도 6에 나타내었다.
상기 마이크로 채널이 생성된 감광성 고분자 구조체에 각각 연료 확산층과 촉매층을 형성한다. 촉매층과 연료 확산층은 고분자 칩의 마이크로 채널에 각각 촉매와 카본 페이스트(carbon paste)를 여러 가지 방식, 예를 들여 스프레이, 무전해 도금, 전해 도금, 또는 라미네이팅을 이용하여 형성시킨다.
애노드와 캐소드의 촉매층은, 촉매반응결과 생성되는 수용성 양성자를 고분자 전해질 막에 전도할 수 있는 수용성 양성자 전도성물질을 용매에 균질하게 분산시켜 촉매잉크를 제조한 다음, 이를 확산층 또는 집전체가 도포된 별도의 고분자 구조체 위에 고르게 스프레이하는 방법으로 도포한 후, 상기 결과물을 건조하여 제조할 수 있다. 촉매로는 연료의 분해반응과 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 백금 또는 백금계 합금의 분말을 담지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 형성된 확산층을 가진 제1 고분자 셀 위에 집전체와 촉매층을 가진 제2 고분자 셀을 압착하여 하나의 애노도 또는 캐소드를 형성한다(도 5의 (e)).
앞에서 살펴본 바와 같이 2개의 고분자 구조체중 어느 하나에 확산층을 형성하고, 나머지 하나에 집전체와 촉매층을 형성한 다음 이를 열융착하여 애노드 또는 캐소드를 제조하는 것이 바람직하지만, 하나의 고분자 구조체 위에 확산층, 금속 집전층 및 촉매층을 모두 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 제조된 2개의 고분자 셀을 압착하면 집전체, 채널, 촉매지지층의 역할을 동시에 수행하는 하나의 애노드(anode) 혹은 캐소드(cathode)가 형성된다.
4장의 감광성 고분자 셀과 고분자 전해질 막을 이용하여 하나의 완성된 마이크로 연료전지를 제작할 수 있다. 즉, 2 장의 고분자 셀로 하나의 애노드 또는 캐소드를 제작한 후, 상기 애노드와 캐소드 사이에 고분자 전해질 막을 고온 압착하여 마이크로 연료전지를 완성한다.
이렇게 제조된 각각의 애노드와 캐소드를 양이온 전도성 전해질 막과 고온 압착하여 MEA를 완성하게 된다. 양이온 전도성 전해질 막은 일반적으로 나피온을 사용한다.
마이크로 연료전지의 전체 크기는 2cm x 2cm ∼ 3cm x 3cm가 적당하며, 그 내부에는 2500㎛ x 2700㎛ ∼ 3000㎛ x 3000㎛ 크기의 단위 MEA 20∼30개가 각각 하나의 평탄한 칩에 집적되게 된다. 이 때 집전체로 작용하는 금속 라인을 직렬 또는 병렬로 배열함으로써 여러 가지 회로 연결에 따른 수소양성자의 이동거리나 방향에 따른 성능 변화를 측정할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이나, 이는 예시적인 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예
감광성 고분자 구조체의 제조
유리기판을 물로 세척한 다음 200℃ 의 온도에서 30분 정도 건조시켰다. SU-8 0.01g을 작은 병에 담아 60℃의 오븐에서 1시간동안 둔 다음 상온으로 냉각시켰다. 상기 세척한 유리기판에 상기 처리한 SU-8을 100 내지 200㎛의 두께로 코팅한 다음 필름 마스크를 놓고 UV광에 1분동안 노출한 다음 패턴을 현상하였다. 그런다음 65℃의 대류 오븐에서 10분간 베이크 한 후 95℃ 대류 오븐에서 30분간 베이크 하였다. 형성된 고분자 셀을 리프트 오프 방법으로 유리기판에서 분리하여 마이크로 채널이 형성된 고분자 구조체를 얻었다. 상기와 같은 방법으로 4장의 감광성 구조체를 제조하였다.
애노드와 캐소드의 제조
상기에서 얻은 고분자 구조체중 각각 2개의 상부 표면에 백금을 스퍼터링으로 증착하고 그 위에 백금계 합금인 촉매를 담지하였다.
상기에서 얻은 고분자 구조체중 나머지 각 2개의 상부 표면에 카본 페이스트를 스프레이 코팅하여 연료확산층을 형성하였다.
상기에서 얻은 확산층 형성 고분자 구조체와 촉매층 형성 고분자 구조체를 각각 1개씩을 110℃에서 함께 압착하여 각각 애노드와 캐소드를 제조하였다.
소형 연료 전지의 제조
상기에서 얻은 애노드와 캐소드를 나피온(Nafion, Dupont, USA)을 그 사이에 개재시킨 다음 110℃의 온도에서 열압착하였다.
시험예
상기에서 제조한 본 발명의 마이크로 연료전지에 대하여 셀 전류가 증가함에 따른 전압강하 및 전력 밀도를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 연료전지를 메탄올과 공기를 연료로 하여 동작시켰을 때의 출력은 8-12mW/cm2 이고, 이때 전류 밀도는 35∼45mA/cm2였다.
상기와 같은 사실로부터 본 발명에 따른 마이크로 연료전지는 높은 전력밀도를 가지며 셀 전류가 증가함에 따른 전압강하가 비교적 적음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 연료전지는 마이크로 머시닝 기술을 이용한 소형화를 통하여 휴대용 기기뿐만 아니라 마이크로머신(micro-machine)의 전원으로 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로 연료전지는 제작이 간편하고, 제작시 형태와 두께의 변형이 자유로워 사용자의 요구 사양에 따른 다양한 형태로의 제작이 가능하다. 고분자 박막 형태의 연료전지는 그 자체가 유연하여 전원공급원으로서의 적용 범위가 매우 넓고, 다양한 고분자 소재를 이용할 수 있으며, 연료전지의 전체 두께가 매우 얇다는 장점과 공정의 단순화와 비용 절감 등의 공정상의 장점도 갖추고 있다.
또한, 고분자를 재료로 하여 구조체를 형성함으로써 연료전지의 중요 요소인 양이온 전도성 고분자 전해질과의 접촉 저항을 감소시킬 수 있어 성능 향상을 기대할 수 있고, 전체적으로 유연한 전지를 얻어 인체에 삽입하는 마이크로 시스템의 전원용으로도 사용이 가능하다.
기존의 직접 회로 제작 공정을 응용하여 공정을 개발하였으므로, 공정을 진행시키기 위한 설계 및 시설 비용을 크게 절감할 수 있으며 대량 생산에의 적용도 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 반쪽 셀의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 측면 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 평면 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지의 고분자 구조체에 증착되는 금속 집전체를 보여주는 구조도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 연료전지를 제조하기 위한 공정의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지에 포함되는 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체의 광학 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 연료전지에 포함되는 감광성 고분자 구조체 상에 집전체가 형성된 고분자 셀이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소형 연료 전지의 전류밀도에 따른 전압강하 특성을 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
1: 양이온 전도성 고분자 전해질 막 2: 연료 확산층
3: 촉매층 4: 집전체
5: 애노드 칩 6: 금속라인
7: 나피온 필름 8: 캐소드 칩

Claims (12)

  1. (a) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀;
    (ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 애노드;
    (b) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층을 포함하는 제1 고분자 셀;
    (ii) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 고분자 구조체 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체와, 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층을 포함하는 제2 고분자 셀을 포함하며, 상기 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 제2 고분자 셀의 고분자 구조체가 접하여 있는 캐소드; 및
    (c) 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재되어 열압착된 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함하는 마이크로 연료전지.
  2. (a) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층;
    (ii) 상기 확산층 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체; 및
    (iii) 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층으로 이루어지는 애노드;
    (b) (i) 마이크로 채널이 형성된 감광성 고분자 구조체와, 상기 감광성 고분자 구조체 위에 담지된 연료 확산층;
    (ii) 상기 확산층 위에 증착된 금속으로 이루어진 집전체; 및
    (iii) 상기 집전체 위에 담지된 촉매로 이루어지는 촉매층으로 이루어지는 캐소드; 및
    (c) 상기 애노드와 캐소드 사이에 열압착되는 양이온 전도성 고분자 전해질 막을 포함하는 마이크로 연료전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 감광성 고분자 구조체가 네가티브 형태의 감광성 고분자 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연료확산층이 카본으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속이 백금, 알루미늄, 금, 구리 또는 니켈인 것을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 촉매가 백금 또는 백금계 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 집전체의 금속이 직렬 또는 병렬로 배선을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 연료전지.
  8. (a) 감광성 고분자 재료를 유리기판에 코팅한 다음, 사진식각공정으로 상기 감광성 고분자 재료상에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 감광성 고분자 재료를 리프트 오프(lift-off)공정으로 상기 유리기판으로부터 제거하여 감광성 고분자 구조체를 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 얻은 고분자 구조체 위에 연료 확산층을 형성하여 제 1 고분자 셀을 얻는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계에서 얻은 별도의 고분자 구조체 위에 금속으로 이루어진 집전체를 증착하고, 상기 집전체 위에 촉매층을 형성하여 제2 고분자 셀을 얻는 단계;
    (d) 상기 (b)의 제1 고분자 셀의 연료 확산층과 상기 (d)의 제2 고분자 셀의 고분자 구조체를 서로 접하게 배치한 후 압착하여 애노드 및 캐소드를 형성하는 단계;
    (e) 상기 (d)에서 얻은 애노드, 캐소드 및 그 사이에 양이온 전도성 고분자 전해질막을 개재시켜 열압착하는 단계를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
  9. (a) 감광성 고분자 재료를 유리기판에 코팅한 다음, 사진식각공정으로 상기 감광성 고분자 재료상에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 감광성 고분자 재료를 리프트 오프(lift-off)공정으로 상기 유리기판으로부터 제거하여 감광성 고분자 구조체를 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 얻은 고분자 구조체 위에 연료 확산층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계의 연료 확산층 위에 금속으로 이루어진 집전체를 증착하고, 상기 집전체 위에 촉매층을 형성하여 애노드 및 캐소드를 형성하는 단계;
    (d) 상기 (c)에서 얻은 애노드, 캐소드 및 그 사이에 양이온 전도성 고분자 전해질막을 개재시켜 열압착하는 단계를 포함하는 마이크로 연료전지의 제조 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 리프트오프 공정은 묽은 산 용액내에서 30℃ 내지 40℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 사진식각공정에서 고분자 필름에 프린터로 패턴을 형성시킨 필름 마스크를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 감광성 고분자 구조체가 네가티브 형태의 감광성 고분자 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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