KR100732654B1 - 실리콘 분리판의 제조방법 - Google Patents

실리콘 분리판의 제조방법 Download PDF

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KR100732654B1
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silicon
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separator
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김재정
김준엽
권오중
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

연료전지에 사용되는 실리콘 분리판에 관해 개시한다. 본 발명의 방법에서는, 실리콘 기판 위에 산화규소(SiO2) 층을 형성하고 사진공정과 비등방성 습식 식각공정을 거친 후, 기판은 연료주입 시 사용되는 유로를 형성하게 되며, 뒷면에 파이렉스(Pyrex) 기판이나 실리콘 기판을 접합공정으로 붙여 강도의 향상을 꾀하게 된다. 이후, 앞면인 유로 부분에는 집전체 역할을 수행하는 금속 박막을 형성하게 되고, 뒷면에는 연료전지의 온도조절을 위한 박막 전열체를 형성하게 된다. 이렇게 제작된 실리콘 분리판은 박막 전열체와 실리콘 접합체를 사용함으로써 기존의 흑연 분리판에 비해 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 동시에 강도도 향상되기 때문에 소형 연료전지에 효과적이고 안정적으로 적용될 수 있다.
실리콘 분리판, 연료전지, 강도강화용 기판, 박막전열체, 비등방성 습식식각

Description

실리콘 분리판의 제조방법 {METHOD OF FABRICATING SILICON SEPARATOR}
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 분리판을 제조하는 방법을 나타내는 단면도들로서: 구체적으로,
도 1a는 실리콘 기판에 산화규소층이 형성된 상태를 나타낸 도면;
도 1b는 실리콘 기판의 일면에 형성된 산화규소층 상에 감광제 패턴을 형성한 상태를 나타낸 도면;
도 1c는 감광제 패턴을 마스크로 하여 BOE (buffered oxide etchant)로 산화규소층을 식각하고 감광제 패턴을 제거한 상태를 나타낸 도면;
도 1d는 산화규소층 패턴을 마스크로 하여 KOH, EDP, TMAH 중 선택된 수용액에 의해 비등방성 습식 식각공정을 실시한 상태를 나타낸 도면;
도 1e는 유로가 형성된 실리콘 기판의 타면에 강도 강화용 기판을 접합한 상태를 나타낸 도면;
도 1f는 실리콘-파이렉스 접합체에 대해서, 유로 상에 제1 접착층 및 집전체용 금속 박막을 형성한 상태를 나타낸 도면;
도 1g는 강도 강화용 기판 상에 박막 전열체, 제2 접착층 및 금속 전극을 순차적으로 형성한 상태를 나타낸 도면; 및
도 1h는 연료 주입구를 형성한 상태를 나타낸 도면이며;
도 2는 연료 주입구의 형성을 끝낸 후 자동 절단기에 의해 절단되어 완성된 실리콘 분리판을 나타낸 사진; 및
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 분리판을 이용하여 체결된 단일 연료전지의 온도를 박막 전열체를 사용하여 조절한 결과를 나타낸 그래프이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
202: 산화규소층
204: 포토 레지스트 패턴
206: 산화규소층 패턴
210: 실리콘 기판
212: 유로
220: 강도 강화용 기판
230: 제1 접착층
240: 집전체용 금속 박막
250: 제2 접착층
260: 금속 전극
270: 연료 주입구
본 발명은 실리콘 분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지에 사용되는 실리콘 분리판에 관한 것이다.
최근 휴대용 기기의 발달은 시간과 장소를 구애받지 않는 충분한 양의 에너지 확보를 요구하고 있는데, 현재 널리 사용되고 있는 일차/이차 전지의 개발속도는 불행히도 이를 충족시키지 못하고 있다. 소형 연료전지는 이러한 휴대형 정보 통신기기의 높은 전력요구에 부응하여 수요자의 요구를 충족시키기 위한 새로운 대안으로써 떠오르고 있다.
종래의 저온형 연료전지는 크게 세 부분으로 나뉘어 질 수 있는데, 전극 · 고분자 전해질 막 · 분리판으로 구성되는 스택(stack), 가압저장탱크 · 개질기 · 디스펜서(dispenser)와 같은 연료공급장치, 전원조정장치 · 펌프 · 압축기와 같은 주변장치(balance of plant, BOP)들이 그것이다. 이 중 스택의 핵심기술에 속해 있는 분리판(separator)은 스택 무게의 80% 이상을 차지할 만큼 소형화에 있어서 가장 문제시되고 있는 부분 중 하나이다.
양극판(bipolar plate) 혹은 유로판(flow field plate)이라고도 불리는 분리판은 저온형 연료전지의 핵심부품으로서 음극에서 생성된 전자를 다음 셀의 양극으로 전도해주는 집전판 역할을 하며, 막-전극 접합체(Membrane and Electrode Assembly; MEA)를 지지해주고, 음극과 양극으로 연료와 산화제를 공급해주는 동시 에, 전지 운전 중에 생기는 수분을 제거해 주는 통로 역할을 한다. 연료전지의 효율을 높이기 위해서는 분리판에 의해서 전압 손실을 최소화해야 하며, 분리판이 연료가스의 누설을 방지 할 수 있도록 매우 낮은 가스투과율을 가져야 하고, 공급되는 수소와 공기의 흐름을 완벽하게 분리해야 하며, 기계적 강도가 높고, 전기 화학적으로 안정해야 한다. 그리고 이를 상업화하기 위해서는 제작 기간을 단축하고, 제작 단가를 낮추는 것 또한 매우 중요하다.
분리판 개발 초기에는 전기전도도가 높고 내부식성이 우수한 탄탈(tantalum), 니오브(niobium), 티타늄(titanium) 등의 귀금속과 마그네슘(magnesium), 구리(copper) 등의 금속, 그리고 적합한 성질을 갖는 금속 분리판이 고려되기도 했지만 이러한 재질을 사용하면 가공성이 떨어지며, 가격이 비싼 단점이 있었다. 내부식성이 우수한 금속이더라도 표면이 산화되어 금속산화물이 생기면 전기전도도가 떨어질 우려가 있었으므로 표면을 귀금속과 같은 비산화성 물질로 피복하여야 하나 이 경우에도 내구성의 문제가 있었으며 또한 추가비용이 소요된다. 또한, 언급한 금속물질은 수소를 흡수하여 금속 수소화물(metal hydride)을 형성함으로써 깨지기 쉬운 구조로 변화되는 경향도 보였다.
현재에는 분리판의 재료로서 흑연이 가장 널리 사용되고 있지만, 이는 깨지기 쉬우며, 대량생산이 어렵고 유로 형성에 드는 제조 가격이 높다는 단점을 갖는다. 그래서 현재 상용화되어 있는 흑연 분리판을 대신하기 위해서 가격이 저렴하고, 성형이 용이하며, 기계적 강도 및 전기 전도성이 우수하고, 대량생산이 쉬운 복합 분리판(composite bipolar plate)이 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 그 러나, 이 같은 복합 분리판 역시 전기전도성 분말의 과첨가로 인해 강도가 약화되거나 혹은 강도향상에 치우쳐 전도성이 떨어지는 경우가 발견되고 있어 아직도 많은 연구개발 노력이 필요하다
그러므로 기존에 사용되어 온 분리판의 재료는 새로운 물질로써 대체할 필요가 있으며, 대체 재료의 후보군 중 실리콘은 반도체 공정기술을 등에 입고 많은 연구자들에 의해 분리판 혹은 막 일체형 연료전지 등으로 개발되고 있다.
실리콘을 이용하면 물성이나 가공, 비용적인 측면에서 많은 장점을 가진다. 실리콘은 분리판에 필요한 물성들인, 낮은 기체투과도, 높은 열안정성, 높은 열전도도(124 W m-1K-1), 낮은 열팽창성(2.49 x 10-6 K-1)을 자체적으로 가지며, 금(Au)과 같은 귀금속과의 금속접합공정을 거치게 되면 높은 전기전도성과 연료나 물에 대한 내부식성도 가지게 되어 분리판으로서는 이상적인 물성들을 가지게 된다. 특히 기존에 사용하던 반도체 공정기술을 기반으로 제작되기 때문에 완성된 공정체계를 바탕으로 한 정밀한 유로제작과 신뢰성 높은 재현성을 얻을 수 있으며, 더욱이, 한 번에 여러 개의 생산물을 만들어 낼 수 있어, 소형화와 함께 빠른 생산속도와 값싼 생산비용을 고려하고 있는 업체들의 요구에도 부응할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 이러한 실리콘을 이용한 연료전지 기기들의 공통적인 문제점은 강도에 있으며 스택 체결 시에 쉽게 부서질 수 있다는 점은 상업화에 큰 걸림돌이다.
한편, 종래기술에서는 온도 조절을 위해 분리판에 전열봉을 사용하였는데, 이는 전지의 소형화에 대한 장애요인으로 작용하였다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래기술에 따른 흑연 분리판 또는 실리콘 분리판보다 뛰어난 강도를 가지는 실리콘 분리판을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 온도 조절을 위한 전열 소자를 포함하더라도 연료전지의 소형화를 달성할 수 있게 해주는 실리콘 분리판을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실리콘 분리판 제조 방법은:
연료 전지에 사용되는 실리콘 분리판을 제조하는 방법으로서,
실리콘 기판의 일면에 연료 분산을 위한 유로를 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판의 타면에 강도 강화용 기판을 접합하는 단계와;
상기 유로 상에 집전체를 형성하기 위한 금속 박막을 형성하는 단계와;
상기 강도 강화용 기판 상에 박막 전열체를 형성하는 단계와;
상기 박막 전열체에 전력을 공급하기 위한 전극을 형성하는 단계와;
상기 분리판에 연료 주입구를 형성하는 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유로가 형성되는 실리콘 기판의 결정면이 (100) 또는 (110)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실리콘 기판에 유로를 형성하는 단계가 비등방성 습식 식각에 의해 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 비등방성 습식 식각이 KOH, EDP 및 TMAH로 구성된 습식 식각액 군으로부터 선택된 어느 하나에 의해 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 강도 강화용 기판으로서 파이렉스 유리 기판을 사용할 수 있으며, 상기 강도 강화용 기판과 상기 유로가 형성된 실리콘 기판의 타면을 접합함에 있어 양극접합공정을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 강도 강화용 기판으로서 (100), (110) 또는 (111)의 실리콘 기판을 사용할 수도 있으며, 상기 강도 강화용 기판과 상기 유로가 형성된 실리콘 기판의 타면을 접합함에 있어 직접접합공정 또는 공융접합공정을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 집전체용 금속 박막 및 박막 전열체는, 물리기상증착, 전해도금 및 무전해도금으로 구성된 박막형성공정 군으로부터 선택된 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 집전체용 금속 박막과 상기 실리콘 기판 사이에 제1 접착층을 더 구비하며, 상기 제1 접착층이 탄탈, 크롬, 니켈 및 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 집전체용 금속 박막이 금, 이리듐, 백금 및 루테늄으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 박막 전열체가 질화탄탈, 알루미늄 및 니크롬으로 구성된 군으 로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전극이 상기 박막 전열체 상에 형성되되, 상기 박막 전열체와 상기 전극 사이에 제2 접착층이 개재되는 것이 바람직하며, 상기 제2 접착층이 탄탈, 크롬, 니켈 및 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
이 경우, 상기 전극이 금 또는 백금 재질의 박막형태로 형성되는 것이 더욱 더 바람직하다.
한편, 상기 집전체용 금속 박막 및 박막 전열체의 형성단계 후에 이를 100 내지 800℃의 온도범위 내에서 열처리를 수행하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 열처리 단계가, 공기 분위기, 질소 분위기 및 비활성 기체 분위기로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 하에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 연료 주입구를 형성하는 단계는, 드릴이나 레이저를 포함하는 천공기기에 의해 수행할 수도 있으며, 상기 실리콘 기판의 타면에 대한 비등방성 습식 식각에 의해 수행할 수도 있다.
이하에서, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 아래의 실시예들은 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1a 내지 도 1h는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 분리판을 제조하는 방법을 공정 순으로 나타낸 단면도들이다.
[실리콘 기판 위에 연료의 유로 형성단계]
본 발명의 실시예에 따른 분리판의 유로를 형성하기 위해서는 비등방성 식각을 통해 효과적으로 유로를 형성할 수 있는 실리콘 기판을 사용한다. 그러므로, 유로의 형성이 가장 용이한 (100) 혹은 (110) 결정면의 실리콘 기판을 사용하는 것이 좋은데, 본 실시예에서는 (110) 실리콘 기판을 이용한 유로형성에 대해 언급한다.
도 1a는 실리콘 기판에 산화규소층이 형성된 상태를 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분리판의 소재로 사용되는 (110) 실리콘 기판(210)을 가열로(furnace)에서 습식 산화(wet oxidation)시키면 양면 연마된(double polished) 실리콘 기판(210)의 양면에 산화규소(SiO2)층(202)이 형성된다.
이어서, 실리콘 기판(210)의 일면에 형성된 산화규소층(202) 상에 감광제(photo resist, PR)를 균일하게 도포하고, 유로 모양이 형성되어있는 마스크를 통해 노광공정을 실시하면 유로의 모양이 PR위에 전사 되어진다. 노광공정이 끝난 기판을 현상액(developer)에 담그면 유로 모양이 전사 되어진 부분의 PR이 벗겨지며, 남아있는 PR들은 PR 패턴(204)을 이루는데, 이는 노출되어진 산화규소층만을 제거하기 위한 마스크로써 작용한다. 도 1b는, 이와 같이, 실리콘 기판(210)의 일면에 형성된 산화규소층(202) 상에 PR 패턴(204)을 형성한 상태를 나타낸 도면이 다.
그 다음, PR 패턴(204)을 마스크(mask)로 하여 BOE(buffered oxide etchant)로 산화규소층(202)을 식각한 후, PR을 제거하는 PR 스트립(strip) 공정과 초순수(D.I water)에 의한 세정공정을 거치면 도 1c에 도시한 바와 같이, PR 패턴(204) 하부에 있는 산화규소층은 잔존하여 산화규소층 패턴(206)을 형성하고 다른 부분은 제거된 구조를 얻을 수 있다.
이어서, 산화규소층 패턴(206)을 마스크로 하여 KOH, EDP(Ethyl Diamine Pyrocathechol) 및 TMAH(TetraMethylAmmonium Hydroxide) 중 선택된 수용액에 의해 비등방성 습식 식각공정을 실시한 후, 다시 초순수를 통한 세정을 실시하면, 도 1d에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판의 일면에 유로(212)가 형성된 변형된 실리콘 기판(210)의 구조를 얻을 수 있다. 통상적인 습식 식각은 등방성 식각(isotropic etch) 공정에 해당하나, KOH, EDP, TMAH 수용액들은 비등방성 식각특성을 나타내므로 산화규소층 패턴(206) 하부에 언더컷(undercut)과 같은 문제점을 나타내지 않는다.
여기까지의 공정에서는 아직까지 산화규소층 패턴(206)이 남아있으므로 다시 BOE 용액으로 산화규소층(206)을 제거시켜서 결과적으로 유로(212)가 형성된 변형된 실리콘 기판(210)만이 남게 된다.
[강도 강화용 기판의 접합 단계]
그 다음, 유로(212)가 형성된 변형된 실리콘 기판(210)의 타면에 강도 강화용 기판(220)을 접합시킨다. 강도 강화용 기판(220)으로서, (100), (110) 또는 (111)의 실리콘 기판을 사용할 수 있는데, 이 경우 실리콘 기판과의 접합에 직접접합공정(direct bonding process) 또는 공융접합공정(eutectic bonding process)을 사용할 수 있다. 그 외에도 강도 강화용 기판(220)으로서, 파이렉스 유리 기판을 이용할 수도 있는데, 본 실시예에서는 파이렉스(pyrex;내열유리) #7740 유리기판을 사용하였다. 파이렉스 유리 기판을 실리콘 기판에 접합시킬 때는 양극접합공정(anodic bonding process)을 이용하였는데, 이 공정을 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 유로(212)가 형성된 실리콘 기판(210)을 파이렉스 유리 기판과 함께 초순수에서 세정한다. 이 후 기판들은 양극 접합기(anodic bonder)에 넣어져 고온 고압상태의 진공상태에서 파이렉스 유리 기판의 윗면에 -800 V의 전압을 인가하여, 도 1e에 도시한 바와 같은 접합을 이루게 된다. 이렇게 제작되어진 접합체의 두께는 약 1 mm로써 2 ~ 10 mm의 두께를 가지는 통상의 흑연 기반의 분리판에 비해 그 두께가 2배에서 10배 정도 줄어든 것을 알 수 있었다.
[금속 박막 집전체의 형성 단계]
그 다음, 강도 강화용 기판의 접합 단계에서 위와 같이 제작된 실리콘-파이렉스 접합체에 대해서, 유로(212) 상에 전자의 이동과 기판 부식을 방지하기 위해 금속 박막 집전체를 형성하게 된다. 이는 물리 기상 증착(PVD), 전해 도금(electroplating, EP), 무전해 도금(electroless plating, ELP) 중의 어느 하나의 방식을 이용하여 제작되는데 먼저 탄탈(Ta)을 제1 접착층(230)으로 사용하기 위하여 유로가 형성된 실리콘 기판(210) 위에 이를 증착시킨다. 본 실시예에서는 제1 접착층(230)으로서 탄탈을 이용하였으나, 그 외에도 크롬, 니켈 또는 텅스텐을 이용할 수도 있다. 이어서, 금(Au), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru)에서 선택된 어느 하나를 이용하여 집전체용 금속 박막(240)을 그 위에 증착한다. 집전체용 금속 박막(240)을 형성함에 있어서도, 제1 접착층(230)의 증착공정과 마찬가지의 공정을 사용할 수 있다. 제작된 금속 박막은 보다 좋은 접합특성을 얻기 위하여 공기분위기의 가열로에서 100 내지 800℃의 온도범위 내에서 소성 과정을 거치게 된다. 이러한 소성 과정은 공기분위기 외에도 질소 분위기 또는 비활성 기체 분위기에서 행하여도 된다. 도 1f는 실리콘-파이렉스 접합체에 대해서, 유로 상에 제1 접착층(230) 및 집전체용 금속 박막(240)을 순차적으로 형성한 상태를 나타낸 도면이다.
[박막 전열체의 형성 단계]
그 다음, 실리콘 기판(210)의 타면에 파이렉스로 형성된 강도 강화용 기판(220) 상에 박막 전열체(240)를 PVD, EP, ELP 방식 중 하나를 선택하여 형성한다. 이러한 박막 전열체(240)의 재질로는 니크롬(nichrome), 알루미늄 혹은 질화탄탈(TaNX)을 사용할 수 있다. 박막 전열체(240)의 기능을 하기 위해 기존에는 전열봉을 사용하였으나, 본 실시예에서는 많은 부피를 차지하는 전열봉을 사용하지 않고 박막 전열체(240)를 사용하기 때문에 부피를 더욱 줄일 수 있다. 이어서, 박막 전열체(240)에 전기 공급시 접촉저항을 감소시키기 위한 전극을 형성하기에 앞서 전극의 접착성을 향상시키기 위해 제2 접착층(250)이 탄탈로 형성된다. 본 실시예에 서 제2 접착층(250)의 재질로 탄탈을 선택하였으나, 탄탈 외에도 크롬, 니켈 또는 텅스텐으로 형성하여도 된다. 제2 접착층(250) 상에는 금속 전극(260)이 국부적으로 형성되는데, 이를 위해서 금속 전극(260)이 위치할 부분만 개구된 새도우 마스크(미도시)에 스퍼터링(sputtering) 공정을 적용하였으며, 금속 전극(260)의 재질로는 금(Au)을 선택하였다. 금속 전극(260)의 재질로서 금(Au) 이외에 백금을 사용할 수도 있다. 이들 금속층들은 그 자체로는 파이렉스 재질의 강도 강화용 기판(220)과의 접착성이 약하기 때문에, 금속 박막 집전체의 형성 단계와 마찬가지로 공기분위기의 가열로에서 소성과정을 거친다. 이 경우에도 소성공정은 100 내지 800℃의 온도범위 내에서 수행하는 것이 바람직하며, 공기분위기 외에도 질소 분위기나 비활성 기체 분위기에서 수행할 수도 있다. 도 1g는 강도 강화용 기판 상에 박막 전열체, 제2 접착층 및 금속 전극을 순차적으로 형성한 상태를 나타낸 도면이다.
[연료 주입구 형성 단계]
그 다음, 드릴(drill)이나 레이저(laser)를 이용한 천공기기(hole saw)를 사용하거나 혹은 비등방성 습식 식각을 실리콘 기판(210)의 타면 측에 실시하여 연료 주입구(270)를 형성한다. 도 1h는 연료 주입구를 형성한 상태를 나타낸 도면이다. 연료 주입구의 형성을 끝낸 발열 실리콘 분리판은 자동 절단기(auto dicing saw)와 같은 기구로써 원하는 크기로 절단되어 도 2에 도시한 바와 같은 형태를 가지게 되며, 저온형 연료전지 등의 분리판으로 쓰이게 된다. 도 2는 연료 주입구의 형성을 끝낸 후 자동 절단기에 의해 절단되어 완성된 실리콘 분리판을 나타낸 사진으로서, 좌측 사진은 동전을 이용하여 그 크기를 가늠할 수 있게 한 것이며, 우측 사진은 실리콘 분리판의 단면에 대한 FESEM 사진이다. FESEM 사진을 참조하면, 실리콘 기판의 일면에 형성된 유로가 대략 100㎛의 폭과 230㎛의 높이를 가지고 있음을 알 수 있다.
[비교예 1]
본 실시예에 의해 제조된 실리콘 분리판을, 현재 가장 많이 사용되고 있는 흑연 복합 분리판과 비교하여 유용성을 확인하였다. 우선 강도의 측면에서, 본 발명의 제품에 대해 대표적인 기계적 특성 중 하나인 굴곡강도를 3점 굽힘시험(3 point bending test)으로 측정하였다. 그 결과, 유로와 평행하게 잘린 시편에서 56.5 MPa, 유로와 직각으로 잘린 시편에서 111.5 MPa, 유로가 없는 부분에서 244.8 MPa로 나타났다. 이는 Jianhua가 발표한 2005년 논문에서 밝히고 있듯이(Jianhua Huang, Donald G. Baird, James E. McGrath, "Development of fuel cell bipolar plates from graphite filled wet-lay thermoplastic composite materials", Journal of Power Sources, 150, pp. 110119 (2005)), 이상적인 복합 분리판의 굴곡강도인 59 MPa의 수치를 훨씬 뛰어넘거나 이와 비슷함을 알 수 있으며, 현재 개발되어 사용중인 여러 복합 분리판에 비교해서도 더 뛰어난 굴곡강도의 수치를 보임을 확인할 수 있다. 또한 전기 전도도에 있어서도 위 논문에서 밝힌 것처럼 Virginia Tech에서 제작된 분리판만이 평면상(In-plan)에서 271 S cm-1의 전기 전도도를 보이며 약 300 S cm-1정도에 다다르고 있으나, 본 발명의 제품은 4점 탐침 기(4-point probe)와 FESEM을 이용한 측정에서 기존 수치보다 수 십배이상인 2.58 x 105 S cm-1의 높은 전기 전도도를 보여 전류 이동에 무리가 없는 우수한 특성을 가짐을 보였다. 덧붙여, 위의 금속 박막 집전체는 ASTM D3359-97 cross-cut tape test에서 5B의 우수한 접착특성을 보였다.
[비교예 2]
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 분리판을 이용하여 체결된 단일 연료전지의 온도를 박막 전열체를 사용하여 조절해 보았다. 도 3은 그 온도조절의 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 45℃ 이상의 온도에서는 편차가 거의 없으며, 낮은 온도인 35℃에서도 3℃ 내외의 편차를 보여 전열봉의 사용 없이도 온도를 원활히 조정할 수 있음을 확인하였다.
[비교예 3]
상용화 된 복합 분리판을 이용한 단일 연료전지와의 비교를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 분리판을 이용한 단일 연료전지를 체결하였다. 이러한 비교에서 두 전지는 같은 PtRu 촉매를 산화극(anode)에 사용하였으며 상압에서 운전되었으나, 기존의 연료전지는 가습을 유지하며 70℃에서 운행되었고, 본 발명의 실시예가 적용된 연료전지는 가습을 하지 않은 채 상온에서 운전되었다. 결과적으로 가습을 하면서 온도를 높인 기존 연료전지는 비록 면적당 전력밀도에서는 가습하지 않은 실리콘 연료전지의 성능에 비해 3배가 높은 약 630 mW cm-2의 성능을 보였으나, 부피당 전력밀도에서는 본 발명의 실시예가 적용된 연료전지가 140 mW cm-3정도 높은 약 360 mW cm-3의 성능을 보여 분리판의 소형화에 따른 이점을 보여주었다.
상기한 본 발명에 따르면, 줄어든 부피로 인하여 저온형 연료전지의 거시적인 성능향상에 기여할 뿐 아니라 소형화에도 효과적이다. 또한 기존의 분리판과는 달리 박막 전열체를 후면에 증착시켜 부가적인 부피의 추가를 피할 수 있고 온도조절도 용이하다.
또한, 공정상의 이점으로는 (100) 혹은 (110) 결정면을 가지는 실리콘 기판에 비등방성 습식 식각을 이용하여 유로를 형성하므로 미세 유로의 형성이 가능하고, 다른 습식 공정에 함께 연속적인 공정을 이루며, 대량생산에 적합하므로 가격절감에 효과적이다. 따라서, 소형 저온형 연료전지(양이온 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 직접 개미산 연료전지(direct formic acid fuel cell, DFAFC), 직접 수소화붕소나트륨 연료전지(direct sodium borohydride fuel cell, DSBFC)) 등에 널리 이용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 연료 전지에 사용되는 실리콘 분리판의 제조 방법에 있어서,
    실리콘 기판의 일면에 연료 분산을 위한 유로를 형성하는 단계와;
    상기 실리콘 기판의 타면에 강도 강화용 기판을 접합하는 단계와;
    상기 유로 상에 집전체를 형성하기 위한 금속 박막을 형성하는 단계와;
    상기 강도 강화용 기판 상에 박막 전열체를 형성하는 단계와;
    상기 박막 전열체에 전력을 공급하기 위한 전극을 형성하는 단계와;
    상기 분리판에 연료 주입구를 형성하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로가 형성되는 실리콘 기판의 결정면이 (100) 또는 (110)인 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판에 유로를 형성하는 단계가 비등방성 습식 식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비등방성 습식 식각이 KOH, EDP 및 TMAH로 구성된 습식 식각액 군으로부터 선택된 어느 하나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 강도 강화용 기판이 파이렉스 유리 기판이며, 상기 강도 강화용 기판과 상기 유로가 형성된 실리콘 기판의 타면을 접합함에 있어 양극접합공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 강도 강화용 기판이 (100), (110) 또는 (111)의 실리콘 기판이며, 상기 강도 강화용 기판과 상기 유로가 형성된 실리콘 기판의 타면을 접합함에 있어 직접접합공정 또는 공융접합공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 집전체용 금속 박막 및 박막 전열체가, 물리기상증착, 전해도금 및 무전해도금으로 구성된 박막형성공정 군으로부터 선택된 어느 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 집전체용 금속 박막과 상기 실리콘 기판 사이에 제1 접착층을 더 구비하며, 상기 제1 접착층이 탄탈, 크롬, 니켈 및 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 집전체용 금속 박막이 금, 이리듐, 백금 및 루테늄으 로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 박막 전열체가 질화탄탈, 알루미늄 및 니크롬으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전극이 상기 박막 전열체 상에 형성되되, 상기 박막 전열체와 상기 전극 사이에 제2 접착층이 개재되며, 상기 제2 접착층이 탄탈, 크롬, 니켈 및 텅스텐으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전극이 금 또는 백금 재질의 박막형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 집전체용 금속 박막 및 박막 전열체의 형성단계 후에 이를 100 내지 800℃의 온도범위 내에서 열처리를 수행하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열처리 단계가, 공기 분위기, 질소 분위기 및 비활성 기체 분위기로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 연료 주입구를 형성하는 단계가, 드릴이나 레이저를 포함하는 천공기기에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 연료 주입구를 형성하는 단계가, 상기 실리콘 기판의 타면에 대한 비등방성 습식 식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분리판의 제조 방법.
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