KR100764936B1 - A micro catalytic combustor using porous silicon reinforcement structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 미세 연료전지 과정을 나타내는 개략도.1 is a schematic diagram illustrating a fine fuel cell process.
도 2는 본 발명의 마이크로 촉매 연소기 사시도.2 is a perspective view of a microcatalyst combustor of the present invention.
도 3은 본 발명의 마이크로 촉매 연소기의 정면도.3 is a front view of the microcatalyst combustor of the present invention.
도 4는 본 발명의 마이크로 촉매 연소기의 측면 절개도.4 is a side cutaway view of a microcatalytic combustor of the present invention.
도 5는 지지체 제조 공정을 나타내는 개략도.5 is a schematic view showing a support manufacturing process.
도 6은 전기화학적 식각법을 이용한 다공질 구조의 형성 개략도.6 is a schematic diagram of formation of a porous structure using an electrochemical etching method.
도 7은 커버체 제조 공정을 나타내는 개략도.7 is a schematic view showing a cover body manufacturing process;
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
100 : 지지체 120 : 연소실100: support 120: combustion chamber
130 : 다공층 200 : 커버체130: porous layer 200: cover body
210 : 파이렉스 글래스 220 : 입구210: Pyrex glass 220: entrance
230 : 출구 300 : 센서230: exit 300: sensor
330 : 사행부330: meandering department
본 발명은 마이크로 반응기나 마이크로 개질기 등의 작동을 위한 열원으로 작용하는 마이크로 촉매 연소기로서, 실리콘 지지체를 적용함으로써 초미세 형태로 형성이 가능하고, 지지체와 동종의 실리콘 다공질 구조를 채택함으로써 강도가 우수하며 공정이 간단한 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기를 제공하고자 하는 것이다.The present invention is a microcatalytic combustor that acts as a heat source for operation of a micro reactor or a micro reformer, and can be formed in an ultrafine form by applying a silicon support, and has excellent strength by adopting the same silicon porous structure as the support. It is an object of the present invention to provide a microcatalytic combustor employing a porous silicon support having a simple process.
최근 휴대용 전자기기의 시장 규모가 급속히 확대되면서 휴대용 전자기기에 채용되는 배터리에 대한 요구가 다양해지고 있다. 그 중에서도 연료 전지는 효율이 높고 무소음이며, 활용 가능한 연료의 종류도 다양하고 공해 측면에서도 유리하여 활발하게 연구되고 있다. 특히, 휴대용 전자기기의 전력 소모가 많아지고 소형화되면서 연료전지도 대용량, 소형화 측면으로 연구가 집중되고 있다.Recently, as the market size of portable electronic devices is rapidly expanding, the demand for batteries employed in portable electronic devices is diversified. Among them, fuel cells are highly efficient and noiseless, and various types of fuels are available, and they are actively studied in terms of pollution. In particular, as the power consumption of portable electronic devices increases and becomes smaller, research into fuel cells has become focused.
연료전지 중 고분자 전해질형 연료전지인 PEMFC(40)는 노트북 등에 활용되는 몇십와트 단위의 사이즈부터 연료전지 자동차에 채용되는 100kW 급까지 다양하게 개발되었으며 군사용, 로봇용 등으로 범용적으로 활용되고 있다. PEMFC(40)의 연료 는 주로 압축 수소나 금속 수소화물을 사용하는데 특히, 메탄올이나 휘발유를 연료로 사용하는 경우 연료개질기가 필요하다. 도 1은 미세 연료전지 과정을 개략적으로 도시하고 있다. 탄화수소 계열의 연료가 사용되어 수소를 만들고 이를 이용하여 전기를 생산해 내는 연료전지 시스템이다.PEMFC (40), which is a polymer electrolyte fuel cell among fuel cells, has been developed in a variety of sizes from several tens of watt units used in laptops to 100kW used in fuel cell vehicles, and has been widely used for military and robotic applications. The fuel of the PEMFC 40 mainly uses compressed hydrogen or metal hydride. In particular, a fuel reformer is required when using methanol or gasoline as fuel. 1 schematically illustrates a micro fuel cell process. It is a fuel cell system that uses hydrocarbon fuel to make hydrogen and produce electricity using it.
메탄올이 물과 함께 섞여 기화되어 연료이송부(10)를 통과하고 연료개질기(20)로 유입된다. 연료가 연료개질기(20)를 통과하면 수소와 함께 이산화탄소 및 일산화탄소 등의 불필요한 여러 가스도 동시에 생성되는데, 멤브레인(30)을 통과시켜 PEMFC(40)의 실질적인 연료가 되는 수소만을 걸러낸다. 걸리진 수소는 PEMFC(40) 연료전지 셀로 들어가 전기를 만드는데 사용되고 반응물로서 물이 생성된다.Methanol is mixed with water and vaporized to pass through the
한편, 연료이송부(10) 및 연료개질기(20)는 원활한 작동 및 고효율을 위하여 적정하게 고온으로 유지될 필요가 있다. 이를 목적으로 히터(50)가 채용되는 것이 일반적인데, 휴대용 전자기기에 사용되는 연료전지가 소형화되면서 상기 히터도 소형화될 필요가 있다. 히터(50)의 소형화 및 고온 유지 조건은 필연적으로 높은 에너지 밀도를 요구하게 되는데 이런 조건에 부합되는 열원의 형태로 마이크로 촉매 연소기가 부각되고 있다.On the other hand, the
화염이 발생하여 작동하는 통상의 연소기와는 달리 촉매 연소기는 촉매를 이 용하여 연소를 일으키고 지속시키는 연소기로서 가연 한계 이하의 낮은 당량비에서도 연소 반응이 일어나며 저온에서도 반응이 일어나기 때문에 NOx가 원천적으로 발생하지 않는다는 이점이 있다. 또한, 소염 등의 문제가 없어 마이크로 스케일의 미세한 구조 내에서도 지속적인 연소가 가능하다는 이점이 있다. 이 외에도 상온에서도 촉매 반응이 일어나는 촉매를 채용할 경우 예열 장치가 필요 없게 되므로 휴대용 장치의 연료전지 히터(50)로서 적합하다고 할 수 있다.Unlike ordinary combustors that operate by generating flames, catalytic combustors are combustion combustors that generate and sustain combustion using catalysts. There is an advantage. In addition, there is no problem such as anti-inflammatory, there is an advantage that the continuous combustion is possible in the micro-scale fine structure. In addition, it can be said that it is suitable as a
종래의 마이크로 촉매 연소기의 제조는 실리콘 기판 상에 트렌치 형태의 마이크로 사이즈 연소실을 형성하고, 연소실 바닥에는 양극산화(anodic oxidation) 방법으로 Al2O3 의 지지체를 구성하여 백금 촉매를 담지한 후 내열 유리를 접합하는 방식을 사용하고 있었다. 그러나 Al2O3는 매크로 사이즈의 연소기에서는 범용적으로 사용되고 우수한 특성을 보이는 재료이긴 하나, 마이크로 사이즈로 가면서 제조 및 연소기 강도 측면에서 많은 문제점을 갖게 된다.Conventional microcatalytic combustor manufactures a trench-shaped micro size combustion chamber on a silicon substrate, and a support of Al 2 O 3 is formed on the bottom of the combustion chamber by anodizing to support a platinum catalyst and then heat-resistant glass. I was using the method of splicing. However, Al 2 O 3 is a material that is widely used in the combustor of the macro size and exhibits excellent characteristics, but there are many problems in terms of manufacturing and combustor strength in the micro size.
먼저, 제조상의 문제점을 보면 실리콘 기판에 연소실을 먼저 생성하고 그 위에 Al2O3 지지체를 올리게 되므로 해서 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 제조 공정이 복잡하다는 것은 바로 제조 단가의 상승과 수율 유지의 난점을 의미하는 것으로, 연료전지의 대량 생산, 제조비용 및 수율 측면에서 제조 공정을 줄일 필요가 있었다. 또한, 촉매 연소기의 강도 측면에서 이종간의 지지체 결합은 바람직하 지 않다. 특히, 촉매 연소기와 같이 연소에 의한 고온 환경과 연료전지가 작동하지 않는 저온 환경 사이를 지속적이고 규칙적으로 겪게 되는 작동 기기의 경우 그 구성물간의 이종 결합은 강도 측면에서 바람직하지 않다고 볼 수 있다.First, in view of the manufacturing problem, there is a problem in that the manufacturing process is complicated because the combustion chamber is first generated in the silicon substrate and the Al 2 O 3 support is placed thereon. The complexity of the manufacturing process implies the difficulty in increasing the manufacturing cost and maintaining the yield, and it is necessary to reduce the manufacturing process in terms of mass production, manufacturing cost, and yield of fuel cells. In addition, heterogeneous support bonds are undesirable in view of the strength of the catalytic combustor. In particular, in the case of an operating device which continuously and regularly experiences a high temperature environment caused by combustion and a low temperature environment in which a fuel cell does not operate, such as a catalytic combustor, heterogeneous coupling between components may not be desirable in terms of strength.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지지체와 동종의 다공질 구조를 채택함으로써, 제조공정이 간략화되어 제조비용이 절감되며, 수율 유지가 용이하고, 강도 측면에서도 우수한 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to adopt a porous structure of the same type as the support, the manufacturing process is simplified to reduce the manufacturing cost, the yield is maintained It is an object of the present invention to provide a micro-catalyst combustor employing a porous silicon support excellent in terms of ease and strength and a method of manufacturing the same.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기는, 연료전지를 위한 열원으로 작용하는 마이크로 촉매 연소기에 있어서, 예혼합 가스가 주입되는 입구와; 반응물이 배출되는 출구와; 상기 입구 및 출구 사이에 형성되고, 촉매를 담지하는 내부 벽면은 다공질의 실리콘 층으로 형성되는 연소실;을 포함하는 마이크로 촉매 연소기를 제공한다.A microcatalytic combustor employing the porous silicon support of the present invention for achieving the above object includes: an inlet into which a premixed gas is injected, the microcatalyst combustor serving as a heat source for a fuel cell; An outlet through which reactants are discharged; It provides a micro-catalytic combustor comprising a combustion chamber formed between the inlet and the outlet, the inner wall surface carrying the catalyst is formed of a porous silicon layer.
바람직하게, 상기 마이크로 촉매 연소기는 상기 연소실이 형성되는 지지체와 연소실을 덮는 커버체로 분리되어 구성된다.Preferably, the micro-catalyst combustor is separated into a support body on which the combustion chamber is formed and a cover body covering the combustion chamber.
바람직하게, 상기 입구 및 출구는 상기 커버체에 형성되고, 상기 지지체와 커버체는 접합되어 구성된다.Preferably, the inlet and the outlet are formed in the cover body, and the support and the cover body are joined.
바람직하게, 상기 다공질의 실리콘 층은 전기화학적 식각(electrochemical etching)에 의하여 형성된다.Preferably, the porous silicon layer is formed by electrochemical etching.
바람직하게, 상기 연소실의 내부 벽면에는 실리콘으로 형성되는 복수의 리브가 반응 가스가 흐르는 방향으로 안정되도록 정렬되어 형성되는 것이 좋다.Preferably, the plurality of ribs formed of silicon are arranged on the inner wall of the combustion chamber so as to be stabilized in the direction in which the reaction gas flows.
바람직하게, 상기 커버체는 파이렉스 유리(pyrex glass)이고, 상기 지지체와 양극접합(anodic bonding)에 의하여 견고하게 접합되어 있다.Preferably, the cover body is pyrex glass, and is firmly bonded to the support by anodic bonding.
바람직하게, 상기 커버체의 연소실에 대응되는 부위에는 복수의 온도 센서가 일체로 형성된다.Preferably, a plurality of temperature sensors are integrally formed at a portion corresponding to the combustion chamber of the cover body.
바람직하게, 상기 촉매는 백금인 것이 특징이다.Preferably, the catalyst is characterized in that the platinum.
또한 바람직하게, 상기 온도 센서는 사행 형태(meander type)의 곡선 형상으로 형성되는 것이 좋다.Also preferably, the temperature sensor may be formed in a meander type curved shape.
본원 발명의 다른 측면으로서, 본원 발명은 연료전지를 위한 열원으로 작용하는 마이크로 촉매 연소기의 제조 방법에 있어서, 지지체로서의 평판 형상의 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판의 상면에 식각에 의해 트랜치 형상의 연소실을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판의 하면에 전극을 마련하는 단계; 상기 실리콘 기판의 상기 전극을 양극으로 하여 전기화학적 식각법에 의해 연소실에 다공질의 실리콘층을 형성하는 단계; 다공질 실리콘층에 백금을 담지하는 단계; 평판 형상의 커버체를 마련하는 단계; 커버체의 일면에 지지체의 연소실에 대응되도록 복수의 온도 센서를 형성하는 단계; 커버체가 지지체의 연소실을 덮도록 견고하게 접합하는 단계;를 포함하는 마이크로 촉매 연소기의 제조 방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a microcatalytic combustor that serves as a heat source for a fuel cell, comprising the steps of: preparing a flat silicon substrate as a support; Forming a trench-shaped combustion chamber by etching on the upper surface of the silicon substrate; Providing an electrode on a bottom surface of the silicon substrate; Forming a porous silicon layer in a combustion chamber by an electrochemical etching method using the electrode of the silicon substrate as an anode; Supporting platinum on the porous silicon layer; Providing a flat cover body; Forming a plurality of temperature sensors on one surface of the cover body to correspond to the combustion chamber of the support body; And firmly bonding the cover body to cover the combustion chamber of the support.
바람직하게, 상기 온도 센서를 형성하는 단계는 백금을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 또는 증발에 의한 공정으로 형성하는 것이 좋다.Preferably, the step of forming the temperature sensor is preferably formed by a process by sputtering or evaporation using platinum.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a microcatalyst combustor to which the porous silicon support according to the present invention having the configuration as described above is applied will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기 및 그 제조방법을 보여주는 도면으로서, 도 2는 촉매 연소기의 사시도이고, 도 3 및 도 4는 정면도 및 측면 절개도이며, 도 5 및 도 7은 지지체와 커버체의 제 조 공정을 나타내는 개략도이다. 한편, 도 6은 다공질 구조의 형성 방법을 도시한 개략도이다.2 to 7 is a view showing a micro-catalyst combustor and a manufacturing method using the porous silicon support of the present invention, Figure 2 is a perspective view of the catalytic combustor, Figures 3 and 4 are a front view and a side cutaway, 5 and 7 are schematic diagrams illustrating a step of manufacturing the support and the cover body. 6 is a schematic diagram showing a method of forming a porous structure.
본 발명의 촉매 연소기 구조를 도 2 내지 도 4의 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the catalytic combustor structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings of FIGS. 2 to 4.
도 2를 참고하면, 본 발명의 촉매 연소기는 평판 형태로서, 상부 일부에 트렌치 방식으로 형성되는 오목한 형태의 연소실(120)이 구비되고, 연소실(120)에는 다공질의 저부가 형성되어 백금 촉매가 담지되는 실리콘 지지체(100)와; 상기 지지체(100)의 상부에 연소실(120)을 덮도록 결합되고, 연소실(120)의 양 끝단에 대응되는 위치에는 각각 입구(220) 및 출구(230)가 구비되는 커버체(200)와; 커버체(200)의 연소실(120) 반대 상면에 연소실(120)을 따라 복수로 형성되고, 연소실(120)에 대응되는 위치에서는 사행(meander type)되며, 연소실(120)의 변화하는 온도를 측정하는 센서(300)로 구성된다. 도 2에서 센서(300)의 사행부(330)는 인식을 용이하게 하기 위하여 세부적으로 도시하지 않았고 도 3에서 그 형태를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, the catalytic combustor of the present invention has a flat plate shape, and includes a
도 2 및 도 4를 참조하여 지지체(100) 및 커버체(200)의 구조를 설명한다. 도 4는 도 2의 AA'선을 따라 절단하여 도시한 절개도로서, 인식성을 위하여 접합되어 있는 지지체(100)와 커버체(200)를 분리하여 도시하였다. 지지체(100)는 판상의 실리콘 기판에 트랜치 방식으로 연소실(120)을 식각하여 구성한다. 구체적인 제조 공정은 후술하기로 한다. 지지체(100)의 두께는 700μm 정도가 적당하고, 이 중 연소실(120)은 300μm가 바람직하다. 연소실(120)은 직선상으로 길게 형성되는 연소부(121) 및 연소부(121)의 양단으로 연료의 입구(220) 및 출구(230)에 대응하여 형성되는 테이퍼부(122)로 구성되며, 테이퍼부(122)의 끝단은 원호형상으로 부드럽게 처리된다. 본원에서는 연소실의 모양을 구체적으로 기재하고 있으나, 상기의 형상에 한정되는 것은 아니며, 발명의 기술적 요지를 해치지 않는 한도 내에서 자유롭게 변경 가능하다.The structure of the
연소실의 바닥에는 다공층(130)이 형성된다. 다공층(130)은 실리콘 지지체가 도 6과 같은 전기화학적 식각 공정(electrochemical etching)에 따라 제조되어 형성되는 것으로, 직각의 수직 구멍이 무수하게 배치되며, 다공층(130)에 담지된 백금 촉매와 연소실(120) 내를 흐르는 연료 특히, 수소 및 공기 혼합체와의 접촉 면적을 극대화한다. 한편, 연소실(120) 바닥은 전체를 평평하게 식각하여 다공층(130)을 형성하여도 좋으나, 도 2에서 보는 바와 같이 연소실(120) 바닥에서 커버체(200) 하면까지 연장되는 다수의 리브(123)를 정렬하여 연소실(120)을 따라 적절한 간격으로 배치함으로써 연소되는 유동의 흐름을 안정화시키는 것도 바람직하다.The
커버체(200)는 지지체(100)와 동일한 크기로 가공되어 연소실(120)의 상부를 덮는다. 연소실(120)의 양 끝단 즉, 테이퍼부(122)에 대응하는 위치에는 각각 입구 (220) 및 출구(230)를 위한 구멍이 관통되어 구비된다. 상기 입구(220)는 본원 발명의 촉매 연소기의 연료인 수소와 공기 혼합체가 유입되는 곳이며, 출구(230)는 백금 촉매에 의해 촉매 연소된 반응물이 빠져 나가는 곳이다. 커버체(200)는 통상 파이렉스 유리(pyrex glass) 재질로 하는 것이 유리하며, 지지체(110)와 커버체(200)는 양극 접합(anodic bonding)에 의하여 견고하게 접합된다.The
커버체(200)의 상부 즉, 연소실의 반대 측면에는 연소실(120) 온도 측정을 위한 온도 센서(300)가 형성된다. 센서(300)는 연소실(120)의 길이 방향을 따라 필요한 위치에 복수로 형성되는 것이 바람직하다. 센서(300)의 재질은 백금으로 하는 것이 바람직하다. 이는 촉매의 재료가 백금이라는 점을 감안하면 타당하다. 온도 측정 방식은 각 센서(300)의 저항을 측정하여 저항과 온도의 관계식으로부터 정확한 온도를 읽어 내는 방식이다.The
센서(300)는 연소실(120)을 사이로 외부 접속 단자가 접촉하는 제1접속부(310) 및 제2접속부(320), 연소실(120)의 직상방에 위치하여 연소실(120) 특정 부위의 온도를 측정하는 사행 타입(meander type)의 사행부(330) 및 사행부(330)와 양 접속부(310,320) 간의 연결부(340)로 구성된다. 연소실(120)과 마찬가지로 상기 센서(300)는 미세한 크기를 갖도록 제조되는 것이며, 통상 반도체 공정으로 알려진 노광, 식각 등의 공정을 이용하여 제조된다. 커버체(200)와 센서(300)와의 결합은 백금 스퍼터링(sputtering)에 의하여 견고하게 접속된다. 제1접속부(310) 및 제2접 속부(320)의 평면 형상은 정해진 것은 아니나, 외부 접속단자와의 접속을 용이하고 견고하게 하기 위하여 테이퍼 형태를 이루도록 하는 것이 바람직하다. 연소실(120) 상부에 사행 타입의 센서 형상을 유지하는 것은 해당 연소실(120) 특정 부위의 평균 온도를 좀 더 정확하게 측정하고자 하는 것으로, 사행하는 경로 간에 절연되어야 하는 것은 당연하다.The
다음으로 도 5를 참조하여 지지체(100)의 제조 공정을 설명한다. 도 5는 도 2에 도시된 촉매 연소기를 BB'선을 따라 절단하여 도시한 것이다. 본원 발명의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 촉매 연소기의 크기가 극히 작고, 이를 이루는 연소실(120), 다공층(130), 센서(300) 등의 크기 또한 극히 미세하므로, 이를 제조하는 공정은 잘 알려진 노광, 현상, 식각 등의 반도체 공정을 이용한다.Next, a manufacturing process of the
먼저, p타입 실리콘 기판이 평판 형태로 준비된다. 기판의 크기는 촉매 연소기가 부착되는 구조에 따라 결정되어 마련되는 것이며, 이에 앞서 기판의 세척 및 표면 연마 등의 통상적인 공정을 거친다. 이 후 열산화(thermal oxidation)를 통해 표면에 SiO2 층을 형성시킨다. 열산화법은 산화층 내부와 SiO2/Si 계면에 결함을 거의 생성시키지 않는 방법으로서 우수한 특성의 절연막을 형성시킬 수 있는 기술이다. 이 기술은 산화 반응에 사용되는 기체의 종류에 따라 건식 산화(dry oxidation)법과 습식 산화(wet oxidation)법으로 구분되는데, 양자 필요에 따라 선 택되어 적용한다. 산화층은 연소실(120)을 식각하기 위한 마스크로서 작용한다. 다음으로 도 5(a)와 같이 PR(photo resist) 코팅을 행한다. 기판 전체에 일정한 막의 형태로 도포한 후, 일정 온도로 베이킹(baking)하여 PR 용제를 기화시켜 단단하게 만든다. 다음으로 노광 및 현상을 통해 도 5(b)와 같이 산화막을 제거할 준비를 한다. 노광은 연소실(120) 형태의 마스크를 미리 준비하였다가 얼라인(align)한 후, UV 빛을 쪼여 전사하고, 현상은 KOH 수용액과 같은 염기 수용액을 사용한다. 만약 PR이 SU 시리즈와 같은 네거티브 PR이라면 아세톤이나 특정 솔벤트를 사용할 수도 있고, 상기 과정이 특정하게 한정되는 것은 아니다.First, a p-type silicon substrate is prepared in the form of a flat plate. The size of the substrate is determined and provided according to the structure to which the catalytic combustor is attached, and prior to this, the substrate is subjected to conventional processes such as cleaning and polishing the surface. Thereafter, thermal oxidation forms a SiO 2 layer on the surface. The thermal oxidation method is a method of forming an insulating film having excellent properties as a method of hardly generating defects in the oxide layer and the SiO 2 / Si interface. This technique is classified into dry oxidation method and wet oxidation method according to the type of gas used in the oxidation reaction, and both are selected and applied according to the needs. The oxide layer serves as a mask for etching the
다음으로 BOE를 사용하여 PR을 마스크로 SiO2 산화막을 제거한다. PR이 연소실 형태를 이루도록 설계되어 있으므로 제거된 산화막 또한 연소실 형태를 가지고 도 5(c)와 같은 형상으로 된다. 도면에서 PR에 의하여 보호되지 않는 산화막은 모두 제거되었음을 확인할 수 있다. 다음으로 다공질 실리콘의 전기화학적 식각(electrochemical etching)을 위한 전극을 실리콘 기판 하면에 생성한다. 통상의 증착방법이 적용될 수 있으나, 증착 속도가 상대적으로 느린 스퍼터링(sputtering) 공정보다는 공정이 단순하고 빠른 진공 증착(evaporation)을 이용하는 것이 바람직하다. 진공 증착법은 표면 질이 나쁜 단점은 있으나, 본원 발명에서와 같이 전극으로 활용된 후 제거되어도 좋은 경우에는 적당한 방법으로 볼 수 있다. 전극은 도 5(d)와 같이 Cr층(160)과 Au층(170)의 다층으로 형성한다.Next, the SiO 2 oxide film is removed using PR using a BOE mask. Since PR is designed to have a combustion chamber shape, the removed oxide film also has a combustion chamber shape and has a shape as shown in FIG. In the figure, it can be confirmed that all oxide films not protected by the PR are removed. Next, an electrode for electrochemical etching of porous silicon is formed on the bottom surface of the silicon substrate. Although a conventional deposition method may be applied, it is preferable to use a simple and fast vacuum evaporation process rather than a sputtering process with a relatively slow deposition rate. Although the vacuum deposition method has a disadvantage in that the surface quality is bad, it can be seen as a suitable method when it may be removed after being used as an electrode as in the present invention. The electrode is formed as a multilayer of the
다음으로 SiO2 산화막을 마스크로 해서 실리콘 기판을 식각하여 연소실(120)을 형성한다. 식각 방법은 통상의 여러 가지 방법이 모두 채용될 수 있으나, 본원 발명의 경우에는 연소실(120)면을 직각으로 유지하기 위하여 Deep RIE(reactive ion etching)을 이용한다. Deep RIE법은 이온을 빠른 속도로 실리콘 면에 충돌시켜 깍아 내는 방법의 일종으로 식각 속도를 빠르게 하기 위하여 약간의 화학작용이 더해진다. 식각 결과, 도 5(e)와 같이 깊이가 300μm의 크기로 직각 벽의 연소실(120)이 형성된다. 상기한 바와 같이 연소실 내에는 다수의 리브(123)가 규칙적으로 배열될 수 있으며, 이를 위하여 PR 마스크가 그에 따라 적절하게 설계되어야 함은 당연하다.Next, the silicon substrate is etched using the SiO 2 oxide film as a mask to form the
다음으로 도 5 및 도 6을 참조하여 전기화학적 식각(electrochemical etching)을 이용한 다공질 실리콘 층 및 백금 촉매층의 형성 방법을 설명한다. 도 6은 식각이 일어나는 연소실(120) 바닥면을 특히 확대하여 도시한 것이다. 도 5(e)와 같이 형성된 실리콘 기판은 도 6에 도시한 것과 같은 용기에 담겨져 전기화학적 식각이 행해진다. 도 6(a)에 도시한 바와 같이, 공정 중에 있는 실리콘 기판을 양극(anode)으로 하고 백금판을 음극(cathode)로 하여 테프론으로 된 용기 내부에 담겨진다. 용기에는 HF(hydrofluoric acid) 액이 담겨져 있으며, 빠른 공정 속도를 위하여 교반기(stirrer)로 교반한다. 음극과 양극 간에는 적절한 크기의 DC 전류가 공급된다. 또는 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 공정 중에 있는 실리콘 기판의 후면에 크롬(Cr)과 백금(Au)을 순차적으로 부착하여 양극으로 하여 DMF(Dimethylformamide), HF 및 물을 혼합한 용액에 담근다. 이와 같이 함으로써 상기 실리콘 기판에는 미세기공(microporous)이 생겨나 다공질 구조를 형성할 수 있게 된다. 상기 다공질 구조는 특정한 형상으로 한정될 필요는 없고 연소실(120)의 구조가 유지될 수 있는 한도 내에서 접촉 면적이 최대가 되도록 최적화되면 족하다.Next, a method of forming a porous silicon layer and a platinum catalyst layer using electrochemical etching will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 6 shows an enlarged view of the bottom surface of the
상기 식각에 의하여 무수히 많은 수직 홀 형태의 다공질 실리콘 층이 만들어지며, 상기 실리콘 층은 백금을 담지하기 위한 지지체로서 작용한다. 도 5(f)와 같이 연소실(120) 바닥 및 측벽에 다공층(130)이 형성된 다음, 백금이 함침법(Impregnation)에 따라 다공층에 담지됨으로써 도 5(g)와 같이 본원 발명의 지지체(100)가 완성된다.By etching, numerous porous silicon layers in the form of vertical holes are formed, and the silicon layers serve as a support for supporting platinum. The
다음으로 도 7을 참조하여 커버체(200)의 제조 공정을 설명한다. 도 7은 도 5와 마찬가지로 도 2에 도시된 촉매 연소기를 BB'선을 따라 절단하여 도시한 것이다. 커버체(200)는 파이렉스 유리(pyrex glass)를 이용하여 제조된다. 파이렉스 유리는 온도 센서(300)를 지지하는 기저판으로 작용한다. 지지체(100)의 크기에 맞게 절단된 파이렉스 유리(210)에는 지지체(100)의 연소실(120) 중 테이퍼부(122)에 대응하는 위치에 각각 입구(220) 및 출구(230)를 위한 관통홀을 구비한다. 다음으로, 도 7(a)와 같이 PR이 코팅된다. PR 코팅층에 도 3의 센서(300) 형상을 구성하도록 설계된 별도의 마스크를 이용하여 노광을 행하고, 적절한 용액을 이용하여 현상을 행한다. 이의 결과로 도 7(b)와 같은 커버체를 얻을 수 있다. 다음으로, 스퍼터링(sputtering) 기법을 이용하여 현상된 PR 코팅층 및 커버체(200) 상에 백금을 증착한다. 스퍼터링 증착법은 DC 또는 RF 마그네트론을 이용하여 증착하고자 하는 물질의 타겟 즉, 백금 조각으로부터 입자를 떼어내어 특정 기판상에 옮겨 붙이는 공정이다. 이로써 현상된 PR 코팅층에 백금으로 이루어진 얇은 필름이 형성된 도 7(c)의 커버체(200)를 얻는다.Next, the manufacturing process of the
다음으로 리프트업(lift-up) 공정을 통하여 PR 코팅과 불필요한 백금 필름층을 제거한다. 리프트업 공정은 통상의 식각과는 달리 PR을 용제로 녹이는 과정에서 PR 위에 증착된 필름이 제거되는 것으로 기저판 위에 증착된 필름만 남게 되는 방법이다. 이의 결과로 도 7(d)에 도시한 커버체(200)가 완성된다.Next, the PR coating and the unnecessary platinum film layer are removed through a lift-up process. Unlike the normal etching, the lift-up process removes the film deposited on the PR in the process of dissolving the PR in a solvent so that only the film deposited on the base plate remains. As a result of this, the
지지체(100)와 커버체(200)는 양극접합법(anodic bonding)에 의하여 견고하게 접합된다. 지지체(100) 및 커버체(200)의 접합면을 필요에 따라 균질하게 연마한 후, 두 판을 힘을 주어 접촉시킨 다음 450도 정도의 높은 온도 환경에서 높은 전압을 가한다. 이에 의해 접합면에서는 화학작용이 일어나 견고한 접합이 이루어진다. 도 7(e)는 상기 접합법을 이용하여 완성된 최종 형태의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 본원 발명의 마이크로 촉매 연소기 단면도를 보이고 있다.The
이와 같이 구성된 본 발명의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기의 연소 과정은 다음과 같다.The combustion process of the microcatalyst combustor to which the porous silicon support of the present invention configured as described above is applied is as follows.
촉매 연소기(50)의 입구(220)로 연료로서 압축된 수소와 산화제로서 공기가 혼합되어 인입된다. 인입된 상기 예혼합 가스는 직선 형태로 길게 형성된 연소실(120)을 지나며 실리콘 다공층(130)에 담지된 백금 촉매에 의하여 촉매 연소를 일으킨다. 본원 발명의 경우, 아주 높은 반응성을 보이고 내식성이 좋으며 고온에서도 안정된 특성을 보이는 백금 촉매를 채용함에 따라 안정된 촉매 연소가 가능하다. 촉매 연소는 연소실(120) 시작부에서 강하게 일어나며, 출구(230) 측으로 갈수록 반응 정도가 약하나 촉매 연소가 안정되는 경우 반응 속도는 일정하다. 반응 결과물은 물과 질소로서 출구(230)를 통해 빠져 나간다.Hydrogen compressed as fuel and air as oxidant are mixed and introduced into the
온도 센서(300)로 측정되는 연소실(120)의 온도는 입구에서 주입되는 예혼합 가스의 유량에 따라 달라지나 몇 백도 수준까지도 짧은 시간 내에 도달 가능하다는 것이 밝혀졌다. 이는 예혼합 가스의 유량을 조절함으로써 적절한 온도로 촉매 연소기의 운전을 제어하는 것이 가능하다는 것으로 통상적으로 각 부위별로 센서(300)에 의해 측정되는 온도값을 피드백하여 입구(220)의 예혼합 가스 유량을 조절하는 것이 바람직하다.The temperature of the
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application of the present invention is not limited to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made.
이상과 같은 본 발명의 다공질 실리콘 지지체를 적용한 마이크로 촉매 연소기는 실리콘 기판을 백금 촉매를 담지하기 위한 지지체로 하고, 반도체 공정을 도입함으로써 마이크로 사이즈로 용이하게 제조될 수 있고, 대량 생산이 가능하다.The microcatalyst combustor to which the porous silicon support of the present invention is applied as described above can be easily manufactured in a micro size by introducing a semiconductor process, using a silicon substrate as a support for supporting a platinum catalyst, and mass production is possible.
또한, 종래 실리콘 기판 위에 촉매를 위한 담지체로서 Al2O3 를 도금하여 사용하던 것을 동종의 다공질 실리콘 층으로 함으로써 제조 공정이 줄어들었고, 이에 의해 제조 단가의 하락이 가능하며, 수율을 높이기 위한 관리 측면에서 상당히 유리한 이점이 있다.In addition, the manufacturing process is reduced by using the same type of porous silicon layer that is used by plating Al 2 O 3 as a support for a catalyst on a silicon substrate, thereby reducing the manufacturing cost and managing to increase the yield. There is a significant advantage in this respect.
또한, 촉매 지지체의 재료를 기판과 동일하게 실리콘으로 함으로써 연소기의 열피로 강도 측면에서 유리한 측면이 있다.In addition, there is an advantageous aspect in terms of thermal fatigue strength of the combustor by using silicon as the substrate of the catalyst support.
또한, 촉매 담지를 위한 지지체가 다공질로 형성됨으로써 촉매 작용을 위한 접촉 면적이 극대화되는 장점이 있다.In addition, the support for the catalyst support is formed by a porous has the advantage that the contact area for the catalytic action is maximized.
또한, 본원 발명의 연소기는 촉매를 백금으로 함으로써 촉매 반응성이 좋고, 고온 환경에서도 안정적이며, 내식성이 우수하다.Moreover, the combustor of this invention makes catalyst reactivity good, and it is stable in high temperature environment, and is excellent in corrosion resistance.
또한, 온도 센서가 마이크로 촉매 연소기에 내장되도록 제조됨으로써 별도로 온도 센서를 부착하여야 하는 번거로움이 없고, 온도의 측정 정확도가 획기적으로 향상되었다.In addition, since the temperature sensor is manufactured to be embedded in the microcatalytic combustor, there is no need to attach a temperature sensor separately, and the measurement accuracy of the temperature is greatly improved.
또한, 온도 센서가 연소실을 덮은 커버체의 상단에 사행 타입으로 구성되는 것으로 평균 온도의 측정 정확도가 향상되는 것이고, 이에 의해 정확한 촉매 연소의 제어가 가능하다.In addition, since the temperature sensor is configured in a meandering type on the top of the cover body covering the combustion chamber, the measurement accuracy of the average temperature is improved, whereby accurate catalytic combustion can be controlled.
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KR100691158B1 (en) | 2005-04-18 | 2007-03-09 | 삼성전기주식회사 | A micro fuel cell and its production method |
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