KR101209169B1 - 주름 패턴된 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

주름 패턴된 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주름 패턴된 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따라 전극을 제조하는 경우에, 그 표면적이 극대화되어 같은 조건에서 최종 전력 생산량이 극대화될 수 있는 효과가 있으며, 종래의 방법에 비하여 간단하고 낮은 비용으로 이를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 대량 생산 공정에도 적합한 효과를 지닌다.

Description

주름 패턴된 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조방법{Wrinkle-patterned electrode, fuel cell comprising the same and the preparation method thereof}
본 발명은 주름 패턴된 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 장치로서, 반응물은 대개 연료(예: 수소)와 산화제(예; 원자나 분자상태의 산소)이다. 연료전지의 반응은 전해질 내부나 부근에서 일어나고, (양극이나 음극의) 전극이 전해질에 연결되어 연료전지의 출력 전류를 모은다. 전해질은 이온을 운반하지만 전자는 운반하지 않는다.
특히, 고체산화물 연료전지는 전해질이 고체산화물인 연료전지를 말한다. 전해질은 전극 부근에 위치하여 연료전지의 반응을 촉진한다. 연료전지는 수년 동안 연구되면서 여러 가지 연료전지가 개발되었는데, 이들의 전해질 및 전극과 관련된 구조와 형상 면에서 큰 차이를 보인다.
그 중에서도 전극과 전해질이 맞닿아 있는 계면이 반응 부위로서, 이 계면이 증가하는 경우 최종적인 전력 생산량도 증가하게 되므로, 연료전지에서 연료의 전극 반응 면적을 극대화하는 것은 매우 중요한 기술적 이슈이다.
미국 특허공개 제2006-0008696호에서는 반도체 공정을 이용하여 전극의 표면적을 증가시키려는 시도를 하였다. 구체적으로, Si 웨이퍼 위에 Si3N4 기판으로 하여 나노 패터닝을 하고 그 위에 백금 촉매를 스퍼터링 기법으로 증착함으로써 전극을 구성하였다. 그러나 이러한 방법은 공정이 매우 복잡하고 비용도 많이 드는 문제가 있다.
본 발명에서는 이와 같은 문제를 극복하기 위하여, 고분자에 주름 패턴을 형성시키고 나서 이를 이용하여 전극의 표면적을 극대화할 수 있는 방법 및 이러한 전극 등에 관해 개시하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 기판에 고분자 층을 형성시키는 단계; (b) 상기 고분자 층이 형성된 기판을 가열하여 고분자에 주름 패턴을 형성시키는 단계; (d) 상기 주름 패턴된 고분자 위에 애노드 전극 물질을 증착시켜 애노드 층을 형성하는 단계; (e) 상기 애노드 전극 층 위에 전해질 층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 전해질 층 위에 캐쏘드 층을 형성시키는 단계를 포함하는 주름 패턴된 전극의 제조방법이 개시된다.
일 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계와 (d) 단계 사이에 (c) 상기 주름 패턴된 고분자를 기판으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 이와 같이 기판이 제거된 상태에서 이후 공정을 진행하는 경우 전극 층과 전해질 층 두께의 균일성이 크게 향상되는 효과를 보인다.
다른 구현예에 따르면, 상기 기판 및 상기 고분자는 서로 다른 열팽창 계수를 가지는 것이 바람직하다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 철, 알루미늄, 구리기판 중에서 선택되는 것이 바람직하고, 상기 고분자는 다공성 폴리머인 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리스티렌(PS)중에 선택되는 것이 바람직하다.
일 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계는 스핀 코팅에 의해 수행되고, 상기 (d) 단계는 스퍼터링에 의해 수행될 수 있으며, 상기 (b) 단계는 100 ℃ 이상으로, 바람직하게는 110-130 ℃에서, 1-3 시간 동안 가열함으로써 수행될 수 있고, 또는 UVO 챔버 내에서 10 분 내지 1 시간 동안, 바람직하게는 20-40 동안 노출시킴으로써 수행될 수도 있다.
위 범위를 벗어나는 경우에도 비록 주름이 생겨 본 발명의 목적은 달성될 수 있으나, 다만 그 경우 주름의 균일성이 확보되지 못하는 문제가 발생할 수 있어 위 범위 내에서 (가능하면 위 바람직한 범위 내에서) 공정을 수행할 필요가 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 주름 패턴된 전극이 개시된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 전극을 포함하는 연료전지가 개시되고, 이러한 연료전지의 예에는 고체 산화물 연료전지 또는 고분자 전해질막 연료전지이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 여러 구현예에 따라 전극을 제조하는 경우에, 그 표면적이 극대화되어 같은 조건에서 최종 전력 생산량이 극대화될 수 있는 효과가 있으며, 종래의 방법에 비하여 간단하고 낮은 비용으로 이를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 대량 생산 공정에도 적합한 효과를 지닌다.
도 1은 종래 스퍼터링을 통해 나노 패터닝을 만들어 주름 패턴을 형성시키는 기술에 대한 개략도이다(미국 특허공개 제2006-0008696호).
도 2는 종래 스퍼터링을 통해 주름 패턴이 형성된 전극의 개략도이다(미국 특허공개 제2006-0008696호).
도 3 및 도 4은 본 발명의 일 구현예에 따라 주름을 형성시키는 순서를 개략적으로 보여주는 공정 흐름도이다.
도 5는 실시예 1에 따라 주름을 형성시키고 나서 전자현미경으로 관찰한 고분자 표면의 주름 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예 1-2
Sylgard184 및 경화제를 10:1 비율로 혼합한 후 기포 제거를 위해서 상온에서 30 분간 혼합시켰다. 상기 혼합물을 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅한 후, 130 ℃에서 가열한 상태에서 2 시간 동안 건조시키거나(실시예 1), UVO 챔버 내에서 30 분간 노출시켰다(실시예 2). 특히 실시예 1에 따라 가열하여 건조한 후의 고분자 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과 주름진 패턴을 확인할 수 있었다(도 5)
주름진 패턴 위에 전극 증착은 스퍼터링을 통해서 수행하였다. 스퍼터 내부 챔버의 압력을 5 mTorr로 만든 후 아르곤 가스로 100 mTorr 이하로 채운 다음, 백금 또는 팔라듐을 위에서 마련된 주름진 패턴 위에 200-400 와트의 전기적인 에너지로 10 분간 증착시켰다.
전해질은 원자막 증착기를 이용하였다. ZrO2와 Y2O3 증착을 위해서 지르코늄 (Zr(NMe2)4)과 트리스(메틸시클로펜타디에닐)이트륨(Y(MeCp)3)을 전구체로 사용하였다. 지르코늄 전구체는 100 ℃, 이트륨 전구체는 190 ℃로 가열하였다. 첫번째로 촉매가 증착된 면 위에 기화된 전구체를 챔버로 보내고, 반응하고 남은 기체는 밖으로 제거시켰다. 그 다음 단계는 또 다른 전구체를 기화시켜서 증착시켰으며, 여기서는 지르코늄과 이트륨의 순서는 무방함을 확인하였다.
전해질이 증착된 면 위에 다시 스퍼터를 통해서 전극을 증착하게 되는데 50 mTorr 이상의 내부 압력에서 백금 또는 팔라듐 전극을 증착하였다.

Claims (9)

  1. 다음 단계를 포함하는 주름 패턴된 전극의 제조방법:
    (a) 기판에 고분자 층을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 고분자 층이 형성된 기판을 가열하여 고분자에 주름 패턴을 형성시키는 단계;
    (d) 상기 주름 패턴된 고분자 위에 애노드 전극 물질을 증착시켜 애노드 층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 애노드 전극 층 위에 전해질 층을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 전해질 층 위에 캐쏘드 층을 형성시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계와 (d) 단계 사이에 (c) 상기 주름 패턴된 고분자를 기판으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주름 패턴된 전극의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판 및 상기 고분자는 서로 다른 열팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 주름 패턴된 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 철, 알루미늄, 구리기판 중에서 선택되고, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리스티렌 중에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 주름 패턴된 전극의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 (a) 단계는 스핀 코팅에 의해 수행되고, 상기 (d) 단계는 스퍼터링에 의해 수행되는 것임을 특징으로 하는 주름 패턴된 전극의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 110-130 ℃에서 가열하는 것을 특징으로 하는 주름 패턴된 전극의 제조방법.
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