KR101248271B1 - 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

유체의 이동시 발생하는 스트리밍 포텐셜에 의해 전력 생산이 가능한 마이크로-나노 채널 기반의 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 변환 소자는, 유리 기판, 상기 유리 기판 상에 형성되는 나노 채널 및 상기 유리 기판 상에 접합되는 PDMS의 접합면 측에 형성되어 상기 나노 채널로의 유체 유입/유출 경로를 제공하는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널을 통해 유입된 유체가 상기 나노 채널을 통과하면서 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법{ENERGY CONVERSION DEVICE USING MICRO-NANO CHANNEL AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 마이크로 채널과 나노 채널을 통해 유체의 스트리밍 포텐셜(streaming potential)을 발생시키는 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 마이크로 및 나노 가공 기술의 발전으로 인해 지속가능한 소형 자가발전(small portable sustainable), 예를 들어, 마이크로 반응기(microreactor), 마이크로 가스 터빈(micro gas turbine), 마이크로 배터리(micro battery), 멤스 압전소자(MEMS piezoelectric) 및 스트리밍 포텐셜에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이 중 스트리밍 포텐셜을 이용한 기술은 유체(fluid)가 마이크로 혹은 나노 채널을 이동하는 동안에 발생하는 전하 차이를 이용하는 발전 개념으로서, 유체의 압력 차이만 있으면 전력을 생산할 수 있기 때문에 이를 이용한 모바일 기기 또는 바이오 소자 등의 에너지원에 대한 관심 및 연구가 크게 증가하고 있다.
그러나, 스트리밍 포텐셜을 이용한 에너지원에 대한 기존의 연구는, 마이크로 사이즈의 포어(pore)가 있는 상용화된 글래스(glass)를 사용하거나, 실리콘 기판을 사용하여 반도체/MEMS 공정 등을 통해 직접 나노패턴을 제작한 후 실험실 수준에서 이론적인 에너지 발생 효율 및 서로 다른 유체 내에서의 효율 등을 구하는 수준에 머물러 있는 실정이다. 이러한 기존의 제작 방식으로는 재연성이 떨어지고, 고가의 장비를 필요로 하며, 특히 나노 채널의 사이즈를 줄이는 데에 한계가 있어 유체의 이온 농도가 높을 경우 에너지원으로서의 활용이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 유리 기판 상에 표면 패터닝(surface patterning) 기법으로 선택적 이온 투과막을 형성하고 나노 채널을 구현함으로써, 유체의 이동시 발생하는 스트리밍 포텐셜에 의해 전력 생산이 가능한 마이크로-나노 채널 기반의 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 나노 채널이 형성된 기판과 마이크로 채널이 형성된 PDMS의 간단한 접합을 통해 단일칩 형태로 구현되어 상용화 및 대량생산이 가능한 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자는, 유리 기판, 상기 유리 기판 상에 형성되는 나노 채널 및 상기 유리 기판 상에 접합되는 PDMS의 접합면 측에 형성되어 상기 나노 채널로의 유체 유입/유출 경로를 제공하는 마이크로 채널을 포함하고, 상기 마이크로 채널을 통해 유입된 유체가 상기 나노 채널을 통과하면서 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 채널은 상기 유리 기판 상에 선택적 이온 투과막을 표면 패터닝하여 형성될 수 있으며, 상기 선택적 이온 투과막으로는 내피온(Nafion) 소재의 폴리머가 사용될 수 있다.
상기 마이크로 채널이 형성된 PDMS와 상기 나노 채널이 형성된 유리 기판은 플라스마 본딩(plasma bonding) 방법을 통해 결합되어 하나의 단일 칩을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자는 상기 스트리밍 포텐셜에 의해 발생된 전기 에너지를 획득하기 위해 상기 나노 채널에 연결되는 전극을 더 포함할 수 있으며, 상기 전극은 박막, 후막 또는 와이어 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법은, 유리 기판 상에 선택적 이온 투과막을 표면 패터닝하여 나노 채널을 형성하는 단계, PDMS의 일 면에 상기 나노 채널로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하기 위한 마이크로 채널을 형성하는 단계 및 상기 마이크로 채널이 형성된 면을 접합면으로 하여 상기 나노 채널이 형성된 유리 기판 상에 상기 PDMS를 접합하는 단계를 포함한다.
상기 나노 채널의 형성 단계는, 마이크로-플로잉(micro-flowing) 기술을 이용하여 용액 상태의 선택적 이온 투과 용액을 상기 유리 기판 상에 패터닝하거나, 임프린팅(imprinting) 또는 마이크로-스탬핑(micro-stamping) 기술을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 채널의 형성 단계는, 실리콘 주형(master)을 이용하여 레플리카(replica) 공정을 통해 상기 PDMS의 일면에 상기 마이크로 채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 유리 기판 상에 선택적 이온 투과막을 구성하는 내피온(Nafion)과 같은 소재의 표면 패터닝을 통해 나노 채널을 형성함으로써, 유체의 이동시 높은 효율로 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 지속 가능한 에너지원을 구현할 수 있다.
또한, PDMS에 마이크로 채널을 형성하고 이를 나노 채널이 형성된 유리 기판에 접합하는 방식으로 단일칩 형태의 에너지 변환 소자를 구현함으로써, 자가 발전 소자로서의 상용화 및 대량 생산이 가능하다.
또한, 본 발명에 의한 마이크로-나노 유체 네트워크 집적 기술과 멀티플렉싱 기술은 높은 파워 및 고효율의 에너지원으로 활용이 가능하여, 각종 모바일 기기, 수중 센서, 바이오 센서, 임플란트 소자 및 제약회사에서의 신약 발굴을 위한 대용량 스크리닝(HTS) 등의 다양한 분야에서 폭넓게 응용될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 구성 및 소자 내에서의 유체의 이동 형태를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자 내의 채널 네트워크의 등가회로 및 외부 저항을 이용한 임피던스 매칭 회로를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4a 내지 도 4c는 도 3a의 나노 채널의 형성 과정을 보다 상세히 나타낸 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 구성 및 소자 내에서의 유체의 이동 형태를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 1a는 사시도, 도 1b는 평면도, 도 1c는 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자(100)는, 유리 기판(101), 유리 기판(101) 상에 형성되는 나노 채널(103) 및 유리 기판(101) 상에 접합되는 PDMS(105)의 접합면 측에 형성되어 나노 채널(103)로의 유체 유입/유출 경로를 제공하는 마이크로 채널(107)을 포함한다.
나노 채널(103)은 선택적 이온 투과막(ion-selective(permselective) membrane)을 유리 기판(101) 위에 표면 패터닝(surface patterning)하여 형성될 수 있으며, 이러한 선택적 이온 투과막으로는 내피온(Nafion) 소재의 폴리머가 사용될 수 있다. 내피온은 그 내부에 구조적으로 수많은 나노포어(nanopore)들을 포함하고 있으며, 고유의 음이온기(sulfonate group)를 포함하고 있어 이온 투과막으로 사용하기에 적합하다. 또한, 종래의 실리콘 채널을 사용하는 경우보다 포함한 나노포어의 사이즈가 매우 작기 때문에, 이온 농도가 높은 바닷물 등을 유체로 사용하는 것도 가능해진다.
마이크로 채널(107)이 형성된 PDMS(105)와 나노 채널(103)이 형성된 유리 기판(101)은 플라스마 본딩(plasma bonding) 방법에 의해 용이하게 접합되어 하나의 단일 칩을 형성할 수 있다. 이를 통해 마이크로-나노-마이크로 채널의 네트워크가 구축되어 유체(fluid)의 이동 경로(도 1b 및 1c의 ① → ② → ③)가 형성된다.
이 때, 유체의 이동에 의해 발생된 스트리밍 포텐셜, 즉, 전기 에너지를 획득하기 위한 전극(도면에 미도시)이 나노 채널(103)에 연결될 수 있다. 이러한 전극으로는 Au, Ag/AgCl, Pt 등이 사용될 수 있으며, 나노 채널(103)의 양 단에 각각 놓여 스트리밍 전류 또는 전압을 획득할 수 있다. 전극은 박막(thin film), 스크린 프린팅법에 의한 후막(thick film) 또는 와이어(wire) 형태를 가질 수 있다.
마이크로 채널(107)을 통해 유입된 유체에 압력이 가해지면 유체가 나노 채널(103)을 통과하면서 나노 채널(103)의 양 벽면에 스트리밍 포텐셜을 발생시키며, 그 내부회로 또한 간단하게 구현이 가능하므로, 유체와 압력이 존재하는 곳이라면 어느 곳에서든지 에너지원으로 활용이 가능하게 된다. 예를 들어, 수도관, 정수기, 인체 내의 혈관, 강이나 바다 등의 다양한 환경에서 각종 기기들의 에너지원으로 활용이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 변환 소자 내의 채널 네트워크의 등가회로 및 외부 저항을 이용한 임피던스 매칭 회로를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1a 내지 도 1c의 마이크로 채널(107)은 저항(Rm)에 대응되고, 나노 채널(103)은 저항(Rn)에 대응된다. 소자(100) 외부에는 임피던스 매칭(impedance matching)을 통해 스트리밍 포텐셜에 의한 전력 획득 효율을 극대화하기 위한 저항(Rext)이 연결될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 내지 도 4c는 나노 채널의 형성 과정을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
먼저, 유리 기판(101) 상에 선택적 이온 투과막을 표면 패터닝하여 나노 채널(103)을 형성한다(도 3a). 선택적 이온 투과막으로는 내피온 소재의 폴리머가 사용될 수 있다.
나노 채널(103)의 형성 과정은 마이크로-플로잉(micro-flowing) 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 유리 기판(101) 상에 나노 채널(103) 형성을 위한 폴리머 층(401)을 두어 액체 상태의 내피온(403)을 주입하고(도 4a), 부압(negative pressure)을 이용하여 나노 채널(103) 형성 부분 이외에 남아있는 내피온(403)을 제거한 후(도 4b), 폴리머 층(401)을 제거하여 유리 기판(101) 상에 100nm 이하의 폭을 가지는 나노 채널(103)을 형성할 수 있다.
또는, 일반적인 임프린팅(imprinting), 마이크로-스탬핑(micro-stamping) 등의 기술을 이용하여 나노 채널(103)을 형성할 수도 있다.
마이크로 채널(105)은 PDMS(107)의 일 면에 형성되며(도 3b), 마이크로 채널(105)을 만들기 위한 주형(master)을 제작하고, 여기에 액체 상태의 PDMS를 부은 후 응고시키는 방식을 사용할 수 있다. 이를 통해, 동일한 형태의 마이크로 채널(105)을 포함하는 PDMS(107)의 대량 생산이 가능하다. 주형은 실리콘에 SU8 등의 포토레지스트를 이용하거나, Deep-RIE 등의 에칭(etching) 공정을 이용하여 제작할 수 있다.
이어서, 마이크로 채널(107)이 형성된 면을 접합면으로 하여 나노 채널(103)이 형성된 유리 기판(101) 상에 PDMS(105)를 접합하여(도 3c) 단일 칩 형태의 에너지 변환 소자를 완성한다(도 3d). 유리 기판(101)과 PDMS(105)의 접합에는 플라스마 본딩 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
101 : 유리 기판 103 : 나노 채널
105 : PDMS 107 : 마이크로 채널

Claims (11)

  1. 유리 기판;
    상기 유리 기판 상에 형성되는 나노 채널; 및
    상기 유리 기판 상에 접합되는 PDMS의 접합면 측에 형성되어 상기 나노 채널로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하는 마이크로 채널; 을 포함하고,
    상기 마이크로 채널을 통해 유입된 유체가 상기 나노 채널을 통과하면서 스트리밍 포텐셜을 발생시키는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 채널은 상기 유리 기판 상에 선택적 이온 투과막을 표면 패터닝하여 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과막은 내피온(Nafion)으로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 채널이 형성된 PDMS와 상기 나노 채널이 형성된 유리 기판은 플라스마 본딩(plasma bonding) 방법을 통해 결합되어 하나의 단일 칩을 형성하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발생된 스트리밍 포텐셜을 전기 에너지로 획득하기 위해 상기 나노 채널에 연결되는 전극
    을 더 포함하는 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극은 박막, 후막 또는 와이어 형태를 가지는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자.
  7. 유리 기판 상에 선택적 이온 투과막을 표면 패터닝하여 나노 채널을 형성하는 단계;
    PDMS의 일 면에 상기 나노 채널로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하기 위한 마이크로 채널을 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 채널이 형성된 면을 접합면으로 하여 상기 나노 채널이 형성된 유리 기판 상에 상기 PDMS를 접합하는 단계;
    를 포함하는 마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과막은 내피온(Nafion)으로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 나노 채널의 형성 단계는
    마이크로-플로잉(micro-flowing) 기술을 이용하여 용액 상태의 선택적 이온 투과 용액을 상기 유리 기판 상에 패터닝하거나, 임프린팅(imprinting) 또는 마이크로-스탬핑(micro-stamping) 기술을 이용하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 형성 단계는
    실리콘 주형(master)을 이용하여 레플리카(replica) 공정을 통해 상기 PDMS의 일면에 상기 마이크로 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 유리 기판 상에 상기 PDMS를 접합하는 단계는
    플라스마 본딩(plasma bonding) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 에너지 변환 소자의 제조 방법.
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