KR101314420B1 - 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 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 3차원 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자는, 유체를 투과시켜 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 선택적 이온 투과층 및 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 상기 유체의 유입/유출 경로를 제공하는 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제 1 및 제 2 PDMS층을 포함한다.

Description

마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL 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 3차원 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, 나노 채널 기능을 수행하는 선택적 이온 투과층(Permselective membrane)을 중심으로 그 상, 하부에 다수의 마이크로 채널이 형성된 PDMS층을 접합시킴으로써, 유체의 이동시 발생하는 스트리밍 포텐셜에 의해 전력 생산이 가능한 마이크로-나노 채널 기반의 3차원 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 선택적 이온 투과층과 PDMS층의 간단한 접합을 통해 단일칩 형태로 구현되어 상용화 및 대량생산이 가능한 3차원 에너지 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자는, 유체를 투과시켜 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 선택적 이온 투과층 및 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 상기 유체의 유입/유출 경로를 제공하는 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제 1 및 제 2 PDMS층을 포함한다. 또한, 상기 발생된 스트리밍 포텐셜을 전기 에너지로 획득하기 위해 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부면에 각각 형성되는 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 PDMS층에는 다수의 마이크로 채널이 상기 선택적 이온 투과층과 접하는 PDMS의 일 면에 동일한 방향으로 형성되고, 상기 제 2 PDMS층에는 상기 제 1 PDMS층과 동일한 형태의 다수의 마이크로 채널이 상기 선택적 이온 투과층과 접하는 PDMS의 일 면에 상기 제 1 PDMS층의 채널 방향과 90도 틀어진 각도로 형성될 수 있다.
상기 선택적 이온 투과층은 내피온(Nafion), 다공성 글래스 및 탄소나노튜브(CNT) 중 적어도 하나로 형성되거나, 상기 다공성 글래스에 상기 내피온을 침투(infiltration)시키거나 상기 탄소나노튜브에 상기 내피온을 침투시킨 복합체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법은, 내피온(Nafion), 다공성 글래스 및 탄소나노튜브(CNT) 중 적어도 하나로 선택적 이온 투과층을 형성하는 단계, PDMS의 일 면에 상기 선택적 이온 투과층으로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하기 위한 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제 1 및 제 2 PDMS층을 형성하는 단계 및 상기 마이크로 채널이 형성된 면을 접합면으로 하여 상기 제 1 및 제 2 PDMS층을 각각 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 접합하는 단계를 포함한다.
상기 선택적 이온 투과층의 형성 단계는 상기 내피온, 다공성 글래스 또는 탄소나노튜브를 단일 소재로 사용하거나, 상기 다공성 글래스에 상기 내피온을 침투(infiltration)시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브에 상기 내피온을 침투시켜 상기 선택적 이온 투과층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 PDMS층의 형성 단계는 실리콘 주형(master)을 이용하여 PDMS의 일 면에 동일한 방향으로 다수의 마이크로 채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 내피온(Nafion), 다공성 글래스, 탄소나노튜브(CNT) 또는 그 결합 소재를 이용하여 선택적 이온 투과층을 형성함으로써, 유체의 이동시 높은 효율로 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 지속 가능한 에너지원을 구현할 수 있다.
또한, 시트 형태의 선택적 이온 투과층을 형성하고 그 상, 하부에 다수의 마이크로 채널을 포함하는 PDMS층을 접합하는 방식으로 단일칩 형태의 3차원 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 구성 및 소자 내에서의 유체의 이동 형태를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 각 구성을 보다 상세히 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 다공성 글래스에 내피온을 침투시키는 공정 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 탄소나노튜브를 성장시켜 선택적 이온 투과층으로 활용하는 공정 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 의한 3차원 에너지 변환 소자의 응용 예로서, 원기둥 형태의 유체관 사이에 선택적 이온 투과층을 삽입하는 방법을 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 구성 및 소자 내에서의 유체의 이동 형태를 나타낸 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 각 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 1, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 에너지 변환 소자(100)는, 유체를 투과시켜 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 선택적 이온 투과층(120) 및 선택적 이온 투과층(120)의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 유체의 유입/유출 경로를 제공하는 적어도 하나의 마이크로 채널(111, 131)을 포함하는 제 1 PDMS층(110) 및 제 2 PDMS층(130)을 포함한다.
제 1 PDMS층(110)에는 다수의 마이크로 채널(111)이 선택적 이온 투과층(120)과 접하는 PDMS의 일 면에 동일한 방향으로 형성된다. 제 2 PDMS층(130)에는 제 1 PDMS층(110)과 동일한 형태의 다수의 마이크로 채널(131)이 선택적 이온 투과층(120)과 접하는 PDMS의 일 면에 제 1 PDMS층(110)의 채널 방향과 90도 틀어진 각도로 형성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 제 1, 2 PDMS층(110, 130)에는 각각 32개의 마이크로 채널(111, 131)이 동일한 형태로 형성되어 있으며, 제 1 PDMS층(110)으로 유입된 유체가 32개의 분지로 이루어진 마이크로 채널(111)을 따라 분배된 후 선택적 이온 투과층(120)을 통과하여 다시 제 2 PDMS층(130)의 32개 마이크로 채널(131)을 통해 유출될 수 있다(또는, 반대 방향으로의 유체 흐름도 가능하다).
즉, 시트 형태의 선택적 이온 투과층(120)의 상, 하부에 유체가 지나갈 수 있도록 하는 플루이딕(fluidic) 채널이 형성되며, 상, 하부 사이에 압력차가 발생할 경우 선택적 이온 투과층(120)을 통해 유체가 흐르면서 스트리밍 포텐셜이 발생하게 된다. 이 때, 제 1, 2 PDMS층(110, 130)에 다수의(32개) 마이크로 채널 어레이(array)를 형성하여 소자를 집적화하고, 제 1 PDMS층(110)의 채널 방향과 제 2 PDMS층(130)의 채널 방향이 서로 90도가 되도록 하여 총 32 * 32 = 1024개의 나노 투과막 접점(junction)을 가지도록 소자를 구성함으로써, 다수의 단일 에너지원을 집적화하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
선택적 이온 투과층(120)은 내피온, 다공성 글래스 및 탄소나노튜브 중 하나의 단일 소재로 형성되거나, 다공성 글래스에 내피온을 침투(infiltration)시키거나 탄소나노튜브에 내피온을 침투시킨 복합체로 형성될 수 있다. 여기에서, 내피온은 그 내부에 구조적으로 수많은 나노포어(nanopore)(121)들을 포함하고 있으며, 고유의 음이온기(sulfonate group)를 포함하고 있어 이온 투과막으로 사용하기에 적합하다. 또한, 종래의 실리콘 채널을 사용하는 경우보다 포함한 나노포어(121)의 사이즈가 매우 작기 때문에, 이온 농도가 높은 바닷물 등을 유체로 사용하는 것도 가능해진다.
한편, 선택적 이온 투과층(120)에서의 유체의 이동에 의해 발생된 스트리밍 포텐셜, 즉, 전기 에너지를 획득하기 위한 전극(도면에 미도시)이 선택적 이온 투과층(120)의 상, 하부면에 각각 형성될 수 있다. 이러한 전극으로는 Au, Ag/AgCl, Pt 등이 사용될 수 있으며, 스퍼터링(sputtering), 전자빔 기상증착(e-beam evaporator), 전기도금(electroplating) 등의 기법을 사용하여 얇게 증착함으로써 표면적을 크게 할 수 있다. 이를 통해 스트리밍 전류와 전압을 높이는 구조를 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4 및 도 5는 서로 다른 소재로 선택적 이온 투과층을 형성하는 과정을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
먼저, 내피온, 다공성 글래스 및 탄소나노튜브 중 하나의 단일 소재를 사용하거나, 또는 다공성 글래스에 내피온을 침투시키거나 탄소나노튜브에 내피온을 침투시킨 복합체를 사용하여 선택적 이온 투과층(120)을 형성한다(도 3a). 선택적 이온 투과층(120)은 10nm ~ 2mm 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 스핀코팅법, 마이크로플로우 패터닝법, 에칭법 등에 의해 제작될 수 있다.
도 4는 다공성 글래스에 내피온을 침투시키는 공정 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 상용화된 글래프 필터(glass filter)와 같은 다공성 글래스(401)를 PDMS(405)를 이용하여 고정시키고, 다공성 글래스(401) 상에 내피온(403)을 입힌 후 진공 챔버(410)에 넣어 일정 시간 진공 상태로 만들어주어, 다공성 글래스(401)로 내피온(403)이 침투하도록 한다다. 이후, 히터(420)를 이용하여 특정 온도(예를 들어, 95℃)에서 열처리(Curing)함으로써 나노포어의 크기가 매우 작은 선택적 이온 투과층(120)을 형성할 수 있다.
도 5는 탄소나노튜브를 성장시켜 선택적 이온 투과층으로 활용하는 공정 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 탄소나노튜브의 성장을 위한 금속(전극 물질)이 형성된 실리콘(501)을 이용하여 탄소나노튜브(503)를 성장시킨 후 PDMS(505) 내에 삽입함으로써 선택적 이온 투과층(120)을 형성할 수 있다. 또한, 이렇게 형성된 탄소나노튜브 채널(500)에 내피온을 침투시켜 사용할 수도 있다. 내피온 침투 공정은 위의 도 4와 동일하게 수행될 수 있다.
이어서, 선택적 이온 투과층(120)으로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하기 위한 다수의 마이크로 채널(111, 131)을 포함하는 제 1, 2 PDMS층(110, 130)을 형성한다(도 3b). 이 때, 마이크로 채널(111, 131)을 만들기 위한 주형(master)(301)을 미리 제작해 놓고, 여기에 액체 상태의 PDMS를 부은 후 응고시키는 방식으로 PDMS의 한 쪽 면에 마이크로 채널(111, 131)이 형성된 동일한 형태의 두 PDMS층(110, 130)을 제조할 수 있으며, 대량 생산도 가능하다. 주형(301)은 실리콘에 SU8 등의 포토레지스트를 이용하거나, Deep-RIE 등의 에칭(etching) 공정을 이용하여 제작할 수 있다.
이어서, 마이크로 채널(111, 131)이 형성된 면을 접합면으로 하여 제 1, 2 PDMS층(110, 130)을 각각 선택적 이온 투과층(120)의 상, 하부에 접합하여(도 3c), 단일 칩 형태의 에너지 변환 소자를 완성한다(도 3d). 이 때, 나노 접점(junction)의 개수를 늘려 높은 집적 효과를 얻기 위해 제 1 PDMS층(110)에 형성된 마이크로 채널(111)의 방향과 제 2 PDMS층(130)에 형성된 마이크로 채널(131)의 방향은 90도 틀어진 형태가 되도록 접합하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1, 2 PDMS층(110, 130)과 선택적 이온 투과층(120)의 접합에는 플라스마 본딩(plasma bonding) 방법이 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 3차원 에너지 변환 소자의 응용 예로서, 원기둥 형태의 유체관 사이에 선택적 이온 투과층을 삽입하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 선택적 이온 투과층을 파이프라인 등의 압력차가 유도되는 곳에 삽입함으로써 전기 에너지를 발생시키는 자가 발전 소자의 구현이 가능하다. 선택적 이온 투과층의 상, 하부에 형성되는 PDMS층의 경우 일반적인 원기둥 형태의 관으로 형성이 가능하며, 선택적 이온 투과층을 고정하는 원기둥은 투과층과 원기둥 사이의 유체 누출을 방지하기 위해 오링(O-ring)을 사용할 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.
100 : 3차원 에너지 변환 소자 110 : 제 1 PDMS층
120 : 선택적 이온 투과층 130 : 제 2 PDMS층
111, 131 : 마이크로 채널 121 : 나노포어
401 : 다공성 글래스 403 : 내피온
410 : 진공 챔버 420 : 히터
501 : 실리콘 503 : 탄소나노튜브
405, 505 : PDMS

Claims (11)

  1. 유체를 투과시켜 스트리밍 포텐셜을 발생시키는 선택적 이온 투과층; 및
    상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 각각 형성되며, 상기 유체의 유입/유출 경로를 제공하는 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제 1 및 제 2 PDMS층
    을 포함하는 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 PDMS층에는 다수의 마이크로 채널이 상기 선택적 이온 투과층과 접하는 PDMS의 일 면에 동일한 방향으로 형성되고,
    상기 제 2 PDMS층에는 상기 제 1 PDMS층과 동일한 형태의 다수의 마이크로 채널이 상기 선택적 이온 투과층과 접하는 PDMS의 일 면에 상기 제 1 PDMS층의 채널 방향과 90도 틀어진 각도로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과층은 내피온(Nafion), 다공성 글래스 및 탄소나노튜브(CNT) 중 적어도 하나로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과층은 상기 다공성 글래스에 상기 내피온을 침투(infiltration)시키거나, 상기 탄소나노튜브에 상기 내피온을 침투시킨 복합체로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PDMS층은 원기둥 형태의 관으로 형성되는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발생된 스트리밍 포텐셜을 전기 에너지로 획득하기 위해 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부면에 각각 형성되는 전극
    을 더 포함하는 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자.
  7. 내피온(Nafion), 다공성 글래스 및 탄소나노튜브(CNT) 중 적어도 하나로 선택적 이온 투과층을 형성하는 단계;
    PDMS의 일 면에 상기 선택적 이온 투과층으로의 유체의 유입/유출 경로를 제공하기 위한 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제 1 및 제 2 PDMS층을 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 채널이 형성된 면을 접합면으로 하여 상기 제 1 및 제 2 PDMS층을 각각 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 접합하는 단계
    를 포함하는 마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과층의 형성 단계는
    상기 내피온, 다공성 글래스 또는 탄소나노튜브를 단일 소재로 사용하거나, 상기 다공성 글래스에 상기 내피온을 침투(infiltration)시키거나, 또는 상기 탄소나노튜브에 상기 내피온을 침투시켜 상기 선택적 이온 투과층을 형성하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PDMS층의 형성 단계는
    실리콘 주형(master)을 이용하여 PDMS의 일 면에 동일한 방향으로 다수의 마이크로 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PDMS층의 접합 단계는
    상기 제 1 PDMS층에 형성된 마이크로 채널과 상기 제 2 PDMS층에 형성된 마이크로 채널의 방향이 90도 틀어진 형태가 되도록 상기 제 1 및 제 2 PDMS층을 상기 선택적 이온 투과층에 접합하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PDMS층의 접합 단계는
    플라스마 본딩(plasma bonding) 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는
    마이크로-나노 채널을 이용한 3차원 에너지 변환 소자의 제조 방법.
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