KR101492938B1 - Solid Oxide Fuel Cell comprising multilayer electrode and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 반도체 또는 디스플레이의 제조 공정에 적용하게 되면 미세한 구조로 반도체 또는 디스플레이에 적용하는 것이 가능하다. 또한 이러한 미세한 구조에도 불구하고 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 효율이 우수하다. 또한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지의 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다. 또한 다층 박막 부분을 Lift off 공정으로 Si 또는 유리기판에서 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착하는 것이 가능하여 저가의 플렉시블 연료전지의 구현이 가능하다. When the solid oxide fuel cell according to the present invention is applied to a semiconductor or a manufacturing process of a display, it can be applied to a semiconductor or a display with a fine structure. In spite of this fine structure, the efficiency of the solid oxide fuel cell is excellent. In addition, since the multilayer thin film structure increases the ion conductivity, the internal resistance of the battery is reduced, thereby increasing the output of the solid oxide fuel cell. In addition, there is an effect of facilitating the large-scale mounting by preventing electrical short-circuiting due to defects during the large-area mounting. In addition, the multilayer thin film portion can be peeled off from the Si or glass substrate by a lift-off process and adhered to another flexible material, thereby realizing a low-cost flexible fuel cell.

Description

다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법{Solid Oxide Fuel Cell comprising multilayer electrode and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a multilayer thin film electrode and a manufacturing method thereof,

본 발명은 다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a multilayer thin film electrode and a method of manufacturing the same.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로 친환경적인 에너지이다. 특징은 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 계의 바깥으로 제거된다는 점이다. Fuel cells are environmentally friendly energy cells that convert the chemical energy generated by the oxidation of fuel directly into electrical energy. The feature is that the reactants are continuously supplied from the outside and the reaction products are continuously removed out of the system.

이러한 연료전지로서 가장 전형적인 것이 수소-산소 연료전지이며, 그 외에도 고온형의 용융탄산염 연료전지, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지 등이 있다.The most typical fuel cell is a hydrogen-oxygen fuel cell, a high temperature type molten carbonate fuel cell, and a solid electrolyte fuel cell that generates electricity with higher efficiency.

특히 산화지르코늄이나 세리아 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 일반적으로 700-1,000 ℃의 고온에서 작동하고, 전해질 내에서 산화 이온이 전도하기 때문에, 원리적으로 수소뿐 만 아니라 메탄이나 부탄 등의 탄화수소, 메탄올과 같은 액체연료로도 공기 중의 산소와 전기 화학 반응하여 발전이 가능하다. 각종 연료전지 중에서 가장 발전 효율이 높고, 고온 폐열의 유효 이용에 의해서 시스템 전체의 에너지 변환 효율을 한층 더 높일 수 있다. In particular, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide such as zirconium oxide or ceria as an electrolyte generally operates at a high temperature of 700 to 1,000 DEG C and oxidized ions are conducted in the electrolyte, Hydrogen, as well as hydrocarbons such as methane and butane, and liquid fuels such as methanol, can generate electricity by electrochemically reacting with oxygen in the air. Among the various fuel cells, the power generation efficiency is the highest, and the energy conversion efficiency of the entire system can be further increased by effective utilization of the high-temperature waste heat.

한편 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에도 이러한 고체산화물 연료전지가 도입될 수 있지만, 크기가 작은 반도체 또는 디스플레이의 특성상 정교한 공정에 의하여 미세 크기의 구조를 가져야 효율적으로 도입할 수 있다는 문제점이 있다. 특히 연료전지 전극의 경우 애노드와 캐소드 사이에 분리판이 존재하게 되는데, 이러한 분리판의 존재는 고체산화물 연료전지의 미세 구조를 제한하여 고체산화물 연료전지를 반도체 또는 디스플레이에 적용시키기 어렵다는 문제점이 있다. 또한 이러한 문제는 애노드, 캐소드 및 분리판으로 이루어지는 셀의 미세 구조를 제한하는 문제를 동시에 야기한다. 또한 이는 효율을 높이기 위해 복수개의 셀로 스택을 형성하기는 더욱 어렵다는 문제점을 야기한다. On the other hand, such a solid oxide fuel cell can be introduced into a semiconductor or a display production process. However, the solid oxide fuel cell can be introduced efficiently because it has a fine-sized structure due to a sophisticated process due to the characteristics of a small-sized semiconductor or display. Particularly, in the case of a fuel cell electrode, there is a separation plate between the anode and the cathode. The presence of such a separation plate limits the microstructure of the solid oxide fuel cell, making it difficult to apply the solid oxide fuel cell to a semiconductor or a display. This problem also causes a problem of limiting the microstructure of the cell composed of the anode, the cathode and the separator. This also causes a problem that it is more difficult to form a stack with a plurality of cells in order to increase the efficiency.

이러한 문제점을 개선하기 위한 선행기술문헌으로 연료전지를 포함하는 패키지, 그 제조방법 및 패키지를 포함하는 카드 및 시스템에 관한 대한민국 공개특허 제10-2009-0119187호(특허문헌 1)가 개시되어 있다. 구체적으로는 고집적화가 가능한 패키지에 적어도 하나의 반도체 칩과, 상기 적어도 하나의 반도체 칩 상에 배치되고 상기 적어도 하나의 반도체 칩과 전기적으로 연결된 적어도 하나의 연료전지를 포함하는 것에 관해 개시되어 있다. 하지만 상기 특허문헌 1에서도 고체산화물 연료전지의 전극을 미세 구조로 하여 반도체 공정에 적용하는 기술은 개시되어 있지 않다는 문제점이 있다.
As a prior art document for improving such a problem, Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-0119187 (Patent Document 1) for a package including a fuel cell, a manufacturing method thereof, and a card and a system including a package is disclosed. Specifically, at least one semiconductor chip in a package capable of high integration, and at least one fuel cell disposed on the at least one semiconductor chip and electrically connected to the at least one semiconductor chip. However, the above Patent Document 1 also has a problem that the technique of applying the electrode of the solid oxide fuel cell to the semiconductor process with a microstructure is not disclosed.

특허문헌 1. 대한민국 공개특허 제10-2009-0119187호Patent Document 1. Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-0119187

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하여도 전압/출력이 우수한 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다. 특히 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하여도 미세한 구조로 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이 가능하며, 효율 또한 우수한 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell having excellent voltage / output even when applied to a semiconductor or a display manufacturing process. In particular, it is possible to provide a solid oxide fuel cell with a fine structure even when applied to a semiconductor or a display manufacturing process, and to provide a solid oxide fuel cell having excellent efficiency and a manufacturing method thereof.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 고체산화물 연료전지는 According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising:

상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 하단에 위치하며; A silicon wafer or a glass substrate coated with a thin film of SiO or SiN on its upper surface is located at the bottom;

상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층이 위치하고; A support layer is disposed on the SiO or SiN thin film;

상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치하며; A metal catalyst layer is adhered and disposed on the other surface of the support layer in contact with the SiO 2 or SiN thin film;

상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 이루어진다.
A multilayer thin film type electrode is attached to the other surface of the metal catalyst layer in contact with the support layer.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은 A method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to another aspect of the present invention includes:

1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하여 코팅하는 단계;1) depositing and coating a thin film of SiO or SiN on a silicon wafer or a glass substrate;

2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;2) forming a support layer on the deposited SiO or SiN thin film;

3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;3) depositing a metal catalyst layer on the other surface of the surface of the support layer where the SiO 2 or SiN thin film is in contact with the support layer;

4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및 4) attaching the multilayer thin film type electrode to the other surface of the one surface of the metal catalyst layer in contact with the support layer; And

5) 상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판(1)과 캐소드(6)를 제외한 나머지 층(2-5)의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;5) coating insulating portions on both sides of the silicon wafer or the remaining layer (2-5) except for the glass substrate (1) and the cathode (6);

를 포함한다.
.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 반도체의 제조 공정에 적용하게 되면 미세한 구조로 반도체 또는 디스플레이에 적용하는 것이 가능하다. 또한 이러한 미세한 구조에도 불구하고 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 효율이 우수하다. 또한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다. 또한 다층 박막 부분을 Lift off 공정으로 Si에서 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착하는 것이 가능하여 저가의 플렉시블 연료전지의 구현이 가능하다.
When the solid oxide fuel cell according to the present invention is applied to a semiconductor manufacturing process, it can be applied to a semiconductor or a display with a fine structure. In spite of this fine structure, the efficiency of the solid oxide fuel cell is excellent. Also, since the multilayer thin film structure increases the ion conductivity and reduces the internal resistance of the battery, the output of the solid oxide fuel cell is increased. In addition, there is an effect of facilitating the large-scale mounting by preventing electrical short-circuiting due to defects during the large-area mounting. In addition, the multilayer thin film portion can be peeled off from Si by a lift-off process and adhered to another flexible material, thereby realizing a low-cost flexible fuel cell.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고체산화물 연료전지의 구조를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다층 박막형 전극의 구조를 나타낸 그림이다.
도 3은 1-D Periodic Potential 내에서 움직이는 입자가 갖는 에너지 밴드를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 위에 형성된 다층 박막형 전극의 구조를 나타내며, 유로가 형성된 지지층 위에 증착된 금속촉매층을 나타내는 그림이다.
도 5는 반도체 공정에 사용되는 Spacer 공정을 나타내는 그림이다.
도 6은 스택 증착 전 지지층 및 금속 촉매층 형성 공정을 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예의 제조공정을 순차적으로 나타낸 그림이다.
1 is a view showing the structure of a solid oxide fuel cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the structure of a multilayer thin film electrode manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the energy bands of particles moving within the 1-D Periodic Potential. FIG.
4 is a view showing a structure of a multilayer thin film electrode formed on a silicon wafer or a glass substrate and showing a metal catalyst layer deposited on a support layer on which a channel is formed.
5 is a view showing a spacer process used in a semiconductor process.
6 is a view showing a process of forming a support layer and a metal catalyst layer before stack deposition.
FIG. 7 is a view showing the manufacturing process of the embodiment according to the present invention in sequence.

이에 본 발명자는 미세한 구조를 가지고 있으면서도 효율이 우수하여 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용이 가능한 고체산화물 연료전지를 개발하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventor of the present invention has made extensive efforts to develop a solid oxide fuel cell that has a fine structure and is excellent in efficiency and can be applied to a semiconductor or a display manufacturing process. As a result, the solid oxide fuel cell according to the present invention and its manufacturing method Thus completing the present invention.

일반적으로 현재 고온형 고체산화물 연료전지에서 전해질로 주로 사용하고 있는 YSZ(yttria stabilized zirconia)는 이온 전도도가 0.005 S/㎝로서 전해질의 두께를 초박막화하지 않는 이상 저온에서 유효한 전도성을 확보하기 어렵다. 저온형 고체산화물 연료전지를 구현하기 위해서는 반도체 또는 디스플레이 공정을 이용한 전해질 및 전극의 박막화가 효과적이다. 현재 고체산화물 연료전지를 스택 구조로 integration 하기 위해 다양한 구조가 제안되고 있으나 기존 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에 적용할 수 있는 구조와 물질은 아직 개발되지 않은 상황이다. 본 발명에서는 기존의 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에 적용 가능한 다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제시하여 생산성을 증대시키고 가격을 저감시키고자 한다.
Generally, YSZ (yttria stabilized zirconia), which is mainly used as an electrolyte in a high temperature type solid oxide fuel cell, has an ion conductivity of 0.005 S / cm, and it is difficult to obtain effective conductivity at low temperatures unless the thickness of the electrolyte is made ultra thin. In order to realize a low temperature type solid oxide fuel cell, thinning of electrolyte and electrode using semiconductor or display process is effective. Various structures have been proposed to integrate solid oxide fuel cells into a stack structure, but structures and materials applicable to existing semiconductor or display production processes have not yet been developed. In the present invention, a solid oxide fuel cell including a multilayer thin film electrode applicable to a conventional semiconductor or display production process and a manufacturing method thereof are proposed to increase the productivity and reduce the cost.

구체적으로 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 Specifically, the solid oxide fuel cell according to the present invention comprises

상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 (1)이 하단에 위치하며; A silicon wafer or a glass substrate 1 having a top surface coated with a thin film of SiO or SiN is located at the bottom;

상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층(2)이 위치하고; The support layer (2) is placed on the SiO or SiN thin film;

상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층(3)이 부착되어 위치하며; A metal catalyst layer 3 is attached and positioned on the other surface of the support layer in contact with the SiO 2 or SiN thin film;

상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극(4)이 부착되어 이루어진다. A multilayer thin film electrode (4) is attached to the other surface of the metal catalyst layer, which is in contact with the support layer.

상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅되어 지지체가 보다 안정적으로 고정되면서 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 손상되지 않게 보호하는 역할을 하게 된다. 또한 SiO 또는 SiN 박막은 지지층의 재질과 같아 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판과 지지층을 연결하는 역할을 수행하게 된다. The upper surface of the silicon wafer or the glass substrate is coated with SiO 2 or SiN thin film to stably fix the support, thereby protecting the silicon wafer or the glass substrate from damage. Also, the SiO or SiN thin film is the same as the material of the support layer, and plays a role of connecting the silicon wafer or the glass substrate with the support layer.

상기 지지층은 SiO 또는 SiN 박막 위에 형성하는 것이 바람직하며, 상기 지지층을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지층은 SiO 또는 SiN 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지대의 형상은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 원통형이나 사각기둥일 수 있다. 또한 상기 지지대의 크기는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 원통형일 경우 그 직경은 바람직하게는 10nm- 10 μm일 수 있다. 상기 원통형 지지대의 직경이 10 ㎚ 미만인 경우 충분한 지지 효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않고, 상기 지지대의 직경이 10 μm 를 초과하는 경우에는 미세하고 정교한 구조를 달성할 수 없어 바람직하지 않다. The support layer is preferably formed on a SiO or SiN thin film. The support layer is not particularly limited, but preferably it is formed by photo / etch patterning using a channel-shaped mask. Further, the support layer is made of SiO or SiN, and is preferably composed of a plurality of supports. Further, although the shape of the support member is not particularly limited, it may preferably be a cylindrical shape or a square pillar. In addition, although the size of the support is not particularly limited, in the case of a cylindrical shape, its diameter may preferably be 10 nm to 10 μm. When the diameter of the cylindrical support is less than 10 nm, a sufficient support effect can not be achieved, which is undesirable. When the diameter of the support exceeds 10 탆, a fine and elaborate structure can not be achieved.

상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치한다. 이때 상기 금속촉매층은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 Pd 또는 Pt인 것이 바람직하다. 또한 상기 금속촉매층의 두께는 50-120 nm인 것이 바람직하다. 상기 금속촉매층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 촉매의 효과를 충분히 달성할 수 없어 바람직하지 않으며, 상기 금속촉매층의 두께가 120 nm를 초과하는 경우에는 금속촉매층의 두께가 지나치게 두꺼워져 전체적인 미세 구조를 저해하게 되므로 바람직하지 않다. 또한 상기 금속촉매층은 증착하여 형성되는 것이 바람직하다. A metal catalyst layer is attached to the other surface of the support layer in contact with the SiO 2 or SiN thin film. At this time, the metal catalyst layer is not particularly limited, but Pd or Pt is preferable. The thickness of the metal catalyst layer is preferably 50-120 nm. When the thickness of the metal catalyst layer is more than 120 nm, the thickness of the metal catalyst layer becomes excessively thick and the entire microstructure is inhibited. So that it is not preferable. The metal catalyst layer is preferably formed by vapor deposition.

상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 형성된다. 일반적인 연료전지에 있어 애노드(5) 및 캐소드(6) 전극 사이에는 분리판(separator)이 있어 전류를 집전하고 각 연료가스를 공급하는 역할을 하게 된다. 이렇게 유로가 형성된 분리판으로 인해 고체산화물 연료전지 스택을 integration 하기 위해서는 다양한 구조 및 추가 공정이 필요하게 된다. 하지만 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 상기 다층 박막형 전극 사이에 분리판이 없어 미세하고 정밀한 구조로 제조가 가능하여 반도체 또는 디스플레이 공정에 적용이 가능하다. 상기 다층 박막형 전극은 전극의 양 측면 중 일면에는 애노드 전극과 타면에는 캐소드 전극이 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 사이에는 전해질(Electrolyte)이 존재한다. 또한 상기 다층 박막형 전극 내에는 전해질이 복수개의 애노드/캐소드 공통전극 사이에 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 애노드/캐소드 공통 전극은 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전극으로서 본 발명에서는 애노드/캐소드 공통 전극이라 칭한다. 이렇게 다층 박막형 전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압으로 연료전지의 전류 출력을 얻을 수 있다. A multilayer thin film type electrode is formed on the other surface of the metal catalyst layer in contact with the support layer. In a general fuel cell, a separator is provided between the anode 5 and the cathode 6 to collect current and supply each fuel gas. Due to the separation plate formed with the flow path, various structures and additional processes are required to integrate the solid oxide fuel cell stack. However, since the solid oxide fuel cell according to the present invention has no separation plate between the multilayer thin film type electrodes, it can be manufactured with a fine and precise structure, and thus can be applied to a semiconductor or a display process. The multi-layer thin-film electrode has an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side of the electrode, and an electrolyte exists between the anode and the cathode. In addition, it is preferable that the multilayer thin film type electrode includes an electrolyte between a plurality of anode / cathode common electrodes. The anode / cathode common electrode is an electrode positioned between the anode and the cathode, and is referred to as an anode / cathode common electrode in the present invention. By controlling the thickness and physical properties of the multilayer thin film electrode, the current output of the fuel cell can be obtained at a desired voltage.

이러한 본 발명에 따른 다층 박막형 전극에 있어서, 전해질과 전극의 두께는 전해질을 통과하는 이온의 diffusion length(~100nm)에 비하여 충분히 작은 거리이므로 양자역학적으로 periodic potential에서 움직이는 입자의 운동방정식으로 기술된다. In the multilayer thin film type electrode according to the present invention, the thickness of the electrolyte and the electrode is described as a kinetic equation of a particle moving at a periodic potential quantitatively because the distance is sufficiently small compared to the diffusion length (~ 100 nm) of the ions passing through the electrolyte.

[양자역학에서 1-D Kronich-Penny 모델][1-D Kronich-Penny model in quantum mechanics]

<식 1><Formula 1>

Figure 112013061636134-pat00001
Figure 112013061636134-pat00001

상기 식 1의 해는 다음과 같다.The solution of Equation (1) is as follows.

<식 2><Formula 2>

Figure 112013061636134-pat00002
Figure 112013061636134-pat00002

Figure 112013061636134-pat00003
Figure 112013061636134-pat00003

상기 식에서

Figure 112013061636134-pat00004
를 찾는데
Figure 112013061636134-pat00005
Figure 112013061636134-pat00006
의 eigenstate
Figure 112013061636134-pat00007
이라 하고
Figure 112013061636134-pat00008
Figure 112013061636134-pat00009
를 찾는다. 여기서
Figure 112013061636134-pat00010
는 Lattice Vector,
Figure 112013061636134-pat00011
는 Translation Operator 이며,
Figure 112013061636134-pat00012
는 전도 이온에 대한 Hamiltonian 이다. 상기 운동방정식의 해는 Bloch function으로 잘 알려져 있는데 이는 에너지 밴드 내에서 움직이는 전자의 운동방정식과 유사하게 된다. 즉 고체 내에서 전자의 valence band와 conduction band사이에 forbidden band가 있듯이 수소/ 산소 이온이 전파될 수 있는 전압의 에너지 Band가 정해지게 된다.In the above formula
Figure 112013061636134-pat00004
To find
Figure 112013061636134-pat00005
To
Figure 112013061636134-pat00006
Eigenstate
Figure 112013061636134-pat00007
And
Figure 112013061636134-pat00008
Wow
Figure 112013061636134-pat00009
. here
Figure 112013061636134-pat00010
Lattice Vector,
Figure 112013061636134-pat00011
Is a translation operator,
Figure 112013061636134-pat00012
Is the Hamiltonian for the conduction ion. The solution of the above equation of motion is well known as the Bloch function, which is similar to the equation of motion of electrons moving in the energy band. In other words, as there is a forbidden band between the valence band and the conduction band of the electrons in the solid, the energy band of the voltage at which the hydrogen / oxygen ion can propagate is determined.

따라서 다층 박막형 전극의 전해질/전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압의 연료전지 전류 출력을 얻을 수 있다.Therefore, it is possible to obtain the fuel cell current output of the desired voltage by controlling the thickness and physical properties of the electrolyte / electrode of the multilayer thin film electrode.

이러한 다층 박막형 전극의 내부에 존재하는 애노드/캐소드 공통전극은 증착으로 형성되는 것이 바람직한데, 이때 증착의 방법은 바람직하게는 ALD, PLD, CVD(LP-CVD 및 PE-CVD 포함) 일 수 있다. The anode / cathode common electrode in the multilayer thin-film electrode is preferably formed by evaporation, and the evaporation method may preferably be ALD, PLD, CVD (including LP-CVD and PE-CVD).

또한 상기 다층 박막형 전극에서 하나의 셀에 해당하는 단일층(single layer)의 경우에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 1-100 nm인 것이 바람직하다. 또한 상기 다층 박막형 전극에서 각각의 단일층을 형성하는 전극과 전해질의 두께는 0.8-1.2: 0.8-1.2의 비율인 것이 바람직하다. 이렇게 단일층을 형성하기 위해 상기 전극을 증착함에 있어 증착은 특별히 제한되는 것은 아니지만 18-22회를 실시하는 것이 바람직하다. 이렇게 되면 단일층도 바람직하게는 18-22 층으로 반복된다. 결국 이를 통해 상기 다층 박막형 전극의 전체 두께는 바람직하게는 350-450 nm에 해당할 수 있다. In the case of a single layer corresponding to one cell in the multi-layer thin-film electrode, the thickness is preferably 1-100 nm although there is no particular limitation. Also, it is preferable that the thickness of the electrode and the electrolyte forming each single layer in the multilayer thin film electrode is 0.8-1.2: 0.8-1.2. In the deposition of the electrode to form the single layer, the deposition is not particularly limited, but it is preferable to perform 18-22 times. This repeats a single layer, preferably 18-22 layers. As a result, the total thickness of the multi-layer thin-film electrode may preferably correspond to 350 to 450 nm.

또한 이러한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지의 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다. In addition, the multilayer thin film structure increases the ion conductivity, thereby reducing the internal resistance of the battery, thereby increasing the output of the solid oxide fuel cell. In addition, there is an effect of facilitating the large-scale mounting by preventing electrical short-circuiting due to defects during the large-area mounting.

이러한 다층 박막형 전극은 휘어지는 금속 기판이나 플라스틱 기판에 옮길 경우에는 플렉시블(flexible) 연료전지를 제조할 수 있다. 이때의 공정은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 Lift off 공정으로 Si 또는 유리기판을 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착시키는 것이 바람직하다. Such a multilayer thin film electrode can be used to manufacture a flexible fuel cell when it is transferred to a bent metal substrate or a plastic substrate. At this time, there is no particular limitation, but it is preferable that the Si or the glass substrate is peeled off and bonded to another flexible material preferably by a lift-off process.

상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The material of the anode, the cathode and the anode / cathode common electrode is preferably at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, vanadium, nickel, copper, gold, silver, tungsten, graphene and carbon nanotubes Do.

상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The electrolyte preferably comprises an oxygen ion conductive solid oxide or a hydrogen ion conductive solid oxide. The oxygen ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of zirconia, ceria and lanthanum gallate, and the hydrogen ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of barium zirconate, barium cerate, strontium zirconate , And the like.

또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 지르코니아는 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 세리아는 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 도핑된 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 란타늄 갈레이트는 스트론튬 또는 마그네슘으로 도핑된 것이 바람직하다. Of the oxygen-ion conductive solid oxides, zirconia is preferably doped with yttrium or scandium. The ceria in the oxygen-ion conductive solid oxide is preferably doped with at least one selected from the group consisting of gadolinium, samarium, lanthanum, ytterbium, and neodymium. Also, the lanthanum gallate among the oxygen ion conductive solid oxides is preferably doped with strontium or magnesium.

또한 상기 수소이온 전도성 고체산화물은 3가 원소가 도핑된 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. It is also preferable that the hydrogen-ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of barium zirconate doped with a trivalent element, barium sulfate, strontium citrate and strontium zirconate.

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 양측면은 SiO 또는 SiN을 포함하는 절연부(7)로 이루어지는 것이 바람직하다. Both sides of the solid oxide fuel cell according to the present invention preferably comprise an insulating portion 7 including SiO or SiN.

이러한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 미세하고 작은 구조를 가지고 있어 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하는 것이 가능하고, 고체산화물 연료전지로서의 효율도 우수하다.
The solid oxide fuel cell according to the present invention has a fine structure and can be applied to a semiconductor or a display manufacturing process, and has excellent efficiency as a solid oxide fuel cell.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은 A method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to another aspect of the present invention includes:

1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하는 단계;1) depositing a thin film of SiO or SiN on top of a silicon wafer or glass substrate;

2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;2) forming a support layer on the deposited SiO or SiN thin film;

3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;3) depositing a metal catalyst layer on the other surface of the surface of the support layer where the SiO 2 or SiN thin film is in contact with the support layer;

4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및 4) attaching the multilayer thin film type electrode to the other surface of the one surface of the metal catalyst layer in contact with the support layer; And

5) 상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판(1)과 캐소드(6)를 제외한 나머지 층(2-5)의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;5) coating insulating portions on both sides of the silicon wafer or the remaining layer (2-5) except for the glass substrate (1) and the cathode (6);

를 포함한다..

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서 증착의 방법은 바람직하게는 ALD, PLD, CVD(LP-CVD 및 PE-CVD 포함) 일 수 있으며, 증착의 온도는 500-1,000 ℃인 것이 바람직하다. In the method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention, the deposition method may preferably be ALD, PLD, CVD (including LP-CVD and PE-CVD), and the deposition temperature is preferably 500-1,000 ° C Do.

상기 1)단계에 의해 상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅되어 지지체가 보다 안정적으로 고정되면서 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판을 손상되지 않게 보호하는 역할을 하게 된다. 또한 SiO 또는 SiN 박막은 지지층의 재질과 같아 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판과 지지층을 연결하는 역할을 수행하게 된다. By the above step 1), the SiO 2 or SiN thin film is coated on the silicon wafer or the glass substrate to stably fix the support, thereby protecting the silicon wafer or the glass substrate from damage. Also, the SiO or SiN thin film is the same as the material of the support layer, and plays a role of connecting the silicon wafer or the glass substrate with the support layer.

상기 2)단계에 의해 지지층을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지층은 SiO 또는 SiN 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지대의 형상은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 원통형이나 사각기둥일 수 있다.There is no particular limitation on the method of forming the supporting layer by the step 2), but it is preferable to form it by Photo / Etch patterning using a flow-path mask. Further, the support layer is made of SiO or SiN, and is preferably composed of a plurality of supports. Further, although the shape of the support member is not particularly limited, it may preferably be a cylindrical shape or a square pillar.

상기 지지층을 형성한 후 금속매층을 증착하기 전에 CMP 공정으로 평탄화 공정을 수행하는 것이 바람직하다. It is preferable that the planarization process is performed by a CMP process before the metal layer is deposited after the support layer is formed.

상기 3)단계에 의해 증착되는 금속촉매층의 재질은 Pd 또는 Pt를 포함하는 것이 바람직하다. The material of the metal catalyst layer deposited by the step 3) preferably includes Pd or Pt.

상기 4)단계에 의해 증착되는 다층 박막형 전극은 전극의 양 측면 중 일면에는 애노드 전극과 타면에는 캐소드 전극이 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 사이에는 전해질(Electrolyte)이 존재한다. 또한 상기 다층 박막형 전극 내에는 전해질이 복수개의 애노드/캐소드 공통전극 사이에 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 애노드/캐소드 공통 전극은 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전극으로서 본 발명에서는 애노드/캐소드 공통 전극이라 칭한다. 이렇게 다층 박막형 전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압으로 연료전지의 전류 출력을 얻을 수 있다. 상기 다층 박막형 전극을 증착한 후 원하는 스택 부분의 셀 면적만큼만 남겨두고 나머지 부분은 etch한다. In the multi-layer thin film electrode deposited by the step 4), an anode electrode is formed on one side of the electrode, and a cathode electrode is formed on the other side of the electrode. Electrolyte is present between the anode and the cathode. In addition, it is preferable that the multilayer thin film type electrode includes an electrolyte between a plurality of anode / cathode common electrodes. The anode / cathode common electrode is an electrode positioned between the anode and the cathode, and is referred to as an anode / cathode common electrode in the present invention. By controlling the thickness and physical properties of the multilayer thin film electrode, the current output of the fuel cell can be obtained at a desired voltage. After depositing the multilayer thin film electrode, the remaining portion is etched while leaving only the cell area of the desired stack portion.

이렇게 1) 내지 4)단계에 의해 제조된 고체산화물 연료전지 중 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판(1)과 캐소드(6)를 제외한 나머지 층(2-5)의 양 측면은 상기 5)단계에 의해 절연부로 코팅되게 된다. 이러한 5)단계는 Spacer 공정을 사용하여 SiN과 같은 절연체로 Capping 하여 이온이나 연료가 새어나가지 않도록 한다. Both sides of the silicon wafer or the remaining layer 2-5 except for the glass substrate 1 and the cathode 6 among the solid oxide fuel cells manufactured by the steps 1) to 4) are connected to the insulating portion Coating. These 5) steps are capped by an insulator such as SiN using a Spacer process to prevent ions or fuel from leaking.

마지막으로 상기 6)단계에 의해 캐소드 전극을 증착한 후 패터닝하여 산소가 공급되는 부분을 열어두고 contact pad에 wire를 연결하여 반도체 칩으로 packaging한다. Finally, the cathode electrode is deposited by the above step 6, and then patterned to open the oxygen supply part, and a wire is connected to the contact pad to be packaged in a semiconductor chip.

이렇게 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법에 의해 제조되는 고체산화물 연료전지는 미세하고 작은 구조를 가지고 있어 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하는 것이 가능하고, 고체산화물 연료전지로서의 효율도 우수하다.
Thus, the solid oxide fuel cell manufactured by the method of the present invention can be applied to a semiconductor or a display manufacturing process, and has excellent efficiency as a solid oxide fuel cell.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

실시예Example

실리콘 웨이퍼(Si wafer) 위에 SiO 또는 SiN 을 LPCVD 방식으로 500℃에서 증착하여 박막을 형성한 후 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 지지층을 형성한다. 지지층 위에 100 nm 안쪽의 얇은 금속촉매층(Pd)을 증착한 후 다층 박막형 전극을 증착한다.SiO or SiN is deposited on a silicon wafer by LPCVD at 500 ℃ to form a thin film, and then a supporting layer is formed by photo / etch patterning using a flow mask. After depositing a thin metal catalyst layer (Pd) on the support layer within 100 nm, the multilayer thin film electrode is deposited.

이때 지지층은 serpentine등의 다양한 유로 pattern(Line & Space: L/S)나 Square Array/ Circular Array pattern이 가능하며 내부식성이 있어야 하므로 SiO나 SiN를 사용하였다. At this time, SiO or SiN is used because the support layer can have various line pattern (Line & Space: L / S) such as serpentine or square array / circular array pattern and corrosion resistance.

또한 지지층 패턴 위에 전극 금속촉매층 (Pd나 Pt)을 증착 하면 단차로 인해 금속촉매층이 제대로 형성되지 않기 때문에 지지층 위에 SiO를 증착한 후 CMP (Chemical Mechanical Polish) 공정으로 평탄화하였다. 이후 금속촉매층(Pd)을 증착한 후 Oxide etchant (예를 들어 LAR etch: a low ammonium fluoride liquid (LAL) chemical ~etch rate; 20 nm/min, HF 0.7 %, NH4F 17 %, H2O, surfactant, Techno Semichem Co., Ltd.)로 Oxide를 제거하면 지지층과 금속촉매층 사이의 SiO는 제거되어 동공 (Hollow Structure)이 생기게 되어 수소연료의 원활한 공급이 가능하게 된다.In addition, when the electrode metal catalyst layer (Pd or Pt) is deposited on the support layer pattern, the metal catalyst layer is not formed properly due to the step difference. Therefore, SiO is deposited on the support layer and then planarized by CMP (Chemical Mechanical Polish) process. After depositing a metal catalyst layer (Pd), an oxide etchant (eg LAR etch: a low ammonium fluoride liquid (LAL) chemical ~ etch rate: 20 nm / min, HF 0.7%, NH 4 F 17%, H 2 O, , Techno Semichem Co., Ltd.), the SiO 2 between the support layer and the metal catalyst layer is removed and a hollow structure is formed, thereby enabling a smooth supply of hydrogen fuel.

지지층을 형성하는 또 다른 방법으로 지지층과 금속촉매층 사이에 SiO 대신 승화(Sublimation)이 가능한 물질(예를 들어 As)을 증착한 후, CMP공정으로 평탄화 한 후 금속촉매 층을 증착하는 것도 가능하다. 이후 온도를 승화 온도 (615 ℃) 이상 올리면 지지층 및 금속촉매층 사이에 충진된 As이 기화되어 동공(Hollow structure)이 생기게 되어 수소 연료의 원할한 공급이 가능하다.As another method of forming the supporting layer, it is also possible to deposit a sublimable material (for example, As) instead of SiO 2 between the supporting layer and the metal catalyst layer, planarize the CMP process, and then deposit the metal catalyst layer. When the temperature is raised above the sublimation temperature (615 ° C), As filled in the support layer and the metal catalyst layer is vaporized and a hollow structure is formed, so that a sufficient supply of hydrogen fuel is possible.

다층 박막 전극을 증착 후 스택 부분의 원하는 셀 면적만큼 남겨두고 나머지 부분은 etch한 후 다층 박막 전극 및 지지층의 옆 부분은 Spacer 공정을 사용하여 SiN 절연체로 Capping 하여 이온이나 연료가 새어나가지 않도록 한다. 마지막으로 캐소드(Cathode) 전극을 증착한 후 patterning하여 산소가 공급되는 부분을 열어두고 Contact Pad에 wire를 연결하여 Chip으로 Packaging하였다. After depositing the multilayer thin-film electrode, the remaining portion is etched by leaving the desired cell area of the stack portion, and then the side of the multilayer thin-film electrode and the supporting layer is capped by a SiN insulator using a spacer process so that ions or fuel do not leak. Finally, after cathodic electrode was deposited, patterning was performed to open the part to which oxygen was supplied, and a wire was connected to the contact pad to be packaged in a chip.

이때 상기 다층 박막 전극의 증착은 금속촉매층 위에 애노드 전극을 증착한 후 전해질을 충진하고, 그 다음에 다시 애노드/캐소드 공통 전극을 증착하는 방식으로 20 회 반복하여 실시하였다. 그리고 전해질과 전극의 두께비는 1:1로 하였으며, 20 회를 반복하여 20 층의 다층 박막형 전극을 제조하였다. 이때 하나의 전해질 두께는 10 nm, 하나의 전극 두께는 10 nm이며, 20회를 반복한 전체 스택의 두께는 400 nm가 되도록 제조하였다. 여기서 전해질은 YSZ를 사용하였고 금속촉매층, 애노드/캐소드 공통 전극, 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 Pd를 사용하였다.At this time, the deposition of the multilayer thin film electrode was repeated 20 times by depositing the anode electrode on the metal catalyst layer, filling the electrolyte, and then depositing the anode / cathode common electrode again. Thickness ratios of electrolyte and electrode were 1: 1 and twenty times were repeated to fabricate 20 layer multilayer thin film electrodes. At this time, one electrolyte was 10 nm thick and one electrode was 10 nm thick. The total thickness of the stack was 20 nm and the thickness was 400 nm. Here, YSZ was used as an electrolyte, and Pd was used as a metal catalyst layer, an anode / cathode common electrode, an anode electrode, and a cathode electrode.

이렇게 본 실시예에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는 하기 도 1에 나타내었으며, 다층 박막형 전극의 구조는 하기 도 2에 나타내었다. 이러한 도 2에서 수소/산소 가스연료가 공급되는 외부 전극을 제외한 다층 박막 내부의 전극은 애노드/캐소드 공통 전극을 구성하여 수소이온이나 산소이온이 반응하지 않고 전해질을 통해 통과한다. 또한 도 3은 1-D Periodic Potential 내에서 움직이는 입자가 갖는 에너지 밴드를 나타내는 그래프 (전해질/전극 다층 박막구조를 periodic potential로 기술하는 Bloch Theorem을 적용함, 왼쪽: 1-D potential well에서 움직이는 경우 생기는 불연속 에너지 준위, 오른쪽: 1-D periodic potential에서 움직이는 입자의 에너지 밴드 스펙트럼)이다. 또한 도 4는 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 위에 형성된 다층 박막형 전극의 구조(좌)를 나타내며, 유로가 형성된 지지층 위에 증착된 금속촉매층을 나타내는 그림(우) 이다. 또한 도 5는 반도체 공정에 사용되는 Spacer 공정(SiO 또는 SiN를 Capping layer로 사용)을 나타내는 그림이다. 또한 도 6은 다층박막전극 증착 전 지지층 및 금속촉매층 형성 공정을 나타낸 그림이다. 또한 도 7은 본 실시예의 제조공정을 순차적으로 나타낸 그림이다.
The solid oxide fuel cell fabricated according to the present embodiment is shown in FIG. 1, and the structure of the multilayer thin film electrode is shown in FIG. In FIG. 2, the electrode in the multilayer thin film except for the external electrode to which hydrogen / oxygen gas fuel is supplied constitutes an anode / cathode common electrode, and hydrogen ions or oxygen ions pass through the electrolyte without reacting. FIG. 3 also shows a graph showing the energy band of moving particles in the 1-D periodic potential (Bloch Theorem describing the electrolyte / electrode multilayer thin film structure as periodic potential, left: Discontinuous energy level, right: energy band spectrum of moving particles at 1-D periodic potential). 4 shows a structure (left) of a multilayer thin film electrode formed on a silicon wafer or a glass substrate and is a diagram (right) showing a metal catalyst layer deposited on a support layer on which a flow path is formed. 5 is a view showing a Spacer process (using SiO or SiN as a capping layer) used in a semiconductor process. 6 is a view showing a process of forming a support layer and a metal catalyst layer before deposition of a multilayer thin film electrode. 7 is a diagram sequentially showing the manufacturing process of this embodiment.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It is natural.

1. 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판
2. 지지층
3. 금속촉매층
4. 다층 박막형 전극
5. 애노드
6. 캐소드
7. 절연부
1. Silicon wafer or glass substrate
2. Support layer
3. Metal catalyst layer
4. Multilayer thin film electrode
5. Anode
6. Cathode
7. Insulation

Claims (14)

상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 하단에 위치하며;
상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층이 위치하고;
상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치하며;
상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 이루어지는 고체산화물 연료전지.
A silicon wafer or a glass substrate coated with a thin film of SiO or SiN on its upper surface is located at the bottom;
A support layer is disposed on the SiO or SiN thin film;
A metal catalyst layer is adhered and disposed on the other surface of the support layer in contact with the SiO 2 or SiN thin film;
And a multilayer thin film type electrode is attached to the other surface of the one side of the metal catalyst layer in contact with the support layer.
제 1항에 있어서,
상기 지지층은 SiO 또는 SiN의 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the support layer is made of SiO or SiN, and is composed of a plurality of supports.
제 1항에 있어서,
상기 금속촉매층은 Pd 또는 Pt를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst layer comprises Pd or Pt.
제 1항에 있어서,
상기 다층 박막형 전극은 양측면에 각각 애노드와 캐소드가 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 사이에 전해질(Electrolyte)을 포함하고, 상기 다층 박막형 전극 내에는 전해질이 복수개의 애노드/캐소드 공통전극 사이에 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
The method according to claim 1,
The multilayer thin film type electrode includes an anode and a cathode on both sides thereof, and an electrolyte between the anode and the cathode. The multilayer thin film type electrode includes an electrolyte between a plurality of anode / cathode common electrodes Characterized by a solid oxide fuel cell.
제 4항에 있어서,
상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
5. The method of claim 4,
The material of the anode, the cathode and the anode / cathode common electrode is at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, vanadium, nickel, copper, gold, silver, tungsten, graphene and carbon nanotubes Wherein the solid oxide fuel cell is a solid oxide fuel cell.
제 4항에 있어서,
상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하여 이루어지며,
상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the electrolyte comprises an oxygen ion conductive solid oxide or a hydrogen ion conductive solid oxide,
Wherein the oxygen ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of zirconia, ceria and lanthanum gallate,
Wherein the proton conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of barium zirconate, barium cerate, strontium cerate, and a perovskite group of strontium zirconate.
삭제delete 1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하여 코팅하는 단계;
2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;
3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;
4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및
5) 상기 지지층 및 다층 박막형 전극의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;
를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
1) depositing and coating a thin film of SiO or SiN on a silicon wafer or a glass substrate;
2) forming a support layer on the deposited SiO or SiN thin film;
3) depositing a metal catalyst layer on the other surface of the surface of the support layer where the SiO 2 or SiN thin film is in contact with the support layer;
4) attaching the multilayer thin film type electrode to the other surface of the one surface of the metal catalyst layer in contact with the support layer; And
5) coating insulating portions on both sides of the supporting layer and the multilayer thin film type electrode;
Wherein the solid oxide fuel cell comprises a solid oxide fuel cell.
제 8항에 있어서,
상기 지지층은 SiO 또는 SiN의 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the support layer is made of SiO or SiN, and is formed of a plurality of supports.
제 8항에 있어서,
상기 금속촉매층은 Pd 또는 Pt를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the metal catalyst layer comprises Pd or Pt.
제 8항에 있어서,
상기 다층 박막형 전극은 양측면에 각각 애노드와 캐소드가 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 사이에 전해질(Electrolyte)이 포함되고, 상기 다층 박막형 전극 내에는 전해질이 복수개의 애노드/캐소드 공통전극 사이에 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The multilayer thin film type electrode includes an anode and a cathode on both sides thereof, an electrolyte between the anode and the cathode, and an electrolyte between the anode and the cathode common electrode in the multilayer thin film type electrode Wherein the solid oxide fuel cell comprises a solid oxide fuel cell.
제 11항에 있어서,
상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The material of the anode, the cathode and the anode / cathode common electrode is at least one selected from the group consisting of platinum, palladium, ruthenium, vanadium, nickel, copper, gold, silver, tungsten, graphene and carbon nanotubes Of the solid oxide fuel cell.
제 11항에 있어서,
상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하여 이루어지며,
상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the electrolyte comprises an oxygen ion conductive solid oxide or a hydrogen ion conductive solid oxide,
Wherein the oxygen ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of zirconia, ceria and lanthanum gallate,
Wherein the hydrogen-ion conductive solid oxide is at least one selected from the group consisting of barium zirconate, barium sulfate, strontium sulfate and strontium zirconate.
제 8 항에 있어서,
상기 지지층을 형성한 후 금속촉매층을 증착하기 전에 CMP 공정으로 평탄화 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.

9. The method of claim 8,
Wherein the flattening process is performed by a CMP process before the metal catalyst layer is deposited after the support layer is formed.

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002080299A (en) * 2000-09-08 2002-03-19 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Material for spin electronics and its manufacturing method
KR20020058385A (en) * 2000-12-29 2002-07-12 남기석 Fabrication of bipolar plate using semiconductor materials for mini-fuel cells
JP2005500647A (en) 2001-04-19 2005-01-06 ヒューレット・パッカード・カンパニー Thin film / thick film composite solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
KR20080085092A (en) * 2006-01-19 2008-09-22 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티 Membrane electrode assembly in solid oxide fuel cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002080299A (en) * 2000-09-08 2002-03-19 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Material for spin electronics and its manufacturing method
KR20020058385A (en) * 2000-12-29 2002-07-12 남기석 Fabrication of bipolar plate using semiconductor materials for mini-fuel cells
JP2005500647A (en) 2001-04-19 2005-01-06 ヒューレット・パッカード・カンパニー Thin film / thick film composite solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
KR20080085092A (en) * 2006-01-19 2008-09-22 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티 Membrane electrode assembly in solid oxide fuel cells

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