KR101612740B1 - 마이크로유체 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로유체 연료전지에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 구비한 기판; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며, 상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며, 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성된다.

Description

마이크로유체 연료전지{MICROFLUIDIC FUEL CELL}

본 발명은 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)에 관한 것이다. 본 발명은 교육부 한국연구재단의 기초연구사업을 위한 과제(과제고유번호 : 201300000000762, 과제명 : 마이크로유체 연료전지의 전력량 향상을 위한 최적의 초소형 스택 구조 연구)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 연료의 산화에 의해 생기는 화학적 반응 에너지를 전기에너지로 변환하는 전지이다. 연료전지는 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서 2차 전지와 유사한 성격을 갖지만, 연료의 주입에 의해 작동한다는 점에서 2차 전지와 다른 차별점을 갖는다. 연료전지의 개념은 기본적으로 수소와 산소의 반응에 의해 생성되는 전자의 작용으로 설명될 수 있다. 연료전지에서, 수소는 양극 전극(anode)을 통과하고, 산소는 음극 전극(cathode)을 통과하며, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다.

21세기 정보화 사회로 변화되는 추세에 따라, 연료전지를 휴대단말기의 전원과 휴대용 고밀도, 고출력의 에너지 저장 시스템으로서 사용하기 위한 일환으로, 마이크로 연료전지(Micro Fuel-Cell)에 대한 연구가 진행되고 있다. 마이크로 연료전지는 미세 가공기술을 이용하여 초소형으로 제조한 연료전지로서, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 기기에 사용되는 출력 100Wh 이하의 소형 연료전지 시스템으로 활용될 수 있으며, 연료전지와 동일한 방식으로 작동한다.

마이크로 연료전지는 크기가 작으면서도, 2차 전지인 리튬 이온 전지보다 10배가량 큰 전력 저장 용량을 가지며, 재충전용 전지기술에 비해 높은 전력밀도 특성을 가지므로, 휴대용 기기의 전력 사용량 증가 추세에 부합할 뿐만 아니라, 무공해 특성을 가지고 있어서, 현재 실용화를 눈앞에 두고 있다. 또한, 마이크로 연료전지는 기존의 2차 전지와 달리 충전을 하지 않고 연료 카트리지의 교환만으로 연속 사용이 가능하다는 이점도 갖는다.

마이크로 연료전지로 개발 가능한 소형 연료전지로서, 고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지 등이 연구되고 있다. 현재까지는 직접 메탄올 연료전지에 대한 연구가 주를 이루고 있는데, 그 이유는 다른 연료전지에 비해 소형화에 보다 적합하기 때문이다. 연료전지의 구동의 최소 단위는 셀(cell)이라고 한다. 셀은 연료극 및 산소극의 한 쌍의 전극으로 구성되며, 이 한 쌍의 전극 사이에 엷은 양성자 교환막(PEM; Proton Exchange Membrane)이 존재한다. 양성자 교환막은 이온의 통로로서, 전자는 통과시키지 않는다.

양성자 교환막 연료전지는 에너지 밀도가 높고 여러 분야에 적용하기 쉽지만, 양성자 교환막에 기인하는 문제점을 갖는다. 첫 번째로, 물 관리의 문제점이다. 양자는 전기 삼투 현상(electroosmosis)을 이용하여 양성자 교환막을 통과해 양극으로 이동할 때, 많은 양의 물 분자를 포함하여 이동한다. 따라서 전지의 정상구동을 위해서는 양극에서는 물의 제거가, 음극에서는 물의 공급이 이루어져야 한다. 그렇지 않을 경우 양극 전극의 드라이 아웃(dry-out), 음극 전극의 플러딩(flooding) 현상으로 전지의 성능 저하를 야기한다. 두 번째로, 크로스오버 (cross-over) 문제점이다. 크로스오버는 물과 함께 메탄올이 음극에서 양극으로 이동되는 현상으로 전지의 연료 효율을 떨어뜨린다. 세 번째로, 양성자 교환막은 수분과 온도에 따라 변형을 일으키므로, 양성자 교환막의 내구성 또한 문제점이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 양성자 교환막은 매우 고가이고, 연료전지 제작 시 공정이 복잡하다는 문제점을 갖는다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 양성자 교환막을 사용하지 않는 마이크로 유체 연료전지가 연구되고 있다. 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 무격막 연료전지(membraneless fuel cell)라고도 불리우며, 연료전지와 동일한 방식으로 작동한다. 마이크로유체 연료전지는 마이크로 채널 내부로 공급되는 연료와 산화제가 반응을 일으키고, 채널의 양쪽 부분에 음극과 양극 전극이 설치되는 형태로 이루어진다. 마이크로 채널 내부에서 연료와 산화제의 흐름은 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number)로 인하여 층류를 형성한다. 층류 흐름의 직각 방향으로의 물질 전달은 주로 확산에 의해 이루어지므로, 그 속도가 매우 느려서 연료와 산화제가 포함된 전해질 용액들은 잘 섞이지 않게 된다. 반면에, 이온은 전해질 용액을 통해 자유롭게 두 전극 사이를 이동할 수 있다. 따라서, 연료와 산화제 사이에 형성된 액액계면(liquid-liquid interface)에서 이온은 전달되고 전해질들은 섞이지 않게 되어 양성자 교환막의 역할을 대신하므로, 양성자 교환막을 사용함에 따라 발생하는 문제점을 한번에 해결할 수 있다. 이러한 이점으로 인하여, 마이크로유체 연료전지는 휴대용 기기의 전원장치 개발에 많은 기여를 할 것으로 전망된다.

그러나, 마이크로유체 연료전지는 전력밀도가 낮다는 문제점을 갖고 있다. 최근, 휴대용 전자기기의 고성능화로 휴대용 전자기기의 전력 소모량이 급증하는 추세에 따라, 휴대용 전자기기의 전력공급장치에 마이크로 연료전지를 활용하기 위하여, 마이크로유체 연료전지의 전력밀도를 올리고자 하는 연구가 진행되고 있다. 마이크로유체 연료전지의 전력밀도는 전극에서의 물질 변화율(conversion rate)에 의해 결정되므로, 전극에서의 물질 변화율을 높이면 전력밀도를 높일 수 있다. 물질 변화율을 저해하는 요소로는 전극 표면에서 전기화학 반응 즉, 산화환원 반응이 일어나는 동안, 반응의 결과로서 생성되는 부산물들을 꼽을 수 있다. 이 반응 부산물들이 전극 위에 쌓여 정체되면 전극 위에서 물질 변화율이 낮아진다. 공개특허공보 제2012-0088240호(2012.08.08.공개)는 "마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법"을 개시한다. 이는 전극에 요철 형상 구조를 만들어 전극 위에 미세한 유동장을 발생시켜 반응 부산물이 전극 위에서 정체되는 것을 방지하려는 기술이다. 하지만, 전극 위의 요철 형상 구조가 산화환원 반응 후 생성되는 반응물의 배출을 방해하므로, 전력밀도를 획기적으로 향상시키는데에는 한계가 따른다.

본 발명은 전력밀도가 높은 마이크로유체 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 목적은, 마이크로유체 연료전지를 집적화하여 작은 크기의 연료전지에서 높은 전력을 효율적으로 생산하는 것에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 마이크로유체 연료전지는 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 구비한 기판; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며, 상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며, 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성된다.

일 실시 예로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 유체 해석 프로그램을 이용하여 상기 마이크로 채널에 대하여 유동 해석을 수행함으로써 산출된 상기 연료와 상기 산화제 간의 확산 영역에 대응하는 이격 거리를 갖도록 형성될 수 있다.

일 실시 예로서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 이격 거리가 상기 확산 영역의 너비보다 크도록 형성될 수 있다.

일 실시 예로서, 상기 커버부에는, 상기 연료와 상기 산화제 간의 산화 환원 반응에 의해 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 더 형성될 수 있다.

일 실시 예로서, 상기 마이크로 채널은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 상부에 위치하도록 형성되며, 상기 배출구와 연통되도록 형성된 메인 채널; 상기 연료 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 연료 주입 채널; 그리고 상기 산화제 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 산화제 주입 채널을 포함할 수 있다.

삭제

일 실시 예로서, 상기 마이크로유체 연료전지는, 상기 기판상에 형성되고, 상기 제1 전극과 배선을 통해 연결되는 제1 금속 패드 및 상기 제2 전극과 배선을 통해 연결되는 제2 금속 패드를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판상에 형성되며, 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 형성하는 측벽부; 그리고 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 측벽부상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며, 상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며, 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되는 마이크로유체 연료전지가 제공된다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지의 전력밀도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지를 집적화하여 작은 크기의 연료전지에서 높은 전력을 생산함으로써 연료전지의 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 A-A'선에 따른 유동 해석 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 채널 폭방향 변위에 따른 연료와 산화제의 농도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 구성하는 커버부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 구성하는 기판상에 커버부를 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 복수 개 연결한 구조를 보여주는 도면이다.
도 10은 비교예 1의 마이크로유체 연료전지를 보여주는 평면도이다.
도 11은 비교예 2의 마이크로유체 연료전지를 보여주는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 전력 밀도를 유량별로 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 전류 밀도를 유량별로 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사용효율을 유량별로 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대 전류와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대 전류와 전력 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 공지되어 있는 구성에 관한 일반적인 내용에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에서 일부 구성은 다소 과장되게 도시될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(microfluidic fuel cell)는 병렬 스택(parallel stack) 구조, 즉 마이크로 채널(micro-channel)의 양측에 각각 제1 전극이 형성되고, 마이크로 채널의 중앙측에 양측의 제1 전극 사이에 제2 전극이 형성되며, 마이크로 채널의 중앙측으로 산화제가 주입되도록 산화제 주입구가 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 마이크로 채널의 양측으로 연료가 주입되도록 연료 주입구가 산화제 주입구를 중심으로 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 마이크로 채널의 중앙측으로 연료가 주입되도록 연료 주입구가 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 마이크로 채널의 양측으로 산화제가 주입되도록 산화제 주입구가 연료 주입구를 중심으로 커버부의 양측에 형성되는 구조를 갖는다. 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 적은 면적으로 구현될 수 있으며, 높은 전력밀도 특성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 분해사시도이다. 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(100)는 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널(130)을 구비한 기판(110)과, 마이크로 채널(130)을 덮도록 기판(110)상에 형성되는 커버부(150)를 포함한다.

기판(110)은 예를 들어 글래스(glass) 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 실시 예로, 마이크로 채널(130)은 기판(110)상에 형성된 측벽부(140)에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 측벽부(140)에 형성되는 홈부(도 6에 도시된 도면부호 141 참조)의 패터닝에 따라 마이크로 채널(130)의 형상이 결정될 수 있다.

마이크로 채널(130)에는 전극들(120), 즉 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123)이 형성된다. 전극들(120)은 기판(110)상에 형성된다. 제1 전극(121,122)은 마이크로 채널(130)의 양측에 각각 형성되며, 마이크로 채널(130)의 길이 방향으로 형성된다. 제2 전극(123)은 마이크로 채널(130)의 중앙측에 형성되며, 양측의 제1 전극(121,122) 사이에 마이크로 채널의 길이 방향으로 형성된다.

제1 전극(121,122)과 제2 전극(123)은 예를 들어, 포토레지스터를 이용하여 리프트-오프 공정에 의해 형성될 수 있다. 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123)은 예를 들어 금(Au) 또는 백금(pt) 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

측벽부(140)는 기판(110)상에서 전극들(120)의 상부에 홈부(141)가 위치하도록 형성될 수 있다. 측벽부(140)는 예를 들어 감광제를 이용하여 포토리소그래피 공정에 의해 기판(110)상에 형성될 수 있다.

커버부(150)는 마이크로 채널(130)을 덮도록 기판(110)상에 형성된다. 커버부(150)의 일 측에는 마이크로 채널(130)로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구(153) 및 연료 주입구(151,152)가 관통 형성되고, 커버부(150)의 타 측에는 마이크로 채널(130)에서 산화제와 연료가 반응된 물질을 배출하기 위한 배출구(155)가 관통 형성된다.

일 실시 예로, 커버부(150)는 측벽부(140)의 상면에 본딩 결합되어 형성될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 재질로 형성될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 마이크로 몰딩 기법(micro molding technique)에 의해 제작될 수 있다. 커버부(150) 형성을 위한 형틀에 해당하는 몰드는 포토리소그래피(photo-lithography) 공정에 의해 제작될 수 있다. 커버부(150)는 예를 들어 산소플라즈마 표면처리 등에 의하여 기판(110)상의 측벽부(140)에 접착될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 기판(110)의 상면, 측벽부(140)의 홈부(141)를 이루는 측면, 커버부(150)의 바닥면으로 둘러싸인 공간에 의해 마이크로 채널(130)이 제공될 수 있다. 다만, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 달리, 측벽부(140)를 형성하는 대신, 기판(110)의 상면이나 커버부(150)의 바닥면에 미세한 홈의 패턴을 형성하여 마이크로 채널(micro channel)을 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 일 실시 예에서, 산화제 주입구(153)는 마이크로 채널(130)의 중앙측으로 산화제가 주입되도록 커버부(150)의 중앙측에 관통 형성되는 동시에 마이크로 채널(130)의 양측으로 연료가 주입되도록 연료 주입구(151,152)가 산화제 주입구(153)를 중심으로 커버부(150)의 양측에 관통 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 다르게, 마이크로 채널(130)의 중앙측으로 연료가 주입되도록 커버부(150)의 중앙측에 연료 주입구가 관통 형성되는 동시에 마이크로 채널(130)의 양측으로 산화제가 주입되도록 연료 주입구를 중심으로 산화제 주입구가 커버부(150)의 양측에 관통 형성될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 전극과의 반응 시 산소 기포의 발생을 줄여, 산소 기포에 의해 미세유로내의 유체계면 형성이 불안정해지고 산소 기포가 전극에 달라붙어 반응면적을 감소시키는 문제를 방지하도록, 포름산(HCCOH, formic acid) 연료에 황산 전해질을 혼합한 연료를 사용하고, 과망간산칼륨(KMnO₄, Potassium permanganate) 산화제에 황산 전해질을 혼합한 산화제를 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에서 사용되는 연료와 산화제는 연료전지로서의 기능을 구현할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

커버부(150)에서 주입구(151~153)와 배출구(154)가 형성되는 위치는 마이크로 채널(130)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 마이크로 채널(130)은 주입구(151~153)를 통하여 산화제와 연료가 주입되는 주입 채널들(131~133) 및 산화제와 연료의 흐름을 기준으로 상류 측에서 주입 채널들(131~133)과 연결되는 메인 채널(134)을 포함한다.

인접하는 주입 채널(131~133)은 메인 채널(134)의 상류 측에서 'Y'자 형태를 이루도록 연결된다. 연료 주입 채널(131,132)의 일 단은 커버부(150)의 연료 주입구(151,152)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(134)의 일 단에 연통된다. 산화제 주입 채널(133)의 일 단은 커버부(150)의 산화제 주입구(153)에 연통되고, 타 단은 메인 채널(134)의 일 단에 연통된다.

이에 따라, 연료 주입구(151,152)를 통해 주입되는 연료는 연료 주입 채널(131,132)을 통해 메인 채널(134)로 유입되고, 산화제 주입구(153)를 통해 주입되는 산화제는 산화제 주입 채널(133)을 통해 메인 채널(134)로 유입된다. 따라서, 메인 채널(134)에는 너비 방향을 따라 연료, 산화제, 연료 순으로 유체에 의한 층류(laminar flow)가 형성된다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이, 마이크로 채널(130)의 폭방향을 따라 산화제, 연료, 산화제 순으로 층류가 형성되는 것도 가능하다.

메인 채널(134)은 제1 전극(121,122) 및 제2 전극(123)의 상부 측에 형성되며, 연료와 산화제의 흐름을 기준으로 하류 측에서 커버부(150)의 배출구(154)와 연통된다. 전극들(120)의 구조 및 배치는 마이크로 채널(130)의 형상에 대응하여 결정될 수 있다. 일 실시 예로, 제1 전극(121,122)은 메인 채널(134)의 폭 방향 양단부 측에 배치되고, 제2 전극(123)은 양단부 측에 배치된 제1 전극(121,122)의 사이, 예를 들어 메인 채널(134)의 중심부 측에 배치될 수 있다.

연료 주입 채널(131,132)을 통해 유입된 연료는 메인 채널(134)에서 양측의 제1 전극(121,122)의 상부를 따라 층류를 이루고, 산화제 주입 채널(133)을 통해 유입된 산화제는 메인 채널(134)에서 제2 전극(123)의 상부를 따라 층류를 이루도록 제공될 수 있다. 그 결과로, 두 개의 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123) 간에 형성되는 두 개의 연료와 산화제 간 액액계면에서 발생하는 산화 환원 반응에 의하여, 병렬적으로 전류가 형성된다.

연료와 산화제 간의 산화 환원 반응의 결과로서 발생되는 물질은 배출구(154)를 통해 배출된다. 두 개의 제1 전극(121,122)은 배선(126)을 통해 소켓 연결부의 역할을 하는 제1 금속 패드(128)로 연결되고, 제2 전극(123)은 배선(127)을 통해 소켓 연결부의 역할을 하는 제2 금속 패드(129)로 연결된다. 따라서, 연료와 산화제의 공급에 따라, 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123) 간의 전류로부터 전원이 생성될 수 있다.

연료 주입 채널(131,132)과 산화제 주입 채널(133) 간의 각도, 전극들(121~123)의 폭과, 전극들(121~123) 간의 이격 거리(간격)는 메인 채널(134) 내의 유동 현상과 전류밀도 특성에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 유동 분석부(미도시)는 상용 유체 해석 프로그램에 따라 마이크로 채널(130)의 유동 해석을 수행하여, 연료와 산화제 간의 확산 영역(diffusion area)을 산출할 수 있다.

유동 분석부(미도시)에 의하여 분석된 확산 영역에 따라, 연료 주입 채널(131,132)과 산화제 주입 채널(133) 간의 각도, 전극들(121~123)의 폭과, 전극들(121~123) 간의 간격(이격 거리)이 결정될 수 있다. 본 발명에서, 확산 영역은 연료 및 산화제의 농도가 미리 설정된 임계값 미만으로 낮아지는 영역을 의미할 수 있다.

메인 채널(134)에서, 서로 다른 유체는 층류를 이루며 흐르고, 유체들 간에 계면이 형성된다. 이러한 계면을 중심으로 확산 영역(diffusion area)이 존재하게 되는데, 유동 해석에 의해 분석된 확산 영역을 고려하여 전극 구조를 설계함으로써, 연료 역류 현상을 방지할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123)은 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123) 간의 이격 거리가 연료와 산화제 간의 확산 영역의 너비보다 큰 값을 갖도록 형성될 수 있다.

확산 영역이 넓어지면, 계면의 확산 현상으로 인하여 연료 역류 현상(cross over)이 일어날 수 있으며, 그에 따라 유체들 간의 계면이 양성자 교환막의 역할을 대신하여 수행하지 못하는 결과가 초래될 수 있다. 따라서, 연료전지 성능의 향상을 위해서는 확산 영역을 좁히는 것이 바람직하다.

이에, 본 발명의 실시 예는, 연료 주입 채널(131,132)과 메인 채널(134) 간의 각도, 산화제 주입 채널(133)과 메인 채널(134) 간의 각도를 변수로 하여 상용 유체 해석 프로그램을 이용하여 유동 해석을 수행하고, 유동 해석 결과 확산 영역이 최소화되도록 연료 주입 채널(131,132)과 산화제 주입 채널(133) 간의 각도를 결정할 수 있다. 상용 유체 해석 프로그램은 예를 들어, CFD-ACE+, ESI group 또는 France일 수 있다.

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본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로 채널(130) 내에서 양측의 제1 전극(121,122)과 중앙측의 제2 전극(123) 사이에서 연료와 산화제 간의 액액계면이 각각 형성되어, 2개의 마이크로유체 연료전지를 병렬 구조로 연결한 것에 상응하는 효과가 제공된다. 이와 같은 병렬 스택 구조의 마이크로유체 연료전지는 높은 최대 전력밀도와 전류밀도 특성을 갖는다.

도 3은 도 1에 도시된 마이크로유체 연료전지의 유동 해석 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 A-A'선에 따른 유동 해석 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 채널 폭방향 변위에 따른 연료와 산화제의 농도(concentration) 변화를 보여주는 그래프이다.

도 3 내지 도 4에서, 빨간색에 가까울수록 연료의 농도가 높으며, 파란색에 가까울수록 산화제의 농도가 높은 것을 의미한다. 연료와 산화제 간의 계면 부근에서 빨간색에서 파란색으로 변화되는 영역은 연료와 산화제의 혼합 영역(확산 영역)에 해당한다.

도 3 내지 도 5의 경우, 마이크로 채널의 중앙측에 산화제의 층류가 형성되고, 마이크로 채널의 양측에 연료의 층류가 형성되고 있으나, 마이크로 채널의 중앙측에 연료의 층류가 형성되고, 마이크로 채널의 양측에 산화제의 층류가 형성될 수도 있다. 도 5를 참조하면, 확산 영역은 약 200um 정도의 폭으로 마이크로 채널의 양측에 나타나는 것을 확인할 수 있다.

이는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 두 개의 분리 형성된 확산 계면에 의하여 마이크로유체 연료전지 2개가 병렬 연결된 것에 상응하는 효과를 제공하는 것을 의미한다. 도 5의 실시 예에서, 유동 해석 시뮬레이션 결과에 기초하여, 제1 전극(121,122)과 제2 전극(123) 간의 이격 거리는 400㎛로 결정될 수 있다.

마이크로 유동에서의 물질 전달은 대류/확산, 일렉트로마이그레이션(electromigration), 화학반응의 영향을 받는다. 화학반응과 일렉트로마이그레이션이 없는 상태에서는 유체들이 평행하게 흐를 때 유체가 흐르는 방향의 수직방향으로의 확산만으로 혼합이 발생한다. 이러한 현상은 페클레 수(Peclet number)로 표현되며, 페클레 수는 유체의 대류에 대한 확산의 비로 나타낼 수 있다.

마이크로 채널의 유동에서는 유체가 흐르는 방향의 수직방향으로의 확산비율이 유체가 흐르는 방향의 대류 속도보다 작아지며, 이것은 높은 페클레 수로 나타난다. 따라서 두 유체가 주입되는 마이크로 채널 안에서 물질의 확산은 유체들 간의 얇은 계면에서만 일어난다.

마이크로 채널 내로 유체들이 주입되어 생기는 확산 영역의 두께는 마이크로 채널의 하류로 갈수록 마이크로 채널의 길이 방향으로의 변위(z)와 평균유속에 비례하여 증가한다. 확산 영역은 마이크로 채널의 배출구로 갈수록 넓어지는 모래시계 모양을 나타내며, 확산 영역의 최대 두께 δx는 아래의 식 1과 같은 관계로 나타낼 수 있다.

[식 1]

δ_x∝(DHz/U)^1/3

여기서, D는 확산 계수, H는 마이크로 채널(130)의 높이, U는 유속을 나타낸다. 층류는 관성력보다 점성력이 더 지배적이기 때문에 체적에 비해 표면적에 대한 효과가 훨씬 커지는 특징을 나타내며, 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number, Re)를 가진다. 레이놀즈 수는 무차원 변수이며, 아래의 식 2와 같이 운동하는 유체가 가진 관성력에 대한 점성력의 비로써 나타낼 수 있다.

[식 2]

Re = ρUD/μ

ρ는 유체의 밀도, U는 유체의 속도, D는 유체가 흐르는 관의 직경, μ는 유체의 동점성을 나타낸다. 레이놀즈 수가 2100 이하에서는 층류 유동, 2100과 4000 사이에서는 천이 유동, 4000 이상에서는 난류 유동의 특징을 나타낸다. 이에 따라, 마이크로 채널(130) 내에서 층류(laminar flow)가 발생된다. 비압축성 유체 유동에서의 속도장 u는 아래의 식 3과 같은 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)의 해로 추정할 수 있다.

[식 3]

여기서, p는 압력,

는 단위부피당 체적력(body force)을 나타낸다. 매우 낮은 레이놀즈 수에서는 비선형 대류항이 무시될 수 있으므로, 아래의 식 4와 같이 추정할 수 있다.

[식 4]

질량 보존의 연속방정식은 아래의 식 5와 같으며, 연속방정식에서 비압축성 조건을 적용하면 아래의 식 6과 같이 나타낼 수 있다.

[식 5]

[식 6]

여기서,

는 검사표면을 통하여 단위시간에 단위체적당 확산하는 체적을 의미한다. 유동 해석은 상기 식 3 내지 식 6에 따라 수행될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, (a)~(d) 과정에서 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해 기판(110)상에 전극들(121~123)이 형성되고, (e)~(g) 과정에서 기판(110)상에 측벽부(140)가 형성되며, (h) 과정에서 기판(110)상에 커버부(150)가 형성된다.

도 6의 (a) 과정에서, 세정 처리된 기판(110)상에 감광제(120a)가 코팅된다. 감광제 코팅에 앞서, 기판 세정 공정을 수행하는 이유는 감광제의 접착성을 높이기 위해서이다. 즉, 기판(110)에 불순물이 존재하면, 전극(121~123) 형성을 위한 감광제의 접착성이 떨어지고, 막의 형성이 불균일해지기 때문이다.

기판(110) 표면의 불순물을 제거하기 위하여, 예를 들어 피라냐(piranha) 용액(H₂SO₄, H₂O₂가 4:1 비율로 혼합된 용액) 등의 세정 용액을 이용하여, 기판(110)을 소정 시간(예를 들어, 약 10분) 동안 세정 처리할 수 있다. 세정 처리가 끝나면, 기판(110) 표면을 탈이온수(deionized water)로 씻어낸 후, N₂ Gun으로 물기를 제거할 수 있다. 이후, 핫플레이트(hot plate)에서 기판(110)을 200℃ 온도로 3분간 건조하여 물기를 제거할 수 있다.

도 6의 (a) 과정에서, 세정 처리된 기판(110)상에 도포되는 감광제(120a)로는, 예를 들어 AZ 5214E 등의 양성 감광제가 사용될 수 있다. 감광제로 양성 감광제를 이용하는 경우, 포토레지스트 코팅(photoresist coating)시 양성 감광제와 기판(110) 간의 접착력을 높이기 위해, 예를 들어 HMDS(Hexamethyldisilazane) 용액을 이용하여 기판(110)을 친수성(hydrophilic)에서 소수성(hydrophobic)으로 표면 처리한 후에, 양성 감광제를 코팅할 수 있다.

기판(110) 위에 감광제(120a)가 도포된 후, 도 6의 (b) 과정에서 전극이 증착될 부분만을 제거하기 위해 마스크(mask)(120b)를 이용하여 자외선 등을 조사하여 포토리소그래피(photolithography) 노광 공정을 실시한다. 이러한 포토리소그래피 공정은 예를 들어 MA-6 마스크 얼라이너(aligner)를 이용하여 1회 또는 복수 회에 걸쳐 수행될 수 있다.

다음으로, 전극 형성을 위해 도 6의 (c) 과정에서 예를 들어, 전자빔 기상증착법(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 또는 증착(evaporation) 등의 물리기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)을 통해 금속 박막(120c)을 증착할 수 있다. 증착(evaporation) 공정을 이용하면 간단하고 빠르고 저렴하게 금속 박막(120c)을 증착할 수 있다. 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하면 균일한 막질을 얻을 수 있다. 일반적으로, 전자빔 기상증착법 공정시 챔버의 온도는 40℃ 정도이므로 포토레지스터를 이용한 리프트-오프(lift-off) 기법에 적용 가능하다.

예를 들어, 백금(Pt)과 같은 전극은 글래스(glass) 기판과의 접착력이 약하므로, 감광제 패턴이 형성된 후, 리프트-오프에 의해 전극이 형성되기 전에, 접착층(adhesion layer)(미도시)을 형성시키고, 그 후에, 백금이나 금과 같은 금속 박막을 증착하여 전극을 형성하는 것도 가능하다. 이러한 접착층으로는, 예를 들어 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등이 사용될 수 있다.

전극층(120c)이 형성되면, 리프트-오프(lift-off)를 통해 감광제(120a)를 제거한다. 리프트-오프는 예를 들어 아세톤(acetone) 용액 안에 웨이퍼를 담가두고, 아세톤 용액과 감광제(120a)를 반응시켜 줌으로써 진행할 수 있다. 리프트-오프 공정이 끝나면, 탈 이온수로 세척을 한 후, N₂ 가스를 이용하여 건조시키고, 마지막으로 다이싱소(dicing saw)를 이용해 다이싱(dicing)함으로써, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같은 전극(121,122,123)과, 배선(126,127) 및 금속 패드(128,129)를 기판(110) 위에 형성할 수 있다.

측벽부(140)를 형성하지 않고 바닥면에 미세 홈이 형성된 커버부를 기판(110)에 접착시켜 마이크로 채널을 형성할 경우, 커버부가 기판(110)의 전극 위에 접착될 수 있다. 이러한 경우, 연료와 산화제 주입시 형성되는 계면이 전극의 측면에서 형성되고, 연료 및 산화제가 동일한 면적의 전극 표면과 반응하지 않게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 마이크로유체 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기판(110)상에 측벽부(140)를 형성하고, 측벽부(140) 위에 커버부(150)를 형성하는 과정을 수행할 수 있다. 포토레지스트를 이용하여 측벽부(140)를 형성하여 마이크로 채널(130)의 벽을 형성한 후, 커버부(150)를 편평하게 만들어 덮개 역할을 하도록 접착하면, 육안으로 정밀하게 정렬할 필요 없이 손쉽게 마이크로유체 연료전지를 제작할 수 있다.

측벽부(140)를 형성하기 위해, 감광제, 예를 들어, SU-8 3035와 같은 음성 감광제를 사용할 수 있다. 즉, 도 6의 (e) 과정에서 전극(121~123)이 형성된 기판(110)에 음성 감광제(140a)를 코팅한 후, 도 6의 (f) 과정에서 마스크(140b)를 이용한 패터닝 및 리프트-오프(lift-off) 공정을 수행하여, 도 6의 (g)에 도시된 바와 같이 측벽부(140)를 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지를 구성하는 커버부를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 커버부(150)의 제작을 위해, 우선 PDMS(SYGARD 184 silicone elastomer, DOW Corning, USA)와 경화제를 10:1 비율로 혼합하고, 진공 챔버에 넣어 기포를 제거할 수 있다.

예를 들어, 도 7의 (a) 과정에서 실리콘 웨이퍼(161) 위에 감광제(162), 예를 들어 SU-8와 같은 음성 감광제를 코팅한 후, 패턴(163) 상에 노광하여 몰드(mold)(162)를 제작한다. 감광제(162)는 예를 들어 마이크로머시닝(micromachining)을 위해 화학적으로 증폭된 에폭시를 기본으로 한 감광제일 수 있다. 노광 후 열판(hot plate)에서 65℃와 95℃의 두 단계로 가열 건조(PEB; Post Exposure Bake)를 수행할 수 있다.

다음으로, 도 7의 (b) 과정에서, 몰드(162)에 기포가 제거된 PDMS(150a)를 붓는다. 이어서, 오븐에서 65℃의 온도로 4시간 동안 가열하여 PDMS(150a)를 경화시킨 후, 실리콘 웨이퍼(161)와 몰드(162)에서 분리하여, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같은 커버부(150)를 얻을 수 있다. 최종적으로, 펀치(punch) 등을 이용하여 설계된 치수대로 돌출부(150b)에 주입구(151~153) 및 배출구(154)를 형성함으로써, 평판 형상의 커버부(150)가 완성된다.

다시, 도 6을 참조하면, 도 6의 (h) 과정에서 측벽부(140)에 커버부(150)를 본딩 결합하여 마이크로유체 연료전지를 제작할 수 있다. 이때, 일 실시 예로, 3-APS(AminoPropyltrimethoxySilane)를 사용하여 측벽부(140)와 커버부(150)의 본딩을 수행할 수 있다. 도 8을 참조하면, 우선, 커버부(150)의 접착할 면에 3-APS를 슬라이드 글라스(slide glass) 등을 이용하여 얇게 펴 바른 다음, 접착할 면을 서로 맞대어 놓고 측벽부(140)와 커버부(150)를 접착함으로써, 마이크로유체 연료전지를 제조할 수 있다.

다른 실시 예로, 질소 또는 산소 플라즈마를 이용하여 커버부(150)와 측벽부(140)를 본딩하는 것도 가능하다. 즉, 측벽부(140)가 형성된 기판(110)과, 3-APS가 얇게 코팅된 커버부(150)를 예를 들어 O₂ 플라즈마로 40초 동안 처리한 다음, 접착할 면을 서로 맞대어 놓고 오븐에서 70℃로 10분간 가열함으로써, 측벽부(140)와 커버부(150)를 접착할 수 있다.

측벽부(140)를 이루는 감광제, 예를 들어 SU-8는 에폭시기(epoxy group), 즉 탄소사슬 중 두 원자가 존재한다. 에폭시 기는 추후 커버부(150)를 이루는 PDMS에 N₂ 플라즈마를 처리해 생긴 아미노기(amino group)와 결합하여 측벽부(140)와 커버부(150)를 접착시키는 역할을 한다.

측벽부(140)에 남아있는 용제를 완전히 증발시키고 코팅된 측벽부(140)에 남아있는 잔류 응력, 웨이퍼의 휘어짐(wafer bowing)과 크랙(crack)이 발생되는 것을 최소화하기 위하여, PEB(post-exposure baking) 처리를 수행할 수 있다. 이후, SU-8 현상액(SU-8 developer, MicroChem, USA)을 이용하여 현상 공정을 한다. 현상이 끝나면 웨이퍼에 남아있는 현상액과 반응물을 제거하기 위하여 IPA(isopropyl alcohol)로 세척을 한다.

한편, PDMS에 O₂ 플라즈마 처리를 하면 OH기(OH group)가 생성되는데, 이것이 측벽부(140), 예를 들어 SU-8에 있는 에폭시 기와 결합하여 본딩이 가능한 것이라고 추측된다. O₂ 플라즈마를 이용하면, 접착제 없이 간단하게 측벽부(140)와 커버부(150)를 본딩할 수 있다. 산소 플라즈마를 이용할 경우, 우선 커버부(150)의 접착할 면을 3분간 O₂ 플라즈마 처리한 다음, 측벽부(140)와 커버부(150)의 접착면을 서로 맞대어 놓고 오븐에서 1시간 동안 가열함으로써, 측벽부(140)와 커버부(150)를 본딩할 수 있다.

연료전지의 전극에서는 산화와 환원 반응이 연속적으로 일어나는데, 양극(anode) 전극과 포름산 사이에서 전기화학 반응으로 인해 전자가 방출되며, 이때의 기준전극 전위(SHE)는 -0.1999(V)이다. 양극 전극에서 일어나는 산화 반응의 화학반응식은 아래의 식 7과 같다.

[식 7]

HCOOH → CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

음극(cathode) 전극에서는 2가지 화학반응이 동시에 일어나며, 이때 각각의 기준전극 전위는 1.507(V), 0.46(V)이다. 음극 전극에서 일어나는 화학반응식은 아래의 식 8 내지 식 9와 같다. 이때의 기준전극 전위(SHE)는 1.763(V)이다.

[식 8]

MNO₄ ^- + 8H⁺ + 5e^- → Mn^{2 +} +4H₂O

[식 9]

2MnO₄ ^- + 3Mn^{2 +} + 2H₂O → 5MnO₂ + 4H⁺

백금촉매(platinum catalyst)에 포름산 연료를 사용할 경우 CO poisoning에 의해 반복실험을 진행할 경우 연료전지 전류밀도(power density)가 감소하는 것을 확인하였다. 그래서 이를 방지하기 위하여 0.5mM의 산화비스무트(BI2O3, Bismuthⅲ oxide, sigma-aldrich corporation, CAS 1304-76-3)와 0.1M의 황산을 1:1 비율로 혼합한 용액을 전자가 생성되는 양극 전극에 2분간 흘려주고 DI water로 1분간 세척(cleaning)하여 전류밀도의 감소를 해결하였다. 그리고 포름산연료에 질소가스(N2 Gas)를 30분간 주입하여 양극에 잔류하는 산소를 제거하여 성능을 향상시켰다.

한편, 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지(100)들을 소켓(180)에 병렬로 복수 개 연결하여, 복수 개의 마이크로유체 연료전지(100)들로부터 동시에 전원을 얻는 것도 가능하다.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지의 성능을 평가하는 실험을 수행하였다. 측벽부(140)와 기판(110)은 각각 19mm×33.5mm, 19mm×44mm의 크기로 제작되었으며, 커버부(150)는 측벽부(140)와 동일한 크기로 제작되었다. 마이크로 채널(130)은 2.3mm 너비, 50㎛ 높이로 설계되었다. 전극들(120)의 길이는 20mm로 설계되었다. 커버부(150)에는 지름이 각각 2mm와 3mm인 주입구(151~153)와 배출구(154)가 형성되었다.

전류밀도와 전력밀도의 측정을 위해 퍼텐쇼스탯(potentiostat)(WEIS500, WonA Tech, Korea)을 사용하였다. 연료전지의 양극 전극에 퍼텐쇼스탯의 워킹(working) 단자를 연결하고, 소켓에 퍼텐쇼스탯의 회로를 연결한 뒤, 연료전지를 소켓에 끼워 고정하였다. 주사기에 연료와 산화제를 채워 넣고 펌프에 장착하고, 튜브로 연결된 팁을 연료전지 주입구에 끼워 넣은 후, 퍼텐쇼스탯 회로에 연결한 마이크로 유체 연료전지에 실리지 펌프(KD Scientific, Boston, USA)를 이용하여 연료와 산화제를 주입하였다.

양극 전극(121,122)으로 흘려주기 위해, 40mM의 포름산(HCOOH, formic acid, sigma-aldrich corporation, CAS 64-18-6)과 1M의 황산을 1:1 비율로 혼합한 연료를 연료 주입구(151,152)를 통해 주입하고, 음극 전극(123)으로 흘려주기 위해, 10mM의 과망간산칼륨(KMnO₄, potassium permanganate, sigma-aldrich corporation, CAS 7722-64-7)과 1M의 황산을 1:1 비율로 혼합한 산화제를 산화제 주입구(153)를 통해 주입하였다.

전류밀도를 측정하는 방법으로 전류 스윕(current sweep) 방법을 사용하였다. 이는 전류를 변화시키면서 그때의 전압값을 측정하는 방식이다. 그리고 측정된 전류값을 전극의 면적으로 나누어 전류밀도 값을 구하고 전압값과 정리하여 전류밀도 그래프로 나타내었다. 전력밀도는 정리된 전류밀도 그래프에서 전류밀도와 그 값에 대응하는 전압을 곱하여 계산할 수 있다.

먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예들(비교예 1, 비교예 2) 각각에 대하여, 주입구에 유량을 변화시키면서 산화제와 연료를 주입하여 유량에 따른 전력 밀도(power density)와 전류 밀도(current density) 및 사용 효율(utilization)을 측정하였다. 비교예 1 및 비교예 2의 마이크로유체 연료전지는 각각 도 10, 도 11에 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 비교예 1의 마이크로유체 연료전지는 산화제 주입구와 연료 주입구가 한 개씩 마련되고, 마이크로 채널의 양측에 각각 전극이 형성되고, 마이크로 채널의 중앙에는 전극이 형성되지 않은 구조를 갖는다. 도 11을 참조하면, 비교예 2의 마이크로유체 연료전지는 분리되어 있는 두 개의 마이크로 채널을 가지며, 각 마이크로 채널의 양측에 각각 전극이 형성되고, 각 마이크로 채널의 중앙에 전극이 형성되지 않은 구조를 갖는다. 최대 연료 효율(fuel utilization) η은 아래의 식 10에 따라 산출하였다.

[식 10]

η = I / (n·F·c·Q)

상기한 식 10에서, I는 최대 전류(A), n은 수송된 전자의 수, F는 패러데이(Faraday) 상수(C/mol), c는 연료의 밀도(concentration)(mol/L), Q는 연료 유율(fuel flow rate)(L/sec)을 나타낸다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 전력 밀도를 유량별로 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 전류 밀도를 유량별로 나타낸 그래프이고, 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 사용효율을 유량별로 나타낸 그래프이다. 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 비교예 1, 비교예 2의 마이크로유체 연료전지보다 높은 전력 밀도와 전류 밀도, 그리고 높은 사용효율을 나타낸다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대 전류와 전압의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지와 비교예에 따른 마이크로유체 연료전지의 최대 전류와 전력 밀도의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 15 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 비교예 1, 비교예 2의 마이크로유체 연료전지보다 높은 최대 전류(current at zero load)와 최대 전력 밀도(maximum power density)를 보인다.

본 발명의 실시 예에 따른 마이크로유체 연료전지는 두 개의 마이크로 채널이 동일 평면상에 집적화된 병렬스택구조를 가지며, 단일 연료전지에 비해 약 28.6%의 면적 증가율에 불구하고 최대 68%의 높은 최대 전력량 증가율을 얻을 수 있어, 면적 증가율 대비 성능 향상이 훨씬 큰 것을 확인하였다.

본 발명의 실시 예는 랩온어칩 및 바이오칩의 전력원, 현장현시검사(point of care)의 전력원, 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전기기기의 전력원으로서 사용될 수 있으며, 또한 가정용, 산업용 및 타 부문 연료전지 기술 등에 응용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 마이크로유체 연료전지에서 전극의 재료, 연료, 산화제, 전해질의 종류와 상관없이 형상구조의 변화만으로 성능을 향상시킬 수 있다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

100: 마이크로유체 연료전지 110: 기판
120: 전극들 121,122: 제1 전극
123: 제2 전극 126,127: 배선
128,129: 금속 패드 130: 마이크로 채널
131,132: 연료 주입 채널 133: 산화제 주입 채널
134: 메인 채널 140: 측벽부
150: 커버부 151,152: 연료 주입구
153: 산화제 주입구 154: 배출구
180: 소켓

Claims (8)

1. 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 구비한 기판; 그리고
   상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며,
   상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며,
   상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되는 마이크로유체 연료전지.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 유체 해석 프로그램을 이용하여 상기 마이크로 채널에 대하여 유동 해석을 수행함으로써 산출된 상기 연료와 상기 산화제 간의 확산 영역의 너비와 같거나 확산 영역의 너비보다 큰 이격 거리를 갖도록 형성되는 마이크로유체 연료전지.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 이격 거리가 상기 확산 영역의 너비보다 크도록 형성되는 마이크로유체 연료전지.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 커버부에는, 상기 연료와 상기 산화제 간의 산화 환원 반응에 의해 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 더 형성되는 마이크로유체 연료전지.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 마이크로 채널은,
   상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 상부에 위치하도록 형성되며, 상기 배출구와 연통되도록 형성된 메인 채널;
   상기 연료 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 연료 주입 채널; 그리고
   상기 산화제 주입구와 상기 메인 채널 사이에 연통되도록 형성된 산화제 주입 채널을 포함하는 마이크로유체 연료전지.
6. 삭제
7. 제1 항에 있어서,
   상기 기판상에 형성되고, 상기 제1 전극과 배선을 통해 연결되는 제1 금속 패드 및 상기 제2 전극과 배선을 통해 연결되는 제2 금속 패드를 더 포함하는 마이크로유체 연료전지.
8. 기판;
   상기 기판상에 형성되며, 연료와 산화제가 흐르도록 마이크로 채널을 형성하는 측벽부; 그리고
   상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 측벽부상에 형성되며, 상기 마이크로 채널로 산화제 및 연료가 주입되는 산화제 주입구 및 연료 주입구가 형성된 커버부를 포함하며,
   상기 마이크로 채널의 양측에는 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제1 전극이 형성되고, 상기 마이크로 채널의 중앙측에는 양측의 제1 전극 사이에 상기 마이크로 채널의 길이 방향으로 제2 전극이 형성되며,
   상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 산화제 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되거나, 혹은 상기 마이크로 채널의 중앙측으로 상기 연료가 주입되도록 상기 연료 주입구가 상기 커버부의 중앙측에 형성되는 동시에 상기 마이크로 채널의 양측으로 상기 산화제가 주입되도록 상기 산화제 주입구가 상기 연료 주입구를 중심으로 상기 커버부의 양측에 형성되는 마이크로유체 연료전지.

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