KR101633526B1 - Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지는, 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)이 형성된 마이크로 채널을 구비하며, 양극 전극 및 음극 전극에 요철이 구비되는 글래스(glass) 기판; 및 글래스 기판의 마이크로 채널을 덮도록 글래스 기판에 결합되며, 음극 전극으로 연료를 유입하고 양극 전극으로 산화제를 유입하는 유입구들과, 연료 및 산화제와 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 형성되는 커버부;를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 또한 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있어 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있다.A microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: a glass substrate having a microchannel in which an anode and a cathode are formed, the anode and the cathode being provided with irregularities; And an anode that is connected to the glass substrate so as to cover the microchannel of the glass substrate and includes an inlet for introducing the fuel into the cathode electrode and an oxidant into the anode electrode and an outlet for discharging the substance generated as a result of the oxidation- And a cover portion on which the discharge port is formed. According to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the fuel backflow phenomenon from occurring due to the anode electrode and the cathode electrode provided with the unevenness formed in the microchannel and to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region, Can be increased.

Description

마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법 {Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a microfluidic fuel cell,

마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 또한 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있어 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법이 개시된다.
A microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same are disclosed. More specifically, it is possible to prevent fuel backflow phenomenon from occurring due to the anode electrode and the cathode electrode provided in the microchannel and to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region, Disclosed is a microfluidic fuel cell which can be increased and a method for manufacturing the same.

연료 전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 전지를 말한다. 이러한 연료 전지에 있어서, 환경 오염에 대한 부담을 줄일 수 있는 연구와 가솔린 엔진의 2배에 가까운 에너지 효율을 얻을 수 있는 에너지, 자동차용 전원이나 고정 동력 장비의 보조 전력 등을 중심으로 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.A fuel cell is a cell that directly converts energy generated by oxidation of fuel into electric energy. In such fuel cells, research and development are being actively carried out, focusing on research that can reduce the burden on environmental pollution, energy that can achieve energy efficiency close to twice that of gasoline engines, and auxiliary power for automotive power supplies and fixed power equipment .

한편, 21세기 들어 정보화 사회가 가속화됨에 따라 연료 전지를 휴대 단말기의 전원과 휴대용 고밀도, 고출력의 에너지 저장 시스템에 사용하기 위해서 작은 사이즈의 마이크로 연료 전지에 대한 연구가 진행되고 있다.Meanwhile, as the information society is accelerating in the 21st century, researches on a micro fuel cell of a small size are being carried out in order to use the fuel cell for the portable terminal and the portable high density and high power energy storage system.

마이크로 연료 전지는 매우 작은 크기의 연료 전지를 일컫는 용어로, 그 용량이 일반적으로 100 와트(W) 이하이고 미세 가공기술을 이용해 제조된 초소형 연료 전지이다. A micro fuel cell is a very small size fuel cell, and its capacity is generally 100 watts (W) or less, and it is an ultra small fuel cell manufactured using microfabrication technology.

이러한 마이크로 연료 전지 중 마이크로 유체의 흐름을 이용하여 전기에너지를 생성하는 마이크로 유체 연료 전지는 미세 유로에서 흐르는 유체들이 층류를 형성하여 잘 섞이지 않는다는 성질을 이용한다. 다시 말해, 연료와 산화제 유체가 각각 미세 유로 내로 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성하고, 이것이 기존의 양성자 교환막의 역할을 대신하게 하는 것이다. 따라서 종래의 양성자 교환막이 적용되는 연료 전지에 비해, 고가의 교환막이 필요치 않아 비용을 줄일 수 있으며 공정을 단순화시킬 수 있다. 또한, 교환막을 통해 연료가 역류하는 연료 역류(fuel crossover) 현상 등이 발생되는 것을 방지할 수 있다.Microfluidic fuel cells that generate electrical energy using the flow of microfluid among these microfuel cells utilize the property that the fluids flowing through the microfluidic channels form laminar flow and do not mix well. In other words, the fuel and oxidant fluid respectively flow into the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, which replaces the role of the existing proton exchange membrane. Therefore, compared to a conventional fuel cell to which a proton exchange membrane is applied, an expensive exchange membrane is not required, which can reduce cost and simplify the process. In addition, it is possible to prevent the occurrence of a fuel crossover phenomenon in which the fuel flows back through the exchange membrane.

이에, 연료와 산화제의 종류, 전극의 재료, 전해질 및 전해액의 구성 등을 변화시켜 전력밀도(power density)를 향상시키는 등의 연구를 통해 마이크로 유체 연료 전지를 개발하고 있으나, 구현할 수 있는 전력밀도에 한계가 있어 아직 실용화가 불가능한 실정이다.Therefore, we have developed a microfluidic fuel cell through studies such as improving the power density by changing the type of fuel and oxidizer, the material of electrode, the composition of electrolyte and electrolytic solution, etc. However, There is a limit, and it is impossible to put it into practical use yet.

부연 설명하면, 연료 전지 구동 시 미세 유로 내부에서 연료 소모 영역과 연료 확산 영역이 발생하는데, 연료 소모 영역은 전극 표면에서 발생하며 이때 이온의 산화 환원 반응의 결과로 인한 부산물들이 각 전극에서의 연속적인 산화 환원 반응을 방해한다. 이에 마이크로 유체 연료 전지가 구현할 수 있는 전력밀도에 한계가 생길 수 있으며, 아울러 연료 및 산화제의 종류 또는 산소의 용해성 및 이동성에 의해 효율이 한정되거나 소요되는 연료 및 산화제가 많아짐으로써 비용이 증대될 수 있다.In other words, when the fuel cell is driven, a fuel consumption region and a fuel diffusion region are generated in the microchannel. The fuel consumption region is generated on the electrode surface, and the by-products resulting from the oxidation- It interferes with the redox reaction. As a result, there is a limit to the power density that a microfluidic fuel cell can realize, and the cost can be increased by limiting the efficiency or increasing the amount of the fuel and the oxidant due to the type of the fuel and the oxidant or the solubility and the mobility of the oxygen .

따라서, 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시켜 전력밀도를 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 마이크로 유체 연료 전지의 개발이 시급한 실정이다.
Therefore, it is urgent to develop a microfluidic fuel cell having a new structure that can improve the power density by reducing the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of an embodiment of the present invention is to provide a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same that can prevent fuel backflow phenomenon due to a positive electrode and a negative electrode provided with unevenness formed in a microchannel.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 종래에 비해 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region due to the anode electrode and the cathode electrode provided with the irregularities formed in the microchannel, And a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 연료와 산화제가 마이크로 채널의 음극 전극 및 양극 전극의 경로를 따라 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성함으로써 종래의 양성자 교환막을 구비할 필요가 없으며, 이로 인해 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 공정을 단순화할 수 있는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a fuel cell in which a fuel and an oxidant flow along a path of a cathode electrode and an anode electrode of a microchannel to form a liquid- The present invention provides a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same that can reduce the manufacturing cost and simplify the manufacturing process.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지는, 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)이 형성된 마이크로 채널을 구비하며, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극에 요철이 구비되는 글래스(glass) 기판; 및 상기 글래스 기판의 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 글래스 기판에 결합되며, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하고 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 유입구들과, 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 형성되는 커버부;를 포함하며, 이러한 구성에 의해서, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 또한 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있어 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있다.A microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: a glass substrate having a microchannel in which an anode and a cathode are formed, the anode and the cathode being provided with projections and depressions; And an inlet connected to the glass substrate so as to cover the microchannel of the glass substrate and into which the fuel flows into the cathode electrode and into which the oxidant flows, And a cover portion on which a discharge port for discharging a substance generated as a result of the reaction is formed. With this configuration, it is possible to prevent the fuel backflow phenomenon from occurring due to the anode electrode and the cathode electrode provided with the protrusions and recesses formed in the microchannel And the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region can be reduced, thereby increasing the size of the power density.

여기서, 상기 마이크로 채널의 측벽은 음성 감광제 재질의 구조물일 수 있다.Here, the sidewall of the microchannel may be a structure of a negative photosensitive material.

상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 상기 양극 전극과 상기 음극 전극을 구분하는 구분벽이 구비되며, 상기 구분벽의 폭은 상용 유체 해석 프로그램을 이용하여 유동 해석을 수행한 결과 결정될 수 있고, 상기 구분벽의 상부면은, 상기 양극 전극의 요철의 오목부 및 상기 음극 전극의 요철의 오목부보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.A partition wall separating the anode electrode and the cathode electrode is provided between the anode electrode and the cathode electrode and the width of the partition wall can be determined as a result of performing a flow analysis using a commercial fluid analysis program, The upper surface of the wall may be located at a lower level than the concave portions of the irregularities of the anode electrode and the concave portions of the irregularities of the cathode electrode.

상기 요철은 상기 구분벽을 기준으로 대칭되게 마련되되, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극의 길이 방향을 따라 규칙적으로 돌출 형성될 수 있다.The irregularities may be formed symmetrically with respect to the division wall, and may be regularly protruded along the longitudinal direction of the anode electrode and the cathode electrode.

상기 요철은 상기 구분벽의 길이 방향에 대해 30도 내지 60도의 사선 방향으로 마련될 수 있다.The irregularities may be provided in an oblique direction of 30 to 60 degrees with respect to the longitudinal direction of the partition wall.

상기 커버부는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 몰딩 방법에 의해 형성되며, 상기 유입구 및 상기 배출구는 펀칭 방법을 통해 상기 커버부에 형성될 수 있다.The cover portion is formed of PDMS (polydimethylsiloxane) by a molding method, and the inlet and the outlet may be formed in the cover portion through a punching method.

상기 유입구는, Y자 형상으로 마련되는 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성되어 상기 음극 전극으로 상기 연료를 유입하는 연료 유입구; 및 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성되어 상기 양극 전극으로 상기 산화제를 유입하는 산화제 유입구를 포함하며, 상기 배출구는 상기 마이크로 채널의 단부에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성될 수 있다.Wherein the inlet includes a fuel inlet formed in the cover to be positioned at a starting point of a single one of the two branches of the microchannel provided in a Y-shape and to flow the fuel into the cathode electrode; And an oxidant inlet formed in the cover portion so as to be positioned at a starting point of another branch of the microchannel, the oxidant inlet introducing the oxidant into the anode electrode, and the outlet is positioned at the end of the microchannel, May be formed through the through-hole.

상기 글래스 기판의 일면과 상기 일면을 향하는 상기 커버부의 일면은 접착 방법에 의해 결합될 수 있다.One surface of the glass substrate and one surface of the cover portion facing the one surface may be bonded by a bonding method.

상기 접착 시 3-APS(3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich)를 상기 커버부에 도포하고 O2 플라즈마로 표면 처리를 한 후 상기 커버부를 상기 글래스 기판에 접착 결합시킬 수 있다.3-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) may be applied to the cover part and the surface of the cover part may be adhesively bonded to the glass substrate after O 2 plasma treatment.

상기 글래스 기판에 상기 요철을 형성하기 위하여, 감광제 코팅(coating) 및 포토 리소그래피(photo lithography)가 적용되는 리프트 오프(lift-off) 공정이 복수 횟수로 실행될 수 있다.A lift-off process in which a photosensitive material coating and a photolithography are applied may be performed a plurality of times in order to form the unevenness on the glass substrate.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법은, 다수의 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 상기 글래스 기판 상에 상기 요철이 있는 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극을 형성하는, 글래스 기판 제작 단계; 몰딩(molding) 방법에 의해 상기 커버부를 제조하는, 커버부 제작 단계; 및 상기 글래스 기판 제작 단계에 의해 제작된 상기 글래스 기판과 상기 커버부 제작 단계에 의해 제작된 상기 커버부를 접착 방법에 의해 결합하는, 결합 단계;를 포함하며, 이러한 구성에 의해서, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 또한 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있어 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있다.Meanwhile, a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention includes forming a cathode electrode and a cathode electrode on the glass substrate through a plurality of lift-off processes, A glass substrate manufacturing step; A cover part manufacturing step of manufacturing the cover part by a molding method; And a joining step of joining the glass substrate produced by the glass substrate manufacturing step and the cover part manufactured by the cover part manufacturing step by a bonding method. According to this configuration, It is possible to prevent the fuel backflow phenomenon from occurring due to the anode electrode and the cathode electrode provided with the unevenness and also to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region and to increase the power density.

상기 글래스 기판 제작 단계는, 상기 글래스 기판 상에 양성 감광제를 코팅 처리하고 상기 전극이 형성될 부분을 포토 리소그래피 공정을 통해 제거한 후 제1 금속층을 전면에 형성한 다음 전극 형성 부분을 제외한 나머지 부분을 제거하는 제1 리프트 오프 단계; 상기 제1 금속층이 형성된 상기 글래스 기판에 양성 감광제를 코팅 처리하고 포토 리소그래피 공정을 통해 제1 금속층을 제외한 전극 형성 부분을 제거한 후 제2 금속층을 전면에 형성하고 이어서 전극 형성 부분을 제외한 나머지 부분을 제거하는 제2 리프트 오프 단계; 및 상기 제1 및 제2 금속층이 형성된 상기 글래스 기판에 음성 감광제를 코팅 처리하고 포토 리소그래피 공정을 통해 상기 제1 및 제2 금속층이 형성된 부분의 상기 음성 감광제를 제거하는 제3 리프트 오프 단계를 포함할 수 있다.In the step of fabricating the glass substrate, a positive photoresist is coated on the glass substrate, a portion where the electrode is to be formed is removed through a photolithography process, a first metal layer is formed on the entire surface, A first lift-off step; A positive photoresist is coated on the glass substrate on which the first metal layer is formed, and a photolithography process is performed to remove the electrode forming portion excluding the first metal layer, and then the second metal layer is formed on the entire surface. Then, A second lift-off phase; And a third lift-off step of coating the negative photoresist on the glass substrate on which the first and second metal layers are formed and removing the negative photosensitizer in a portion where the first and second metal layers are formed through a photolithography process .

상기 커버부 제작 단계는, 몰드에 양성 감광제를 코팅 처리한 후 포토 리소그래피 공정을 통해 양성 감광제의 일부를 제거한 뒤, 경화제가 10 대 1 비율로 혼합된 PDMS를 상기 몰드에 부은 후 경화시키고, 이어서 상기 몰드를 PDMS로부터 분리함으로써 상기 커버부를 제작할 수 있다.In the step of fabricating the cover part, a positive photoresist is coated on the mold, a part of the positive photoresist is removed through a photolithography process, the PDMS mixed with the hardener in a ratio of 10: 1 is poured into the mold and then cured, The cover can be manufactured by separating the mold from the PDMS.

상기 PDMS를 제조한 후 상기 PDMS에 상기 유입구 및 상기 배출구를 펀칭함으로써 상기 커버부를 제작할 수 있다.The cover may be manufactured by punching the inlet and the outlet into the PDMS after manufacturing the PDMS.

상기 결합 단계는, 상기 글래스 기판을 향하는 상기 커버부의 일면에 3-APS(3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich)를 도포한 뒤 O2 플라즈마로 표면 처리를 하고 이어서 상기 글래스 기판에 상기 커버부를 접착한 후 열처리함으로써 진행될 수 있다.
In the bonding step, 3-aminopropyltriethoxysilane (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied to one side of the cover portion facing the glass substrate, the surface is treated with O 2 plasma, the cover portion is adhered to the glass substrate It can be proceeded by heat treatment.

본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the fuel backflow phenomenon from occurring due to the anode electrode and the cathode electrode provided with the unevenness formed in the microchannel.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 채널에 형성되는 요철이 구비된 양극 전극 및 음극 전극으로 인해 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 종래에 비해 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region can be reduced by the anode electrode and the cathode electrode provided with the concavo-convex portions formed in the microchannel, thereby increasing the power density .

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료와 산화제가 마이크로 채널의 음극 전극 및 양극 전극의 경로를 따라 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성함으로써 종래의 양성자 교환막을 구비할 필요가 없으며, 이로 인해 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 공정을 단순화할 수 있다.
Also, according to embodiments of the present invention, a conventional proton exchange membrane may be provided by allowing fuel and oxidant to flow along the path of the cathode and anode electrodes of the microchannel to form a liquid-liquid interface of fuel and oxidant There is no need to reduce the manufacturing cost and simplify the manufacturing process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 유체 연료 전지의 결합 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ 부분을 확대한 부분 확대 사시도이다.
도 4는 요철이 있는 본 실시예의 마이크로 채널과 요철이 없는 마이크로 채널에 대한 유동 해석 결과 획득된 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법의 순서도이다.
도 6은 도 2에 도시된 글래스 기판의 제작 과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 커버부의 제작 과정을 순차적으로 도시한 것으로, 유입구의 단면을 도시한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 글래스 기판에 커버부를 접착하는 과정에 대해 도시한 도면이다.1 is an exploded perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of the microfluidic fuel cell shown in FIG.
3 is an enlarged partial perspective view of part III in Fig.
4 is a graph obtained as a result of the flow analysis for the microchannel of the present embodiment having concavities and convexities and the microchannel without concavities and convexities.
5 is a flowchart of a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view sequentially illustrating a manufacturing process of the glass substrate shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 7 is a view showing a cross-sectional view of the inlet port sequentially illustrating the manufacturing process of the cover portion shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 8 is a view showing a process of bonding a cover part to the glass substrate shown in FIG. 2. FIG.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. Hereinafter, configurations and applications according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following description is one of many aspects of the claimed invention and the following description forms part of a detailed description of the present invention.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail for the sake of clarity and conciseness.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 마이크로 유체 연료 전지의 결합 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ 부분을 확대한 부분 확대 사시도이며, 도 4는 요철이 있는 본 실시예의 마이크로 채널과 요철이 없는 마이크로 채널에 대한 유동 해석 결과 획득된 그래프이다.FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an assembled perspective view of the microfluidic fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross- And FIG. 4 is a graph obtained as a result of the flow analysis for the microchannel and the microchannel having no unevenness according to the present embodiment having the unevenness.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)는, 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)이 형성된 마이크로 채널(120)을 구비하는 글래스 기판(110)과, 글래스 기판(110)을 덮으며 글래스 기판(110)의 마이크로 채널(120)로 연료 및 산화제를 유입하는 유입구(160) 및 배출을 위한 배출구(165)가 형성된 커버부(150)를 포함한다.The microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a glass substrate 110 having a microchannel 120 in which an anode electrode 121 and a cathode electrode 125 are formed, An inlet 160 for flowing the fuel and the oxidant into the microchannel 120 of the glass substrate 110 while covering the glass substrate 110 and a cover 150 having a discharge port 165 for discharging do.

자세히 후술하겠지만, 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)에는 요철(123, 도 3 참조)이 구비되며, 이로 인해 전력밀도를 종래에 비해 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 연료 역류 현상을 방지할 수 있고, 아울러 제작 과정 및 비용의 경제성을 향상시킬 수 있다.As will be described in detail later, the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 are provided with unevenness 123 (see FIG. 3), which not only improves the power density compared to the prior art, , And the manufacturing process and cost can be improved economically.

각 구성에 대해 설명하면, 본 실시예의 글래스 기판(110)은, Y자 형상으로 마련되는 마이크로 채널(120)과, 마이크로 채널(120)의 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)으로부터 연장 형성된 연장부(130)를 구비할 수 있다.The glass substrate 110 of this embodiment includes a microchannel 120 provided in a Y shape and a plurality of microchannels 120 extending from the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 of the microchannel 120 An extension 130 may be provided.

여기서, 연장부(130)에 대해 개략적으로 설명하면, 연장부(130)는 각각 연결된 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)의 전극 패턴을 형성하는 부분이다.Here, the extending portion 130 is a portion that forms the electrode patterns of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 connected to each other.

본 실시예의 마이크로 채널(120)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, Y자 형상으로 마련되며 중앙 부분을 따라 양극 전극(121)과 음극 전극(125)을 구분하는 구분벽(127)이 형성되어 있다. 이러한 구분벽(127)은 음성 감광제 재질의 구조물로 마련될 수 있다. 또한, 구분벽(127)의 상부면은, 양극 전극(121)의 요철의 오목부 및 음극 전극(125)의 요철의 오목부보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 구분벽(127)은 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)를 구분하는 공간이다.1 and 2, the microchannel 120 of the present embodiment is formed in a Y-shape and has a dividing wall 127 for dividing the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 along the central portion, Respectively. The dividing wall 127 may be provided as a structure of a negative photosensitive material. The upper surface of the partition wall 127 may be located at a lower level than the concave portions of the irregularities of the anode electrode 121 and the concave portions of the irregularities of the cathode electrode 125. [ The partition wall 127 separates the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 from each other.

한편, 구분벽(127) 영역에서 연료 역류 현상이 일어나지 않도록 구분벽(127)의 폭 설정이 중요하다. On the other hand, it is important to set the width of the partition wall 127 so that the fuel backflow phenomenon does not occur in the region of the partition wall 127.

본 실시예에서는 연료 역류 현상이 발생하지 않는 구분벽(127)의 폭을 알아보기 위하여 상용 유체 해석 프로그램을 사용하여 유동 해석을 수행한다. 여기서, 상용 유체 해석 프로그램으로 CFD-ACE+, ESI group 등과 같은 해석 프로그램이 적용될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, a flow analysis is performed using a commercial fluid analysis program to determine the width of the partition wall 127 where the fuel backflow phenomenon does not occur. Here, an analysis program such as CFD-ACE +, ESI group, etc. can be applied as a commercial fluid analysis program. However, the present invention is not limited thereto.

한편, 구분벽(127)의 폭 설정을 위해, 마이크로 채널(120)을 형성하는 미세 유로의 너비, 높이, 길이는 각각 100μm, 50 μm, 10mm이되, 요철(123)이 있는 전극(121, 125)들을 구비한 마이크로 채널(120)과, 요철이 없는 전극들을 구비한 마이크로 채널(미도시)에 대해서 해석이 실행될 수 있다. 이때, 전극(121, 125)에 구비되는 요철(123)의 높이 및 각도는 1000Å, 45도로 마련될 수 있다. On the other hand, in order to set the width of the dividing wall 127, the width, height, and length of the microchannel 120 forming the microchannel 120 are 100 μm, 50 μm, and 10 mm, And microchannels (not shown) having electrodes having no irregularities can be analyzed. At this time, the height and angle of the concavities and convexities 123 provided on the electrodes 121 and 125 may be set to 1000 angstroms and 45 degrees, respectively.

요철(123)의 각도에 대해서 더 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 요철(123)은 구분벽(127)을 기준으로 대칭되게 마련되되, 사선 방향으로, 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)의 길이 방향을 따라 규칙적으로 돌출 형성될 수 있다. 3, the unevenness 123 is provided symmetrically with respect to the division wall 127, and the angle between the anode electrode 121 and the cathode electrode 121 in the oblique direction, May be regularly protruded along the longitudinal direction of the base plate 125.

다만, 미세 유로의 너비, 넓이, 길이 및 요철(123)의 높이 및 각도는 이에 한정되지 않으며 경우에 따라 적절한 값이 적용될 수 있음은 당연하다. 예를 들면, 요철(123)의 경사 각도는 30 내지 60도 범위 내의 값일 수 있다.However, the width, the width, the length, and the height and the angle of the fine grooves 123 are not limited thereto, and it is natural that appropriate values may be applied in some cases. For example, the inclination angle of the concavities and convexities 123 may be a value within a range of 30 to 60 degrees.

해석 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료 혼합 영역은 중앙의 20μm에서 발생하였으며, 요철(123)의 유무에 따라 발생하는 혼합 영역의 차이는 거의 없음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 요철(123)이 있는 마이크로 채널(120), 즉 본 실시예의 마이크로 채널(120)이 요철이 없는 마이크로 채널의 경우와 비교하여 혼합 영역의 너비가 증가하지 않으면서도 연료 소모 경계층의 두께를 감소시킬 수 있음을 유추할 수 있으며, 따라서 전력밀도의 향상이 구현될 수 있음을 파악할 수 있다.As a result, as shown in FIG. 4, the fuel mixing region occurred at 20 .mu.m in the center, and it can be confirmed that there is almost no difference in the mixing region generated depending on the presence or absence of the unevenness 123. This makes it possible to reduce the thickness of the fuel consumption boundary layer without increasing the width of the mixed region as compared with the case of the microchannel 120 having the concavities and convexities 123, that is, the microchannel 120 of this embodiment, It can be deduced that the improvement of the power density can be realized.

이와 같이, 본 실시예의 글래스 기판(110)에 형성되는 마이크로 채널(120)의 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 규칙적인 요철(123)이 형성되며, 이를 통해 별도의 교환막 등이 요구되지 않을뿐더러 전력밀도 또한 향상시킬 수 있고 아울러 상용 소프트웨어를 통해 양극 전극(121) 및 음극 전극(125) 사이의 구분벽(127)의 폭을 제작함으로써 연료 역류 현상이 발생되는 것을 저지할 수 있다.3, regular irregularities 123 are formed on the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 of the microchannel 120 formed on the glass substrate 110 of this embodiment A separate exchange membrane or the like is not required and the power density can be improved and the width of the dividing wall 127 between the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 is made through commercial software, Can be prevented from being generated.

이러한 글래스 기판(110)은 복수 과정의 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 제작될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.The glass substrate 110 may be manufactured through a lift-off process of a plurality of processes. This will be described later.

한편, 본 실시예의 커버부(150)는, 마이크로 채널(120)이 형성된 글래스 기판(110)을 덮는 부분으로써 음극 전극(125)으로 연료를, 양극 전극(121)으로 산화제를 유입하는 유입구(160)들 및 배출을 위한 배출구(165)가 형성된다. 본 실시예의 커버부(150)는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 몰딩 방법을 적용하여 제작되는 커버부이다. 이러한 커버부(150)의 제작 과정에 대해서는 자세히 후술하기로 한다.The cover part 150 of the present embodiment covers the glass substrate 110 on which the microchannel 120 is formed and is provided with an anode 160 for supplying fuel to the anode electrode 125 and an inlet 160 for introducing the oxidant to the anode electrode 121 And an outlet 165 for discharging are formed. The cover part 150 of the present embodiment is a cover part made of PDMS (polydimethylsiloxane) by applying a molding method. The manufacturing process of the cover portion 150 will be described later in detail.

커버부(150)에 관통 형성되는 유입구(160)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, Y자 형상으로 마련되는 마이크로 채널(120)의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 커버부(150)에 관통 형성되어 음극 전극(125)으로 연료를 유입하는 연료 유입구(161)와, 마이크로 채널(120)의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 커버부(150)에 관통 형성되어 양극 전극(121)으로 산화제를 유입하는 산화제 유입구(162)를 포함할 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the inlet 160 formed in the cover part 150 is formed in a shape of a Y-shaped microchannel 120, A fuel inlet 161 formed to penetrate through the anode 150 and flow into the anode 125 and a fuel inlet 161 formed in the cover 150 so as to be positioned at a starting point of another branch of the microchannel 120, And an oxidant inlet 162 for introducing the oxidant into the electrode 121. [

즉, 연료 유입구(161)로 연료를 유입시키면 유입된 연료는 마이크로 채널(120)의 음극 전극(125)으로 공급되고, 산화제 유입구(162)를 통해 산화제를 유입시키면 유입된 산화제는 마이크로 채널(120)의 양극 전극(121)으로 공급되며, 이어서 각 전극(121, 125)과의 산화 환원 반응에 의해 소정의 전력밀도를 갖는 전기에너지를 생성할 수 있다.That is, when the fuel is introduced into the fuel inlet 161, the introduced fuel is supplied to the cathode electrode 125 of the microchannel 120, and when the oxidant is introduced through the oxidant inlet 162, And then the electric energy having a predetermined power density can be generated by the oxidation-reduction reaction with each of the electrodes 121 and 125.

부연 설명하면, 본 실시예의 경우, 유입되는 연료는 H2O2(0.25M)와 NaOH(0.25M)를 1:1의 비율로 혼합한 연료일 수 있으며, 산화제는 H2O2(0.25M)와 H2SO4(0.25M)를 1:1의 비율로 혼합한 산화제일 수 있다. 연료와 산화제는 소정의 유입 장치를 이용하여 각각의 유입구(161, 162)에 유입되며, 이때 측정 장치를 통해 유입되는 양을 측정할 수 있다. In other words, in this embodiment, the incoming fuel may be a fuel mixed with H 2 O 2 (0.25M) and NaOH (0.25M) in a ratio of 1: 1, and the oxidizing agent may be H 2 O 2 ) And H 2 SO 4 (0.25 M) at a ratio of 1: 1. The fuel and the oxidant flow into each of the inlets 161 and 162 using a predetermined inflow device, and the amount of the inflow through the measurement device can be measured.

한편, 배출구(165)는 산화 환원 반응 시 발생 가능한 수소 및 산소 기포가 배출되는 부분으로서 마이크로 채널(120)의 단부에 위치하도록 커버부(150)에 관통 형성될 수 있다.Meanwhile, the discharge port 165 may be formed in the cover portion 150 so as to be located at the end of the microchannel 120 as a portion through which hydrogen and oxygen bubbles that can be generated in the redox reaction are discharged.

이와 같이, 커버부(150)에 형성된 유입구(160; 161, 162)들로 연료 및 산화제를 마이크로 채널(120)에 유입함으로써 연료 및 산화제와 각 해당 전극(121, 125) 간의 산화 환원 반응이 발생될 수 있고, 이에 따라 종래보다 증대된 전력밀도를 갖는 전기에너지를 획득할 수 있다.As a result, the redox reaction between the fuel and the oxidant and the corresponding electrodes 121 and 125 is generated by introducing the fuel and the oxidant into the microchannel 120 through the inlets 160 and 161 formed in the cover 150 So that it is possible to obtain electric energy having a power density that is higher than that of the prior art.

한편, 전술한 글래스 기판(110) 및 커버부(150)는 제작된 후 상호 접착 방법에 의해 결합된다. 이에 대해서는 후술할 제조 방법에서 설명하기로 한다.On the other hand, the glass substrate 110 and the cover part 150 are fabricated and then bonded together by a bonding method. This will be described in the following manufacturing method.

한편, 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조 방법에 대해서 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 9. FIG.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법의 순서도이고, 도 6은 도 2에 도시된 글래스 기판의 제작 과정을 순차적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 2에 도시된 커버부의 제작 과정을 순차적으로 도시한 것으로, 유입구의 단면을 도시한 도면이며, 도 8은 도 2에 도시된 글래스 기판에 커버부를 접착하는 과정에 대해 도시한 도면이다.FIG. 5 is a flow chart of a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 6 is a view sequentially illustrating a manufacturing process of the glass substrate shown in FIG. 2, FIG. 8 is a view illustrating a process of adhering a cover part to the glass substrate shown in FIG. 2. Referring to FIG.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조 방법은, 다수의 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 글래스 기판(110) 상에 요철(123)이 있는 양극 전극(121) 및 상기 음극 전극(125)을 형성하는 글래스 기판 제작 단계(S100)와, 몰딩(molding) 방법에 의해 커버부(150)의 기본 형상을 제조한 후 펀칭(punching) 공정을 이용하여 커버부(150)의 기본 형상에 유입구(160) 및 배출구(165)를 관통 형성함으로써 커버부(150)를 제작하는 커버부 제작 단계(S200)와, 글래스 기판 제작 단계(S100)에 의해 제작된 글래스 기판(110)과 커버부 제작 단계(S200)에 의해 제작된 커버부(150)를 접착 방법에 의해 결합하는 결합 단계(S300)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, a method of manufacturing a microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a protrusion 123 on a glass substrate 110 through a plurality of lift- A glass substrate manufacturing step S100 for forming the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 and a punching process after the basic shape of the cover unit 150 is formed by a molding method A cover part manufacturing step S200 for manufacturing the cover part 150 by forming the inlet 160 and the discharging port 165 through the basic shape of the cover part 150 using the glass substrate manufacturing step S100 and the glass substrate manufacturing step S100 And a combining step S300 of bonding the manufactured glass substrate 110 and the cover part 150 manufactured by the cover part manufacturing step S200 by a bonding method.

먼저, 본 실시예의 글래스 기판 단계(S100)는, 3단계의 리프트 오프 단계를 구비할 수 있다.First, the glass substrate step S100 of the present embodiment may include a lift-off step of three stages.

먼저, 제1 리프트 오프 단계는, 도 6에 도시된 바와 같이, 글래스 기판(110) 상에 양성 감광제(111)를 스핀 코팅(spin coating) 방법에 의해 코팅 처리(#1)하고 전극이 형성될 부분(110a)을 포토 리소그래피(photo-lithography) 공정을 통해 제거(#2)한 후 제1 금속층(112)을 전면에 형성(#3)한 후 전극 형성 부분(110a)을 제외한 나머지 부분을 다시 제거(#4)하는 단계이다.6, a positive photoresist 111 is coated on the glass substrate 110 by a spin coating method (# 1), and an electrode is formed on the glass substrate 110 After the first metal layer 112 is formed on the entire surface (# 3) after removing the portion 110a through a photo-lithography process (# 2), the remaining portion excluding the electrode forming portion 110a is again formed (Step # 4).

이어서, 제2 리프트 오프 단계는, 제1 리프트 오프 단계를 통해 제1 금속층(112)이 형성된 글래스 기판(110)에 양성 감광제(113)를 다시 스핀 코팅 방법에 의해 코팅 처리(#5)하고 포토 리소그래피 공정을 통해 금속층(112)을 제외한 전극 형성 부분을 제거(#6)한 후 제2 금속층(114)을 전면에 형성(#7)한 다음 전극 형성 부분을 제외한 나머지 부분을 제거(#8)하는 단계이다.Next, in the second lift-off step, the positive photoresist 113 is coated again (# 5) on the glass substrate 110 on which the first metal layer 112 is formed through the first lift-off step, After the electrode formation portion except for the metal layer 112 is removed by lithography process (Step # 6), the second metal layer 114 is formed on the entire surface (Step # 7), and then the remaining portion except the electrode formation portion is removed (Step # 8) .

제3 리프트 오프 단계는, 제1 및 제2 금속층(112, 114)들이 형성된 글래스 기판(110)에 음성 감광제(115)를 코팅 처리(#9)한 후 금속층(112, 114)이 형성된 부분의 음성 감광제(115)를 제거하는 단계로서, 이 단계를 통해 요철이 형성된 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)을 구비한 글래스 기판(110)을 제작할 수 있다. 다시 말하면, 양극 전극(121)의 요철의 볼록부 및 음극 전극(125)의 요철의 볼록부가 각각 제1 및 제2 금속층(112, 114)을 포함하도록, 양극 전극(121)의 요철의 볼록부 및 음극 전극(125)의 요철의 볼록부에 대응하는 영역들에서 제2 금속층(114)은 제1 금속층(112) 상에 잔존될 수 있다. 또한, 양극 전극(121)의 요철의 오목부 및 음극 전극(125)의 요철의 오목부가 각각 제2 금속층(114)을 포함하지 않고 제1 금속층(112)을 포함하도록, 양극 전극(121)의 요철의 오목부 및 음극 전극(125)의 요철의 오목부에 대응하는 영역들에서 제1 금속층(112) 상의 제2 금속층(114)은 제거될 수 있다.The third lift-off step may include a step of coating (# 9) the negative photosensitizer 115 on the glass substrate 110 on which the first and second metal layers 112 and 114 are formed, The glass substrate 110 having the positive electrode 121 and the negative electrode 125 with the unevenness can be manufactured through this step. In other words, the convex portions of the irregularities of the anode electrode 121 and the convex portions of the irregularities of the anode electrode 121 are formed so as to include the first and second metal layers 112 and 114, And the second metal layer 114 may remain on the first metal layer 112 in regions corresponding to convexities of the irregularities of the cathode electrode 125. [ The concave portions of the irregularities of the anode electrode 121 and the concave portions of the irregularities of the cathode electrode 125 do not include the second metal layer 114 and include the first metal layer 112, The second metal layer 114 on the first metal layer 112 can be removed in the recesses of the recesses and the recesses of the recesses of the cathode electrode 125. [

이와 같이, 간단한 공정인 복수의 리프트 공정을 통해 요철(123)을 구비한 글래스 기판(110)을 제작할 수 있으며, 이에 따라 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 공정이 단순화를 구현할 수 있다. As described above, the glass substrate 110 having the concavities and convexities 123 can be manufactured through a plurality of lift processes, which is a simple process, thereby making it possible to reduce the manufacturing cost and simplify the manufacturing process.

한편, 커버부 제작 단계(S200)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 몰드(180)에 양성 감광제(181)를 스핑 코팅 방법에 의해 코팅(#11)한 후 포토 리소그래피에 의해 중앙 부분을 제거(#12)한 뒤, 경화제가 10 대 1 비율로 혼합된 PDMS(150)를 몰드(180)에 부은 후 소정 시간동안 경화(#13)시키고, 이어서 몰드(180)를 PDMS(150)로부터 분리함으로써 커버부(150)를 제작하는 단계이다. 7, the positive photoresist 181 is coated (# 11) on the mold 180 by a sputter coating method, and then the central portion is removed by photolithography (# 12), the PDMS 150 mixed with the curing agent in a ratio of 10: 1 is poured into the mold 180, and then hardened (# 13) for a predetermined time. Subsequently, the mold 180 is separated from the PDMS 150 Thereby fabricating the cover portion 150. As shown in FIG.

커버부 제작 단계(S200) 시 전술한 몰딩 방법에 의해 커버부(150)의 기본 형상을 만든 후 펀치 장비를 이용하여 유입구(160) 및 배출구(165)를 형성(#14)할 수 있다. In the cover part manufacturing step S200, the basic shape of the cover part 150 is formed by the molding method described above, and then the inlet 160 and the outlet 165 are formed (# 14) by using the punching machine.

한편, 본 실시예의 결합 단계(S300)에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 3-APS(190, 3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich)를 글래스 기판(110)을 향하는 커버부(150)의 일면에 도포한 뒤 O2 플라즈마로 표면 처리(#21)를 하고 이어서 글래스 기판(110)과 접착(#22)시킬 수 있다. 이어서, 오븐에 접착 결합된 마이크로 유체 연료 전지(100)를 넣어 열처리를 함으로써 결합 단계(S300)를 신뢰성 있게 마무리할 수 있다. 이때, 열처리 온도는 80℃이며, 대략 10분이 소요될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 3, a 3-APS (190, 3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied on one side of the cover part 150 facing the glass substrate 110 in the combining step S300 of the present embodiment (# 21) with an O 2 plasma and then adhered (# 22) to the glass substrate 110 after the application. Then, the microfluidic fuel cell 100 adhered to the oven 100 is inserted and heat-treated, thereby completing the combining step S300 reliably. At this time, the heat treatment temperature is 80 캜, and it may take about 10 minutes. However, the present invention is not limited thereto.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100) 및 그의 제조 방법에 따르면, 마이크로 채널(120)에 형성되는 요철(123)이 구비된 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)으로 인해 연료 역류 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시킬 수 있어 전력밀도의 크기를 증대시킬 수 있는 장점이 있다. As described above, according to the microfluidic fuel cell 100 and the method of manufacturing the same according to the embodiment of the present invention, the positive electrode 121 and the negative electrode 125 provided with the protrusions and depressions 123 formed in the microchannel 120 It is possible to prevent the fuel backflow phenomenon from occurring and also to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region, thereby increasing the size of the power density.

또한, 연료와 산화제가 마이크로 채널(120)의 음극 전극(125) 및 양극 전극(121)의 경로를 따라 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성함으로써 종래의 양성자 교환막을 구비할 필요가 없으며, 이로 인해 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 공정을 단순화할 수 있는 장점도 있다.It is also possible to provide a conventional proton exchange membrane by forming a liquid-liquid interface of fuel and oxidant by flowing the fuel and oxidant along the path of the cathode electrode 125 and the anode electrode 121 of the microchannel 120 There is an advantage that not only the production cost can be reduced but also the manufacturing process can be simplified.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.

100 : 마이크로 연료 전지 110 : 글래스 기판
120 : 마이크로 채널 121 : 양극 전극
123 : 요철 125 : 음극 전극
127 : 구분벽 130 : 연장부(전극 패턴)
150 : 커버부 160 : 유입구
165 : 배출구 180 : 몰드
190 : 3-APS100: Micro fuel cell 110: Glass substrate
120: microchannel 121: anode electrode
123: concave / convex 125: cathode electrode
127: division wall 130: extension part (electrode pattern)
150: cover part 160: inlet
165: outlet 180: mold
190: 3-APS

Claims (15)

양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)이 형성된 마이크로 채널을 구비하며, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극에 요철이 구비되는 글래스(glass) 기판; 및
상기 글래스 기판의 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 글래스 기판에 결합되며, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하고 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 유입구들과, 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구가 형성되는 커버부;
를 포함하는 마이크로 유체 연료 전지.
A glass substrate having a microchannel in which an anode and a cathode are formed, the anode and the cathode being provided with projections and depressions; And
An inlet connected to the glass substrate so as to cover the microchannel of the glass substrate and for introducing fuel into the cathode electrode and introducing an oxidant into the anode electrode; and a redox reaction between the fuel and the oxidant and the electrodes A cover having a discharge port for discharging a resultant material;
And a microfluidic fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 채널의 측벽은 음성 감광제 재질의 구조물인 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein a sidewall of the microchannel is a structure of a negative photosensitizer material.
제1항에 있어서,
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 사이에 상기 양극 전극과 상기 음극 전극을 구분하는 구분벽이 구비되며, 상기 구분벽의 폭은 상용 유체 해석 프로그램을 이용하여 유동 해석을 수행한 결과 결정되고, 상기 구분벽의 상부면은, 상기 양극 전극의 요철의 오목부 및 상기 음극 전극의 요철의 오목부보다 낮은 레벨에 위치하는 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
A partition wall separating the anode electrode and the cathode electrode is provided between the anode electrode and the cathode electrode and the width of the partition wall is determined as a result of performing a flow analysis using a commercial fluid analysis program, Is located at a level lower than the concave portion of the concavo-convex of the anode electrode and the concave portion of the concavo-convex of the cathode electrode.
제3항에 있어서,
상기 요철은 상기 구분벽을 기준으로 대칭되게 마련되되, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극의 길이 방향을 따라 규칙적으로 돌출 형성되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 3,
Wherein the protrusions and the protrusions are formed symmetrically with respect to the partition wall, and are regularly protruded along the longitudinal direction of the anode electrode and the cathode electrode.
제4항에 있어서,
상기 요철은, 상기 유입구들을 향하여 기울어지되, 상기 연료 및 상기 산화제가 진행하는 방향을 기준으로 30도 내지 60도의 사선 방향으로 마련되는 마이크로 유체 연료 전지.
5. The method of claim 4,
Wherein the concavities and convexities are inclined toward the inlets, and are provided in an oblique direction of 30 to 60 degrees with respect to a direction in which the fuel and the oxidant proceed.
제1항에 있어서,
상기 커버부는 PDMS(polydimethylsiloxane) 재질로 몰딩 방법에 의해 형성되며, 상기 유입구 및 상기 배출구는 펀칭 방법을 통해 상기 커버부에 형성되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the cover portion is formed of a PDMS (polydimethylsiloxane) material by a molding method, and the inlet and the outlet are formed in the cover portion by a punching method.
제1항에 있어서,
상기 유입구는,
Y자 형상으로 마련되는 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성되어 상기 음극 전극으로 상기 연료를 유입하는 연료 유입구; 및
상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성되어 상기 양극 전극으로 상기 산화제를 유입하는 산화제 유입구를 포함하며,
상기 배출구는 상기 마이크로 채널의 단부에 위치하도록 상기 커버부에 관통 형성되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
The inlet
A fuel inlet formed in the cover portion so as to be located at a starting point of one of two forked portions of the microchannel provided in a Y shape and to flow the fuel into the cathode electrode; And
And an oxidant inlet formed in the cover portion so as to be positioned at a starting point of another branch of the microchannel, the oxidant inlet flowing the oxidant into the anode electrode,
And the outlet is formed through the cover portion so as to be positioned at an end portion of the microchannel.
제1항에 있어서,
상기 글래스 기판의 일면과 상기 일면을 향하는 상기 커버부의 일면은 접착 방법에 의해 결합되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein one surface of the glass substrate and one surface of the cover portion facing the one surface are bonded by a bonding method.
제8항에 있어서,
상기 접착 시 3-APS(3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich)를 상기 커버부에 도포하고 O2 플라즈마로 표면 처리를 한 후 상기 커버부를 상기 글래스 기판에 접착 결합시키는 마이크로 유체 연료 전지.
9. The method of claim 8,
3-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied to the cover part, and the cover part is adhesively bonded to the glass substrate after surface treatment with O 2 plasma.
제1항에 있어서,
상기 글래스 기판에 상기 요철을 형성하기 위하여, 감광제 코팅(coating) 및 포토 리소그래피(photo lithography)가 적용되는 리프트 오프(lift-off) 공정이 복수 횟수로 실행되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein a lift-off process in which a photoresist coating and a photolithography are performed is performed a plurality of times in order to form the unevenness on the glass substrate.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법에 있어서,
다수의 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 상기 글래스 기판 상에 상기 요철이 있는 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극을 형성하는, 글래스 기판 제작 단계;
몰딩(molding) 방법에 의해 상기 커버부를 제조하는, 커버부 제작 단계; 및
상기 글래스 기판 제작 단계에 의해 제작된 상기 글래스 기판과 상기 커버부 제작 단계에 의해 제작된 상기 커버부를 접착 방법에 의해 결합하는, 결합 단계;
를 포함하는 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
The method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
A glass substrate manufacturing step of forming the anode electrode and the cathode electrode having the unevenness on the glass substrate through a plurality of lift-off processes;
A cover part manufacturing step of manufacturing the cover part by a molding method; And
A joining step of joining the glass substrate produced by the glass substrate manufacturing step and the cover part manufactured by the cover part manufacturing step by an adhesion method;
Wherein the method comprises the steps of:
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