KR101694576B1 - Microbial fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
다층 구조의 미생물 연료전지 및 그 제조방법이 제공된다. 미생물 연료전지는 산화챔버 공간과 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 산화전극부와, 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 하나 이상의 환원전극부를 포함하고, 산화전극부는 이온투과가 가능하고 산화챔버 공간을 제공하기 위한 홈이 형성된 제1막부재를 포함한다. 산화전극부는 제2막부재를 더 포함하여 제1막부재와 더불어 산화전극부를 형성한다.A multi-layered microbial fuel cell and a method of manufacturing the same are provided. A microbial fuel cell includes an oxidation electrode portion having an oxidation electrode disposed in an oxidation chamber space and an oxidation chamber space, a reduction chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space, and a reduction electrode disposed within the reduction chamber space. And the oxidized electrode portion includes a first membrane member which is permeable to ions and has a groove formed therein to provide an oxidation chamber space. The oxidation electrode portion further includes a second membrane member to form an oxidation electrode portion together with the first membrane member.
Description
본 발명은 미생물 연료전지 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 챔버를 가지는 미생물 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to the field of microbial fuel cells, and more particularly, to a microbial fuel cell having multiple chambers and a method of manufacturing the same.
일반적인 미생물 연료전지는 환원전극챔버, 산화전극챔버 및 두 챔버 사이에 배치되는 이온 교환막(proton exchange membrane, PEM)으로 구성된다. 이러한 기본적인 미생물 연료전지의 설계에서 단일 전지의 전력 효율과 관련하여 고려해야 할 점은 이온 교환막의 이온 전달 계수, 전극의 넓이, 촉매 물질의 종류, 매개체(mediator)의 효율 등이 있다.A typical microbial fuel cell consists of a reductive electrode chamber, an oxidizing electrode chamber, and a proton exchange membrane (PEM) disposed between the two chambers. In the design of such basic microbial fuel cells, considerations related to the power efficiency of a single cell include the ion transfer coefficient of the ion exchange membrane, the width of the electrode, the type of catalyst material, and the efficiency of the mediator.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional microbial fuel cell.
상술한 바와 같이 기존의 일반적인 미생물 연료전지의 경우, 도 1에서와 같이, 이온교환막(1)을 사이에 두고 양측에 산화전극부(2)와 환원전극부(3)가 배치된다. 산화전극부(2)에는 산화챔버가 환원전극부(3)에는 환원챔버가 구비된다. 이들 챔버에는 세포와 버퍼액을 포함하는 반응액이 수용되며, 각 챔버 내부에는 반응액과 접하도록 산화전극(4)과 환원전극(5)이 배치된다.As described above, in the conventional general microbial fuel cell, the
위와 같은 미생물 연료전지의 구조는 기본 구조에 해당하기 때문에, 전체 전력을 높이기 위해서 개선된 구조가 필요하다. 이를 위해 다양한 시도가 이루어지고 있지만, 그들은 구조, 공정 및 조립과정이 복잡하다는 문제점이 있었다.
Since the structure of the above-mentioned microbial fuel cell corresponds to the basic structure, an improved structure is required to increase the total electric power. Various attempts have been made to achieve this, but they have been problematic in that the structure, process and assembly process are complicated.
또한 연료전지의 구조에서 전력에 영향을 미치는 요인은 전력 생산 회로 내에서의 전압의 강하로 인한 손실이다. 이 손실은 크게 활성도 손실(activation losses), 저항 손실(ohmic losses), 물질 전달 손실(mass transfer losses)로 나눌 수 있다. 이 중 저항 손실은 전체 손실 중 가장 영향이 크며 전극 사이의 거리의 조절, 저항이 낮은 물질의 사용, 용액의 전도성 증가 등으로 그 크기를 최소화 할 수 있다. 구조적인 면에서 손실을 최소화하기 위해서는 각 전극 사이의 거리를 조절하여 전력을 극대화하는 것이 필요한데 기존의 미생물 연료전지의 경우 이온 교환막(PEM) 사이에 기둥 역할을 하는 층을 삽입하여 전극 사이의 거리를 조절한다.Also, the factor that affects power in the structure of the fuel cell is the loss due to the voltage drop in the power generation circuit. These losses are largely divided into activation losses, ohmic losses, and mass transfer losses. Among them, the resistance loss is the most influential among the total losses, and the size can be minimized by adjusting the distance between the electrodes, using a low resistance material, and increasing the conductivity of the solution. In order to minimize the structural loss, it is necessary to maximize the electric power by adjusting the distance between the electrodes. In the case of conventional microbial fuel cells, a layer serving as a pillar between the ion exchange membranes (PEM) .
본 발명은 다중층 전극챔버를 구비함으로써 전력이 극대화된 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell with maximized power by having a multi-layered electrode chamber.
본 발명은 제조 공정이 복잡하지 않은 다중층 전극챔버를 가지는 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell having a multi-layered electrode chamber in which the manufacturing process is not complicated.
본 발명은 환원전극과 산화전극 간 거리의 조절이 용이하여 저항 손실에 의한 전압 강하가 최소화된 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell in which the voltage drop due to resistance loss can be minimized by easily adjusting the distance between the reducing electrode and the oxidizing electrode.
본 발명은 대량 생산 공정을 통해 제조될 수 있는 미생물 연료전지를 제공한다.The present invention provides a microbial fuel cell that can be produced through a mass production process.
본 발명은 상술한 개선된 미생물 연료전지를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method of making the improved microbial fuel cell described above.
본 발명은 미생물 연료전지를 제공하며, 이는: 산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 산화전극부; 및 상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 하나 이상의 환원전극부;를 포함하고, 상기 산화전극부는 이온투과가 가능하고 상기 산화챔버 공간을 제공하기 위한 홈이 형성된 제1막부재를 포함한다.The present invention provides a microbial fuel cell comprising: an oxidation electrode portion having an oxidation chamber space and an oxidation electrode disposed inside the oxidation chamber space; And at least one reducing electrode portion having a reducing chamber space capable of being ion-exchanged with the oxidizing chamber space and a reducing electrode disposed in the reducing chamber space, wherein the oxidizing electrode portion is capable of ion- And a first film member having a groove formed thereon to provide the first film member.
상기 하나 이상의 환원전극부는 제1환원전극부와 제2환원전극부를 포함하고, 상기 산화전극부는 상기 제1 및 제2환원전극부 사이에 개재된다.The at least one reducing electrode portion includes a first reducing electrode portion and a second reducing electrode portion, and the oxidizing electrode portion is interposed between the first and second reducing electrode portions.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재를 더 포함하고, 상기 제2막부재는 이온투과가 가능하다.The oxidation electrode portion further includes a second membrane member disposed to cover an opening portion of the groove for the oxidation chamber space formed in the first membrane member, and the second membrane member is permeable to ions.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 밀착된다.Each of the first and second reduction electrode portions is in close contact with the outer surface of the first membrane member and the outer surface of the second membrane member of the oxidation electrode portion.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 가지는 환원챔버몸체를 포함하며, 각각의 환원챔버 공간의 홈의 개구부위가 밀폐되도록 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 각각 밀착된다.Wherein each of the first and second reduction electrode portions includes a reduction chamber body having a groove for providing the reduction chamber space, and the first portion of the oxidation electrode portion And is in close contact with the outer surface of the member and the outer surface of the second film member, respectively.
상기 제1 및 제2환원전극부는 광투과성 재질이다.The first and second reduction electrode portions are made of a light-transmitting material.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성되어 상기 산화챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제1기둥을 포함한다.The oxidation electrode portion includes a plurality of first pillars formed in the first film member or the second film member and disposed in the oxidation chamber space.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버몸체에 형성되고 상기 환원챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제2기둥을 포함한다.Each of the first and second reduction electrode portions includes a plurality of second pillars formed in the reduction chamber body and disposed in the reduction chamber space.
상기 제1기둥과 상기 제2기둥은 상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부가 이온교환이 가능하도록 배치될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩된다.The first column and the second column overlap each other when the oxidized electrode portion and the first and second reducing electrode portions are disposed so as to be ion-exchangeable.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 산화전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함한다.The oxidation electrode portion further includes an inlet / outlet connected to the oxidation chamber space formed in the first membrane member or the second membrane member, and a wiring exposure hole for external exposure of the oxidation electrode.
상기 제1 및 제2 환원전극부는 상기 환원챔버몸체에 형성된 상기 환원챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 환원전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함한다.The first and second reduction electrode units may further include an inlet / outlet connected to the reduction chamber space formed in the reduction chamber body and a wire exposure hole for exposing the reduction electrode.
상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트 사이에서 압착 결합된다.The oxidation electrode portion and the first and second reduction electrode portions are press-coupled between the first plate and the second plate of the assembly jig.
본 발명은 또한 미생물 연료전지를 제공하며, 산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 다수개의 산화전극부; 및 상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 다수개의 환원전극부;를 포함하고, 상기 다수개의 산화전극부와 상기 다수개의 환원전극부는 교번적으로 밀착 배치되며, 상기 다수개의 산화전극부의 적어도 일부와 상기 다수개의 환원전극부의 적어도 일부는 이온교환이 가능한 막부재로 상기 산화챔버 공간과 상기 환원챔버 공간을 형성한다.The present invention also provides a microbial fuel cell comprising: a plurality of oxidation electrode units having an oxidation chamber space and an oxidation electrode disposed inside the oxidation chamber space; And a plurality of reduction electrode units having a reduction chamber space capable of being ion-exchanged with the oxidation chamber space and a reduction electrode disposed in the reduction chamber space, wherein the plurality of oxidation electrode units and the plurality of reduction electrode units Wherein at least a part of the plurality of oxidation electrode parts and at least a part of the plurality of reduction electrode parts form the oxidation chamber space and the reduction chamber space by ion exchangeable membrane members.
상기 이온교환이 가능한 막부재 각각은 상기 산화챔버 공간 또는 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 구비하고, 상기 산화전극부와 상기 환원전극부는 인접한 다른 전극부에 의해 상기 홈이 밀폐된다.Each of the ion exchangeable membrane members has a groove for providing the oxidation chamber space or the reduction chamber space, and the oxidation electrode portion and the reduction electrode portion are sealed by another adjacent electrode portion.
본 발명은 또한 미생물 연료전지의 제조방법을 제공하며, 이 방법은: 산화전극부를 위한 부재와 제1 및 제2환원전극부를 각각 형성하는 단계; 및 상기 산화전극부를 위한 부재를 상기 제1환원전극와 상기 제2환원전극부 사이에 개배한 후 결합하는 단계;를 포함하고, 상기 산화전극부를 위한 부재는, 산화챔버 공간을 위한 홈을 가지는 제1막부재와, 상기 제1막부재의 홈의 개구부위를 밀폐하고 산화전극이 형성된 제2막부재를 포함하며, 상기 제1막부재와 상기 제2막부재는 이온교환이 가능한 막이다.The present invention also provides a method of manufacturing a microbial fuel cell, comprising: forming a member for an oxidizing electrode portion and a first and a second reducing electrode portion, respectively; And a step of interposing a member for the oxidation electrode part between the first reducing electrode and the second reducing electrode part and then coupling the member to the oxidizing electrode part, And a second membrane member that hermetically closes an opening of the groove of the first membrane member and has an oxidizing electrode, wherein the first membrane member and the second membrane member are ion exchangeable membranes.
상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 형성은: 몰드를 이용한 핫프레싱으로 상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 것이다.The formation of the first film member of the oxidation electrode portion is performed by: hot-pressing using a mold to form a groove for the oxidation chamber space.
상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성할 때 바닥면에는 상기 몰드에 의해 전사되는 다수개의 제1기둥이 함께 형성된다.When forming the grooves for the oxidation chamber space, a plurality of first pillars, which are transferred by the mold, are formed on the bottom surface.
상기 환원전극의 형성은, 식각을 통해 유리기판에 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 단계; 상기 환원챔버 공간을 위한 홈의 반대면에 마스크를 배치한 후 샌드블라스팅으로 유입/유출구 및 배선노출을 위한 구멍을 형성하는 단계; 및 상기 환원챔버 공간을 위한 홈 내부에 환원전극을 증착 형성하는 단계;를 포함한다.The formation of the reducing electrode may include forming a groove for the reduction chamber space on the glass substrate through etching; Forming a mask on the opposite side of the groove for the reduction chamber space and then forming an opening for inlet / outlet and wiring exposure by sandblasting; And depositing a reducing electrode within the groove for the reducing chamber space.
상기 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 식각에서 바닥면에 배치되는 다수개의 제2기둥이 같이 형성된다.A plurality of second pillars disposed on the bottom surface are formed in the etching for forming the grooves for the reduction chamber space.
상기 결합 단계는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트를 상하에 배치하여 결합한다.The joining step joins the first plate and the second plate of the assembly jig by arranging them vertically.
본 발명에 따르면 미생물 연료전지의 전력을 극대화시키기 위해 간단한 방식의 공정을 사용한 다층 챔버 개념의 미생물 연료전기가 제공된다. 이러한 다층 구조는 PEM 막 자체를 패터닝하여 챔버로 사용함으로써 적층 시 공정 및 조립의 복잡도를 줄일 수 있고, 환원전극과 산화전극 사이의 거리를 패터닝된 높이에 의해 쉽게 조절하여 저항 손실에 의한 전압 강하를 최소화할 수 있다. 특히, 본 발명은 미생물 연료전지는 반도체 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하다. 또한 본 발명은 미생물 연료전지의 구조는 다수개의 산화전극부와 환원전극부를 교번적으로 배치하는 구성에도 적용될 수 있다.According to the present invention, there is provided a multi-layer chamber concept microbial fuel cell using a simple process to maximize the power of a microbial fuel cell. This multilayer structure can reduce the complexity of the process and assembly during lamination by using the PEM film itself as a chamber by patterning and easily adjust the distance between the reducing electrode and the oxidizing electrode by the patterned height to reduce the voltage drop due to resistance loss Can be minimized. In particular, the microbial fuel cell of the present invention can be mass-produced using a semiconductor process. The structure of the microbial fuel cell of the present invention can also be applied to a configuration in which a plurality of oxidized electrode portions and a reduced electrode portion are alternately arranged.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 제조하는데 이용된 마스크 레이아웃이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지에 대한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 제조하는데 이용된 레이아웃이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 일부분과 조립품을 보여주는 사진으로서, 좌측은 환원전극부의 챔버를 나타내고, 우측은 연료전지 조립품을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 예에 따른 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정을 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정을 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 불산 식각 후 얻은 SEM 사진이다.
도 12는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 추가 식각 후 얻은 SEM 사진이다.
도 13은 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부를 제조하는 과정에서 유리기판의 추가 식각 시간에 따른 유리 기둥의 형상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부에서 환원전극을 패터닝한 후 얻는 사진 및 레이아웃이다.
도 15는 본 발명의 미생물 연료전지에 채용되는 환원전극부의 환원전극부를 패터닝한 후의 사진이다.
도 16은 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법에 채용되는 섀도우마스크를 제조하는 과정을 보여주는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법에 채용되는 니켈 몰드를 제조하는 과정을 보여주는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 제조에서 노광 시간에 따른 감광막의 사진 공정 후의 SEM 사진이다.
도 19는 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 SEM 사진이다.
도 20은 본 발명의 제조방법에 채용된 니켈 몰드의 두께를 보여주는 SEM 사진이다.
도 21는 니켈 몰드로부터 전사된 산화전극부의 각 부위에 대한 표면측정 결과를 보여주는 사진이다.
도 22는 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부 제조에서 패턴이 전사된 나피온막을 건조시킨 후 표면 프로파일을 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 23은 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부의 산화전극 제조와 비교를 하기 위해 도시한 사진이다.
도 24는 본 발명의 미생물 연료전지의 산화전극부의 산화전극 제조 과정을 보여주는 도면이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional microbial fuel cell.
2 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is an exploded perspective view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a mask layout used to fabricate a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a schematic cross-sectional view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a layout used for manufacturing a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing a part and an assembly of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention, wherein the left side shows the chamber of the reduction electrode part and the right side shows the fuel cell assembly.
8 is a cross-sectional view schematically showing a microbial fuel cell according to another example of the present invention.
9 is a block diagram illustrating a process of manufacturing the microbial fuel cell of the present invention.
10 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a reduction electrode unit employed in the microbial fuel cell of the present invention.
FIG. 11 is a SEM photograph of a glass substrate obtained by etching with a hydrofluoric acid in the process of manufacturing a reduced electrode part used in the microbial fuel cell of the present invention.
12 is a SEM photograph obtained after further etching of a glass substrate in the process of manufacturing a reduction electrode part used in the microbial fuel cell of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing a change in shape of a glass column according to an additional etching time of a glass substrate in the process of manufacturing a reducing electrode unit employed in the microbial fuel cell of the present invention.
FIG. 14 is a photograph and layout obtained after patterning the reduction electrode in the reduction electrode portion employed in the microbial fuel cell of the present invention.
15 is a photograph of the reduction electrode portion employed in the microbial fuel cell of the present invention after patterning the reduction electrode portion.
16 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a shadow mask employed in the method for manufacturing a microbial fuel cell of the present invention.
17 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a nickel mold used in the method for manufacturing a microbial fuel cell of the present invention.
18 is an SEM photograph of the photoresist film after the photolithography process according to the exposure time in the production of the nickel mold employed in the manufacturing method of the present invention.
19 is an SEM photograph of a nickel mold employed in the manufacturing method of the present invention.
20 is a SEM photograph showing the thickness of the nickel mold employed in the manufacturing method of the present invention.
21 is a photograph showing the results of surface measurement for each part of the oxidation electrode portion transferred from the nickel mold.
22 is a view showing a result of measuring the surface profile after drying the Nafion membrane transferred with the pattern in the manufacture of the oxidized electrode part of the microbial fuel cell of the present invention.
FIG. 23 is a photograph showing the oxidation electrode portion of the microbial fuel cell of the present invention for comparison with the production of an oxidation electrode.
24 is a view showing a process of manufacturing an oxidizing electrode of the oxidized electrode portion of the microbial fuel cell of the present invention.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 참고적으로 이해의 편의를 위해 도면에서 산화전극은 어노드(anode), 환원전극은 캐소드(cathode)로 표시되기도 하였다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the preferred embodiments of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. For the sake of convenience, the anode electrode is referred to as an anode electrode and the reducing electrode electrode is referred to as a cathode electrode.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지 대한 개략적인 단면도를 나타낸다.2 is a schematic cross-sectional view of a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 산화전극부(11)와, 산화전극부(11)의 상하면에 배치되는 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)를 포함한다.2, a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention includes an
산화전극부(11)는 산화챔버 공간(111)과 산화챔버 공간(111) 내부에 배치되는 산화전극(112)을 구비한다. 이러한 산화전극부(11)는 바람직하게는 나피온과 같은 이온교환막인 제1막부재(113)와 제2막부재(114)로 이루어진다.The
따라서 본 발명의 산화전극부(11)를 형성하는 제1막부재(113)와 제2막부재(114)가 제1 및 제2환원전극부(21, 22)와의 분리막 역할을 하게 된다.Therefore, the
제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 산화챔버 공간(111)과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간(211)을 가진다. 환원챔버 공간(211) 내부에는 환원전극(212)이 배치된다. 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 유리와 같은 광투광성 재질로 환원챔버몸체(210)가 형성된다.The first and second reducing
이상과 같이 본 발명의 미생물 연료전지는 다중층으로 이루어진 구조이며, 산화챔버 공간(111)과 환원챔버 공간(211)은 부재들이 결합될 때 실질적으로 완성된다. 다시 말해서, 산화챔버 공간(111)은 제1막부재(113)와 제2막부재(114)가 결합되어 형성된다. 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)의 환원챔버 공간(211)은 그들이 제1막부재(113)의 외면과 제2막부재의 외면에 각각 결합되면서 형성된다.As described above, the microbial fuel cell of the present invention has a multi-layer structure, and the
따라서, 결합되어 각 챔버 공간(111, 211)을 형성하기 전에 산환전극부의 제1막부재(113)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)의 환원챔버몸체(210)에 형성되는 홈은 각각 산화챔버 공간을 위한 홈과 환원챔버 공간을 위한 홈이라고 부를 수 있다.Therefore, it is preferable that the
즉, 산화챔버 공간(111)은 제1막부재(113)에 형성된 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재(114)가 결합될 때 완성된다.That is, the
산화전극부(11)는 제1막부재(113) 또는 제2막부재(114)에 형성되어 산화챔버 공간(111) 내에 배치되는 다수개의 제1기둥(115)을 포함한다.The
제1 및 제2환원전극부(22) 각각은 환원챔버몸체(210)에 형성되고 환원챔버 공간(211) 내에 배치되는 다수개의 제2기둥(215)을 포함한다.Each of the first and second
도 5 및 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 제1기둥(115)과 제2기둥(215)은 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(22)가 이온교환이 가능하도록 배치될 때, 즉 결합될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩된다. 도 5에서는 기둥(115, 215)들이 정확한 위치에 도시되지 않았지만 이해의 편의를 위해서 도시되었다. 실제의 기둥(115, 215)들은 도 6의 레이아웃과 같이 분포될 수 있다.5 and 6, the
산화전극부(11)는 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 제1막부재(113) 또는 제2막부재(114)에 형성되어 산화챔버 공간(111)과 연결되는 유입/유출구(116)와, 산화전극(112)의 외부 노출을 위한 배선(117)이 노출되는 배선노출홀(118)을 더 포함한다.The
마찬가지로, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 환원전극부(21, 22)는 환원챔버몸체(210)에 형성되어 환원챔버 공간(211)과 연결되는 유입/유출구(216)와 환원전극(212)의 외부 노출을 위한 배선(217)이 노출되는 배선노출홀(218)을 더 포함한다.4, the first and second
도 3에서 알 수 있는 바와 같이 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 조립지그(30)의 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32) 사이에서 압착 결합된다. 결합을 위해 커넥터와 같은 결합구가 이용될 수 있다.3, the
도 7은 조립이 완성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 보여주는 사진이다.7 is a photograph showing a microbial fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention in which the assembly is completed.
도 8은 본 발명의 미생물 연료전지의 다른 예를 도시한 도면이다. 본 발명의 다른 예는 상술한 바람직한 실시예에서 설명한 산화전극부(11)의 부재로 이용되는 제1막부재(113)와 유사한 형태를 가지는 이온교환막을 중간부에 복수층으로 적층하여 산화전극부와 환원전극부를 교번적으로 적층한 구조이다. 이 경우에는 산화전극부와 환원전극부가 교변적으로 적층되는 방식으로 형성된다. 그 외 나머지 부재 및 요소들은 위의 바람직한 실시예에서 설명한 대응 요소들과 동일하거나 유사할 수 있다. 이러한 교번적인 다층 구조에서도 바람직하게는 최상 및 최하층에는 유리와 같은 상대적으로 견고한 재질로 형성될 수 있다.8 is a view showing another example of the microbial fuel cell of the present invention. Another example of the present invention is an ion exchange membrane having a shape similar to that of the
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 미생물 연료전지의 제조방법을 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the microbial fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
제조 실시예Manufacturing Example
바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지를 아래와 같이 제작하였다. A microbial fuel cell according to a preferred embodiment was made as follows.
도 9에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정은 크게 유리 챔버 제작, 섀도 마스크 제작, 니켈 몰드 제작, 나피온 패터닝의 네 가지로 나누어진다. 유리 기판, 섀도 마스크, 니켈 몰드는 각각 별도로 제작되며 산화전극부(11)의 제1막부재(113)로서 나피온막이 미리 제작된 니켈 몰드를 이용해 열 압착(hot pressing) 방식으로 패터닝된다. 산화전극(112)과 환원전극(212)은 제2막부재(114)와 환원전극부의 환원챔버몸체(210)에 실리콘을 섀도마스크로 이용하여 각각 증착된다. 그 후 제작된 산화전극부(11)와 제1 및 제2환원전극부(21, 22)는 조립지그(30)를 이용해 조립되어 다층 구조의 연료전지가 완성된다. 환원전극부(21, 22)의 환원챔버몸체(210)는 유리기판을 적용하고, 산화전극부(11)의 제1막부재(113)와 제2막부재(114)는 나피온을 적용하였다.As can be seen from FIG. 9, the manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention is roughly classified into glass chamber fabrication, shadow mask fabrication, nickel mold fabrication, and Nafion patterning. The glass substrate, the shadow mask, and the nickel mold are separately prepared, and the
<다중 챔버를 갖는 간접 추출 방식 광합성 세포전지의 설계><Design of indirect extraction-type photosynthetic cell battery with multiple chambers>
산화전극부(11)를 나피온막으로 제조하고, 그 상하면에 각각 제1환원전극부(21)와 제2환원전극부(22)를 배치하는 구조를 제조하였다.A structure was manufactured in which the
산화전극부(11)는 예로서 나피온막과 같은 2개의 이온교환막을 이용하여 제조할 수 있다. 도시한 예와 같이, 2개의 막중 제1막부재(113)에 산화챔버 공간(111)을 위한 홈을 형성하고, 또한 제2막부재(114)에 산화전극(112)을 형성한 후, 최종적으로 이들을 부착하는 방식으로 제조될 수 있다.The
도시한 실시예에서는 산화챔버 공간(111)이 패터닝된 제1막부재(113)와 평평한 제2막부재(114)를 이용하였고, 제2막부재(114)에는 산화전극(112)이 형성된다. 제1막부재와 제2막부재의 부착은 예를 들어 조립단계에서 압착으로 구현될 수 있다. 산화챔버 공간(111)의 높이 설계에 따라 환원전극부(21, 22)들과의 거리 조절이 가능하다.In the illustrated embodiment, the
일반적으로 미생물 연료전지의 효율은 환원전극의 넓이에 의해 결정되는데, 위 아래에 두 개의 환원전극을 배치하여 전력 생산의 효율을 높이는 것이 가능하다.In general, the efficiency of the microbial fuel cell is determined by the area of the reducing electrode. It is possible to increase the efficiency of power production by arranging two reducing electrodes at the upper and lower sides.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 상술한 바와 같이 산화챔버 공간(111)의 상하면 각각에 제1환원전극부(21)와 제2 환원전극부(22)가 배치된다. 제1환원전극부(21)와 제2 환원전극부(21)는 예를 들어 유리기판에 각각 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성한 후 산화전극부(11)의 상하면에 각각 부착하는 방식으로 최종적으로 제조되었다. 따라서, 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지는 2개의 환원전극부(21, 22)를 구비하며, 전체 구조는 총 4개의 층으로 제작되었다. 이는 도면에서 알 수 있는 바와 같이 제2환원전극부(22), 제1 환원전극부(21), 그리고 산화전극부(11)를 위한 나머지 2개의 층으로 이루어진다.In the microbial fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, the first reducing
나피온 재질의 산화전극부(11)와 유리재질의 제1 및 제2환원전극부(21, 22)들은 각각 유입/유출구(116, 216)를 따로 구비하며 이들은 분리된 주입이 가능하다(도 4 참조)The
즉, 도 4의 레이아웃 상에서 보이는 바와 같이 세로방향으로 배치된 환원전극부(21, 22)의 환원챔버 공간(211)을 위한 유입/유출구(216)가 있고, 가로방향으로 배치된 산화전극부(11)의 산화챔버 공간(111)를 위한 유입/유출구(116)가 있다. 그리고 도 5에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 아래, 위, 두 개의 환원챔버 공간(211)들은 유입구와 유출구(216)를 공유하여 향후 다층 챔버 구조로 확장하였을 때도 유입/유출구의 개수를 늘리지 않아도 되도록 간단한 구조로 설계되었다.That is, as shown in the layout of FIG. 4, there are an inlet /
산화전극부(11)의 챔버와 환원전극부(21, 22)의 챔버가 서로 겹쳐 반응이 일어나는 챔버의 유효 면적은 1 cm × 1 cm의 정사각형이며, 유입/유출구(116, 216)와 산화전극(112) 및 환원전극(212)을 외부로 연결시키기 위한 배선(117, 217)의 노출을 위한 구멍(118, 218)은 3 mm의 원으로 설계하였다.The effective area of the chamber in which the chamber of the
이상과 같이 설계된 각 요소들은 도 3에 도시한 바와 같이 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32)로 이루어진 조립지그(30)를 이용하여 압착시킨다. 압착 후 전극 연결을 위해 전도성 에폭시와 같은 전도성 물질(119)을 배선(117, 217)이 노출된 구멍(118, 218)들에 채워 넣게 된다.Each element designed as described above is compressed by using the
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 설계에서 중요하게 고려한 부분은 중간층 부위에 위치한 PEM의 성질을 가진 2장의 나피온막(제1막부재 및 제2막부재)으로 이루어진 산화전극부(11)의 산화챔버 공간(111) 내에서 미세유로를 신뢰성있게 확보하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 산화챔버 공간(111) 및 환원챔버 공간(211) 들 중 적어도 어느 하나의 내부, 바람직하게는 모두의 내부에 적어도 하나 이상의 기둥(115, 215)을 형성함으로써 나피온과 같이 유연한 막이 변형되는 것을 방지한다.In the design of the microbial fuel cell according to the preferred embodiment of the present invention, an important part of the design of the microbial fuel cell includes an oxidized electrode part made of two Nafion membranes (first membrane member and second membrane member) Thereby reliably securing the micro channel in the
이러한 다수개 형성되는 기둥(115, 215)은 각 챔버 공간을 위해 형성되는 홈의 바닥면에 형성하는 방식으로 구현될 수 있다.The plurality of
또한, 바람직하게는 기둥(115, 215)이 적어도 2개의 챔버 공간 이상에 형성될 경우에는 기둥들은 조립될 때 서로 부분적으로 중첩되도록 배치함으로써 서로 지지할 수 있도록 하였다.In addition, preferably, when the
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지의 산화전극부(11)와 환원전극부(21, 22)에 대한 레이아웃을 보여주는 도면이다. 좌측은 산화전극부(11)에 대한 레이아웃을 나타내고, 중앙은 환원전극부(21)에 대한 레이아웃을 나타내며, 우측은 두 전극부를 겹친 레이아웃을 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 각 챔버 공간 내에 형성되는 기둥(115, 215)들은 인접하는 층의 챔버 공간 내에 형성된 대응하는 위치에 형성된 기둥(115, 215)들이 서로 부분적으로 겹쳐지도록 형성된다.FIG. 6 is a view showing a layout of the oxidizing
제조 실시예에서는 중앙층 부위에 배치되는 산화전극부(11) 내에 있는 기둥(115)은 폭 50 μm, 길이 400 μm, 간격 100 μm로 설계되었고 환원전극부(21, 22) 내에 있는 기둥(215)은 폭 100 μm, 길이 400 μm, 간격 100 μm로 설계되었다. 그러나 이러한 수치에 한정되는 것이 아님은 자명하다.In the manufacturing example, the
공정 후 각 층을 조립했을 때 도 6의 우측도면에서와 같이 인접하는 층의 대응하는 위치의 기둥(115, 215)들은 서로 겹쳐져서 압착 조립 시의 압력에 대해 서로 지지할 수 있게 된다.When the layers are assembled after the steps, as shown in the right drawing of FIG. 6, the
도 9는 본 발명의 미생물 연료전지의 제조과정을 나타낸 블록도이다.9 is a block diagram illustrating a process of manufacturing the microbial fuel cell of the present invention.
본 발명의 미생물 연료전지의 제조 과정은 유리기판과 나피온막에 각각의 챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 과정과, 전극을 형성하는 과정, 및 조립과정을 포함한다.The manufacturing process of the microbial fuel cell of the present invention includes forming a groove for each chamber space in a glass substrate and a Nafion membrane, forming an electrode, and assembling the electrode.
유리와 나피온막에 형성되는 챔버 공간을 위한 홈과 각 챔버 내부에 배치되는 전극은 각각 별도의 공정을 통해 제조된다. 이를테면, 유리기판에 챔버 공간을 위한 홈을 형성할 경우에는 습식각 및 샌드블라스팅을 이용한다. 나피온막에 챔버공간을 위한 홈을 형성할 경우에는 니켈 몰드를 이용하여 열압착하여 형성할 수 있다. 유리 챔버와 나피온막 챔버 내에 형성되는 전극은 섀도우마스크를 이용하여 증착 형성할 수 있다.
The grooves for the chamber space formed in the glass and Nafion membrane and the electrodes disposed in each chamber are manufactured through separate processes. For example, when forming a groove for a chamber space on a glass substrate, a wetting angle and sandblasting are used. In the case of forming the groove for the chamber space in the Nafion membrane, it can be formed by thermocompression using a nickel mold. The electrodes formed in the glass chamber and the Nafion membrane chamber can be deposited using a shadow mask.
<유리 재질 챔버의 제조>≪ Preparation of Glass Material Chamber >
유리 재질로 제조된 전극부는 바람직하게는 산화전극부(11)의 상하면에 배치되는 제1 및 제2환원전극부(21, 22)일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미생물 연료전지에서는 환원전극부(21, 22)가 유리 재질로 제조된다.The electrode part made of glass may preferably be the first and second
먼저, 도 10에서와 같이 유리기판(20)에 환원챔버 공간(211)을 위한 홈을 형성한다. 이를테면, 본 실시예에서는 유리기판(20)은 붕규산염 유리(borosilicate glass) 재질의 4 인치 웨이퍼를 이용할 수 있다. 유리기판(20)의 표면에 식각마스크층(41)을 형성한다. 식각마스크층(41)의 형성은 예를 들어 저기압 화학기상증착 방법을 이용하여 무정형 실리콘(amorphous silicon)을 유리기판(20) 표면에 형성한 후 사진/식각 공정을 이용하여 홈이 형성될 부위의 무정형 실리콘을 제거한다. 무정형 실리콘은 불산 공정에 일반적으로 쓰이는 금 박막에 비해 식각 과정에서 일어나는 기계적인 변형이 작아 유리의 식각 깊이가 깊은 경우 일정한 각도의 식각 면 형성에 적합하다. 이어, 드러난 유리기판 부위를 49 %의 불산 용액을 이용하여 일정 시간 동안 습식각함으로써 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성한다.First, as shown in FIG. 10, a groove for the
이어, 식각마스크층(41)인 무정형 실리콘을 제거한 후, 유입/유출구(216) 및 배선노출홀(217)을 형성한다. 이는 샌드블라스트(sand blasting) 공정을 이용할 수 있다. 이를테면, 유리기판(20)의 뒷면에 마스크(42)로서 감광성 필름(dry film photoresist: DFR)을 형성한 후 샌드블라스팅으로 관통하는 홀들을 형성한다. Then, after the amorphous silicon which is the
마스크(42)를 제거한 후 챔버 공간을 위한 홈 저면에 환원전극(212)을 위한 전극층을 형성한다. 여기서의 전극층은 배선노출홀(217)까지 연장되는 배선부위를 포함하는 것일 수 있다. 이러한 환원전극(212)은 예로서 대표적인 투명전극 물질인 ITO(5000 Å)를 스퍼터링을 이용하여 증착할 수 있다. 바람직하게는 식각으로 인해 단차를 가지는 챔버 공간을 위한 홈에 ITO를 패터닝하기 위해 후술하는 바와 같은 실리콘 섀도우마스크를 이용하였다.
After the
유리 재질로 된 환원전극부(21, 22)는 불산 습식 식각 시간에 따라 챔버의 높이가 다르게 제작되었다. 초당 수직 방향 식각 깊이는 1.06~1.08 μm/s으로 측정되었고 목적으로 하는 20 μm 높이의 챔버를 제작할 수 있었다.The
아래 표 1은 불산 습식 시간에 따른 유리 식각 깊이와 너비를 나타낸다.Table 1 below shows the glass etch depth and width with the hydrofluoric acid wetting time.
도 11은 유리기판(20)의 불산 식각 후 얻은 SEM 사진이다.11 is a SEM photograph of the
SEM 사진에서 알 수 있는 바와 같이 불산 용액이 식각마스크층(41)인 실리콘마스크 이외의 부분을 등방성 식각한 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에서 이용한 불산에 의한 등방성 식각은 마스크 아래면과 식각면 사이의 각이 날카롭게 형성할 수 있다. 이 경우, 전극의 증착 시 날카로운 가장자리 부분에서 저항이 크게 증가하여 전지로 활용 시 손실이 증가할 가능성이 크다.As can be seen from the SEM photograph, it can be seen that the portion of the hydrofluoric acid solution other than the silicon mask which is the
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 식각마스크층(41)을 제거한 후 유리기판(20)에 대해 불산 용액을 이용한 추가 식각 공정을 진행하였다. 이 경우 식각마스크층(41)으로 가려져 있던 면도 식각이 진행되므로 날카로운 가장자리 부분이 다소 무뎌지게 된다. 실제 제작에서 챔버 공간을 위한 홈의 형성을 위해 불산 용액에 200 초간 식각했던 유리기판(20)을 식각마스크층(41) 제거 후 최대 164 초까지 추가 식각하였고, 그 결과 가장자리 부분의 각도가 96˚에서 118˚까지 증가하였다. 도 12는 식각마스크층(41) 제거후 추가 식각 시간에 따른 식각면 각도의 변화를 보여주는 사진이다. 도 13은 추가 식각 시간에 따른 유리 기둥 형상의 변화를 나타내는 그래프이다.Accordingly, after the
전극층을 형성하기 위해, 환원 전극 물질인 ITO를 환원챔버 공간(211)을 위한 홈 전면에 스퍼터링 공정으로 5000Å증착되었다. 이때 상술한 바와 같이 배선노출홀(217)을 통해 노출되기 위한 배선 부위도 함께 증착할 수 있다. 스퍼터링 증착공정은 여타 다른 금속 박막 증착 방식에 비해 스텝커버리지가 좋아 챔버 가장자리의 저저항 연결을 위해 적합한 방식이다. 전극 패터닝을 위해 쓰이는 실리콘 섀도우마스크와 유리 기판의 정렬 허용 오차는 x축 방향으로 145.6 μm, y 축 방향으로 105.6 μm 로 챔버 너비 대비 2 % 이내의 오차를 보였다.In order to form an electrode layer, ITO, which is a reducing electrode material, was deposited at 5000 ANGSTROM by a sputtering process on the entire surface of the groove for the
도 14는 환원전극부의 패터닝이 완료된 유리기판의 챔버 공간을 위한 홈에 대한 확대 사진이다. 도면에서는 레이아웃에 대응되는 부위를 확대하여 보여준다. 또한 도 15는 환원전극부 패터닝이 완료된 사진이다.
14 is an enlarged view of a groove for a chamber space of the glass substrate on which the patterning of the reduction electrode portion is completed. In the drawing, the portion corresponding to the layout is enlarged and shown. 15 is a photograph showing completion of patterning of the reducing electrode portion.
<섀도우마스크의 제조>≪ Manufacture of shadow mask &
환원전극(212) 및 산화전극(112)을 상술한 환원챔버 공간(211)과 후술되는 산화챔버 공간(111)에 증착 형성하기 위해 실리콘 재질의 섀도우마스크를 이용하였다. 이러한 섀도우마스크의 제조에 대해서는 도 16에 도시되었다.A silicon shadow mask was used to deposit the reducing
실리콘은 DRIE(deep reactive silicon etching) 공정을 이용한 이방성 식각이 가능하고 기타 금속에 비해 기계적인 강도가 우수해 공정 시 아래 기판과 잘 분리되지 않기 때문에 섀도우마스크로써 적합한 재질이다. 두께 525 μm의 4 인치 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판(50)으로 이용하였다. 기판(50) 위에 식각마스크(43)을 사진 식각 공정을 통해 형성하였다(도 16(a)). DRIE를 위한 식각마스크(43)는 4 μm 두께의 SiO2 박막이 사용되었다. DRIE 공정은 실리콘이 관통될 때까지 진행되며(도 16(b)) 관통을 확인한 후 식각마스크(43)를 제거한다.
Silicon can be anisotropically etched using deep reactive silicon etching (DRIE) process. It is a material suitable as a shadow mask because it has excellent mechanical strength compared to other metals and can not be separated from the substrate below. A 4-inch single crystal silicon wafer having a thickness of 525 μm was used as the
<니켈 몰드 제조>≪ Preparation of nickel mold &
나피온과 같은 이온교환막을 이용하여 산화전극부(11)를 제조하는 데에는 니켈 몰드(60)를 이용한 핫프레싱(hot pressing)을 이용하였다. 따라서 산화전극부(11)의 제조에 앞서 니켈 몰드(60)를 아래와 같이 제조한다.Hot pressing using a
도 17(a)내지 17(d)는 본 발명에 이용되는 니켈 몰드(60)를 제조하는 과정을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.17 (a) to 17 (d) are cross-sectional views illustrating the process of manufacturing the
본 발명에서 니켈 몰드(60)는 예를 들어 전해 도금 공정을 이용해 제조된다. 먼저, 4 cm × 4 cm 크기의 스테인레스 스틸 플레이트(stainless steel plate) 기판(61) 상에 도금 씨앗층(62)으로써 Cr/Ni 박막을 200/1000 Å의 두께로 열증착(thermal evaporation)한다. 이어 도금 몰드층(63)으로서 SR-151N 감광막을 니켈 박막 위에 패터닝한다.In the present invention, the
도 18은 노광 시간에 따른 도금 몰드층으로서의 감광막의 SEM 사진이다. 니켈 도금을 위한 도금 몰드층(63)으로 사용되는 JSR 151N 감광막은 20 ~ 80 μm 두께의 도포가 가능한 음성 감광막으로써 노광량에 따라 몰드의 각도가 결정된다. 도 18의 사진과 같이 노광량을 40초와 50초(14 mW)로 각각 진행한 사진 공정에서 두 경우 모두 노광 및 현상 조건이 적합한 것을 알 수 있으며 높이는 노광 시간 40초의 경우 58.4 μm, 50초의 경우 60.4 μm로서 목표로 하는 도금 높이 20 μm보다 높게 형성되었다.18 is an SEM photograph of a photosensitive film as a plating mold layer according to an exposure time. The JSR 151N photosensitive film used as the
감광막으로 도금 몰드층(63)를 형성한 후 니켈 도금(64)은 설파민산욕 도금액을 이용해 진행한다(도 17(c)). 와트욕 도금액의 경우 넓은 크기의 니켈 패턴이 도 19의 오른쪽 2 개의 사진에서 보이는 바와 같이 위로 들리는 현상이 발생하였다. 이는 도금액 조성 종류에 따른 니켈 응력 차이와 씨앗층과 기판의 접착력 저하에 의한 것으로 보인다. 그러나 도 19의 왼쪽 2개의 사진에서 보이는 바와 같이 설파민산욕 도금액의 경우 낮은 전류 밀도, 니켈을 씨앗층으로 사용한 조건에서 문제가 발생하지 않았다.After the
아래 표 2는 본 발명의 실시예에서 적용한 니켈 도금 조건을 나타내며, 도 20은 얻어진 니켈 도금 두께를 보여주는 SEM 사진이다.Table 2 below shows the nickel plating conditions applied in the examples of the present invention, and FIG. 20 is a SEM photograph showing the obtained nickel plating thickness.
<임프린팅을 이용한 이온교환막에 산화챔버 공간 제조><Preparation of Oxidation Chamber Space on Ion Exchange Membrane Using Imprinting>
나피온 117 멤브레인 막에 미세유체채널(microfluidic channel) 구조를 형성하기 위하여 마이크로 사이즈 패턴을 가진 상술한 니켈 몰드(60)를 이용하여 핫프레싱 방식으로 전사한다.In order to form a microfluidic channel structure on the
일반적으로 핫플레싱의 조건은 고분자가 가지는 전이온도(Tg)보다 50~90℃ 높은 온도에서 압착을 통행 성형하지만 나피온의 경우 고온에서 노출 시 수분흡수(water uptake) 양이 감소하여 이온전도도(proton conductivity)가 감소하므로 Tg 부근에서 실험을 진행하였다.In general, the hot freshening condition is the compression molding at 50-90 ° C higher than the transition temperature (Tg) of the polymer. However, in case of Nafion, the amount of water uptake decreases when exposed to high temperature, the proton conductivity was decreased. Therefore, the experiment was performed near Tg.
압착을 위하여 80℃, 5wt%의 과산화수소에서 1시간 동안 처리한다. 이것을 증류수 80℃에서 1시간 정도 헹구어 낸 다음 0.5M 황산에서 1시간 동안 처리하고 다시 80℃ 증류수에서 1시간 정도 처리한 나피온을 수화시킨 상태에서 표면의 물기만 제거 한 후 압착하여 패턴의 형상을 표면측정기(surface profiler)를 이용하여 측정하였으며 수분 흡수 양에 양에 따른 패턴 높이를 측정하였다.It is treated for 1 hour at 80 ℃ and 5wt% hydrogen peroxide for squeezing. This was rinsed in distilled water at 80 ° C for about 1 hour, treated in 0.5M sulfuric acid for 1 hour, treated again in 80 ° C distilled water for about 1 hour, hydrated, and the surface water was removed. Surface profiler was used to measure the pattern height according to the amount of moisture absorption.
도 21의 (a) 내지 도 21의 (f)는 니켈 몰드로부터 전사된 각 부위(도 21(a) 참조)에 대한 표면측정 결과를 보여주는 사진이다. 도면에서 (b)는 (a)의 ①, (c)는 (a)의 ②, (d)는 (a)의 ③, (e)는 (a)의 ④, (f)는 (a)의 ⑤, (g)는 (a)의 ⑥, 그리고 (h)는 (a)의 ⑦에 각각 대응한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 전사된 나피온막의 표면측정 결과를 통해 전체적으로 균일한 높이의 패턴이 성공적으로 전사되었음을 확인할 수 있었다.Figures 21 (a) to 21 (f) are photographs showing the surface measurement results of the respective portions transferred from the nickel mold (see Figure 21 (a)). In (b), (a) and (c) in (a) and (d) in (a) ⑤ and (g) correspond to ⑥ in (a) and ⑦ in (a), respectively. As can be seen from the figure, it was confirmed that the uniformly high pattern was successfully transferred through the measurement of the surface of the transferred Nafion membrane.
도 22의 (a) 및 (b)는 건조 후 표면 측정 결과를 보여준다. 건조후 수화시킨 다음 프로파일을 측정해 본 결과 프레싱 직후의 상태보다 높이가 다소 낮아 졌음을 확인 할 수 있었다. 이는 나피온이 가지는 점탄성특성으로 기인한 것으로 추정된다.
22 (a) and 22 (b) show the result of surface measurement after drying. After drying and hydration, the profile was measured and it was confirmed that the height was slightly lower than that immediately after pressing. It is believed that this is due to the viscoelastic properties of Nafion.
<나피온 박막상의 산화(anode)전극 패터닝 공정> ≪ Patterning process of anode electrode on Nafion thin film >
일반적으로 PEM 막은 건조 상태와 수화 상태에서 기계적 성질이 달라지고 부피 변화가 일어나는 특성을 지닌다. 그래서 그 위에 박막 형태의 전극을 증착하는 것은 도전적인 과제 중 하나이다. 나피온 117 막 역시 이러한 성질을 띠고 있기 때문에 일반적인 금속 박막 증착 방법을 이용할 경우 나피온 막과 금속 박막 사이의 접착력이 좋지 않고, 수화 상태에서 나피온의 변형이 일어나면 박막의 전기적 연결이 끊어지는 문제가 있다.In general, PEM membranes have different mechanical properties and volume changes in the dry and hydrated state. Therefore, depositing a thin film electrode thereon is a challenging task. Since the
도 23은 스퍼터링 공정을 이용해 나피온막 위에 증착한 ITO(좌측)와 Cr/Au 박막(우측)에 대한 사진이다. 수화 시의 기계적인 변형으로 크랙이 전면에 생긴 것을 볼 수 있고 심한 경우 박막이 부분적으로 분리되었다.23 is a photograph of ITO (left side) and Cr / Au thin film (right side) deposited on a Nafion film using a sputtering process. The mechanical deformation at the time of hydration showed that cracks were formed on the whole surface, and in severe cases, the thin film was partially separated.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 나피온과 금속 박막의 접착력을 높일 수 있는 방법을 채용하였다. 도 24는 본 발명의 실시예에 따라 나피온막 상에 전극층을 형성하는 과정들과 각 과정에 해당하는 전극층에 대한 사진이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 나피온막 상의 금속은 핫플레싱에 의해 열과 압력을 받을 경우 계면간의 접착력이 좋아지며 전기 저항이 낮은 모습을 보였다. 그 후 금속을 재증착할 경우 저항이 더욱 작아지고 수화 후 나피온막에 변형이 일어났을 때에도 작은 저항을 유지하는 것을 관찰할 수 있었다.
In order to solve such a problem, the present invention employs a method capable of increasing the adhesion between Nafion and the metal thin film. FIG. 24 is a photograph showing the steps of forming the electrode layer on the Nafion membrane according to the embodiment of the present invention and the electrode layer corresponding to each step. As can be seen from the figure, the metal on the Nafion membrane showed better adhesion between the interface and lower electrical resistance when subjected to heat and pressure by hot freshening. Thereafter, when the metal was re-deposited, the resistance was further reduced, and a small resistance was maintained even when the Nafion membrane deformed after hydration.
<조립 공정><Assembly process>
완성된 각 부재들은 도 3과 같이 아크릴로 된 조립지그(30)와 함께 조립된다. 우선 위에서부터 순서대로 유리 재질의 제2 환원전극부(22), 산화전극부(11)의 제2막부재(114), 산화전극부(11)의 제1막부재(113), 및 유리 재질의 제1환원전극부(21)의 순서대로 배열된다. 그 다음 조립지그(30)의 제1플레이트(31)와 제2플레이트(32)를 볼트, 너트를 이용해 아래위에서 압착해줌으로써 각 부재 간의 틈새를 막는다. 산화전극(112), 환원전극(212)의 전기적 연결은 각 부재에 설계해놓은 구멍(118, 218)에 실버 에폭시와 같은 전도성 물질을 채워 넣어 완성한다.Each finished member is assembled with an
도 7은 본 발명의 미생물 연료전지에 사진이다. 유체 주입을 위해서는 왼쪽 사진과 같이 금속 커넥터를 연결하여 가능하다. 조립 작업이 완료된 미생물 연료전지는 오른쪽 사진과 같다. 전력 측정 실험은 커넥터를 통해 세포 및 버퍼액(mediator)을 주입 후 전류 밀도에 따른 산화, 환원 전극간의 전압 측정을 통해 진행된다.7 is a photograph of the microbial fuel cell of the present invention. For fluid injection, connect the metal connector as shown on the left. The assembled microbial fuel cell is shown on the right. The power measurement experiment is performed by measuring the voltage between the oxidation and reduction electrodes according to the current density after injecting the cell and buffer mediator through the connector.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.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.
11: 산화전극부 21: 제1환원전극부
22: 제2환원전극부 30: 조립지그
31: 제1플레이트 32: 제2플레이트
41: 식각마스크층 51: 섀도우마스크
60: 니켈 몰드 111: 산화챔버 공간
112: 산화전극 212: 환원전극
113: 제1막부재 114: 제2막부재
115, 215: 기둥 116, 216: 유입/유출구
217: 배선 118, 218: 배선노출홈
210: 환원챔버몸체 211: 환원챔버 공간11: oxidation electrode part 21: first reduction electrode part
22: second reducing electrode unit 30: assembly jig
31: first plate 32: second plate
41: etching mask layer 51: shadow mask
60: Nickel mold 111: Oxidation chamber space
112: oxidation electrode 212: reduction electrode
113: first membrane member 114: second membrane member
115, 215:
217:
210: Reduction chamber body 211: Reduction chamber space
Claims (20)
산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 산화전극부; 및
상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 하나 이상의 환원전극부;를 포함하고,
상기 산화전극부는 상기 산화챔버 공간을 제공하기 위한 홈이 형성된 제1막부재와 상기 제1막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간을 위한 홈의 개구부위를 덮도록 배치되는 제2막부재를 포함하며, 상기 제1막부재와 상기 제2막부재는 이온투과가 가능하며,
상기 하나 이상의 환원전극부는 제1환원전극부와 제2환원전극부를 포함하고, 상기 산화전극부는 상기 제1 및 제2환원전극부 사이에 개재되는 것인,
미생물 연료전지.
As a microbial fuel cell:
An oxidation electrode portion having an oxidation chamber space and an oxidation electrode disposed inside the oxidation chamber space; And
And at least one reducing electrode part having a reducing chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space and a reducing electrode disposed inside the reducing chamber space,
Wherein the oxidation electrode portion includes a first membrane member having a groove for providing the oxidation chamber space and a second membrane member disposed to cover an opening portion of the groove for the oxidation chamber space formed in the first membrane member, Wherein the first membrane member and the second membrane member are permeable to ions,
Wherein the at least one reducing electrode portion includes a first reducing electrode portion and a second reducing electrode portion, and the oxidizing electrode portion is interposed between the first and second reducing electrode portions.
Microbial fuel cell.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 밀착되는 것인,
미생물 연료전지.The method according to claim 1,
Wherein each of the first and second reduction electrode portions is in close contact with the outer surface of the first membrane member and the outer surface of the second membrane member of the oxidation electrode portion.
Microbial fuel cell.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 가지는 환원챔버몸체를 포함하며, 각각의 환원챔버 공간의 홈의 개구부위가 밀폐되도록 상기 산화전극부의 상기 제1막부재의 외면과 상기 제2막부재의 외면에 각각 밀착되는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 4,
Wherein each of the first and second reduction electrode portions includes a reduction chamber body having a groove for providing the reduction chamber space, and the first portion of the oxidation electrode portion And the second film member is in close contact with the outer surface of the member and the outer surface of the second film member,
Microbial fuel cell.
상기 제1 및 제2환원전극부는 광투과성 재질인,
미생물 연료전지.The method of claim 5,
Wherein the first and second reduction electrode portions are made of a light-
Microbial fuel cell.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성되어 상기 산화챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제1기둥을 포함하는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 5,
Wherein the oxidation electrode portion includes a plurality of first pillars formed in the first film member or the second film member and disposed in the oxidation chamber space.
Microbial fuel cell.
상기 제1 및 제2환원전극부 각각은 상기 환원챔버몸체에 형성되고 상기 환원챔버 공간 내에 배치되는 다수개의 제2기둥을 포함하는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 7,
Wherein each of the first and second reduction electrode portions includes a plurality of second pillars formed in the reduction chamber body and disposed in the reduction chamber space,
Microbial fuel cell.
상기 제1기둥과 상기 제2기둥은 상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부가 이온교환이 가능하도록 배치될 때 대응하는 위치에 있는 것끼리 중첩되는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 8,
Wherein the first column and the second column overlap each other when the oxidized electrode portion and the first and second reducing electrode portions are arranged so as to be capable of ion exchange,
Microbial fuel cell.
상기 산화전극부는 상기 제1막부재 또는 상기 제2막부재에 형성된 상기 산화챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 산화전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함하는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 9,
Wherein the oxidation electrode portion further comprises an inlet / outlet connected to the oxidation chamber space formed in the first membrane member or the second membrane member, and a wiring exposure hole for external exposure of the oxidation electrode.
Microbial fuel cell.
상기 제1 및 제2 환원전극부는 상기 환원챔버몸체에 형성된 상기 환원챔버 공간과 연결되는 유입/유출구와 상기 환원전극의 외부 노출을 위한 배선노출홀을 더 포함하는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 9,
Wherein the first and second reduction electrode units further include an inlet / outlet connected to the reduction chamber space formed in the reduction chamber body, and a wiring exposure hole for external exposure of the reduction electrode.
Microbial fuel cell.
상기 산화전극부와 상기 제1 및 제2환원전극부는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트 사이에서 압착 결합되는 것인,
미생물 연료전지.The method of claim 9,
Wherein the oxidation electrode portion and the first and second reduction electrode portions are press-coupled between the first plate and the second plate of the assembly jig.
Microbial fuel cell.
산화챔버 공간과 상기 산화챔버 공간 내부에 배치되는 산화전극을 구비하는 다수개의 산화전극부; 및
상기 산화챔버 공간과 이온교환이 가능한 환원챔버 공간과 상기 환원챔버 공간 내부에 배치되는 환원전극을 구비하는 다수개의 환원전극부;를 포함하고,
상기 다수개의 산화전극부와 상기 다수개의 환원전극부는 교번적으로 밀착 배치되며,
상기 다수개의 산화전극부와 상기 다수개의 환원전극부는 이온교환이 가능한 막부재로 상기 산화챔버 공간과 상기 환원챔버 공간을 형성하며,
상기 이온교환이 가능한 막부재 각각은 상기 산화챔버 공간 또는 상기 환원챔버 공간을 제공하기 위한 홈을 구비하는 것인,
미생물 연료전지.
As a microbial fuel cell:
A plurality of oxidation electrode parts having an oxidation chamber space and an oxidation electrode disposed inside the oxidation chamber space; And
And a plurality of reduction electrode units having a reduction chamber space capable of ion exchange with the oxidation chamber space and a reduction electrode disposed in the reduction chamber space,
The plurality of oxidation electrode units and the plurality of reduction electrode units are disposed in close contact with each other,
Wherein the plurality of oxidation electrode portions and the plurality of reduction electrode portions are formed by a membrane member capable of ion exchange with the oxidation chamber space and the reduction chamber space,
Wherein each of the ion exchangeable membrane members has a groove for providing the oxidation chamber space or the reduction chamber space.
Microbial fuel cell.
산화전극부를 위한 부재와 제1 및 제2환원전극부를 각각 형성하는 단계; 및
상기 산화전극부를 위한 부재를 상기 제1환원전극부와 상기 제2환원전극부 사이에 개재한 후 결합하는 단계;를 포함하고,
상기 산화전극부를 위한 부재는, 산화챔버 공간을 위한 홈을 가지는 제1막부재와, 상기 제1막부재의 홈의 개구부위를 밀폐하고 산화전극이 형성된 제2막부재를 포함하며,
상기 제1막부재와 상기 제2막부재는 이온교환이 가능한 막인 것인,
미생물 연료전지 제조방법.A method for producing a microbial fuel cell comprising:
Forming a member for the oxidation electrode portion and first and second reduction electrode portions, respectively; And
And interposing and joining a member for the oxidation electrode part between the first reducing electrode part and the second reducing electrode part,
Wherein the member for the oxidizing electrode portion includes a first membrane member having a groove for the oxidation chamber space and a second membrane member for sealing an opening portion of the groove of the first membrane member and having an oxidizing electrode,
Wherein the first membrane member and the second membrane member are ion exchangeable membranes,
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
몰드를 이용한 핫프레싱으로 상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 것인,
미생물 연료전지 제조방법.16. The method according to claim 15, wherein the formation of the first film member of the oxidation electrode portion comprises:
And forming a groove for the oxidation chamber space by hot pressing using a mold.
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
상기 산화챔버 공간을 위한 홈을 형성할 때 바닥면에는 상기 몰드에 의해 전사되는 다수개의 제1기둥이 함께 형성되는 것인,
미생물 연료전지 제조방법.18. The method of claim 16,
And a plurality of first pillars, which are transferred by the mold, are formed on the bottom surface when the grooves for the oxidation chamber space are formed.
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
식각을 통해 유리기판에 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 단계;
상기 환원챔버 공간을 위한 홈의 반대면에 마스크를 배치한 후 샌드블라스팅으로 유입/유출구 및 배선노출을 위한 구멍을 형성하는 단계; 및
상기 환원챔버 공간을 위한 홈 내부에 환원전극을 증착 형성하는 단계;를 포함하는,
미생물 연료전지 제조방법.16. The method according to claim 15,
Forming a groove in the glass substrate through the etching for the reduction chamber space;
Forming a mask on the opposite side of the groove for the reduction chamber space and then forming an opening for inlet / outlet and wiring exposure by sandblasting; And
Depositing a reducing electrode within the groove for the reducing chamber space;
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
상기 환원챔버 공간을 위한 홈을 형성하는 식각에서 바닥면에 배치되는 다수개의 제2기둥이 같이 형성되는 것인,
미생물 연료전지 제조방법.19. The method of claim 18,
Wherein a plurality of second pillars disposed on a bottom surface are formed in the etching for forming the grooves for the reduction chamber space.
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
상기 결합 단계는 조립지그의 제1플레이트와 제2플레이트를 상하에 배치하여 결합하는 것인,
미생물 연료전지 제조방법.19. The method of claim 18,
Wherein the engaging step comprises disposing the first plate and the second plate of the assembly jig by vertically arranging them.
A method for manufacturing a microbial fuel cell.
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