KR102143548B1

KR102143548B1 - 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102143548B1
Application number: KR1020190010179A
Authority: KR
Inventors: 안유민; 김명훈; 정도균
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-13
Also published as: KR20200093121A

Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 제1 및 제2 전극이 형성되며 친수성을 갖는 마이크로 채널 영역과, 소수성을 갖는 비채널 영역을 구비하는 종이 기판, 및 마이크로 채널 영역을 덮도록 종이 기판 상에 배치되는 커버부재를 포함하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지가 개시된다.

Description

종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법{PAPER-BASED MICRO FLUIDIC FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명의 기술적 사상은 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

연료 전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 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 이루어져 왔다.

최근에는, 정보화 사회가 가속화됨에 따라 연료 전지를 휴대 단말기의 전원과 휴대용 고밀도, 고출력의 에너지 저장 시스템에 사용하기 위해 소형화에 유리한 마이크로 연료 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

마이크로 연료 전지는 매우 작은 크기의 연료 전지를 일컫는 용어로, 그 용량이 일반적으로 100 와트(W) 이하이고 미세 가공기술을 이용해 제조된 초소형 연료 전지이다.

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 유체를 각각 미세 유로 내로 흐르게 하여 연료와 산화제의 액액계면(liquid-liquid interface)을 형성하고, 이것이 기존의 양성자 교환막의 역할을 대신하게 하는 것이다.

이와 같이 마이크로 유체 연료 전지는 양성자 교환막을 사용하지 않는 구조를 가짐에 따라, 양성자 교환막으로 인한 제조 공정 복잡도 및 제조 단가 증가 등의 문제점들을 해결할 수 있지만, 여전히 연료와 산화제를 공급하고 부산물을 배출하기 위한 외부 펌프를 필요로 하여 소자의 초소형화에는 한계가 있다.

이로 인해, 종이의 모세관 작용을 이용함으로써 외부 펌핑 시스템을 생략할 수 있는 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지가 그 대안으로 제시되고 있다.

그러나, 현재까지 제시된 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지는, 종이의 특성 상 유독성이 강하거나 강한 산성, 염기성을 띄는 연료를 사용하기 어려워 기존의 마이크로 유체 연료 전지 대비 전류와 전력 밀도가 낮고, 정밀 제작과 대량 생산이 곤란하여 효과적인 대안이 되기에는 한계가 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는, 정밀 제작 및 대량 생산을 가능하게 하며, 전력량 및 효율을 향상시킬 수 있는 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법을 구현하는데 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 제1 및 제2 전극이 형성되며 친수성을 갖는 마이크로 채널 영역과, 소수성을 갖는 비채널 영역을 구비하는 종이 기판; 및 상기 마이크로 채널 영역을 덮도록 상기 종이 기판 상에 배치되는 커버부재;를 포함하는 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지가 개시된다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 비채널 영역은, 음성 감광제 재질이 흡수되어 상기 소수성을 갖는 영역일 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 마이크로 채널 영역은, 상기 종이 기판을 관통하도록 상기 종이 기판에 수직하게 연장될 수 있고, 상기 비채널 영역은, 상기 마이크로 채널 영역과 접하여 상기 마이크로 채널 영역을 에워쌀 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극은, 상기 마이크로 채널 영역 내에서 서로 이격되어 상기 종이 기판에 평행한 일 방향을 따라 연장될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나의 상면은, 상기 마이크로 채널 영역의 상면보다 높게 위치할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극은, 탄소를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 커버부재는, 상기 커버부재를 관통하며, 상기 마이크로 채널 영역의 상기 제1 전극으로 산화제를 주입하고 상기 제2 전극으로 연료를 주입하기 위한 주입구들; 및 상기 커버부재를 관통하며, 상기 산화제 및 상기 연료와 상기 제1 및 제2 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하기 위한 배출구;를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 산화제 및 상기 연료는, 바나듐을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 산화제 및 상기 연료는, 상기 주입구들로 상기 바나듐 및 황산을 포함하는 바나듐 전해액 형태로 주입될 수 있으며, 상기 바나듐 및 상기 황산의 몰비는 서로 동일할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따르면, 탄소 페이스트를 이용하는 스크린 프린팅 공정을 수행하여, 종이 기판에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 음성 감광제를 이용하는 포토리소그래피 공정을 수행하여, 상기 종이 기판에 상기 제1 및 제2 전극을 구비하되 친수성을 갖는 마이크로 채널 영역과, 소수성을 갖는 비채널 영역을 형성하는 단계; 및 상기 종이 기판 상에 상기 마이크로 채널 영역을 덮는 커버부재를 결합하는 단계;를 포함하는 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법이 개시된다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 종이 기판에 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 종이 기판 상에, 서로 이격되어 상기 종이 기판에 평행한 일 방향을 따라 연장되는 개구들을 갖는 제1 마스크를 배치하는 단계; 상기 개구들을 채우도록 상기 제1 마스크 상에 상기 탄소 페이스트를 도포하는 단계; 상기 제1 마스크를 제거하여 제1 및 제2 예비 전극을 형성하는 단계; 및 상기 종이 기판을 가열하여, 상기 제1 및 제2 예비 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 예비 전극을 이루는 탄소를 상기 종이 기판 내부로 확산시켜 상기 제1 및 제2 전극을 형성할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 종이에 상기 마이크로 채널 영역과 상기 비채널 영역을 형성하는 단계는, 상기 종이 기판을 음성 감광제에 침지하는 단계; 상기 종이 기판을 상기 음성 감광제로부터 꺼내어 가열하는 단계; 상기 종이 기판 하면에 지지 기판을 배치하는 단계; 상기 종이 기판 상면에 상기 마이크로 채널 영역에 상응하는 개구를 갖는 제2 마스크를 배치하는 단계; 상기 종이 기판을 노광하는 단계; 상기 종이 기판으로부터 상기 지지 기판 및 상기 제2 마스크를 분리하는 단계; 상기 종이 기판을 가열하는 단계; 및 상기 종이 기판을 현상하여, 상기 음성 감광제가 제거된 상기 마이크로 채널 영역과 상기 음성 감광제가 잔존하는 상기 비채널 영역을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법은, 상기 종이 기판 하면에, 지지부재를 결합하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법은, 소자의 초소형화는 물론 간소화된 공정을 통해 대량 생산과 정밀 제작이 가능하며, 전력량과 효율의 개선이 가능한 효과가 있다.

본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지를 III-III'을 따라 절개한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명의 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것이다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.

첨부한 도면에 있어서, 예를 들어, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들어, 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.

여기에서 사용된 '및/또는' 용어는 언급된 부재들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 개략적으로 도시하는 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종이 기반 마이크로 유체 전지(100)는 지지부재(110), 종이 기판(120) 및 커버부재(130)를 포함할 수 있다.

지지부재(110)는, 예를 들어, 유리(glass) 재질로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 얇은 두께를 갖는 종이 기판(120)을 지지하여 뒤틀림을 방지할 수 있는 소재라면 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 종이 기판(120)이 비교적 충분한 두께를 갖는다면, 지지부재(110)는 생략될 수도 있다.

지지부재(110) 상에는 종이 기판(120)이 배치된다.

종이 기판(120)은 소정의 형상, 예를 들어 Y자 형상을 갖되 종이 기판(120)을 관통하도록 z 방향으로 연장되는 마이크로 채널 영역(CH)과, 마이크로 채널 영역(CH)을 에워싸는 비채널 영역(NCH)을 포함할 수 있다.

마이크로 채널 영역(CH)은 친수성(hydrophilic)을 갖고 비채널 영역(hydrophobic)을 가질 수 있는데, 이러한 성질 차이로 인해, 비채널 영역(NCH)이 마이크로 채널 영역(CH)을 에워싸는 구조에서 마이크로 채널 영역(CH)이 연료 및 산화제가 흐르는 유로로 기능하게 된다.

마이크로 채널 영역(CH)과 비채널 영역(NCH) 간의 성질의 차이는, 후술되는 포토 리소그래피 공정의 수행 과정(도 5 참조)에서 음성 감광제가 마이크로 채널 영역(CH)에서는 제거되는 반면 비채널 영역(NCH)에서는 베이스 종이 재질에 흡수된 상태로 잔존하기 때문에 발생한다.

마이크로 채널 영역(CH)의 양측에는 각각이 양극(anode) 및 음극(cathode) 중 어느 하나로 기능하는 제1 및 제2 전극(121, 122)이 형성된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 전극(121)이 양극으로, 제2 전극(122)이 음극으로 기능하는 실시예를 전제로 설명한다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 마이크로 채널 영역(CH)을 흐르는 연료와 산화제의 일부가 혼합되는 계면이 형성되도록 x 방향을 따라 소정의 간격을 두고 서로 이격되며, 각각 y 방향을 따라 연장되어 라인 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 라인 형상은 균일한 폭을 갖는 라인 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 상호 간에 동일한 폭과 길이를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 상이한 폭과 길이를 가질 수도 있다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 각각 탄소를 포함할 수 있다.

도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 III-III'을 따라 절개한 단면도를 예시하는 도 3을 더 참조하여 설명한다.

도 3을 더 참조하면, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 마이크로 채널 영역(CH)에서 소정의 두께를 갖도록 z 방향으로 연장될 수 있다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 서로 상이한 두께를 가질 수 있다.

또한, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 상면은 지지부재(110)의 상면을 기준으로 서로 동일하거나 상이한 높이에 위치할 수 있다.

후술되는 스크린 프린팅 공정의 수행 과정(도 4 참조)에서 마이크로 채널 영역(CH) 상면의 탄소가 마이크로 채널 영역(CH) 내부로 확산되는 정도에 따라, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 두께 등이 달라질 수 있기 때문이다.

한편, 제1 및 제2 전극(121, 122) 중 적어도 하나의 상면은 지지부재(110)의 상면을 기준으로 마이크로 채널 영역(CH)의 상면 보다 높게 위치할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극(121, 122) 중 적어도 하나가 마이크로 채널 영역(CH)의 상면으로부터 돌출될 수 있다.

지지부재(110)의 상면을 기준으로 제1 및 제2 전극(121, 122)의 상면과 마이크로 채널 영역(CH)의 상면이 달리 위치하는 이유는, 후술되는 스크린 프린팅 공정 수행 과정(도 4 참조)에서 마이크로 채널 영역(CH) 상면의 탄소가 전부 마이크로 채널 영역(CH) 내부로 확산되지 않고 일부 잔존할 수 있기 때문이다.

그러나, 이는 예시적일 뿐이며, 후술되는 스크린 프린팅 공정에서 마이크로 채널 영역(CH) 상의 탄소가 전부 내부로 확산되는 경우 또는 추가적인 평탄화 처리를 통해 마이크로 채널 영역(CH) 상에 잔존하는 탄소를 제거하게 되는 경우에는, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 상면과 마이크로 채널 영역(CH)의 상면이 동일 평면(coplanar)을 이룰 수 있다.

한편, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 상면은 지지부재(110)의 상면을 기준으로 마이크로 채널 영역(CH)의 상면보다 낮게 위치할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극(121, 122)이 마이크로 채널 영역(CH)의 상면을 통해 노출되지 않고 마이크로 채널 영역(CH) 내부에 매립될 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 종이 기판(120) 상에는 제1 및 제2 전극(122) 각각의 일측 단부로부터 서로 반대되는 방향으로 연장되는 제1 및 제2 전극 패드(123, 124)가 형성되어 있다.

제1 및 제2 전극 패드(123, 124)는 전원 공급 대상 소자 등과 제1 및 제2 전극(121, 122)의 전기적 연결을 위해 확장된 전극부, 연결부의 역할을 하며, 연료와 산화제의 공급에 따라 제1 및 제2 전극(121, 122) 간의 전류로부터 전원이 생성되도록 할 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2에서는 제1 및 제2 전극 패드(123, 124)가 각각 균일한 폭을 갖는 라인 형상을 갖는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(123, 124)는 각각 제1 및 제2 전극(121, 122)으로부터 멀어지는 방향으로 연속적으로 또는 단속적으로 폭이 달라질 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2에서는 제1 및 제2 전극 패드(123, 124)가 서로 동일한 형상을 갖는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 및 제2 전극 패드(123, 124)가 서로 상이한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.

종이 기판(120) 상에는 마이크로 채널 영역(CH) 및 비채널 영역(NCH)을 덮는 커버부재(130)가 배치된다.

커버부재(130)는 마이크로 채널 영역(CH)으로 유입되는 연료 및 산화제와 산소의 접촉을 차단하는 역할을 하며, 구현예에 따라서, 도 1 및 도 2에 예시된 구조와는 달리 마이크로 채널 영역(CH)만을 덮는 형상을 가질 수도 있다.

커버부재(130)는, 예를 들어, 유리로 이루어질 수 있다. 또는 커버부재(130)는 산소 투과율이 낮은 유기물로 이루어질 수 있다. 또는 커버부재(130)는 제1 유기물, 예컨대, PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어지되, 적어도 일면에 상대적으로 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물이, 예컨대, 패럴린C(Parylene C)가 코팅된 구조를 가질 수 있다.

커버부재(130)는, 제1 전극(121)으로 산화제를 주입하기 위한 제1 주입구(131)와, 제2 전극(122)으로 연료를 주입하기 위한 제2 주입구(132)를 포함할 수 있다. 커버부재(130)는 제1 및 제2 전극(121, 122)과 연료 및 산화제 사이의 산화, 환원 반응에 의해 생성된 부산물을 배출하기 위한 배출구(133)를 더 포함할 수 있다.

제1 주입구(131)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, Y자 형상으로 마련되는 마이크로 채널 영역(CH)의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 커버부재(130)를 관통하여 형성되며, 제1 전극(121)으로 산화제를 주입할 수 있다.

제2 주입구(132)는 마이크로 채널 영역(CH)의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 커버부재(130)를 관통하여 형성되며, 제2 전극(122)으로 연료를 주입할 수 있다.

제1 및 제2 주입구(131, 133)를 통해 산화제 및 연료를 주입하면, 주입된 산화제 및 연료가 각각 제1 및 제2 전극(121, 122)으로 공급되고, 주입된 산화제 및 연료와 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이의 산화 환원 반응에 의해 소정의 전력밀도를 갖는 전기 에너지가 생성될 수 있다.

일부 실시예에서, 연료 및 산화제는 바나듐과 지지 전해질인 황산이 소정의 비율로 혼합된 바나듐 전해액의 형태로 마이크로 채널 영역(CH)에 주입될 수 있다. 상기 바나듐 전해액의 상기 바나듐과 상기 황산은 서로 동일한 몰비를 가질 수 있으며, 이들의 몰비가 동일한 경우 최적의 전류, 전력밀도 등을 얻을 수 있음이 실험적으로 학인되었다. 바람직하게는, 상기 바나듐과 상기 황산은 각각 2M 농도로 상기 바나듐 전해액에 포함될 수 있다.

한편, 배출구(133)는 산화 환원 반응 시 발생되는 수소 및 산소 기포 등이 배출되는 부분으로서, 마이크로 채널 영역(CH)의 단부에 위치하도록 커버부재(130)를 관통하여 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)는 종이 재질의 마이크로 채널 영역(CH)에서 전극들과 바나듐 기반의 연료, 산화제가 반응하도록 함과 동시에 산소와 바나듐의 접촉을 효과적으로 차단해줌으로써, 포름산 기반의 연료 및 산화제를 이용하는 종래의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 대비 전력밀도와 효율이 크게 개선될 수 있다.

도 4 및 도 5는 도 1의 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

도 4 및 도 5에서는 도 3에서와 같이 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 III-III'을 따라 절개한 단면도들을 각각의 공정 순서에 따라 도시하였다. 도 4 및 도 5를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 3에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 이하에서는 설명의 간략화를 위하여 중복 설명은 생략한다.

먼저, 도 4를 더 참조하여, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 형성을 위한 스크린 프린팅 공정 단계들을 설명한다.

도 4를 참조하면, 종이 기판(120) 상에 제1 및 제2 전극(121, 122, 도 1 내지 도 3 참조)을 형성하기 위한 개구들, 즉, x 방향을 따라 서로 이격되되 y 방향으로 연장되는 라인 형상의 개구들을 갖는 제1 마스크(M1)를 배치한다(도 4의 (a)). 한편 도시되지는 않았으나, 제1 마스크(M1)는 제1 및 제2 전극 패드(123, 124, 도 1 내지 도 3 참조)를 형성하기 위한 개구들, 즉, 라인 형상의 개구들 각각의 일측 단부로부터 x 방향을 따라 연장되는 개구들을 더 가질 수 있다.

이어서, 제1 마스크(M1) 상의 일측에 탄소 페이스트를 위치시키고, 어플리케이터(도시 생략)를 통해 탄소 페이스트를 스프레딩하여 개구들을 채운 후(도 4의 (b)), 제1 마스크(M1)를 제거하여 제1 및 제2 예비 전극(p121, p122)을 형성한다(도 4의 (c)).

이어서, 종이 기판(120)을 가열하여 제1 및 제2 예비 전극(p121, p122)을 이루는 탄소를 종이 기판(120) 내부, 즉, z 방향을 따라 확산시킴으로써 종이 기판(120)의 내부로 연장된 제1 및 제2 전극(121, 122)을 형성한다(도 4의 (d)). 여기서, 열처리는 대략 120℃의 온도로, 대략 60분간 수행될 수 있다.

다음으로, 도 5를 더 참조하여, 종이 기판(120)에 서로 다른 성질을 갖는 마이크로 채널 영역(CH)과 비채널 영역(NCH)을 형성하기 위한 포토 리소그래피 공정의 각 단계들을 설명한다.

도 5를 참조하면, 제1 및 제2 전극(121, 122)이 형성된 종이 기판(120)을 음성 감광제, 예를 들어 SU-8에 대략 5분 동안 침지(immerse)하여 음성 감광제가 종이 기판(120)에 흡수되도록 한다(도 5의 (a))

이어서, 종이 기판(120)에 흡수된 음성 감광제를 일부 제거한 후 종이 기판(120)을 가열한다(도 5의 (b)). 여기서, 열처리는 대략 85℃의 온도로, 대략 5분간 수행될 수 있다.

이어서, 종이 기판(120) 하면에 지지 기판(CS)을 배치한다(도 5의 (c)). 여기서, 지지 기판(CS)은 종이 기판(120)과 같은 종이 재질로 이루어지되, 종이 기판(120)보다 큰 두께를 가질 수 있고, 종이 기판(120)에 잔존하는 음성 감광제의 점성에 의해 종이 기판(120)의 하면에 접착될 수 있다.

이어서, 종이 기판(120) 상면에 마이크로 채널 영역(CH)을 정의하기 위한 개구(예컨대, Y자 형상의 개구)를 갖는 제2 마스크(M2)를 배치하고, 자외선을 이용하여 노광한다(도 5의 (d)). 이러한 노광 공정에 따라 개구에 상응하는 영역에서 음성 감광제가 개질될 수 있다. 한편, 노광은 20mW의 자외선을 이용하며, 대략 10초간 수행될 수 있다.

이어서, 종이 기판(120)으로부터 지지 기판(CS)과 제2 마스크(M2)를 분리한 후, 종이 기판(120)을 가열한다(도 5의 (e)). 여기서, 열처리는 대략 85℃의 온도로, 대략 5분간 수행될 수 있다.

이어서, 종이 기판(120)을 전용 디벨로퍼(즉, SU-8 전용 디벨로퍼)로 대략 10분간, 아세톤으로 2분간 현상하고, 탈이온수(deionized water)로 린싱하여, 종이 기판(120)에 음성 감광제가 제거된 마이크로 채널 영역(CH)과 음성 감광제가 잔존하는 비채널 영역(NCH)을 형성한다(도 5의 (f)).

이어서, 종이 기판(120)의 상면에 마이크로 채널 영역(CH)을 덮도록 커버부재(130)를 결합하고, 종이 기판(120)의 하면에 지지부재(110)를 결합한다(도 5의 (g)).

이와 같이, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 제조 함에 있어서, 스크린 프린팅 공정을 통해 제1 및 제2 전극(121, 122)을 형성하고 포토 리소그래피 공정을 통해 종이 기판(120) 내에 마이크로 채널 영역(CH)을 형성함으로써, 전극, 마이크로 채널 등의 정밀한 제작이 가능하여 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 간소화된 공정으로 대량 생산이 가능할 수 있다.

이상, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

100: 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지
110: 지지부재
120: 종이기판
121, 122: 제1 전극, 제2 전극
123, 124: 제1 전극 패드, 제2 전극 패드
CH: 마이크로 채널 영역
NCH: 비채널 영역
130: 커버부재
131, 133: 제1 주입구, 제2 주입구
133: 배출구

Claims

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탄소 페이스트를 이용하는 스크린 프린팅 공정을 수행하여, 종이 기판에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;
음성 감광제를 이용하는 포토리소그래피 공정을 수행하여, 상기 종이 기판에 상기 제1 및 제2 전극을 구비하되 친수성을 갖는 마이크로 채널 영역과, 소수성을 갖는 비채널 영역을 형성하는 단계; 및
상기 종이 기판 상에 상기 마이크로 채널 영역을 덮는 커버부재를 결합하는 단계;
를 포함하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
제10 항에 있어서,
상기 종이 기판에 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계는,
상기 종이 기판 상에, 서로 이격되어 상기 종이 기판에 평행한 일 방향을 따라 연장되는 개구들을 갖는 제1 마스크를 배치하는 단계;
상기 개구들을 채우도록 상기 제1 마스크 상에 상기 탄소 페이스트를 도포하는 단계;
상기 제1 마스크를 제거하여 제1 및 제2 예비 전극을 형성하는 단계; 및
상기 종이 기판을 가열하여, 상기 제1 및 제2 예비 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
제11 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계는,
상기 제1 및 제2 예비 전극을 이루는 탄소를 상기 종이 기판 내부로 확산시켜 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
제10 항에 있어서,
상기 종이에 상기 마이크로 채널 영역과 상기 비채널 영역을 형성하는 단계는,
상기 종이 기판을 음성 감광제에 침지하는 단계;
상기 종이 기판을 상기 음성 감광제로부터 꺼내어 가열하는 단계;
상기 종이 기판 하면에 지지 기판을 배치하는 단계;
상기 종이 기판 상면에 상기 마이크로 채널 영역에 상응하는 개구를 갖는 제2 마스크를 배치하는 단계;
상기 종이 기판을 노광하는 단계;
상기 종이 기판으로부터 상기 지지 기판 및 상기 제2 마스크를 분리하는 단계;
상기 종이 기판을 가열하는 단계; 및
상기 종이 기판을 현상하여, 상기 음성 감광제가 제거된 상기 마이크로 채널 영역과 상기 음성 감광제가 잔존하는 상기 비채널 영역을 형성하는 단계;를 포함하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
제10 항에 있어서,
상기 종이 기판 하면에, 지지부재를 결합하는 단계;를 더 포함하는, 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.