KR20030012684A - 소형 전자기기 및 인체 삽입가능한 초소형 연료전지를이용한 초소형 전원 공급 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 기존의 배터리를 필요로 하는 휴대폰과 같은 소형의 전자기기나 인체에 장착, 삽입 가능한 초소형 전원공급장치로서의 초소형 연료전지 및 그를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

초소형 연료전지를 이용한 초소형 전원공급장치는 소형 전자기기와 인체 장착 및 삽입할 수 있을 정도의 크기를 가지며 메탄올 및 에탄올 수용액을 연료로 주입하는 동안 계속적으로 전원을 공급한다. 본 발명품은 외부 연료 공급 모터를 필요로 하지 않고 모세관력으로 연료를 공급하기 위한 초소형 유로를 갖는 두 개의 판과 그 사이에 수소이온교환막(PEM)으로 구성되어 있다. 두 개의 판에는 수소이온교환막과 접촉하는 면에 촉매층이 존재한다.

초소형 연료전지 제조에는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 수 cm이하의 크기로 소형화가 가능하며 소자의 집적화 및 일괄공정을 통하여 생산성 향상을 꾀할 수 있다. 리소그래피 공정, 식각 공정, 금속 증착공정, 접합기술 등이 사용된다.

Description

소형 전자기기 및 인체 삽입가능한 초소형 연료전지를 이용한 초소형 전원 공급 장치 및 그 제조방법 {A micro power source using micro fuel cell and the manufacturing method}

본 발명은 휴대폰과 같은 소형의 전자 기기에 장착하거나 인체에 삽입하여 전원 공급 장치로 사용할 수 있는 초소형 연료전지 및 그를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로머시닝 기술(MEMS Technology)을 이용하여 소형화를 이루었다는 특징이 있다.

기존의 휴대전원에는 1차 전지와 충전을 할 수 있는 2차 전지(Li-ion) 등이 주로 이용되어 왔으며, 핸드폰, 노트북 등의 수요가 급증하면서 휴대전원의 수요 또한 폭발적으로 증가하였다. 하지만, 이러한 1차 전지와 2차 전지는 사용후 폐기할 때 심각한 환경오염을 유발하며 빈번한 교체 혹은 충전 시간이 필요하다. 이에 반하여 연료전지는 고효율, 무공해의 전기 화학적인 반응으로 전기를 공급한다. 반응 후 폐기물은 단지 물과 이산화탄소이며, 충전 시간 없이 연료 주입 즉시 전기를 발생한다. 종래의 연료전지는 주 응용분야가 전력 발전, 가정용 전원, 하이브리드 전기 자동차용 전원등의 중·대형 전력 응용분야에 국한되었다. 이에 본 발명에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 연료전지를 소형화하고 대량생산이 가능하도록 그 구조를 설계하고 제작 공정을 개발하였다.

일반적으로 쓰이는 연료전지는 수소와 산소를 연료로 사용한다. 수소와 산소를 연료로 직접 이용할 경우 에너지 밀도가 크다는 장점이 있으나. 취급이 어렵고 위험하며, 저장과 공급 등을 위한 특별한 부속 장치가 필요하다. 이러한 부속 장치 때문에 연료전지를 휴대하거나 소형화하는데 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 최근 메탄올 등의 액체 연료를 이용한 연료전지 개발이 이루어지고 있다. 도 2는 수소 대신 메탄올 수용액과 산소 대신 공기 중의 산소를 연료로 하는 초소형 직접메탄올연료전지(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)의 작동원리를 보여준다. 수소에 비해 상대적으로 다루기 쉽고 안전하며, 부속장치가 상대적으로 적다. 수소와 산소 가스를 이용하는 연료전지보다는 장치가 상대적으로 간단하지만, 히터와 메탄올을 공급하기 위한 펌프 등의 부속 장치가 존재한다. 본 발명에서는 액체상태의 연료를 사용하지만, 부속 장치를 제거하고 상온에서 동작하도록 하였으며, 미세 유로를 제작하여 증발력과 모세관력으로 연료를 공급하도록 하였다. 기존의 기계가공 기술로는 이러한 액체연료전지의 제작에는 한계가 있으며, 수 cm이하의 크기로 제작 및 대량생산하기 위해서는 차세대 기술인 반도체 제조 공정을 통한 마이크로 머시닝 기술이 필수적이다.

본 발명에서는 연료전지의 초소형화 및 대량생산화를 위한 기술상의 한계를극복하였으며, 초소형 전자 기기 뿐만 아니라, 나아가 인체 삽입가능한 초소형 전원장치에의 응용을 제시한다.

기존 기술의 한계를 극복하기 위해 반도체 제조 공정을 통한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 상기 초소형 연료전지를 보다 정밀하고 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초소형 연료전지의 구조를 보여주는 구조도.

도 2는 본 발명에 따른 초소형 연료전지의 작동원리를 보여주는 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 머시닝 공정을 이용한 초소형 연료전지의 제조공정도.

도 4는 본 발명에 따른 초소형 연료전지의 인체 삽입용 전원 시스템의 개념도.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

1a : 미세유로를 갖는 상부기판

1b : 미세유로를 갖는 하부기판

2 : 수소이온교환막(PEM)

3a : 액체연료주입구

3b : 액체연료 및 기체 배출구

4a : 공기주입구

4b : 공기 및 반응물 배출구

5a : 상부기판 미세유로

5b : 하부기판 미세유로

6 : 산화막

7 : 촉매층

8 : 체크 밸브

9 : 초소형 연료전지

도 1은 본 발명의 초소형 연료전지의 구조를 보여주는 구조도이다. 도면에서 보듯이 초소형 연료전지는 미세유로(5a)(5b)가 제작되어 있는 상부기판(1a)과 하부기판(1b) 그리고, 한 장의 수소이온교환막(PEM)(2)으로 구성되어 있다. 상부기판의 유로 양끝에는 액체연료 주입구(3a)와 액체연료 및 기체 배출구(3b)가 있고, 하부기판의 유로 양끝에는 공기 주입구(4a)와 공기 및 반응물 배출구(4b)가 있다. 수소이온교환막으로는 Dupont의 Nafion^?을 사용한다.

도 2는 본 발명의 초소형 연료전지의 작동원리를 보여주는 개념도이다. 중간의 수소이온교환막(PEM)(2)이 있으며 양쪽에 촉매층이 존재한다. 각 공급 연료에 의해 일어나는 반응은 다음과 같다.

양극 : CH₃OH + H₂O → CO₂+ 6H⁺+ 6e^-

음극 : 6H⁺+ 6e^-+ 1.5O₂→ 3H₂O

전체반응 : CH₃OH + 1.5O₂→ CO₂+ 2H₂O

양극쪽은 메탄올 수용액 등의 연료에 의한 산화반응이 일어나며, 음극쪽은 공기중의 산소와 수소가 결합하는 환원반응이 일어난다. 이때 발생하는 기전력에 의해 전기가 발생된다.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로머시닝 공정을 이용한 초소형 연료전지의 제조공정이다. 상부(1a), 하부(1b) 기판은 동일한 공정으로 제작되며 최종적으로 수소이온교환막(PEM)(2)와 접합하여 완성한다. (a)와 같은 실리콘 기판을 상부(1a), 하부(1b)용으로 각각 준비한다. (b)와 같이 실리콘 기판 (1a)(1b) 양면에 실리콘 식각 마스크로 사용될 열 산화막(6)을 성장시키고, (c)에서 주입구(3a)(4a)와 배출구(3b)(4b) 제작을 하여 식각할 부분의 산화막을 제거한다. (d)에서 노출된 부분을 실리콘 식각액으로 식각하여 구멍(3a)(4a)(3b)(4b)을 제작한다. (e)에서 다시 산화막을 성장시킨 후 미세 유로 제작을 위하여 식각할 부분의 산화막을 제거한다. (f)와 같이 얕은 식각을 하여 미세유로를 제작한다. (g)와 같이 최종적인 산화막을 성장시켜 절연막으로 사용한다. (g)과정을 마친 기판에 집전 및 촉매작용을 위한 금속막 촉매층(7)을 증착한다. 마지막으로 (i)와 같이 상부기판(1a), 하부기판(1b), 수소이온교환막(2)을 열과 압력을 가하여 접합하여 단위전지를 완성한다. 이와 같은 반도체 제조공정인 마이크로머시닝 기술을 이용하여 초정밀, 초소형 유로를 제작할 수 있으며, 이러한 미세 유로로 인하여 필요한 연료를 모세관현상과 증발력 만으로 공급할 수 있게 되어 펌프같은 부속장치를 필요로 하지 않는다. 또한, 반도체 제조공정의 특징인 일괄 공정을 통하여 대량생산이 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 초소형 연료전지의 인체 삽입용 전원 시스템의 개념도이다. 인간이 호흡할 때 들어오는 산소의 일부를 체크 밸브(8)를 통하여 초소형 연료전지(9)에 공급하며, 액체연료는 달, 년 단위로 외부에서 공급한 후 생성된 응하고 나온 반응물들은 복강 또는 직장으로 배출하도록 되어있다. 이 연료전지는 인체 삽입용 기기들의 전원으로 사용될 수 있다.

발명된 연료전지는 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 소형화하였으므로 휴대용 기기의 전원으로 사용될 수 있다. 연료전지는 연료의 충전만으로 사용이 가능하고, 오염물질을 발생시키지 않으므로 차세대 에너지원으로 기존의 전지를 대체할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 미세 유로를 갖는 상부기판과 하부기판, 이온교환막이 접합된 구조로 이루어진 초소형 연료전지 시스템;
2. 제 1항에 있어서, 별도의 펌프없이 증발력과 모세관력으로 액체연료를 공급할 수 있는 미세유로를 갖는 연료전지;
3. 제 1항과 제 2항에 있어서, 연료의 주입구 및 배출구, 미세유로 및 초소형 연료전지 시스템을 제작하는 방법;
4. 제 1항에 있어서, 정밀구조 제작 및 대량 생산을 위해 반도체 공정인 마이크로머시닝 기술을 이용한 초소형 연료전지의 제조 방법;
5. 제 1항에 있어서, 소형 전자기기에 장착하거나 인체 내에 삽입할 수 있는 전원시스템을 위해 사용되는 연료전지;
6. 제 5항에 있어서, 인체 내에 삽입되는 연료전지에 인간의 호흡을 이용하여 공기를 공급함으로써 전기를 생산하는 연료전지;
7. 제 5항에 있어서, 에탄올 수용액을 연료로 하는 초소형 연료전지: