KR20120088240A - Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A micro fluidic fuel cell and a manufacturing method thereof are provided to prevent a fuel back flow phenomenon due to positive and negative electrodes. CONSTITUTION: A micro fluidic fuel cell(100) comprises a glass substrate(110) and a cover unit(150). The glass substrate comprises a micro channel(120) in which a positive electrode(121) and a negative electrode(125) are formed. A concavo-convex pattern is formed on the positive and negative electrodes. The cover unit is combined with the glass substrate in order to cover the micro channel. The cover unit comprises inlets(160) which inflow oxidizers into the positive electrode and induces fuel to the negative electrode and outlets which discharge materials generated by redox reactions between the fuel, oxidizers, and electrodes.

Description

마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법 {Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof}Micro fluidic fuel cell and method for manufacturing thereof

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, the fuel backflow phenomenon can be prevented from occurring due to the anode and cathode electrodes with the unevenness formed in the microchannel, and the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region can be reduced, thereby reducing the size of the power density. A microfluidic fuel cell capable of increasing and a method of manufacturing the same are disclosed.

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 refers to a battery that directly converts energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. In such fuel cells, research and development are actively focused on research that can reduce the burden on environmental pollution, energy that can achieve energy efficiency nearly twice that of gasoline engines, and auxiliary power of automobile power supplies or fixed power equipment. It is done.

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.On the other hand, as the information society accelerates in the 21st century, research on small size micro fuel cells is being conducted in order to use fuel cells in power sources of portable terminals and portable high density and high power energy storage systems.

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 term for a very small fuel cell, which is a micro fuel cell that has a capacity of generally 100 watts (W) or less and is 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.The microfluidic fuel cell that generates electric energy by using the flow of microfluidic fluid among such microfuel cells utilizes the property that fluids flowing in the microchannels do not mix well by forming laminar flow. In other words, the fuel and oxidant fluids respectively flow into the microchannels to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, which replaces the role of the conventional proton exchange membrane. Therefore, compared to a fuel cell to which a conventional proton exchange membrane is applied, an expensive exchange membrane is not required, thereby reducing costs and simplifying the process. In addition, a fuel crossover phenomenon in which fuel flows back through the exchange membrane can be prevented.

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, microfluidic fuel cells are being developed through researches to improve the power density by changing the type of fuel and oxidant, the material of the electrode, the composition of the electrolyte and the electrolyte, and the like. Due to the limitations, it is not yet practical.

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, the fuel consumption region and the fuel diffusion region are generated inside the microchannel when the fuel cell is driven, and the fuel consumption region is generated at the electrode surface, and by-products resulting from the redox reaction of ions are continuously generated at each electrode. Interferes with redox reactions. This may limit the power density that a microfluidic fuel cell can implement, and the cost may be increased by increasing the number of fuels and oxidants whose efficiency is limited or required by the type of fuel and oxidant or the solubility and mobility of oxygen. .

따라서, 연료 소모 영역의 경계층 두께를 감소시켜 전력밀도를 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 마이크로 유체 연료 전지의 개발이 시급한 실정이다.
Therefore, there is an urgent need to develop a microfluidic fuel cell having a new structure capable of improving 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.It is an object of an embodiment of the present invention to provide a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same, which can prevent a fuel backflow phenomenon due to the anode electrode and the cathode electrode having irregularities formed in the 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.In addition, 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 is provided with irregularities formed in the micro-channel, which is the size of the power density compared to the conventional It is to provide a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same that can be increased.

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.
In addition, another object according to an embodiment of the present invention is to provide a conventional proton exchange by allowing fuel and oxidant to flow along the paths of the cathode and anode electrodes of the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant. There is no need to provide a membrane, which provides a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same, which can reduce manufacturing costs 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.According to an embodiment of the present invention, a microfluidic fuel cell may include: a glass substrate having a microchannel on which an anode and a cathode are formed, and having irregularities on the anode electrode and the cathode electrode; And inlets coupled to the glass substrate to cover the microchannels of the glass substrate, the inlets for introducing fuel into the cathode electrode and introducing an oxidant to the anode electrode, and redox between the fuel and the oxidant and the electrodes. And a cover part having a discharge port for discharging the material generated as a result of the reaction. By such a configuration, a fuel backflow phenomenon may be prevented due to the anode electrode and the cathode electrode having irregularities formed in the microchannel. In addition, it is possible to reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region, thereby increasing the magnitude of the power density.

여기서, 상기 마이크로 채널의 측벽은 음성 감광제 재질의 구조물일 수 있다.The sidewalls of the microchannels may be structures of negative photoresist 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 있다.A partition wall is provided between the cathode electrode and the cathode electrode to separate the anode electrode and the cathode electrode, and the width of the partition wall may be determined as a result of performing a flow analysis using a commercial fluid analysis program.

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 provided symmetrically with respect to the dividing wall, and may be formed to protrude regularly along the longitudinal direction of the positive electrode and the negative electrode.

상기 요철은 상기 구분벽의 길이 방향에 대해 30도 내지 60도의 사선 방향으로 마련될 수 있다.The unevenness may be provided in an oblique direction of 30 degrees to 60 degrees with respect to the longitudinal direction of the dividing 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 part is formed of a polydimethylsiloxane (PDMS) material by a molding method, and the inlet and the outlet may be formed in the cover part 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.The inlet may include a fuel inlet formed in the cover part so as to be positioned at a starting point of one of the two branches of the microchannel provided in a Y shape and introducing the fuel to the cathode electrode; And an oxidant inlet formed through the cover part so as to be located at the start point of the other branches of the microchannels, and introducing the oxidant to the anode electrode, wherein the outlet port is located at the end of the microchannel. It can be formed through the portion.

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 joined by an adhesive 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.During the adhesion, 3-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) may be applied to the cover part and surface treated with O 2 plasma, and then the cover part may be adhesively bonded to the glass substrate.

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.In order to form the irregularities on the glass substrate, a lift-off process in which photosensitive coating and photo lithography is applied may be performed a plurality of times.

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.On the other hand, the method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention, forming the positive electrode and the negative electrode having the unevenness on the glass substrate through a plurality of lift-off process, 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 manufactured by the glass substrate manufacturing step and the cover part manufactured by the cover part manufacturing step by an adhesive method. The anode and cathode electrodes provided with the unevenness can prevent the fuel backflow from occurring, and can also reduce the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region, thereby increasing the size of 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.The glass substrate manufacturing step may include coating a positive photoresist on the glass substrate, removing a portion of the electrode to be formed through a photolithography process, forming a first metal layer on the front surface, and then removing the remaining portions except the electrode formation portion. A first lift off step; A positive photoresist is coated on the glass substrate on which the first metal layer is formed, a photolithography process removes the electrode forming portion except for the first metal layer, and a second metal layer is formed on the entire surface, and then the remaining portion except the electrode forming portion is removed. A second lift off step; And a third lift-off step of coating a negative photoresist on the glass substrate on which the first and second metal layers are formed and removing the negative photoresist on the portion where the first and second metal layers are formed through a photolithography process. Can be.

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.The manufacturing step of the cover portion, after coating the positive photosensitive agent on the mold to remove a portion of the positive photosensitive agent through a photolithography process, after curing the PDMS mixed with a curing agent in a ratio of 10 to 1 in the mold and then cured The cover portion can be fabricated by separating the mold from PDMS.

상기 PDMS를 제조한 후 상기 PDMS에 상기 유입구 및 상기 배출구를 펀칭함으로써 상기 커버부를 제작할 수 있다.After manufacturing the PDMS, the cover portion may be manufactured by punching the inlet and the outlet into 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-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied to one surface of the cover part facing the glass substrate, and then surface treated with O 2 plasma, and then the cover part is adhered to the glass substrate. It may proceed 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 exemplary embodiment of the present invention, the fuel backflow phenomenon may be prevented due to the anode electrode and the cathode electrode having irregularities 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 an embodiment of the present invention, the thickness of the boundary layer of the fuel consumption region can be reduced due to the anode electrode and the cathode electrode with the unevenness formed in the microchannel, thereby increasing the size of the power density compared to the conventional. Can be.

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.
Further, according to an embodiment of the present invention, a fuel and an oxidant flow along the paths of the cathode and anode electrodes of the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, thereby providing a conventional proton exchange membrane. There is no need for this, which not only reduces manufacturing costs but also simplifies 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 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.
FIG. 2 is a combined perspective view of the microfluidic fuel cell shown in FIG. 1.
3 is a partially enlarged perspective view illustrating an enlarged portion III of FIG. 2.
4 is a graph obtained from the flow analysis results for the microchannel of the present embodiment with the irregularities and the microchannel without the irregularities.
5 is a flowchart of a method of manufacturing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a view sequentially illustrating a manufacturing process of the glass substrate shown in FIG.
7 is a view sequentially illustrating a manufacturing process of the cover unit shown in FIG.
FIG. 8 is a view illustrating a process of adhering a cover part to the glass substrate shown in FIG. 2.

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. The following description is one of several aspects of the patentable invention and the following description forms part of the detailed description of the 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.1 is an exploded perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a combined perspective view of the microfluidic fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 4 is an enlarged partial enlarged perspective view, and FIG. 4 is a graph obtained as a result of flow analysis for the microchannel of the present embodiment with the unevenness and the microchannel without 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.As shown in these drawings, the microfluidic fuel cell 100 according to the exemplary embodiment of the present invention includes a glass substrate 110 having a microchannel 120 on which an anode electrode 121 and a cathode electrode 125 are formed. And a cover part 150 covering the glass substrate 110 and having an inlet 160 for injecting fuel and an oxidant into the microchannel 120 of the glass substrate 110 and an outlet 165 for exhausting the glass substrate 110. 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 can improve the power density compared to the conventional as well as prevent the fuel backflow phenomenon In addition, the manufacturing process and the economics of the cost can be improved.

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.Referring to each configuration, the glass substrate 110 of the present embodiment is formed to extend from the micro-channel 120 provided in the Y-shape, the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 of the micro channel 120. The 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, when the extension 130 is described schematically, the extension 130 is a portion forming the electrode pattern of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 respectively connected.

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. As shown in FIGS. 1 and 2, the microchannel 120 according to the present exemplary embodiment has a Y-shaped partition wall 127 that separates the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 along a central portion thereof. Is formed. The partition wall 127 may be provided as a structure of a negative photoresist material.

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 fuel backflow does not occur in the partition wall 127 region.

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, flow analysis is performed using a commercial fluid analysis program to determine the width of the partition wall 127 where the fuel backflow does not occur. Here, an analysis program such as CFD-ACE +, ESI group, etc. may be applied as a commercial fluid analysis program. However, it is not limited thereto.

한편, 구분벽(127)의 폭 설정을 위해, 마이크로 채널(120)을 형성하는 미세 유로의 너비, 넓이, 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. Meanwhile, in order to set the width of the dividing wall 127, the widths, the widths, and the lengths of the microchannels forming the microchannels 120 are 100 μm, 50 μm, and 10 mm, respectively, and the electrodes 121 and 125 having the unevenness 123 are provided. The analysis may be performed on the micro channel 120 having) and the micro channel (not shown) having electrodes having no unevenness. In this case, the height and the angle of the unevenness 123 provided in the electrodes 121 and 125 may be provided at 1000 ° and 45 degrees.

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. The angle of the unevenness 123 will be described in more detail. As shown in FIG. 3, the unevenness 123 is provided symmetrically with respect to the dividing wall 127, and in an oblique direction, the anode electrode 121 and the cathode electrode. It may be formed to protrude regularly along the longitudinal direction of (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, width, length, and height and angle of the concave-convex 123 are not limited thereto, and appropriate values may be applied in some cases. For example, the inclination angle of the unevenness 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 of the analysis, as shown in FIG. 4, the fuel mixing region was generated at 20 μm 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. As a result, the thickness of the fuel consumption boundary layer is increased without increasing the width of the mixing region compared with the case of the microchannel 120 having the unevenness 123, that is, the microchannel 120 of the present embodiment without the unevenness. It can be inferred that this can be reduced, and thus it can be seen that an improvement in 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.As such, as shown in FIG. 3, regular irregularities 123 are formed in the positive electrode 121 and the negative electrode 125 of the microchannel 120 formed on the glass substrate 110 of the present embodiment. In this way, a separate exchange membrane is not required and the power density can be improved, and fuel backflow phenomenon can be achieved by manufacturing the width of the partition wall 127 between the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 through commercial software. This can be prevented from occurring.

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 plurality of lift-off 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.On the other hand, the cover portion 150 of the present embodiment is a portion covering the glass substrate 110 on which the microchannel 120 is formed, the inlet port 160 for injecting fuel to the cathode electrode 125 and the oxidant to the anode electrode 121. ) And an outlet 165 for discharge. The cover part 150 of the present embodiment is a cover part manufactured by applying a molding method to a polydimethylsiloxane (PDMS) material. The manufacturing process of the cover unit 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 penetrating through the cover part 150 is located at a starting point of one of the two branches of the microchannel 120 provided in the Y shape. A fuel inlet 161 formed through the 150 to inject fuel into the cathode electrode 125 and a cathode formed through the cover 150 so as to be positioned at the starting point of the other branch of the two branches of the microchannel 120. An oxidant inlet 162 for introducing an oxidant to the electrode 121 may be included.

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, the introduced oxidant is introduced into the microchannel 120. ) Is supplied to the anode electrode 121, and then electric energy having a predetermined power density may be generated by a redox reaction with 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 detail, in the present embodiment, the fuel introduced may be a fuel obtained by mixing H 2 O 2 (0.25M) and NaOH (0.25M) in a ratio of 1: 1, and an oxidizing agent may be H 2 O 2 (0.25M ) And H 2 SO 4 (0.25M) may be an oxidizing agent mixed in a ratio of 1: 1. The fuel and the oxidant are introduced into the respective inlets 161 and 162 using a predetermined inlet device, and the amount of the fuel and the oxidant may be measured through the measuring device.

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.On the other hand, the outlet 165 may be formed through the cover portion 150 to be located at the end of the micro-channel 120 as a portion that is discharged hydrogen and oxygen bubbles generated during the redox reaction.

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 such, 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 (161 and 162) formed in the cover part 150. In this way, it is possible to obtain electrical energy having an increased power density than before.

한편, 전술한 글래스 기판(110) 및 커버부(150)는 제작된 후 상호 접착 방법에 의해 결합된다. 이에 대해서는 후술할 제조 방법에서 설명하기로 한다.Meanwhile, the glass substrate 110 and the cover unit 150 described above are manufactured and then bonded by the mutual bonding method. This will be described later in the 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.Meanwhile, hereinafter, a method of manufacturing the microfluidic fuel cell 100 according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 9.

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 도면이며, 도 8은 도 2에 도시된 글래스 기판에 커버부를 접착하는 과정에 대해 도시한 도면이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating 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 illustrated in FIG. 2, and FIG. 7 is illustrated in FIG. 2. FIG. 8 is a view sequentially illustrating a manufacturing process of the cover part, and FIG. 8 is a view illustrating a process of adhering the cover part to the glass substrate shown in FIG. 2.

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, in the manufacturing method of the microfluidic fuel cell 100 according to the exemplary embodiment, the unevenness 123 may be formed on the glass substrate 110 through a plurality of lift-off processes. A glass substrate manufacturing step (S100) forming the anode electrode 121 and the cathode electrode 125, and a punching process are performed after the basic shape of the cover part 150 is manufactured by a molding method. By forming the cover part 150 by penetrating the inlet 160 and the outlet 165 in the basic shape of the cover part 150 by using the cover part manufacturing step (S200) and the glass substrate manufacturing step (S100) It may include a bonding step (S300) for bonding the produced glass substrate 110 and the cover portion 150 produced by the cover portion manufacturing step (S200) by an adhesive 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 three lift-off steps.

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.First, in the first lift-off step, as shown in FIG. 6, the positive photoresist 111 is coated (# 1) on the glass substrate 110 by a spin coating method to form an electrode. After removing the portion 110a through photo-lithography (# 2), the first metal layer 112 is formed on the entire surface (# 3), and then the remaining portions except for the electrode forming portion 110a are removed. This is the step of removing (# 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.Subsequently, in the second lift-off step, the positive photoresist 113 is coated on the glass substrate 110 on which the first metal layer 112 is formed through the first lift-off step (# 5) by spin coating and photo The lithography process removes the electrode forming portions except the metal layer 112 (# 6), and then forms the second metal layer 114 on the front surface (# 7), and then removes the remaining portions except the electrode forming portions (# 8). It's a step.

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 요철(115)이 형성된 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)을 구비한 글래스 기판(110)을 제작할 수 있다.In the third lift-off step, after the negative photoresist 115 is coated (# 9) on the glass substrate 110 on which the first and second metal layers 112 and 114 are formed, the portion of the metal layers 112 and 114 is formed. As a step of removing the negative photosensitive agent 115, the glass substrate 110 having the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 having the unevenness 115 formed thereon may be manufactured.

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 unevenness 123 may be manufactured through a plurality of lift processes, which are simple processes, thereby reducing manufacturing costs and simplifying 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 분리(#14)함으로써 커버부(150)를 제작하는 단계이다. On the other hand, the cover portion manufacturing step (S200), as shown in Figure 7, after coating (# 11) the positive photosensitive agent 181 to the mold 180 by the sping coating method to remove the center portion by photolithography After (# 12), the PDMS 150 mixed with a curing agent in a ratio of 10 to 1 is poured into the mold 180, and then cured (# 13) for a predetermined time, and then the mold 180 is separated from the PDMS 150. This is the step of producing the cover part 150 by the reference numeral # 14.

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 형성할 수 있다. After the cover part manufacturing step S200, the inlet 160 and the outlet 165 may be formed by using a punching device after the basic shape of the cover 150 is formed by the above-described molding method.

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. On the other hand, in the bonding step (S300) of the present embodiment, as shown in Figure 8, 3-APS (190, 3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) on one surface of the cover portion 150 facing the glass substrate 110 After coating, the surface may be treated with O 2 plasma (# 21) and then adhered to the glass substrate 110 (# 22). Subsequently, by inserting the microfluidic fuel cell 100 adhesively bonded to the oven and performing heat treatment, the coupling step S300 may be reliably finished. At this time, the heat treatment temperature is 80 ℃, 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 such, according to the microfluidic fuel cell 100 and the manufacturing method thereof according to the exemplary embodiment of the present invention, the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 having the unevenness 123 formed in the microchannel 120 are provided. The fuel backflow can be prevented from occurring, and the thickness of the boundary layer of the fuel consumption area can be reduced, 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.In addition, a conventional proton exchange membrane is provided by allowing the fuel and the oxidant to flow along the paths of the cathode electrode 125 and the anode electrode 121 of the microchannel 120 to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant. There is no need to do so, which not only reduces manufacturing costs but also simplifies the manufacturing process.

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. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

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: unevenness 125: cathode electrode
127: dividing wall 130: extension portion (electrode pattern)
150: cover portion 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, wherein a glass substrate is provided with irregularities in the anode and the cathode; And
An inlet coupled to the glass substrate to cover the microchannel of the glass substrate, the fuel inlet flowing into the cathode electrode and an oxidant flowing into the anode electrode, and a redox reaction between the fuel and the oxidant and the electrodes; A cover part in which an outlet for discharging the resultant material is formed;
Microfluidic fuel cell comprising a.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 채널의 측벽은 음성 감광제 재질의 구조물인 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 1,
Sidewalls of the microchannels are structures of negative photoresist 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 결정되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 1,
A separator wall separating the anode electrode and the cathode electrode is provided between the anode electrode and the cathode electrode, and the width of the separator wall is determined as a result of performing a flow analysis using a commercial fluid analysis program. .
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,
The unevenness is provided symmetrically with respect to the partition wall, the microfluidic fuel cell is formed to protrude regularly along the longitudinal direction of the positive electrode and the negative electrode.
제4항에 있어서,
상기 요철은 상기 구분벽의 길이 방향에 대해 30도 내지 60도의 사선 방향으로 마련되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 4, wherein
The unevenness is a microfluidic fuel cell provided in an oblique direction of 30 degrees to 60 degrees with respect to the longitudinal direction of the partition wall.
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 of claim 1,
The cover part is formed of a polydimethylsiloxane (PDMS) material by a molding method, and the inlet and the outlet are formed in the cover part 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 of claim 1,
The inlet is,
A fuel inlet formed in the cover part so as to be positioned at a starting point of one of the two branches of the microchannel provided in a Y shape and introducing the fuel into the cathode electrode; And
An oxidant inlet formed through the cover part so as to be positioned at a start point of the other branches of the microchannels, and introducing the oxidant to the anode electrode;
The outlet port is formed through the cover portion to be positioned at the end of the micro-channel fuel cell microfluidic fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 글래스 기판의 일면과 상기 일면을 향하는 상기 커버부의 일면은 접착 방법에 의해 결합되는 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 1,
One surface of the glass substrate and one surface of the cover portion facing the one surface are coupled 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.
The method of claim 8,
The adhesion of 3-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) in the cover portion and the surface treatment with O 2 plasma, and then the cover portion adhesively bonded to the glass substrate.
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 of claim 1,
And a lift-off process to which photoresist coating and photo lithography is applied is performed a plurality of times to form the irregularities 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.
A method for producing 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
Combining 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;
Method of producing a microfluidic fuel cell comprising a.
제1항에 있어서,
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 상기 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 감광제 코팅 처리하고 포토 리소그래피 공정을 통해 상기 제1 및 제2 금속층이 형성된 부분의 상기 음성 감광제를 제거하는 제3 리프트 오프 단계를 포함하는 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 1,
The glass substrate manufacturing step,
A first lift-off step of coating a positive photoresist on the glass substrate, removing a portion of the electrode to be formed through a photolithography process, forming a first metal layer on the front surface, and then removing a portion other than the electrode formation portion;
A positive photoresist is coated on the glass substrate on which the first metal layer is formed, and the electrode forming portion except for the first metal layer is removed through a photolithography process, and then a second metal layer is formed on the entire surface. A second lift off step of removing; And
And a third lift-off step of coating a negative photoresist on the glass substrate on which the first and second metal layers are formed and removing the negative photoresist on the portion where the first and second metal layers are formed through a photolithography process. Method for producing a fuel cell.
제11항에 있어서,
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 상기 PDMS로부터 분리함으로써 상기 커버부를 제작하는 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 11,
The manufacturing step of the cover portion, after coating the positive photosensitive agent on the mold to remove a portion of the positive photosensitive agent through a photolithography process, and then cured after pouring the PDMS mixed with a curing agent in the mold 10 to 1 ratio, and then the A method of manufacturing a microfluidic fuel cell, wherein said cover portion is fabricated by separating a mold from said PDMS.
제13항에 있어서,
상기 PDMS를 제조한 후 상기 PDMS에 상기 유입구 및 상기 배출구를 펀칭함으로써 상기 커버부를 제작하는 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 13,
And manufacturing the cover part by punching the inlet and the outlet into the PDMS after the PDMS is manufactured.
제11항에 있어서,
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 진행되는 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.The method of claim 11,
In the bonding step, 3-APS (3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied to one surface of the cover part facing the glass substrate, and then surface treated with O 2 plasma, and then the cover part is adhered to the glass substrate. A method for producing a microfluidic fuel cell, which proceeds by heat treatment.
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