KR20150006617A - 다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 반도체 또는 디스플레이의 제조 공정에 적용하게 되면 미세한 구조로 반도체 또는 디스플레이에 적용하는 것이 가능하다. 또한 이러한 미세한 구조에도 불구하고 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 효율이 우수하다. 또한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지의 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다. 또한 다층 박막 부분을 Lift off 공정으로 Si 또는 유리기판에서 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착하는 것이 가능하여 저가의 플렉시블 연료전지의 구현이 가능하다.

Description

다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법{Solid Oxide Fuel Cell comprising multilayer electrode and preparation method thereof}
본 발명은 다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로 친환경적인 에너지이다. 특징은 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 계의 바깥으로 제거된다는 점이다.
이러한 연료전지로서 가장 전형적인 것이 수소-산소 연료전지이며, 그 외에도 고온형의 용융탄산염 연료전지, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지 등이 있다.
특히 산화지르코늄이나 세리아 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 일반적으로 700-1,000 ℃의 고온에서 작동하고, 전해질 내에서 산화 이온이 전도하기 때문에, 원리적으로 수소뿐 만 아니라 메탄이나 부탄 등의 탄화수소, 메탄올과 같은 액체연료로도 공기 중의 산소와 전기 화학 반응하여 발전이 가능하다. 각종 연료전지 중에서 가장 발전 효율이 높고, 고온 폐열의 유효 이용에 의해서 시스템 전체의 에너지 변환 효율을 한층 더 높일 수 있다.
한편 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에도 이러한 고체산화물 연료전지가 도입될 수 있지만, 크기가 작은 반도체 또는 디스플레이의 특성상 정교한 공정에 의하여 미세 크기의 구조를 가져야 효율적으로 도입할 수 있다는 문제점이 있다. 특히 연료전지 전극의 경우 애노드와 캐소드 사이에 분리판이 존재하게 되는데, 이러한 분리판의 존재는 고체산화물 연료전지의 미세 구조를 제한하여 고체산화물 연료전지를 반도체 또는 디스플레이에 적용시키기 어렵다는 문제점이 있다. 또한 이러한 문제는 애노드, 캐소드 및 분리판으로 이루어지는 셀의 미세 구조를 제한하는 문제를 동시에 야기한다. 또한 이는 효율을 높이기 위해 복수개의 셀로 스택을 형성하기는 더욱 어렵다는 문제점을 야기한다.
이러한 문제점을 개선하기 위한 선행기술문헌으로 연료전지를 포함하는 패키지, 그 제조방법 및 패키지를 포함하는 카드 및 시스템에 관한 대한민국 공개특허 제10-2009-0119187호(특허문헌 1)가 개시되어 있다. 구체적으로는 고집적화가 가능한 패키지에 적어도 하나의 반도체 칩과, 상기 적어도 하나의 반도체 칩 상에 배치되고 상기 적어도 하나의 반도체 칩과 전기적으로 연결된 적어도 하나의 연료전지를 포함하는 것에 관해 개시되어 있다. 하지만 상기 특허문헌 1에서도 고체산화물 연료전지의 전극을 미세 구조로 하여 반도체 공정에 적용하는 기술은 개시되어 있지 않다는 문제점이 있다.
특허문헌 1. 대한민국 공개특허 제10-2009-0119187호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하여도 전압/출력이 우수한 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이다. 특히 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하여도 미세한 구조로 고체산화물 연료전지를 제공하는 것이 가능하며, 효율 또한 우수한 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 고체산화물 연료전지는
상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 하단에 위치하며;
상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층이 위치하고;
상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치하며;
상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 이루어진다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은
1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하여 코팅하는 단계;
2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;
3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;
4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및
5) 상기 지지층 및 다층 박막형 전극의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;
를 포함한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지를 반도체의 제조 공정에 적용하게 되면 미세한 구조로 반도체 또는 디스플레이에 적용하는 것이 가능하다. 또한 이러한 미세한 구조에도 불구하고 이를 포함한 고체산화물 연료전지의 효율이 우수하다. 또한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다. 또한 다층 박막 부분을 Lift off 공정으로 Si에서 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착하는 것이 가능하여 저가의 플렉시블 연료전지의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고체산화물 연료전지의 구조를 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다층 박막형 전극의 구조를 나타낸 그림이다.
도 3은 1-D Periodic Potential 내에서 움직이는 입자가 갖는 에너지 밴드를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 위에 형성된 다층 박막형 전극의 구조를 나타내며, 유로가 형성된 지지층 위에 증착된 금속촉매층을 나타내는 그림이다.
도 5는 반도체 공정에 사용되는 Spacer 공정을 나타내는 그림이다.
도 6은 스택 증착 전 지지층 및 금속 촉매층 형성 공정을 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예의 제조공정을 순차적으로 나타낸 그림이다.
이에 본 발명자는 미세한 구조를 가지고 있으면서도 효율이 우수하여 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용이 가능한 고체산화물 연료전지를 개발하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
일반적으로 현재 고온형 고체산화물 연료전지에서 전해질로 주로 사용하고 있는 YSZ(yttria stabilized zirconia)는 이온 전도도가 0.005 S/㎝로서 전해질의 두께를 초박막화하지 않는 이상 저온에서 유효한 전도성을 확보하기 어렵다. 저온형 고체산화물 연료전지를 구현하기 위해서는 반도체 또는 디스플레이 공정을 이용한 전해질 및 전극의 박막화가 효과적이다. 현재 고체산화물 연료전지를 스택 구조로 integration 하기 위해 다양한 구조가 제안되고 있으나 기존 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에 적용할 수 있는 구조와 물질은 아직 개발되지 않은 상황이다. 본 발명에서는 기존의 반도체 또는 디스플레이 생산 공정에 적용 가능한 다층 박막형 전극을 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제시하여 생산성을 증대시키고 가격을 저감시키고자 한다.
구체적으로 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는
상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 (1)이 하단에 위치하며;
상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층(2)이 위치하고;
상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층(3)이 부착되어 위치하며;
상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극(4)이 부착되어 이루어진다.
상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅되어 지지체가 보다 안정적으로 고정되면서 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 손상되지 않게 보호하는 역할을 하게 된다. 또한 SiO 또는 SiN 박막은 지지층의 재질과 같아 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판과 지지층을 연결하는 역할을 수행하게 된다.
상기 지지층은 SiO 또는 SiN 박막 위에 형성하는 것이 바람직하며, 상기 지지층을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지층은 SiO 또는 SiN 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지대의 형상은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 원통형이나 사각기둥일 수 있다. 또한 상기 지지대의 크기는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 원통형일 경우 그 직경은 바람직하게는 10nm- 10 μm일 수 있다. 상기 원통형 지지대의 직경이 10 ㎚ 미만인 경우 충분한 지지 효과를 달성할 수 없어 바람직하지 않고, 상기 지지대의 직경이 10 μm 를 초과하는 경우에는 미세하고 정교한 구조를 달성할 수 없어 바람직하지 않다.
상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치한다. 이때 상기 금속촉매층은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 Pd 또는 Pt인 것이 바람직하다. 또한 상기 금속촉매층의 두께는 50-120 nm인 것이 바람직하다. 상기 금속촉매층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 촉매의 효과를 충분히 달성할 수 없어 바람직하지 않으며, 상기 금속촉매층의 두께가 120 nm를 초과하는 경우에는 금속촉매층의 두께가 지나치게 두꺼워져 전체적인 미세 구조를 저해하게 되므로 바람직하지 않다. 또한 상기 금속촉매층은 증착하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 형성된다. 일반적인 연료전지에 있어 애노드(5) 및 캐소드(6) 전극 사이에는 분리판(separator)이 있어 전류를 집전하고 각 연료가스를 공급하는 역할을 하게 된다. 이렇게 유로가 형성된 분리판으로 인해 고체산화물 연료전지 스택을 integration 하기 위해서는 다양한 구조 및 추가 공정이 필요하게 된다. 하지만 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 상기 다층 박막형 전극 사이에 분리판이 없어 미세하고 정밀한 구조로 제조가 가능하여 반도체 또는 디스플레이 공정에 적용이 가능하다. 상기 다층 박막형 전극은 전극의 양 측면 중 일면에는 애노드 전극과 타면에는 캐소드 전극이 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 내부에는 전해질이 존재한다. 또한 상기 전해질에는 복수개의 애노드/캐소드 공통 전극이 반복적으로 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 애노드/캐소드 공통 전극은 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전극으로서 본 발명에서는 애노드/캐소드 공통 전극이라 칭한다. 이렇게 다층 박막형 전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압으로 연료전지의 전류 출력을 얻을 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 다층 박막형 전극에 있어서, 전해질과 전극의 두께는 전해질을 통과하는 이온의 diffusion length(~100nm)에 비하여 충분히 작은 거리이므로 양자역학적으로 periodic potential에서 움직이는 입자의 운동방정식으로 기술된다.
[양자역학에서 1-D Kronich-Penny 모델]
<식 1>
Figure pat00001
상기 식 1의 해는 다음과 같다.
<식 2>
Figure pat00002
Figure pat00003
상기 식에서
Figure pat00004
를 찾는데
Figure pat00005
를
Figure pat00006
의 eigenstate
Figure pat00007
이라 하고
Figure pat00008
와
Figure pat00009
를 찾는다. 여기서
Figure pat00010
는 Lattice Vector,
Figure pat00011
는 Translation Operator 이며,
Figure pat00012
는 전도 이온에 대한 Hamiltonian 이다. 상기 운동방정식의 해는 Bloch function으로 잘 알려져 있는데 이는 에너지 밴드 내에서 움직이는 전자의 운동방정식과 유사하게 된다. 즉 고체 내에서 전자의 valence band와 conduction band사이에 forbidden band가 있듯이 수소/ 산소 이온이 전파될 수 있는 전압의 에너지 Band가 정해지게 된다.
따라서 다층 박막형 전극의 전해질/전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압의 연료전지 전류 출력을 얻을 수 있다.
이러한 다층 박막형 전극의 내부에 존재하는 애노드/캐소드 공통전극은 증착으로 형성되는 것이 바람직한데, 이때 증착의 방법은 바람직하게는 ALD, PLD, CVD(LP-CVD 및 PE-CVD 포함) 일 수 있다.
또한 상기 다층 박막형 전극에서 하나의 셀에 해당하는 단일층(single layer)의 경우에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 1-100 nm인 것이 바람직하다. 또한 상기 다층 박막형 전극에서 각각의 단일층을 형성하는 전극과 전해질의 두께는 0.8-1.2: 0.8-1.2의 비율인 것이 바람직하다. 이렇게 단일층을 형성하기 위해 상기 전극을 증착함에 있어 증착은 특별히 제한되는 것은 아니지만 18-22회를 실시하는 것이 바람직하다. 이렇게 되면 단일층도 바람직하게는 18-22 층으로 반복된다. 결국 이를 통해 상기 다층 박막형 전극의 전체 두께는 바람직하게는 350-450 nm에 해당할 수 있다.
또한 이러한 다층 박막 구조로 인해 이온 전도성을 증대시켜 전지의 내부 저항을 줄임으로써 고체산화물 연료전지의 출력을 증대시키는 효과가 있다. 또한 대면적화 시의 결함으로 인한 전기적 단락을 방지하여 대면적화를 쉽게 하는 효과가 있다.
이러한 다층 박막형 전극은 휘어지는 금속 기판이나 플라스틱 기판에 옮길 경우에는 플렉시블(flexible) 연료전지를 제조할 수 있다. 이때의 공정은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 Lift off 공정으로 Si 또는 유리기판을 떼어내 다른 플렉시블한 재료에 접착시키는 것이 바람직하다.
상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 지르코니아는 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 세리아는 가돌리늄, 사마륨, 란타늄, 이테르븀 및 네오디뮴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이 도핑된 것이 바람직하다. 또한 상기 산소이온 전도성 고체산화물 중 란타늄 갈레이트는 스트론튬 또는 마그네슘으로 도핑된 것이 바람직하다.
또한 상기 수소이온 전도성 고체산화물은 3가 원소가 도핑된 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 양측면은 SiO 또는 SiN을 포함하는 절연부(7)로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 미세하고 작은 구조를 가지고 있어 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하는 것이 가능하고, 고체산화물 연료전지로서의 효율도 우수하다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법은
1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하는 단계;
2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;
3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;
4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및
5) 상기 지지층 및 다층 박막형 전극의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;
를 포함한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서 증착의 방법은 바람직하게는 ALD, PLD, CVD(LP-CVD 및 PE-CVD 포함) 일 수 있으며, 증착의 온도는 500-1,000 ℃인 것이 바람직하다.
상기 1)단계에 의해 상기 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅되어 지지체가 보다 안정적으로 고정되면서 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판을 손상되지 않게 보호하는 역할을 하게 된다. 또한 SiO 또는 SiN 박막은 지지층의 재질과 같아 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판과 지지층을 연결하는 역할을 수행하게 된다.
상기 2)단계에 의해 지지층을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지층은 SiO 또는 SiN 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 지지대의 형상은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 원통형이나 사각기둥일 수 있다.
상기 지지층을 형성한 후 금속매층을 증착하기 전에 CMP 공정으로 평탄화 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 3)단계에 의해 증착되는 금속촉매층의 재질은 Pd 또는 Pt를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 4)단계에 의해 증착되는 다층 박막형 전극은 전극의 양 측면 중 일면에는 애노드 전극과 타면에는 캐소드 전극이 위치하며, 상기 애노드와 캐소드 내부에는 전해질이 존재한다. 또한 상기 전해질에는 복수개의 애노드/캐소드 공통 전극이 반복적으로 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 애노드/캐소드 공통 전극은 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전극으로서 본 발명에서는 애노드/캐소드 공통 전극이라 칭한다. 이렇게 다층 박막형 전극의 두께 및 물성을 조절하여 원하는 전압으로 연료전지의 전류 출력을 얻을 수 있다. 상기 다층 박막형 전극을 증착한 후 원하는 스택 부분의 셀 면적만큼만 남겨두고 나머지 부분은 etch한다.
이렇게 1) 내지 4)단계에 의해 제조된 고체산화물 연료전지 중 지지층 및 다층 박막형 전극의 양 측면은 상기 5)단계에 의해 절연부로 코팅되게 된다. 이러한 5)단계는 Spacer 공정을 사용하여 SiN과 같은 절연체로 Capping 하여 이온이나 연료가 새어나가지 않도록 한다.
마지막으로 상기 6)단계에 의해 캐소드 전극을 증착한 후 패터닝하여 산소가 공급되는 부분을 열어두고 contact pad에 wire를 연결하여 반도체 칩으로 packaging한다.
이렇게 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 제조방법에 의해 제조되는 고체산화물 연료전지는 미세하고 작은 구조를 가지고 있어 반도체 또는 디스플레이 제조 공정에 적용하는 것이 가능하고, 고체산화물 연료전지로서의 효율도 우수하다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실리콘 웨이퍼(Si wafer) 위에 SiO 또는 SiN 을 LPCVD 방식으로 500℃에서 증착하여 박막을 형성한 후 유로 형상의 Mask를 이용하여 Photo/Etch patterning으로 지지층을 형성한다. 지지층 위에 100 nm 안쪽의 얇은 금속촉매층(Pd)을 증착한 후 다층 박막형 전극을 증착한다.
이때 지지층은 serpentine등의 다양한 유로 pattern(Line & Space: L/S)나 Square Array/ Circular Array pattern이 가능하며 내부식성이 있어야 하므로 SiO나 SiN를 사용하였다.
또한 지지층 패턴 위에 전극 금속촉매층 (Pd나 Pt)을 증착 하면 단차로 인해 금속촉매층이 제대로 형성되지 않기 때문에 지지층 위에 SiO를 증착한 후 CMP (Chemical Mechanical Polish) 공정으로 평탄화하였다. 이후 금속촉매층(Pd)을 증착한 후 Oxide etchant (예를 들어 LAR etch: a low ammonium fluoride liquid (LAL) chemical ~etch rate; 20 nm/min, HF 0.7 %, NH4F 17 %, H2O, surfactant, Techno Semichem Co., Ltd.)로 Oxide를 제거하면 지지층과 금속촉매층 사이의 SiO는 제거되어 동공 (Hollow Structure)이 생기게 되어 수소연료의 원활한 공급이 가능하게 된다.
지지층을 형성하는 또 다른 방법으로 지지층과 금속촉매층 사이에 SiO 대신 승화(Sublimation)이 가능한 물질(예를 들어 As)을 증착한 후, CMP공정으로 평탄화 한 후 금속촉매 층을 증착하는 것도 가능하다. 이후 온도를 승화 온도 (615 ℃) 이상 올리면 지지층 및 금속촉매층 사이에 충진된 As이 기화되어 동공(Hollow structure)이 생기게 되어 수소 연료의 원할한 공급이 가능하다.
다층 박막 전극을 증착 후 스택 부분의 원하는 셀 면적만큼 남겨두고 나머지 부분은 etch한 후 다층 박막 전극 및 지지층의 옆 부분은 Spacer 공정을 사용하여 SiN 절연체로 Capping 하여 이온이나 연료가 새어나가지 않도록 한다. 마지막으로 캐소드(Cathode) 전극을 증착한 후 patterning하여 산소가 공급되는 부분을 열어두고 Contact Pad에 wire를 연결하여 Chip으로 Packaging하였다.
이때 상기 다층 박막 전극의 증착은 금속촉매층 위에 애노드 전극을 증착한 후 전해질을 충진하고, 그 다음에 다시 애노드/캐소드 공통 전극을 증착하는 방식으로 20 회 반복하여 실시하였다. 그리고 전해질과 전극의 두께비는 1:1로 하였으며, 20 회를 반복하여 20 층의 다층 박막형 전극을 제조하였다. 이때 하나의 전해질 두께는 10 nm, 하나의 전극 두께는 10 nm이며, 20회를 반복한 전체 스택의 두께는 400 nm가 되도록 제조하였다. 여기서 전해질은 YSZ를 사용하였고 금속촉매층, 애노드/캐소드 공통 전극, 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 Pd를 사용하였다.
이렇게 본 실시예에 따라 제조된 고체산화물 연료전지는 하기 도 1에 나타내었으며, 다층 박막형 전극의 구조는 하기 도 2에 나타내었다. 이러한 도 2에서 수소/산소 가스연료가 공급되는 외부 전극을 제외한 다층 박막 내부의 전극은 애노드/캐소드 공통 전극을 구성하여 수소이온이나 산소이온이 반응하지 않고 전해질을 통해 통과한다. 또한 도 3은 1-D Periodic Potential 내에서 움직이는 입자가 갖는 에너지 밴드를 나타내는 그래프 (전해질/전극 다층 박막구조를 periodic potential로 기술하는 Bloch Theorem을 적용함, 왼쪽: 1-D potential well에서 움직이는 경우 생기는 불연속 에너지 준위, 오른쪽: 1-D periodic potential에서 움직이는 입자의 에너지 밴드 스펙트럼)이다. 또한 도 4는 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판 위에 형성된 다층 박막형 전극의 구조(좌)를 나타내며, 유로가 형성된 지지층 위에 증착된 금속촉매층을 나타내는 그림(우) 이다. 또한 도 5는 반도체 공정에 사용되는 Spacer 공정(SiO 또는 SiN를 Capping layer로 사용)을 나타내는 그림이다. 또한 도 6은 다층박막전극 증착 전 지지층 및 금속촉매층 형성 공정을 나타낸 그림이다. 또한 도 7은 본 실시예의 제조공정을 순차적으로 나타낸 그림이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
1. 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판
2. 지지층
3. 금속촉매층
4. 다층 박막형 전극
5. 애노드
6. 캐소드
7. 절연부

Claims (14)

  1. 상부면에 SiO 또는 SiN 박막이 코팅된 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판이 하단에 위치하며;
    상기 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층이 위치하고;
    상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 접촉한 면의 타면에는 금속촉매층이 부착되어 위치하며;
    상기 금속촉매층의 일면 중 지지층과 접촉한 면의 타면에는 다층 박막형 전극이 부착되어 이루어지는 고체산화물 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지층은 SiO 또는 SiN의 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속촉매층은 Pd 또는 Pt를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다층 박막형 전극은 양측면에 각각 애노드와 캐소드가 위치하며, 상기 애노드와 캐소드의 내부에는 전해질이 포함되고, 상기 전해질에는 복수개의 애노드/캐소드 공통 전극이 반복적으로 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하여 이루어지며,
    상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
    상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 양측면은 SiO 또는 SiN을 포함하는 절연부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  8. 1) 실리콘 웨이퍼 또는 유리기판의 상부에 SiO 또는 SiN 박막을 증착하여 코팅하는 단계;
    2) 상기 증착된 SiO 또는 SiN 박막 위에 지지층을 형성하는 단계;
    3) 상기 지지층의 일면 중 SiO 또는 SiN 박막과 지지층이 접촉된 면의 타면에 금속촉매층을 증착하는 단계;
    4) 상기 금속촉매층의 일면 중 상기 지지층과 접촉된 면의 타면에 다층 박막형 전극을 부착시키는 단계; 및
    5) 상기 지지층 및 다층 박막형 전극의 양측면에 절연부를 코팅하는 단계;
    를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 지지층은 SiO 또는 SiN의 재질이며, 복수개의 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 금속촉매층은 Pd 또는 Pt를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 다층 박막형 전극은 양측면에 각각 애노드와 캐소드가 위치하며, 상기 애노드와 캐소드의 내부에는 전해질이 포함되고, 상기 전해질에는 복수개의 애노드/캐소드 공통 전극이 반복적으로 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 애노드, 캐소드 및 애노드/캐소드 공통 전극의 재료는 백금, 팔라듐, 루테늄, 바나듐, 니켈, 구리, 금, 은, 텅스텐, 그라핀 및 CNT(Carbon Nanotube) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 전해질은 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도성 고체산화물을 포함하여 이루어지며,
    상기 산소이온 전도성 고체산화물은 지르코니아, 세리아 및 란타늄 갈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상이고,
    상기 수소이온 전도성 고체산화물은 바륨 지르코네이트, 바륨 세레이트, 스트론튬 세레이트 및 스트론튬 지르코네이트로 이루어진 모 페로브스카이트 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 지지층을 형성한 후 금속촉매층을 증착하기 전에 CMP 공정으로 평탄화 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료전지의 제조방법.

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