KR20180137755A - Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof - Google Patents

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KR20180137755A
KR20180137755A KR1020170077387A KR20170077387A KR20180137755A KR 20180137755 A KR20180137755 A KR 20180137755A KR 1020170077387 A KR1020170077387 A KR 1020170077387A KR 20170077387 A KR20170077387 A KR 20170077387A KR 20180137755 A KR20180137755 A KR 20180137755A
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electrode
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안유민
이철희
최태성
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a microfluidic fuel cell includes: a substrate; micro-channels having anodes and cathodes extended in a first direction on the substrate; and a cover unit which includes a first organic substance, is arranged on the substrate to cover the micro-channels, includes inlets for allowing fuels to flow into the cathodes and oxidants to flow into the anodes, and includes outlets for discharging substances generated as a result of the oxidation-reduction reaction of the anodes, cathodes, fuels, and oxidants. The cover unit includes groove units corresponding to the micro-channels on the first surface arranged toward the substrate and an additional coating layer including a second organic substance having a lower oxygen permeability value than the first organic substance on at least a part of the first surface including the groove units.

Description

마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법{Micro fluidic fuel cell and method to manufacture thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a microfluidic fuel cell,

본 발명의 기술적 사상은 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전극의 형태에 변화를 주어 주입되는 미생물의 농도손실을 최소화 하며 전극과 미생물의 반응 면적으로 최대한 높이고, 채널 내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic fuel cell and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a microfluidic fuel cell, and more particularly, The present invention relates to a microfluidic fuel cell that improves power density and current density by minimizing oxygen penetration into the interior of a fuel cell, and a method of manufacturing the same.

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 is a cell that directly converts energy generated by oxidation of fuel into electric energy. In such fuel cells, research and development are being actively carried out, focusing on research that can reduce the burden on environmental pollution, energy that can achieve energy efficiency close to twice that of gasoline engines, and auxiliary power for automotive power supplies and fixed power equipment .

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.Meanwhile, as the information society is accelerating in the 21st century, researches on a micro fuel cell of a small size are being carried out in order to use the fuel cell for the portable terminal and the portable high density and high power energy storage system.

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 very small size fuel cell, and its capacity is generally 100 watts (W) or less, and it is an ultra small fuel cell 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.Microfluidic fuel cells that generate electrical energy using the flow of microfluid among these microfuel cells utilize the property that the fluids flowing through the microfluidic channels form laminar flow and do not mix well. In other words, the fuel and oxidant fluid respectively flow into the microchannel to form a liquid-liquid interface of the fuel and the oxidant, which replaces the role of the existing proton exchange membrane. Therefore, compared to a conventional fuel cell to which a proton exchange membrane is applied, an expensive exchange membrane is not required, which can reduce cost and simplify the process. In addition, it is possible to prevent the occurrence of a fuel crossover phenomenon in which the fuel flows back through the exchange membrane.

본 발명의 기술적 사상에 따른 마이크로 유체 연료 전지가 이루고자 하는 기술적 과제는, 전극의 형태에 변화를 주어 주입되는 미생물의 농도손실을 최소화 하며 전극과 미생물의 반응 면적으로 최대한 높이고, 채널내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법을 구현하는 데 있다.The technical problem of the microfluidic fuel cell according to the technical idea of the present invention is to minimize the concentration loss of the microorganism by changing the shape of the electrode and to maximize the reaction area between the electrode and the microorganism, To thereby improve power density and current density, and a method of manufacturing the same.

본 발명의 기술적 사상에 따른 마이크로 유체 연료 전지가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical object of the microfluidic fuel cell according to the technical idea of the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and another problem that is not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 마이크로 유체 연료 전지에 따르면, 기판; 상기 기판 상에, 제1 방향을 따라 연장된 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)을 갖는, 마이크로 채널; 및 제1 유기물을 포함하며, 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판 상에 배치되고, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하거나 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 유입구들과, 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구를 갖는, 커버부;를 구비하고, 상기 커버부는 상기 기판을 향하는 제1 면에 상기 마이크로 채널에 대응하는 홈부를 포함하고, 상기 홈부를 포함하는 상기 제1 면의 적어도 일부에 상기 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층을 더 구비하는, 마이크로 유체 연료 전지가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a microfluidic fuel cell comprising: a substrate; A microchannel having an anode and a cathode extending along a first direction on the substrate; And a first organic material disposed on the substrate so as to cover the microchannel and having an inlet for introducing fuel into the cathode electrode or introducing an oxidant to the anode electrode, Wherein the cover portion includes a groove portion corresponding to the microchannel on a first surface facing the substrate, the groove portion corresponding to the microchannel, the groove portion corresponding to the microchannel, And a coating layer comprising a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material on at least a portion of the first surface.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 제1 유기물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하고, 상기 제2 유기물은 패럴린C(Parylene C)를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the first organic material may include PDMS (Polydimethylsiloxane), and the second organic material may include Parylene C.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 복수개의 돌기들을 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the anode electrode and the cathode electrode may include a plurality of protrusions.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극의 표면은 엠보싱 형태를 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the surfaces of the anode electrode and the cathode electrode may have an embossed shape.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 금(Au)을 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the positive electrode and the negative electrode may include gold (Au).

예시적인 실시예에 따르면, 상기 커버부의 상기 제1 면은 상기 기판에 부착되며, 상기 제1 면의 적어도 일부에는 상기 코팅층이 배치되지 않을 수 있다.According to an exemplary embodiment, the first surface of the cover portion is attached to the substrate, and the coating layer may not be disposed on at least a part of the first surface.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 기판 상에 배치되는 양극 전극 패드 및 음극 전극 패드를 더 포함하고, 상기 양극 전극 패드는 배선을 통해 상기 양극 전극의 중앙부와 연결되고, 상기 음극 전극 패드는 배선을 통해 상기 음극 전극의 중앙부와 연결될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, there is further provided an anode electrode pad and a cathode electrode pad disposed on the substrate, wherein the anode electrode pad is connected to a central portion of the anode electrode via a wiring, And may be connected to a central portion of the cathode electrode.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 유입구들은, Y자 형상으로 마련되는 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부를 관통하여 상기 음극 전극으로 상기 연료를 유입하는 연료 유입구; 및 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부를 관통하여 상기 양극 전극으로 상기 산화제를 유입하는 산화제 유입구;를 포함하며, 상기 배출구는 상기 마이크로 채널의 단부에 위치하도록 상기 커버부를 관통할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the inlets include a fuel inlet through which the fuel flows into the cathode electrode through the cover portion so as to be located at a starting point of one of two forkings of the microchannel provided in a Y-shape; And an oxidant inlet through which the oxidant flows into the anode electrode so as to be located at a starting point of another of the microchannels, wherein the outlet is located at an end of the microchannel, Can penetrate.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 기판은 제1 방향을 따라 연장되는 복수개의 양극 전극들 및 음극 전극들을 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the substrate may include a plurality of anode electrodes and cathode electrodes extending in a first direction.

본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 마이크로 유체 연료 전지에 따르면, 기판 상에, 제1 방향을 따라 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)을 형성하여, 마이크로 채널을 제작하는 단계; 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판 상에, 제1 유기물을 포함하며, 상기 기판을 향하는 제1 면에 상기 마이크로 채널에 대응하는 홈부를 형성하는 단계 및 상기 홈부를 포함하는 상기 제1 면의 적어도 일부에 상기 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 커버부를 제작하는 단계; 상기 기판 상에 상기 커버부를 접착 방법에 의해 결합하는, 결합 단계를 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a microfluidic fuel cell comprising: an anode and a cathode formed on a substrate along a first direction to form a microchannel; Forming a groove corresponding to the microchannel on a first surface of the substrate including the first organic material on the substrate so as to cover the microchannel and facing at least a portion of the first surface including the groove; And a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material, the method comprising the steps of: And joining the cover portion on the substrate by a bonding method.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 커버부를 제작하는 단계는, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하는 연료 유입구를 형성하는 단계, 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 산화제 유입구를 형성하는 단계 및 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 연료 유입구, 상기 산화제 유입구 및 상기 배출구는 몰딩(molding) 방법 및 펀칭(punching) 방법에 의해 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the step of fabricating the cover portion includes the steps of forming a fuel inlet for introducing fuel into the cathode electrode, forming an oxidant inlet for introducing the oxidant into the anode electrode, And forming a discharge port for discharging a substance generated as a result of a redox reaction between the electrodes, wherein the fuel inlet, the oxidant inlet, and the discharge port are formed by a molding method and a punching method .

예시적인 실시예에 따르면, 상기 커버부를 형성하는 제1 유기물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하고, 상기 코팅층을 형성하는 제2 유기물은 패럴린C(Parylene C)를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the first organic material forming the cover part may include PDMS (Polydimethylsiloxane), and the second organic material forming the coating layer may include Parylene C.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 마이크로 채널을 제작하는 단계는, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 상에 복수개의 돌기들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the step of fabricating the microchannel may further include forming a plurality of protrusions on the anode electrode and the cathode electrode.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 마이크로 채널을 제작하는 단계에서, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 금(Au)을 포함하여 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, in the step of fabricating the microchannel, the positive electrode and the negative electrode may be formed of gold (Au).

예시적인 실시예에 따르면, 상기 코팅층은 화학기상증착법(CVD)으로 형성될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the coating layer may be formed by chemical vapor deposition (CVD).

예시적인 실시예에 따르면, 상기 코팅층을 형성하는 단계는, 중합체(Polymer)형태의 유기물을 이합체(Dimer)형태로 변환시키는 단계; 상기 이합체(Dimer)형태를 단위체(Monomer)형태로 변환시키는 단계; 및 상온 조건 하에서 상기 단위체(Monomer)를 상기 커버층의 제1 면의 적어도 일부 상에 증착하는 단계를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the step of forming the coating layer includes: converting an organic material in a polymer form into a dimer form; Converting the dimer form into a monomer form; And depositing the monomers on at least a portion of the first side of the cover layer under normal temperature conditions.

본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 마이크로 유체 연료 전지 및 그 제조방법에 따르면, 전극의 형태에 변화를 주어 주입되는 미생물의 농도손실을 최소화 하며 전극과 미생물의 반응 면적으로 최대한 높이고, 채널 내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법을 구현할 수 있다.According to the microfluidic fuel cell and the method of manufacturing the same according to the technical idea of the present invention, the shape of the electrode is changed to minimize concentration loss of the microorganism to be injected, maximize the reaction area of the electrode and microorganism, It is possible to realize a microfluidic fuel cell that improves power density and current density by minimizing oxygen penetration into the inside, and a manufacturing method thereof.

본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 마이크로 유체 연료 전지를 개략적으로 도시하는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지의 일부를 확대하여 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 1의 마이크로 유체 연료 전지의 일부를 확대하여 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 5, 도 6 및 도 8은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 7은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지의 제조 공정의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A brief description of each drawing is provided to more fully understand the drawings recited herein.
1 is a perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view schematically showing the microfluidic fuel cell of FIG.
3 is a cross-sectional view schematically showing an enlarged portion of a portion of the microfluidic fuel cell of FIG.
4 is a plan view schematically showing an enlarged portion of a portion of the microfluidic fuel cell of FIG.
5, 6, and 8 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of the microfluidic fuel cell of FIG.
7 is a conceptual view schematically showing a part of the manufacturing process of the microfluidic fuel cell of FIG.

본 발명의 기술적 사상은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 기술적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. However, it should be understood that the technical idea of the present invention is not limited to the specific embodiments but includes all changes, equivalents, and alternatives included in the technical idea of the present invention.

본 발명의 기술적 사상을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 기술적 사상의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0027] In the following description of the present invention, a detailed description of known technologies will be omitted when it is determined that the technical idea of the present invention may be unnecessarily obscured. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, in this specification, when an element is referred to as being " connected " or " connected " with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.

그리고 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.It is to be clarified that the division of constituent parts in this specification is merely a division by each main function of each constituent part. That is, two or more constituent parts to be described below may be combined into one constituent part, or one constituent part may be divided into two or more functions according to functions that are more subdivided. In addition, each of the constituent units described below may additionally perform some or all of the functions of other constituent units in addition to the main functions of the constituent units themselves, and that some of the main functions, And may be carried out in a dedicated manner.

이하, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)를 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 마이크로 유체 연료 전지(100)를 개략적으로 도시하는 분해 사시도이다.FIG. 1 is a perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing a microfluidic fuel cell 100 of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 전지는 기판(110), 기판(110) 상에 배치되며 양극 전극(121)(anode) 및 음극 전극(125)(cathode)을 포함하는 마이크로 채널(120), 마이크로 채널(120)을 덮도록 기판(110) 상에 배치되는 커버부(150) 및 커버부(150)에 있어서 기판(110)을 향하는 제1 면(150a) 상에 배치된 코팅층(152)을 구비한다.1 and 2, a microfluidic cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate 110, an anode electrode 121 and a cathode electrode 125 disposed on the substrate 110, A cover portion 150 disposed on the substrate 110 to cover the microchannel 120 and a first surface 150a facing the substrate 110 in the cover portion 150. The microchannel 120 includes the microchannel 120, And a coating layer 152 disposed on the coating layer 152.

기판(110)은 예를 들어 글래스(glass)재로 형성될 수 있다.The substrate 110 may be formed of, for example, a glass material.

기판(110) 상에는 Y자 형상으로 마련되는 마이크로 채널(120)과, 마이크로 채널(120)의　양극 전극(121) 및　음극 전극(125)으로부터 연장 형성된 전극 패드(130)를 구비할 수 있다. 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)은 예컨대, 포토레지스터를 이용하여 리프트-오프 공정에 의해 형성될 수 있으며, 금(Au) 또는 백금(pt) 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.A microchannel 120 provided in a Y shape on the substrate 110 and an electrode pad 130 extending from the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 of the microchannel 120 may be provided. The anode electrode 121 and the cathode electrode 125 may be formed by a lift-off process using, for example, a photoresistor and may be formed of a metal such as gold (Au) or platinum (pt) It is not.

전극 패드(130)는 각각 연결된　양극 전극(121) 및　음극 전극(125)의 전극 패턴을 형성하는 부분이다. 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)은 각각 배선(133)을 통해, 소켓 연결부의 역할을 하는 양극 전극(121) 패드(131)로 연결되고, 음극 전극(125)은 배선(133)을 통해 소켓 연결부의 역할을 하는 음극 전극(125) 패드(132)로 연결된다. 따라서, 연료와 산화제의 공급에 따라, 양극 전극(121)과 음극 전극(125) 간의 전류로부터 전원이 생성될 수 있다.The electrode pad 130 is a portion forming the electrode pattern of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125, respectively. The anode electrode 121 and the cathode electrode 125 are respectively connected to a pad 131 of an anode electrode 121 serving as a socket connection portion through a wiring 133 and a cathode electrode 125 is connected to a wiring 133 To the pad 132 of the cathode electrode 125, which serves as a socket connection. Accordingly, power can be generated from the current between the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 according to the supply of the fuel and the oxidant.

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 이격부(127)가 구비될 수 있다. 이격부(127)은 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)를 구분하는 공간으로, 연료와 산화제의 일부가 혼합되는 계면을 형성한다. 이러한 이격부(127)는 연료 역류 현상이 일어나지 않도록 이격부(127)의 폭 설정이 중요하다. 본 실시예에서는 연료 역류 현상이 발생하지 않는 이격부(127)의 폭을 알아보기 위하여 전산 유체 해석 프로그램을 사용하여 유동 해석을 수행하였다.1 and 2, the microchannel 120 of the present embodiment is provided in a Y-shape and includes a separator 127 for separating the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 from each other along the center portion, May be provided. The spacing 127 is a space for separating the anode electrode 121 and the cathode electrode 125, and forms an interface at which a part of the fuel and the oxidant are mixed. It is important to set the width of the spacing portion 127 such that the fuel backflow phenomenon does not occur in the spacing portion 127. In this embodiment, a flow analysis is performed using a computational fluid analysis program to determine the width of the spacing portion 127 where fuel back flow phenomenon does not occur.

이러한 기판(110)은 복수 과정의 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 제작될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.The substrate 110 may be manufactured through a lift-off process of a plurality of processes. This will be described later.

한편, 본 실시예의 커버부(150)는, 마이크로 채널(120)이 형성된 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 커버부(150)이다. 이러한 커버부(150)의 제작 과정에 대해서는 자세히 후술하기로 한다.The cover part 150 of the present embodiment covers the substrate 110 on which the microchannel 120 is formed and is provided with an inlet 160 for introducing fuel into the anode electrode 125 and an oxidant from the anode electrode 121, And an outlet 165 for discharging are formed. The cover part 150 of the present embodiment is a cover part 150 manufactured by applying a molding method using PDMS (polydimethylsiloxane). The manufacturing process of the cover portion 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 formed in the cover part 150 is formed in a shape of a Y-shaped microchannel 120, A fuel inlet 161 formed to penetrate through the anode 150 and flow into the anode 125 and a fuel inlet 161 formed in the cover 150 so as to be positioned at a starting point of another branch of the microchannel 120, And an oxidant inlet 162 for introducing the oxidant into the electrode 121. [

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, And then the electric energy having a predetermined power density can be generated by the oxidation-reduction reaction with each of the electrodes 121 and 125.

일 실시예로, 유입되는 연료는 촉매와 버퍼 용액을 혼합한 연료, 예를 들어 페리사이아나이드칼륨(potassium ferricyanide)과 인산 버퍼용액(phosphate buffer)을 소정의 비율로 혼합한 연료일 수 있으며, 유입되는 산화제는 전자 공급용 유기물, 비타민 용액, 미네랄 용액 및 버퍼 용액을 혼합한 산화제, 예를 들어 아세트산나트륨(sodium acetate), 비타민 용액, 미네랄 용액 및 인산 버퍼용액을 소정의 비율로 혼합한 연료일 수 있다.In one embodiment, the introduced fuel may be a fuel obtained by mixing a catalyst and a buffer solution, for example, a mixture of potassium ferricyanide and a phosphate buffer in a predetermined ratio, The oxidizing agent may be an oxidant mixed with an organic material for electron supply, a vitamin solution, a mineral solution and a buffer solution, for example, a sodium acetate, a vitamin solution, a mineral solution and a phosphate buffer solution at a predetermined ratio have.

그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예로, 유입되는 연료는 H2O2와 NaOH를 소정의 비율로 혼합한 연료일 수 있으며, 산화제는 H2O2와 H2SO4를 소정의 비율로 혼합한 산화제일 수 있다.However, the present invention is not limited thereto. In another embodiment, the introduced fuel may be a fuel mixed with H2O2 and NaOH at a predetermined ratio, and the oxidizing agent may be an oxidizing agent mixed with H2O2 and H2SO4 at a predetermined ratio.

연료와 산화제는 소정의 유입 장치를 이용하여 각각의 유입구(161, 162)에 유입되며, 이때 측정 장치를 통해 유입되는 양을 측정할 수 있다.The fuel and the oxidant flow into each of the inlets 161 and 162 using a predetermined inflow device, and the amount of the inflow through the measurement device can be measured.

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.Meanwhile, the discharge port 165 may be formed in the cover portion 150 so as to be located at the end of the microchannel 120 as a portion through which hydrogen and oxygen bubbles that can be generated in the redox reaction are discharged.

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 a result, 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 and 161 formed in the cover 150 So that it is possible to obtain electric energy having a power density that is higher than that of the prior art.

한편, 전술한 기판(110) 및 커버부(150)는 제작된 후 상호 접착 방법에 의해 결합된다. 이에 대해서는 후술할 제조 방법에서 설명하기로 한다.Meanwhile, the substrate 110 and the cover portion 150 described above are fabricated and then bonded together by a bonding method. This will be described in the following manufacturing method.

본 실시예에 있어서, 커버부(150)는 기판(110)을 향하여 접하는 제1 면(150a) 및 제1 면(150a)의 반대측에 위치하는 제2 면(150b)을 가질 수 있다. 상술한 유입구(160) 및 배출구(165)가 커버부(150)를 관통한다고 함은, 제1 면(150a)과 제2 면(150b)을 관통하여 형성되는 것으로 이해될 수 있다.In this embodiment, the cover portion 150 may have a first surface 150a facing the substrate 110 and a second surface 150b located on the opposite side of the first surface 150a. It can be understood that the inlet 160 and the outlet 165 penetrate the cover 150 through the first surface 150a and the second surface 150b.

한편, 커버부(150)는 제1 면(150a)에 상술한 마이크로 채널(120)에 대응하는 홈부(155)를 포함할 수 있다. 즉, 홈부(155)는 기판(110) 상에 배치된 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)에 대응하여 구비되며, 이러한 전극들을 따라 흐르는 연료 및 산화제의 유로를 형성할 수 있다.The cover 150 may include a groove 155 corresponding to the microchannel 120 on the first surface 150a. That is, the groove portion 155 is provided corresponding to the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 disposed on the substrate 110, and can form a flow path of the fuel and the oxidant flowing along the electrodes.

종래의 마이크로 미생물 연료전지들은 양성자 교환막을 동일하게 사용하였는데, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)에서는, 교환막이 없는 층류기반 마이크로 유체 연료 전지(100) 구조를 제안한다. 하지만 교환막이 없는 층류기반 마이크로 유체 연료 전지(100)를 구현하기 위해서는 미생물과 연료의 종류, 전극의 재료, 형상 및 구성, 전자 전달매개체와 전해질 그리고 산화제의 구성 등을 변화시켜 단위면적당 전력밀도(Power density)를 상승시키는 것이 요구된다. Conventional micro microbial fuel cells use the same proton exchange membrane. In the microfluidic fuel cell 100 according to the present embodiment, a laminar flow based microfluidic fuel cell 100 structure without the exchange membrane is proposed. However, in order to realize a laminar flow-based microfluidic fuel cell 100 without a membrane, it is necessary to change the types of microorganisms and fuels, the material, shape and composition of the electrodes, the composition of the electron transport medium and the electrolyte, density is required to be increased.

본 실시예에서는, 마이크로 채널(120)을 형성하는 커버부(150)를 제1 유기물을 포함하여 형성하고, 제1 유기물을 예컨대, 산소가 투과되는 PDMS 재료로 제작할 수 있다. 이러한 PDMS 기반의 커버부(150)를 사용하는 경우 산화전극 주위에 산소에 의한 전자 흐름의 손실과 혐기성인 폐수 지오박테리아 미생물 균체에 악영향을 미치는 문제점이 있다. In this embodiment, the cover 150 forming the microchannel 120 may be formed to include a first organic material, and the first organic material may be made of a PDMS material that is permeable to oxygen, for example. When such a PDMS-based cover unit 150 is used, there is a problem that the loss of electron flow due to oxygen around the oxidizing electrode and adverse effects on the anaerobic wastewater geobacterial microorganism cells.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)에서는, 커버부(150)의 제1 면(150a)에 있어서 홈부(155)를 포함한 적어도 일부 영역에 코팅층(152)을 증착하여, 주입되는 미생물의 농도손실을 최소화 하며 전극과 미생물의 반응 면적으로 최대한 높이고, 채널내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로유체 미생물 연료전지를 제안한다.In the microfluidic fuel cell 100 according to the embodiment of the present invention, the coating layer 152 is deposited on at least a part of the first surface 150a of the cover part 150 including the groove 155, We propose a microfluidic microbial fuel cell that minimizes the concentration loss of injected microorganisms, maximizes the area of reaction between the electrodes and microorganisms, and minimizes oxygen penetration into the channels, thereby improving power density and current density.

도 3은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지(100)의 일부를 확대하여 개략적으로 도시하는 단면도이다.3 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion of the microfluidic fuel cell 100 of FIG.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 연료 전지(100)는, 커버부(150)의 제1 면(150a)의 적어도 일부에 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층(152)을 구비한다. 코팅층(152)은 커버부(150)의 제1 면(150a) 중 마이크로 채널(120)을 형성하는 홈부(155)를 포함하는 적어도 일부 영역에 코팅된다.Referring to FIG. 3, the microfluidic fuel cell 100 according to the present embodiment may include a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material on at least a portion of the first surface 150a of the cover unit 150 (Not shown). The coating layer 152 is coated on at least a portion of the first surface 150a of the cover portion 150 including the groove 155 forming the microchannel 120. [

이 경우 코팅층(152)은 마이크로 채널(120)은 형성하는 홈부(155) 및 그 주변부에 코팅될 수 있다. 코팅층(152)은 홈부(155)의 전면을 코팅하도록 증착되는 것이 바람직하며, 홈부(155)의 일부만 코팅하는 경우에는 그 효율이 떨어지는 것을 실험적으로 확인하였다.In this case, the coating layer 152 may be coated on the groove 155 forming the microchannel 120 and its periphery. The coating layer 152 is preferably deposited to coat the entire surface of the trench 155 and it is experimentally confirmed that the efficiency of the coating is reduced when only a part of the trench 155 is coated.

한편, 커버부(150)는 제1 유기물로 형성되고, 코팅층(152)은 제2 유기물로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 제1 유기물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하고, 제2 유기물은 패럴린C(Parylene C)를 포함할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에 따르면, 커버부(150)를 형성하는 제1 유기물에 비해 코팅층(152)을 형성하는 제2 유기물이 상대적으로 낮은 산소 투과율을 갖는 물질하면 족하다. 따라서 상술한 패럴린C(Parylene C)와 같은 경우 낮은 산소 투과율을 갖는 대표적인 유기물로 패럴린C(Parylene C)로 코팅층(152)을 형성하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the cover portion 150 may be formed of a first organic material, and the coating layer 152 may be formed of a second organic material. In one embodiment, the first organic material may include PDMS (polydimethylsiloxane), and the second organic material may include parylene C, but the present invention is not limited thereto. According to the present embodiment, the second organic material forming the coating layer 152 may be a material having a relatively low oxygen permeability as compared to the first organic material forming the cover portion 150. Therefore, in the case of Parylene C described above, it is preferable to form the coating layer 152 with parylene C as a typical organic material having a low oxygen permeability.

이와 같은 코팅층(152)은 상술한 것과 같이, 마이크로 채널(120)이 형성된 커버부(150)의 산소 투과율을 낮게 함으로써, 마이크로 채널(120) 내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 코팅층(152)은 기판(110) 상에 접합되어야 하는 커버부(150)의 제1 면(150a)의 접합력이 매우 약해진다는 문제점이 있다.The coating layer 152 minimizes the oxygen permeation into the microchannel 120 by lowering the oxygen permeability of the cover portion 150 formed with the microchannel 120 to reduce the power density and the current density Can be improved. However, such a coating layer 152 has a problem that the bonding force of the first surface 150a of the cover portion 150 to be bonded onto the substrate 110 becomes very weak.

따라서, 본 실시예에 따른 코팅층(152)에서는 커버부(150)의 제1 면(150a)의 적어도 일부에는 상기 코팅층(152)이 배치되지 않는 영역이 구비된다. 즉, 코팅층(152)과 기판(110) 사이에는 접착력이 매우 약하기 때문에, 증착 과정에서 커버부(150)의 제1 면(150a)의 적어도 일부에 마스킹 등을 통해 접착 면적을 확보할 수 있다. Therefore, in the coating layer 152 according to the present embodiment, at least a portion of the first surface 150a of the cover portion 150 is provided with an area where the coating layer 152 is not disposed. That is, since the adhesive force between the coating layer 152 and the substrate 110 is very weak, the adhesion area can be ensured through masking or the like on at least a part of the first surface 150a of the cover part 150 during the deposition process.

도 4는 도 1의 마이크로 유체 연료 전지(100)의 일부를 확대하여 개략적으로 도시하는 평면도이다.4 is an enlarged plan view schematically showing a part of the microfluidic fuel cell 100 of FIG.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)의 표면에는 복수개의 돌기(E)들이 배치될 수 있다. 일 실시예로, 복수개의 돌기(E)들 각각은 원기둥 형상을 가질 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 구조를 통해, 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)의 표면적을 약 130% 이상 확대할 수 있으며, 이와 같이 양극 전극(121) 및 음극 전극(125)의 표면적이 넓어 짐에 따라 전극의 표면에 미생물이 접합하기에 용이하여 주입된 주입되는 미생물의 농도 손실을 최소화할 수 있다.Referring to FIG. 4, a plurality of protrusions E may be disposed on the surfaces of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 according to the present embodiment. In one embodiment, each of the plurality of projections E may have a cylindrical shape, but the present invention is not necessarily limited thereto. With this structure, the surface area of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 can be increased by about 130% or more. As the surface area of the anode electrode 121 and the cathode electrode 125 is widened, It is easy for the microorganisms to bond to the surface, so that the concentration loss of the injected microorganisms can be minimized.

본 실시예에서는, 마이크로유체 미생물 연료전지의 성능을 향상하기 위해 일반적으로 평면 형태의 전극을 사용하는 연료전지의 전극표면위에 원기둥 형태의 요철을 구상하였다. 요철의 형상은 설계된 평면 전극 마이크로유체 미생물 연료전지를 기반으로 제한된 전극 위에 최대한 미생물과의 반응 면적이 커지면서, 반도체 공정 기법으로 제작이 가능한 수준으로 설계하였다. 예를 들어, 요철의 높이는 7.5㎛, 직경은 20㎛이다. 그리고 요철의 중심간 간격은 40㎛로 형성될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, in order to improve the performance of a microfluidic microbial fuel cell, cylindrical irregularities are formed on the electrode surface of a fuel cell using a planar electrode in general. The shape of the irregularities is designed to be able to be fabricated by a semiconductor process technique while the area of reaction with microorganisms is maximized on a limited electrode based on a designed planar electrode microfluidic microbial fuel cell. For example, the height of the unevenness is 7.5 mu m and the diameter is 20 mu m. And the center-to-center spacing of the concavities and convexities may be 40 탆, but the present invention is not necessarily limited thereto.

마이크로 유체 연료 전지(100)의 경우 여러 종류의 유기물을 이용하면서 전기를 발생시키는 장점을 가지고 있지만 현재 가장 큰 문제점은 생산 가능한 전력이 수소연료전지에 비하여 아주 작다는 데 있다. 전력이 작은 것에 대한 이유는 세 가지의 이유가 존재한다. 첫 번째로 대부분 경우, 산소가 투과되는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재료로 채널을 제작하여, 산화전극 주위의 산소에 의한 산화전극으로의 전자 흐름의 손실과 혐기성인 폐수 지오박테리아 미생물 균체에 대한 악영향이 발생하기 때문 이다. 두 번째로는 미생물 균체와의 접촉성이 떨어지는 재료가 전극에 사용되어 전지성능에 제한된다.The microfluidic fuel cell 100 has advantages of generating electricity using various kinds of organic materials, but the biggest problem at present is that the electric power that can be produced is very small compared to the hydrogen fuel cell. There are three reasons for the small power. First, in most cases, a channel is made of a PDMS (Polydimethylsiloxane) material through which oxygen is permeated, resulting in loss of electron flow to the oxidation electrode due to oxygen around the oxidizing electrode and adverse effects on the anaerobic microorganism cells of the wastewater geobacterial bacteria Because. Secondly, materials that are inferior in contact with microbial cells are used in the electrode, which limits battery performance.

따라서 본 발명의 일 실시예에 관한 마이크로 유체 연료 전지(100)에서는 기존의 선행연구들에서 문제시 되었던 것들을 해결하기 위한 방안으로 마이크로 제조 기법을 이용하여 주입되는 미생물의 농도 손실을 최소화 하고, 채널내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로유체 미생물 연료전지를 제안한다. Therefore, in the microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention, as a method for solving the problems in the existing prior arts, it is possible to minimize the concentration loss of the microorganisms injected using the micro- To improve the power density and current density by minimizing the oxygen penetration into the microfluidic microbial fuel cell.

일 구현 예로서, 본 발명의 일 실시예에 관한 마이크로 유체 연료 전지(100)에서는 낮은 전력 밀도를 높이기 위해서 주입된 미생물의 손실을 줄이기 위해 전극 부분을 요철 전극으로 제작 하였다. 위와 같이 전극을 제작 하면 미생물이 전극에 접촉성이 좋아지기 때문에 전지 성능이 좋아 진다. 또한 산소가 투과되는 PDMS 재료로 마이크로 채널(120)을 제작하고, 마이크로 채널(120)에 Parylene C재료를 코팅하여 산화전극 주위의 산소에 의한 산화전극으로의 전자 흐름의 손실을 방지함과 동시에 혐기성인 폐수 지오박테리아 미생물 균체에 대한 악영향이 발생하는 것을 방지 하여 마이크로 채널(120) 내에 미생물이 안정적으로 형성 될 수 있다.In one embodiment, the microfluidic fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention has an electrode portion formed as an uneven electrode in order to reduce the loss of microbes injected in order to increase the power density. When the electrode is fabricated as described above, the microorganism improves the contactability of the electrode, thereby improving battery performance. The microchannel 120 is fabricated from a PDMS material through which oxygen is permeated and a Parylene C material is coated on the microchannel 120 to prevent loss of electron flow to the oxidizing electrode due to oxygen around the oxidizing electrode, It is possible to stably form microorganisms in the microchannel 120 by preventing adverse effects on the wastewater geobacterial microbial cells.

도 5, 도 6 및 도 8은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조 공정을 개략적으로 도시하는 단면도들이고, 도 7은 도 1의 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조 공정의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.FIGS. 5, 6, and 8 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of the microfluidic fuel cell 100 of FIG. 1, and FIG. 7 is a schematic cross- FIG.

지금까지는 마이크로 유체 연료 전지(100)에 대해서만 주로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 이러한 마이크로 유체 연료 전지(100)를 제작하기 위한 마이크로 유체 연료 전지(100)의 제조방법 역시 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.Although only the microfluidic fuel cell 100 has been described so far, the present invention is not limited thereto. For example, the manufacturing method of the microfluidic fuel cell 100 for manufacturing the microfluidic fuel cell 100 is also within the scope of the present invention.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 기판(110) 상에, 제1 방향을 따라 양극 전극(121)(anode) 및 음극 전극(125)(cathode)을 형성하여, 마이크로 채널(120)을 제작하는 단계, 마이크로 채널(120)을 덮도록 기판(110) 상에, 제1 유기물을 포함하는 커버부(150)를 제작하는 단계 및 기판(110) 상에 커버부(150)를 접착 방법에 의해 결합하는, 결합 단계를 포함한다. 커버부(150)를 제작하는 단계는 기판(110)을 향하는 제1 면(150a)에 마이크로 채널(120)에 대응하는 홈부(155)를 형성하는 단계 및 홈부(155)를 포함하는 제1 면(150a)의 적어도 일부에 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층(152)을 형성하는 단계를 포함한다.5 to 8, an anode electrode 121 and a cathode electrode 125 are formed on a substrate 110 along a first direction to form a microchannel 120 (150) covering the microchannel (120) on the substrate (110), and forming the cover part (150) on the substrate (110) by a bonding method , And a coupling step. The step of fabricating the cover part 150 includes the steps of forming a groove part 155 corresponding to the microchannel 120 on the first surface 150a facing the substrate 110 and a step of forming the groove part 155, And forming a coating layer 152 on at least a portion of the first organic layer 150a, the second organic layer having a lower oxygen permeability than the first organic layer.

먼저, 본 실시예의 마이크로 채널(120) 제작 단계(S100)는, 다수의 리프트 오프 단계를 구비할 수 있다. 마이크로 채널(120) 제작 단계(S100)는 평면 전극을 형성하는 단계 및 평면 전극 상에 복수개의 돌기(E)들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.First, the manufacturing step S100 of the microchannel 120 of the present embodiment may include a plurality of lift-off steps. Step S100 of fabricating the microchannel 120 may include forming a planar electrode and forming a plurality of protrusions E on the planar electrode.

먼저, 평면 전극을 형성하는 단계는, 도 5에 도시된 바와 같이, 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.5, the step of forming a planar electrode may include coating a positive photoresist 111 on the substrate 110 by a spin coating method (# 1) and forming an electrode After the first metal layer 112 is formed on the entire surface (# 3) after removing the portion 110a through a photo-lithography process (# 2), the remaining portion excluding the electrode forming portion 110a is again formed (Step # 4).

그 후, 평면 전극 상에 복수개의 돌기(E)들을 형성하는 단계는, 평면 전극 표면 바로 위에 원기둥 형태로 복수개의 돌기(E)들을 형성할 수 있다. 복수개의 돌기(E)들은 증착(Evaporation), 도금(Plating)과 포토 리소그래피 (Photo-lithography) 그리고 습식 식각(Wet etching) 공정을 이용하여 제작할 수 있다. Then, the step of forming the plurality of protrusions E on the planar electrode may form a plurality of protrusions E in a cylindrical form just above the planar electrode surface. The plurality of protrusions E can be fabricated by evaporation, plating, photolithography, and wet etching.

일 실시예로서, 먼저 전기 도금을 해주기 위해 씨드층(seed layer)이 필요하기 때문에 접착층으로 예컨대, 티타늄(Ti)을 50nm, 금(Au)을 200nm 두께로 증착(evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다. 그리고 도금이 공정되어야 할 부분을 사진 공정을 이용해 형성 해준 다음에 도금이 수행된다. 금(Au) 도금이 완료되면 코팅된 감광제를 제거해 주고 처음에 증착되었던 씨드층을 습식 식각을 통해 제거해주면 표면에 복수개의 돌기(E)들을 구비한 음극 전극(125) 및 양극 전극(121)이 완성된다. For example, titanium (Ti) may be formed to a thickness of 50 nm and gold (Au) may be formed to a thickness of 200 nm by evaporation because a seed layer is required to perform electroplating first. have. Then, a portion to be plated is formed using a photolithography process, and then plating is performed. After the Au plating is completed, the coated photoresist is removed, and the seed layer, which has been deposited first, is removed through wet etching to form a cathode electrode 125 and an anode electrode 121 having a plurality of protrusions E on the surface thereof Is completed.

이와 같이, 간단한 공정인 복수의 리프트 공정을 통해 복수개의 돌기(E)들을 구비한 마이크로 채널(120)을 제작할 수 있으며, 이에 따라 제작 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작 공정이 단순화를 구현할 수 있다.Thus, the microchannel 120 having a plurality of protrusions E can be manufactured through a plurality of lift processes, which is a simple process, so that the manufacturing cost can be reduced and the manufacturing process can be simplified.

한편, 커버부(150) 제작 단계(S200)는, 기판(110)을 향하는 제1 면(150a)에 마이크로 채널(120)에 대응하는 홈부(155)를 형성하는 단계 및 홈부(155)를 포함하는 제1 면(150a)의 적어도 일부에 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층(152)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the cover 150 may include forming a groove 155 corresponding to the microchannel 120 on the first surface 150a facing the substrate 110 and forming the groove 155 Forming a coating layer 152 comprising a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material on at least a portion of the first surface 150a.

도 6에 도시된 바와 같이, 몰드(180)에 양성 감광제(181)를 스핑 코팅 방법에 의해 코팅(#6)한 후 포토 리소그래피에 의해 중앙 부분을 제거(#7)한 뒤, 경화제가 10 대 1 비율로 혼합된 PDMS(150)를 몰드(180)에 부은 후 소정 시간동안 경화(#8)시키고, 이어서 몰드(180)를 PDMS(150)로부터 분리함으로써 커버부(150)를 제작하는 단계이다.6, the positive photoresist 181 is coated (# 6) on the mold 180 by a sputter coating method, and then the central portion is removed by photolithography (# 7). Then, The PDMS 150 mixed with the PDMS 150 is poured into the mold 180 and cured for a predetermined period of time and then the mold 180 is separated from the PDMS 150 to manufacture the cover 150 .

커버부(150) 제작 단계(S200) 시 전술한 몰딩 방법에 의해 커버부(150)의 기본 형상을 만든 후 펀치 장비를 이용하여 유입구(160) 및 배출구(165)를 형성(#9)할 수 있다.The cover 160 may be formed in a basic shape of the cover 150 by the molding method described above and then the inlet 160 and the outlet 165 may be formed have.

그 후, 커버부(150)의 제1 면(150a) 상에 코팅층(152)을 형성(#10)할 수 있다.Then, the coating layer 152 may be formed on the first surface 150a of the cover portion 150 (# 10).

도 7을 함께 참조하면, 코팅층(152)은 화학기상증착법(CVD)를 이용하여 형성한다. 한 가지 중요한 점은 코팅층(152)과 기판(110) 사이에는 접착력이 매우 약하기 때문에 마스킹을 통해서 접착 면적(190a)을 확보해 주어야 한다는 것이다. 도 7에 도시된 것과 같이, 코팅층(152)의 형성 과정은, 먼저 Parylene C 원료를 온도 135~150℃, 압력 1 Torr 이하 조건에서 이합체(Dimer) 형태로 형상을 변환 시켜주고(Vaporization)(#10-1), 약 650℃, 0.5 Torr 이하 압력 조건에서 이합체(Dimer) 형태를 단량체(Monomer) 형태로 변환 시켜준다(Pyrolysis) (#10-2). 그리고 상온 조건 하에서 커버부(150)의 제1 면(150a) 상에 증착(#10-3)시켜주면 완성된다.7, the coating layer 152 is formed using chemical vapor deposition (CVD). One important point is that since the adhesive force between the coating layer 152 and the substrate 110 is very weak, the adhesion area 190a must be ensured through masking. 7, the coating layer 152 is formed by first converting the shape of the Parylene C raw material into a dimer shape at a temperature of 135 to 150 ° C and a pressure of 1 Torr or less (Vaporization # 10-1) and converts the dimer form to a monomer form (Pyrolysis) under pressure conditions of about 650 ° C and 0.5 Torr or less (# 10-2). (# 10-3) on the first surface 150a of the cover part 150 under a normal temperature condition.

그 후, 결합 단계(S300)에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 3-APS(190, 3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich)를 기판(110)을 향하는 커버부(150)의 일면에 도포한 뒤 O2　플라즈마로 표면 처리(#11)를 하고 이어서 기판(110)과 접착(#12)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.Then, in the coupling step S300, 3-APS (190, 3-aminopropyltriethoxysilane, Sigma-Aldrich) is applied to one side of the cover part 150 facing the substrate 110 It is possible to perform surface treatment (# 11) with O 2 plasma and then adhesion (# 12) with the substrate 110. Then, the microfluidic fuel cell 100 adhered to the oven 100 is inserted and heat-treated, thereby completing the combining step S300 reliably. At this time, the heat treatment temperature is 80 캜, and it may take about 10 minutes. However, the present invention is not limited thereto.

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.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Various modifications and variations are possible.

100: 마이크로 유체 연료 전지
110: 기판
120: 마이크로 채널
121: 양극 전극
125: 음극 전극
127: 이격부
130: 전극 패드
133: 배선
150: 커버부
152: 코팅층
155: 홈부
161: 연료 유입구
162: 산화제 유입구
165: 배출구100: Microfluidic fuel cell
110: substrate
120: Microchannel
121: anode electrode
125: cathode electrode
127:
130: Electrode pad
133: Wiring
150:
152: Coating layer
155: Groove
161: fuel inlet
162: oxidant inlet
165: Outlet

Claims (15)

기판;
상기 기판 상에, 제1 방향을 따라 연장된 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)을 갖는 마이크로 채널; 및
제1 유기물을 포함하며, 상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판 상에 배치되고, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하거나 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 유입구들과, 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구를 갖는, 커버부;를 구비하고,
상기 커버부는 상기 기판을 향하는 제1 면에 상기 마이크로 채널에 대응하는 홈부를 포함하고, 상기 홈부를 포함하는 상기 제1 면의 적어도 일부에 상기 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층을 더 구비하는, 마이크로 유체 연료 전지.
Board;
A microchannel having an anode and a cathode extending along a first direction on the substrate; And
An inlet for introducing fuel into the cathode electrode or introducing an oxidant into the anode electrode, the inlet being disposed on the substrate so as to cover the microchannel; And a discharge port for discharging a substance generated as a result of the oxidation-reduction reaction,
Wherein the cover portion includes a groove portion corresponding to the microchannel on a first surface facing the substrate and a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material on at least a portion of the first surface including the groove portion ≪ / RTI > wherein the microfluidic device further comprises:
제1항에 있어서,
상기 제1 유기물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하고, 상기 제2 유기물은 패럴린C(Parylene C)를 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the first organic material comprises PDMS (Polydimethylsiloxane) and the second organic material comprises Parylene C.
제1항에 있어서,
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 복수개의 돌기들을 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode electrode and the cathode electrode comprise a plurality of projections.
제3항에 있어서,
상기 복수개의 돌기들 각각은 원기둥 형상을 갖는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method of claim 3,
Wherein each of the plurality of projections has a cylindrical shape.
제1항에 있어서,
상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 금(Au)을 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode electrode and the cathode electrode comprise gold (Au).
제1항에 있어서,
상기 커버부의 상기 제1 면은 상기 기판에 부착되며, 상기 제1 면의 적어도 일부에는 상기 코팅층이 배치되지 않는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
Wherein the first side of the cover portion is attached to the substrate and the coating layer is not disposed on at least a portion of the first side.
제1항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되는 양극 전극 패드 및 음극 전극 패드를 더 포함하고, 상기 양극 전극 패드는 배선을 통해 상기 양극 전극의 중앙부와 연결되고, 상기 음극 전극 패드는 배선을 통해 상기 음극 전극의 중앙부와 연결되는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
And an anode electrode pad disposed on the substrate, wherein the anode electrode pad is connected to a central portion of the anode electrode through a wiring, and the cathode electrode pad is connected to a central portion of the cathode electrode through a wiring, , A microfluidic fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 유입구들은,
Y자 형상으로 마련되는 상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 일 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부를 관통하여 상기 음극 전극으로 상기 연료를 유입하는 연료 유입구; 및
상기 마이크로 채널의 양 갈래 중 다른 갈래의 시작점에 위치하도록 상기 커버부를 관통하여 상기 양극 전극으로 상기 산화제를 유입하는 산화제 유입구;를 포함하며,
상기 배출구는 상기 마이크로 채널의 단부에 위치하도록 상기 커버부를 관통하는, 마이크로 유체 연료 전지.
상기 기판은 제1 방향을 따라 연장되는 복수개의 양극 전극들 및 음극 전극들을 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지.
The method according to claim 1,
The inlets,
A fuel inlet through which the fuel flows into the cathode electrode through the cover so as to be located at a starting point of one of the two branches of the microchannel provided in a Y shape; And
And an oxidant inlet through which the oxidant flows into the anode electrode through the cover to be located at a starting point of another fork of the microchannel,
And the outlet port penetrates the cover portion so as to be positioned at an end portion of the microchannel.
Wherein the substrate comprises a plurality of anode electrodes and cathode electrodes extending along a first direction.
기판 상에, 제1 방향을 따라 양극 전극(anode) 및 음극 전극(cathode)을 형성하여, 마이크로 채널을 제작하는 단계;
상기 마이크로 채널을 덮도록 상기 기판 상에, 제1 유기물을 포함하며, 상기 기판을 향하는 제1 면에 상기 마이크로 채널에 대응하는 홈부를 형성하는 단계 및 상기 홈부를 포함하는 상기 제1 면의 적어도 일부에 상기 제1 유기물에 비해 낮은 산소 투과율을 갖는 제2 유기물을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 커버부를 제작하는 단계;
상기 기판 상에 상기 커버부를 접착 방법에 의해 결합하는, 결합 단계;
를 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조 방법.
Forming an anode and a cathode on a substrate along a first direction to fabricate a microchannel;
Forming a groove corresponding to the microchannel on a first surface of the substrate including the first organic material on the substrate so as to cover the microchannel and facing at least a portion of the first surface including the groove; And a second organic material having a lower oxygen permeability than the first organic material, the method comprising the steps of:
A joining step of joining the cover part on the substrate by an adhesion method;
Wherein the microfluidic fuel cell comprises a microfluidic device.
제9항에 있어서,
상기 커버부를 제작하는 단계는, 상기 음극 전극으로 연료를 유입하는 연료 유입구를 형성하는 단계, 상기 양극 전극으로 산화제를 유입하는 산화제 유입구를 형성하는 단계 및 상기 연료 및 상기 산화제와 상기 전극들 간의 산화 환원 반응 결과 발생되는 물질을 배출하는 배출구를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 연료 유입구, 상기 산화제 유입구 및 상기 배출구는 몰딩(molding) 방법 및 펀칭(punching) 방법에 의해 형성되는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The step of fabricating the cover includes the steps of: forming a fuel inlet for introducing fuel into the cathode electrode; forming an oxidant inlet for introducing an oxidant to the anode electrode; and oxidizing and reducing the oxidant Further comprising the step of forming a discharge port for discharging a substance generated as a result of the reaction, wherein the fuel inlet, the oxidant inlet, and the outlet are formed by a molding method and a punching method. Gt;
제9항에 있어서,
상기 커버부를 형성하는 제1 유기물은 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 포함하고, 상기 코팅층을 형성하는 제2 유기물은 패럴린C(Parylene C)를 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the first organic material forming the cover portion comprises PDMS (Polydimethylsiloxane), and the second organic material forming the coating layer comprises Parylene C.
제9항에 있어서,
상기 마이크로 채널을 제작하는 단계는, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 상에 복수개의 돌기들을 형성하는 단계를 더 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the step of fabricating the microchannel further comprises forming a plurality of protrusions on the positive electrode and the negative electrode.
제9항에 있어서,
상기 마이크로 채널을 제작하는 단계에서, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극은 금(Au)을 포함하여 형성되는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the positive electrode and the negative electrode are formed of gold (Au) in the step of fabricating the microchannel.
제9항에 있어서,
상기 코팅층은 화학기상증착법(CVD)으로 형성되는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the coating layer is formed by chemical vapor deposition (CVD).
제9항에 있어서,
상기 코팅층을 형성하는 단계는,
중합체(Polymer)형태의 유기물을 이합체(Dimer)형태로 변환시키는 단계;
상기 이합체(Dimer)형태를 단위체(Monomer)형태로 변환시키는 단계; 및
상온 조건 하에서 상기 단위체(Monomer)를 상기 커버층의 제1 면의 적어도 일부 상에 증착하는 단계;
를 포함하는, 마이크로 유체 연료 전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the forming of the coating layer comprises:
Converting an organic material in a polymer form into a dimer form;
Converting the dimer form into a monomer form; And
Depositing the unit monomers on at least a portion of a first side of the cover layer under ambient temperature conditions;
Wherein the microfluidic fuel cell comprises a microfluidic device.
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