KR20200124010A - 다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명에 의한 다공성 전극부를 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지는, 기저전극이 마련되는 기판부, 기판부에 기저전극과 중첩되도록 적층되는 다공성 재질의 다공성 전극부 및 기판부에 대해 다공성 전극부가 밀착되도록 가압하며 커버부를 커버하는 커버부를 포함하며, 기판부와 커버부의 사이로 유입된 유체가 다공성 전극부를 관통 유동(Flow-through)한다. 이러한 구성에 의하면, 다공성 전극부를 관통 유동함으로써, 접촉 면적 증대로 인한 에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지 및 이의 제조방법{MICROFLUID MICROBIAL FUEL CELL WITH POROUS ELECTRODE AND METHOD TO MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유체와 전극 사이의 접촉 면적을 증가시켜 에너지 발생 성능을 향상시킬 수 있는 다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
신에너지인 연료전지는 기존의 발전방식과는 다르게 출력 크기와 상관없이 일정하며 높은 효율을 가진다. 이러한 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시킴에 따라, 환경오염을 유발하지 않으며 발전시설의 스케일을 조절하는데 용이하다는 장점을 가진다.
연료전지의 종류로는 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell, DMFC), 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell)등이 있다. 또한, 연료전지 중 하나인 마이크로 유체 연료전지는 양성자 교환막(Proton exchange membrane, PEM)이 없는 연료전지이다. 아울러, 미생물 연료전지는 오/폐수 내에 존재하는 유기물의 화학에너지를 촉매로 이용하여 전기에너지를 생산하는 생물 전기화학 시스템이다. 최근 연구되고 있는 연료전지는 대부분 양성자 교환막이 존재하는 이실형 미생물 연료전지이다.
한편, 근래에는 교환막을 사용하는 미생물 연료전지를 볼트 체결방식으로 제작함으로써, 에너지 함량이 높은 유기성 폐수를 재활용하는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 미생물 전극의 재료, 양성자 교환막의 유무, 전지의 형상, 유로의 재료, 산화제의 흐름방식 등의 조건들을 변화시켜 미생물 연료전지의 에너지 발생의 중요 인자인 개방전압(OCV, Open Circuit Voltage), 최대 전력밀도 및 최대 전류밀도를 상승시키기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있는 추세이다.
대한미국 특허출원번호 제10-2017-0118813호 일본 특허출원번호 제2008-542807호
본 발명의 목적은 유체가 다공성 전극을 관통 유동하여 접촉 면적 증대로 인한 에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있는 다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조 비용을 저감시킬 수 있으며 단순한 제조법으로 인해 소형화에 유리한 마이크로 유체 미생물 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 목적이 달성된 다공성 전극을 구비하는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지는, 기저전극이 마련되는 기판부, 상기 기판부에 상기 기저전극과 중첩되도록 적층되는 다공성 재질의 다공성 전극부 및, 상기 기판부에 대해 상기 다공성 전극부를 밀착시키며, 상기 커버부를 커버하는 커버부를 포함하며, 상기 기판부와 상기 커버부의 사이로 유입된 유체가 상기 다공성 전극부를 관통 유동(Flow-through)한다.
또한, 상기 다공성 전극부는 카본 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 다공성 전극부는 상기 기저전극과 대응되는 형상을 가지는 카본 페이퍼를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기저전극은, 상기 기판부에 포토리소그래피((photolithography) 공정으로 증착되는 니켈(Ni) 전극을 포함하며, 상기 다공성 전극부와 중첩되는 전극 영역과, 상기 커버부로부터 비 커버되도록 상기 전극 영역으로부터 연장되어 전류 인가수단과 연결 가능한 패드 영역을 가질 수 있다.
또한, 상기 커버부는 상기 다공성 전극부가 결합되는 채널홈이 상기 기저전극과 마주하는 위치에 마련되며, 상기 유체가 유입되는 적어도 하나의 유입구와 상기 유체가 배출되는 적어도 하나의 배출구가 상기 다공성 전극부를 사이에 두고 상기 채널홈과 연통하도록 상기 커버부에 관통 형성될 수 있다.
또한, 상기 커버부는 상기 채널홈 및 상기 기판부에 접합되지 않는 영역에 상기 채널홈으로 산소가 투과됨을 차단시키는 차단층이 마련되며, 상기 차단층은 상기 커버부보다 산소 투과율이 낮은 물질로 코팅될 수 있다.
또한, 상기 커버부는 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실론산) 재질로 몰딩되어 마련되며, 상기 차단층은 파릴렌 C(Parylene C)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판부는 유리 기판을 포함하며, 상기 기판부에 대해 상기 커버부는 플라즈마 접합될 수 있다.
또한, 상기 유체는 미생물을 포함하는 연료와 산화제를 포함하며, 상기 다공성 전극부는 기 설정된 접종기간 동안에 미생물 안착을 위해 접종될 수 있다.
또한, 상기 다공성 전극부는 1 내지 1.5mm의 폭을 가지며, 상기는 유체는 8 내지 12μl/min의 유속으로 상기 다공성 전극부를 관통 유동할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법은, 기저전극이 마련되는 기판부를 마련하는 단계, 상기 기저전극과 마주하도록 채널홈이 마련되어 상기 기판부를 커버하는 커버부를 마련하는 단계, 다공성 재질로 마련되는 다공성 전극부를 상기 커버부의 채널홈에 결합시키는 단계 및, 상기 커버부가 상기 기판부에 접합되는 단계를 포함하며, 상기 다공성 전극부는 상기 기저전극과 중첩되도록 상기 기판부와 커버부 사이에 밀착되어, 상기 채널홈의 내부로 유입된 유체가 상기 다공성 전극부를 관통 유동(Flow-through)한다.
또한, 상기 기판부 마련단계는, 유리 재질의 웨이퍼를 마련하는 단계, 상기 웨이퍼에 상기 기저전극을 포토리소그래피 공정으로 증착시키는 단계 및, 상기 웨이퍼를 다이싱하여 상기 기판부로 패키징하는 단계를 포함하며, 상기 기저전극은 상기 커버부에 의해 커버되는 전극 영역과, 상기 커버부로부터 비 커버되도록 상기 전극 영역으로부터 연장되어 전류 인가수단과 연결 가능한 패드 영역이 마련되는 니켈 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 커버부 마련단계는, PDMS 용액과 PDMS 경화제가 혼합되어 기포가 제거된 몰딩액을 PDMS 주형틀에 공급하여 경화시키는 몰딩 방식에 의해 마련되며, 상기 PDMS 주형틀는 3D 프린팅되어 마련될 수 있다.
또한, 상기 커버부 마련단계는, 상기 채널홈 및 상기 기판부에 접합되지 않는 영역에 상기 커버부보다 산소 투과율이 낮은 차단층을 코팅하여 산소 투과를 차단시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다공성 전극부를 상기 커버부에 결합시키는 단계는, 카본 페이퍼를 상기 기저전극에 대응되도록 절단하여 상기 커버부의 채널홈에 길이 방향으로 결합시킬 수 있다.
또한, 상기 커버부는, 상기 유체가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및, 상기 다공성 전극부를 사이에 두고 이격되어 상기 다공성 전극부를 관통 유동한 상기 유체가 배출되는 적어도 하나의 배출구가 상기 채널홈과 연통하도록 관통 형성될 수 있다.
또한, 상기 접합단계는, 상기 커버부는 상기 채널홈에 결합된 상기 다공성 전극부를 상기 기판부에 대해 가압한 상태에서 상기 기판부와 플라즈마 접합될 수 있다.
또한, 상기 결합단계 이후에, 산소 차단을 위해 상기 채널홈을 밀봉한 상태에서 전압을 인가하여 미생물을 안착시키는 접종단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 다공성 전극부를 관통 유동방식으로 유체가 통과함으로써, 기존의 전극 위로 유체가 흐르는 방식에 비해 전극과의 접촉 면적을 증대시켜 에너지 발생 성능을 향상시킬 수 있다.
둘째, 다공성 전극부가 결합된 커버부가 기판부에 대해 플라즈마 접합에 의해 접합됨으로써, 기존의 볼트 체결 방식에 비해 제조 비용을 저감시킬 수 있으며 제조 공정이 간단하다. 뿐만 아니라, 볼트와 같은 부품이 불필요함에 따라, 연료전지의 소형화에 유리하다.
셋째, 커버부의 채널홈에 다공성 전극부가 끼움 방식에 의해 결합된 상태로 커버부가 기판부에 접합됨으로써, 기판부에 대해 커버부가 다공성 전극부를 가압하여 밀착시킬 수 있게 된다. 그로 인해, 별도의 고정 수단 없이도 다공성 전극부의 자세를 유지시킴과 아울러, 커버부의 채널홈으로 유입된 연료 및 산화제가 다공성 전극부로부터 누출되는 효율 저하를 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 유체 미생물 연료전지를 개략적으로 분해 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ш-Ш 선을 따라 개략적으로 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 개략적으로 절단한 단면도이다.
도 5는 연료 및 산화제가 다공성 전극부를 관통 유동하는 동작을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 도 6의 기판부 마련단계를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지의 전류 밀도를 비교한 그래프이다. 그리고,
도 9는 본 발명에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지의 유속을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)는 기판부(10), 다공성 전극부(20) 및 커버부(30)를 포함한다.
참고로, 본 발명에서 설명하는 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)는 오/폐수에 함유된 유기물의 화학에너지를 촉매로 이용하여 전기에너지를 생산하는 생물 전기화학 시스템 중 하나인 미생물 연료전지인 것으로 예시한다. 그러나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니며, 하수처리시설의 에너지 함량이 높은 유기성 폐수의 처리를 위한 하수처리 시스템 또는 인체내 삽입되는 바이오 에너지센서칩과 같은 의료시스템과 같이, 다양한 분야에 적용될 수 있음은 당연하다.
기판부(10)는 기저전극(11)이 마련되며, 절연 특성을 가지는 유리 기판을 포함한다.
기저전극(11)은 기판부(10)의 상면에 증착되어 마련된다. 이러한 기저전극(11)은 니켈(Ni)이 기판부(10)의 상면에 증착되어 패터닝되는 니켈 전극을 포함할 수 있다. 한편, 도 2의 도시와 같이, 기저전극(11)은 음극(-)인 음전극(12)과 양극(+)인 양전극(13)을 가진다. 여기서, 음전극(12)과 양전극(13)는 상호 대칭되는 형상을 가지며, 상호 이격되어 나란하게 배치된다.
또한, 기저전극(11)의 음전극(12)과 양전극(13)은 각각 배선(14)(15)을 통해 기판부(10)에 마련된 음전극 패드(16) 및 양전극 패드(17)에 연결된다. 여기서, 음전극 패드(16) 및 양전극 패드(17)는 커버부(30)에 커버되지 않도록 기판부(10)에 마련되어 노출됨으로써, 외부의 소켓과 같은 전류 인가수단(2)(도 4 참조)으로부터 전류를 인가 받는다.
음전극 패드(16) 및 양전극 패드(17)를 통해 인가된 전류는 음극 배선(14) 및 양극 배선(15)을 통해 음전극(12) 및 양전극(13)으로 각각 전달된다. 이렇게 음전극(12) 및 양전극(13)으로 전달된 전류는 유입된 연료(F)와 산화제(O)를 포함하는 유체와 작용하여, 에너지를 발생시키게 된다. 여기서, 연료(F)는 화학에너지의 촉매로 이용될 수 있는 미생물이 포함될 수 있다.
이상과 같이, 기저전극(11)은 후술할 다공성 전극부(20)에 중첩되어 에너지를 생성시킬 수 있는 전극 영역이며, 다공성 전극부(20)에 의해 중첩되지 않고 외부로 노출된 음전극 패드(16) 및 양전극 패드(17)은 전류 인가수단(2)과 연결 가능한 패드 영역으로 구분될 수 있다.
다공성 전극부(20)는 기판부(10)에 기저전극(11)과 중첩되도록 적층되며, 다공성 재질로 마련된다. 본 실시예에서는 다공성 전극부(20)가 카본(Carbon) 재질의 전극을 포함하는 것으로 예시한다. 보다 구체적으로, 다공성 전극부(20)는 수소 전지에 적용되는 특수 기능지 중 하나인 카본 페이퍼(Carbon paper)를 포함하며, 카본 페이퍼를 원하는 형상으로 절단하여 다공성 전극부(20)를 마련하게 된다. 여기서, 카본 페이퍼는 70%의 기공률을 가지는 것으로 예시한다.
한편, 본 실시예에서는 다공성 전극부(20)가 기공을 가지며 전류 인가가 가능한 재질 중 가장 적합한 재질로써 카본 페이퍼인 것으로 예시하나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도금 피막이 다공성인 도금 플레이트, 텅스텐 플레이트 등과 같은 다양한 다공성 전극 재질 중 어느 하나로 변경 가능함은 당연하다.
이러한 다공성 전극부(20)는 도 2 및 도 3의 도시와 같이, 기저전극(11)의 음전극(12) 및 양전극(13)과 각각 중첩되도록 한 쌍으로 마련된다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서는 음전극(12)과 양전극(13)이 길이방향으로 연장된 직선 형상으로 기판부(10)에 증착 형성되는 것으로 예시함에 따라, 이에 대응하여 다공성 전극부(20)는 음전극(12) 및 양전극(13)과 중첩되도록 길이방향으로 연장되며 소정 높이(c)를 가지는 바(Bar) 형상을 가지는 것으로 예시한다.
그러나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니며, 음전극(12)과 양전극(13)을 포함하는 기저전극(11)이 직선 형상이 아닌 다각형과 같이 다양한 형상으로 변형 가능하며, 이에 대응하여 다공성 전극부(20)의 형상도 다양하게 변형 가능하다.
한편, 다공성 전극부(20)는 다공성 재질로 형성됨에 따라, 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)의 내부로 공급되는 연료(F)와 산화제(O)를 포함하는 유체가 다공성 전극부(20)를 통과하게 된다. 즉, 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)로 공급된 연료(F)와 산화제(O)는 기저전극(11)에 중첩되도록 적층된 한 쌍의 다공성 전극부(20)를 관통 유동(Flow-through) 방식으로 통과하여, 에너지를 발생시키게 된다.
커버부(30)는 기판부(10)에 대해 다공성 전극부(20)를 가압하여 밀착시키며, 기저전극(11)을 커버하도록 기판부(10)에 접합된다. 이러한 커버부(30)는 연료(F)와 산화제(O)가 공급되어 유동될 수 있는 채널홈(31)을 구비하며, 채널홈(31)은 기저전극(11)과 마주하는 위치에 마련된다. 여기서, 도 3과 같이, 채널홈(31)에는 상술한 다공성 전극부(20)가 삽입되어 결합되며, 채널홈(31)에 다공성 전극부(20)가 결합된 상태로 커버부(30)는 기판부(10)에 산소(O2) 플라즈마 접합을 이용하여 접합된다.
보다 구체적으로, 커버부(30)의 채널홈(31)에는 연료(F)가 유입되는 연료 유입구(32)와 산화제(O)가 유입되는 산화제 유입구(33)가 마련되며, 연료 유입구(32) 및 산화제 유입구(33)로부터 길이방향으로 이격된 위치에 다공성 전극부(20)를 관통 유동 방식으로 통과한 연료(F)와 산화제(O)를 배출시키기 위한 배출구(34)가 마련된다. 이때, 연료 및 산화제 유입구(32)(33)와 배출구(34)이 사이에 다공성 전극부(20)가 길이 방향으로 결합된다.
본 실시예에서, 연료 유입구(32)는 음전극(12)으로 연료(F)를 유입시키고, 산화제 유입구(33)는 양전극(13)으로 산화제(O)를 유입시키는 것으로 예시한다. 또한, 커버부(30)의 채널홈(31)은 연료 및 산화제 유입구(32)(33)로부터 배출구(34)까지 연장된 형상을 가지며, 연료 및 산화제 유입구(32)(33)가 양측으로 갈라진 위치에 위치하는 것으로 도시 및 예시한다. 이에 따라, 채널홈(31)은 도 2의 도시와 같이, 대략 'T'자 형상을 가지고 기판부(10)의 기저전극(11)과 마주하는 커버부(30)의 하면에 인입(引入)되도록 형성되게 된다.
이러한 채널홈(31)의 형상은 도시된 예로 한정되지 않으며, 연료 및 산화제 유입구(32)(33) 및 배출구(34)의 개수, 위치, 기저전극(11)의 형상, 다공성 전극부(20)의 형상, 부피 등을 고려하여 다양하게 변형 가능하다.
이러한 커버부(30)는 투명한 재질 특성을 가지는 PDMS(Polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실론산) 재질로 몰딩 방식에 의해 마련될 수 있다. 이러한 커버부(30)의 제조는 보다 자세히 후술한다.
한편, 도 3의 도시와 같이, 커버부(30)에는 산소 차단을 위해 파릴렌 C(Parylene C)와 같이 산소 투과율이 낮은 물질로 차단층(35)이 마련된다. 이러한 차단층(35)은 커버부(30)를 형성하는 PDMS에 비해 산소 투과율이 낮은 물질 중 어느 하나로 채용될 수 있으며, 파릴렌 C로만 한정되지 않음은 당연하다.
차단층(35)은 커버부(30)에 마련된 채널홈(31)의 산소 투과율을 저하시킴으로써, 채널홈(31)으로 산소 유입을 차단하여 발생되는 전력 및 전류의 밀도를 향상시킨다. 이러한 차단층(35)은 기판부(10)에 대한 커버부(30)의 접합을 간섭하지 않도록, 기판부(10)에 비 접합되는 영역인 채널홈(31)의 내면과 커버부(30)의 상면에만 마련됨이 바람직하다.
또한, 커버부(30)가 다공성 전극부(20)와 결합된 상태로 기판부(10)에 접합됨으로써, 도 3 및 도 4와 같이 다공성 전극부(20)를 기판부(10)에 대해 가압하여 채널홈(31)내에서 밀착시키게 된다. 그로 인해, 다공성 전극부(20)가 연료(F) 및 산화제(O)가 유입되어 관통 유동하는 중에도, 채널홈(31)의 내부에서 유동되지 않도록 자세가 유지됨과 아울러, 유입된 연료(F) 및 산화제(O)가 누출되지 않고 온전히 다공성 전극부(20)를 관통할 수 있게 된다.
이상과 같이, 기저전극(11)이 마련된 기판부(10)에 다공성 전극부(20)와 결합된 커버부(30)가 접합되면, 도 4와 같이 전류 인가수단(2)이 커버부(30)에 의해 커버되지 않는 음전극 패드(16) 및 양전극 패드(17)로 전류를 인가한다. 아울러, 도 5의 도시와 같이, 커버부(30)의 연료 유입구(32)와 산화제 유입구(33)로 연료(F)와 산화제(O)가 유입되어 다공성 전극부(20)를 관통 유동방식으로 통과하여 배출구(34)로 배출된다. 그로 인해, 음전극(12)과 양전극(13) 간의 전류와 연료(F)에 포함된 미생물의 촉매 역할로 인해 에너지가 발생되게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)의 제조방법을 도 6을 참고하여 설명한다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)의 제조방법은 기판부(10) 마련단계(110), 커버부(30) 마련단계(120), 다공성 전극부(20)의 결합단계(130) 및 접합단계(140)를 포함한다.
기판부(10) 마련단계(110)는 유리 재질로 형성되는 기판부(10)를 마련하여, 기저전극(11)을 증착 형성시킨다. 기판부(10)에 기저전극(11)을 증착 형성시키는 방법은 포토리소그래피 공정이 적용될 수 있으며, 이를 도 7를 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 7의 (a)와 같이, 기판부(10)를 형성할 유리 재질의 웨이퍼(W)를 세정한다. 이 후, 도 7의 (b)와 같이, 세정된 웨이퍼(W)에 티타늄(Ti)을 증착하여 유리재질인 웨이퍼(W)에 대한 기저전극(11)의 접착을 위한 접착층(adhesion layer)(T)을 형성시킨 후, 도 7의 (c)와 같이 니켈(Li)을 증착시켜 니켈층(T)을 형성시킨다. 그 후, 도 7의 (d)와 같이 코팅액을 고속 회전시키는 포토레지스트(Photoresist, PR) 스핀-코팅(Spin-Coating) 공정으로 코팅층(C)을 형성시킨다.
도 7의 (e)와 같이 기저전극(11)의 형상에 대응되는 마스크(M)를 사이에 두고 자외선 영역의 빛(L)으로 코팅층(C)을 노광(exposure)시켜 코팅층(C)에 기저전극(11)의 형상을 전사시킨다. 이 후, 도 7의 (f)와 같이, 노광에 의해 상대적으로 결합이 약해진 영역을 용제를 사용하여 현상(develop)킨다.
현상공정을 통해 형성된 포토레지스트 패턴과 동일하게 니켈층(N)을 식각(Etching)하여 도 7의 (g)와 같이, 기저전극(11)을 패터닝한다. 이렇게 기저전극(11)이 웨이퍼(W)에 패터닝되면, 도 7의 (h)와 같이 웨이퍼(W)를 다이싱(Dicing)함과 아울러 코팅층(C)을 제거함으로써, 도 7의 (i)와 같이 기판부(10)에 기저전극(11)을 패키징한다.
참고로, 본 실시예의 특징적 구성인 다공성 전극부(20)가 기저전극(11)을 사용하지 않고 단독으로 마련될 경우, 커버부(30)를 관통하여 전류 인가수단(2)이 진입되어 다공성 전극부(20)에 전류를 인가함으로써, 채널홈(31)의 내부로 산소가 침투되거나 내부 저항이 커지는 문제를 유발할 수 있다. 즉, 기판부(10)에 기저전극(11)이 마련되고, 음전극 및 양전극패드(16)(17)가 커버부(30)로부터 비 커버되는 위치에 마련되어 전류 인가수단(2)과 연결됨으로써, 채널홈(31)의 기밀성을 유지하여 산소 침투, 내부 저항 증가 등과 같은 문제를 방지할 수 있게 된다.
커버부(30) 마련단계(120)는 기판부(10)의 기저전극(11)과 마주하도록 채널홈(31)을 마련되어 기판부(10)를 커버하는 커버부(20)를 마련한다. 이러한 커버부(30)는 PDMS 용액과 PDMS 경화제를 대략 10:1의 비율로 혼합하여 진공 챔버내에서 기포가 제거된 몰딩액을 기 제작된 PDMS 주형틀에 공급하여, 몰딩 제조된다. 여기서, PDMS 주형틀에 공급된 몰딩액은 오븐과 같은 가열 공간에서 대략 65 ℃에서 2시간 동안 가열되어 경화된 후, 주형틀로부터 분리된다.
참고로, 주형틀에는 채널홈(31), 연료 유입구(32), 산화제 유입구(33), 배출구(34)에 대응되는 형상을 가지며, 이를 위해 3D 프린터를 이용하여 제작될 수 있다. 주형틀이 3D 프린터로 제작됨으로써, 기존의 실리콘 웨이퍼 위에 음성 감광제인 필름 마스크 도면을 이용한 포토공정(photolithography)을 통해 제작된 주형틀의 문제점인 기포 발생으로 인한 표면 불량 등을 개선할 수 있다.
한편, 혐기성 미생물인 지오박테리아와 같은 미생물은 산소에 민감함에 따라, 커버부(30)의 채널홈(31)으로 산소 침투를 차단하여야 한다. 이를 위해, 커버부(30)에는 파릴렌 C(Parylene C)와 같이 산소 투과율이 낮은 물질로 차단층(35)이 코팅되어 마련된다. 차단층(35)은 재질 특성에 의해 기판부(10)에 대한 접착력이 약함에 따라, 기판부(10)에 접합되지 않는 영역 즉, 커버부(30)의 상면과 채널홈(31)의 내면에만 코팅되어 마련된다(도 3 참조).
다공성 전극부(20)의 결합단계(130)는 다공성 전극부(20)를 마련하여, 마련된 다공성 전극부(20)를 커버부(30)의 채널홈(31)에 끼움 방식으로 결합시킨다. 본 실시예에서는 다공성 전극부(20)의 재료로 사용되는 카본 페이퍼를 원하는 사이즈로 절단하여 다공성 전극부(20)를 마련하는 것으로 예시한다.
보다 구체적으로 도 2의 도시와 같이, 커버부(30)의 채널홈(31)은 대략 7~8mm의 너비(a)와 20~30mm의 길이(b)를 가지며, 이에 대응하여 다공성 전극부(20)는 대략 180~220㎛의 높이(c), 1~1.5mm의 너비(d) 및 18~22mm의 길이(e)를 가짐이 좋다. 본 실시예에서는, 채널홈(31)이 7.27mm의 너비(a), 24mm의 길이(b)를 가지며, 다공성 전극부(20)는 1mm의 너비(d), 20mm의 길이(e) 및 200㎛의 높이(c)를 가지는 것으로 예시하나, 꼭 이에 한정되지 않음은 당연하다.
참고로, 다공성 전극부(20)의 높이(c)가 채널홈(31) 내부의 깊이보다 높더라고, 다공성 전극부(20)의 다공성 재질 특성에 의해 기판부(10)와 커버부(30) 사이의 접합에 의해 채널홈(31) 내부에 밀착되어 자세 고정될 수 있다.
이렇게 다공성 전극부(20)가 채널홈(31)의 길이(b)와 유사한 길이(e)를 가짐으로써, 다공성 전극부(20)가 채널홈(31) 내에서 길이 방향으로 끼워져 결합되게 된다.
접합단계(140)는 다공성 전극부(20)가 채널홈(31)에 결합된 커버부(30)를 기판부(10)에 접합시킨다. 이때, 기판부(10)와 커버부(30)는 플라즈마 접합법에 의해 상호 접합된다. 본 실시예에서는 산소 플라즈마로 기판부(10)와 커버부(30)의 표면을 30초, 85W로 처리한 후, 95℃로 대략 1시간 동안 가열하여 접합되는 것으로 예시하나, 꼭 이에 한정되지 않음은 당연하다.
상기와 같이 제조된 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)를 이용하여, 다공성 전극부(20)를 관통 유동하는 미생물의 확산영역을 해석하였다. 그 결과, 다공성 전극부(20)의 1mm의 폭에 대해 20μl/min의 유량으로 채널홈(31) 내부에서 확산되는 영역을 상, 중, 하 부분으로 측정하였을 경우, 각각 0.7mm, 0.8mm 및 0.9mm가 측정되었다. 또한, 채널홈(31) 내에서의 유량을 1, 5, 10, 30μl/min로 변화하여, 배출구(34)측의 확산 영역을 측정한 결과는 하기 표 1과 같다. 이러한 표 1의 결과를 바탕으로, 기저전극(11)의 음전극(12)과 양전극(13) 사이의 간격은 대략 1~2mm임이 바람직하며, 본 실시예에서는 1.27mm인 것으로 예시한다.
Figure pat00001
한편, 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)는 미생물을 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)에 안착시키는 과정 즉, 접종기간을 구비함이 좋다. 예컨대, 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)의 연료 및 산화제 유입구(32)(33)와 배출구(34)를 모두 밀봉하여 산소를 차단하고, 대략 0.2V의 전압을 인가하여 기 설정된 접종시간 예컨대, 24시간 정도의 접종기간을 거치는 것으로 예시한다.
도 8을 참고하면, 접종기간을 거친 마이크로 유체 미생물 연료전지(1)의 전류가 발생되는 지체시간(Lag time)과 전류가 측정된 이후의 안정화 구간에서의 전류 밀도(Current density)를 개략적으로 비교한 그래프이다. 도 8의 그래프에서 측정된 평균 전류밀도는 다공성 전극부(20)의 체적으로 나누어 비교하였다.
다공성 전극부(20)의 폭(d)이 1mm일 경우, 복수의 유량에 따른 실험 시 저속인 1μl/min 및 5μl/min 에서는 확산영역이 커지는 문제와 역류하는 문제로 인해 낮은 성능을 보였다. 고속인 20μl/min 및 30μl/min에서는 접종된 미생물이 벗겨지는 현상이 발견되어 낮은 성능을 보였다. 중간 유속인 10μl/min 에서 안정적이며 가장 좋은 성능이 측정 되었다. 이에 따라, 본 실시예에서는 다공성 전극부(20)를 관통 유동하는 연료(F) 및 산화제(O)의 유속이 대략 10μl/min 내외 즉, 8 내지 12 μl/min 인 것으로 예시한다.
도 9에서는 도 8에서와 같이 다공성 전극부(20)의 폭(d) 1mm에 대하여 유량별 실험을 진행한 결과를 토대로, 다공성 전극부(20)의 폭(d)을 바꿔가면 지체 시간에 따른 전류 밀도를 비교한 그래프가 도시된다. 도 8의 그래프에서와 같이 가장 좋은 성능으로 나온 유량(10μl/min)을 고정하고, 다공성 전극부(20)의 폭(d)을 0.5, 1, 1.5 및 2mm로 변형하여 각각에 대해 실험한 결과, 폭 1.5 및 1mm에서 가장 좋은 성능을 확인할 수 있었다. 아울러, 다공성 전극부(20)의 폭(d)이 2 및 0.5mm일 경우의 성능은 낮았으며, 폭(d)이 2mm인 경우 낮은 전류밀도, 0.5mm에서는 노이즈가 증가하였다.
이에 따라, 도 8 및 도 9의 그래프를 참고하여, 본 실시예에서는 다공성 전극부(20)의 폭(d)은 1 내지 1.5mm 내외를 가지는 것으로 예시하며, 이러한 다공성 전극부(20)의 폭(d) 범위로 인해 미생물을 포함한 연료(F)와의 접촉 면적을 증대시켜 성능 향상에 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 마이크로 유체 미생물 연료전지 10: 기판부
11: 기저전극 12: 음전극
13: 양전극 14: 음전극 배선
15: 양전극 배선 16: 음전극 패드
17: 양전극 패드 20: 다공성 전극부
30: 커버부 31: 채널홈
32: 연료 유입구 33: 산화제 유입구
34: 배출구 35: 차단층

Claims (18)

  1. 기저전극이 마련되는 기판부;
    상기 기판부에 상기 기저전극과 중첩되도록 적층되는 다공성 재질의 다공성 전극부; 및
    상기 기판부에 대해 상기 다공성 전극부를 밀착시키며, 상기 커버부를 커버하는 커버부;
    를 포함하며,
    상기 기판부와 상기 커버부의 사이로 유입된 유체가 상기 다공성 전극부를 관통 유동(Flow-through)하는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 전극부는 카본 재질로 형성되는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 전극부는 상기 기저전극과 대응되는 형상을 가지는 카본 페이퍼를 포함하는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기저전극은,
    상기 기판부에 포토리소그래피((photolithography) 공정으로 증착되는 니켈(Ni) 전극을 포함하며,
    상기 다공성 전극부와 중첩되는 전극 영역과, 상기 커버부로부터 비 커버되도록 상기 전극 영역으로부터 연장되어 전류 인가수단과 연결 가능한 패드 영역을 가지는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 다공성 전극부가 결합되는 채널홈이 상기 기저전극과 마주하는 위치에 마련되며,
    상기 유체가 유입되는 적어도 하나의 유입구와 상기 유체가 배출되는 적어도 하나의 배출구가 상기 다공성 전극부를 사이에 두고 상기 채널홈과 연통하도록 상기 커버부에 관통 형성되는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 커버부는 상기 채널홈 및 상기 기판부에 접합되지 않는 영역에 상기 채널홈으로 산소가 투과됨을 차단시키는 차단층이 마련되며,
    상기 차단층은 상기 커버부보다 산소 투과율이 낮은 물질로 코팅되는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커버부는 PDMS(polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실론산) 재질로 몰딩 되어 마련되며,
    상기 차단층은 파릴렌 C(Parylene C)를 포함하는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판부는 유리 기판을 포함하며,
    상기 기판부에 대해 상기 커버부는 플라즈마 접합되는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유체는 미생물을 포함하는 연료와 산화제를 포함하며,
    상기 다공성 전극부는 기 설정된 접종기간 동안에 상기 미생물의 안착을 위해 접종되는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 전극부는 1 내지 1.5mm의 폭을 가지며,
    상기 유체는 8 내지 12μl/min의 유속으로 상기 다공성 전극부를 관통 유동하는 마이크로 유체 미생물 연료전지.
  11. 기저전극이 마련되는 기판부를 마련하는 단계;
    상기 기저전극과 마주하도록 채널홈이 마련되어 상기 기판부를 커버하는 커버부를 마련하는 단계;
    다공성 재질로 마련되는 다공성 전극부를 상기 커버부의 채널홈에 결합시키는 단계; 및
    상기 커버부가 상기 기판부에 접합되는 단계;
    를 포함하며,
    상기 다공성 전극부는 상기 기저전극과 중첩되도록 상기 기판부와 커버부 사이에 밀착되어, 상기 채널홈의 내부로 유입된 유체가 상기 다공성 전극부를 관통 유동(Flow-through)하는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판부 마련단계는,
    유리 재질의 웨이퍼를 마련하는 단계;
    상기 웨이퍼에 상기 기저전극을 포토리소그래피 공정으로 증착시키는 단계; 및
    상기 웨이퍼를 다이싱하여 상기 기판부로 패키징하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 기저전극은 상기 커버부에 의해 커버되는 전극 영역과, 상기 커버부로부터 비 커버되도록 상기 전극 영역으로부터 연장되어 전류 인가수단과 연결 가능한 패드 영역이 마련되는 니켈 전극을 포함하는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 커버부 마련단계는, PDMS 용액과 PDMS 경화제가 혼합되어 기포가 제거된 몰딩액을 PDMS 주형틀에 공급하여 경화시키는 몰딩 방식에 의해 마련되며,
    상기 PDMS 주형틀는 3D 프린팅되어 마련되는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 커버부 마련단계는,
    상기 채널홈 및 상기 기판부에 접합되지 않는 영역에 상기 커버부보다 산소 투과율이 낮은 차단층을 코팅하여 산소 투과를 차단시키는 단계;
    를 포함하는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 다공성 전극부를 상기 커버부에 결합시키는 단계는,
    카본 페이퍼를 상기 기저전극에 대응되도록 절단하여 상기 커버부의 채널홈에 길이 방향으로 결합시키는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 커버부는, 상기 유체가 유입되는 적어도 하나의 유입구 및, 상기 다공성 전극부를 사이에 두고 이격되어 상기 다공성 전극부를 관통 유동한 상기 유체가 배출되는 적어도 하나의 배출구가 상기 채널홈과 연통하도록 관통 형성되는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 접합단계는,
    상기 커버부는 상기 채널홈에 결합된 상기 다공성 전극부를 상기 기판부에 대해 가압한 상태에서 상기 기판부와 플라즈마 접합되는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 결합단계 이후에, 산소 차단을 위해 상기 채널홈을 밀봉한 상태에서 전압을 인가하여 미생물을 안착시키는 접종단계를 포함하는 마이크로 유체 미생물 연료전지의 제조방법.
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