KR20210075541A - 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지 - Google Patents

모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20210075541A
KR20210075541A KR1020190166753A KR20190166753A KR20210075541A KR 20210075541 A KR20210075541 A KR 20210075541A KR 1020190166753 A KR1020190166753 A KR 1020190166753A KR 20190166753 A KR20190166753 A KR 20190166753A KR 20210075541 A KR20210075541 A KR 20210075541A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
flow path
substrate
fuel cell
electrode
microfluidic
Prior art date
Application number
KR1020190166753A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102372933B1 (ko
Inventor
안유민
박노현
Original Assignee
한양대학교 에리카산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 에리카산학협력단 filed Critical 한양대학교 에리카산학협력단
Priority to KR1020190166753A priority Critical patent/KR102372933B1/ko
Publication of KR20210075541A publication Critical patent/KR20210075541A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102372933B1 publication Critical patent/KR102372933B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/227—Dialytic cells or batteries; Reverse electrodialysis cells or batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

개시된 본 발명에 의한 마이크로 유체 효소 연료전지는, 마이크로 유체가 경유하는 유로가 마련되는 종이 재질의 기판 및 기판의 유로에 마련되어 유로를 통해 전달되는 전자로부터 전기적 에너지를 발생시키는 전극을 포함하며, 전극은 유로의 모세관 현상으로 전자를 직접 전송 받는다. 이러한 구성에 의하면, 전자 전송을 위한 중개체나 외부 펌프가 없어도, 자가 펌핑에 의한 직접 전자 전송방식이 적용될 수 있어 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지{CAPILLARY-TYPE MICROFLUIDIC ENZYMATIC FUEL CELL}
본 발명은 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 모세관 작용에 의한 자가-펌핑이 가능함으로써 전력량을 향상시킬 수 있는 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 발생시키는 에너지원이다. 이러한 연료전지는 온난화 현상의 주범인 이산화탄소 발생을 약 40% 감소시키고 에너지 사용량을 약 26% 절감하는 효과가 있어 신재생에너지의 전력 공급원으로 기대되고 있다.
연료전지는 애노드(Anode), 캐소드(Cathode) 및 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane)으로 구성되는 양성자 교환막 구조가 일반적이다. 그러나, 양성자 교환막 구조를 가지는 연료전지는 기기의 소형화에 한계를 주고, 복잡한 제족 공정 및 높은 비용 등의 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 근래에는 마이크로 유체 연료 전지가 연구되고 있으나, 마이크로 유체 연료전지 또한, 연료와 산화제를 펌핑하기 위한 외부 펌핑수단이 요구되는 구조적 한계를 가진다.
그로 인해, 근래에는 구조가 간단하면서도 친환경적인 연료전지에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1885285호 미국 특허출원번호 13/997545
본 발명의 목적은 종이 기반의 기판상에 마련된 유로의 모세관 작용에 의한 자가-펌핑이 가능함으로써 전력량을 향상시킬 수 있는 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지는, 마이크로 유체가 경유하는 유로가 마련되는 종이 재질의 기판 및 상기 기판의 유로에 마련되어, 상기 유로를 통해 전달되는 전자로부터 전기적 에너지를 발생시키는 전극을 포함하며, 상기 전극은 상기 유로의 모세관 현상으로 상기 전자를 직접 전송 받아 전기적 에너지를 발생시킨다.
또한, 상기 유로는 상기 마이크로 유체의 양극액과 음극액이 각각 유입되는 한 쌍의 유입구와, 상기 한 쌍의 유입구가 상호 합류되어 배출되는 하나의 배출구를 가지는 Y자 형상을 가지며, 상기 전극은 상기 한 쌍의 유입구가 합류된 지점으로부터 상기 배출구 사이에 상호 마주하도록 배치되는 음극과 양극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유로는 상호 마주하는 한 쌍의 유입구와 상기 한 쌍의 유입구와 교차하는 방향으로 상호 마주하는 한 쌍의 배출구를 가지는 십자 형상을 가지며, 상기 전극은 상기 한 쌍의 배출구에 음극과 양극이 상호 마주하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 유로는 상기 기판의 일측 단부로부터 타측 단부까지 연장되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 유로는, 감광제에 침지된 상기 기판을 소프트 베이크(Soft bake) 공정, 노광(Expose) 공정 및 현상(Develop) 공정을 순차적으로 진행하는 포토 레지스트 제조 공정에 의해, 상기 기판에 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 유로는 상기 노광 공정 및 현상 공정 사이에 상기 기판이 가열되는 PEB(Post Exposure Bake) 공정을 통해 마련될 수 있다.
또한, 상기 기판은 상기 소프트 베이크 공정 및 노광 공정 중 제1지지판에 의해 평평하게 지지될 수 있다.
또한, 상기 현상 공정 이후에, 상기 기판은 순수에 의해 세척된 후 건조되는 후처리 공정이 마련되며, 상기 후처리 공정 중, 상기 기판의 양면은 알루미늄 재질의 제2지지판에 의해 지지될 수 있다.
또한, 상기 전극은, 상기 기판에 마스크를 이용해 전극원료가 패터닝된 후, 상기 기판에 패터닝된 상기 전극원료에 음극 촉매와 양극 촉매가 고정되어 마련될 수 있다.
또한, 상기 전극원료는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Wall Carbon Nanotube)를 적어도 일부 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극원료는 셀룰로오스 아이오닉액(Cellulose ionic liquid)이 바인더(Binder)로써 적어도 일부 혼합될 수 있다.
또한, 상기 음극 촉매는 LAC(Laccase from Trametes versicolor)를 포함하고, 상기 양극 촉매는 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus niger)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유로에는 공기가 포화된 양극액과 산소가 포화된 음극액이 유입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 마이크로 유체 효소 연료전지는, 종이 재질의 기판, 상기 기판에 마련되어, 마이크로 유체가 경유하는 유로 및, 상기 유로를 사이에 두고 상호 마주하는 음극과 양극을 포함하며, 상기 유로를 통해 상기 마이크로 유체로부터 전자를 직접 전송 받아 전기적 에너지를 발생시키는 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유로는, 상기 마이크로 유체의 양극액과 음극액이 각각 유입되는 한 쌍의 유입구와, 상기 한 쌍의 유입구가 상호 합류되어 배출되는 하나의 배출구를 가지는 Y자 형상 또는, 상호 마주하는 한 쌍의 유입구와 상기 한 쌍의 유입구와 교차하는 방향으로 상호 마주하는 한 쌍의 배출구를 가지는 십자 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 유로는 상기 기판의 일측 단부로부터 타측 단부까지 연장되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 유로는, 감광제에 침지된 상기 기판을 소프트 베이크(Soft bake) 공정, 노광(Expose) 공정 및 현상(Develop) 공정을 순차적으로 진행하는 포토 레지스트 제조 공정에 의해, 상기 기판에 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 기판은 상기 소프트 베이크 공정 및 노광 공정 중 제1지지판에 의해 평평하게 지지될 수 있다.
또한, 상기 현상 공정 이후에, 상기 기판은 순수에 의해 세척된 후 건조되는 후처리 공정이 마련되며, 상기 후처리 공정 중, 상기 기판의 양면은 알루미늄 재질의 제2지지판에 의해 지지될 수 있다.
또한, 상기 전극은, 상기 기판에 마스크를 이용해 전극원료가 패터닝된 후, 상기 기판에 패터닝된 상기 전극원료에 음극 촉매와 양극 촉매가 고정되어 마련될 수 있다.
또한, 상기 전극원료는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Wall Carbon Nanotube)를 적어도 일부 포함하며, 상기 음극 촉매는 LAC(Laccase from Trametes versicolor)를 포함하고, 상기 양극 촉매는 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus niger)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유로에는 공기가 포화된 양극액과 산소가 포화된 음극액이 유입될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 종이 기반의 기판상에 유로를 형성함으로써 마이크로 유체 효소가 자가-펌핑에 의해 유동 가능함으로써, 외부 펌핑 수단이 불필요하다.
둘째, 유로가 모세관 작용에 의해 외부 펌프 없이도, 장기간 마이크로 유체 효소의 운반을 지속시킬 수 있음에 따라, 비용면에서 유리하다.
셋째, 종이 기판상의 유로에 상호 마주하도록 음극와 양극을 가지는 전극을 형성함으로써, 매개체 없이도 효소로부터 전자를 전극으로 전달할 수 있는 간단한 구조로 인해, 소형화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지의 Y자형 유로 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지의 십자형 유로 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기판에 유로를 마련하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 공정에 의해 기판에 마련된 Y자형 유로(a)와 십자형 유로(b)를 개략적으로 도시한 평면도들이다.
도 5는 유로에 대한 마이크로 유체 효소의 확산 영역을 확인한 그래프들이다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 전극을 마련하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 전극 마련을 위한 마스크의 일 예를 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 8은 도 6에 의해 마련된 전극을 주사전자현미경으로 개략적으로 촬영한 이미지들이다.
도 9는 도 1 및 도 2에 도시된 마이크로 유체 효소 연료전지를 개략적으로 촬영한 이미지들이다.
도 10은 Y자형 유로와 십자형 유로에서의 연료 및 산화제의 층류 유동을 개략적으로 비교한 이미지들이다.
도 11은 컨트롤, 스탠다드, 양극액 조정 및, 음극액 조정 조건에 따른 연료전지의 전극 면적에 대한 전류 밀도를 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 12는 Y자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지에서의 글루코스(Glucose) 농도 별 전류밀도와 전압에 대해 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 13은 Y자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지에서의 전류밀도와 전력밀도를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 14는 십자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지에서의 글루코스 농도 별 전류밀도와 전압에 대해 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 15는 십자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지에서의 전류밀도와 전력밀도를 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 16은 Y자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지의 EIS를 개략적으로 측정한 그래프이다.
도 17은 십자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지의 EIS를 개략적으로 측정한 그래프이다.
도 18은 최적 성능을 보이는 100mM 글루코스 농도에서의 Y자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지와 200mM 글루코스 농도에서의 Y자형 유로를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지를 개략적으로 비교한 그래프들이다.
도 19는 Y자형 및 십자형 유로 각각의 최적 농도에서의 지속시간을 개략적으로 비교한 그래프들이다.
도 20은 다중벽 탄소나노튜브와 싱글벽 탄소나노튜브 전극재료의 전류밀도에 대한 전압을 상호 비교한 그래프이다.
도 21은 다중벽 탄소나노튜브와 싱글벽 탄소나노튜브 전극재료의 전류밀도에 대한 전력밀도를 상호 비교한 그래프이다.
도 22는 다중벽 탄소나노튜브와 싱글벽 탄소나노튜브 전극재료의 저항을 상호 비교한 그래프이다.
도 23은 전극의 효소 혼합 방식과 효소 고정 방식에서의 전류밀도에 대한 전압을 상호 비교한 그래프이다.
도 24는 전극의 효소 혼합 방식과 효소 고정 방식에서의 전류밀도에 대한 전력밀도를 상호 비교한 그래프이다. 그리고,
도 25는 전극의 효소 혼합 방식과 효소 고정 방식에서의 저항을 상호 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 1를 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 마이크로 유체 효소 연료전지(1)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2의 도시와 같이, 마이크로 유체 효소 연료전지(1)는 기판(2) 및 전극(4)을 포함한다.
기판(2)은 마이크로 유체가 경유하는 유로(3)가 마련되며, 종이(Paper)로 마련된다. 본 실시예에서는 기판(2)이 대략 10μm의 두께를 가지는 필터 페이퍼를 포함하는 것으로 예시한다.
기판(2)에 마련된 유로(3)는 도 1 및 도 2의 도시와 같이, Y자형 또는 십자형(Cross)으로 마련된다. 이러한 유로(3)는 마이크로 유체(F)가 경유함에 있어서, 안정적인 층류 흐름을 형성할 수 있도록 소정 폭을 가지고 기판(2)에 마련된다. 참고로, 기판(2)에 유로(3)를 마련하는 공정은 도 3을 참고하여 보다 자세히 후술한다.
한편, 기판(2)이 종이로 마련되고, 유로(3)는 기판(2)상에 형성됨으로써, 종이의 재질 특성에 의한 모세관 현상으로 인해 유로(3)를 따라 마이크로 유체(F)가 자가-펌핑에 의해 층류 유동 가능하다. 즉, 종이 기반의 기판(2)상에 유로(3)가 마련됨으로써, 종이 섬유의 기공을 통한 모세관 작용(Capillary action)으로 인해 외부 펌프 없이도, 마이크로 유체(F)의 운반을 장기간 지속시킬 수 있으며, 비용 및 소형화에서 유리하다.
전극(4)은 기판(2)의 유로에 마련되어, 전기적 에너지를 발생시킨다. 이러한 전극(4)은 기판(2)의 종이 특성에 의한 모세관 현상으로 직접 전자 전송(DET, Direct Elelctron Transfer)받아, 전기적 에너지를 발생시키게 된다. 즉, 전극(4)은 중개체(Mediator)를 구비하지 않아도, 종이 기반의 기판(2)의 모세관 현상으로 전자를 전송받는다.
전극(4)은 유로(3)에 상호 마주하는 양극(5)과 음극(6)을 포함한다. 이러한 전극(4)은 유로(3)를 통과하는 마이크로 유체(F)의 음극액(Catholyte)(F1)과 양극액(Anolyte)(F2)로부터 전자를 모세관 현상에 의해 직접 전송 받는다. 즉, 전극(4)은 종이 기반의 기판(2)에 마련된 유로(3)의 모세관 현상에 의한 자가-펌핑으로 마이크로 유체(F)를 전달받으며, 별도의 매개체 없이 효소로부터 전자를 전달받을 수 있다. 이때, 전극(4)은 마이크로 유체(F)에 포함된 연료와 산화제의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 발생시킨다.
참고로, 양극액(F2)에는 공기가 포화되는 연료이며, 음극액(F1)에는 산소가 포화되는 산화제이다. 이러한 양극액(F2)과 음극액(F1)은 도 1 및 도 2에 도시된 화살표 방향으로 유로(3)로 유입되어 전극(4)를 경유한 후, 유로(3)로부터 배출된다.
한편, 도 1에 Y자형 유로(3)를 구비하는 기판(2)은 가로(d1) 및 세로(h1)의 길이가 대략 29mm 및 30mm를 가지는 사각 플레이트 형상을 가진다. 또한, 마이크로 유체(F)의 음극액(F1)과 양극액(F2)이 각각 유입되는 Y자형 유로(3)의 유입구(31)(32)의 폭(W1)은 대략 2.5mm이고, 전극(4)을 경유한 마이크로 유체(F)가 배출되는 유로(3)의 배출구(33) 폭(W2)은 대략 5mm인 것으로 예시한다. 아울러, Y자형 유로(3)의 배출구(33)으로부터 대략 18mm 정도의 지점(h2)에서 두개의 유입구(31)(32)가 상호 합류되고, 이 합류되는 지점에 후술할 전극(4)이 마련된다. 한편, 전극(4)은 유로(3)의 경계로부터 대략 1mm의 간격(d2)만큼 돌출되며, 대략 15mm의 길이(h3)을 가지도록 마련됨이 좋다.
또한, 도 2에 도시된 십자형 유로(3)를 구비하는 기판(2)은 가로(d) 및 세로(h)가 모두 25mm인 정사각 플레이트 형상으로 마련될 수 있다. 유로(3)는 음극액(F1)과 양극액(F2)이 각각 유입되는 한 쌍의 유입구(34)(35) 및, 한 쌍의 유입구(34)(35)와 교차하는 방향으로 상호 마주하는 한 쌍의 배출구(36)(37)을 가지는 십자형으로 마련된다. 여기서, 유로(3)의 폭(W)은 대략 5mm로 균일한 것으로 예시한다. 참고로, 도 2에 도시된 십자형 유로(3)에 마련된 전극(4)의 길이는 도 1과 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 기판(2)의 배출구(33, 36, 37)에 전극(4)을 위치시킴으로써, 마이크로 유체(F)의 흐름 및 전기적 신호의 방해로부터 전극(4)을 보호함이 좋다. 보다 구체적으로, 도 1과 같은 Y자형 유로(3)의 경우, 한 쌍의 유입구(31)(32)가 합류되는 지점으로부터 배출구(33) 사이에 유로(3)를 사이에 두고 음극(5)과 양극(6)이 상호 마주하도록 배치됨이 좋다. 또한, 도 2와 같은 십자형 유로(3)의 경우, 한 쌍의 배출구(36)(37)에 음극(5)과 양극(6)이 상호 마주하도록 마련된다. 이때, 음극(5)과 양극(6)이 이격된 간격이 좁음에 따라, 연료전지(1)의 소형화에 보다 유리하다.
참고로, 도 1 및 도 2와 같이, 연료와 산화제를 포함하는 마이크로 유체(F)의 유입을 보다 용이하게 하기 위해, 유입구(31)(32)(34)(35)를 기판(2)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 연장되도록 설계함이 좋다.
도 3을 참고하여, 기판(2)에 유로(3)를 제작하는 공정을 설명한다.
도 3의 (a)와 같이, 종이로 마련된 기판(2)을 Su-8과 같은 음성 감광제(11)에 대략 10분 정도 소정시간 충분히 침지시킨 후, 감광제(11)를 얇게 긁어낸다. 이 후, 가열수단(12)을 이용해 감광제(11)의 경화를 위한 소프트 베이크(Soft bake)한다. 이때, 종이 기반의 기판(2)은 소프트 베이크 동작 중에 굽힘이 발생될 수 있음에 따라, 기판(2)의 하부에는 하드보드 종이와 같은 지지판(13)이 마련되어 기판(2)을 지지한다. 또한, 감광제(11) 경화를 위한 소프트 베이크 과정은 대략 15분간 85℃에서 진행될 수 있다.
이 후, 도 3의 (b)와 같이, 소프트 베이크가 끝나고, 경화가 계속 진행되면 종이 기반의 기판(2)이 찢어지는 것과 같은 파손이 발생될 수 있음에 따라, 새로운 지지판(13)에 기판(2)을 적층하여 노광기(14)로 노광(Expose)을 진행한다. 여기서, 노광기(14)는 UV 광을 대략 15초간 20mW로 진행할 수 있으며, 노광기(14)는 제1마스크(M1)를 사이에 두고 기판(2)을 노광시킨다. 이때, 제1마스크(M)에는 원하는 유로(3)의 형상이 패터닝된다.
노광이 완료되면, 도 3의 (c)와 같이, 지지판(13)에 지지된 기판(2)에는 유로(3)에 대응되는 패턴(P)이 노광되어 마련된다. 그 후, 도 3의 (d)와 같이, 가열수단(12)을 이용하여 PEB(Post Exposure Bake) 공정이 이루어진다. 여기서, PEB 공정은 노광 후에 발생되는 감광제(11)의 벽면 웨이브(Wave) 현상을 방지하기 위해 진행되는 과정으로써, 대략 10분간 85℃에서 진행될 수 있다.
PEB 공정이 완료되면, 도 3의 (e)와 같이, 제1지지판(13)을 기판(2)으로부터 제거한 후, 현상액으로 대략 15분, IPA(Isopropylantipyrine, 이소프로필 안티피린)로 대략 5분 가량 현상시키는 현상 공정을 진행한다.
마지막으로, 도 3의 (f)와 같이, 순수(DI Water)로 대략 10분간 기판(2)을 세척하고, 오븐에서 대략 40℃로 충분히 건조시킨다. 이때, 건조 중 종이 기판(2)의 구부러짐을 방지하기 위해, 알루미늄 재질의 제2지지판(15)을 기판(2)의 상면 및 하면을 지지함이 좋다.
건조 과정이 완료되면, 종이 기판의 기판(2)에 Su-8 유로(3)의 형성이 최종 완료된다.
참고로, 제1마스크(M)를 이용해 기판(2)에 노광된 유로(3)는 감광제(11)가 노광되어 현상됨에 따라 종이 특성을 가진다. 그로 인해, 종이 기반의 기판(2)에 유로(3)가 형성되고, 유로(3)는 종이 특성에 의한 모세관 현상으로 마이크로 유체(F)를 화살표 방향으로 층류 이동시킬 수 있다. 반면에, 제1마스크(M1)에 의해 비노출되어 노광되지 않은 유로(3) 이외의 기판(2) 영역은 감광제(11) 성분이 남아 있게 된다. 그로 인해, 유로(3)를 제외한 영역은 마이크로 유체(F)가 스며들지 못하는 벽(Wall)을 형성하게 된다.
한편, 도 4의 (a)와 같은 Y자형 유로(3)의 경우, 분기된 제1 및 제2유입구(31)(32)로부터 마이크로 유체(F)의 음극액(F1) 및 양극액(F2)이 각각 유입된다. 유입된 음극액(F1) 및 양극액(F2)은 유로(3)의 모세관 현상에 의한 자가-펌핑됨으로써, 층류 이동에 의해 제1배출구(33)를 통해 배출된다. 또한, 도 4의 (b)와 같이 십자형 유로(3)의 경우, 상호 마주하는 제3 및 제4유입구(34)(35)를 통해 마이크로 유체(F)의 음극액(F1) 및 양극액(F2)이 각각 유입된다. 이렇게 유입된 음극액(F1) 및 양극액(F2)은 유로(3)의 모세관 현상에 의해 층류 이동함으로써, 상호 마주하는 제2 및 제3배출구(36)(37)을 통해 배출된다.
도 5에는 유로(3)에 대한 마이크로 유체(F)의 확산영역을 확인한 그래프가 개략적으로 도시된다. 여기서, 마이크로 유체(F)의 확산 영역은 농도가 99%로 변화되는 지점부터 측정하였으며 Y자형 유로(3)의 경우 1.19mm(도 5의 (a) 참조)이고, 십자형 유로(3)에 경우 1.03mm(도 5의 (b) 참조)이다. 이와 같이, Y자형 유로(3)와 십자형 유로(3)가 확산 영역에서 미비한 차이를 가지나, 이러한 확산 영역의 차이는 유로(3)의 길이에 따라 가변될 수 있다. 즉, 유로(3)의 길이가 짧을수록 확산에 더 유리하다.
참고로, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 그래프의 가로축의 길이는 유로(3)의 폭에 대응되며, 세로축은 질량 분율(mass fraction)으로 마이크로 유체(F)의 유무를 나타낸다. 또한, 도 5의 그래프 중에서 중간에 상호 교차하는 영역은 산화제와 환원제가 혼합되는 확산영역(상호 마주하는 점선 영역)에 해당되며, 이러한 상호 마주하는 점선의 사이에는 전극(4)이 배치되지 않음이 좋다.
도 6를 참고하여, 기판(2)의 유로(3)에 대응하여 전극(4)을 마련하는 공정을 설명한다.
도 6의 (a) 및 (b)와 같이, 유로(3)가 마련된 기판(2)에 전극(4)에 대응되는 패턴이 마련된 제2마스크(M2)를 적층한 후, 전극(4) 형성을 위한 전극원료(21)를 제2마스크(M2)에 도포한다.
여기서, 제2마스크(M2)는 대략 1mm의 폭을 가지는 전극(4)을 형성하기 위해, 대략 0.1mm의 두께를 가지는 OHP 필름 마스크를 레이저 가공에 의해 마련할 수 있다. 여기서, 제2마스크(M2)의 가공 오차는 0.03mm~0.1mm이다. 또한, 도 7의 도시와 같이, 공정 당 수율을 높이기 위해 대략 6개의 전극 모형을 가지도록 제2마스크(M2)가 마련될 수 있으며, 정확성을 위해 얼라인 마크가 마련됨이 좋다.
참고로, 도 7의 (a)는 Y자형 유로(3)에 대응되는 전극(4) 형성을 위한 제2마스크(M2)를 예시하며, (b)는 십자형 유로(3)에 대응되는 전극(4) 형상을 위한 제2마스크(M2)를 예시한다.
전극(4) 형성을 위한 전극원료(21)는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Wall Carbon Nanotube) 페이스트(Paste)를 포함한다. 이러한 전극원료(21)는 여러겹의 원기둥 형상을 가지는 다중벽 탄소나노튜브를 포함한다.
보다 구체적으로, 전극원료(21)는 다중벽 탄소나노튜브 10mg, 질산(
Figure pat00001
) 10mL 및 황산(
Figure pat00002
) 20mL을 상호 혼합하여 정제함으로써, 마련될 수 있다. 이후, 정제된 다중벽 탄소나노튜브를 대략 30분간 초음파분해로 고르게 혼합한 후, 70mL의 정제수(De-ionized water)를 섞어 교반기에서 5℃, 500rpm으로 5분간 교반한다. 마지막으로, 교반이 끝난 용액에 진공 필터 장치를 통해 충분한 순수(DI Water)를 공급함으로써, 정제된 다중벽 탄소나노튜브를 필터링할 수 있다.
이렇게 필터링된 다중벽 탄소나노튜브는 셀룰로오스 아이오닉액(Cellulose ionic liquid)과 혼합됨으로써, 기판(2)에 도포될 수 있는 MWCNT Paste인 전극원료(21)가 최종 마련된다. 여기서, 셀룰로오스는 다중벽 탄소나노튜브를 기판(2)인 종이에 대한 접착성을 향상시키기 위한 바인더(binder) 역할을 할 뿐만 아니라 생체 적합성이 뛰어난 장점을 가지고 있다.
참고로, 셀룰로오스 아이오닉액은 셀룰로오스 10% mass와 EMIM(
Figure pat00003
)을 질량비로 대략 60℃의 온도로 한시간 가량 초음파분해에 의해 혼합한다. 이렇게 제작된 셀룰로오스 아이오닉액은 다중벽 탄소나노튜브과 10% mass의 질량비로 혼합되고, Agate motar(C-Giese, 50mL)을 이용하여 15분간 그라인딩(Grinding)될 수 있다.
도 6의 (a)와 같이, 전극(4)을 형성시키기 위한 종이 유로(3)위에 제2마스크(M2)를 고정시킨 후, 그 위에 전극원료(21)를 한쪽에 도포한다. 그 후, 표면이 매끄러운 금속판과 같은 도포도구(22)를 이용하여 전극원료(21)를 균일하게 반대쪽으로 밀어준다.
그로 인해, 도 6의 (c)와 같이, 전극원료(21)는 전극 형상의 구멍을 통해 종이 기반의 기판(2)에 흡수됨으로써, 제2마스크(M2)를 제거하면 전극 형상이 유로(3)에 형성되게 된다. 이때, 전극 원료(21)에 포함된 EMIM(
Figure pat00004
)을 제거하기 위해, 도 6의 (d)와 같이 정제수에 대략 20분 가량 침지시킨 후, 상온에 1시간 건조함으로써, 전극(4)이 마련된다.
한편, 형성된 전극(4) 위에 음극(5)과 양극(6)의 촉매로 사용될 음극 촉매(24) 및 양극 촉매(25)를 각각 고정시키기 위한 효소 솔루션(Enzyme solution)(23)을 도 6의 (e)와 같이, 제작한다. 여기서, 음극 촉매(24)는 LAC(Laccase from Trametes versicolor)를 포함하고, 양극 촉매(25)는 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus niger)를 포함함이 좋다. 이러한 효소 솔루션(23)은 LAC(24) 및 GOx(25)를 PBS(Phosphate buffered saline) 솔루션과 혼합하여 제작된다.
여기서, PBS는 137mM NaCl, 2.7mM KCl, 10mM Na2HPO4, 2mM KH2PO4으로 구성되어 있으며, 정제수에 혼합하여 100mM 농도의 솔루션(PH 7.0)으로 제작된다. PH 농도는 드랍-와이즈(drop-wise) 방식으로 HCL, NaOH 희석액을 사용하여 맞출 수 있다.
한편, 양극(Anode)(6)에 사용되는 양극 촉매(25)는 글루코스(Glucose, GOx)를 PBS 솔루션에 15mg/ml 농도로 혼합된 솔루션을 사용하고, 음극(Cathode)(5)에는 음극 촉매(24)인 LAC를 PBS solution에 2.5mg/ml 농도로 혼합한 솔루션을 사용함이 좋다. 이를 양극(6) 및 음극(5)위에 20μl의 양으로 마이크로 피펫을 사용하여 드랍 캐스팅(drop-casting)한다.
그 후, 최종적으로 도 6의 (f)와 같이, 상온에서 1시간 동안 건조하면 효소 촉매가 고정된 전극(4)이 완성되며, 이로써, 마이크로 유체 효소 연료전지(1)가 완성이 된다.
참고로, 제조된 마이크로 유체 효소 연료전지(1)는 비 사용시, 4℃에서 보관하며 24시간 이내에 사용됨이 좋다.
또한, 도 8에는 전극(4)을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지들로써, (a)에는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 전극(4)을 촬영한 이미지, (b)는 글루코스(Glucose) 촉매가 고정된 다중벽 탄소나노튜브 전극(4)의 양극(6)을 촬영한 이미지 그리고, (c)는 라카아제(Laccase) 촉매가 고정된 다중벽 탄소나노튜브 전극(4)의 음극(5)을 촬영한 이미지이다. 도 8과 같이, 음극(5)에 고정된 라카아제 보다 양극(6)에 대한 글루코스의 고정력이 더 우수함을 확인할 수 있다.
도 9에는 상기와 같은 제조 공정에 의해 제작된 마이크로 유체 마이크로 유체 효소 연료전지(1)을 촬영한 이미지들이다. 도 9의 (a)는 Y자형 유로(3)를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지(1)이며, 도 9의 (b)는 십자형 유로(3)를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지(1)이다.
도 10을 참고하면, Y자형 유로(3)와 십자형 유로(3)에서의 연료 및 산화제의 층류 유동을 형성을 비교한 이미지가 도시된다. 도 10의 (a)는 Y자형 유로(3)에서의 층류 유동 실험 결과이며, 도 10의 (b)는 십자형 유로(3)에서의 층류 유동 실험 결과 이다. 도 10과 같이, 전극의 단부를 기준으로 도 10의 (a)와 같은 Y자형 유로(3)에 비해 도 10의 (b)와 같은 십자형 유로(3)에서의 안정적인 층류 유동이 형성됨을 확인할 수 있다.
한편, 마이크로 유체 효소 연료전지(1)의 양극(5)에서는 산소와 수소이온이 만나 환원 반응이 일어남에 따라, 산소의 농도가 커질수록 전기적 성능이 향상된다. 반면에, 음극(6)에서는 산소에 취약하기 때문에, 질소로 Purging 하여 더 좋은 성능을 만든다. 따라서, 본 실시예에서는 음극액(F1) 및 양극액(F2)을 하기 표 1과 같은 조건으로 공기, 산소, 질소를 각각 30분간 퍼징(Purging)으로 포화시켜 0.2V 전압을 인가하여 전류밀도를 측정하고, 가장 좋은 성능을 내는 조건을 이후 실험을 진행하는 전해액(Electrolyte)의 기본 조건으로 지정하고자 한다. 이때, 유기물 연료인 글루코스 솔루션을 제외하고, 음극액(F1)에 질소로 퍼징한 후 주입시켜, 전해액만으로 연료전지(1)의 작동성을 확인하고자 한다.
컨트롤
(Control)		 스탠다드
(Standard)		 양극액 조정
(Modified)		 음극액 조정
(Modified)
양극액 글루코스 없음 에어-포화 질소-퍼징 에어-포화
음극액 질소 퍼징 에어-포화 에어-포화 산소-포화
한편, 본 발명에 의한 마이크로 유체 효소 연료전지(1)는 독성 성분, 효소 침출(Enzyme leaching) 현상 등의 문제점이 있는 중개체(mediator)를 사용하지 않고 직접 전자 전송 방식의 글루코스 산화 과정에 의해 화학에너지를 전기에너지로 발생시킨다. 여기서, 글루코스는 양극(6)에 고정되어 있는 GOx(Glucose oxidase) 촉매(25)에 의해 산화되어 Gluconolactone과 수소 이온, 전자(Release electrons)를 형성한다. 여기서, 형성된 수소 이온은 연료와 산화제 사이의 계면을 통해 음극(5) 측으로 이동하며, 전자는 외부 전선을 통해 음극(5)으로 이동한다. 이렇게 이동한 전자는 음극(5)에서 촉매 역할을 하는 LAC(Laccase)(24)를 통해 이동하여, 음극액(F1)에 포화되어 있는 산소와 수소 양이온과 환원 반응하여 물(
Figure pat00005
)을 형성한다. 이때의 반응 화학식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00006
수학식 1에서 (1)은 양극(6)에서 일어나는 반응이며, 기준 전극전위는 -0.25V이다. 또한, 수학식 1에서 (2)는 음극(5)에서 일어나는 반응이며, 기준 전극전위는 0.75V이다.
표 1과 같은 조건으로 5초마다 전류를 측정하여 전극 면적(0.3
Figure pat00007
)에 대한 전류밀도를 확인한 결과가 도 11에 도시된다. 이때, 안정적인 전류 값을 확인하기 위해 음극액(F1) 및 양극액(F2)을 충분히 유로(3)로 흘려주어, 전극(4)의 끝부분까지 도달했을 때를 측정하였다. 각 조건에 대한 전류밀도 값은 0s에서 측정된 값으로 하기 표 2와 같다.
Figure pat00008
여기서, 음극액(F1)에 산소를 포화시키는 조건이 306.109
Figure pat00009
로 가장 높은 전류밀도 값을 보였다. 양극액(F2)에 질소로 퍼징한 조건에서는 229.883
Figure pat00010
로 222.468
Figure pat00011
값을 보인 스탠다드 조건과 비교했을 시 다소 높은 값을 보였지만, 상호 크게 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다. 따라서, 도 11과 표 2와 같이, 높은 전류밀도와 안정성을 보인 음극액(F2)의 산소 포화 조건이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
도 12에서는 Y자형 유로(3)를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지 (1)에서의 글루코스(Glucose) 농도 별 전류밀도와 전압에 대해 나타낸 그래프이고, 도 13은 전류밀도와 전력밀도에 대한 그래프이다. 글루코스 100mM 농도에서 OCV값은 0.527V, 최대 전류밀도는 307.778
Figure pat00012
, 최대 전력밀도는 52.112
Figure pat00013
로 가장 높은 결과 값이 측정되었다. 25mM 글루코스 농도에서 100mM 글루코스 농도로 갈수록 OCV, 최대 전류밀도, 최대 전력밀도 값이 점차 증가하는 모습을 보이며, 100mM 글루코스 농도 기점으로 200mM, 400mM 농도로 갈수록 떨어지는 것을 확인하였다.
이로 인해, 양극액(F2)에 혼합된 글루코스 솔루션의 농도가 높아질수록 점성이 높아짐에 따라, 마이크로 유체(F)의 흐름에 영향을 미침을 확인할 수 있다. Y자형 유로(3) 구조에서 글루코스 농도에 따른 OCV, 최대전류밀도, 최대전력밀도 값을 비교하면, 하기 표 3과 같다.
Figure pat00014
도 14에는 십자형 유로(3)를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지(1)에서의 글루코스 농도 별 전류밀도와 전압에 대해 비교한 그래프이고, 도 15는 전류밀도와 전력밀도를 비교한 그래프이다. 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 경우, 200mM 글루코스 농도에서 OCV는 0.525V, 최대 전류밀도는 266.667
Figure pat00015
, 최대 전력밀도는 51.645
Figure pat00016
로 가장 높은 값이 측정되었다. Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)와 비슷하게 50mM 농도에서 200mM 농도로 높아질수록 OCV, 최대 전류밀도, 최대 전력밀도 값이 증가하는 모습을 보였으며, 200mM Glucose 농도 기준으로 더 높은 농도로 증가함에 따라 결과 값이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 글루코스 솔루션의 농도의 점성에 의한 현상이다. 하기 표 4에서는 십자형 유로(3) 구조에서의 글루코스 농도 별 OCV, 최대전류밀도, 최대전력밀도 값을 비교하였다.
Figure pat00017
한편, 본 발명에 의한 연료전지(1)의 손실에 대한 정보를 분석하고자 전기화학 임피던스(EIS, Electrochemical impedance spectroscopy) 실험을 진행하였다. 전기화학 임피던스 분광법은 특정 범위의 여러 가지 주파수에서 교류신호를 연료전지(1)에 가하여 임피던스를 측정하는 방법으로써, 일반적으로 Nyquist plot이라는 선도로 표시된다.
도 16은 Y자형 유로(3)를 구비하는 마이크로 유체 효소 연료전지(1)의 EIS를 측정한 그래프이고, 도 17은 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 EIS를 측정한 그래프이다.
도 16에서 X축과 만나는 첫 번째 교점으로 연료전지(1)의 저항손실의 상대적 크기를 확인할 수 있는 옴 저항(Ohmic resistance,
Figure pat00018
) 값을 확인할 수 있으며, 반원 부분을 가상으로 플로팅하여 x축과 만나는 두 번째 교점으로 산화극의 활성화 상대적 손실을 확인할 수 있는 양극 패러데이 저항(Anode Faradaic resistance,
Figure pat00019
)을 확인할 수 있다. Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 경우, 전기적 성능이 가장 좋게 나온 100mM glucose 농도에서
Figure pat00020
는 39Ω,
Figure pat00021
는 537Ω 으로 가장 낮은 저항이 측정되었다.
또한, 도 17에서 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)에서 가장 높은 성능을 보였던 200mM glucose 농도에서
Figure pat00022
는 84Ω,
Figure pat00023
는 609Ω으로 가장 낮은 저항값이 측정되었다.
하기 표 5에는 Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 농도별 EIS 측정값이 정리되며, 표 6에는 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 농도별 EIS 측정값이 정리된다.
Figure pat00024
Figure pat00025
이상과 같은 실험을 통해, 도 18과 같이 최적 성능을 보이는 100mM 글루코스 농도에서의 Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)와 200mM 글루코스 농도에서의 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)를 비교하였다.
참고로, 하기 표 6과 같이, Y자형 유로(3)에서 OCV, 최대 전류밀도, 최대 전력밀도가 십자형 유로(3)에 비해 전반적으로 우수함을 확인할 수 있다. 전산 유체 해석 및 층류 유동 실험을 통해 십자형 유로(3)에서의 확산 길이가 더 작게 나오는 좋은 결과가 있었으나, 유입구 부분과 층류 흐름을 형성하는 지점에서 직각을 이루어 연료 및 산화제가 동일한 속도로 흐르지 않는 경우가 발생하고, 이로 인해 한쪽으로 치우쳐 흐르는 현상이 생겨 발생한 결과로 판단된다. 이에 따라, Y자형 유로(3)가 십자형 유로(3) 구조에서 보다 좋은 결과가 나온 것으로 분석되나, 마이크로 유체(F)의 층류 유동면에서는 두가지 유로(3) 모두 우수함을 확인할 수 있다.
Figure pat00026
도 19를 참고하면, Y자형 및 십자형 유로(3) 각각의 최적 농도에서의 지속시간을 비교한 그래프가 도시된다. 도 19에서는 대시간 전위차법(Chronopotentiometry)측정으로 50
Figure pat00027
(166.667
Figure pat00028
)의 전류를 인가해 전압을 측정하였다. 또한, 연료 및 산화제를 계속해서 공급하여 측정하는 Continuous flow 방식 및, 연료 및 산화제가 층류 유동을 형성하여 전극 끝부분까지 흘렀을 때 공급을 중단하여 측정하는 Stop flow 방식으로 지속 시간을 측정하였다. Continuous flow의 경우, 초기 전압 값의 50%가 되는 지점까지의 시간을 측정하고, Stop flow의 경우 전압 값이 0이 되는 지점의 시간을 측정하여, 마이크로 유체 효소 연료전지(1)의 지속시간을 확인하였다.
표 8에서 Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)와 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 지속시간을 비교하였다. Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)는 Continuous flow에서 33.6분, Stop flow에서 16.2분의 지속시간을 가진다. 또한, 십자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)의 경우, Continuous flow에서 22.6분, Stop flow에서 13.1분으로 지속시간이 측정되었다. 이에 따라, Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)가 층류 유동 실험에서와 실제 실험에서 상대적으로 연료, 산화제가 안정적으로 흐르는 모습을 보였기에 더 좋은 결과를 보인 것으로 판단된다.
Figure pat00029
한편, 상대적으로 우수한 전기적 성능을 보인 100mM 글루코스 농도의 Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)에서 하기와 같이 2가지 실험을 추가 진행하여 성능을 확인하였다.
우선, 전극(4)의 재료를 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single-wall carbon nano tube)로 변경하여 전기적 성능을 비교하였다.
참고로, 싱글벽 탄소나노튜브 재질의 전극(4)의 제작 방식은 도 6을 참고하여 설명한 다중벽 탄소나노튜브의 전극 제작 방식과 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.
도 20, 21 및 22는 다중벽 탄소나노튜브와 싱글벽 탄소나노튜브 전극재료의 결과를 비교한 그래프이다. 또한, 표 9에서 Linear sweep, EIS 측정 결과 값을 정리하였다. 도 20, 21, 22 및 표 9와 같이, 다중적 탄소나노튜브가 싱글벽 탄소나노튜브 보다 전극(4)의 성능이 상대적으로 우수함을 확인할 수 있다.
Figure pat00030
한편, 일반적으로 싱글벽 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브에 비해 상대적으로 전기전도성이 다소 높으나, 여러겹의 탄소 원자 벽으로 구성되어있는 다중벽 탄소나노튜브에 비해 하나의 탄소 원자 벽으로 이루어져 있는 싱글벽 탄소나노튜브의 강도가 상대적으로 낮음으로 인해 파손에 취약한 단점을 가진다. 이로 인해, 마이크로 유체(F)의 흐름과 산화, 환원 반응에 영향을 끼침으로써, 다중벽 탄소나노튜브 재질로 마련된 전극(4)을 구비하는 연료전지(1)의 성능이 더 우수하다.
한편, 본 실시예에서는 도 6에서와 같이, 효소 솔루션(23)의 음극 효소(24) 및 양극 효소(25)를 음극(5)과 양극(6)에 고정시키는 방식이 적용되었으나, 음극 효소(24) 및 양극 효소(25)를 음극(5)과 양극(6)에 각각 혼합하여 전극(4)을 마련하는 변형예도 가능하다. 이 경우의 연료전지(1)의 성능을 실험하였으며, 실험 조건은 100mM 글루코스 농도의 Y자형 유로(3)를 구비하는 연료전지(1)를 이용하여 실험을 진행하였다.
이렇게 LAC를 포함하는 음극 효소(24) 및 GOx를 포함하는 양극 효소(25)를 음극(5)과 양극(6)에 각각 혼합한 전극(4)의 성능이 도 23 내지 도 25에 도시된다.
도 23 내지 도 25를 참고하면, 효소를 혼합하는 방식(Enzyme solution)이 도 6에서 설명한 효소 고정 방식(Immobilization)에 비해 성능이 낮음을 확인할 수 있다. 이는, 특정 양의 효소가 공급할 수 있는 효소 고정 방식(Immobilization)에 비해, 효소혼합용액 방식(Enzyme solution)은 전극(4)에 공급되는 효소의 양이 불특정하며 용액과 혼합 시 효소가 특정 부분에 뭉쳐있는 현상이 있어 전극(4) 표면에 고르게 공급되지 않음으로 인해 발생된 결과이다.
이에 따라, 본 발명에서 설명하는 마이크로 유체 효소 연료전지(1)의 전극(4)은 다중벽 탄소나노튜브를 재료로 하며, 효소를 고정시켜 제조됨이 바람직하다.
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 효소 연료전지
2: 기판
3: 유로
4: 전극
5: 음극
6: 양극
F: 마이크로 유체 효소

Claims (22)

  1. 마이크로 유체가 경유하는 유로가 마련되는 종이 재질의 기판; 및
    상기 기판의 유로에 마련되어, 상기 유로를 통해 전달되는 전자로부터 전기적 에너지를 발생시키는 전극;
    을 포함하며,
    상기 전극은 상기 유로의 모세관 현상으로 상기 전자를 직접 전송 받아 전기적 에너지를 발생시키는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 상기 마이크로 유체의 양극액과 음극액이 각각 유입되는 한 쌍의 유입구와, 상기 한 쌍의 유입구가 상호 합류되어 배출되는 하나의 배출구를 가지는 Y자 형상을 가지며,
    상기 전극은 상기 한 쌍의 유입구가 합류된 지점으로부터 상기 배출구 사이에 상호 마주하도록 배치되는 음극과 양극을 포함하는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 상호 마주하는 한 쌍의 유입구와 상기 한 쌍의 유입구와 교차하는 방향으로 상호 마주하는 한 쌍의 배출구를 가지는 십자 형상을 가지며,
    상기 전극은 상기 한 쌍의 배출구에 음극과 양극이 상호 마주하도록 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 상기 기판의 일측 단부로부터 타측 단부까지 연장되도록 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유로는, 감광제에 침지된 상기 기판을 소프트 베이크(Soft bake) 공정, 노광(Expose) 공정 및 현상(Develop) 공정을 순차적으로 진행하는 포토 레지스트 제조 공정에 의해, 상기 기판에 패터닝되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유로는 상기 노광 공정 및 현상 공정 사이에 상기 기판이 가열되는 PEB(Post Exposure Bake) 공정을 통해 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기판은 상기 소프트 베이크 공정 및 노광 공정 중 제1지지판에 의해 평평하게 지지되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 현상 공정 이후에, 상기 기판은 순수에 의해 세척된 후 건조되는 후처리 공정이 마련되며,
    상기 후처리 공정 중, 상기 기판의 양면은 알루미늄 재질의 제2지지판에 의해 지지되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 기판에 마스크를 이용해 전극원료가 패터닝된 후, 상기 기판에 패터닝된 상기 전극원료에 음극 촉매와 양극 촉매가 고정되어 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극원료는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Wall Carbon Nanotube)를 적어도 일부 포함하는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극원료는 셀룰로오스 아이오닉액(Cellulose ionic liquid)이 바인더(Binder)로써 적어도 일부 혼합되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 음극 촉매는 LAC(Laccase from Trametes versicolor)를 포함하고, 상기 양극 촉매는 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus niger)를 포함하는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 유로에는 공기가 포화된 양극액과 산소가 포화된 음극액이 유입되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  14. 종이 재질의 기판;
    상기 기판에 마련되어, 마이크로 유체가 경유하는 유로; 및
    상기 유로를 사이에 두고 상호 마주하는 음극과 양극을 포함하며, 상기 유로를 통해 상기 마이크로 유체로부터 전자를 직접 전송 받아 전기적 에너지를 발생시키는 전극;
    을 포함하는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유로는, 상기 마이크로 유체의 양극액과 음극액이 각각 유입되는 한 쌍의 유입구와, 상기 한 쌍의 유입구가 상호 합류되어 배출되는 하나의 배출구를 가지는 Y자 형상 또는, 상호 마주하는 한 쌍의 유입구와 상기 한 쌍의 유입구와 교차하는 방향으로 상호 마주하는 한 쌍의 배출구를 가지는 십자 형상을 가지는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 유로는 상기 기판의 일측 단부로부터 타측 단부까지 연장되도록 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 유로는, 감광제에 침지된 상기 기판을 소프트 베이크(Soft bake) 공정, 노광(Expose) 공정 및 현상(Develop) 공정을 순차적으로 진행하는 포토 레지스트 제조 공정에 의해, 상기 기판에 패터닝되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 상기 소프트 베이크 공정 및 노광 공정 중 제1지지판에 의해 평평하게 지지되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 현상 공정 이후에, 상기 기판은 순수에 의해 세척된 후 건조되는 후처리 공정이 마련되며,
    상기 후처리 공정 중, 상기 기판의 양면은 알루미늄 재질의 제2지지판에 의해 지지되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 기판에 마스크를 이용해 전극원료가 패터닝된 후, 상기 기판에 패터닝된 상기 전극원료에 음극 촉매와 양극 촉매가 고정되어 마련되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전극원료는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi-Wall Carbon Nanotube)를 적어도 일부 포함하며,
    상기 음극 촉매는 LAC(Laccase from Trametes versicolor)를 포함하고, 상기 양극 촉매는 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus niger)를 포함하는 마이크로 유체 효소 연료전지.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 유로에는 공기가 포화된 양극액과 산소가 포화된 음극액이 유입되는 마이크로 유체 효소 연료전지.
KR1020190166753A 2019-12-13 2019-12-13 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지 KR102372933B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190166753A KR102372933B1 (ko) 2019-12-13 2019-12-13 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190166753A KR102372933B1 (ko) 2019-12-13 2019-12-13 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210075541A true KR20210075541A (ko) 2021-06-23
KR102372933B1 KR102372933B1 (ko) 2022-03-10

Family

ID=76599093

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190166753A KR102372933B1 (ko) 2019-12-13 2019-12-13 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102372933B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150202621A1 (en) * 2012-06-20 2015-07-23 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Cisc) Fuel cell and analysis device that comprise it
KR101885285B1 (ko) 2017-06-19 2018-08-03 한양대학교 에리카산학협력단 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150202621A1 (en) * 2012-06-20 2015-07-23 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Cisc) Fuel cell and analysis device that comprise it
KR101885285B1 (ko) 2017-06-19 2018-08-03 한양대학교 에리카산학협력단 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102372933B1 (ko) 2022-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. A direct urea microfluidic fuel cell with flow-through Ni-supported-carbon-nanotube-coated sponge as porous electrode
US7909971B2 (en) Microfluidic electrochemical reactors
Kjeang et al. Microfluidic fuel cells: A review
Ahn et al. Guided cracking of electrodes by stretching prism-patterned membrane electrode assemblies for high-performance fuel cells
Wu et al. Highly efficient electroosmotic flow through functionalized carbon nanotube membranes
US20070287034A1 (en) Microfluidic Biofuel Cell
Arun et al. Selection of graphite pencil grades for the design of suitable electrodes for stacking multiple single‐inlet paper‐pencil fuel cells
WO2008123486A1 (ja) 燃料電池のための電極触媒層およびその製造方法
Kim et al. based mediatorless enzymatic microfluidic biofuel cells
KR102372933B1 (ko) 모세관 방식의 마이크로 유체 효소 연료전지
Park et al. Fabric-based self-pumping, single-stream microfluidic fuel cell
JP4462502B2 (ja) 燃料電池用のカソード電極構造及びこれを備えた燃料電池
US9880122B2 (en) Method for enhancing current throughput in an electrochemical system
Tsai et al. Capillary force pumping fluid for glucose oxidase enzymatic fuel cells
JP2010045024A (ja) アニオン伝導性電解質樹脂及びその製造方法
KR102143548B1 (ko) 종이 기반 마이크로 유체 연료 전지 및 이의 제조 방법
JPS62240784A (ja) 陰極膜単位およびその製造方法
KR20240009622A (ko) 공동층류형 효소 바이오 연료 전지
JP2008270062A (ja) 燃料電池用膜・電極接合体の評価方法及び評価装置
KR102484500B1 (ko) 마이크로 유체 연료전지 및 이의 제조방법
KR102198562B1 (ko) 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조 방법
Mashayekhi Mazar et al. Microfluidic Rapid Prototype Enzymatic Biofuel Cell Based on a Nanocomposite
Chen et al. Flow assay of ions at chemically modified electrodes: the polypyrrole/hexacyanoferrate (4-) model system
Erickson et al. Optimization of a permeation‐based microfluidic direct formic acid fuel cell (DFAFC)
US10581088B2 (en) Fuel cell gas diffusion layer made up of a carbon substrate grafted with an aromatic grouping

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)