C-MEMS 전극을 이용한 마이크로 유체 연료전지

Abstract

최근 휴대용 전자기기의 고성능화로 휴대용 전자기기의 전력 소모량이 급증하고 있다. 이에 따라 휴대용 전자기기의 전력 공급 장치로써 마이크로 연료전지의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 마이크로 연료전지는 양성자 교환 막을 사용하기 때문에 교환 막을 수화상태로 유지해야 하는 문제점, 크로스오버 (cross-over) 현상, 교환 막의 파손 및 변형현상 등의 많은 문제점이 생긴다. 이런 문제점을 극복하기 위해서 양성자 교환 막을 사용하지 않는 마이크로 유체 연료전지가 연구되었다. 기존의 연구에서 새로운 마이크로유체 연료전지를 개발하고 성능을 향상하기 위해서 연료와 산화제를 포함한 전해질 용액의 종류, 전극의 재료, 마이크로 채널의 구성 등을 변화하였다. 본 연구에서는 제작비용 절감과 새로운 재료를 통한 연료전지 개발 가능성확보를 위해서 마이크로유체 연료전지의 전극에 적용할 수 있는 가격이 저렴하고 미세가공이 가능한 탄소를 재료로 선정하였다. 탄소는 자연계에서 다이아몬드, 흑연, 석탄, 유리상 탄소(glassy carbon)등 여러 가지 형태로 존재한다. 탄소의 성질은 매우 다양하여 탄소 섬유나 탄소 나노 튜브 같은 형태들이 발견되었다. 결정 구조나 형태에 따라서 기계, 전기, 화학적 성질이 변하므로 응용성도 다양하다. 전극의 구성 재료로서 SU-8과 AZP4620을 이용하였고, 제작한 전극은 열분해한 감광제를 통해 본 연구를 진행하였다. 연구를 진행하며 각각의 재료를 이용한 전극제작 공정 조건을 도출하였고 이를 이용하여 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다. 연료와 산화제로서 과산화수소를 이용하여 진행하였으며, Potentiostate를 사용하여 마이크로유체 연료전지의 전류밀도와 전력밀도를 측정하였다. 그리고 실험을 통하여 전극의 두께와 전극간의 간격에 차이를 두어서 제작된 마이크로 유체 연료전지의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과 열분해한 감광제를 이용한 연료전지의 경우 전류밀도 측정에 성공하여 열화 감광제 박막의 연료전지 전극에 대한 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 전극의 재료를 개선하여 마이크로 유체 연료전지의 성능을 향상하는 방안으로 사용되는 연료 및 산화제의 종류, 전극의 재료에 이용하여 연료전지의 성능이 향상되는 방법을 제안한다.