SU-8 포토리소그래피를 이용한 종이기반 마이크로유체 연료전지 기반기술 연구

Abstract

최근 사용량이 급격하게 증가한 스마트폰, 노트북, 웨어러블 디바이스 등의 휴대용 전지기기 등의 고성능화로 인해, 리튬이온 베터리와 같이 긴 시간 동안 사용되어온 전력원에서 벗어난 새로운 전력원의 필요성이 제시되어 왔다. 소비자의 요구에 맞추기 위해 휴대용 전자기기는 소형화 되고 고성능화 및 다기능화 됨으로서 전력소모량이 급증 하였다. 이를 충족시키기 위해 새로운 저비용, 고효율의 휴대성 있는 전력원으로 마이크로 유체 연료전지의 연구가 활발히 진행되어왔다. 그 중 하나의 성과는 양성자 교환막의 필요성을 제거한 membraneless 설계에 있다. 기존의 양성자 교환막 연료전지는 활성화 온도 유지, 교환막의 수화상태 유지, 교환막 변형문제, 제작 공정의 복잡성, 소형화의 어려움 등의 문제점을 가지고 있었다. 하지만 마이크로 유체 연료전지는 유체 연료 및 산화제의 흐름으로 형성되는 확산 영역이 기존 양성자 교환막의 역할을 대신하기 때문에 기존 양성자 교환막 연료전지의 단점들을 극복할 수 있었다. 이 성과를 통해 연료전지 디바이스를 더욱 단순하고 작게 만들 수 있게 되었다. 그러나 마이크로 유체 연료전지는 여전히 연료와 산화제의 공급을 유지하고 부산물을 배출하기 위한 외부펌프와 배출시스템이 필요하였고, 이로 인해 연료전지 디바이스 전체의 크기를 간접적으로 증가시켰다. 따라서 외부 펌핑 시스템의 대안으로 self-pumping 또는 passive pumping에 대한 연구가 활발하게 진행 되어 왔다. 본 연구에서는 유체 연료전지의 소형화의 장애 요소인 외부펌프와 배출 시스템의 단점을 극복 할 수 있는 방안으로 종이의 모세관 작용으로 유체의 self-pumping이 가능한 더욱 소형화된 종이기반 유체 연료전지를 개발하였다. 종이기반 마이크로 유체 연료전지는 종이 섬유 및 기공을 통한 모세관 작용으로 인해 유체의 운반이 지속될 수 있는 다양한 응용분야가 연구자들에 의해 광범위하게 조사되었다. 유체의 유속이 매우 낮으므로 syringe pump 기반 유체 연료전지 와는 달리 주어진 소량의 유체를 장시간에 걸쳐 전달할 수 있습니다. 종이의 사용방법에 따라서 마이크로 연료전지의 전력 발전 용량은 장시간 동안 적은 양의 연료 소비로 인한 일정한 층류 흐름으로 크게 향상될 수 있습니다. 전극의 특성은 마이크로 연료전지의 비용과 부피를 줄일 수 있는 중요한 요소로써 많은 연구자들이 나노 물질이 코팅되거나 다공성 구조를 내장한 전극을 제작하였습니다. 이러한 연구는 경제적이지 못한 비용의 전극 물질이 필요하거나 제작 과정이 매우 복잡한 단점을 가지고 있었습니다. 최근에 연구자들은 종이기반 마이크로 유체 디바이스에 연필로 스케치한 저렴한 전극을 사용하였습니다. 또한, 저비용으로 제작이 쉬운 전극을 동시에 고려한 마이크로 연료전지에 관한 연구도 보고 되어있습니다. 장시간 전력을 발생 시키기 위해 Hb-pencil graphite를 다공성 전극으로 사용하여 self-pumping과 air-breathing으로 작동하는 종이기반 유체 연료전지입니다. 하지만 연료전지 전체가 종이로만 구성되어 있어 연료의 유출을 막을 수 없고 소형 디바이스에 집적하기 어려우며 연료전지의 스택 시스템(stack system)을 할 수 없다는 단점을 가지고 있습니다. 본 연구에서는 종이의 모세관 작용을 이용한 연료-산화제의 self-pumping과 포름산 (HCOOH, formic acid)을 연료료 하고 전해질로는 황산(H2SO4, sulfuric acid)을 사용하여 산화제 대신 대기중의 산소(O2)를 공급하여 작동하는 air-breathing방식을 통합한 종이기반 연료전지를 개발 하였다. 또한, SU-8 photolithography를 이용하여 연료전지를 규격화로 소형 전자 디바이스에 집적 가능하게 하였고 유로의 한쪽 면을 밀봉하여 연료-산화제의 유출 문제를 해결한 종이기반 유체 연료전지를 개발 하였습니다. 또한 pencil의 반복된 stroke로 제작한 다공성 graphite 전극을 비교, 분석하여 최적의 전극 조건과 성능을 검증하였습니다.