후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 대한 설명에 앞서, 본 발명의 설명을 위해 필요한 양극 산화에 대해 간단히 소개하기로 한다.

양극 산화

양극 산화라는 것은 양극 반응시 일어나는 산화 현상으로서, 이를 이용하면, 전해 반응을 이용하여 금속 표면에 형성되는 산화물이나 질화물의 피막을 성장시키는 공정을 수행할 수 있다.

이러한 양극 산화 시에는 금속 표면의 미시적인 형태 변화, 또는 결정 구조의 변화가 일어날 수 있는데, 양극 산화의 일례를 설명하면 다음과 같다.

산성 전해액을 통해 직류 전류를 흘리면 음극 금속에서는 수소가 발생하고 양극 금속(알루미늄(Al) 합금, 티타늄(Ti), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb) 등의 금속)에서는 산소가 형성되게 되는데 형성된 산소는 양극 금속과 반응하면서 금속 산화물 피막을 형성시킨다. 이 과정에서 산성 전해액은 생성된 산화물 피막을 미세하게 용해시키게 되는데, 이 때 용해 속도와 상기 산화물 피막의 형성 속도가 균형을 이루게 되면, 상기 양극 금속 표면에 10~150 nm 의 직경을 갖는 균일한 기공이 형성되게 된다.

이러한 기공이 생기게 되면, 산성 전해액과 전류가 산화물 피막의 하부에 존재하는 금속 기질과 접촉할 수 있게 되며, 그 결과 자발적인 금속의 산화 반응에 의해 형성되는 산화물 피막보다 월등히 두꺼운 피막이 형성될 수 있게 된다.

이러한 과정을 거쳐 형성되는 피막은 그 공정 조건에 따라 여러가지 물성을 지니는데 낮은 농도의 전해액과 높은 크기의 전류 또는 전압을 이용할수록 두꺼운 피막이 형성되게 된다.

이렇게 형성되는 산화물 피막은 0.5~150 ㎛ 범위에서 다양한 두께를 가진다. 한편, 이러한 산화물 피막은 내부식성과 내마찰성이 높고 표면에 규칙적인 세공이 형성되어 있어 염료 등 용액이 침투가 가능하므로 다양한 용도로 사용될 수 있다.

현재, 가장 널리 알려진 양극 산화 공정 규격은 MIL-A-8625 규격이며, 이에 의하면 양극 산화 공정은 세 가지의 알루미늄 양극 산화 공정으로 분류된다. 이 세가지 방식은 각각 양극 산화 공정, 황산 양극 산화 공정 및 황산 경질 양극 산화 공정이며, 각 공정에 의해 생성되는 피막의 물리적, 화학적 특성은 상이하다.

무기 이온 전도막

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 전도막으로서, 상기 설명한 양극 산화 공정을 이용하여 제조되는 연료 전지용 무기 이온 전도막에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무기 이온 전도막의 제조 과정에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 무기 이온 전도막은 전도성 금속을 이용하여 제조된다. 전도성 금속이라면 본 발명의 무기 이온 전도막의 기초 물질로서 이용될 수 있는데, 이하에서는 설명의 편의를 위해 전도성 금속이 알루미늄인 것으로 예시하여 설명하기로 한다.

먼저, 속이 빈 원기둥 형태의 알루미늄 관(110)을 준비하고, 준비된 알루미늄 관의 내부와 외부를 탈지한다. 탈지 방법으로는 통상의 방법을 이용할 수 있으며, 일례로서, 산 용액을 이용한 탈지법이 이용될 수 있다.

그 후, 탈지한 알루미늄 관(110)을 에칭하여 알루미늄에 함유된 금속 산화물들을 제거한다. 이를 위해 상기 에칭으로는 알루미늄 관(110)을 염기성 용액에 노출시키는 염기 에칭법이 이용될 수 있다. 한편, 상기 알루미늄 관(110)을 약산성 용액으로 디스머트하여 불용성 물질 또한 제거해낸다.

이렇게 하여, 산화물 및 불용성 물질 등이 제거된 알루미늄 관(110)이 얻어졌다면, 알루미늄 관(110)의 중심에는, 알루미늄 선(130) 또는 알루미늄 철사를 배치하여 음극 전류를 인가하고, 알루미늄 관(110)에는 양극 전류를 인가하여, 전술한 양극 산화 반응이 발생할 수 있도록 한다.

도면에서는 알루미늄이 관(110) 형태로 이루어지고 그 내부에 음극 전류가 인가되는 알루미늄 선(130)이 배치되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 알루미늄이 판 형태로 이루어질 수도 있다. 즉, 알루미늄 판에 양극 전류가 인가되고, 알루미늄 판과 소정 거리 이격되어 배치되는 알루미늄 선에 음극 전류가 인가될 수도 있다.

양극 산화 반응을 위해, 알루미늄 관(110)의 내부에 산성 전해액을 순환시킨다. 산성 전해액으로는 저온의 황산 용액을 사용하는 것이 바람직하다.

이렇게 산성 전해액을 순환시키게 되면, 음극 전류가 인가된 알루미늄 선(130) 주위에서는 수소가 발생하고, 양극 전류가 인가된 알루미늄 관(110)에서는 산소가 발생하게 되는데, 이러한 산소가 상기 알루미늄 관(110)과 반응함으로써 알루미늄 관의 내벽에는 산화 알루미늄인 알루미나가 서서히 적층되게 되고, 이는 알루미나 피막으로서 형성된다.

이 때, 전술한 양극 산화의 원리에서와 같이, 산성 전해액이 상기 알루미나 피막을 미세하게 용해시키게 되는데, 이러한 용해 속도와 알루미나 피막의 성장 속도가 균형을 이루게 되면, 알루미나 피막에 기공들이 형성될 수 있다. 이 기공은 10~150㎛ 의 직경을 갖는 균일한 기공일 수 있다.

이러한 과정, 즉, 양극 산화의 원리를 통해 균일한 기공이 형성된 두꺼운 알루미나 피막이 알루미늄 관(110) 내벽에 형성되게 된다. 피막의 두께는 전술한 바와 같이, 약 0.1~500㎛ 정도일 수 있다.

만족할만한 수준의 두께의 알루미나 피막이 얻어지면, 남아있는 알루미늄 관(110)을 제거한다. 알루미늄 관(110)의 제거는 에칭법에 의해 이루어질 수 있다.

한편, 형성된 알루미나 피막의 기계적 강도를 유지시키는 기능과 함께, 집전체로서 사용하기 위해 일부분의 알루미늄 관(110)은 남겨놓을 수도 있다.

이렇게 함으로써, 다공질의 알루미늄 피막, 즉, 무기 이온 전도막이 형성되는 것이다.

이렇게 형성된 다공질의 무기막은 종래 기술에서와 같이 배기 가스 정화 등 기체 반응에 이용될 수도 있으며, 태양 전지에서의 광 흡수층 또는 전자 수용체로서 이용될 수도 있다.

태양 전지는 흡수된 태양 광이 태양 전지에 포함되는 전자 수용층(p형 층)에 도달됨으로써 발생하는 자유 전자가 n형 층 쪽으로 계속적으로 끌려감에 따라 전기 에너지가 발생되는 방식으로 동작하게 된다. 따라서, 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있는 대표적인 방법으로서는 태양 전지로 입사되는 광의 흡수율을 향상시키는 방법과 흡수된 태양 광을 이용하여 많은 자유 전자를 발생시키는 방법이 있다.

본 발명에 따른 다공질의 무기막을 태양 전지에 적용시키면 광 흡수율을 증가시킬 수 있음과 동시에 자유 전자의 발생이 촉진되어 전지 효율이 향상될 수 있게 된다.

즉, 다공질 특성으로 인해 입사되는 광의 난반사가 촉진되고 이에 따라 태양광의 흡수율이 증가될 수 있게 된다. 또한, 무기막의 기초 물질을 광감흥성 높은 물질로 하게 되면, 태양광 흡수에 따른 자유 전자 발생이 촉진되게 되어 전지 효율 향상에 기여하게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무기막을 태양 전지에 적용시키면 태양광의 흡수율을 향상시키기 위한 별도의 구성요소 등의 필요 없이도 높은 광 흡수율 및 전지 효율의 향상을 꾀할 수 있게 된다.

무기 이온 전도막을 이용한 연료 전지

이하에서는, 도 3을 참조하여, 상기 설명한 방법에 따라 얻어진 무기 이온 전도막을 이용하여 연료 전지를 제조하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 상기 알루미나 피막으로 형성된 무기 이온 전도막(210)의 내벽과 외벽에 수소 해리 반응에 활성을 가지고 있는 귀금속 계열의 촉매 모액을 담지시켜 촉매층(230)을 형성시킨다. 이 때, 무기 이온 전도막(210)의 내벽에는 백금과 루테늄의 혼합물 용액 등의 촉매 모액을 담지시키고, 외벽에는 백금 용액 등의 촉매 모액을 담지시킨다.

본 발명의 다른 실시예로서 알루미늄 관 대신 알루미늄 판을 이용하는 경우, 즉, 알루미나 피막이 판 형태로 형성되는 경우에 있어서는, 무기 이온 전도막의 양면에 귀금속 계열의 촉매 모액을 담지시킴으로써 촉매층을 형성시킬 수 있다.

그 후, 이를 공기 흐름 하에서 450℃로 12시간 동안 소성시켜 결정 구조를 성장시킨다.

촉매층(230)을 형성한 후에는, 촉매층(230)에 술폰기를 포함하는 유기 용액을 접촉시킨다. 이는, 알루미나 피막인 무기 이온 전도막(210)의 내부 기공에 수소 이온의 전도를 가능하게 하는 술폰기를 정착시키기 위함이다.

마지막으로, 무기 이온 전도막(210) 및 촉매층(230)을 포함하는 구조체(200)의 외벽에 양극 단자를 형성시키고, 내벽에 음극 단자를 형성시킨 후, 내부에는 수소 또는 메탄올 등의 탄화수소를 통과시키고, 외부는 공기 또는 산소에 노출시켜 연료 전지를 완성한다.

이렇게 제조된 연료 전지는, 고분자 재질이 아닌 무기 이온 전도막을 사용함으로써, 온도의 제한 없이 고온에서도 동작시킬 수 있고, 이에 따라 고온에서 얻을 수 있는 여러가지 이점을 얻을 수 있으며, 그 성능을 극대화할 수 있다.

또한, 온도가 변화하더라도 이온 전달 경로인 기공의 크기가 변하지 않기 때문에, 연료의 누출 등이 없는 안정화된 연료 전지를 얻을 수 있다.

한편, 고분자 재질이 아닌 무기 이온 전도막을 이용하므로, 물리적 충격에 강하고, 그 활성도가 높은 연료 전지를 얻을 수도 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.