Thermochemical process especially focused on micro combustion and catalytic reaction is measured and analyzed for the development of device for micro power generation. Thermochemical processes that release heat by chemical reaction can be sorted into three parts, gas phase combustion, gas and/or liquid phase catalytic reaction and liquid phase enzyme reaction, by the scale of the devices where the process takes place. In this thesis scale down issues in development of micro combustion device and micro catalytic reacting device is introduced.
The first part covers the following sub topics. Combustion phenomena in down scaled combustor or analysis of heat loss characteristic and prediction of following quenching of the flame that is carried both experimentally and theoretically. With theses, fabrication technology for development of micro combustion development by MEMS process is introduced.
Pressure change within closed vessel combustor by the change in combustor scale that ranges from few millimeters to quenching distance is measured. With this diagnostic data, based on energy conservation in conventional closed vessel analysis model, modified model that quantifies heat loss characteristic is proposed. With the model, prediction of quenching in enhanced heat loss condition and estimation of available work that can be obtained by combustion process is made possible. The result provides design and analysis tool for micro combustion device. With the information obtained, MEMS engine is designed and fabrication process is established. The process is based on anisotropic etching of photosensitive glass and electroplating process of Ni layer. Micro electrode is also fabricated and test on performance is carried. In combustion test of MEMS fabricated combustion device, combustion and combustion induced motion of piston is observed.
The second part covers the following contents. Synthesis of catalyst for two-phase catalytic reaction, micro patterning of nano-particulate catalyst, millimeter scale reactor experiment and analysis model for the prediction of performance of the reactor.
Nano-particulate perovskite $La_{0.8}Sr_{0.2}CoO_3$ is prepared by modified sol-gel mothod in which PAA(Poly Acrylic Acid) is added. PAA controls particle size and enhances condensation of metal ions. Technology for coating and micro scale patterning of nano-particulate catalyst is developed and introduced. Surface treatment of target wafer and proper mixture condition of gel sate mixture ensures chemical bonding of catalyst in glass substrate. With the bonding technology, by lift off process of metal sacrificial layer micro scale pattering of catalyst is obtained. The technology provides basement of micro-nano scale reactor development. With the prepared catalyst, millimeter scale reactor experiment is carried. With the obtained diagnostic data on temperature distribution and production rate, analysis model for two-phase catalytic reaction based on lumped flow reactor model is proposed. With the semi-empirical process of analysis, temperature distribution, heat and mass transfer characteristics are investigated.
With the obtained result, tool for the design and analysis of a micro scale combustion device and a micro scaled catalytic reacting device is obtained. Applications of the technology can be listed as device for micro scale actuator, thermoelectric power generation, micro thruster fro micro satellite and many others.
초소형 동력장치 개발의 기반기술이 되는 열화학 반응에 대한 측정과 해석이 수행되었다. 이를 위해 기상의 연료에 대한 연소현상과 기상과 액상이 공존하는 반응물에 대한 촉매반응에 대한 실험과 이론적 해석 모델을 개발하였다. 일반적으로 열화학 반응에 의해 열에너지를 얻을 수 있는 방법은 장치의 크기에 따라 기상연료의 연소반응을 이용한 연소기, 기상 혹은 액상의 반응물의 촉매화학반응을 이용하는 촉매반응기 그리고 액상의 바이오매스의 효소 반응을 이용한 생반응기 등으로 분류될 수 있다. 본 연구에서는 초소형 동력원을 개발하기 위한 기반기술로 마이크로 연소기와 마이크로 촉매 반응기에서 발생하는 열화학 반응에 실험적 및 이론적 연구를 수행하고 장치 개발을 위한 요소 기술을 개발하였다.
연구의 전반부는 마이크로 연소기를 개발하기 위한 실험적 이론적 연구로 구성되어 있다. 이를 위해 0.61mm 에서 3mm 까지 높이 변화가 가능한 초소형 정적 연소기를 제작하여 당량비 1인 수소/공기 예혼합 기체의 연소현상으로부터 연소기의 형상 축소가 가져오는 효과에 대한 실험적 관찰을 수행하였다. 실험은 연소기내 압력변화와 화염전파의 가시화를 통해 수행되어졌으며 얻어진 결과는 열손실 해석 및 소염 예측을 위한 이론적 모델의 입력 값으로 사용된다. 이론적 모델은 초소형 연소기 특성을 나타낼 수 있도록 에너지 보존 식에 기초한 기존의 정적 연소기 해석 모델에 열손실 효과를 넣어서 수립되었다. 이를 통해 연소기 높이 변화에 따른 열손실의 정량적 관계식을 얻을 수 있었고 이 과정에서 각 실험조건에 따른 소염을 예측할 수 있었다. 소염으로 인한 불완전 연소결과를 이용해 연소기에서 반응을 통해 방출된 열 에너지의 값을 예측하고 연소기의 성능을 평가할 수 있었다. 1.8mJ 정도의 점화 에너지 입력을 고려할 때 수백 에서 수천 mJ 의 반응열을 얻을 수 있었고 mm 스케일의 연소기를 제작 운용할 수 있는 가능성을 확인하고 실제 장치를 제작하기 위한 설계 및 해석 방법을 얻을 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 MEMS 공정을 이용한 마이크로 엔진을 제작하기 위한 제작 기술을 확립하였다. 자외선 노광에 의해 비등방 식각이 가능해지는 감광유리(Photosensitive glass) 를 기판으로 식각과 두꺼운 PR 몰드를 이용한 Ni 전기도금을 통해 연소기 점화를 위한 전극과 엔진 구조물을 제작하였으며 1mm 스케일의 연소기에서 점화와 화염 전파를 통해 피스톤 구조물이 이동하는 것을 확인하였다.
연구의 후반부는 마이크로 스케일에서의 촉매 반응기를 개발하기 위한 기반기술로 촉매의 합성 및 기판에의 마이크로 패터닝을 통한 부착, 제작된 촉매를 이용한 mm 스케일 반응기 실험 및 이상 촉매 반응을 해석하기 위한 이론 해석 모델을 수행하였다. 마이크로 스케일에서의 촉매 반응은 대다수가 이상 유동의 형태로 존재하게 되므로 이상촉매 반응을 이해하고 해석하기 위한 연구 방법론을 수립하였다. 이를 위해 열특성이 좋고 산소가 연계된 산화 환원 반응에서의 촉매적 특성이 우수한 페롭스카이트(Perovskite) 계열의 $La_{0.8}Sr_{0.2}CoO_3$ 를 촉매로 선택하여 PAA (Poly Acrylic Acie) 를 이용한 개선된 졸-겔 법을 통해 합성하였다. 촉매를 합성하는 과정에서 유리 기판에 촉매를 원하는 패턴으로 부착하기 위해 금속 희생층을 이용한 패터닝을 기술을 개발하였고 마이크로 미터 해상도로 촉매 패턴을 형성할 수 있었다. 반응기 실험은 25mm 10mm 2mm 공간의 반응기에 수 마이크로에서 수백 마이크로미터 크기로 분쇄된 촉매를 채우고 과산화 수소를 공급하여 분해반응을 관찰하였다. 반응기 내에 삽입된 열전대를 통해 반응기내 온도 분포 및 기상, 액상 생성물의 총량을 측정하였다. 이러한 실험결과를 토대로 질량과 에너지의 균형식에 바탕한 지배방정식을 수립하여 이상 촉매 반응을 해석하였다. 이론 모델은 럼프 유동 모델(lumped flow model) 을 바탕으로 액상의 촉매 분해반응을 액상에서 기상으로의 전환 및 연속된 기상 반응물의 촉매 반응으로 가정하여 제작되었다. 이론 모델의 결과로 반응기 내의 온도 분포, 열손실을 포함한 열전달 특성 및 반응으로 인한 반응물 생성물 분포에 대한 특성을 해석하고 예측할 수 있게 되었다.
이상의 연구를 통해 초소형 동력원 개발을 위한 기반기술로서 기상 연소 반응 및 이상 촉매 반응에 기반한 장치 개발을 위한 설계 및 해석 기술을 얻을 수가 있었으며 추가적인 연구를 통해 마이크로 스케일의 전력 및 동력 생산을 위한 장치 개발이 가능해 지게 되었다.
