Nowadays, due to development of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), it is possible to realize micro system such as MAV, micro robot, etc. Even though these micro systems become smaller and smaller in the aspect of size, these systems have to accomplish their missions or works precisely and punctiliously rather than conventional mechanical systems. However, efficiency of these systems is limited by its power system. Using recently the most efficient batteries, it is difficult to supply sufficient energy to these micro systems. Thus, recently, the researches to use hydro-carbon fuel which has high power density are investigated as an alternative candidate of existing batteries.
In this thesis, the micro catalytic combustor, which is made of silicon wafer and Pyrex glass using MEMS technology, is developed. This micro combustor uses a catalytic combustion rather than gas phase combustion because gas phase combustion has many defects to be employed in micro combustion such as high heat loss and quenching of flame. Thus, micro combustor using catalytic reaction is developed to make power sources or heat sources for micro reformer and micro reactor.
First of all, porous silicon is fabricated using p-type (100) silicon wafer by electro-chemical etching for substrate of catalyst. Mixed solution of dimethylformamide (DMF), hydrofluoric acid (HF) and water is used for electro-chemical etching. Through the conditions of 6.2mA/㎠ of current density, 92% of DMF + 4% of HF + 4% of water in volume ratio and 3 hours etching, porous silicon which is 1~2㎛ of average diameter and 30㎛ of average depth is fabricated.
Secondly, to apply this fabricated porous silicon to catalyst substrate, platinum is coated on the internal surface of porous silicon by employing modified incipient wetness method. By this method, 1.12mg/$cm^2$ of platinum is loaded on the porous silicon. To validate the attachment of platinum catalyst to substrate of porous silicon, SEM (Scanning Electron Microscope) and EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis are employed. Through these analyses, coating of platinum on the internal surface of pores is investigated.
Thirdly, to investigate the possibility of application of porous silicon with coated platinum to catalytic combustion, catalytic combustion experiment is executed. For this experiment, SUS reactor is fabricated and fabricated porous silicon with platinum is inserted into the SUS reactor. To validate efficiency of catalytic combustion, conversion rate is measured by employing GC (Gas Chromatography). Likewise, the temperature of micro chamber is measured by thermo-couple. Equivalent ratio and volume flow rate are chosen as variables of catalytic combustion experiment. The amount of platinum is about 10 wt% to mass of porous silicon.
Fourthly, expectation of characteristics of catalytic combustion upon platinum coated porous silicon is executed by using Chemkin and Fluent. Using Chemkin, the reaction rate for specific surface temperature is estimated. And then, the activation energy and pre-exponential factor is also calculated for specific surface temperature. Moreover, the catalytic reaction rate inside pore is simulated by using concepts of Thiele modulus and effectiveness factor. Then, the activation energy and pre-exponential factor which include the pore effects are estimated and are used as input data of Fluent. Finally, through these procedures, the catalytic combustion upon the surface of platinum coated porous silicon is simulated and the estimated results are compared to experimental result.
Developing micro catalytic combustor and evaluating the performances of micro catalytic combustor are the ultimate objectives of this thesis. For this goal, the silicon micro catalytic combustor is fabricated by using MEMS fabrication techniques. First of all, micro channel which is 20 mm (L) X 4 mm (W) X 0.2 mm (H) is fabricated on the surface of silicon wafer through Deep-RIE (Reactive Ion Etching) and porous silicon is formed inside this micro channel by electro-chemical etching. And then, platinum catalyst is coated inside pore of porous silicon. Then, the rid of combustor which is Pyrex glass is attached to body of silicon combustor by using glass frit paste. After developing the micro catalytic combustor, to evaluate the performance of this fabricated combustor, hydrogen conversion rate and temperature of combustion chamber are measured. Hydrogen conversion rate is measured by using GC and temperature is measured by using thermo-couple.
Through this research, the micro catalytic combustor that platinum is coated in porous silicon which is catalyst substrate is developed with MEMS fabrication techniques. And the performance of this combustor is evaluated. It is expected that this micro catalytic combustor can be applied to many micro systems as the main micro power sources.
최근 미세기전가공기술의 발달로 인해 무인 비행체(MAV), 소형 로보트 등과 같은 소형 시스템의 구현이 가능하게 되었다. 이와 같은 소형 시스템의 특징은 크기는 점점 작아 졌지만, 이들이 수행하는 임무들은 기존의 기계장치들이 수행했던 임무들과 비교하여 보다 정밀하고 정확해 졌다. 하지만 이와 같은 소형 시스템의 동작에 있어서 이들 시스템을 구동시키는 동력장치의 부재가 문제로 제기되었다. 미세기전가공 기술을 통해서 시스템의 크기는 작아졌지만 베터리 같은 기존의 동력장치는 시스템의 소형화 추세를 따라가지 못하였다. 따라서 최근에는 에너지 밀도가 높은 탄화수소계열의 연료를 사용하여 동력장치를 개발하는 연구가 많이 진행되고 있다.
본 논문에서는 실리콘 웨이퍼, 파이렉스 글래스를 재료로 사용하고 미세기전 가공기술을 사용하고 촉매 연소기술을 적용한 소형 촉매연소기를 제작하였다. 이는 화염연소는 과도한 열손실과 소염의 문제 때문에 마이크로 사이즈에서의 연소 기술로 적합하지 않기 때문이다. 이 연소기는 연소기 자체로 동력장치로의 사용이 가능할 뿐만 아니라 마이크로 개질기나 반응기의 열원으로서도 사용이 가능하다.
먼저 p-type의 (100) 실리콘 웨이퍼를 Dimethylformamide (DMF), hydrofluoric acid (HF) 와 물의 혼합액에 담근 다음 전기화학적 식각을 통하여 다공성 실리콘을 제작하였다. 6.2mA/㎠의 전류밀도와 92% of DMF + 4% of HF + 4% water 혼합 수용액, 그리고 3시간의 식각을 통하여 평균 세공지름 1~2㎛와 30㎛의 평균 깊이를 갖는 다공성 실리콘을 제작하였다.
그리고 이렇게 제작된 다공성 실리콘의 내부 벽면에 백금 촉매를 담지 하였다. 담지된 백금 촉매는 촉매연소 시에 활성점으로 작용한다. 촉매를 담지하기 위해서 기존의 단순침적법을 변형한 방법을 사용하였다. 이 방법을 통하여 1.12mg/㎠ 의 백금 촉매를 다공성 실리콘 내부 벽면에 코팅하였다. 촉매 담지의 성능을 평가하기 위하여, SEM (Scanning Electron Microscope) 과 EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 분석법을 이용하였다. 이 두가지 분석을 통하여 다공성 실리콘 내부 벽면에 백금촉매의 담지정도를 평가하였다.
세번째로 이렇게 백금 촉매가 담지된 다공성 실리콘을 가지고 촉매 연소실험을 수행하였다. 이 실험은 백금이 담지된 다공성 실리콘이 촉매 지지체로서의 역할을 수행 할 수 있는가와, 촉매 연소 반응에서 좋은 효율을 보이는 지를 평가하기 위해 수행 되었다. 이 실험을 하기 위하여 SUS 반응기를 제작하였다. 백금 촉매가 담지된 다공성 실리콘의 조각을 SUS 반응기 내부에 삽입하고 연료와 산화제를 주입하여 반응을 유도하였다. 이 반응의 효율을 평가하기 위하여 전환율을 GC (Gas Chromatography)로 분석 및 측정하였다. 또한, 마이크로 염소챔버 내의 온도를 열전대를 이용하여 측정하였다. 이 실험에서는 당량비와 유량을 변수로 선정하였으며, 백금촉매의 양은 다공성 실리콘의 질량의 약 10wt%로 하였다.
네번째로, 마이크로 연소챔버 내에서의 촉매연소를 모사하기 위하여 화학반응모사프로그램인 Chemkin과 유체해석프로그램인 Fluent를 사용하여 마이크로 연소기의 성능예측을 수행하였다. 먼저 Chemkin을 사용하여 특정 표면온도에서의 Reaction rate을 계산한 후, Activation energy와 Pre-exponential factor를 구하였다. 또한 Thiele modulus 와 Effectiveness factor의 개념을 사용하여 다공질 지지체 내에서의 촉매 반응 현상을 모사하였고 이렇게 다공질의 효과가 반영된 Activation energy와 Pre-exponential factor의 값을 Fluent에 입력 함으로서 백금촉매가 담지된 다공성 실리콘표면에서의 촉매 연소 현상을 모사하고, 실제 연소 실험에서 측정한 수소 전환률의 값과 계산으로 구해진 수소 전환률을 비교하여 보았다.
마지막으로, 백금 촉매가 담지된 다공성 실리콘을 사용하여 실제 마이크로 연소기를 제작하고 촉매 연소 실험을 수행하여 제작된 마이크로 연소기의 성능을 평가하였다. 마이크로 연소기의 제작 과정은 실리콘웨이퍼에 Deep RIE 기술을 사용하여 깊이 200 마이크로미터의 채널을 형성하고, 이곳에 전기화학적 식각을 이용하여 다공성 실리콘을 형성하였다. 그 후, 단순침적법을 응용하여 백금촉매를 담지한 다음, 파이렉스 유리로 된 덮개를 Glass frit paste을 사용하여 채널에 백금촉매가 담지된 실리콘 웨이퍼에 접합하였다. 그리고 제작된 연소기의 성능평가를 위해 GC와 열전대를 사용하여 수소 전환률과 연소기 외부 온도를 측정하였다.
이상의 연구에서 MEMS 제작 기술을 이용하여 다공성 실리콘 지지체에 백금 촉매가 담지된 초소형 연소기를 제작하였으며, 이 연소기의 성능 평가를 수행하였다. 이렇게 개발된 초소형 연소기는 마이크로 동력장치의 핵심부분으로 많은 마이크로 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
