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연료전지 ppt 세미나 발표용

연료전지학과 : 재료전공 학번 : 20020342 이름 : 김 종 원목 차연료 전지란?실험목적실험결과실험과정I.II.III.IV.연료전지란?H2 → 2H+ + 2e-AnodeH2 →Poton exchange membrane1/2O2 + 2H+ + 2e-→ H2OCathodeH2O연료전지란?개념 : 연료전지는 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 미래의 환경친화적 신 에너지anode : H2(g) + 2OH-(aq)  2H2O(l) + 2e- cathode : 1/2O2 (g) + H2O(l) + 2e-  2OH- (aq)연료전지란?Fuel Cell은 연료에 포함되어 있는 수소, 공기 중의 산소와의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 장치연료전지의 종류와 특징연료전지는 내부 전해질에 의하여 다음 표와 같은 형태로 구분되 어지며 전해질이 고체와 액체인 경우를 각각 건식과 습식 연료전 지로 구분되어진다. 작동원리는 같지만 연료의 종류, 운전 온 도, 촉매와 전해질에 따라 구분한다.연료 전지 형태전 해 질촉 매운전 온도발전온도주연료기술수준적용대상건식 연료 전지고분자 전해질형 (PEMFC)나피온 Dow 폴리머platinum on carbon85-100℃600-700℃천연가스 석탄가스개발단계복합발전 열병합발전고체 산화물형 (SOFC)Yttria-stabilized zirconia (고체산화물)니켈/ Zirconia cermet1000℃상온- 100℃수소사용중특수목적습식 연료 전지직접메탄올 (DMFC)Polymer MembranePt-Ru or Pt/C25 - 130℃25 - 130℃25 - 130℃25 - 130℃25 - 130℃인산형 (PAFC)인산 (액체)platinum on PTFE/carbon200℃상온-100℃수소 메탄올개발 및 실증단계소형전원 자동차알칼리형 (AFC)수산화칼륨 (액체)platinum on carbon80℃150-200℃천연가스 메탄올상용화단계분산전원용융 탄산염형 (MCFC)용융탄산염 (Li2CO3-K2CO3)니켈 또는 니켈 화합물650℃700-1000℃천연가스 석탄가스개발단계복합발전 열병합발전고분자전해질형 연료전지 전해질이 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용. 고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능 현재 몇 개의 시범용 고분자전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증연료전지의 종류와 특징연료전지의 종류와 특징고체산화물형 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다 운전 온도 1000℃에서 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다.연료전지의 종류와 특징인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell(PAFC)) 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 비교적 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존 인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로써 필요한 수명을 가진 유일한 물질 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원등연료전지의 종류와 특징알칼리형 연료전지 (Alkaline Fuel Cell(AFC)) 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리를 사용 연료로서 순수 수소를 쓰며, 산화제로써는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃이다. 수소의 저장과 이산화탄소의 경제적인 제거가 상업화에 가장 중요한 요소연료전지의 종류와 특징용융탄산염형 연료전지 (Moltan Carbonate Fuel Cell(MCFC)) 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다.연료전지의 종류와 특징직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)) 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨 것이다. 작동 온도는 150℃로 비교적 저온 저출력 밀도, 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자 막을 통과하는 것) 등의 단점이 있다실험목적PEMFC에서 MEA 양쪽에 붙어 있는 HTTS를 코팅한 Carbon paper의 물리적 변화측정□ 실험목적□ Carbon paper의 특징고온에서 소결되어 다소 단단한 구조전기전도도가 뛰어남수분관리의 개선을 통하여 높은 동력성능 구현다공질Gas Diffusion layerGas Diffusion layer□ GDL의 특징 및 역할◆특징 및 역할-반응 가스가 전극/촉매판의 전체면에서 촉매와 효과적으로 반응이 촉진되도록 고루 확산시키는 역할-Cathod에서 물이 가스확산통로를 막지 않도록 함-산소의 확산 향상Gas Diffusion layerMEA옆에 양쪽으로 붙어있는 것이 Gas diffusion Layer 이다H2H2OO2MEAGDLGDL2-Propanol50wt% HTTS solution5 minuncoated carbon paper10 hr0.1M H2SO4 aqueous solutionHTTS-coated carbon paper24 hrHTTS-coated carbon paperHeating temp. : 300℃30 min(50wt%)HTTS Solution(50wt%)실험방법실험결과Uncoated carbon paperPTFE-coated carbon paperHTTS-coated carbon paper실험결과Uncoated carbon paperPTFE-coated carbon paperHTTS-coated carbon paperflaking offHTTS coated실험결과□ Water uptake실험결과□ Gas permeability실험결과□ Serface resistancePTFE-coated carbon paperHTTS-coated carbon paperResistivity (Ω㎝)uncoated carbon paperThe End감사합니다^^{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2008.06.21| 23페이지| 2,000원| 조회(1,648)

연료전지, fuel, SOFC, 수소전지, PEMFC

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epitaxy 공정

■ Epitaxy Technology1. Epitaxy Technology의 정의:- 기판 웨이퍼 위에 격자 상수가 동일한 단결정 층이 성장하는 것을 에피택셜 성장(Epitaxial growth)이라고 한다. 그리스어 "epitaxial" 이란 말은 "Epy(upon)", "taxy(ordered)" 즉 "arranged upon"에서 나온 말이다.Epitaxy는 기판과 성장 결정의 재료의 차이에 따라서, 성장되는 결정이 기판 결정과 같은 물질인 경우인 동동 에피택시(Homoepitaxy)와(결정격자 구조는 기판과 같으나 물질의 조성, 도핑형태나 도핑농도 등은 다르게 성장시킬 수 있다.) 결정들이 서로 유사한 격자 구조를 갖지만 다른 물질인 경우인 이종 에피택시(Heteroepitaxy)로 구분된다.- 성장 방법은 기상 에피택시(VPE : vapor phase epitaxy), 액상 에피택시(LPE : liguid phase epitaxy), 분자선 에피택시(MBE : molecular beam epitaxy) 등 3가지로 나눌 수 있다. 기상 에피택시(VPE : vapor phase epitaxy)는 주로 실리콘 에피층 성장에 사용되나 Ⅲ-Ⅴ 족 에피택시 성장에도 많이 사용된다. LPE는 Ⅲ-Ⅴ 족이나 Ⅱ-Ⅵ 족 등 화합물 반도체 에피택시 층 성장에 사용되며, 분자선 에피택시(MBE : molecular beam epitaxy)은 초고진공(10-11 torr 이하) 장치 내에서 원료 물질을 증발시켜 기판에 증착시키는 물리적 증착 기술 즉, PVD 기술의 하나이다.- 이러한 성장 방법들에 의해 Si과 GaAs를 포함하는 광범위한 반도체 박막 결정들이 키워지고 있다. 특히 화합물 반도체를 이용한 전자 및 광전자 소자의 구현에 있어 에피택시 공정은 필수적인 공정이라 하겠다.다음 Section부터 실리콘 에피택시와 갈륨비소 에피택시의 경우를 예로 들어, 위의 에피택시 성장법에 대해 기술 하고자 한다.2. 실리콘 에피택시( Silicon epitaxy): 실리콘 에피적당 포함된 실리콘 원자 수를이라 할때 다음과 같이 된다.반응 기체의 농도는 전체 기체의 단위 체적당 분자수에서 반응 기체의 몰 분율(mole fraction) Y를 곱한 것이므로의 관계식이 성립된다. 따라서가 된다. Fig 3은속에 몰 분율 Y= 0.005로포함되어 있는반응 기체를 주입할 때 온도에따른 에피층 성장률을 앞의 계산 식에 따라 계산한값(실선)과 실험 결과(점선)을 보여주고 있다.점선 : 실험치, 실선 : 계산치2.2 CVD 실리콘 에피층 성장의 화학반응실리콘 에피층을 형성시키는 반응 원료 기체는 아래의 4가지이다.(1)(silicon tetrachloride)(2)(trichlorosilane)(3)(dichlorosilane)(4)(silane)(2), (3)은를와 반응시킬 때 생성되어지는 중간 물질이기 때문에, 많이 사용하는 것은이다. 얇은 에피층이나 저온 에피성장을 위해서는나를 사용하기도 한다.-사용와가 실리콘 표면에서 화학반응을 일으켜 실리콘 에피층을 만들고 HCl은 기체로 배출된다. 모두가 가역 반응이므로 과다한가 공급되면 과다하게 생성된 HCl과 Si 반응에 의해 실리콘 웨이퍼의 식각(ehtching)이 발생할 수 있다.-사용는 HCl을 생성하지 않으므로 식각 작용이 나타나지 않고 가역반응이 일어나지 않는다. 장점은때보다 낮은 온도에서 에피층 형성이 가능한 것이다. HCl이 포함되지 않으므로 Fe나 Cu같은 금속 불순물 제거가 일어나지 않는 단점이 있다. 기체 상태에서 반응이 일어나게 되면, 반응로 벽면이나 웨이퍼 위에 가루 형태의 입자 불순물이 존재하여 에피층 성능 저하를 가져올 수 있다.2.3 선택적 에피성장(Selective epitaxial growth)에피택시 실리콘을 선태적으로 성장시키는 방법은 간혹 필요하게 된다. 선택적인 실리콘 에피택시란 실리콘 기판의 표면이 개방되어 있는 곳에는 단결정 실리콘이 성장되고 실리콘 산화막이나 다결정 실리콘과 같은 면에는 단결정 실리콘이 성장되지 않은 것을 뜻한다.만약 일반적인 에피성장 조건VD법에 비하여 다음의 장점들이 있다.(1) 저온 공정(2) 도핑의 정교한 조절로 복잡한 도핑 프로 파일 가능(3) 경계 층의 이동에 의한 반응 기체 흐름의 복잡성이 없다.(4) 화학 반응이 없다. Fig 5는 이와 같은 MBE를 이용한 에피택시 실리콘 성장 장치를 보여주고 있다. P, As, B 등은 조절하기에 너무 빠르거나 느리게 증발하기 때문에, 도핑시킬 물질로는 Ga(P-type)이나 Sb(n-type) 등을 사용한다. Fig 6은 온도에 따른 도핑 물질들의 플럭스를 보여주고 있다.3. 갈륨 비소 에피택시 (GaAs epitaxy)갈륨 비소는 고속 반도체 소자나 발광용 반도체 소자로 널리 사용되며, 이를 바탕으로 한 3원소 내지 4원소 화합물 반도체들이 최근에 그 용도를 더욱 다양하게 넓혀 가고 있어 갈륨 비소의 에피택시 성장 기술은 점차 중요성이 더하여 가고 있다.갈륨 비소의 에피택시 성장에 관한 4가지 방법 즉, 기상 에피택시(VPE : vapor phase epitaxy), 금속 유기물 화학 기상 증착(MOCVD : metal-organic chemical vapour deposition), 액상 에피택시(LPE : liguid phase epitaxy), 분자빔 에피택시(MBE : molecular beam epitaxy) 등에 관한 기본 원리는 다음과 같다.3.1 기상 에피택시(VPE)갈륨비소의 기상 에피택시 성장에 가장 흔히 사용되는 방법은 염화물의 이동에 의한 것으로써 할로겐화합물공정과 수소화합물공정으로 나눈다. 화학량론적으로 양질의 갈륨비소 성장을 위해서는 성장 온도가 650~850℃ 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 경계 영역의 높은 온도에서는 갈륨 결공(gallium vacancy)이 과다하게 나타나며, 반대로 낮은 온도 영역에서는 성장된 박막층이 다결정으로 되어진다. 갈륨 비소 에피층 성장에 있어서 반드시 유의하여야 할점은 기판이나 성장된 에피층으로부터의 비소 이탈을 방지해야 하는 것이며, 이를 위해서는 항상 충분한 비소의 증기압이 사용되어지고 있다. 전형적인 MOCVD 공정에서는 트리메틸갈륨(TMG :trimethyl gallium)이나 트리에틸갈륨(TEG : triethyl gallium) 등이 갈륨 원료로 사용되며가 비소로 원료로 사용된다. Fig 8 은 TMG를 사용한 MOCVD 공정 개략도를 보여 주고 있다. 바블러는 -10~0℃에서 유지되도록 하고, 수소 기체를 반송용 기체로 사용하여 TMG와를 반응로 속으로 유입시키면 갈륨비소 기판위에 에피층이 성장되어지며 이때의 화학 반응식은 아래와 같다.반응에 관한 구체적인 내용이 잘 열려져 있지 않으나,의 결합력이 매우 강하여 이런 결합 형태의 물질이 기판 위에 도달하고 동시에 AsH 형태의 비소 화합물이 도달하여 반응함으로써 일차적으로가 형성되고 난 뒤에, 그곳에서 메틸 기가 수소와 결합하여 메탄 기체로 방출됨과 동시에 갈륨 비소가 발생한다고 제안되고 있다.3.3 액상 에피택시(LPE)액상 에피택시 기술은 많은 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체의 에피층 성장에 있어서 가장 간단하면서도 광범위 하게 사용되는 결정 성장 방법이다. 기본적으로 LPE는 성장되어지는 물질로 포화 내지는 과포화 상태인 용액으로부터 단결정 기판 위에 에피택시 층을 성장시키는 것을 의미한다. 따라서, 기판은 결정 구조의 연속성을 위해서 성장되는 에피층과 비슷한 결정 구조와 격자 상수를 가져야 한다. 결정 성장을 위한 용액은 결정체의 주된 요소들 중 한 물질이 풍족한 상태여야 하고, 다른 모든 물질들은 회석된 상태이어야 한다. 즉, 갈륨 비소의 경우 비소로 포화 상태에 잇는 갈륨으로 풍족한 용액이 에피택시 층 성장을 위해 필요한 것이다. Fig 9와 같이 온도에서는 갈륨이 풍부한 갈륨 비소 용액이 존재하며, 이때 점 a에 해당하는의 비소 원자 분율을 함유하는 갈륨비소 액체와 고체 갈륨비소가 공존하기 시작한다. 온도를에서로 낮추면 갈륨비소 고체 성분의 양은 증가하고 액체 성분의 양은 감소하게 되는 데, 이때 액상의 갈륨과 비소 혼합물은 점 C에 해당하는의 비소 원자 분율을 갖게 된다그 자리로 흘러 들어와 대류 현상을 일으켜 결국 성장된 에피택시 표면에 쐐기 형태의 자국을 남기게 되는 것이다. 이를 방지하기 위하여 기판은 Fig 10 (b)나 (c)와 같이 용액 아래에서 용액과 접촉이 이루어지도록 하고 있다. Fig 10 (C)는 비소 과포화를 위한 소스(혹은 보조 웨이퍼)를 용액 상단에 두는 경우를 의마하고 잇다.Fig 10. LPE 갈륨비소 성장시의 대류 현상 원인기본적인 LPE 성장 기술에는 기울기(tipping), 담금(dipping), 미끄러짐(Sliding) 등의 3가지 방법이 있다. 기울기법에서는 용액이 반응로의 기울음에 의하여 기판과 접촉을 하게 되고, 담금에서는 수직로 내에서 기판을 용액 속에 넣음으로 기판과 용액과의 접촉이 일어나게 한다. 미끄러짐 법에서는 용액 아래로 기판을 미끄러져 이동하게 함으Fh서 접촉이 일어나게 하는 것이다.Fig 11은 기울기법(tipping) 반응로를 보여주고 있다. 기판은 흑연 보우트의 상단 끝에 단단하게 고정되어 있으며, 갈륨비소 성장 용액은 다fms 편 끝에 고여 잇게 한다. 석영 반응로를 반대편으로 기울게 하면 용액들이 기판 쪽으로 이동하여 갈륨비소 용액과 기판간의 접촉이 이루어지게 된다. 이때, 반응로의 온도를 천천히 낮추면 기판 위에 에피택시 층이 성장되어진다. 정해진 온도에서 일정 시간이 지나면 반응로를 원래와 같은 상태로 기울게 하여 용액이 원 위치로 옮겨가게 하고 성장 과정을 끝내게 된다.Fig 12는 수직 반응로를 사용하는 담금법이다.성장 용액은 흑연이나 알루미나 도가니 속의 한 단 끝에 들어 있으며, 기판은 이동할 수 있는 지지대에 고정되어 처음에 용액 위에 머물러 잇게 한다. 원하는 온도에서 기판을 용액 속에 담금으로써 에피층 성장이 시작되며, 원하는 시간이 경과된 후 다시 기판을 원 위치로 끌어올리면 성장이 끝나게 된다.기울기와 담금법을 위한 장치들은 비록 그 구조가 간단하지만 동작이 용이하고 양질의 GaAs 에피층을 성장시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 다층 에피택된다.

공학/기술| 2008.06.21| 12페이지| 2,000원| 조회(3,869)

cvd, 반도체공정, PVD, Epitaxy, 에피택시

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화학기상증착(cvd) 평가B괜찮아요

REPORT과목 : 박막공학소속 : 재료전공학번 : 20020342이름 : 김 종 원제출일 : 2008. 5. 21.CVD (Chemical Vapor Deposition)*CVD의 정의원료를 Gas 로 공급하여, 기상 또는 기판표면에 있어서의 화학반응에 의하여박막을 형성하는 기술로써 다른 박막형성 방법에 비해 광범위하고 다양한 박막형성이 가능하며 SiO2, Si3N4 로 시작해서 다양한 재료로 확대 되고 있다.외부와 차단된 반응실 안에 기판을 넣고 Gas를 공급하여 열, 플라즈마, 빛, 또는 임의의 에너지에 의하여 열분해를 일으켜 기판의 성질을 변화 시키지 않고 solid Deposition을 이루는 합성 공정을 말한다.CVD는 다양한 유형의 층을 생산할 수 가 있는데, NH3와 SiCl2는 Si3N4층을 만들고 Si와 산소는 SiO2층을 형성하는데 사용된다. 실리콘과 금속을 섞은 특별한 재료는 실리사이드(silicide)라 불리우는 전도층을 형성하는데 사용되기도 하고 WF6를 이용해 WSi층을 만드는데 사용되기도 한다. 개선된 플라즈마 혹은 RECVD라고 불리우는 CVD의 변형은 필름의 침전물과 화학적 반응을 얻는데 요구되는 온도로 낮추기 위해 가스 플라즈마를 사용합니다. CVD챔버를 세척하는데는 일반적으로 NF3플라즈마를 사용하든데 여기서 묘사된 CVD는 'Cluster Tool'이라 불리우는 특별한 종류의 다중 체계 CVD이다. 연속적인(in-situ)공정을 할 수 있다는 것이다. CVD 반응기는 여러가지 모양과 구조를 가지고 있는데 AP/ LPCVD 증착에 사용되는 구조이다. CVD 프로세스는 보통 마스크와 복잡한 IC의 금속간 유전체박막을 만드는데 사용되어왔는데, 과도하게 도핑될 경우 준금속적인 성질을 지니는 다결정질 Si도 APCVD와 LPCVD를 사용하여 증착한다. APCVD, LPCVD 그리고 PECVD등 다양한 종류의 CVD등이 모두 IC 제조공정에서 전형적으로 사용되고 있다.*CVD의 장 / 단점-CVD의 장점1. 저온공정2. 불순물의 분포와 농도를 조절가능3. 두께의 조절가능 - 수십 Å에서 수십mm4. 열역학적 평형반응에 가깝다.5. 반응가스의 선택이 가능6. 절연체위에도 증착가능7. 대량 생산이 가능8. step coverage가 좋다.9. 기판을 in-situ etching 가능-CVD의 단점1. 반응 변수가 많다.2. 위험한 가스의 사용3. 장치가 복잡하다.*박막형성방법CVD 공정은 반응실의 반응 조건에 따라 크게 3가지로 구분된다.① APCVD (Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition)② LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)③ PECVD (Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition)1)상압 CVD (APCVD )o 대기압 공정o Particle contaminationo 제작용이, 박막 형성이 빠름o step coverage 불량CVD 공정의 초기 형태이며 Silicon 산화막 증착에 사용되고 있다.-상압저온 CVD(LTCVD)` T< 500OC-상압고온 CVD (APCVD-HTCVD )o 열벽(Hot Wall) : 화합물 반도체 박막 (발열 반응)o 냉벽(Cold wall): 흡열 반응 (웨이퍼 표면이 가장 높은 온도)2)저압 CVD (LPCVD)o 양호한 Step Coverage 및 균일도o 입자 불순물 제거o 반응 가스 확산도 증가o 웨이퍼 간격을 좁게하여 (3~6mm) 동일 공정에 많은 양의 박막 형성o 단점 (낮은 증착률 ; 높은 동작 온도)3) 플라즈마 보강 기상 증착 (PECVD : Plasma Enhanced CVD)o RF 글로우 방전(자유전자)--->반응 가스에 에너지 전달(가스분자와 충돌)o APCVD나 LPCVD 보다 낮은 온도 수행 가능o 열에 의한 방법보다 증착률이 높다.o 좋은 접착도, 적은 핀홀 밀도, 좋은 단차피복성(step coverage)o substrate 지지판 전극은 Ground (300~350C 가열)o 사용 주파수 : 50KHz(윗부분 전극을 통해 유입, 정합회로망 사용)o 잔류 가스-->균열, 박막 벗겨짐, 박막 전류 --->MOS 문턱 전압 변동4)MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)MOCVD는 화학적 기상성장법(CVD)중의 한가지로 유기금속의 열분해반응을 이용해 반도체 기판상에 금속화합물을 퇴적, 부착시키는 화합물반도체의 기상성장법이다. Micro device의 고성능화, 고집화에 대응하기 위하여 새로운 물질의 도입이 필요해졌다. 다양한 물질을 제공한 MO Source를 이용할 수 있는 장비/공정이 필요하고, n반도체 디바이스용 박막의 두께는 10~100A° 정도로 제어해야 하는 점과 단원자층을 순차적으로 성장시킬 수 있는 박막형성법으로 여러가지 다른 방법에 비해 MOCVD법이 많이 사용하게 되었다.*CVD Process를 control 하는 factor-원료가스증착하고자하는 박막의 종류에 따라서, 여러 원료가스를 선택할 수 있는 것이 CVD의 특징인데, 일반적으로는 취급을 용이하게 하기 위해서 상온에서 기체인 것 또는 충분히 높은 증기압을 가진 기체 또는 고체 원료를 쓰고 있다. 증기압이 높은 경우는 냉각, 반대로 낮은 경우는 가열해서 쓰는 것도 있다. 실용적으로는 고순도의 원료를 용이하게 입수 가능할 것, 독성이나 폭발의 위험성이 적은 것이 먼저 이용된다. 원료로서는 수소화물, 할로겐화물, 유기금속화합물이 쓰여진다. 박막의 고품질화, 증착온도의 저온화, 증착속도의 향상, 제어성의 개선 및 선택적 증착을위해 새로운 원료가스의 검토가 행해지고 있다. MOCVD(또는 OMCVD), HVD등 원료명을 붙인 CVD법의 명명도 이러한 사정을 반영하고 있다.-온도기상온도, 기재온도는 성막속도나 입자생성속도에 가장 강하게 영향을 미치는 인자이다. 또, 생성물의 조성이나 미세조직에 대해서도 지배적인 영향을 끼친다. 반응장치로 벽이 가열된 Hot-wall, 내부 가열을 위해 가열하지 않는 cold-wall형이 있고 장치내 온도분포에 영향을 미치고, 게다가 입자의 발생·부착등에 영향을 준다. 가스주입 노즐온도도 중요한 제어인자이다.-압력상압에 의한 CVD기술이 초기에 개발 되었는데 최근에는 저압 분위기로 해서 압력 parameter를 최적화하는 방법이 많아지고 있다. 저압상태에 있어서는 원료가스의유속을 높이고 분자의 평균자유행로를 크게 잡음으로써, 표면반응에 의해 박막증착을 행하는 경우는 막두께 균일성이 우수한 막을 얻는것이 가능하다. 또, 원료가스의 공급량을 높이는 것이 가능하므로, 근접해서 다수 배열된 기판상에도 비교적 빠르고 균일성이 좋은 박막 증착이 가능하다. 또, 예를들면 epitaxal막을 성장시키기위해서는 반응성 성분의 분압을 저하시키고, 다결정막을 성장시키기 위해서는 분압을 증대시키는등 막의 결정구조를 지배하는 인자중의 하나이고 Plasma CVD에 있어서, 압력은 plasma를 발생시키기 위해서 중요한 parameter로 된다. 광여기 CVD에 있어서는 일반적으로 압력의 선택 범위는 plasma의 경우보다 넓은 범위에서 사용된다.*CVD장치CVD장치는 다수의 wafer를 동시처리하는 batch 처리 방식이 주로 사용되고 있는데, wafer의 대구경화 및 CVD에의해 증착하는 박막의 다양화에 의해 매엽 식의 순차처리 방식에 의해 전환이 필요하게 되었다. 어느쪽으로 해도, CVD반응chamber의 구조는 가장 기본적인 parameter이다. 구조적으로는 수평형, 수직형, 두가지의 혼성형등이 있고 표 2의 가열방식과 일체로써 선택되는 것으로 되어있다. 일반적으로 수평형은 wafer를 수직으로 배치함에 의해 높은 양산성을 얻는것이 가능한데 원료가스의 흐름방향에 따라 막 균일성 및 조성 균일성이 문제되기 쉽고, 가스의 도입 방법에 공부가 필요하거나 양호한 증착의 범위가 좁아지거나 한다. 수직형에서는 CVD중에 기판을 자전 및 공전시키는 것이 비교적 용이해서, 넓은 조건하에서 막의 균일성을 높게 확보하는 것이 가능하나 양산성에는 문제가 있다.-Batch(Furnace)동시에 복수 Wafer 처리 가능(High throughput)대구경 Wafer에 부적합.Cluster 화에 불리-Single waferCluster화에 유리(No vacuum break)대구경 Wafer 에 유리Low throughput*CVD의 반응 메카니즘①원료/반응 Gas의 기판표면에의 도달.②기판표면에서의 원료/반응Gas의 흡착.③기판표면에서의 화학반응, 유동, 핵형성.④기판표면으로부터 반응생성물의 이탈.⑤기판표면으로부터 반응생성물의 확산.ex) SiH4 + 2O2 -> SiO2 + 2H2O*코팅과정과 반응장치.(1) 가열방법CVD장치에서 기판(피도금물)의 가열은 전기히터, 고주파유도, 적외선방사, 레이저 등이 있으며, 가스와의 반응이 표면에서 효과적으로 진행되도록 기판의 필요부분만 가열할 필요가 있다.(2) 반응실(reactor)의 구조반응실의 구조는 도금막이 균일하게 되어야 한다는 것이며, CVD반응은 기판 표면에서의 화학반응이므로 다음과 같은 점에 유의해야 한다.① 기상 중에서의 반응이 조절을 할 수 있어야 하며,② 기판표면으로 충분한 반응가스의 공급이 되어야하며,③ 반응생성물의 신속한 이탈이 되어야 한다.(3) 가스 조정시스템CVD반응가스의 원료로서의 가스, 산화제 및 환원제로서의 가스, 반응가스를 반응실 내로 공급하기 위한 캐리어(carrier)로서의 가스 등으로 되어 있다. 원료가스가 기체일 때는 직접 봄베에서 배출되면 되지만, 액체나 고체일 때는 증발용기에 넣어서 일정한 온도로 유지하면서 이 액면에 캐리어가스를 흘려서 원료가스와 더불어 반응실내로 보내도록 한다.

공학/기술| 2008.05.28| 11페이지| 2,000원| 조회(2,072)

반도체, cvd, PVD, 화학기상증착, 박막공학

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직접메탄올연료전지(dmfc) 평가A좋아요

직접 메탄올 연료전지(DMFC)학과 : 재료전공학번 : 20020342이름 : 김 종 원*직접메탄올 연료전지(DMFC)의 원리메탄올을 연료로 직접 사용하는 연료전지를 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)라고 부른다. 현재 성능이 빠르게 향상되고 있는 고체고분자 연료전지(PEMFC)에 이 방식을 채용함으로써 시스템의 간소화가 가능해졌다. 그러나 연료가 메탄올로 교체됨으로써 새로운 문제도 발생하고 있다. DMFC의 기본 구조는 다음 그림과 같다.연료극(anode)으로 메탄올 수용액이공급되면 연료극속의 백금촉매작용 으로 수소 이온과 전자 및 탄산가스로 분리된다. 이 수소이온은 고체고분자 전해질막으로 전자는 외부회로로, 그리고 탄산가스가 빠져나가게 된다. 공기극(cathode)에서는 역시 백금촉매작용으로 공기 속의 산소가 이온화되어, 전해질막을 통해 온 수소이온과 외부회로에서 일을 하고 돌아온 전자와 반응하여 물이 생성된다. 수소이온을 만드는 연료극과 수소이온을 소멸하는 공기극사이의 전해질막에는 수소이온농도의 구배가 생겨 수소이온의 전도가 일어나게 된다. 이것이 DMFC의 기본 작동원리로 외부회로에 계속적으로 전자전류를 흐르게 한다.DMFC에서의 전지반응은 다음과 같이 정리할 수 있다.DMFC의 전지반응Anode : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6 e- E anode = 0.046 VCathode : 1.5O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O E cathode = 1.23 VOverall reaction: CH3OH + 1.5 O2 + H2O CO → 2 + 3H2OE cell = 1.18 V.*DMFC의 장점■직접 메탄올 연료전지는 에너지 밀도가 높은 액체 연료를 직접 사용하기 때문에 장치가 매우 간단하다.■리튬전지의 3배 이상 높은 출력밀도를 갖는다.■충전이 용이하다.■무소음, 저발열로 군작전시 용이하다.■하이브리드 시스템이 가능하다.■무공해 환경친화형이다.*DMFC의 단점■전극촉매의 성능이 불충분하다.■연료극(아노드)의 촉매가 특히 CO에 의하여 오염된다.■메탄올이 전해질막을 투과해버린다*DMFC의 구성 요소(1) 촉매300℃ 정도 이하에서 작동하는 연료전지에서는 촉매를 사용하여 전극반응을 촉진해주지 않으면 원하는 특성을 얻을 수가 없다. 이 경우 전극반응에서활성일 뿐만 아니라 부생성물에 의하여 피독되지 않는 것이 바람직하다. 백금(Pt)은 연료극 촉매로 우수한 금속이다. 메탄올과의 일반적인 반응은 다음과 같이 수소이온을 한 개씩 분리하는 작용을 차례로 한다고 생각되고 있다.Pt + CH3OH → Pt-CH2OH + H+ + e-Pt-CH2OH → Pt-CHOH + H+ + e-Pt-CHOH → Pt-COH + H+ + e-Pt-COH → Pt-CO + H+ + e-Pt-CO + H2O→ Pt + CO2 + 2H+ + 2e-그러나 이 반응은 백금만으로는 불충분하여 CO에 의한 피독을 일으킨다.백금표면에 CO가 흡착됨으로써 메탄올과 반응하는 면적이 감소하여, 전지의성능을 저하시킨다. 촉매가 CO에 의하여 피독되는 것을 방지하기 위하여 백금의 표면구조를 개량하거나, 다른 금속을 추가하는 방법을 택한다.그리고 연료극과 공기극 양쪽에 백금 등 귀금속을 사용하기 때문에 비용 측면에서도 가능한 한 사용량을 줄이지 않으면 안 된다.(2) 고체고분자 이온교환막1987년에 캐나다의 벤처회사Ballard사가 개발한 Dow Membrane(단축쇄형 파플오로슬폰산막)에 전극촉매로 파플오로카본산막 성분을 프로톤 전도재료로 함유시켜, 고체고분자형 연료전지 성능을 대폭적으로 개선시켰다. 이것으로 고체고분자 연료전지의 시대가 열렸다.시판되고 있는 이온교환막은 Dow membrane, 듀폰(DuPont)의 Nafion, 아사히 케세이(Asahi Kasei)의 Aciplex, 아사히 글라스(Asahi Glass)의 Flemion과 폴리테트라후르오로에틸렌(PTFE) 다공질막에 파흐르오로카본 슬폰산(PFS) 폴리머를 복합시킨 Gore 세렉트막이 있다.이들 가운데 Gore막이20～30미크론으로 가장 얇은 것으로 알려져 있다.그러나 이온전도에 기여하고 있는 것이 물이고, DMFC에서는 메탄올 수용액을 연료로 사용하고 있어 전지작용을 하지 않은 메탄올 수용액이 이온교환막을 투과하는 현상(크로스오버)을 수반하게 된다. 이것이 DMFC의 가장 큰 기술적 극복 과제가 된다.(3) 막-전극 접합체(MEA : Membrane-Electrode Assembly)일반적으로 막-전극 접합체는 낮은 성능과 내구성 부족 및 높은 가격등이 문제로 대두되고 있다. 직접메탄올 연료전지와 고분자 전해질 막 연료 전지는 전극과 막-전극 접합체의 구조가 동일 하지만 직접메탄올 연료전지의 경우에는 메탄올을 연료로 사용하기 때문에 막-전극 접합체의 요구조건이 고분자 전해질 막 연료 전지와는 다르다. 이와 같은 차이점은 메탄올의 분자크기와 생성된 이산화탄소의 효율적인 제거의 필요에 의해 나타나는 것으로 직접메탄올 연료전지의 양극은 고분자 전해질 막 연료 전지에 비해 더 열린 기공구조를 필요로 한다. 따라서 메탄올 크로스오버가 낮으며 이온 전도성은 높은 고분자 전해질 막이 개발되어야 하며, 고성능 촉매의 개발과 전극 구조의 최적화를 통해 촉매의 효율을 높이며, 촉매의 내피독성 향상 및 막-전극접합체 제조 조건의 최적화를 통해 전극 촉매의 손실을 최소화할 필요가 있어 이에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.(4) 메탄올메탄올은 다른 탄화수소와 비교하여 낮은 온도에서(200∼250℃) 용이하게, 그러면서도 수증기개질과 일산화탄소개질반응(시프트반응)이 동시에 일어난다는 장점이 있다. 그러나 메탄올이 천연가스개질로 생성된 수성가스를 원료로 하여 제조되고 있는 현실에서는 천연가스 채굴로부터 환산한 전체 에너지효율을 생각하면 유리하다고는 생각할 수 없다. 더욱이 DMFC에서의 발전 과정에서 이산화탄소를 발생하고 있어서, 온실가스 저감에 역행하는 결과가 된다. 더욱이 인체에 유해한 포름알데히드도 발생하고 있는 것으로 알려져 있다

공학/기술| 2008.05.28| 5페이지| 1,000원| 조회(1,871)

연료전지, DMFC, 수소전지, 직접메탄올, DIRECTMETHANOL

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