Je leest:

Het juiste recept voor de microfabricage van elektrodes

Het juiste recept voor de microfabricage van elektrodes

Auteur:

Sandeep Unnikrishnan, in 1979 in India geboren, studeerde in 2000 af als Production Engineer aan het Amrita Institute of Technology and Science (Bharathiar Universiteit) in Coimbatore, in het zuiden van India. Na twee jaar werkervaring te hebben opgedaan, kwam hij voor zijn masterstudie naar de Faculteit voor Mechatronica aan de FachHochschule van Aken, waar hij de DAAD-prijs voor de beste buitenlandse student van het jaar 2004 ontving. De studie beviel hem zo goed, dat hij solliciteerde op een promotieplaats aan de Universiteit Twente, bij een onderzoeksgroep die wereldwijd bekendstaat als een van de beste op het gebied van microsysteemtechnologie. Het onderzoek van de groep is gericht op het ontwerp en de fabricage van micro-elektromechanische systemen.

Small
dr. Sandeep Unnikrishnan
Technologiestichting STW

Unnikrishnan: “Ik groeide op in een dorpje waar volop natuur was. Er was geen grote industrie, en dus geen milieuvervuiling. Toen ik naar de stad ging studeren, dacht ik: ik moet iets voor het milieu doen! Sinds die tijd ben ik geïnteresseerd in nieuwe, milieuvriendelijke bronnen van energie. Zo kwam ik terecht in dit onderzoek, dat gericht is op het ontwikkelen van nieuwe, kleine brandstofcellen

In de eerste zes maanden van zijn onderzoek las Unnikrishnan alles wat hij kon vinden over brandstofcellen: “Van micromechanica tot elektrochemie, en van materiaalkunde, via thermodynamica tot vloeistofdynamica, ik zoog me helemaal vol met informatie. Ik las een interessant artikel van een hoogleraar aan het California Institute of Technology over brandstofcellen gemaakt van solid-acid elektrolyt, en ik dacht: daar moet het naartoe. Want dan heb je geen vloeistoffen in de structuur, en kun je brandstofcellen ter grootte van een batterij maken.”

De grootste uitdaging voor zo’n brandstofcel zijn de elektroden. Die zijn gemaakt van een dunne film. De film kapselt een wateroplosbare elektroliet zodanig af, dat er een stroom van elektronen kan ontstaan, die elektrische energie oplevert, zonder dat de exothermische chemische reacties tussen waterstof en zuurstof de boel uit elkaar laten spatten.

Microfabricage

Het onderzoek van Unnikrishnan richtte zich vooral op de vraag hoe zo’n waterstofselectieve membraan met microfabricagetechnieken te maken valt: “Binnen onze vakgroep was al eerder uitgezocht dat een elektrode van palladium de meeste kans van slagen maakt. Er was aangetoond dat je met dunne-film overdrachttechnieken in een cleanroom membranen kon maken die een micrometer dik zijn. Ik moest dus eerst leren hoe je in een cleanroom werkt – de training voor de instrumenten en het maken van prototypes duurde een half jaar.”

Medium
Hoge temperatuur oxidatie van silicium (l) en een geperforeerd raster uit silicium (r ).
Technologiestichting STW

In het tweede jaar van zijn onderzoek maakte Unnikrishnan zijn eerste elektroden. Hij gebruikte daarvoor de zogeheten diepe etstechnieken, die ook in de chipindustrie worden gebruikt. Het membraan komt daarbij te liggen in een geperforeerd raster uit silicium. In feite gaat het om een silicium microzeef met rechte, cilindervormige poriën. Het raster doet eveneens dienst als een soort transportkanaal voor gassen in de brandstofcel.

Unnikrishnan: “Het is een enorme uitdaging om met de dunne-film etstechnieken een manier te vinden waarmee je precies de juiste dikte en vorm voor de elektroden krijgt. Vaak ets je iets te veel weg, waardoor je microporiën niet de goede vorm hebben, of er verontreinigingen optreden. Ik heb die effecten allemaal precies in kaart gebracht.”

Een van de grootste problemen was dat tijdens het ‘dunne-film bonding-proces’ gassen in de poriën gevangen konden blijven, waardoor de aanhechting slecht werden. Dit probleem kwam in het tweede jaar naar voren en bleek uitermate lastig op te lossen. “Het heeft me meer dan een jaar gekost om het juiste etsprocedure te vinden. Gelukkig was mijn assistent-promotor, Henri Jansen, een expert op het gebied van microfabricage.”

Membranen op glasbuis

Small
Een palladium membraan via microfabricage.
Technologiestichting STW

Uiteindelijk lukte het om palladiummembranen van een micrometer dik te maken, die bij een temperatuur van 423 graden Kelvin en een waterstofdruk van anderhalf bar genoeg stroom kunnen doorlaten. Het membraan scheidt daarbij netjes waterstof en helium met een hoge selectiviteit. Daarna kwamen de grote doorbraken – het eerste patent werd in het derde jaar van de promotie aangevraagd. Unnikrishnan: “Oorspronkelijk was het idee daarvoor ontstaan omdat ik zelf een gemakkelijker manier zocht om de elektroden te kunnen testen. Ik etste de membranen direct op een ondergrond van glasbuis. Dit bleek al snel ook de ideale verpakking voor verschillende soorten micro-membranen. Je krijgt er als het ware plug and play-membranen van!” In de laatste anderhalf jaar van zijn promotieonderzoek deed Unnikrishnan zoveel mogelijk dingen parallel, om het meeste uit zijn onderzoek te kunnen halen: hij schreef artikelen, deed patentaanvragen en testte zijn membranen. Hij verwacht dat het nog twee jaar duurt, voordat er een werkende brandstofcel uit komt, die vooral voor gebruik in mobiele elektronische apparatuur interessant kan zijn. Als postdoc werkt hij nu aan die volgende stap.

Per augustus 2010 is hij vertrokken naar TNO in Eindhoven, om verder onderzoek in het gebied van dunne films te doen. Unnikrishnan: “Ik zie mijzelf als een entrepreneur, maar wil eerst nog wat meer werkervaring opdoen. In een jaar of vijf, zes zie ik mezelf wel als de directeur van mijn eigen bedrijfje. In India boomt de membraantechnologie; wellicht ga ik terug om daar ingenieurs te helpen.”

Het promotieonderzoek van Sandeep Unnikrishnan is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van de Technologiestichting STW.

Meer over microfabricage en microsystemen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"http://www.kennislink.nl/kernwoorden/mems.atom", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}

Meer over brandstofcellen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"http://www.kennislink.nl/kernwoorden/brandstofcel.atom", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 februari 2011

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE