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본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제작된 멀티스케일 고분자 전해질 막을 사용한 고성능 연료전지에 관한 내용으로, 다양한 마이크로 크기의 구멍을 가진 고분자 막들을 사용하여 다단계 층을 가지는 고분자 전해질 막 및 제조 방법에 대한 것이다. 멀티스케일 고분자 전해질 막은 기존의 막보다 두께가 감소되어 오믹 저항을 감소시킬 수 있으며, 3차원 형상의 전해질 막은 전극 간의 계면 접촉 능력 향상 및 반응 면적 증가에 의한 3상 반응 개선 및 물질 전달 능력 향상 시킬 수 있다. 앞서 언급된 모든 효과들이 동시에 작용하여, 기존의 막전극접합체를 사용한 연료전지의 성능 보다 더욱 향상 시킬 수 있다는 점에 목적이 있다. 대면적 제작에 용이하고 플라즈마 전력, 시간, 가스 유량 등의 공정 변수들을 자유롭게 조절하여 식각 정도 및 식각 깊이를 제어할 수 있는 플라즈마 식각 공정과 다양한 크기의 마이크로 홀 배열을 갖는 고분자 스텐실 제작 기술을 이용하여 다단계 층을 지니는 고분자 전해질막을 제작한다. 이러한 식각 공정을 통해 멀티스케일 홀 패턴을 갖는 고분자 전해질 막은 기계적 강성이 크게 저하되지 않고, 동시에 전해질막의 얇아짐 효과에 의한 오믹 저항 감소 효과를 기대할 수 있다. 3차원 형상의 고분자 전해질 막을 연료전지에 적용시, 전해질 막과 촉매층 간의 계면 접촉 면적 증가, 오믹 저항 감소 및 물질 전달 향상을 통해 기존보다 높은 성능을 확보할 수 있다. 본 기술로 제작된 막전극접합체로 구성된 연료전지는 성능을 향상시키는데 효과적이며, 연속 공정을 통한 대면적 전해질막 제작이 가능하여 신재생에너지 전력 산업에서의 공정의 활용성 및 사업화 경쟁력이 높다고 판단된다.