KR101463976B1 - 소재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 실리콘을 주성분으로 하는 이차전지용 전극재료 및 태양전지재료로 사용되는 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세크기(100Å 이하)를 가지는 관(管) 형상의 실리콘 성형물로 이루어진 소재와 이를 용이하고 경제적이며 가공작업이 빠르고 간편하게 이루어져 생산성이 증대할 수 있도록,
금속섬유로 이루어진 심재(2)의 외주면에 탄소섬유를 도포하여 코어를 형성하는 탄소섬유도포단계와, 상기 탄소섬유도포단계를 통해 형성된 코어의 외주면에 실리콘층(3)을 증착 또는 융착하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와, 상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재(2)를 제거하는 심재제거단계로 이루어진 소재의 제조방법과 그 소재에 관한 것이다.

Description

소재 및 그 제조방법{A material and the manufacture process}

본 발명은, 실리콘을 주성분으로 하는 이차전지용 전극재료 및 태양전지재료로 사용되는 소재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세크기(100Å 이하)를 가지는 관(管) 형상의 실리콘 성형물로 이루어진 소재와 이를 용이하고 경제적이며 가공작업이 빠르고 간편하게 이루어져 생산성이 증대할 수 있도록 된 소재의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다.

태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.

이러한, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 태양광이 입사되면 태양광과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.

이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극으로 이동하게 되고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.

이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율에 의해 평가된다.

태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 흡수율을 높이고, 캐리어들의 재결합 정도를 줄여야 하며, 반도체 기판 및 전극에서의 저항을 낮추어야 한다. 태양전지에 대한 연구들은 대체로 이들과 관련하여 진행되고 있다.

최근에는 전면에서의 전극에 의한 흡수율 감소를 없애기 위하여, 전극 모두를 후면에 설치하는 IBC(Interdigit Back Contact cell)형 태양전지가 개발되고 있다.

대한민국 공개특허 공개번호 10-2008-0087337호(ＩＢＣ형 태양전지의 제조방법 및 ＩＢＣ형 태양전지)는 후면전극형 태양전지에 관한 것으로, 제조 공정을 개선하여 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 감소하고 있는 효과가 있다고 제안되었다.

그리고 최근에, 발전소에서 발생된 전력을 효과적으로 이용하기 위해서, 잉여전력인 야간에 발생한 전력을 가정용 2차전지에 축적시킬 수 있고, 그에 의해 전력소비가 증가할 때 축적된 전력을 낮 동안 이용할 수 있는 소위 부하평준화 접근법이 제안되고 있다.

그리고, COx, NOx, 탄화수소 등의 대기오염원을 배출하지 않는 전동차에 대해 고에너지밀도 2차전지의 개발이 요구되고 있다.

또한, 노트북 개인용 컴퓨터, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistant) 등의 휴대용전기기기의 용도에서 소형, 경량, 고성능의 2차전지의 개발이 긴급하게 요구된다.

상기에서, 경량, 소형의 2차전지로서는, 충전반응시, 리튬이온을 그 층간으로부터 사이에 삽입하지 않기 위해 리튬 삽입 화합물을 양극물질로서 이용하고 또한 탄소로 형성된 6원(員) 망구조의 평면의 층간에 리튬이온을 삽입하기 위해 흑연으로 대표되는 탄소함유재료를 음극물질로서 이용하는 "리튬이온전지"로서 칭하는 흔들의자형 전지가 개발되어 부분적으로 실용화되고 있다.
본 발명의 배경이 되는 선행 기술로는 공개특허공보 제10-2005-0085437호가 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 2차전지는 그러나, 상기 종래의 리튬2차전지들은 계산된 이론적 충전용량이 4200mAh/g이지만, 1000mAh/g를 초과하는 전기량의 리튬 삽입/이탈을 가능하게 하는 전극성능이 달성되지 않으며, 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상이 발생되어 비안정적인 문제점들이 있었다.

그리고, 종래의 태양전지에 있어서는 태양광 모듈은 일측면에서만 태양광을 흡수하기 때문에 바닥에 눕혀놓는 형태로 구성되어 있어 아침시간이나 늦은 오후 시간에는 태양광의 흡수효율이 낮으며, 태양광 흡수효율을 높이기 위해서는 태양광을 추적하는 추적기를 별도로 구성하고, 추적기에서의 추적결과에 따라 모터를 이용해 태양광 모듈을 해당 방향으로 계속 이동시켜야 태양광 모듈을 구성하는 별도의 추가비용이 소요되므로 이는 결국 태양광 모듈 생산 단가가 증가되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상을 방지하여 안정하게 사용할 수 있도록 된 리튬 2차전지용 전극재료로 사용가능함은 물론, 전도성 심재를 전극으로 하고, 전도성 심재의 외주면에 태양광을 흡수하는 반도체층을 형성함으로써 태양광이 있는 동안 최대의 효율로 태양광을 흡수하는 것은 물론 설치가 용이한 태양전지의 사용될 수 있는 소재와 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

즉, 미세크기(100Å 이하)를 가지는 관(管) 형상의 실리콘 성형물로 이루어진 소재와 이를 용이하고 경제적이며 가공작업이 빠르고 간편하게 이루어져 생산성이 증대할 수 있도록 된 소재의 제조방법을 제공하는데 주목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소재의 제조방법은 봉 형상의 심재의 외주면에 실리콘층을 증착 또는 융착하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와, 상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재를 제거하는 심재제거단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 심재는 전도성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 전도성 심재는 탄소섬유로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 전도성 심재는 금속섬유로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 심재제거단계에서 상기 성형물을 산소상태의 환경에서 상기 탄소섬유를 산화하여 심재를 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기 심재제거단계에서 상기 성형물을 금속용해상태의 환경에서 상기 금속섬유를 용해하여 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소재의 제조방법은 금속섬유로 이루어진 심재의 외주면에 탄소섬유를 도포하여 코어를 형성하는 탄소섬유도포단계와, 상기 탄소섬유도포단계를 통해 형성된 코어의 외주면에 실리콘층을 증착 또는 융착하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와, 상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재를 제거하는 심재제거단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 심재제거단계를 통해 심재가 제거된 성형물의 내부공간에 실리콘을 충진하는 실리콘충진단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 주재료가 실리콘층으로 이루어져 충전효율이 높으며, 다층구조로 적층하여 전극구조체를 형성할 수 있어 포화된 충전에 따른 전극구조체의 손상을 방지하여 안정하게 사용할 수 있도록 된 리튬 2차전지용 전극재료로 사용이 가능하다.

또한, 전도성 심재를 전극으로 하고, 전도성 심재의 외주면에 태양광을 흡수하는 반도체층을 형성함으로써 태양광이 있는 동안 최대의 효율로 태양광을 흡수하는 것은 물론 설치가 용이한 태양전지를 구성할 수 있다.

또한, 미세크기(100Å 이하)를 가지는 관(管) 형상의 실리콘 성형물로 이루어진 소재와 이를 용이하고 경제적이며 가공작업이 빠르고 간편하게 이루어져 생산성이 증대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 소재를 보인 사시 예시도.
도 2는 도 1에서 도시된 본 실시예에 의한 소재의 단면도.
도 3은 도 1에서 도시된 본 실시예에 의한 소재의 제조방법에 따른 일 예를 보인 예시도.
도 4는 도 1에서 도시된 본 실시예에 의한 소재의 제조방법에 따른 다른 예를 보인 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 소재를 보인 사시 예시도.
도 6은 도 5에서 도시된 본 실시예에 의한 소재의 단면도.
도 7은 도 5에서 도시된 본 실시예에 의한 소재의 제조방법을 보인 예시도.
도 8 및 도 9는 본 실시예에 의한 소재들의 표면상태를 보인 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 의한 리튬 2차전지용 전극재료, 상기 전극재료를 포함하는 전극구조체 및 상기 전극구조체를 포함하는 2차전지를 상세히 설명하면 다음과 같다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1 및 도 2는 본 실시예에 의한 소재를 보인 도면으로, 실리콘 재질로 내부에 양단을 관통하는 관통공이 형성된 실리콘관(1)으로 이루어진다.

이러한 본 실시에의 소재는 단면 직경이 미세크기(100Å 이하)로 이루어져 있어, 태양전지의 재료 또는 리튬 2차전지용 전극재료로 사용된다.

이때. 상기 실리콘관(1)에 전도성 재질로 이루어진 별도의 접속단자를 부가하여 전기적인 연결을 구성한다.

상기와 같은 실리콘관(1)은 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같은 공정을 통해 제조된다.

즉, 봉 형상의 심재(2)의 외주면에 실리콘층(3)을 증착 또는 융착하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와, 상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재(2)를 제거하는 심재제거단계로 이루어진다.

상기에서 심재(2)는 전도성 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 상기 전도성 재질의 심재는 탄소섬유 또는 구리 등과 같은 금속섬유로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

따라서, 도 4에서 도시된 바와 같이 탄소섬유를 심재(2)로 하여 성형물이 성형된 경우에는 상기 성형물을 산소상태의 환경에서 상기 탄소섬유를 산화하여 심재(2)를 제거한다.

그리고, 도 3에서 도시된 바와 같이 구리 등과 같은 금속섬유를 심재(2)로 하여 성형물이 성형된 경우에는 상기 성형물을 구리(금속)용해제가 용해된 용해액이 침수하여 금속용해상태의 환경에서 상기 구리(금속섬유)를 용해하여 제거하게 된다.

상기에서 구리용해제로는 질산액으로 이루어질 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 소재를 보인 도면으로, 본 실시예에 의한 소재는 탄소섬유재질로 이루어지며 내부가 관통된 관 형상의 전도층(4)과, 실리콘 재질로 이루어지며 상기 전도층(4)의 외주면을 감싸며 적층 형성된 실리콘층(3)으로 이루어진다.

따라서, 상기 본 실시예의 소재를 리튬 2차전지의 전극재료로 사용할 경우, 이온전도체를 통해 전도되는 리튬이온이 실리콘층(3)을 구성하는 실리콘상으로 리튬삽입반응이 발생하여 실리콘에 대한 리튬의 산화/환원반응에 따라 충전된다.

즉, 리튬의 산화반응과 리튬이온의 환원반응을 이용한 전지의 음극 전극재료로 사용된다.

이때, 상기 전도층(4)은 음극의 접속단자로 전지의 전극단자와 전기적인 연결을 구성하여 충전 및 방전하게 된다.

상기와 같은 본 실시예의 소재는 도 7에서 도시된 바와 같은 공정을 통해 제조된다.

즉, 금속섬유로 이루어진 심재(2)의 외주면에 탄소섬유를 도포하여 코어를 형성하는 탄소섬유도포단계와, 상기 탄소섬유도포단계를 통해 형성된 코어의 외주면에 실리콘층(3)을 증착 또는 융착하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와, 상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재(2)를 제거하는 심재제거단계로 이루어진다.

상기에서 심재(2) 특히 구리 재질로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

따라서, 구리를 심재(2)로 하여 성형물이 성형된 경우에는 상기 성형물을 구리용해제가 용해된 용해액이 침수하여 금속용해상태의 환경에서 상기 구리(금속섬유)를 용해하여 제거하게 된다.

상기에서 구리용해제로는 질산액으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 성형물에서 심재(2)가 제거되면 내부가 내부과 관통되며 내측은 탄소섬유로 이루어진 전도층(4)이 마련되고 상기 전도층(4)의 외측으로 적층된 실리콘 재질의 실리콘층(3)이 형성된 소재가 제조된다.

상기에서 심재(2)의 외주면에 탄소섬유를 도포하여 코어를 형성할 때에는, 먼저 상기 심재(2)의 외주면에 탄소섬유원사액을 도포한 후 탄화공정을 통해 상기 탄소섬유원사를 탄화시키면 원하는 형상을 가진 전도층을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 심재제거단계를 통해 심재(2)가 제거된 성형물의 내부공간에 실리콘을 충진하는 실리콘충진단계를 더 구성하면, 내부에는 실리콘 재질로 이루어진 실리콘코어(5)가 구비되고, 상기 실리콘코어(5)의 외주면을 감싸며 적층 형성된 탄소섬유재질의 전도층(4)이 구비되며, 실리콘 재질로 이루어지며 상기 전도층(4)의 외주면을 감싸며 적층 형성된 실리콘층(3)으로 이루어진 소재가 제조된다.

따라서, 상기 본 실시예의 소재를 리튬 2차전지의 전극재료로 사용할 경우, 이온전도체를 통해 전도되는 리튬이온이 실리콘코어(5)와 실리콘층(3)을 구성하는 실리콘상으로 리튬삽입반응이 발생하여 실리콘에 대한 리튬의 산화/환원반응에 따라 충전된다.

상기의 실리콘층형성단계에서 코어의 외주면에 상기 실리콘층(3)을 증착방식을 통해 형성할 때, 플라즈마상태에서 증착하는 것이 바람직하다.

이때, 실리콘층(3)의 외주면은 도 8 및 도 9에서 도시된 바와 같이 요철형상으로 형성되기 때문에 자연적으로 표면적이 증대됨에 따라, 리튬삽입반응 면적을 증대시켜 빠른 충전이 이루어지게 제조될 수도 있다.

이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 실리콘관 2 : 심재
3 : 실리콘층 4 : 전도층
5 : 실리콘 코어

Claims (11)

1. 금속섬유로 이루어진 심재의 외주면에 탄소섬유를 도포하여 코어를 형성하는 탄소섬유도포단계와;
   상기 탄소섬유도포단계를 통해 형성된 코어의 외주면에 실리콘층을 증착 또는 융착하여 형성하여 성형물을 구성하는 실리콘층형성단계와;
   상기 실리콘층형성단계에 의해 성형된 성형물에서 상기 심재를 제거하는 심재제거단계를 포함하고,
   상기 심재제거단계를 통해 심재가 제거된 성형물의 내부공간에 실리콘을 충진하는 실리콘충진단계를 더 포함하는 것을 특징으로 소재의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 소재.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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