KR101520571B1 - 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극은 보호층을 구비하여 금속 나노와이어의 변색을 방지하여 높은 투명성을 구현할 수 있고, 친수성 용매에 침지하는 후처리 공정을 통해, 전기 전도도를 저해하는 물질을 제거하여, 높은 전기 전도도 및 계면 전기용량의 슈퍼 커패시터 성능을 갖는 전극을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것이다.
전반적으로 슈퍼 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.
따라서 기존의 화학전지 배터리로는 구현하지 못하는 슈퍼 커패시터의 특성으로 인하여, 산업계 전반에 걸쳐 슈퍼 커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(fuel cell vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 슈퍼커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.
즉, 슈퍼 커패시터는 보조 에너지 저장장치로서 화학전지 배터리와 병용됨으로써, 순간적인 에너지의 공급과 흡수는 슈퍼 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다.
또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있어, 그 중요성 및 용도가 날로 증가하고 있다.
최근 투명하고 유연한 디스플레이 기반의 전자 소자들은 개발되었지만, 이를 구동하기 위한 커패시터는 투명하게 제조하지 못했었다. 따라서, 상기 커패시터의 전극을 투명으로 제조할 필요성이 있으며, 이를 위해서는 낮은 면저항, 높은 전기 전도도 및 높은 전기용량을 가져야 하며, 가시광선 영역에서 광투과율이 80% 이상인 것이 유리하다.
본 발명은 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 상기 전극은 집전체, 보호층 및 전도성 고분자층을 포함할 수 있다.
본 발명은 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공할 수 있다.
상기 슈퍼 커패시터용 전극의 하나의 예로서,
투명 기판;
투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어;
금속 나노와이어에 코팅된 전도성 고분자층; 및
금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 형성된 보호층을 포함하며,
계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고, 광투과도는 60% 이상인 슈퍼 커패시터용 전극을 제공할 수 있다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터용 전극 제조방법의 하나의 예로서,
투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하여 집전체를 형성하는 단계;
집전체 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
보호층 상에 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 슈퍼 커패시터용 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극은 보호층을 구비하여 금속 나노와이어의 변색을 방지하여 높은 투명성을 구현할 수 있고, 친수성 용매에 침지하는 후처리 공정을 통해, 전기 전도도를 저해하는 물질을 제거하여, 높은 전기 전도도 및 계면 전기용량의 슈퍼 커패시터 성능을 갖는 전극을 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에서, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명은 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것이다.
상기 슈퍼 커패시터용 전극의 하나의 예로서,
투명 기판;
투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어;
금속 나노와이어에 코팅된 전도성 고분자층; 및
금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 형성된 보호층을 포함하며,
계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고, 광투과도는 60% 이상인 슈퍼 커패시터용 전극을 제공할 수 있다.
구체적으로 투명 기판은, 투명성을 저해하지 않는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리스티렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 플라스틱 기판을 할 수 있다. 상기 기판을 투명 기판으로 사용할 경우, 투명하며 플렉서블(flexible)한 전극을 제조할 수 있다.
상기 투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노와이어는 은, 금, 구리, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 은일 수 있다. 상기 금속 나노와이어의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며 해당 기술분야에서 사용되는 방법 중 선택될 수 있다. 예를 들어, 성장 용액을 이용하여 금속 나노와이어를 투명 기판 상에 직접 성장시키는 방법 또는 금속 나노와이어를 포함하는 용액을 투명 기판 상에 코팅하는 방법 등이 선택될 수 있다.
상기 투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어는 평균 직경은 0.1 내지 100 nm이고, 평균 길이가 0.5 내지 50 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 금속 나노와이어의 평균 직경은 1 내지 100 nm, 30 내지 100 nm 또는 30 내지 50 nm일 수 있고, 평균 길이는 1 내지 50 ㎛, 1 내지 40 ㎛ 또는 2 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 범위의 평균 직경 및 평균 길이를 통해, 높은 기계적 안정성 및 높은 투명도를 구현할 수 있으며, 넓은 표면적을 통해 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다.
상기 금속 나노와이어의 일부분은 다른 금속 나노와이어와 접합 또는 교차되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 또는 교차되어 있는 부분을 통해, 높은 전기 전도도를 나타낼 수 있다.
상기 전도성 고분자층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설폰산, 폴리피롤:폴리스티렌설폰산, 폴리티오펜:폴리스티렌설폰산 및 폴리아닐린:폴리스티렌설폰산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 고분자층은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤, 폴리티오펜 또는 폴리아닐린 등의 전도성 고분자를 폴리스티렌설폰산과 같은 유화제를 이용하여 합성할 수 있다. 따라서, 합성 중, 소량의 유화제가 전도성 고분자층 내에 존재할 수 있으나, 이는, 본 발명에 따른 하기 후처리 방법을 통해 효과적으로 제거할 수 있다. 이를 통해, 전도성 고분자층 내에 전기 전도도를 저해하는 유화제를 제거함으로써, 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다.
상기 유화제는 설폰산, 파라톨루엔설폰산 및 카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 관능기(functional group)를 갖는 유기산을 포함할 수 있으며, 이는 하기 설명되는 보호층에 사용되는 전도성 유화제의 종류로부터 선택될 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극은 높은 계면 전기용량 및 높은 투명도를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 슈퍼 커패시터용 전극의 계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고, 광투과도는 60% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 계면 전기용량은 0.002 내지 0.010 F/cm2, 0.004 내지 0.010 F/cm2 또는 0.005 내지 0.010 F/cm2일 수 있다. 또한, 상기 광투과도는 60 내지 90%, 60 내지 80% 또는 65 내지 75%일 수 있다. 상기 슈퍼 커패시터용 전극은 상기 범위 내의 높은 계면 전기용량을 구현할 수 있으며, 상기 범위 내의 광투과도를 통해, 투명성을 갖는 전극을 제조할 수 있다. 이와 같은 전기적 특성을 통해 상기 전극은 슈퍼 커패시터의 전극으로 적용할 수 있다.
상기 보호층은 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체(graft copolymer)는 하기 화학식 1 또는 2로부터 선택될 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서,
R1은 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R2는 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R3은 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R4는 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
상기 전도성 유화제는 유기산으로서 관능기(functional group)로 술폰산, 파라톨루엔술폰산, 카르복실산 중의 어느 하나를 가지며, 하기 화학식 3 또는 4로부터 선택될 수 있다.
[화학식 3]
[화학식 4]
상기 화학식 3 및 4에서,
R5는 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R6은 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이다.
구체적으로, 상기 전도성 유화제는 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 알코올성 고분자는 하기 화학식 5를 갖는 화합물일 수 있다.
[화학식 5]
상기 화학식 5에서,
R7은 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R8은 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
상기 알코올성 고분자는 상기 고분자 유화제의 친수성기와 탈수축합 중합반응에 의해 화학적 결합을 이루어 전도성 고분자 유화제의 친수성기를 소수성기로 변환하기 위한 것으로, 이를 위해 알코올성 고분자의 제1 말단기는 친수성기이고, 다른 제2 말단기는 소수성기로 이루어진 구조이다.
상기 알코올성 고분자의 함량은 전도성 유화제의 중량 대비 20 내지 50% 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올성 고분자의 함량은 20 내지 45%, 25 내지 40% 또는 25 내지 35%일 수 있다. 알코올성 고분자의 함량을 상기 범위 내로 조절함으로써, 탈수축합 중합반응으로의 전환율을 높을 수 있고, 친수성기가 소수성기로 전환되는 전환율을 높여 내수성을 높일 수 있으며, 전도성 유화제의 고유 성질의 변질을 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자로 이루어진 그라프트 공중합체의 제조방법으로서, 친수성기를 갖는 전도성 유화제를 포함하는 전도성 유화제 용액을 준비하고, 한편으로는 두 개의 말단기를 가지며, 제1 말단기는 친수성기이고, 제2 말단기는 소수성기인 알코올성 고분자를 준비한다. 그런 다음, 상기 전도성 유화제 용액에 상기 알코올성 고분자를 혼합하여, 혼합용액을 제조한다. 그런 다음, 상기 혼합용액을 열처리하여, 상기 전도성유화제의 친수성기와 상기 알코올성 고분자의 친수성기를 탈수축합반응시켜, 소수성기만을 갖는 그라프트 공중합체를 형성할 수 있다.
상기 제조 방법 중 상기 전도성 유화제 용액은 탈이온수와 전도성 유화제를 혼합하여 제조할 수 있으며, 고형분의 함량은 5 내지 20 중량%일 수 있다. 또한, 상기 전도성 유화제 용액과 상기 알코올성 고분자의 혼합과정은 교반시켜 용해시키는 것으로 이루어지며, 10 내지 150℃ 범위의 온도에서, 5 내지 120 분 동안 교반시켜 용해시킬 수 있다. 특히, 탈수축합반응을 위한 상기 열처리 과정은 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도에서, 5 내지 60 분 동안 수행할 수 있다.
금속 나노와이어가 유리나 플라스틱과 같은 투명한 기판 위에 그물망처럼 네트워크를 형성하면서 층을 이루어 코팅이 되는 경우, 높은 광투과율 특성과 금속이 가지는 높은 전기 전도도 특성에 의하여 우수한 전기 전도도를 갖는 투명 전극을 제조할 수 있다.
그러나, 예를 들어, 은을 이용한 나노와이어 전극의 경우 대기 중에 노출이 되면, 산소와 만나는 즉시 Ag2O, AgO, Ag2O2 등의 형태로 은 산화막이 형성될 수 있다. 오랜 시간 동안 대기 중의 산소에 노출이 되면 은의 색깔이 검은색으로 변하게 되고, 전기저항이 500 배 이상 급격하게 높아지게 된다. 이러한 은의 산화는 투명 전극의 신뢰도를 크게 저하시키게 된다. 예를 들어, 장시간의 대기 중 노출에 의해서 은 나노와이어가 산화되는 문제점이 있었다. 이에 대해, 본 발명은 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 보호층을 형성함으로써, 상기 문제점을 해결하면서, 높은 전기 전도도를 갖는 전극을 제조할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극의 제조방법은, 하나의 예로서,
투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하여 집전체를 형성하는 단계;
집전체 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 투명 기판 상에 은 나노와이어를 코팅하여 집전체를 형성할 수 있다. 그런 다음, 상기 집전체 상에 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 이용하여 보호층을 형성할 수 있다. 그런 다음, 상기 보호층 상에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설폰산, 폴리피롤:폴리스티렌설폰산, 폴리티오펜:폴리스티렌설폰산 및 폴리아닐린:폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 전도성 고분자층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 투명 기판의 종류, 금속 나노와이어의 종류, 금속 나노와이어의 구조, 보호층의 구성, 전도성 고분자 및 유화제는 상기 설명한 바와 동일할 수 있다.
예를 들어, 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리이미드, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리스티렌설폰산, 폴리아세틸렌, 폴리(p-페닐렌), 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(p-페닐렌 비닐렌) 및 폴리티오펜 폴리(티에닐렌 비닐렌)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자는 유화제를 이용하여 합성된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)일 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 고분자는 수평균 분자량이 50 내지 100,000인 것을 사용할 수 있다.
상기 보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계에서, 용액은 도펀트를 더 포함할 수 있다.
도펀트의 종류는 고분자의 결정도를 향상시키는 물질이라면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide), 4-메톡시페놀(4-Methoxyphenol), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 니트로메탄(Nitromethane), 메틸알코올(Methyl alcohol), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 및 포름산(Formic acid) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액은 개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 개시제는 2 종의 산화제를 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 과황산 나트륨(Sodium persulfate(SPS)), 과황산 암모늄(Ammonium persulfate(APS)) 및 30 중량% 과산화수소 수용액 (Hydrogen peroxide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종 이상의 제 1 산화제와 FeCl3, Fe2(SO4)3 및 Fe(PTS)3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1 종 이상의 제 2 산화제를 사용할 수 있다.
상기 보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계 이후에,
금속 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매에 침지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는, 슈퍼 커패시터용 전극의 전기 전도도 향상을 공정일 수 있다.
구체적으로, 투명 기판 상에 금속 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층을 형성한 후, 상기 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매에 침지시켜 상기 전도성 고분자층에 남아있는 유화제를 녹여낼 수 있다. 이를 통해, 저항을 유발하는 유화제를 제거함으로써, 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
상기 친수성 용매는, 전도성 고분자층 내의 유화제를 녹여내어 제거할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 에틸렌글리콜, 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, 4-메톡시페놀, 아세토나이트릴, 사이클로헥사논, 니트로메탄, 메틸알코올, 테트라히드로푸란 및 포름산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 친수성 용매는 디메틸설폭사이드일 수 있다.
또한, 이러한 친수성 용매는 전도성 고분자의 도펀트로 작용할 수 있다. 열처리 시 고분자 사슬을 재배열시켜 고분자 사슬의 결정도 및 결정립 크기(grain size)를 증가시킴으로써, 전자들의 이동을 용이하게 하고, 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)의 경우, 후처리 공정 후에 젖어있는 친수성 용매를 건조하기 위하여 열처리를 할 때, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 사슬을 재배열시킬 수 있다. 이를 통해, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 사슬의 결정도 및 결정립 크기(grain size)를 증가시킴으로써 전자들의 이동을 용이하게 하여 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 슈퍼 커패시터의 특성을 증가시킬 수 있다.
상기 친수성 용매를 이용한 침지단계에서, 침지 시간은 5 내지 240 분일 수 있다. 예를 들어, 상기 침지 시간은 30 내지 180 분, 40 내지 180 분 또는 50 내지 150 분일 수 있다. 상기 범위 내의 침지 시간을 통해, 기판 및 전도성 고분자층이 형성된 적층체 내에 존재하는 유화제를 충분히 제거하여 높은 전기적 특성을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 슈퍼 커패시터용 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질을 중심으로, 본 발명에 따른 전극이 대향하고 있는 구조일 수 있다. 구체적으로, 전해질을 중심으로, 전도성 고분자층, 보호층, 금속 나노와이어 및 투명 기판이 순차 적층된 구조일 수 있다.
상기 전도성 고분자층, 보호층, 금속 나오와이어 및 투명 기판은 상기 설명한 바와 동일할 수 있다.
상기 전해질은 양 전극을 통해 가해진 전압으로부터 전도성 고분자층 표면과 전하를 교류하여 축전을 하기 위한 매개체로서, 예를 들어, 산소 및 질소를 함유하는 유기 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 전해질은 암모늄염 전해질, 나트륨염 전해질, 리튬염 전해질, 철염 전해질, 설폰산 화합물 및 황산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 암모늄염 전해질은, 예를 들어, tetra-n-Bu4NClO4, n-Bu4NPF6, n-Bu4NBF4 및 n-Et4NClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 나트륨염 전해질은, 예를 들어, NaPF6, NaBF4 및 NaClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 리튬염 전해질은, 예를 들어, LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7) 및 환상 알킬렌기를 갖는 리튬염 전해질 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환상 알킬렌기를 갖는 리튬염은 (CF2)2(SO2)2NLi 및 (CF2)3(SO2)2NLi 등을 포함할 수 있다.
상기 철염 전해질은, 예를 들어, 산화철(III) p-톨루엔설폰산을 포함할 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극을 제조하였다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, (a) 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 투명 기판 상에 (b) 물 1 g에 은 나노와이어 0.01 g을 포함하는 용액을 제조하여 도포한 후 150℃ 의 온도로 열처리를 하여 코팅하였다.
그런 다음, (c) 상기 은 나노와이어 상에 폴리스티렌설폰산과 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르가 5:2로 결합된 그라프트 공중합체를 도포한 후 150℃ 의 온도로 열처리를 하여 보호층을 형성하였다. 그런 다음, (d) 상기 보호층 상에 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스티렌설폰산(PSS)의 복합체(Aldrich CAS Number: 155090-83-8) 10 g에 디메틸 설폭사이드(DMSO:SIGMA Aldrich 154938-100ml) 0.5 g을 혼합한 용액을 코팅한 후, 150℃의 온도에서 약 15 분 동안 열처리하여 기판 상에 전도성 고분자층을 형성하였다. 그런 다음, 상기 은 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매인 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide)에 침지한 후, 150℃의 온도에서 10분 동안 건조하여 슈퍼 커패시터용 전극을 제조하였다.
비교예
1
인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 상에 상기 실시예 1에 따른 전도성고분자층을 형성하여 슈퍼 커패시터용 전극을 제조하였다.
비교예
2
스테인리스 강(stainless steel) 상에 상기 실시예 1에 따른 전도성고분자층을 형성하여 슈퍼 커패시터용 전극을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 슈퍼 커패시터용 전극을 이용하여 면저항, 계면 전기용량 및 광투과도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
| 면저항 (Ω/□) | 계면 전기용량(F/cm2) | 광투과도 (%) | |
| 실시예 | 10 | 0.003 | 65 |
| 비교예 1 | 10 | 0.001 | 55 |
| 비교예 2 | 0.002 | 0.013 | 0 |
상기 표 1을 보면, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터용 전극은 기존에 가장 많이 사용되고 있으나, 높은 비용 및 대면적으로 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있는 인듐 주석 산화물을 이용한 전극(비교예 1)과 비교하여, 동등한 면저항을 나타내며, 우수한 계면 전기용량 및 우수한 광투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- 투명 기판;
투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어;
금속 나노와이어에 코팅된 전도성 고분자층; 및
금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 형성된 보호층을 포함하며,
계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고, 광투과도는 60% 이상인 슈퍼 커패시터용 전극.
- 제 1 항에 있어서,
금속 나노와이어는 은, 금, 구리, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극.
- 제 1 항에 있어서,
금속 나노와이어는
평균 직경은 0.1 내지 100 nm이고,
평균 길이가 0.5 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극.
- 제 1 항에 있어서,
전도성 고분자층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설폰산, 폴리피롤:폴리스티렌설폰산, 폴리티오펜:폴리스티렌설폰산 및 폴리아닐린:폴리스티렌설폰산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극.
- 제 1 항에 있어서,
보호층은 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극.
- 제 1 항에 있어서,
보호층은 하기 화학식 1 또는 2로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서,
R1은 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R2는 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R3은 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R4는 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
- 투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하여 집전체를 형성하는 단계;
집전체 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 슈퍼 커패시터용 전극의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계에서,
용액은 도펀트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
보호층 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계 이후에,
금속 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매에 침지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터용 전극의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 슈퍼 커패시터용 전극을 포함하는 슈퍼 커패시터.
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|---|---|---|---|
| KR1020140002509A KR101520571B1 (ko) | 2014-01-08 | 2014-01-08 | 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 |
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| KR1020140002509A KR101520571B1 (ko) | 2014-01-08 | 2014-01-08 | 투명하고 유연한 슈퍼 커패시터용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 |
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| KR (1) | KR101520571B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11189424B2 (en) | 2019-09-04 | 2021-11-30 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Multilayer electronic component |
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