KR101592384B1 - 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성을 확보하면서도 전극의 두께를 줄일 수 있어 단위 모듈당 전극의 적층수를 획기적으로 늘림으로써 모듈당 처리 효율을 향상시킬 수 있는 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 양극 및 음극으로 구성되는 탄소전극; 및 다공성의 메쉬망에 그라파이트 용액이 침지 또는 도포되며 상기 양극과 음극의 탄소전극 사이에 배치되는 도전체;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법{Monobloc type capacitive deionization electrode and manufacturing method}
본 발명은 전도성을 확보하면서도 전극의 두께를 줄일 수 있어 단위 모듈당 전극의 적층수를 획기적으로 늘림으로써 모듈당 처리 효율을 향상시킬 수 있는 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
우리나라의 경우 용수 부족현상이 심각하여 가용 수자원의 의존도를 줄여 나가면서 하, 폐수 처리수와 같은 고도처리 방류수를 다양한 용도로 재이용하고 지하염수 및 해수의 탈염을 통한 양질의 음용수 확보, 중금속을 포함한 다양한 이온성 오염물에 의해 오염된 지하수의 처리를 통한 깨끗한 수자원의 확보를 위한 노력을 꾸준히 진행하고 있다. 이를 위해서는 수중의 유기물 뿐만 아니라, 부유성 고형물, 바이러스, 용존 고형물, 난분해성 물질, 냄새, 색도 등을 제거해야 한다. 특히, 물속에 존재하는 다양한 이온성 물질들을 제거하는 탈염(Desalination or Deionization) 기술은 고도 수처리 기술 개발을 위한 필수 요소기술로 그 중요성이 점차 강조되고 있는 실정이다. 현재 상업적으로 개발?이용되고 있는 탈염기술로는 종래의 증발법(Distillation), 역삼투법(RO: Revers Osmosis), 전기투석법(ED: Electrodialysis), 이온교환법(IEX: Ion exchange) 등이 있으며, 이들 공정들은 기술적으로 검증되어 실제 탈염시설에 많이 적용되고 있다. 그러나 이들 공정은 탈염과정에서 에너지 비용이 높고 막 오염으로 인한 효율 저하 등의 문제점으로 점차 효과적이고 에너지 비용을 줄일 수 있는 새로운 탈염기술에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.
이러한 종래 탈염기술들의 문제점에 기해 새로운 탈염기술로 축전탈이온 반응장치(CDI, Capacitive Deionization)가 제시되는데, 축전탈이온 반응장치는 다공성 탄소전극에 미량의 전류을 공급하여 전기적으로 대전된 전극표면에 이온을 흡착?제거하는 수처리 장치(공정)이다. 상기 축전탈이온 반응장치에서, 음이온은 양전극으로 이동하며, 양이온은 음전극으로 이동하여 흡착된다.
이러한 전기적 흡착반응에 의해 각각의 대전된 전극 표면에 흡착된 이온은 공급 전류의 차단 및 역전위의 공급에 의한 탈착반응에 의해 제거되도록 하는 것이다. 이러한 축전탈이온 반응장치에 있어 전극을 제조시 일반적으로 전도성 재질의 도전체 상부에 카본 파우더를 슬러리 형태로 제조하여 코팅함으로써 집전체를 형성하도록 하고 있다. 그런데 이와 같이 슬러리를 코팅함으로써 집전체를 형성하는 경우 슬러지 제조자체가 번거로운 작업이며, 코팅층의 두께를 일정하게 하는 것이 용이하지 않아 이온흡착이 불균일하게 이루어지고 전극 사이에 유체가 흐를 때 단회로(short circuit) 현상이 발생하여 탈염효율을 저하시키는 문제가 있다.
한편 축전탈이온 반응장치에 있어 탈착반응시 탈착된 이온이 반대전극으로 재흡착 되는 문제가 있는데, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 이온교환막이 전극 사이에 게재되는 막결합형 축전탈이온 반응장치(MCDI, Membrane Capacitive Deionization)가 제시되었다. 이러한 기술은 전극에 이온교환막이 결합한 형태로 양전극에는 음이온교환막이 결합되어 있고, 음전극에는 양이온교환막이 결합되어 있다. 이 경우도 흡착반응시에는 음이온과 양이온이 선택적으로 이온교환막을 통과하여 전극에 흡착된다. 이와 반대로 탈착반응시에는 탈착된 이온이 재흡착되는 현상을 방지할 수 있으므로, 결국 이온 제거효율이 증가하게 되는 것이다. 그러나 이 경우도 이온교환막 자체의 이온 이동저항과 이온교환막과 캐패시터 전극 사이의 계면의 발생으로 인한 접촉저항(contact resistance, Rc) 등으로 전체 시스템의 저항이 증가하게 된다. 이러한 저항의 증가는 결국 이온 제거효율이 저하되는 문제점을 발생시키게 된다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 대한민국 특허공개 2010-25473호 등에서는 축전탈이온 반응장치에 사용되는 전극(이하 "축전탈이온 전극"이라함)을 제조함에 있어 양이온교환기 및 음이온교환기를 갖는 고분자 수지, 전극활물질 등을 유기용매에 용해시킨 슬러리를 집전체에 코팅시켜 이온교환막 없이 재흡착을 방지할 수 있는 기술이 제시되었다.
그러나, 상기 슬러리를 전도성 흑연 시트에 코팅하여 상온에서 건조시켜 전극을 제조하고 있으나, 이 경우 전극의 전도성에 있어 양호하나 전극에 코팅층을 형성하고 두께를 균일하게 하는 공정이 부가됨으로 제조 공정이 용이하지 않으며 코팅된 흑연 시트 외에 전극을 보강하기 위한 다른 소재가 사용되지 않아 쉽게 부서지는 등 가공성이 좋지 않은 단점이 있다.
특히, 기준치 전도성을 발휘하기 위해 슬러리의 코팅층이나 흑연 시트가 일정 두께 이상으로 제조되어야 함에 따라 전극 전체의 두께가 두꺼워져 단위 모듈에 전극을 적층 구성함에 있어 제한이 있으며 부피를 많이 차지하는 단점이 있다.
대한민국 특허공개 2010-25473호
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가공성이 우수하며 전극의 내구성이 향상되고, 전극의 두께를 얇게 형성하면서도 전도성을 유지할 수 있어 단위 모듈당 전극의 적층수를 늘림으로 처리 효율을 증가시킬 수 있는 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 일체형 축전탈이온 전극은, 양극 및 음극으로 구성되는 탄소전극; 및 다공성의 메쉬망에 그라파이트 슬러리가 침지 또는 도포되며 상기 양극과 음극의 탄소전극 사이에 배치되는 도전체;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서 상기 탄소전극은 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 것이며, 상기 그라파이트 슬러리는 그라파이트 분말, 수성바인더 및 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서 상기 탄소전극에 있어 양극 및 음극의 노출면에는 이온교환막이 각각 부착되되 전극슬러리의 경화에 의해 수성바인더와 이온교환막의 결합으로 부착되도록 할 수 있으며, 다른 예로서 상기 탄소전극에 있어 양극 및 음극의 노출면에는 이온선택성 수지코팅층이 도포되되, 상기 이온선택성 수지코팅층은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 이루어지며, 상기 이온선택성 수지분말은 양이온교환기를 가지는 고분자 수지 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지인 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 분산제가 더 배합되되, 분산제는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것이 타당하며, 더욱 바람직하게 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 분산제에 더하여 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 배합되도록 하는 것이 타당하다.
또한, 하나의 예로서 본 발명의 탄소전극은 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 제 1전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 제 1 탄소전극, 상기 제 1 탄소전극의 하부에 부착되며 수성바인더, 활성탄소 계열의 전극활물질, 그라파이트 분말 및 물을 포함한 제 2전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 제 2 탄소전극으로 구성될 수 있다.
한편 본 발명의 일체형 축전탈이온 전극 제조방법은 다공성 메쉬망에 그라파이트 슬러리를 침지 또는 도포하여 도전체를 구성하는 단계; 상기 도전체에 상부 및 하부에 각각 탄소전극을 부착하는 단계; 및 상기 도전체에 상기 탄소전극을 압착하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법은 도전체의 양면에 양극 및 음극의 탄소전극을 각각 일체로 구성되도록 함으로써 전극의 두께를 줄일 수 있어 종래 전극과 대비하여 단위 모듈의 구성시 전극의 적층수를 늘릴 수 있으며, 그에 따라 모듈 구성에 있어 같은 용량으로 더 좋은 효율을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일체형 축전탈이온 전극 및 그 제조방법은 전극전체에 걸쳐 물에 분산되는 수성 바인더를 사용하기 때문에 전극의 제조과정에서 유기용매의 사용에 따른 기존의 환경오염 문제를 해결할 수 있으며, 제조과정에서 유기용매를 회수하여 처리하기 위한 별도의 장치(시설)이 필요 없어 제조과정이 용이하고 경제적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일체형 축전탈이온 전극의 구성을 나타내는 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 일체형 축전탈이온 전극의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 이온교환층이 부가된 축전탈이온 전극의 실시 예를 나타내는 개략도.
도 4는 도 3의 이온교환층을 나타내는 개략도.
도 5는 본 발명의 탄소전극의 실시 예를 나타내는 분해사시도.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 축전탈이온 전극의 제조방법을 나타내는 개략도.
이하 본 발명의 실시 예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 일체형 축전탈이온 전극(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 양극 및 음극으로 구성되는 탄소전극(110)과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되며 다공성의 메쉬망(121)에 그라파이트 슬러리(122)가 침지 또는 도포된 도전체(120)를 포함하여 구성된다. 즉 본 발명은 메쉬망(121)에 그라파이트 슬러리(122)가 침지 또는 도포된 상태의 도전체(120) 양면에 양극 및 음극을 각각 부착시킴으로써 양극 및 음극 즉 탄소전극(110)과 도전체(120)가 일체로 구성되도록 하여 전극의 두께를 줄일 수 있어 종래 전극과 대비하여 단위 모듈의 구성시 전극의 적층수를 늘릴 수 있으며, 그에 따라 모듈 구성에 있어 같은 용량으로 더 좋은 효율을 제공할 수 있도록 하는 것이다. 또한 이러한 전극의 두께를 줄일 수 있도록 하면서 밀실한 구조가 형성되도록 하기 위해 탄소전극(110)과 도전체(120)는 부착후 압착을 거치도록 할 수 있다.
상기 도전체(120)의 메쉬망(121)은 중심부에 배치되어 일체형 축전탈이온 전극(100)의 기계적 강도를 증가시키게 된다.
즉, 본 발명의 일체형 축전탈이온 전극(100)은 상술한 메쉬망(121)을 보강재로 사용하고 이러한 메쉬망(121)에 전도성이 우수한 그라파이트 슬러리(122)를 침지 또는 도포함으로써, 종래 그라파이트 소재로 구성된 도전체와 비교하여 동일한 전도성을 갖으면서도 그 기계적 강도와 가공성은 향상되는 효과가 발생되도록 하는 것이며, 슬러리 상태에서 양면에 탄소전극(110)이 부착되도록 하여 일체형의 형성이 용이하도록 하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 그라파이트 슬러리(132)의 조성으로 그라파이트 분말과 수성바인더 및 물을 포함하는 조성을 제시한다. 이는 도전체(120)를 구성함에 있어 수성바인더와 물에 의해 그라파이트 분말을 바인딩하여 유기용매를 사용하지 않아도 되는 친환경적인 도전체(120)를 제공하기 위함이다. 여기서 수성바인더는 하기에서 상세히 설명한다.
상기 탄소전극(110)은 양극 및 음극 모두 전극활물질, 수성바인더, 물을 배합한 전극슬러리의 경화에 의해 형성된다.
상기 전극활물질은 비표면적과 전기전도성이 높은 탄소계열의 물질로서, 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 탄소나노튜브, 탄소에어로겔, 그래핀 등 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며 미세한 분말로 제조하여 사용하는 것이 좋다. 또한 금속 산화물 계열의 물질로서 TiO2, MnO2, SiO2, MgAl2O4 등 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
이러한 전극활물질은 선택되어진 물질에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있으며 평균 입경이 10μm 이하인 것, 보다 구체적으로는 100 nm ~ 10μm를 사용하는 것이 전극슬러리를 제조하는데 편리하고 전극의 성능을 증가시키는데 바람직하다. 또한 전극활물질이 차지하는 비중은 전극슬러리의 고형분 중에서 60 ~ 95중량% 범위를 사용하는 것이 정전용량이 높은 전극을 제조하는데 바람직하다.
또한 전극의 전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 전극슬러리에는 전극활물질과 함께 전도성물질을 더 첨가할 수 있으며 전기전도성이 높고 전기화학반응에 안정적인 물질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면 케첸블랙, 아세틸렌블랙, SRF 카본 등의 전도성 카본블랙과 그래파이트 파우더 등을 사용할 수 있다. 이러한 전도성 물질은 물성에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전극의 정전용량과 전도성을 만족시키기 위해서는 전극활물질 100중량부에 대하여 전도성물질 1 ~ 10 중량부의 범위를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 전도성 물질의 평균 입경은 구체적으로 제한되지는 않으나 평균입경이 1μm 이하인 것, 보다 바람직하게는 10 nm ~ 1μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전극슬러리의 조성으로서 수성바인더는 수성 에멀젼수지가 사용되는 것이 타당하다. 여기서 수성 에멀젼 수지의 평균 입경을 제한하는 것은 아니나 입경이 10 nm ~ 1μm인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm의 마이크로 에멀젼을 사용하는 것이 전극슬러리의 분산과 전극활물질을 결합하는데 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 또한, 전극슬러리의 고형물 중에서 수성 에멀젼 수지가 차지하는 비중은 5 ~ 50중량%가 배합되는 것이 바람직하고 더욱 좋게는 10 ~ 30중량%인 것이 바람직하다. 이렇게 배합량을 한정하는 이유는 수성 에멀젼 수지가 5중량% 미만일 경우 전극활물질을 충분히 바인딩하지 못하고 50중량%를 초과하는 경우 바인더의 함량이 많아 전극의 전기저항이 증가하여 전극의 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
이러한 수성 에멀젼수지는 초산비밀계 에멀젼수지, 아크릴계 에멀젼수지, 합성고무계 에멀젼수지, 에폭시계 에멀젼수지, 우레탄계 에멀젼수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용됨이 타당하다. 이렇게 전극슬러리를 제조함에 있어 물에 분산되어 있는 수성 에멀젼 수지를 사용함에 따라 유기용매를 사용하지 않고도 전극슬러리를 제조할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 탄소전극(110)은 전극슬러리를 상기 도전체(120)에 도포하여 건조과정에 의해 자동적으로 부착이 되도록 하는 것이며, 건조과정 중 또는 건조과정 후 롤 프레싱(roll pressing) 등에 의해 상기 탄소전극(110)과 상기 도전체(120)가 압착되도록 할 수 있는 바, 압착에 의해 상기 그라파이트 슬러리 및 상기 전극슬러리의 조성이 상호 침투되면서 경화되어 일체가 됨으로써 구조의 치밀성이 향상되도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 상기에서 언급한 조성에 더하여 분산제가 첨가되도록 하는 것이 타당하다. 분산제는 triethanolamine oleate, sodium oleate, potasium oleate 등의 음이온성 계면활성제, N-cetyl-N-ethylmorphorinium sulphate 등의 양이온성 계면활성제, oleic acid, sorbitan trioleate, sorbitan monolaurate 등의 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 분산제의 사용량은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1 ~ 1중량% 범위가 되도록 하는 것이 바람직한바, 만약 이의 사용량이 0.1 중량% 보다 적으면 분산 효과가 저하되어 바람직하지 못하며 1.0 중량%를 초과하면 분산과정에서 기포가 발생되어 경화후 전극의 내구성이 저하되는 문제가 있어 이와 같이 한정하는 것이다.
그런데 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에 분산제를 첨가하여 전극활물질, 수성바인더 등이 물에 균일하게 분산되도록 하는데는 상기에서 언급한 바와 같이 기포발생, 점성저하 등에 의해 전극의 내구성 저하의 문제가 발생될 수 있는 바, 본 발명에서는 분산과정에서 기포발생을 최저화 하면서 분산후에도 점성 저하에 의해 강도가 저하되는 것을 제어하기 위해 일정 배합범위에서 분산제를 첨가함과 더불어 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 한다. 이러한 물질이 더 배합되도록 하여 슬러리의 점탄성을 향상시킴으로써 분산과정에서 점성을 낮추어 균일한 분산이 이루어지도록 함과 동시에 분산 후 점성이 복원되도록 하여 전극의 강도저하를 방지하도록 하는 것이다. 이러한 조성은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1~1 중량% 범위로 포함시키도록 하는 것이 바람직한 바, 이는 적절한 점도를 유지하도록 하여 제조가 용이하도록 하면서 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.
한편 도 3은 수지코팅층이 부가된 축전탈이온 전극의 실시 예를 나타내는 개략도이며, 도 4는 도 3의 수지코팅층을 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따른 축전탈이온 전극(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 탄소전극(110)에 부착되는 이온 교환막(도면에 도시되지 않음) 또는 이온선택성 수지코팅층(130)을 더 포함할 수 있다.
일 예로써 상기 이온교환막은 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 통상의 합성수지막으로, 이러한 이온교환막은 공지 기술 등을 통해 다양하게 실시될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 이온교환막은 상기 탄소전극(110)의 외면 즉 양극 및 음극의 노출면에 각각 적층되는 것으로, 상기 탄소전극(110)이 가지는 양극 또는 음극의 성질에 따라 선택적으로 양이온교환막 또는 음이온교환막으로 구성될 수 있음은 당연하다. 상기 이온교환막의 두께를 한정하는 것은 아니지만, 이온교환막의 두께는 10 ~ 300μm인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ~ 50μm 두께의 이온교환막을 사용하는 것이 전극을 제조하는데 용이하고 전극의 전기저항을 줄이는데도 바람직하다.
상기 이온교환막을 탄소전극(110)에 부착시킴에 있어 상기 탄소전극(110)을 형성하는 전극슬러리가 건조전(경화전)에 상기 이온교환막이 안치되도록 한 후에 1전극슬러리가 경화과정에 의해 이온교환막이 자동적으로 부착되도록 하는 것이 타당하다. 더욱 바람직하게는 압착에 의해 건조전 전극슬러리와 이온교환막 사이에 밀착이 이루어지도록 한 후에 건조과정을 거쳐 탄소전극(110)이 경화됨과 동시에 이온교환막이 탄소전극에 부착되도록 하는 것이 타당하다. 이는 건조전 탄소전극(110)과 이온교환막 사이에 생길 수 있는 공기방울을 제거하고 완전한 밀착이 이루어지도록 하기 위한 것으로 탄소전극(110)의 건조과정에 의한 이온교환막 부착시 공기방울의 존재에 의한 들뜸 등의 문제를 방지하기 위한 것이다. 또한, 이러한 압착에 의해 전극이 더욱 밀실한 구조를 갖도록 함으로써 강도 등 물성이 향상되도록 하기 위한 것이다.
이러한 압착과정후에 마지막으로 건조에 의해 탄소전극(110)과 이온교환막을 부착시키도록 한다. 건조전(경화전) 탄소전극(110)에 포함된 물을 건조하여 제거함으로써 탄소전극(110)에 있어서 전극활물질과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이며 이와 동시에 이온교환막과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이다. 즉 건조과정만으로 탄소전극(110)이 경화되도록 함에 따라 자동적으로 탄소전극(110)과 이온교환막이 부착되어 전극과 이온교환막이 일체형인 복합전극이 제조되는 것이다. 이렇게 제조되는 복합전극은 건조과정만에 의해 제조됨으로써 공정이 단순하고, 별도의 접착공정에 의해 발생될 수 있는 계면저항을 줄일 수 있게 되는 것이다. 이러한 건조과정은 상온 ~ 100℃의 온도 분위기에서 상압 또는 진공 상태에서 전극슬러리의 물이 건조되도록 하는 것이 타당하다.
한편 다른 예로써, 상기 탄소전극(110)의 외면 즉 양극 및 음극의 노출면 각각에는 이온선택성 수지코팅층(130)이 도포되도록 구성될 수 있다.
상기 이온선택성 수지코팅층(130)은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 구성됨을 특징으로 하는 바, 도 4에서 보는 바와 같이 이온선택성 수지분말(131)은 물에 난용성으로 구성되어 수성바인더와 물의 혼합물(132)에 의해 이온선택성 수지코팅층(130)에서 입자형태로 노출되도록 존재하게 되는 것이다. 즉 상기 이온선택성 수지분말(131)이 입자형태로 존재함에 따라 이온과 반응면적을 크게 할 수 있으므로 이온흡착 및 탈착효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.
본 실시 예의 경우는 이온선택성 수지코팅층(130)이 탄소전극(110)에 도포 또는 압착되어 이온교환막을 사용하지 않음에 따라 접촉저항 등을 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편 상기 이온선택성 수지분말(131)의 입도는 상기 수지코팅층(130)과 용액이 흡착평형을 도달하도록 하는데 중요한 역할을 한다. 이온선택성 수지분말(131)의 입도를 작게 할수록 반응면적을 넓힐 수 있어 이온을 선택적으로 흡착시키는데 유리하다. 상기 이온선택성 수지분말(131)의 입도는 40 nm 내지 40 ㎛ 크기가 바람직하다. 또한, 상기 수지코팅층(130)의 두께는 20 내지 120㎛ 범위로 한정하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 이온흡착효율을 높이는데 바람직하다.
특히 상기 이온선택성 수지분말(131)은 상기 물에 난용성인 것을 특징으로 하는 바, 여기서 난용성이라는 것은 5wt%이하의 용해도인 것으로 정의한다.
상기 이온선택성 수지분말(131)로는 양이온교환기를 가지는 고분자 수지분말 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자수지 분말이 사용됨이 타당하다.
상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 사용함이 타당하고, 음이온 교환기는 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4) 및 3급 술폰니움기(-SR3)로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 사용하는 것이 타당하다.
상기 이온선택성 수지분말(131)에 있어 고분자 수지는 그 종류를 한정하지 않으나, 폴리(스티렌-다이비닐벤젠), 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리글리시딜메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기와 같은 구성의 코팅층(130)은 이온선택성 수지 분말(131) 100 중량부에 대하여 수성바인더 10 내지 400중량부, 물 100 내지 700중량부로 배합됨이 타당하다. 여기서 상기 수성바인더의 용해와 이온선택성 수지분말(131)의 혼합을 위한 물의 첨가량이 100 중량부 미만이 되면 균일하게 혼합되지 않을 수 있으며 700 중량부를 초과되면 수성바인더와 물의 혼합물의 점도가 감소하여 상기 탄소전극(110)에 코팅층(130)의 형성이 용이하지 않은 문제가 있어 이와 같이 한정한다. 또한 상기 코팅층(130)의 경우도 분산제를 첨가함과 더불어 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 하는 것이 타당하다.
한편 본 발명의 탄소전극은 도 5에서 보는 바와 같이 2중층으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 탄소전극(110)을 살펴보면, 제 1 탄소전극(110-1)과, 상기 제 1 탄소전극(110-1)의 하부에 부착되는 제 2 탄소전극(110-2) 으로 구성되는 것이다.
우선 상기 제 1 탄소전극(110-1)은 앞서 설명한 바와 같이 최외측에 배치되는 전극으로 이온 흡착을 주목적으로 하고 있는 바, 다공성이 우수한 활성탄소계열의 전극활물질이 주 소재로 사용된다. 상기 제 1탄소전극(110-1)은 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 제 1전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 것으로 활성탄소계열의 소재를 주제로 사용함으로써 탄소계열의 특성상 공극을 제공하여 각각 양이온 또는 음이온이 용이하게 침투 및 흡착될 수 있게 한다.
본 실시 예에 따른 제 1 탄소전극(110-1)의 배합 즉 제 1전극슬러리의 배합은 상기 물 100 중량부에 대하여 활성탄소계열의 전극활물질 80 내지 150중량부 및 수성바인더 5 내지 20 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 이처럼 상기 제 1 탄소전극(110-1)은 활성탄소계열의 전극활물질의 함량이 상대적으로 큰 비중을 차지하게 함으로써 다공성이 우수한 탄소전극을 제조하게 된다.
그 다음으로 상기 제 2 탄소전극(110-2)은 상기 제 1 탄소전극(110-1)과 도전체(120) 사이에 배치되는 구성으로 상술한 제 1 탄소전극(110-1)과 마찬가지로 흡착 목적을 갖는 것에 더하여, 전도도의 특성을 보다 향상시켜 상기 제 1 탄소전극(110-1)을 통한 이온의 흡착을 능력을 보다 증대시키기 위한 목적을 가지고 있다.
이러한 제 2 탄소전극(110-2)은 제 2전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 것으로, 수성바인더와 물과, 활성탄소계열의 전극활물질 및 전도성 물질로서 그라파이트 분말을 배합하여 구성됨에 특징이 있다. 이러한 제 2 탄소전극(110-2)이 활성탄소계열의 전극활물질 및 전도성 물질인 그라파이트 분말을 수성바인더로 물에 의해 바인딩하여 전극의 비표면적과 축전용량 및 전극의 전기 전도도를 향상시키도록 하기 위함이다. 상기 제 2탄소전극(110-2)은 물 100중량부에 대하여 활성탄소계열의 전극활물질 40 내지 100중량부 및 수성바인더 5 내지 20중량부 및 그라파이트 분말 100 내지 200중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 활성탄소계열의 전극활물질이 40중량부 미만이면 점도가 감소하여 탄소전극의 강도가 감소하는 문제가 있으며, 100중량부를 초과하는 경우 배합 조성의 균일한 분산이 이루어지지 않는 문제가 있어 이와 같이 한정한다.
이와 같이 상기 제 2 탄소전극(110-2)은 전도성이 우수한 그라파이트 분말을 첨가함으로써 상기 제 1 탄소전극(110-1)보다 상대적으로 높은 전도성을 갖도록 하여 전기저항을 줄임으로써 이온을 당기는 힘을 향상시키고 최외측에는 흡착 능력이 뛰어나며 다공성 특성을 갖는 제 1 탄소전극(110-1)을 배치함으로써 이송되는 이온들을 보다 전극 깊숙히 침투 및 흡착시킬 수 있도록 하는 바, 이러한 제 1 탄소전극(110-1) 및 제 2 탄소전극(110-2)에 의한 복합적인 작용으로 인해 일체형 전극(100)의 흡착효율을 극대화시킬 수 있게 되는 것이다.
한편 도 6은 본 발명에 따른 일체형 축전탈이온 전극의 제조방법을 나타내는 개략도로 본 발명의 일체형 축전탈이온 전극 제조방법을 살펴보면, 다공성 메쉬망(121)에 그라파이트 슬러리(122)를 침지 또는 도포하여 도전체(120)를 구성하는 단계(S100)와, 상기 도전체(120)에 상부 및 하부에 탄소전극(110)을 부착하는 단계(S200) 및 상기 도전체(120)에 상기 탄소전극(110)을 압착하는 단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
상기 탄소전극(110)은 상기 도전체(120)의 상부 및 하부에 부착되는데 부착과 동시 또는 후에 상기 탄소전극(110)을 압착하는 것이다. 여기서 상기 탄소전극(110)의 압착은 공지기술 등을 통해 다양한 공정에 의해 수행될 수 있으며, 일 예로 롤 프레싱이 이용될 수 있다.
이렇게 압착 공정을 통해 탄소전극(110)을 도전체(120)에 압착하는 이유는 기 언급한 바와 같이 구조의 치밀성을 향상시키기 위함이다. 특히, 이러한 압착 공정을 통해 균일한 두께로 생산되는 일체형 전극(100)은 내부에 프레임 역할을 하는 메쉬망에 의해 내구성이 향상되며 전극의 전반적인 두께를 줄일 수 있어 단위 모듈당 적층수를 획기적으로 늘림으로써 모듈당 처리량을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
100 : 일체형 축전탈이온 전극 110 : 탄소전극
120 : 도전체 121 : 메쉬망

Claims (8)

  1. 양극 및 음극으로 구성되는 탄소전극 및 다공성의 메쉬망에 그라파이트분말, 수성바인더 및 물을 포함하는 그라파이트 슬러리가 침지 또는 도포되며 상기 양극과 음극의 탄소전극 사이에 배치되는 도전체를 포함하고,
    상기 양극 및 음극의 노출면에는 이온교환막 또는 이온선택성 수지코팅층이 형성되며,
    상기 탄소전극은, 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 제 1전극슬러리의 경화에 의해 형성되어 이온흡착을 위한 다공성의 제 1탄소전극, 상기 제 1 탄소전극의 하부에 부착되며 수성바인더, 활성탄소 계열의 전극활물질, 그라파이트 분말 및 물을 포함한 제 2전극슬러리의 경화에 의해 형성되어 상기 제 1탄소전극보다 높은 전도성에 의해 이온을 당기는 힘을 향상시킨 제 2 탄소전극으로 구성됨을 특징으로 하는 일체형 축전탈이온 전극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이온선택성 수지코팅층은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 이루어지며, 상기 이온선택성 수지분말은 양이온교환기를 가지는 고분자 수지 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 일체형 축전탈이온 전극.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 분산제가 더 배합되되, 분산제는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 일체형 축전탈이온 전극.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 분산제에 더하여 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 배합되도록 하는 것을 특징으로 하는 일체형 축전탈이온 전극.

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