KR101827858B1 - 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
유연 마이크로 수퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법은 유연 기판 상에 산화 그라핀을 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀 상에 백색광 펄스 조사 영역을 정의하기 위한 마스크를 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀이 배치된 기판에 백색광 펄스를 1.2 J/cm2 내지 10.0 J/cm2 의 광에너지로 조사하여 상기 마스크가 배치되지 않은 부분의 산화 그라핀을 환원시켜, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하고, 상기 마스크를 제거하는 단계; 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결되는 제1 전류집전체 및 제2 전류집전체를 배치하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되도록 겔화 전해질을 배치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법은 유연 기판 상에 산화 그라핀을 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀 상에 백색광 펄스 조사 영역을 정의하기 위한 마스크를 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀이 배치된 기판에 백색광 펄스를 1.2 J/cm2 내지 10.0 J/cm2 의 광에너지로 조사하여 상기 마스크가 배치되지 않은 부분의 산화 그라핀을 환원시켜, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하고, 상기 마스크를 제거하는 단계; 상기 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결되는 제1 전류집전체 및 제2 전류집전체를 배치하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되도록 겔화 전해질을 배치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 커패시터 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제논 (Xenon) 백색광 이용한 산화 그라핀(graphene oxide)의 환원 공정을 포함하는 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 그라핀 전극 기반의 유연 마이크로 수퍼커패시터에 관한 것이다.
전기화학 커패시터(Electrochemical Capacitor, EC)는 탄소 전극의 표면에 전해질 이온이 흡착되면서 전기이중층(electrical double layer)을 형성함으로써 전기 에너지를 저장하는 장치이다.
전기화학 커패시터가 고용량 및 고출력 특성을 위해서는 탄소 전극의 높은 전기전도도 및 높은 비표면적이 요구된다.
탄소 전극의 소재로는 활성탄소 분말(activated carbon powder)이 현재 상용화되어 사용되고 있다. 이외에도, 탄소 전극의 소재로 활성 탄소섬유(activated carbon fiber), 탄소 에어로젤(carbon aerogel), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 카바이드계 탄소(carbide-derived carbon), 그라핀(Graphene) 등이 연구개발 중에 있다.
그라핀 전극은 통상 산화 그라핀의 환원 방법을 통해서 형성된다. 환원 방법으로 가장 널리 이용되는 것은 환원제를 이용한 화학적 환원 방법이다. 그런데, 이 방법의 경우, 환원 효율이 낮아 환원 그라핀의 전기적 특성이 좋지 못하고, 환원 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이외에도 산화 그라핀의 환원 방법으로 고온 열처리를 이용한 환원 방법, 마이크로웨이브(microwave)나 레이저(laser)를 이용한 환원 방법이 있다. 그러나, 고온 열처리를 이용한 산화 그라핀 환원 방법은 높은 온도로 인하여 내열성이 낮은 고분자 기판 등에는 적용할 수 없는 단점이 있다. 또한, 마이크로웨이브를 이용한 산화 그라핀 환원 방법의 경우 공정 제어가 어렵고 유연 기판에 적용하기 힘든 단점이 있다. 또한, 레이저를 이용한 산화 그라핀 환원방법의 경우 유연 기판에 적용이 가능하나 환원공정시간이 수 분에서 수십 분으로 길어 대면적 공정으로 적용하기에는 제한적이다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0075845호 (2014.06.20. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 그라핀을 이용한 수퍼커패시터 전극 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 제논 램프에서 발생하는 200~1500nm의 넓은 파장 범위의 백색광을 펄스 형태로 변환하여 대상물질에 조사하는 백색광 펄스(intense pulsed light) 조사 기법를 이용하여 수 초 이내의 빠른 공정시간에, 유연 기판 상에 형성된 산화 그라핀를 높은 효율로 환원시키는 공정을 포함하는 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그라핀 기반의 유연 마이크로 수퍼커패시터를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법은 유연 기판 상에 산화 그라핀을 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀 상에 백색광 펄스 조사 영역을 정의하기 위한 마스크를 배치하는 단계; 상기 산화 그라핀이 배치된 기판에 백색광 펄스를 1.2 J/cm2 내지 10.0 J/cm2 의 광에너지로 조사하여 상기 마스크가 배치되지 않은 부분의 산화 그라핀을 환원시켜, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하고, 상기 마스크를 제거하는 단계; 상기 제1 전극에 연결되는 제1 전류집전체 및 상기 제2 전극에 연결되는 제2 전류집전체를 배치하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되도록 겔화 전해질을 배치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PI(Polyimide), PU(Polyurethane) 및 변성 고분자(Modified polymer) 중 하나 이상을 포함하는 유연한 고분자 기판일 수 있다.
또한, 상기 전해질은 수계, 유기용매계 또는 이온성 액체를 이용한 용액 상태의 전해질을 유기 또는 무기 화합물과 혼합하거나 유기물의 겔화 반응을 유도하여 제조한 겔화 전해질(Gelled electrolyte)일 수 있다.
또한, 상기 백색광 펄스는 2.0~5.0 J/cm2의 조사 에너지로 조사되는 것이 보다 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터는 유연 기판; 상기 유연 기판 상에, 전극 이격 영역을 사이에 두고 배치된 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극에 연결되는 제1 전류 집전체와, 상기 제2 전극에 연결되는 제2 전류 집전체; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되는 겔화 전해질;을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 환원 그라핀 재질이고, 상기 전극 이격 영역은 산화 그라핀 재질인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법에 의하면, 백색광 펄스 조사를 이용한 산화 그라핀 환원 공정을 통해 유연 기판상에 형성된 산화 그라핀을 수 초 이내의 매우 빠른시간에 고효율로 환원시킴으로써, 전기전도성이 우수한 환원 그라핀 전극을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법에 의하면, 백색광 펄스의 펄스(pulse) 폭 및 크기 (intensity) 조절을 통한 조사 에너지를 제어함으로써 그라핀 환원 효율을 높일 수 있으며, 아울러 유연 기판의 손상 없이 대면적의 산화 그라핀 환원 및 연속 공정이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a는 백색광 펄스 조사 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b는 백색광 펄스 조사에 의한 산화 그라핀의 환원 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2c는 백색광 펄스 조사동안의 기판과 산화 그라핀의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 광 에너지에 따른 PET 기판 상에 구현된 마이크로 수퍼커패시터의 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기화학적 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 2a는 백색광 펄스 조사 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2b는 백색광 펄스 조사에 의한 산화 그라핀의 환원 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2c는 백색광 펄스 조사동안의 기판과 산화 그라핀의 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 광 에너지에 따른 PET 기판 상에 구현된 마이크로 수퍼커패시터의 전기전도도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기화학적 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기적 특성을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법은 산화 그라핀 배치 단계(S110), 마스크 배치 단계(S120), 전극 형성 단계(S130), 전류집전체 배치 단계(S140) 및 전해질 배치 단계(S150)를 포함한다.
우선, 산화 그라핀 배치 단계(S110)에서는 기판 상에 산화 그라핀(Graphene Oxide; G-O)을 배치한다. 산화 그라핀의 배치는 산화 그라핀을 용매에 분산시킨 용액을 딥코팅(dip coating), 스프레이 (spray), 스핀코팅 (spin coating), 스크린 프린팅 (screen printing), 그라비아 (gravure), 슬롯다이 (slot die) 등 통상적인 코팅 또는 프린팅 방법을 이용하여 기판 상에 도포하고 건조하는 방법 등이 이용될 수 있다.
한편, 산화 그라핀에 질소 전구체, 붕소 전구체, 황 전구체 등을 배치하여, 후술하는 백색광 펄스 조사에 의해 질소 (N), 붕소(B), 황(S) 등의 이종원소가 도핑된 환원 그라핀을 형성할 수 있어, 그라핀 전자구조 조절을 통한 전기적 특성 향상시킬 수 있다.
또한, 산화 그라핀에 망간(Mn), 루테늄(Ru), 코발트 (Co), 니켈(Ni) 등의 금속성분을 포함하는 금속 산화물 전구체를 배치하여, 후술하는 백색광 펄스 조사에 의해 금속 산화물 나노입자를 형성함으로써 그라핀-나노입자 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 산화 그라핀에 아닐린(aniline), 티오펜(thiophene), 피롤(pyrrole) 및 이로부터 유도된 전도성 고분자 단량체 (monomer)를 배치하고, 후술하는 백색광 펄스 조사에 의해 전도성 고분자를 형성함으로써 그라핀-전도성 고분자 복합체를 제조할 수 있다.
기판은 유연성이 우수한 고분자 재질이 될 수 있고, 보다 바람직하게는, 전극 형성을 위한 백색광 펄스 조사시 광 투과가 가능한 PET(Polyethylene Terephthalate) 기판, PEN(Polyethylene Naphthalate) 기판, PI(Polyimide) 기판, PU(Polyurethane) 기판, 변성고분자 기판(Modified polymer substrate) 등을 제시할 수 있고, 이들 고분자들이 2종 이상 포함된 기판도 이용될 수 있다.
다음으로, 마스크 배치 단계(S120)에서는 그라핀 마이크로 전극 패턴을 형성하기 위한 마스크를 배치한다. 마스크는 후술하는 전극 형성 단계(S130)에서 백색광 펄스 조사시 광이 투과하는 부분은 산화 그라핀이 환원되어 그라핀 마이크로 전극을 형성하게 되며 광이 차단되는 마스크 하부 부분은 산화 그라핀 상태가 유지될 수 있다. 따라서, 백색광 펄스 조사를 받지 않는 마스크 하부 부분은 제1 전극과 제2 전극을 분리하는 산화 그라핀 영역이 될 수 있다.
이러한 마스크는 광 차단이 가능한 크롬, 크롬 산화물 등과 같은 금속 혹은 금속 산화물 재질로 형성될 수 있다.
다음으로, 전극 형성 단계(S130)에서는 산화 그라핀이 배치된 기판에 백색광 펄스를 조사하여 마스크가 배치되지 않은 부분의 산화 그라핀을 환원시켜, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하고, 마스크를 제거한다.
백색광 펄스 조사에 의하여, 산화 그라핀은 환원이 이루어지게 되어 환원 그라핀(reduced graphene oxide, rG-O)으로 변환된다. 환원 그라핀의 경우 높은 전기전도성을 발휘할 수 있어, 전극으로 활용 가능하다.
이때, 백색광 펄스는 1.2~10.0 J/cm2의 조사 에너지로 조사되는 것이 바람직하고, 1.5~10 J/cm2의 조사 에너지로 조사되는 것이 보다 바람직하고, 2.0~5.0 J/cm2의 조사 에너지로 조사되는 것이 가장 바람직하다. 백색광 펄스의 조사 에너지가 1.2 J/cm2미만일 경우, 산화 그라핀의 환원 효율이 불충분할 수 있다. 반대로, 백색광 펄스의 조사 에너지가 10.0 J/cm2을 초과할 경우, 접착 불량에 의해 기판의 박리가 발생할 수 있다. 한편, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 백색광 펄스의 조사 에너지가 2.0~5.0 J/cm2에서 환원 그라핀 전극의 전기전도도가 현저히 높은 것을 볼 수 있다. 따라서, 백색광 펄스의 조사 에너지가 2.0~5.0 J/cm2에서 환원 효율이 우수하면서도 기판 박리를 억제할 수 있어, 가장 바람직하다.
도 2a는 백색광 펄스 조사 장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2b는 백색광 펄스 조사에 의한 산화 그라핀의 환원 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 2c는 백색광 펄스 조사 동안의 기판과 산화 그라핀의 온도 변화를 나타낸 것이다.
본 발명에 이용되는 백색광 펄스 조사 장치는 제논(Xenon) 램프에서 발생하는 200~1,500 nm의 넓은 파장범위의 백색광을 마이크로 초에서 밀리 초(μs - ms)의 폭을 가지는 펄스형태로 변환한 백색광 펄스(intense pulsed light, IPL)를 조사(irradiation)하는 장치이다.
이를 위하여, 백색광 펄스 조사 장치는, 도 2a를 참조하면, 제어부(210), 제논 램프(220) 및 반사체(230)를 포함한다. 제어부(210)는 펄스 제어기 및 커패시터를 포함하고, 파워 서플라이와 연결되어, 제논 램프에서 발생한 백색광을 펄스형태로 변환하고 펄스의 펄스 폭 및 크기를 제어한다. 제논 램프(220)에서는 파워 서플라이 및 제어부를 통해 전압을 공급받아 백색광 펄스를 조사한다. 그리고 반사체(230)는 제논 램프(220)에서 방출되는 광의 일부를 반사시켜 백색광 펄스 조사 효율을 향상시킨다.
도 2b를 참조하면, 산화 그라핀(260) 중 마스크(240)가 배치되지 않은 부분은 제논 램프(220)를 통한 백색광 펄스 조사에 의해 환원 그라핀(265)으로 변환되고, 산화 그라핀(260) 중 마스크(240)가 배치된 부분은 그대로 산화 그라핀 상태로 남아 있게 된다.
도 2c를 참조하면, 백색광 펄스 조사시 산화 그라핀(260)의 온도는 크게 증가하지만, 고분자 기판(250)의 온도는 거의 변하지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 산화 그라핀의 경우, 광 흡수에 의해 온도가 크게 증가하는 반면, 고분자 기판의 경우, 광 투과에 의해 온도 변화가 거의 없는 결과라 볼 수 있다. 따라서, 백색광 펄스 조사를 이용하여, 기판의 손상없이 기판 상의 산화 그라핀만 빠른 시간 내에 환원할 수 있다.
다음으로, 전류 집전체 배치 단계(S140)에서는 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결되는 제1 전류집전체 및 제2 전류집전체를 배치한다. 제1 전류 집전체 및 제2 전류 집전체는 예를 들어 금속 및 탄소, 또는 이들이 복합체로 구성된 도전체가 될 수 있다. 제1 전류 집전체 및 제2 전류 집전체의 끝부분은 외부로 돌출되어 커패시터 외부 소자와 전기적으로 연결될 수 있다.
다음으로, 전해질 배치 단계(S150)에서는 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되도록 전해질을 배치한다. 전해질은 수계, 유기용매계 또는 이온성 액체를 이용한 용액 상태의 전해질을 유기 또는 무기 화합물과 혼합하거나 유기물의 겔화 반응을 유도하여 제조한 겔화 전해질(Gelled electrolyte)일 수 있다.
겔화 전해질 소재로는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA)-황산(H2SO4), 폴리비닐알콜(PVA)-인산(H3PO4), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)-황산나트륨(Na2SO4) 등과 같이 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 황산나트륨(Na2SO4)을 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐리돈 (PVP)와 같은 고분자에 혼합하여 제조한 수계 겔화 전해질, tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEA-BF4), triethylmethylammonium tetrafluoroborate (TEMA-BF4) 와 같은 암모늄 염을 유기 또는 무기 화합물과 혼합하여 제조한 유기용매계 겔화 전해질이 이용될 수 있다.
또한 이온성 액체 (ionic liquid)를 유기 또는 무기 화합물과 혼합하여 제조한 이온성 액체 겔화 전해질이 이용될 수 있다. 이 때, 이온성 액체의 예로는 1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI), 1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BMIM-TFSI)이 이용될 수 있으며, 이온성 액체와 혼합되는 유기 또는 무기 화합물로는 실리카 분말 (Fumed silica), Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) 등이 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 유연 마이크로 수퍼커패시터는 기판(310), 제1 전극(320a)과 제2 전극(320b), 제1 전류 집전체(330a)와 제2 전류 집전체(330b) 및 전해질(340)을 포함한다. 또한, 전해질(340)이 제1 전류 집전체(330a)와 제2 전류 집전체(330b)에 직접 접촉되지 않도록, 제1 전류 집전체(330a)와 제2 전류 집전체(330b) 상부에는 예를 들어 폴리이미드 재질의 절연 테이프(350)가 배치될 수 있다.
기판(310)은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PI(Polyimide), PU(Polyurethane), 변성고분자 기판(Modified polymer substrate) 등과 같은 고분자 기판이 이용될 수 있다.
제1 전극(320a)과 제2 전극(320b)은 기판(310) 상에 배치된다. 그리고, 제1 전극(320a)과 제2 전극(320b)은 이격 영역(320c)을 사이에 두고 서로 이격 배치된다.
제1 전류 집전체(330a)와 제2 전류 집전체(330b)는 제1 전극(320a)과 제2 전극(320b)에 각각 연결된다. 이러한 제1 전류 집전체(330a)와 제2 전류 집전체(330b)는 버스 전극의 형태로 금속 및 탄소, 또는 이들이 복합체로 구성된 도전체 등이 이용될 수 있다.
전해질(340)은 제1 전극 및 제2 전극에 접촉된다. 이러한 전해질은 겔화 전해질일 수 있으며, 공지된 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA)-황산(H2SO4), 폴리비닐알콜(PVA)-인산(H3PO4), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)-황산나트륨(Na2SO4)등의 수계 겔화 전해질 및 tetraethylammonium tetrafluoroborate (TEA-BF4), triethylmethylammonium tetrafluoroborate (TEMA-BF4) 와 같은 암모늄 염을 유기 또는 무기 화합물과 혼합하여 제조한 유기용매계 전해질과 같은 공지된 것들이 이용될 수 있다. 또한 이온성 액체 (ionic liquid)를 유기 또는 무기 화합물과 혼합하여 제조한 이온성 액체 겔화 전해질이 이용될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터의 경우, 제1 전극(220a) 및 제2 전극(220b)은 환원 그라핀을 포함하는 재질이다. 이는 도 1에서 설명한 백색광 펄스 조사를 이용한 산화 그라핀 환원 공정에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, 제1 전극 및 제2 전극은 산화 그라핀 전체 두께에 대하여 환원 그라핀으로 변환될 수 있다.
한편, 이격 영역(220c)은 산화 그라핀 재질일 수 있다. 이러한 산화 그라핀은 백색광 펄스 조사시 마스크에 의해 백색광 펄스 조사가 차단된 부분이 될 수 있다.
본 발명에 따른 유연 마이크로 수퍼커패시터는 유연성이 우수하고, 전기전도도가 우수한 환원 그라핀을 전극으로 이용됨으로써, 전자소자, 센서, 및 에너지소자 등에 활용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 마이크로 수퍼커패시터 시편 제조
본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기화학적 특성 및 전기적 특성을 살펴보기 위하여 아래와 같은 조건으로 마이크로 수퍼커패시터 시편을 제조하였다.
(1) 소재
기판 : 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리이미드(PI)
마스크 재질 : Cr
백색광펄스 조사 장치: PulseForge 1300 (미국 NovaCentrix사 제조)
전류 집전체 : Cu paste
전해질 : PVA-H2SO4
(2) 산화 그라핀 필름의 제조:
먼저 산화 그라핀을 공지의 modified Hummers 방법으로 이용하여 아래와 같이 제조한다. 반응 용기 내에 3 g의 그래파이트 파우더와 69 ml 의 황산을 넣고 얼음조(ice bath) 내에서 교반 후 9 g의 과망간산칼륨(KMnO4)을 천천히 가하고 35 ℃로 유지하며 7 시간 교반한다. 7 시간 후, 얼음조를 설치 후 추가로 과망간산칼륨 9 g을 천천히 넣어주며 35 ℃를 유지하며 12시간을 교반한다. 증류수, 30 % 과산화수소수를 첨가하여 반응을 종결시켜 밝은 노란 색의 산화그라핀을 얻을 수 있다. 얻어진 산화 그라핀을 증류수, 에탄올, 아세톤으로 세정하고 원심분리를 하여 침전물을 회수한다. 회수된 침전물을 진공여과장치를 이용하여 완전히 건조를 시킨다. 건조하여 얻은 결과물을 2.7 ~ 3.7 mg/ml로 증류수에 분산을 시켜 산화그라핀 수분산 용액을 제조한다.
산화 그라핀 수분산 용액 4 mL을 5 cm × 5 cm의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 기판 또는 폴리이미드(PI) 기판 위에 적하하고 상온에서 건조하여 산화 그라핀 필름을 제조하였다.
(3) 백색광 펄스 조사를 이용한 환원 그래핀 마이크로 전극 제조:
산화그라핀 필름상에 패턴 처리가 된 마스크를 배치하고 배 백색광 펄스 (조사 장치, PulseForge 1300, 미국 NovaCentrix사 제조)를 조사하여 선택적으로 환원된 그라핀 마이크로 전극을 제조하였다. 백색광 펄스가 조사된 영역은 검은 색의 색상을 나타내었으며, 전기전도도 측정결과 약 210 S/m로 백색광 펄스에 의해 환원 그라핀이 제조됨을 확인하였다.
(4) 마이크로 수퍼커패시터의 제조:
백색광 펄스 조사에 의해 제조된 환원 그라핀 마이크로 전극상에 겔화 전해질을 형성하여 마이크로 수퍼커패시터를 제조하였다. 겔화 전해질은 폴리비닐알콜(PVA)-황산(H2SO4)을 마이크로 전극 위에 도포하고 건조하여 제조하였으며, 구리페이스트를 전류집전체로 이용하여 마이크로 수퍼커패시터 소자를 제작하였다. 마이크로 수퍼커패시터의 성능평가를 위해 Autolab사의 Potentiostat을 이용하여 전기화학적 특성을 분석하였다.
2. 특성 평가
(1) 표 1은 기판 소재 및 광 에너지(Radiation energy)에 따른 마이크로 수퍼커패시터의 전기전도도(Conductivity) 및 접착력(adhesion)을 나타낸 것이다.
[표 1]
표 1을 참조하면, PET 기판 혹은 PI 기판 상에서 백색광 펄스 조사 에너지가 1.2 J/cm2 이상인 조건으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터(시편 2~10)의 경우, 백색광 펄스 조사 에너지가 1.2 J/cm2 미만인 조건으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터 (시편 1)에 비하여 상대적으로 높은 전기전도도를 나타내는 것을 볼 수 있다. 특히, 백색광 펄스 조사 에너지가 2.0 J/cm2 이상인 조건으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터(시편 8~10)의 경우 다른 시편들에 비하여 현저히 높은 전기전도도를 나타내는 것을 볼 수 있다.
(2) 도 4는 광 에너지(Radiation energy)에 따른 PET 기판 상에 구현된 마이크로 수퍼커패시터의 전기전도도(Conductivity)를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 백색광 펄스 조사 에너지가 증가할수록 환원 그라핀 전극의 전기전도도가 높아짐을 알 수 있다. 아울러, 백색광 펄스 조사 에너지가 1.0 J/cm2에서는 전기전도도가 매우 낮지만 1.2 J/cm2에서부터 전기전도도가 증가하며, 특히 백색광 펄스의 조사 에너지가 2.0~5.0 J/cm2에서 환원 그라핀 전극의 전기전도도가 현저히 높은 것을 볼 수 있다.
(3) 도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기화학적 특성을 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)에 의한 프로파일을 나타낸 것이다. 또한, 도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기적 특성을 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 정전류 충방전 커브(Galvanostatic charge-discharge curve)를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6에서 백색광펄스 조사 에너지는 2.5 J/cm2 이었으며, 기판은 PET 기판을 이용하였다.
도 5를 참조하면 100 mV/s의 스캔 속도(scan rate)에서 약 1.6 F/cm3의 높은 스택 커패시턴스(Stack Capacitance)를 나타내는 것을 볼 수 있다. 또한, 100~500 mV/s의 스캔 속도에서 전체적으로 유사한 스택 커패시턴스 특성을 나타내었다.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 마이크로 수퍼커패시터의 전기적 특성을 나타낸 것으로, 보다 구체적으로는 정전류 충방전 커브(Galvanostatic charge-discharge curve)를 나타낸 것이다.
또한, 도 6을 참조하면, 1~5 A/cm3의 전류 밀도(current density)에서 1.4~1.7 F/cm3의 스택 커패시턴스를 나타내는 것을 볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
210 : 제어부
220 : 제논 램프
230 : 반사체
250 : 유연 기판
260 : 산화 그라핀
265 : 환원 그라핀
310 : 기판
320a : 제1 전극
320b : 제2 전극
320c : 전극간 이격 영역
330a : 제1 전류 집전체
330b : 제2 전류 집전체
340 : 전해질
350 : 절연 테이프
220 : 제논 램프
230 : 반사체
250 : 유연 기판
260 : 산화 그라핀
265 : 환원 그라핀
310 : 기판
320a : 제1 전극
320b : 제2 전극
320c : 전극간 이격 영역
330a : 제1 전류 집전체
330b : 제2 전류 집전체
340 : 전해질
350 : 절연 테이프
Claims (7)
- 유연 기판 상에 산화 그라핀을 배치하는 단계;
상기 산화 그라핀 상에 백색광 펄스 조사 영역을 정의하기 위한 마스크를 배치하는 단계;
상기 산화 그라핀이 배치된 기판에 백색광 펄스를 2.0~3.0 J/cm2의 광에너지로 조사하여 상기 마스크가 배치되지 않은 부분의 산화 그라핀을 환원시켜, 서로 이격된 제1 전극 및 제2 전극을 형성하고, 상기 마스크를 제거하는 단계;
상기 제1 전극에 연결되는 제1 전류집전체 및 상기 제2 전극에 연결되는 제2 전류집전체를 배치하는 단계; 및
상기 제1 전극 및 제2 전극에 접촉되도록 겔화 전해질을 배치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PI(Polyimide), PU(Polyurethane) 및 변성 고분자(Modified polymer) 중 하나 이상을 포함하는 유연한 고분자 기판인 것을 특징으로 하는 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 겔화 전해질은
황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 및 황산나트륨(Na2SO4) 중 1종 이상을 고분자에 혼합하여 제조한 수계 겔화 전해질,
tetraethylammonium tetrafluoroborate(TEA-BF4) 및 triethylmethylammonium tetrafluoroborate(TEMA-BF4) 중 1종 이상을 포함하는 유기용매계 겔화 전해질, 또는
1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI) 및 1-butyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BMIM-TFSI) 중 1종 이상을 포함하는 이온성 액체(ionic liquid)를 실리카 분말(Fumed silica) 및 Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP)를 포함하는 유기 또는 무기 화합물과 혼합하여 제조한 이온성 액체 겔화 전해질인 것을 특징으로 하는 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법.
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|---|---|
| KR20170100714A KR20170100714A (ko) | 2017-09-05 |
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| KR1020160022739A KR101827858B1 (ko) | 2016-02-25 | 2016-02-25 | 유연 마이크로 수퍼커패시터 제조 방법 |
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| CN109087822A (zh) * | 2018-10-15 | 2018-12-25 | 南京邮电大学 | 一种柔性纸基石墨烯超级电容器制备方法 |
| CN115188603B (zh) * | 2022-06-08 | 2023-08-01 | 广东技术师范大学 | 金属氧化物基微型超级电容器制备设备及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2015103603A (ja) * | 2013-11-22 | 2015-06-04 | 株式会社船井電機新応用技術研究所 | リチウムイオンキャパシタ |
| KR101582768B1 (ko) * | 2015-01-21 | 2016-01-07 | 고려대학교 산학협력단 | 공기 중 안정한 겔 형태의 유기 전해질 기반 고성능 마이크로슈퍼커패시터 |
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2016
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