KR101837103B1 - 전기화학 커패시터 - Google Patents

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키요후미 오기노
유미코 사이토
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

용량을 높일 수 있는 전기화학 커패시터를 제안한다. 기판의 일 평면 상에 양극과 음극이 형성되는 전기화학 커패시터이다. 또한, 전해질과, 전해질의 동일 평면에 접하는 양극 및 음극을 갖는다. 즉, 전해질의 일 평면 상에 접하는 양극 활물질 및 음극 활물질과, 양극 활물질에 접하는 양극 집전체와, 음극 활물질에 접하는 음극 집전체를 갖는 전기화학 커패시터이다. 이러한 구성에 의해 전기화학 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.

Description

전기화학 커패시터{Electrochemical capacitor}
본 발명은, 전기화학 커패시터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 전기화학 커패시터의 개발이 이루어지고 있다. 전기화학 커패시터로는, 전극 및 전해액의 계면에서 양과 음의 전하가 정전적으로 축적된 용량을 이용하는 전기이중층 커패시터(EDLC)와, 전극 표면에서의 전자 이동 과정(패러데이 과정)을 수반하여 축적된 용량을 이용하는 레독스 커패시터가 있다(특허문헌 1 참조).
일본특허공개 제2007－123833호 공보
본 발명의 일 태양에서는, 신규한 구조의 전기화학 커패시터 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 태양에서는 용량을 높일 수 있는 전기화학 커패시터를 제안한다. 본 발명의 일 태양에서는 생산성을 높일 수 있는 전기화학 커패시터의 제조 방법을 제안한다.
본 발명의 일 형태는, 기판의 일 평면 상에 양극과 음극이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 커패시터이다. 또한, 본 발명의 일 형태는, 전해질과, 전해질의 동일 평면에 접하는 양극 및 음극을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 커패시터이다. 즉, 전해질의 일 평면 상에 접하는 양극 활물질 및 음극 활물질과, 양극 활물질에 접하는 양극 집전체와, 음극 활물질에 접하는 음극 집전체를 갖는 전기화학 커패시터이다.
전기화학 커패시터가 레독스 커패시터인 경우, 전해질은 기판 상에 형성된다. 또한, 전해질이 지지체로서 기능한다. 이 경우들에 있어서, 전해질은 프로톤 전도체로 형성된다. 프로톤 전도체로서는, 황산수소세슘, 인산수소세슘, 산화실리콘, 또는 수소를 포함하는 비정질 반도체를 사용하는 것을 특징으로 한다. 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄 또는 비정질 게르마늄이 있다. 또한, 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는, 수소를 포함하는 산화물 반도체가 있고, 수소를 포함하는 산화물 반도체로서는, 산화아연, 산화티타늄, 산화니켈, 산화바나듐, 산화주석 또는 산화인듐이 있다. 또한, 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는, In－M－Zn－산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co에서 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)가 있고, 비정질 구조 내에 InMO3(ZnO)m(m＞0)의 결정을 포함하고 있을 수도 있다. 나아가, In－M－Zn－산화물 반도체 내에 질소를 포함하고 있을 수도 있다. 질소를 포함함으로써 In－M－Zn－산화물 반도체의 수소 농도를 높일 수 있다.
전기화학 커패시터가 전기이중층 커패시터인 경우, 양극 및 음극은 기판의 일 표면에 형성된다. 또한, 전해액 및 양극 및 음극이 형성된 기판이 밀봉 부재에 의해 밀봉된다.
본 발명의 일 태양에 의해, 전기화학 커패시터의 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태의 전기화학 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 상면도이고,
도 3은 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 4는 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 5는 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 6은 전기화학 커패시터의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 7은 전기화학 커패시터의 순환 전류전압곡선(cyclic voltammogram)을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시형태의 일례에 대해 도면을 이용하여 이하에 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않는 것으로, 본 발명의 취지 및 그 범위를 벗어나지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있음은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되지 않는 것으로 한다. 아울러 설명에서 도면을 참조함에 있어서 동일한 것을 가리키는 부호는 서로 다른 도면들에서도 공통으로 사용할 수 있다. 또한, 동일한 것을 가리킬 때에는 동일한 빗금 패턴을 사용하고 특별히 부호를 붙이지 않을 수도 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는 전기화학 커패시터의 일 형태인 레독스 커패시터의 구조에 대해 도 1을 이용하여 설명한다.
도 1(A)에 도시된 레독스 커패시터는 기판(120) 상에 형성되는 전해질(126)과, 전해질(126) 상에 형성되는 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128)과, 제1 활물질(124) 상에 형성되는 제1 집전체(122)와, 제2 활물질(128) 상에 형성되는 제2 집전체(130)를 갖는다.
도 1(B)에 도시된 레독스 커패시터는 기판(140) 상에 형성되는 제1 집전체(142) 및 제2 집전체(150)와, 제1 집전체(142) 상에 형성되는 제1 활물질(144)과, 제2 집전체(150) 상에 형성되는 제2 활물질(148)과, 제1 집전체(142) 및 제2 집전체(150)의 측면 및 제1 활물질(144) 및 제2 활물질(148)의 표면 및 측면을 덮는 전해질(146)을 갖는다.
기판(120) 및 기판(140)은 유리, 석영, 알루미나 등의 세라믹, 플라스틱을 사용할 수 있다. 아울러 플라스틱으로서는 FRP(Fiberglass－Reinforced Plastics)판, PVF(폴리비닐플루오라이드) 필름, 폴리에스테르 필름 또는 아크릴 수지 필름을 사용할 수 있다. 또는 절연 표면을 가지는 기판을 사용할 수 있다.
제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150) 중 하나는 양극 집전체로서 기능하고 다른 하나는 음극 집전체로서 기능한다. 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150)는 알루미늄, 니켈, 티타늄, 동, 금, 은, 백금, 코발트 등의 단체, 합금 혹은 화합물을 사용한다.
또한, 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150)는 활성탄 등의 도전성 카본, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리프로필 등의 도전성 폴리머를 사용할 수 있다.
아울러 도 1에서는 도시하지 않았으나 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150) 중 하나는 양극 단자 또는 음극 단자 중 하나에 접속되고, 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150) 중 다른 하나는 양극 단자 또는 음극 단자 중 다른 하나에 접속된다.
제1 활물질(124, 144) 및 제2 활물질(128, 148) 중 하나는 양극 활물질로서 기능하고 다른 하나는 음극 활물질로서 기능한다. 제1 활물질(124, 144) 및 제2 활물질(128, 148)은 산화루테늄, 산화이리듐, 산화코발트, 산화망간, 산화텅스텐, 산화니오브, 산화철 등 중 하나 또는 복수를 사용할 수 있다.
아울러 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150)에 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리프로필 등의 도전성 폴리머를 사용하는 경우에는 제1 활물질(124, 144) 및 제2 활물질(128, 148)을 마련하지 않아도 도전성 폴리머가 집전체와 함께 활물질로서 기능한다.
전해질(126, 146)은 황산수소세슘, 인산수소세슘, 산화실리콘, 또는 수소를 포함하는 비정질 반도체 등의 고체의 프로톤 전도체로 형성한다. 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄 또는 비정질 게르마늄이 있다. 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는 수소를 포함하는 산화물 반도체가 있고, 대표적으로는 산화아연, 산화티타늄, 산화니켈, 산화바나듐, 산화주석, 또는 산화인듐이 있다. 또한, 수소를 포함하는 산화물 반도체로서 In－M－Zn－산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co에서 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)가 있고, 비정질 구조 내에 InMO3(ZnO)m(m＞0)의 결정을 포함하고 있을 수도 있다. 나아가 In－M－Zn－산화물 반도체 내에 질소를 포함하고 있을 수도 있다. 질소를 포함함으로써 In－M－Zn－산화물 반도체의 수소 농도를 높일 수 있다.
또한, 수소를 포함하는 산화물 반도체로서 상기한 것 외에도, In－Sn－산화물 반도체, In－Sn－Zn－산화물 반도체, In－Al－Zn－산화물 반도체, Sn－Ga－Zn－산화물 반도체, Al－Ga－Zn－산화물 반도체, Sn－Al－Zn－산화물 반도체, In－Zn－산화물 반도체, Sn－Zn－산화물 반도체 또는 Al－Zn－산화물 반도체를 적용할 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물에 산화실리콘을 포함시킬 수도 있다.
황산수소세슘, 인산수소세슘, 또는 수소를 포함하는 산화물 반도체는 수화산화물일 수도 있다. 수화물의 바람직한 수화수는 금속의 종류에 따라 다르다.
또한, 전해질(126, 146)로서 프로톤 전도성 고분자 재료를 사용할 수도 있다. 프로톤 전도성 고분자 재료로서는 퍼플루오로술폰산형 이온교환수지나 그 밖의 이온교환수지, 프로톤을 전도할 수 있는 고분자 재료를 사용할 수 있다.
아울러 레독스 커패시터의 주위에 보호층(132, 152)을 마련할 수도 있다. 보호층(132, 152)으로서는, 질화실리콘, DLC(Diamond Like Carbon), 산화실리콘 등을 사용할 수 있다. 레독스 커패시터의 주위에 보호층(132, 152)을 마련함으로써 레독스 커패시터의 안정적인 동작이 가능하고 열화를 감소시킬 수 있다.
도 1(A)에 도시된 레독스 커패시터의 상면도를 도 2에 도시하였다.
도 2(A)에 도시된 바와 같이, 제1 집전체(122)와 제2 집전체(130)를 평행하게 배치할 수 있다. 또한, 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 제1 집전체(122)와 제2 집전체(130)를 빗살형으로 형성할 수 있다. 이와 같이 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130)를 평행하게 또는 빗살형으로 배치함으로써 제1 집전체(122)와 제2 집전체(130)의 대향 면적을 넓힐 수 있게 되어 레독스 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다.
아울러 제1 집전체(122)는 양극 단자 또는 음극 단자 중 하나(136)에 접속되고 제2 집전체(130)는 양극 단자 또는 음극 단자 중 다른 하나(134)에 접속된다. 단, 집전체와 양극 단자 또는 음극 단자의 접속 방법은 한정되지 않고 집전체와 양극 단자 또는 음극 단자의 조합은 적절히 변경해도 무방하다.
아울러 도 1(B)에 도시된 레독스 커패시터의 제1 집전체(142)와 제2 집전체(150)도 도 2에 도시된 상면 형상으로 할 수 있다.
이어서 도 1(A)에 도시된 레독스 커패시터의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기판(120) 상에 전해질(126)을 형성한다. 전해질(126)은 스퍼터링법, CVD법, 증착법, 인쇄법, 졸-겔법, 딥 코팅법 등을 이용하여 형성한다.
전해질(126)로서 황산수소세슘 또는 인산수소세슘을 형성하는 경우에는 증착법, 인쇄법, 졸-겔법, 딥 코트법을 적절히 이용할 수 있다.
전해질(126)로서 수소를 포함하는 비정질 반도체를 스퍼터링법에 의해 형성하는 경우에는, 수소를 포함하는 타겟에 이용하고, 스퍼터링 가스로서 희가스 또는 희가스와 수소를 사용하여 스퍼터링하여 기판(120) 상에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적시킬 수 있다. 아울러 스퍼터링 가스로 수소를 사용하는 경우에는 타겟은 수소를 포함하지 않을 수도 있다. 대표적으로는, 수소를 포함하는 실리콘 타겟, 수소를 포함하는 게르마늄 타겟, 또는 수소를 포함하는 실리콘 게르마늄 타겟과, 스퍼터링 가스로서 희가스 또는/및 수소를 사용하여 스퍼터링하여 비정질 실리콘, 비정질 게르마늄 또는 비정질 실리콘 게르마늄을 퇴적시킨다. 또는, 수소를 포함하는 산화아연, 수소를 포함하는 산화티타늄, 수소를 포함하는 산화니켈, 수소를 포함하는 산화바나듐, 수소를 포함하는 산화주석, 수소를 포함하는 산화인듐, 또는 수소를 포함하는 In－M－Zn－산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co에서 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)를 타겟으로 사용하고 스퍼터링 가스로서 희가스 또는 희가스와 수소를 사용하여 스퍼터링하여 기판(120) 상에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적시킬 수 있다. 아울러 스퍼터링 가스로 수소를 사용하는 경우에는 타겟은 수소를 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 반응성 스퍼터링을 이용할 수 있다. 대표적으로는 아연, 티타늄, 니켈, 바나듐, 주석, 인듐, 또는 In－M－Zn－합금(M은, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co에서 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)을 타겟으로 사용하고 스퍼터링 가스로서 희가스와 산소 또는 희가스와 산소와 수소를 사용하여 스퍼터링하여 기판(120) 상에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적시킬 수 있다.
또는, 원료 가스로서 수소 원자를 포함하는 가스를 사용한 CVD법에 의해, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 기판(120) 상에 퇴적시킬 수 있다. 대표적으로는, 실란, 디실란 또는/및 게르마늄을 이용한 플라스마 CVD법에 의해, 기판(120) 상에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적시킬 수 있다. 아울러 원료 가스로 수소 또는 수소와 희가스를 사용할 수도 있다.
또한, 기판(120) 상에 비정질 반도체를 형성한 후, 비정질 반도체에 수소를 첨가하여, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 형성할 수 있다. 대표적으로는, 비정질 반도체를 기판(120) 상에 퇴적시킨 후 수소 분위기에서 가열함으로써 수소를 포함하는 비정질 반도체를 형성할 수 있다. 또는 비정질 반도체를 기판(120) 상에 퇴적시킨 후 이온 도핑법 또는 이온 주입법에 의해 비정질 반도체에 수소를 첨가하여, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 형성할 수 있다.
이어서 전해질(126) 상에 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128)을 형성한다. 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128)은 스퍼터링법, 증착법, 인쇄법, 잉크젯법 등을 이용하여 형성한다.
이어서 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128) 상에 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130)를 각각 형성한다. 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130)는 스퍼터링법, 증착법, 인쇄법, 잉크젯법 등을 이용하여 형성한다.
본 실시형태에서 나타낸 레독스 커패시터는 제1 집전체(122)와 제2 집전체(130)를 동시에 형성하는 것이 가능하다. 또한, 제1 활물질(124)과 제2 활물질(128)을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 이에 의해 공정수를 삭감할 수 있다.
이후, 스퍼터링법, CVD법 등에 의해 보호층(132)을 형성할 수도 있다. 또한, 점착성 시트를 붙일 수도 있다.
이상의 공정에 의해 도 1(A)에 도시된 레독스 커패시터를 제조할 수 있다.
도 1(B)에 도시된 레독스 커패시터는, 기판(140) 상에 제1 집전체(142) 및 제2 집전체(150)를 형성한다. 이어서 제1 집전체(142) 및 제2 집전체(150) 상에 제1 활물질(144) 및 제2 활물질(148)을 형성한다. 이어서 전해질(146)을 형성한다. 이어서 보호층(152)을 형성한다. 각각의 제조 방법은, 도 1(A)에 도시된 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130), 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128), 전해질(126), 및 보호층(132)과 동일하다.
본 실시형태에서는 반도체 제조장치를 이용하여 레독스 커패시터를 제조하는 것이 가능하므로 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시형태에 나타낸 레독스 커패시터의 일 형태는 집전체를 전해질이 덮는 형상이므로 집전체와 전해질의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 레독스 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 실시형태 1보다 용량을 증대시킬 수 있는 레독스 커패시터에 관해 도 3을 이용하여 설명한다. 본 실시형태에 나타낸 레독스 커패시터는 기판 상에 형성되는 집전체 또는 전해질이 요철 형상인 것을 특징으로 한다.
도 3(A)에 도시된 레독스 커패시터는, 기판(180) 상에 형성되는 요철 형상의 전해질(186)과, 전해질(186) 상에 형성되는 제1 활물질(184) 및 제2 활물질(188)과, 제1 활물질(184) 상에 형성되는 제1 집전체(182)와, 제2 활물질(188) 상에 형성되는 제2 집전체(190)를 갖는다.
도 3(B)에 도시된 레독스 커패시터는, 기판(200) 상에 형성되는 요철 형상의 제1 집전체(202) 및 제2 집전체(210)와, 제1 집전체(202) 상에 형성되는 제1 활물질(204)과, 제2 집전체(210) 상에 형성되는 제2 활물질(208)과, 제1 집전체(202) 및 제2 집전체(210)의 측면 및 제1 활물질(204) 및 제2 활물질(208)의 표면 및 측면을 덮는 전해질(206)을 갖는다.
제1 집전체(182, 202) 및 제2 집전체(190, 210)는 실시형태 1에 도시된 제1 집전체(122, 142) 및 제2 집전체(130, 150)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.
제1 활물질(184, 204) 및 제2 활물질(188, 208)은 실시형태 1에 도시된 제1 활물질(124, 144) 및 제2 활물질(128, 148)과 동일한 재료 및 제조 방법을 이용할 수 있다.
본 실시형태에서 나타낸 레독스 커패시터는 제1 집전체(182, 202)와 제2 집전체(190, 210)를 동시에 형성하는 것이 가능하다. 또한, 제1 활물질(184, 204)과 제2 활물질(188, 208)을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 이에 의해 공정수를 삭감할 수 있다.
전해질(186, 206)은 실시형태 1에 도시된 전해질(126, 146)과 동일한 재료를 사용할 수 있다.
도 3(A)에 도시된 요철 형상의 전해질(186)이나 도 3(B)에 도시된 요철 형상의 제1 집전체(202) 및 제2 집전체(210)는, 기판 상에 박막을 형성하고, 박막 상에 요철 형상의 레지스트 마스크를 포토리소그래피 공정에 의해 형성한 후, 이 레지스트 마스크를 이용하여 기판 상의 박막을 이방성 에칭함으로써 형성할 수 있다. 아울러 요철 형상의 레지스트 마스크는 하프톤 마스크 또는 그레이톤 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정에 의해 형성할 수 있다. 또한, 스텝퍼에 의한 축소투영노광에 의해 요철 형상의 레지스트 마스크를 형성할 수 있다.
아울러 레독스 커패시터의 주위에 보호층(192, 212)을 마련할 수도 있다. 보호층(192, 212)으로서는, 실시형태 1에 도시된 보호층(132)과 동일한 재료를 사용할 수 있다.
기판 상에 형성하는 집전체를 요철 형상으로 형성함으로써 그 위에 적층되는 활물질 및 전해질의 접촉 면적이 증대된다. 또한, 기판 상에 형성하는 전해질을 요철 형상으로 형성함으로써 그 위에 형성되는 활물질과 전해질의 접촉 면적이 증대된다. 이에 의해 레독스 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.
본 실시형태에서는, 반도체 제조장치를 이용하여 레독스 커패시터를 제조할 수 있으므로 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시형태에서 나타낸 레독스 커패시터는 집전체를 전해질이 덮는 형상이므로 집전체와 전해질의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 레독스 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 실시형태 1 및 실시형태 2와는 다른 구조의 레독스 커패시터에 대해 도 4를 이용하여 설명한다.
도 4에 도시된 레독스 커패시터는 전해질(226)과, 전해질(226) 상에 형성되는 제1 활물질(224) 및 제2 활물질(228)과, 제1 활물질(224) 상에 형성되는 제1 집전체(222)와, 제2 활물질(228) 상에 형성되는 제2 집전체(230)를 갖는다.
본 실시형태에서는, 전해질(226)이 레독스 커패시터의 지지체로서 기능하는 것을 특징으로 한다. 대표적으로는, 황산수소세슘, 인산수소세슘, 또는 수소를 포함하는 산화물 반도체 펠릿을 전해질(226)로서 사용한다.
이어서 본 실시형태에 도시된 레독스 커패시터의 제조 방법에 대해 이하에 설명한다.
전해질(226)의 재료가 되는 분말을 분쇄하여 분말의 입경을 작게 한다. 이어서 정제 형성기에 부순 분말을 넣은 후 가압하여 펠릿을 형성한다.
이어서 펠릿 상에 제1 활물질(224) 및 제2 활물질(228)과 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)를 형성한다. 이어서 제1 활물질(224) 및 제2 활물질(228)과 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)를 덮는 보호층(232)을 형성한다. 제1 활물질(224) 및 제2 활물질(228)은 실시형태 1에 나타낸 제1 활물질(124) 및 제2 활물질(128)과 동일하게 형성할 수 있다. 또한, 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)는 실시형태 1에 도시된 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130)와 동일하게 형성할 수 있다. 또한, 보호층(232)은 실시형태 1에 나타낸 보호층(132)과 동일한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)를 시트형 또는 판형으로 하고, 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)의 일면에 제1 활물질(224) 및 제2 활물질(228)의 원료가 되는 분말을 포함하는 혼련물을 도포한 후, 이 혼련물이 펠릿에 접하도록 제1 집전체(222) 및 제2 집전체(230)를 펠릿에 누를 수도 있다. 이후 가열시켜 혼련물을 건조시킬 수도 있다.
본 실시형태는, 전해질을 레독스 커패시터의 지지체로서 기능시키므로 별도 기판을 필요로 하지 않아 비용 절감이 가능하다.
(실시형태 4)
실시형태 1 내지 실시형태 3에 나타낸 레독스 커패시터의 밀봉 구조에 대해 도 5를 이용하여 설명한다. 본 실시형태에서는 실시형태 1에 나타낸 레독스 커패시터를 이용하여 설명한다.
도 5(A)에 도시된 바와 같이, 레독스 커패시터를 밀봉 부재(302)로 밀봉한다. 이 경우, 도시하지 않았으나, 제1 집전체(122)에 접속되는 외부 단자와 제2 집전체(130)에 접속되는 외부 단자가 밀봉 부재(302)의 외부로 돌출되어 있다. 아울러 밀봉 부재(302)의 내부는 감압되어 있을 수도 있다. 또는 불활성 가스가 충전되어 있을 수도 있다. 밀봉 부재(302)로서는 라미네이트 필름, 금속 밀봉 캔 등을 사용할 수 있다. 또한, 도 5(A)에서는, 레독스 커패시터가 형성된 기판을 복수 적층하고 각각의 레독스 커패시터를 직렬 또는 병렬로 접속할 수도 있다.
또한, 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 레독스 커패시터를 유기수지(304)로 밀봉시킬 수 있다. 이 경우, 도시하지 않았으나, 제1 집전체(122)에 접속되는 외부 단자와 제2 집전체(130)에 접속되는 외부 단자가 유기수지(304)의 외부로 돌출되어 있다. 실시형태 1 내지 실시형태 3에 나타낸 레독스 커패시터는 전해질이 고체이므로 유기수지(304)에서의 밀봉이 용이하다. 아울러 도 5(B)에서는, 레독스 커패시터가 형성된 기판을 복수 적층하고 각각의 레독스 커패시터를 직렬 또는 병렬로 접속한 것을 유기수지(304)로 밀봉할 수도 있다.
서로 다른 기판 상에 형성된 레독스 커패시터를 직렬로 접속함으로써 충방전의 전압을 크게 할 수 있다. 또한, 서로 다른 기판 상에 형성된 레독스 커패시터를 병렬로 접속함으로써 정전 용량을 증대시킬 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는, 전기화학 커패시터의 일 형태인 전기이중층 커패시터에 대해 도 6을 이용하여 설명한다.
도 6에 도시된 전기이중층 커패시터는 기판(240)에 형성된 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)와, 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250) 상에 형성된 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)과, 전해액(246)이 밀봉 부재(251) 내에 밀봉되어 있다.
기판(240)은 실시형태 1에 나타낸 기판(100)과 동일한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 기판(240)으로 폴리올레핀계 수지성의 다공성 필름, 부직포 등의 셀룰로오스 다공질 재료를 사용할 수 있다.
제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)는 알루미늄, 스테인리스 등을 이용하여 형성할 수 있다.
제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)은 탄소 재료, 도전성 재료 및 바인더를 이용하여 형성할 수 있다. 탄소 재료로서는 야자껍질 활성탄이나 페놀 활성탄 등을 사용할 수 있다. 도전성 재료로서는 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙, 카본 블랙이나 흑연을 사용할 수 있다. 바인더로서는 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화비닐리덴 공중합체 등을 사용할 수 있다.
전해액(246)은 황산 수용액이나 염산 수용액 등의 수계 전해액이나, 프로필렌카보네이트 용매에 암모늄염 또는 포스포늄염을 용해시킨 비수계 전해액을 사용할 수 있다.
밀봉 부재(251)는 알루미늄이 유기수지 사이에 끼워진 라미네이트 필름을 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고 다른 라미네이트 필름을 적절히 사용할 수 있다.
아울러 도 6에 도시된 전기이중층 커패시터는, 기판(240)에 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)가 형성되고, 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250) 상에 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)이 형성되어 있으나, 기판(240) 상에 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)이 형성되고, 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)상에 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)가 형성될 수도 있다.
이어서 도 6에 도시된 전기이중층 커패시터의 제조 방법에 대해 설명한다.
기판(240) 상에 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)를 형성한다. 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)는 실시형태 1에 나타낸 제1 집전체(122) 및 제2 집전체(130)와 동일하게 제조할 수 있다.
이어서 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250) 상에 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)로서 탄소 재료, 도전성 재료 및 바인더와 용매의 혼련물을 인쇄한 후 건조시킴으로써 형성한다. 혼련물의 인쇄 및 건조는 여러 번 반복할 수도 있다.
이어서 제1 집전체(242) 및 제2 집전체(250)와 제1 활물질(244) 및 제2 활물질(248)이 형성된 기판(240)을 밀봉 부재(251) 내에 설치하고, 전해액을 밀봉 부재(251) 내로 주입한다. 이후 밀봉 부재를 감압 밀봉한다.
이상의 공정에 의해 전기이중층 커패시터를 제조할 수 있다. 본 실시형태에서 나타낸 전기이중층 커패시터는 집전체를 전해질이 덮는 형상이므로 집전체와 전해질의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 전기이중층 커패시터의 용량을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 전해질로서 수소를 포함하는 In－Ga－Zn－산화물 반도체를 사용한 레독스 커패시터의 제조 방법 및 이 레독스 커패시터의 전기 특성을 순환 전압전류법(CV：Cyclic Voltammetry)에 의해 측정한 결과를 나타낸다.
유리 기판 상에 스퍼터링법에 의해 두께 100nm의 수소를 포함하는 In－Ga－Zn－산화물 반도체를 전해질로서 형성했다. 이때의 성막을 이하에 나타낸다. 타겟의 조성을 In：Ga：Zn=1：1：0.5, 스퍼터링 가스를 30sccm의 Ar과 15sccm의 O2, 압력을 0.4Pa, 공급 전력을 0.5kW, 전극간 거리를 60mm, 성막 온도를 실온으로 하였다. 유리 기판 상에 퇴적된 In－Ga－Zn－산화물 반도체의 조성은 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA：Electron Probe X－ray MicroAnalyzer) 분석에서, 원자비가 O：Ga：In：Zn=61.3：15.8：16.8：6이었다. 또한, 2차 이온 질량 분석계(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의한 수소의 농도는 7×1020atoms/cm3이었다.
이어서 집전체로서 두께 0.5mm, 폭 10mm, 길이 63mm의 카본판을 2개 준비하고 이 카본판에 산화루테늄을 포함하는 혼련물을 도포한 후, 산화루테늄을 포함하는 혼련물이 도포된 면을 전해질에 가압시켰다. 이때의 2개의 카본판의 간격을 1mm로 했다. 또한, 이때의 산화루테늄 혼련물은 0.05g의 산화루테늄과 1ml의 물을 혼련시킨 것을 사용했다.
이어서 2개의 카본판 사이의 절연을 유지하기 위해, 노출되어 있는 In－Ga－Zn－산화물 반도체에 점착성을 갖는 절연성의 테이프를 압착시켜 레독스 커패시터를 제조했다.
이어서 레독스 커패시터의 전기 특성을 순환 전압전류법에 의해 측정했다. 이때의 측정 조건은, 충방전의 전압을 0V~1V, 스캔 속도를 100mV/s, 사이클수를 5회, 측정 간격을 100ms로 하였다. 이때의 순환 전류전위곡선을 도 7에 나타내었다.
도 7을 통해, 전해질로 In－Ga－Zn－산화물 반도체를 사용한 레독스 커패시터를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
100 기판 112 보호층
120 기판 122 집전체
124 활물질 126 전해질
128 활물질 130 집전체
132 보호층 134 양극 단자 또는 음극 단자
136 양극 단자 또는 음극 단자 140 기판
142 집전체 144 활물질
146 전해질 148 활물질
150 집전체 152 보호층
180 기판 182 집전체
184 활물질 186 전해질
188 활물질 190 집전체
192 보호층 200 기판
202 집전체 204 활물질
206 전해질 208 활물질
210 집전체 222 집전체
224 활물질 226 전해질
228 활물질 230 집전체
232 보호층 240 기판
242 집전체 244 활물질
246 전해액 248 활물질
250 집전체 251 밀봉 부재
302 밀봉 부재 304 유기수지

Claims (18)

  1. 전기화학 커패시터로서,
    기판;
    상기 기판 위의 요철 형상의 전해질;
    상기 요철 형상의 전해질의 볼록부 및 제 1 오목부 위의 양극과;
    상기 요철 형상의 전해질의 상기 볼록부 및 제 2 오목부 위의 음극을 포함하고,
    상기 볼록부는 상기 제 1 오목부 및 상기 제 2 오목부 사이에 제공되고,
    상기 양극 및 상기 음극은 상기 볼록부에 분리되어 제공되고,
    상기 요철 형상의 전해질은 고체 전해질인, 전기화학 커패시터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 전기화학 커패시터로서,
    기판;
    상기 기판 위의 요철 형상의 전해질;
    상기 요철 형상의 전해질의 볼록부 및 제 1 오목부 위의 양극과;
    상기 요철 형상의 전해질의 상기 볼록부 및 제 2 오목부 위의 음극을 포함하고,
    상기 볼록부는 상기 제 1 오목부 및 상기 제 2 오목부 사이에 제공되고,
    상기 양극 및 상기 음극은 상기 볼록부에 분리되어 제공되고,
    밀봉 부재가 상기 기판, 상기 요철 형상의 전해질, 상기 양극, 및 상기 음극을 밀봉하고,
    상기 요철 형상의 전해질은 고체 전해질인, 전기화학 커패시터.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 양극은 상기 요철 형상의 전해질과 접촉하는 활물질과 상기 활물질과 접촉하는 집전체를 포함하는, 전기화학 커패시터.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 음극은 상기 요철 형상의 전해질과 접촉하는 활물질과 상기 활물질과 접촉하는 집전체를 포함하는, 전기화학 커패시터.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 요철 형상의 전해질은 황산수소세슘 또는 인산수소세슘을 포함하는, 전기화학 커패시터.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 요철 형상의 전해질은 산화실리콘을 포함하는, 전기화학 커패시터.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 요철 형상의 전해질은 수소를 포함하는 비정질 반도체인, 전기화학 커패시터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    수소를 포함하는 상기 비정질 반도체는 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄 또는 비정질 게르마늄인, 전기화학 커패시터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    수소를 포함하는 상기 비정질 반도체는 수소를 포함하는 산화물 반도체인, 전기화학 커패시터.
  12. 제 9 항에 있어서,
    수소를 포함하는 상기 비정질 반도체는 In－M－Zn－산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co에서 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)인, 전기화학 커패시터.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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