KR102191930B1 - 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법에 관한 것으로, 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법은 투석막에 미리 설정된 패턴으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하는 단계, 프린팅된 특수 전극 페이스트간의 사이에 위치하는 투석막에 전해질을 3차원 직접 프린팅하여 투석막을 코팅하는 단계, 그리고 자외선 경화형 잉크를 투석막에 3차원 직접 프린팅하고, 자외선 경화를 통해 투석막을 캡슐화하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법에 관한 것이다.
슈퍼커패시터는(Supercapacitor)는 웨어러블 전자 장치의 배터리를 대체할 수 있는 우수한 고 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 빠른 충전과 높은 주기의 안전성을 가지는 에너지 저장 장치로서 다양한 분야에서 각광받고 있다.
일반적으로 슈퍼커패시터는 제1 전극과 투석막, 제2 전극을 순차적으로 적층하여 제조하거나 기판 상에 음극과 양극을 인쇄하고, 투석막을 2개의 전극 사이에 삽입한 후 전해질을 채워서 제작한다.
이러한 공정은 각 단계마다 복잡하고 그에 따라 많은 비용이 소요되며, 복잡한 공정에 따른 비효율적인 제작 확률이 높다. 그러므로 보다 제작 공정을 간소화하는 슈퍼커패시터의 제작을 위한 연구가 현재 진행되고 있다
그 중에서도 3차원 직접 인쇄 방법은 분말, 액체, 고체 형태의 특정 물질을 계층적으로 쌓아 3차원 형태의 입체물을 제조하는 기술로써, 상대적으로 단순한 장비, 조절 가능한 구성, 고효율, 고해상도 등의 다양한 장점을 가진다.
하지만, 3차원 직접 인쇄 방법을 통해서 슈퍼커패시터를 제작할 때에도 별도의 기판을 이용하여 해당 기판에 전극을 인쇄하고 재조립하는 방식으로 제작되고 있다.
따라서, 3차원 프린팅 기술을 이용하여 제작 공정을 간소화하기 위한 직접적으로 투석막에 전극을 형성시켜 슈퍼커패시터를 제작할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3차원 직접 프린팅 방법을 통해 투석막에 직접적으로 전극을 형성시켜 제작된 슈퍼커패시터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조 공정이 간소화되고 공정 비용이 감소화된 3차원 직접 프린팅 방법을 통한 슈퍼커패시터를 제작 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법은투석막에 미리 설정된 패턴으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하는 단계, 프린팅된 특수 전극 페이스트간의 사이에 위치하는 투석막에 전해질을 3차원 직접 프린팅하여 투석막을 코팅하는 단계, 그리고 자외선 경화형 잉크를 투석막에 3차원 직접 프린팅하고, 자외선 경화를 통해 투석막을 캡슐화하는 단계를 포함한다.
특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하는 단계는, 투석막의 제1면에 제1간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성하는 단계, 그리고 투석막의 제2면에 제2 간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
제1면에 형성된 전극과 제2면에 형성되는 전극은 미러 이미지로 정렬될 수 있다.
투석막은, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 혈액 투석막(haemodialysis), 폴리 카보네이트(polycarbonate), 포리술폰(polysulphone), 재생 셀룰로오스(regenerated cellulose), 합성 재생 셀룰로오스 에스테르(synthetic regenerated cellulose ester) 또는 폴리우레탄 공중합체(polyurethane copolymer) 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 중에서 하나 이상의 물질을 통해 형성될 수 있다.
투석막의 두께는 1 내지 1000 ㎛ 이내의 범위이며, 투석막의 기공 크기는 10 내지 1000 
(옹스트롬) 중에서 하나일 수 있다.
특수 전극 페이스트는 Ru02, NiOx, MnO2, Vox, TiO2, Co2O3, Ag2O, MoCx, WCx, WNx, Ni(OH)2, V2O5, Li4Ti5O12, Co(OH)2, Co3O4, 전이 금속 산화물, 전도성 중합체 또는 이들의 조합물 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
투석막을 코팅하는 단계는, 투석막이 잠길만큼 겔 형태의 전해질을 3차원 직접 프린팅하면, 제1면의 전극과 제2면의 전극은 각각 양이온과 음이온을 흡착하고, 이에 용해된 전해질이 투석막에 증착될 수 있다.
전해질은 폴리 비닐 알콜 (PVA), 폴리(다이플루오로에텐)(PVDF), 폴리 (비닐리덴플루오라이드)-헥사 플루오로 포스페이트(hexaflourophosphate) (PVDF-HFP), 폴리 (에틸렌옥사이드) (PEO), 폴리 (아크릴로니트릴) (PAN), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴아마이드 (PAM), 폴리 (메타크릴산 메틸) (PMMA), 에폭시 유도체(epoxy derivatives) 또는 실리콘 유도체 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
전해질은 LiTFSI, LiPF6, LiClO4, LiCl, LiSCN, LiN(CN)2, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiSbF6, Li(CF3SO2)3C, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiB(C2O4)2, NaSCN, NaSO3CF3, KTFSI, NaTFSI, Ba(TFSI)2, Pb(TFSI)2, Ca(TFSI)2 및 LiPF3(CF2CF3)3을 포함하는 리튬 염 그룹에서 하나 이상의 염을 포함할 수 있다.
전해질은 HCl, HBr, HNO3, H2SO4, H3PO4, HI, HClO4, C2H2O4을 포함하는 강산 또는 NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2 을 포함하는 강염기 또는 NaCl, KBr, MgCl2, LiCl, LiBr을 포함하는 염 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 투석막, 투석막의 일면 또는 타면에 특수 전극 페이스트를 미리 설정된 패턴으로 3차원 직접 프린팅되어 형성된 복수 개의 전극, 복수 개의 전극을 감싸는 형태로 자외선 경화형 잉크를 3차원 직접 인쇄하여 캡슐화한 자외선 경화층을 포함하고, 투석막은 복수개의 전극 사이에 3차원 직접 인쇄를 통해 프린팅된 전해질로 코팅된다.
본 발명에 따르면, 3차원 직접 인쇄를 통해 슈퍼커패시터를 제작함으로써 높은 표면적을 가지는 효과적인 3차원 구조를 포함하여, 더 높은 에너지와 전력 밀도를 제공하는 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 투석막에 직접적으로 3차원 프린팅을 통해 전극을 형성시켜 슈퍼커패시터를 제작함으로써, 공정의 절차가 간소화되며, 그에 따른 제작 시간 및 비용이 간소화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공정의 절차가 간소화됨에 따라 슈퍼커패시터의 제작의 자동화를 촉진하며, 제작의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 직접 인쇄를 이용하여 슈퍼커패시터를 제작하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 사이에 전해질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질을 통해 코팅된 투석막을 나타낸 설명하기 위한 예시도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 사이에 전해질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질을 통해 코팅된 투석막을 나타낸 설명하기 위한 예시도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 성능을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 '3차원 직접 프린터'는 미리 설정된 패턴에 기초하여 슈퍼커패시터를 제작하는 장치를 나타내며, 잉크젯(Inkjet) 프린팅, 노즐(Nozzle) 프린팅, 롤투롤(Roll to Roll) 프린팅 방식을 모두 포함하며, 특정 3차원 직접 프린팅 방식에 한정하는 것은 아니다.
본 명세서에서 미러 이미지는 거울에 비친 글자와 같이, 어떤 화상이 원래의 화상과 똑같지만, 좌우가 바뀌었거나 한 차원이 반대로 되어 있는 것과 같이, 서로의 상대점이 되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 도 2 내지 도 7에서의 (a)는 제작되는 슈퍼커패시터의 단면을 도시한 예시도이고, (b)는 제작되는 슈퍼커패시터의 정면을 도시한 예시도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 7을 이용하여 3차원 직접 인쇄를 이용하여 투석막에 직접 전극을 프린팅하는 슈퍼커패시터를 제작하는 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 직접 인쇄를 이용하여 슈퍼커패시터를 제작하는 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 투석막의 제1면에 미리 설정된 제1 간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성한다(S101).
여기서, 투석막(Dialysis membrane)은 슈퍼커패시터의 전극 사이에 위치하는 분리기로써의 분리막(separator)을 의미한다.
예를 들어, 투석막은 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 혈액 투석막(haemodialysis), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리술폰(polysulphone), 재생 셀루로오스(regenerated cellulose), 합성 재생 셀룰로오스 에스테르(synthetic regenerated cellulose ester) 또는 폴리우레탄 공중합체(polyurethane copolymer) 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene 등으로 이루어진 그룹 중에서 하나 이상을 이용하여 형성될 수 있다. 이외에도 투석막은 헥사플루오로프로판 공중합체, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 사용되는 분리막을 모두 포함한다.
또한, 이러한 투석막의 두께는 1 내지 1000 ㎛로 형성될 수 있으며, 기공 크기는 10 내지 1000 
(옹스트롬) 범위 안에서 형성될 수 있다.
그리고 특수 전극 페이스트는 전도성 실버 페이스트(silver paste)를 의미하며, 이처럼 특수 전극 페이스트는 구리(copper), 카본 블랙(carbon black), 중도성 중합체(conducting polymeers)등으로 이루어진 그룹 중에서 하나 이상으로 형성될 수 있다.
이때, 복수개의 특수 전극 페이스트를 이용하여 하나 이상의 전극을 형성할 수 있으며, 이에 따라 전극은 Ru02, NiOx, MnO2, Vox, TiO2, Co2O3, Ag2O, MoCx, WCx, WNx, Ni(OH)2, V2O5, Li4Ti5O12, Co(OH)2, Co3O4, 전이 금속 산화물, 전도성 중합체 또는 이들의 조합물 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 미리 설정된 간격으로 3차원 직접 프린팅하는 방법은 미리 설정된 패턴에 대응하여 설정된다. 그리고 미리 설정된 패턴은 3차원 직접 프린팅 이전 시점에서 제작하고자 하는 슈퍼커패시터의 형태, 종류 그리고 특징에 대응하여 설정될 수 있다.
이때, 미리 설정된 패턴은 각각의 전극에 대한 간격을 포함하는 거리 정보, 전극의 높이, 전극의 폭 등을 포함한다
예를 들어, 연동되는 사용자 단말(미도시함)에 의해 제작하고자 하는 슈퍼커패시터의 목적, 크기, 저장 용량 등의 조건에 기초하여 저장된 패턴 중에서 하나를 선택받거나 직접 입력받은 데이터를 기초로 3차원 직접 프리팅되는 전극의 패턴을 확정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 투석막(10)의 일면에 3차원 직접 프린팅된 전극(20,21,22,23,24)는 일정한 간격(A)에 의해 배치된다. 이때, 각 전극의 간격은 모두 A와 같이 동일한 것으로 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상세하게는 3차원 직접 프린터가 50 ㎖ 주사기와 바늘을 이용하여 전극을 직접 프린팅할 수 있다. 예를 들어, 전도성 실버 페이스트(silver paste)를 사용하여 프린팅 된 전극의 폭과 높이는 각각 1 mm와 300 μm이고, 두 라인 사이의 거리(A)는 약 700 μm으로 설정하여 프린팅 될 수 있다.
이때, 3차원 직접 프린팅된 전극을 130 ℃에서 5 분간 열풍 건조하여 인쇄할 수 있다. 이처럼 전체 길이 10 mm로 형성된 전극의 저항은 2 Ω이다.
다음으로 투석막의 제2면에 미리 설정된 제2 간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성한다(S102).
투석막의 제2면에 3차원 직접 프린팅하기 위해 투석막의 제2면이 위쪽으로 오도록 투석막을 이동시킬 수 있다. 그리고 투석막의 제2면에 제1면에 형성된 전극과 미러 이미지(mirror image)로 정렬되도록 3차원 직접 프린팅할 수 있다.
투석막의 제2면은 제1면과 대응되는 면으로, 예를 들어 제1면이 상면인 경우, 제2면은 하면을 나타낸다. 그리고 투석막의 제2면에 미리 설정된 패턴에 대응하여 제2 간격으로 하나 이상의 전극을 형성할 때, 제1면에 형성된 제1 간격의 전극과 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있으나 반드시 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면에 전극을 배치하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전극이 형성된 제1면이 아래로 향하고, 제2면이 위로 향하며, 제2면에 제1면에 배치된 전극(24)과 동일한 위치에 전극(25)가 형성될 수 있다.
이와 마찬가지로 제2면에는 제1면에 배치된 전극과 동일하게 전극(20')이 형성될 수 있다.
다음으로 프린팅된 특수 전극 페이스트간의 사이에 위치하는 투석막에 전해질을 3차원 직접 프린팅한다(S103).
여기서, 전해질은 폴리 비닐 알콜 (PVA), 폴리(다이플루오로에텐)(PVDF), 폴리 (비닐리덴플루오라이드)-헥사 플루오로 포스페이트(hexaflourophosphate) (PVDF-HFP), 폴리 (에틸렌옥사이드) (PEO), 폴리 (아크릴로니트릴) (PAN), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴아마이드 (PAM), 폴리 (메타크릴산 메틸) (PMMA), 에폭시 유도체(epoxy derivatives) 또는 실리콘 유도체등 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 전해질은 LiTFSI, LiPF6, LiClO4 , LiCl, LiSCN, LiN(CN)2, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiSbF6, Li(CF3SO2)3C, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiB(C2O4)2, NaSCN, NaSO3CF3, KTFSI, NaTFSI, Ba(TFSI)2, Pb(TFSI)2, Ca(TFSI)2 및 LiPF3(CF2CF3)3등을 포함하는 리튬 염 그룹에서 하나 이상의 염을 포함할 수 있다.
전해질은 HCl, HBr, HNO3, H2SO4, H3PO4, HI, HClO4, C2H2O4 을 포함하는 강산 또는 NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2 을 포함하는 강염기 또는 NaCl, KBr, MgCl2, LiCl, LiBr을 포함하는 염 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전해질은 겔 형태로, 제작 가능하며, 중성 폴리 비닐 알콜 (PVA)과 염화 리튬 (LiCl)의 겔 전해질을 의미할 수 있다. 이러한 겔 전해질은 염화리툼(LiCl) 2g과 중성 폴리 비닐 알콜 (PVA) 1g을 탈 이온수 10ml에 용해시켜 합성된다. 그리고 합성된 겔 전해질은 탈 이온수 140 ℃에서 균일한 혼합상태로 만드는 작성(교반 작업)을 2시간동안 수행한다.
이외에도 전해질은 액체 전해질, 고분자 이온성 액체(polymer ionic liquid), 고체 전해질 중에서 하나 이상의 형태를 가질 수 있다.
이와 같이 합성된 최종 겔 전해질은 3차원 직접 프린터의 주사기로 전달되어 특수 설계된 전극 사이에 도포되고, 투석막에 침착되도록 공기 중에 1시간동안 둔다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전극 사이에 전해질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질을 통해 코팅된 투석막을 나타낸 설명하기 위한 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 겔 전해질을 투석막 위에 형성된 전극 사이로 3 차원 직접 프린팅으로 도포할 수 있다.
이때, 전해질은 투석막의 일부가 노출되지 않도록 투석막이 잠길 만큼의 양이 출력되며, 전해질은 투석막에서 균일하게 도포할 수 있다.
이때, 투석막 제1면의 전극과 제2면의 전극은 각각 양이온과 음이온을 흡착되고 전기이중층 커패시터(electrical double layer Capacitor, EDLC)와 같이, 충전된 상태로 저장된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 이처럼 도포된 전해질은 기공을 가진 투석막 전체에 균일하게 흡수된다. 이를 통해 제1면 전극(24)과 제2면 전극(25) 사이에 있는 투석막에도 균일하게 전해질이 코팅된다.
다음으로 자외선 경화형 잉크를 3차원 직접 프린팅하여 캡슐화된 슈퍼커패시터를 제작한다(S104).
먼저, 투석막의 위쪽에 위치하는 제2면에 자외선 경화 잉크를 3차원 직접 프린팅한 후 자외선 광을 제공하여 제2면을 캡슐화할 수 있다.
그리고 투석막의 제1면이 위쪽을 향하도록 투석막을 이동시킨 후, 제1면에 자외선 경화 잉크를 3차원 직접 프린팅한 후 자외선 광을 제공하여 제1면을 캡슐화할 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제2면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 7는 본 발명의 실시예에 따른 투석막의 제1면을 캡술화하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, NOA63 UV 경화 잉크를 이용하여 제2면에 형성된 전극을 덮는 형태로 3차원 직접 프린팅하며, 자외선 광을 1분 동안 노출시켜 자외선 경화층(41, 42)을 생성하여 캡슐화한다. 이와 마찬가지로, 제2면이 캡슐화되면, 제1면을 위쪽으로 향하도록 이동시켜, 동일한 방법으로 제1면을 캡슐화한다.
이처럼 별도의 시판을 이용하여 추후에 수동 조립을 통해 슈퍼커패시터를 제작하는 것이 아닌 3차원 직접 인쇄를 통해 자동으로 투석막 자체에 제작할 수 있다.
이하에서는 도 8을 이용하여 본 발명의 실시예 따라 제작된 슈퍼커패시터의 전기 화학적 성능을 실험한 결과에 상세하게 설명한다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 소자에 대한 전기화학적 특성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 8의 (a)는 스캔 속도 10-100 mV/s에서 슈퍼커패시터의 순환 전압 전류 곡선을 나타내며, (b)는 면적 용량(Areal capacitance) 대 스캔 속도 그래프를 나타내고, (c)는 200-1000μA/cm2의 전류 밀도에서 GCD (Galvanostatic charge discharge) 곡선을 나타낸다.
도 8의 (d)는 면적 용량(Areal capacitance) 대 전류 밀도를 나타낸 그래프이고, (e)는 슈퍼커패시터의 나이퀴스트 플롯을 나타낸 그래프이며, (f)는 슈퍼커패시터의 라곤 플롯을 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 슈퍼커패시터는 커패시턴스가 크게 증가되고 내부 저항이 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 충/방전 효율, 소자 반복동작성, 전력 밀도 및 에너지 밀도 등이 증가 되었다. 또한 3차원 직접 인쇄 공정을 통하여 슈퍼커패시터워 제조 시간이 빨라지고 및 사용 물질 사용량을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다
본 발명의 슈퍼커패시터는 각각 200 μA/cm2의 전류 밀도에서 172 mF/cm2 면적 용량(Areal capacitance) 및 10 mV/s의 스캔 속도에서 62 mF/cm2 면적 용량(Areal capacitance)을 보였다. 또한, 본 발명에 따른 슈퍼캐퍼시터는 약 5 Ωcm의 내부 저항을 가졌다. 이는, 일반적으로 슈퍼커패시터의 내부 저항이 약 10-20 Ωcm인것과 비교하면, 본 발명에 따라 제작된 슈퍼커패시터의 내부 저항은 매우 낮은 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 0.004 μWh/cm2 의 높은 파워 밀도 및 0.32 μW/cm2의 높은 에너지 밀도 특성을 갖는 슈퍼커패시터가 제공된다. 이처럼 3차원 직접 프린팅된 슈퍼커패시터는 기존의 2 차 전지 대신에 에너지 저장 장치로 제작되어 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 투석막 20: 전극
30: 전해질 40: 자외선 경화층
100: 슈퍼커패시터
30: 전해질 40: 자외선 경화층
100: 슈퍼커패시터
Claims (14)
- 투석막에 미리 설정된 패턴으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하는 단계,
프린팅된 상기 특수 전극 페이스트간의 사이에 위치하는 상기 투석막에 전해질을 3차원 직접 프린팅하여 상기 투석막을 코팅하는 단계, 그리고
자외선 경화형 잉크를 상기 투석막에 3차원 직접 프린팅하고, 자외선 경화를 통해 상기 투석막을 캡슐화하는 단계
를 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하는 단계는,
상기 투석막의 제1면에 제1간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성하는 단계, 그리고
상기 투석막의 제2면에 제2 간격으로 특수 전극 페이스트를 3차원 직접 프린팅하여 하나 이상의 전극을 형성하는 단계를 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제2항에서,
상기 제1면에 형성된 전극과 상기 제2면에 형성되는 전극은 미러 이미지로 정렬되는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 투석막은,
셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 혈액 투석막(haemodialysis), 폴리 카보네이트(polycarbonate), 포리술폰(polysulphone), 재생 셀룰로오스(regenerated cellulose), 합성 재생 셀룰로오스 에스테르(synthetic regenerated cellulose ester), 폴리우레탄 공중합체(polyurethane copolymer) 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 중에서 하나 이상의 물질을 통해 형성되는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 투석막의 두께는 1 내지 1000 ㎛ 이내의 범위이며, 상기 투석막의 기공 크기는 10 내지 1000(옹스트롬) 중에서 하나인 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 특수 전극 페이스트는
Ru02, NiOx, MnO2, Vox, TiO2, Co2O3, Ag2O, MoCx, WCx, WNx, Fe2O3, MoSx, Ni(OH)2, V2O5, Li4Ti5O12, Co(OH)2, Co3O4, 전이 금속 산화물, 전도성 중합체 중에서 하나 이상을 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제2항에서,
상기 투석막을 코팅하는 단계는,
상기 투석막이 잠길만큼 겔 형태의 전해질을 3차원 직접 프린팅하면, 상기 제1면의 전극과 상기 제2면의 전극은 각각 양이온과 음이온을 흡착하고, 이에 용해된 전해질이 상기 투석막에 증착되는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 전해질은
폴리 비닐 알콜 (PVA), 폴리(다이플루오로에텐)(PVDF), 폴리 (비닐리덴플루오라이드)-헥사 플루오로 포스페이트(hexaflourophosphate) (PVDF-HFP), 폴리 (에틸렌옥사이드) (PEO), 폴리 (아크릴로니트릴) (PAN), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리아크릴산(PAA), 폴리아크릴아마이드 (PAM), 폴리 (메타크릴산 메틸) (PMMA), 에폭시 유도체(epoxy derivatives) 또는 실리콘 유도체 중에서 하나 이상을 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 전해질은
LiTFSI, LiPF6, LiClO4, LiCl, LiSCN, LiN(CN)2, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiSbF6, Li(CF3SO2)3C, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2, LiPF3(CF2CF3)3, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiB(C2O4)2, NaSCN, NaSO3CF3, KTFSI, NaTFSI, Ba(TFSI)2, Pb(TFSI)2, Ca(TFSI)2 및 LiPF3(CF2CF3)3 을 포함하는 리튬 염 그룹에서 하나 이상의 염을 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법.
- 제1항에서,
상기 전해질은
HCl, HBr, HNO3, H2SO4, H3PO4, HI, HClO4, C2H2O4 을 포함하는 강산 또는 NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2 을 포함하는 강염기 또는 NaCl, KBr, MgCl2, LiCl, LiBr을 포함하는 염 중에서 하나 이상을 포함하는 3차원 직접 인쇄를 이용한 슈퍼커패시터 제조 방법
- 투석막,
상기 투석막의 일면 또는 타면에 특수 전극 페이스트를 미리 설정된 패턴으로 3차원 직접 프린팅되어 형성된 복수 개의 전극,
복수 개의 상기 전극을 감싸는 형태로 자외선 경화형 잉크를 3차원 직접 인쇄하여 캡슐화한 자외선 경화층을 포함하고,
상기 투석막은 복수개의 상기 전극 사이에 3차원 직접 인쇄를 통해 프린팅된 전해질로 코팅된 슈퍼커패시터.
- 제11항에서,
상기 전극은
상기 투석막의 일면에 미리 설정된 패턴에 기초하여 일정한 간격마다 프린팅되고,
상기 투석막의 타면은 상기 투석막의 일면과 거울상으로 동일하게 프린팅되어 형성되는 슈퍼커패시터.
- 제12항에서,
상기 투석막의 일면에 형성된 전극과 상기 투석막의 타면에 형성된 전극은 상기 전극 사이에 프린팅된 겔 형태의 전해질에서 각각 양이온과 음이온을 흡착하는 슈퍼커패시터.
- 제11항에서,
상기 투석막의 두께는 1 내지 1000 ㎛ 이내의 범위이며, 상기 투석막의 기공 크기는 10 내지 1000(옹스트롬) 중에서 하나인 슈퍼커패시터.
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|---|---|---|---|
| KR1020190078255A KR102191930B1 (ko) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020190078255A KR102191930B1 (ko) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법 |
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| KR1020190078255A KR102191930B1 (ko) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법 |
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- 2019-06-28 KR KR1020190078255A patent/KR102191930B1/ko active IP Right Grant
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