KR102209261B1 - Liquid metal-based capacitors and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체금속 기반 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 제1 액체금속 전극; 상기 제1 액체금속 전극과 마주보는 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된 제2 액체금속 전극; 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극 사이에 형성된 전해질; 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제1 산화막; 및 상기 제2 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제2 산화막;을 포함하고, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)인 것인, 액체금속 기반 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid metal-based capacitor and a method of manufacturing the same, and in more detail, a first liquid metal electrode; A second liquid metal electrode formed to be spaced apart a predetermined distance in a direction facing the first liquid metal electrode; An electrolyte formed between the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode; A first oxide film formed between the first liquid metal electrode and the electrolyte; And a second oxide film formed between the second liquid metal electrode and the electrolyte, wherein the first oxide film and the second oxide film are formed from the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode. oxide), it relates to a liquid metal-based capacitor and a method of manufacturing the same.
Description
본 발명은 액체금속 기반 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid metal-based capacitor and a method of manufacturing the same.
현재 활발히 연구되고 있는 대표적인 에너지 저장장치에는 배터리와 슈퍼 커패시터가 있다. 슈퍼 커패시터는 높은 출력, 빠른 충방전 속도, 충방전 사이클 장기안정성 등이 장점이다. 최근, 탄소 나노튜브, 그래핀 등의 탄소 기반 소재가 커패시터 전극물질로서 높은 성능 및 안정성을 보여 활발히 활용되고 있다. 하지만, 탄소 소재는 신축성이 거의 없기 때문에 신축 전자소자의 전극 물질로 사용하기에는 제약이 따른다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 다른 물질과 혼합 하거나 구조적인 변화를 주는 등의 추가적인 프로세스를 거치기도 한다.Representative energy storage devices that are currently being actively studied include batteries and super capacitors. Super capacitors have advantages such as high output, fast charging and discharging speed, and long-term stability of charging and discharging cycles. Recently, carbon-based materials such as carbon nanotubes and graphene have been actively used as capacitor electrode materials show high performance and stability. However, since the carbon material has little elasticity, it is limited in use as an electrode material for a flexible electronic device. In order to solve this problem, additional processes such as mixing with other materials or structural changes may be performed.
낮은 용융 온도를 가지는 액체금속은 실온 근처에서 유동적 거동을 보이는 액체로 존재한다. 액체금속은 높은 표면 장력 그리고 낮은 점도와 같은 유체의 고유한 성질 외에도, 높은 열 및 온도 전도도를 가져 온도 감지 및 제어 장치, 열 인터페이스 재료, 및 핵융합로 냉각 등의 전통적인 산업 분야에 널리 사용되기 적합하다.Liquid metals with low melting temperatures exist as liquids that exhibit fluid behavior near room temperature. In addition to the inherent properties of fluids such as high surface tension and low viscosity, liquid metals have high thermal and temperature conductivity, making them suitable for widespread use in traditional industrial applications such as temperature sensing and control devices, thermal interface materials, and fusion reactor cooling. .
잘 알려진 액체금속으로는 수은(Hg)이나 원자로 냉각충전재로 주로 사용되는 공융(eutectic)상태의 나크(NaK) 등이 있다. 다만, 액체금속의 독특한 성질에도 불구하고, 높은 독성 또는 반응성은 액체금속의 사용을 제한하고 있다. 특히, 나크는 대기와 접촉하면 화재를 일으킬 수 있어 완전히 밀폐된 용기 안에서만 사용이 가능하다. 최근에는, 덜 유해하고 보다 안정적인 공융갈륨인듐(EGaIn) 및 공융갈륨인듐주석(EGaInSn)과 같은 갈륨에 기반을 둔 공융 합금이 고려되고 있다.Well-known liquid metals include mercury (Hg) or eutectic NaK, which is mainly used as a cooling filler for nuclear reactors. However, despite the unique properties of liquid metals, their high toxicity or reactivity limits the use of liquid metals. In particular, Nak can cause a fire if it comes into contact with the atmosphere, so it can only be used in a completely sealed container. Recently, eutectic alloys based on gallium such as less harmful and more stable eutectic gallium indium (EGaIn) and eutectic gallium indium tin (EGaInSn) are being considered.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 액체금속을 사용하여 구현된 유연하고 신축성 있는 커패시터 구조의 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an energy storage device having a flexible and flexible capacitor structure implemented using a liquid metal.
또한, 액체금속을 사용하여 구현된 유연하고 신축성 있는 전자소자를 제공하는 것이다In addition, it is to provide flexible and flexible electronic devices implemented using liquid metal.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터는, 제1 액체금속 전극; 상기 제1 액체금속 전극과 마주보는 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된 제2 액체금속 전극; 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극 사이에 형성된 전해질; 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제1 산화막; 및 상기 제2 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제2 산화막;을 포함하고, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)인 것이다.A liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention includes: a first liquid metal electrode; A second liquid metal electrode formed to be spaced apart a predetermined distance in a direction facing the first liquid metal electrode; An electrolyte formed between the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode; A first oxide film formed between the first liquid metal electrode and the electrolyte; And a second oxide film formed between the second liquid metal electrode and the electrolyte, wherein the first oxide film and the second oxide film are formed from the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode. oxide).
일 측면에 따르면, 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극은, 각각, 갈륨 액체금속; 또는 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 및 갈륨을 포함하는 갈륨계 합금;을 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode, respectively, gallium liquid metal; Or a gallium-based alloy including gallium and at least one metal selected from the group consisting of indium, tin, and zinc; may be included.
일 측면에 따르면, 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극은, 각각, 15.5 ℃ 이하의 융점을 가지는 것일 수 있다.According to one aspect, the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode may each have a melting point of 15.5 °C or less.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 갈륨 산화막인 것일 수 있다.According to an aspect, the first oxide layer and the second oxide layer may be a gallium oxide layer.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 각각, 1 nm 내지 90 ㎛의 두께를 가지는 것일 수 있다.According to an aspect, the first oxide layer and the second oxide layer may each have a thickness of 1 nm to 90 μm.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 또는 상기 제2 산화막은, 손상되거나 제거될 경우, 자기복구(self-repair)되어 재형성되는 것일 수 있다.According to an aspect, when the first oxide film or the second oxide film is damaged or removed, it may be self-repaired and reformed.
일 측면에 따르면, 상기 전해질은, 황산나트륨 수용액 질산나트륨 수용액 및 질산칼륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the electrolyte may include at least one selected from the group consisting of an aqueous sodium sulfate solution, an aqueous sodium nitrate solution, and an aqueous potassium nitrate solution.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터의 제조방법은, 액체금속을 이용하여 서로 이격된 한 쌍의 액체금속 전극을 제조하는 단계; 및 상기 한 쌍의 액체금속 사이에 전해질을 형성하는 단계;를 포함하고, 절연막 또는 산화막 형성 단계-프리인 것이다.A method of manufacturing a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention includes the steps of manufacturing a pair of liquid metal electrodes spaced apart from each other using a liquid metal; And forming an electrolyte between the pair of liquid metals, and forming an insulating film or an oxide film-free.
일 측면에 따르면, 상기 액체금속은, 갈륨 액체금속; 또는 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 및 갈륨을 포함하는 갈륨계 합금;을 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the liquid metal, gallium liquid metal; Or a gallium-based alloy including gallium and at least one metal selected from the group consisting of indium, tin, and zinc; may be included.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 및 신축성 전자소자는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터를 포함한다.A flexible and stretchable electronic device according to an embodiment of the present invention includes a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따르면, 액체금속을 통해 유연하고 신축성 있는 액체금속 기반 커패시터를 구현할 수 있다.According to the present invention, a flexible and elastic liquid metal-based capacitor can be implemented through the liquid metal.
또한, 별도의 절연막 또는 산화막 형성과정 없이 높은 커패시턴스를 가지는 액체금속 기반 커패시터를 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a liquid metal-based capacitor having high capacitance without a separate insulating layer or oxide layer forming process.
또한, 액체금속 전극을 기반으로 한 신축 웨어러블 에너지 소자 및 전자 소자를 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a stretchable wearable energy device and an electronic device based on a liquid metal electrode.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 액체금속 기반 커패시터의 충전 및 방전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 액체금속 기반 커패시터의 커패시턴스 값을 측정한 그래프이다.1 is a view for explaining a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a charging and discharging process of a liquid metal-based capacitor implemented according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph measuring a capacitance value of a liquid metal-based capacitor implemented according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express a preferred embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be positioned "on" another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components.
이하, 본 발명의 액체금속 기반 커패시터 및 이의 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a liquid metal-based capacitor of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터를 설명하기 위한 도면이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다.1 is a view for explaining a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIG. 1.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터는, 제1 액체금속 전극(110); 상기 제1 액체금속 전극과 마주보는 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된 제2 액체금속 전극(120); 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극 사이에 형성된 전해질(300); 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제1 산화막(210); 및 상기 제2 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제2 산화막(220);을 포함하고, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)인 것이다.A liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention includes a first
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터의 기본적인 구성은 도 1과 같이 액체금속/산화막/전해질/산화막/액체금속으로 이루어진다. 계면의 배열이 중요한 요소이다. 일 측면에 따르면, 상기 액체금속 기반 커패시터의 형태는 평면형, 섬유형 등 다양한 구조를 가지는 것일 수 있다.The basic configuration of a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention is composed of a liquid metal/oxide film/electrolyte/oxide film/liquid metal as shown in FIG. 1. The arrangement of the interface is an important factor. According to an aspect, the liquid metal-based capacitor may have various structures such as a flat type and a fiber type.
본 발명에 따르면, 액체금속을 통해 유연하고 신축성 있는 액체금속 기반 커패시터를 구현할 수 있다. 최근 접을 수 있고(foldable), 착용할 수 있는(wearable) 유연한 전자 및 에너지 소자에 대한 요구가 커짐에 따라, 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 발명에서는 상온에서 액체 상태로 존재하면서 높은 전기전도성을 가지는 액체 금속을 전극으로 이용함으로써, 기존 금속 전극의 기계적 성질에 의해 제한되었던 전자 및 에너지 소자의 유연성 및 신축성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.According to the present invention, a flexible and elastic liquid metal-based capacitor can be implemented through the liquid metal. In recent years, as the demand for foldable and wearable flexible electronic and energy devices increases, related studies are being actively conducted. In the present invention, by using a liquid metal having high electrical conductivity while being in a liquid state at room temperature as an electrode, the flexibility and elasticity of electronic and energy devices, which were limited by the mechanical properties of the existing metal electrode, can be dramatically improved.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터의 거동은 일반적인 전기이중층 커패시터와 유사하다. 전압을 가해주면 반대전하의 전해질 이온들이 산화막 표면에 쌓이며 충전상태가 되며, 전압이 제거되거나 반대 극의 전압이 가해지게 되면 묶여 있던 이온들이 풀리게 되면서 전류를 방출하게 된다.The behavior of a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention is similar to that of a general electric double layer capacitor. When a voltage is applied, electrolyte ions of opposite charge accumulate on the oxide film surface and become charged. When the voltage is removed or a voltage of the opposite pole is applied, the bound ions are released and current is released.
이러한 거동으로 인해 일반적인 전기이중층 커패시터는 산화막 또는 절연막 형성과정이 필수적으로 수반되어야 한다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터에 포함되는 산화막은, 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)으로서, 별도의 형성과정 없이 자발적으로 형성된다.Due to this behavior, the general electric double layer capacitor must be accompanied by a process of forming an oxide film or an insulating film. On the other hand, the oxide film included in the liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention is a native oxide film formed from a liquid metal electrode, and is formed spontaneously without a separate formation process.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 또는 상기 제2 산화막은, 손상되거나 제거될 경우, 자기복구(self-repair)되어 재형성되는 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 산화막의 형성과정은 자발적 반응이므로, 커패시터 거동 중 산화막이 손상되거나 제거될 경우 자기복구(self-repair)되어 산화막이 복구되는 특성을 가진다. 따라서, 안정성 및 수명 특성이 뛰어난 커패시터를 구현할 수 있다.According to an aspect, when the first oxide film or the second oxide film is damaged or removed, it may be self-repaired and reformed. As described above, since the formation process of the oxide film is a spontaneous reaction, when the oxide film is damaged or removed during the behavior of the capacitor, the oxide film is self-repaired to recover the oxide film. Therefore, it is possible to implement a capacitor having excellent stability and lifetime characteristics.
일 측면에 따르면, 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극은, 각각, 갈륨 액체금속; 또는 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 및 갈륨을 포함하는 갈륨계 합금;을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 갈륨-인듐 공융 합금 (eutectic Ga-In alloy) 또는 갈륨-인듐-주석 합금 (Galinstan)인 것일 수 있다.According to one aspect, the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode, respectively, gallium liquid metal; Or a gallium-based alloy including gallium and at least one metal selected from the group consisting of indium, tin, and zinc; may be included. Preferably, it may be a gallium-indium eutectic Ga-In alloy or a gallium-indium-tin alloy (Galinstan).
일 측면에 따르면, 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극은, 각각, 15.5 ℃ 이하의 융점을 가지는 것일 수 있다. 갈륨계 액체금속은 인듐, 주석 및 아연과의 합금을 형성함으로써, 15.5 ℃ 이하의 융점을 구현할 수 있다.According to one aspect, the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode may each have a melting point of 15.5 °C or less. The gallium-based liquid metal can achieve a melting point of 15.5° C. or less by forming an alloy with indium, tin, and zinc.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 갈륨 산화막인 것일 수 있다. 갈륨계 액체금속은 자발적인 반응으로 표면에 산화막을 형성한다. 이 산화막은 절연체로서, 액체금속의 표면장력을 낮추어주어 성형을 용이하게 할 뿐만 아니라, 불필요한 전기화학반응을 억제하여 안정적인 전기이중층 커패시터 거동을 가능하게 해줄 수 있다.According to an aspect, the first oxide layer and the second oxide layer may be a gallium oxide layer. The gallium-based liquid metal forms an oxide film on the surface through a spontaneous reaction. This oxide film is an insulator, and not only facilitates molding by lowering the surface tension of the liquid metal, but also suppresses unnecessary electrochemical reactions to enable a stable electric double layer capacitor behavior.
일 측면에 따르면, 상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 각각, 수 nm 내지 수십 ㎛의 두께를 가지는 것일 수 있다. 바람직하게는 1 nm 내지 90 ㎛의 두께를 가지는 것일 수 있다. 산화막의 두께는 액체금속에 전압을 가하거나 전해질의 pH 변화를 통해 제어할 수 있으며, 상기 두께 범위를 벗어날 경우 액체금속이 변형되거나 커패시턴스 성능이 크게 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.According to an aspect, the first oxide layer and the second oxide layer may each have a thickness of several nm to several tens of μm. Preferably, it may have a thickness of 1 nm to 90 μm. The thickness of the oxide film may be controlled by applying a voltage to the liquid metal or changing the pH of the electrolyte. If the thickness is out of the above range, the liquid metal may be deformed or the capacitance performance may be significantly deteriorated.
일 측면에 따르면, 상기 전해질은, 황산나트륨 수용액 질산나트륨 수용액 및 질산칼륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 이온성 액체 등 다른 형태의 전해질도 다양하게 적용할 수 있다. 상기 전해질은 고체나 젤 상(phase)을 포함하는 것이 바람직하나, 적절한 패키징을 적용할 경우 액체 전해질을 포함할 수도 있다.According to one aspect, the electrolyte may include at least one selected from the group consisting of an aqueous sodium sulfate solution, an aqueous sodium nitrate solution, and an aqueous potassium nitrate solution. However, the present invention is not limited thereto, and other types of electrolytes such as ionic liquids may be applied in various ways. The electrolyte preferably includes a solid or gel phase, but may also include a liquid electrolyte when appropriate packaging is applied.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터의 제조방법은, 액체금속을 이용하여 서로 이격된 한 쌍의 액체금속 전극을 제조하는 단계; 및 상기 한 쌍의 액체금속 사이에 전해질을 형성하는 단계;를 포함하고, 절연막 또는 산화막 형성 단계-프리인 것이다.A method of manufacturing a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention includes the steps of manufacturing a pair of liquid metal electrodes spaced apart from each other using a liquid metal; And forming an electrolyte between the pair of liquid metals, and forming an insulating film or an oxide film-free.
상술한 것과 같이 일반적인 전기이중층 커패시터는 산화막 또는 절연막 형성과정이 필수적으로 수반되어야 한다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터에 포함되는 산화막은, 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)으로서, 별도의 형성과정 없이 자발적으로 형성된다. 즉, 단순한 공정으로 대면적 평면 및 섬유형 액체금속 전극 제작 과정을 확립하여 실질적인 커패시터 소자 개발에 기여할 수 있다.As described above, the general electric double layer capacitor must be accompanied by a process of forming an oxide film or an insulating film. On the other hand, the oxide film included in the liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention is a native oxide film formed from a liquid metal electrode, and is formed spontaneously without a separate formation process. That is, it is possible to contribute to the practical development of capacitor devices by establishing a process of manufacturing a large-area plane and fibrous liquid metal electrode with a simple process.
일 측면에 따르면, 상기 액체금속은, 갈륨 액체금속; 또는 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 및 갈륨을 포함하는 갈륨계 합금;을 포함하는 것일 수 있다.According to one aspect, the liquid metal, gallium liquid metal; Or a gallium-based alloy including gallium and at least one metal selected from the group consisting of indium, tin, and zinc; may be included.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연성 및 신축성 전자소자는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체금속 기반 커패시터를 포함한다. 본 발명에서는 상온에서 액체 상태로 존재하면서 높은 전기전도성을 가지는 액체 금속을 전극으로 이용함으로써, 유연성 및 신축성 전자소자를 구현할 수 있다.A flexible and stretchable electronic device according to an embodiment of the present invention includes a liquid metal-based capacitor according to an embodiment of the present invention. In the present invention, a flexible and stretchable electronic device may be implemented by using a liquid metal having high electrical conductivity while being in a liquid state at room temperature as an electrode.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are for illustrative purposes only, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.
실시예Example
윗면이 없는 직육면체 형태의 틀을 준비하고, 바닥에 얇은 튜브를 연결하여 그 튜브로 갈륨-인듐 공융합금 액체금속을 주입하여 두 개의 대칭 액체금속 전극을 형성하였다.Two symmetrical liquid metal electrodes were formed by preparing a rectangular parallelepiped-shaped frame without an upper side, connecting a thin tube to the bottom, and injecting a gallium-indium eutectic alloy liquid metal into the tube.
이어서, 틀의 공간을 염을 포함하는 전해질로 채워서 셋업을 완성하였다.Subsequently, the setup was completed by filling the space of the frame with an electrolyte containing salt.
중성 전해질 환경에서 액체금속의 표면에 자연산화막(native oxide)이 형성되었다.A native oxide film was formed on the surface of the liquid metal in a neutral electrolyte environment.
결과적으로 액체금속/자연산화막/전해질/자연산화막/액체금속 계면을 가지고 있는 커패시터 회로를 구성하였다.As a result, a capacitor circuit with a liquid metal/natural oxide film/electrolyte/natural oxide film/liquid metal interface was constructed.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 구현된 액체금속 기반 커패시터의 충전 및 방전 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a charging and discharging process of a liquid metal-based capacitor implemented according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 구현된 액체금속 기반 커패시터에 전압을 가해주면 반대전하의 전해질 이온들이 갈륨-인듐 공융합금 전극 표면에 형성된 산화막에 쌓이며 충전상태가 되며, 전압이 제거되거나 반대 극의 전압이 가해지게 되면 묶여 있던 이온들이 풀리게 되면서 전류를 방출하게 된다.Referring to FIG. 2, when a voltage is applied to a liquid metal-based capacitor implemented according to an embodiment of the present invention, electrolytic ions of opposite charges accumulate on the oxide film formed on the surface of the gallium-indium eutectic alloy to become a charged state. When removed or the voltage of the opposite pole is applied, the bound ions are released and the current is released.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 구현된 액체금속 기반 커패시터의 커패시턴스 값을 측정한 그래프이다.3 is a graph measuring a capacitance value of a liquid metal-based capacitor implemented according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide) 만으로도 일반적인 전기이중층 커패시터와 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 수 mF/cm2 수준의 의미 있는 커패시턴스 값을 얻을 수 있었다.Referring to FIG. 3, it can be seen that even a native oxide formed from a liquid metal electrode exhibits a behavior similar to that of a general electric double layer capacitor, and as a result, a meaningful capacitance value of several mF/cm 2 was obtained.
더불어, 갈륨 액체금속의 산화막 형성과정은 자발적 반응이므로, 구부리거나 접는 등의 외부 충격에 의해 산화막이 손상되거나 제거될 경우 산화막이 스스로 생기는 자기복구(self-repair) 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 안정성 및 수명 특성이 뛰어난 커패시터를 구현할 수 있으며, 이를 적용한 유연성 및 신축성 전자소자를 구현할 수 있다.In addition, since the process of forming the oxide film of the gallium liquid metal is a spontaneous reaction, it can be seen that the oxide film has a self-repair property that occurs when the oxide film is damaged or removed by external impact such as bending or folding. That is, a capacitor having excellent stability and lifespan characteristics can be implemented, and a flexible and stretchable electronic device using the same can be implemented.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those of ordinary skill in the art. For example, even if the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or the described components are combined or combined in a form different from the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.
110: 제1 액체금속 전극
120: 제2 액체금속 전극
210: 제1 산화막
220: 제2 산화막
300: 전해질110: first liquid metal electrode
120: second liquid metal electrode
210: first oxide film
220: second oxide film
300: electrolyte
Claims (10)
상기 제1 액체금속 전극과 마주보는 방향으로 소정 거리 이격되어 형성된 제2 액체금속 전극;
상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극 사이에 형성된 전해질;
상기 제1 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제1 산화막; 및
상기 제2 액체금속 전극 및 상기 전해질 사이에 형성된 제2 산화막;을 포함하고,
상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은 상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극으로부터 형성된 자연산화막(native oxide)인 것이고,
상기 전해질은 황산나트륨 수용액, 질산나트륨 수용액 및 질산칼륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 액체 전해질이며,
상기 제1 액체금속 전극 및 제2 액체금속 전극은, 갈륨-인듐-주석 공융 합금인 것이고,
상기 제1 산화막 또는 상기 제2 산화막은, 손상되거나 제거될 경우, 자기복구(self-repair)되어 재형성되는 것인,
액체금속 기반 커패시터.
A first liquid metal electrode;
A second liquid metal electrode formed to be spaced apart a predetermined distance in a direction facing the first liquid metal electrode;
An electrolyte formed between the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode;
A first oxide film formed between the first liquid metal electrode and the electrolyte; And
Including; a second oxide film formed between the second liquid metal electrode and the electrolyte,
The first oxide film and the second oxide film are a native oxide film formed from the first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode,
The electrolyte is a liquid electrolyte containing at least one selected from the group consisting of an aqueous sodium sulfate solution, an aqueous sodium nitrate solution, and an aqueous potassium nitrate solution,
The first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode are gallium-indium-tin eutectic alloy,
When the first oxide layer or the second oxide layer is damaged or removed, it is self-repaired and reformed,
Liquid metal based capacitors.
상기 제1 액체금속 전극 및 상기 제2 액체금속 전극은, 각각, 15.5 ℃ 이하의 융점을 가지는 것인,
액체금속 기반 커패시터.
The method of claim 1,
The first liquid metal electrode and the second liquid metal electrode each have a melting point of 15.5 °C or less,
Liquid metal based capacitors.
상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 갈륨 산화막인 것인,
액체금속 기반 커패시터.
The method of claim 1,
Wherein the first oxide film and the second oxide film are gallium oxide films,
Liquid metal based capacitors.
상기 제1 산화막 및 상기 제2 산화막은, 각각, 1 nm 내지 90 ㎛의 두께를 가지는 것인,
액체금속 기반 커패시터.
The method of claim 1,
The first oxide film and the second oxide film, each having a thickness of 1 nm to 90 ㎛,
Liquid metal based capacitors.
상기 한 쌍의 액체금속 사이에 전해질을 형성하는 단계;를 포함하고,
자연산화막이 상기 한 쌍의 액체금속 전극의 표면에 자발적으로 형성되는 것이고,
상기 액체금속 전극은, 갈륨-인듐-주석 공융 합금인 것이고,
상기 전해질은 황산나트륨 수용액, 질산나트륨 수용액 및 질산칼륨 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
상기 제1 산화막 또는 상기 제2 산화막은, 손상되거나 제거될 경우, 자기복구(self-repair)되어 재형성되는 것인,
액체금속 기반 커패시터의 제조방법.Manufacturing a pair of liquid metal electrodes spaced apart from each other using liquid metal; And
Including; forming an electrolyte between the pair of liquid metals,
A natural oxide film is formed spontaneously on the surface of the pair of liquid metal electrodes
The liquid metal electrode is a gallium-indium-tin eutectic alloy,
The electrolyte includes at least one selected from the group consisting of an aqueous sodium sulfate solution, an aqueous sodium nitrate solution, and an aqueous potassium nitrate solution,
When the first oxide layer or the second oxide layer is damaged or removed, it is self-repaired and reformed,
Method of manufacturing liquid metal-based capacitors.
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