KR102333637B1 - 개선된 유전체 에너지 저장 장치 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC), 유전체 에너지 저장 장치 및 그 제조 방법이 제시된다. DEUC 요소는 유전체 에너지 저장 층(406)들 및 절연 층(404)들을 함께 침착하여 전극 층(403)들 사이에 끼우는 인쇄 기술을 이용하여 제조된다. 상기 유전체 에너지 저장 층들은 전하를 유지하기 위해 높은 유전율과 높은 내부 저항률을 갖는 유전체 에너지 저장 층들을 인쇄할 수 있게 하는 독점적인 용액으로 생성된다. 상기 절연 층(404)들은 저항률을 증가시키기 위해 상기 유전체 에너지 저장 층들을 두 부분으로 분할하는 상기 유전체 에너지 저장 층(406)들 내에 적용될 수 있다. 제조 공정의 일부로서, 물질 침착 프린터는 상이한 잉크들 및 물질(1301, 1302)들을 각각 갖는 다수의 인쇄 헤드를 적용하여 인쇄된 층들에 혼합 물질(1303)을 형성할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 6월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 62/514,627, 및 2017년 2월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 62/462,490, 및 2017년 1월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 62/446,763, 및 2016년 9월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 62/394,247에 기초하고 이의 우선권을 주장하며, 이들 선출원 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 병합된다. 또한 본 출원은 2016년 5월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 15/168,042에 기초하고 이의 우선권을 주장하며, 이 선출원 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 병합된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 울트라-커패시터(ultra-capacitor)에 기초한 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 울트라-커패시터 및 고밀도 에너지 전력 저장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재의 배터리 및 재충전 가능한 배터리 기술은 광범위한 응용 범위에 적합하지 않다. 크고 무거운 배터리가 전기 차량에 적용되어서 주행 거리를 확보하기 위해서는 차량 중량의 상당 부분을 차지한다. 소형 배터리는 바이오메디컬 장치 및 무선 통신 시스템과 같은 소형 센서 및 액추에이터를 다루기 위해 최근에 개발되었다.
그 중간은 셀폰(cellphone)과 같은 휴대용 전자 장치 및 컴퓨터에 요구된다. 화학 배터리 기술은 배터리 충전 용량이 저하되기 전에 충전 가능한 사이클 수가 제한되어 있고 셀당 4 볼트 이하로 제한된다.
현재의 커패시터는 그 에너지 밀도가 제한되어 있고 저장된 전하를 빠르게 소산시킨다.
많은 중요한 응용은 높은 에너지 밀도, 셀당 높은 동작 전압 및 배터리 수명의 연장을 요구한다.
따라서 전술된 종래 기술의 문제점을 극복할 필요성이 존재한다.
다양한 실시예에 따라 유전체 에너지 저장 장치, 고밀도 에너지 전력 저장 장치, 하이브리드 울트라-커패시터 등으로도 언급되는 고밀도 에너지 울트라 셀(Dense Energy Ultra Cell: 고밀도 에너지 울트라-셀)은 전극들 사이에 끼워진 유전체 층들을 침착(deposit)시키는 인쇄 기술을 사용하여 제조된다. 상기 유전체 층들은 전하를 유지하기 위해 높은 유전율(permittivity)과 높은 내부 저항률(internal resistivity)을 갖는 층들을 인쇄할 수 있게 하는 독점적인 용액(proprietary solution)으로부터 생성된다. 절연 층들은 저항률을 증가시키기 위해 상기 유전체 층들 내에 적용될 수 있다.
하이브리드 울트라-커패시터 및 고밀도 에너지 울트라 셀 에너지 저장 장치 및 제조 방법은 확장 가능한 고밀도 에너지 울트라 셀 요소에 급속 충전 및 고밀도 에너지 저장을 가능하게 하여 본 명세서에서 폭넓은 응용을 지원하기 위해 전극들 사이에 끼워진 에너지 저장 층들을 침착시키기 위해 인쇄 공정을 사용하는 것으로 설명된다.
고밀도 에너지 울트라-셀은 저비용으로 제조될 수 있는 고밀도 에너지 저장 기술을 갖는 슈퍼 커패시터를 제공한다. 고밀도 에너지 울트라 셀은 이 전극 요소들 사이에 침착된 나노 잉크(Nano Ink)에 독점적인 높은 유전체 물질을 사용한다. 이 고밀도 에너지 울트라 셀 디자인은 배터리 기술에서 7가지 중요한 문제를 다룬다:
1. 에너지 밀도의 현저한 증가.
2. 120 볼트 이상의 셀 동작 전압을 제공할 수 있는 능력.
3. 에너지 저장 응용에 사용되는 셀 수의 감소.
a. 사이즈 및 중량의 감소.
b. 비용 절감.
4. 유해 물질 없음.
5. 급속 재충전 능력.
6. 긴 배터리 수명: 고밀도 에너지 울트라 셀은 충격 없이 수십만 번의 재충전을 제공할 수 있는 유전체 물질에 기초한다.
7. 가격 인하.
고밀도 에너지 울트라 셀의 변형 실시예는 저비용으로 고밀도 에너지 울트라 셀을 대량 생산할 수 있는 울트라-커패시터 및 독점적인 제조 방법으로 고밀도 에너지 저장 용량을 가능하게 하는 독점적인 설계를 포함한다.
유전체 에너지 저장 장치(울트라-커패시터)를 사용하면, 급속 충전, 높은 동작 전압, 동작 전압에 도달하는 데 필요한 셀의 수의 감소, 및 저하 없이 수십만 번의 충전 사이클을 제공하는 고유한 장점을 얻을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 고밀도 에너지 울트라 셀 에너지 저장 모듈은 마이크로-배터리 응용, 모바일 장치, 고정된 에너지 백업 장치, 그리드 에너지 저장 장치, 대체 에너지 저장 장치, 및 상업적, 공익적 및 정부 차원의 응용을 위한 대형 어레이를 지원하는 확장 가능한 제품으로서 설계된다.
본 발명의 다양한 실시예는, 100 메가-옴(mega-ohm)을 초과하는 내부 저항률을 갖는, 10 미크론 미만의 두께를 갖는 층들을 형성하는 복수의 유전체 입자(dielectric particle)로 구성된 기본 구성 요소(에너지 층)를 갖는 에너지 저장 장치를 제조할 수 있게 한다. 이들 에너지 저장 층은 다층 박막을 형성하기 위해 전극 층들 사이에 끼워진다. 이들 에너지 저장 층은 전극들 사이의 저항률을 증가시키기 위해 적용된 절연 층들을 가질 수 있다. 하나 이상의 다층 박막이 고밀도 에너지 울트라 셀 요소를 형성하도록 적용된다.
층 유형: 전극 층(Electrode Layer)
전극 층: 내부 전극들을 위한 바람직한 전도성 잉크 유형은 실온에서 안정된 니켈 전구체(Nickel precursor)로 구성된다. 이 니켈 전구체는 환원제(reducing agent) 및 열에 의해 순수한 금속 상태로 환원될 수 있는 금속 이온을 갖는다. 이 환원제 및 니켈 전구체는 100℃ 내지 300℃ 범위의 온도에서 활성화된다. 니켈 전구체, 환원제 및 열이 반응하면 순수한 금속 침전물(deposit)이 형성된다.
니켈 전구체 및 환원제는, 니켈 전구체 및 환원제가 잉크젯 인쇄(inkjet printing), 스프레이 침착(spray deposition) 및/또는 스크린 인쇄(screen printing)를 포함하는 다양한 인쇄 공정에 사용하기 위해 담체 유체에 적재된(loaded) 나노-잉크로 제형화될 수 있다.
니켈 나노입자들이 니켈 잉크에 첨가되어 현탁될 수 있다. 니켈이 전극으로 도포될 때, 열 처리 동안 산화를 감소시키거나 및/또는 제거하기 위해 감소된 산소 분위기가 요구된다.
절연 물질이 전극 층의 에지(edge)들에 적용된다.
층 유형: 에너지 저장 층(Energy Storage Layer)
에너지 저장 층: CaacuxTi4O2 및/또는 CCTO-X의 독점적인 식(proprietary formula)과 같은 높은 유전체 물질로 구성된 유전체 에너지 저장 층. CCTO-X의 전구체는 침착을 위한 잉크로 사용된다. 전구체 잉크는 용액 중에 현탁된 CCTO-X의 예비-소성된(pre-calcined) 입자들을 가질 수 있다. 에너지 층은 또한 혼합물에 적용된 Al2O3 입자(또는 다른 전기 절연성 입자)들을 가질 수 있다.
이 에너지 저장 층은 결합된 하나 이상의 절연 층을 가질 수 있다. 이 절연 층들은 유전체 에너지 저장 층들과 전극 층들 사이에 위치될 수 있다. 다양한 실시예에 따라 절연 층은 유전체 에너지 저장 층을 두 부분으로 분할하여 에너지 저장 층을 두 부분으로 분할할 수 있다.
절연 층들은 유전체 에너지 층과 전극 층들 사이에 위치될 수 있고, 유전체 에너지 층을 두 부분으로 분할할 수 있다.
다양한 실시예에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 유전체 에너지 저장 층은 유전체 물질의 전구체 액체로서 합성될 수 있는 잉크를 사용한다.
절연 물질은 유전체 에너지 저장 층 전극 층의 에지들에 적용되어 유전체 에너지 층을 통해 전기 전도성이 일어나는 것을 방지한다.
유전체 에너지 저장 층 용액은 침착되고 나서, 그 다음 층을 침착하기 위해 건조된다.
층 유형: 절연 층I(nsulating Layer)
절연 층: 다양한 실시예에 따라 절연 층 잉크는, Al2O3 입자들이 열 처리될 때 SiO2에 현탁되고 이 SiO2가 인접한 세라믹 에너지 저장 층들 사이에 접합(bond)을 제공하는 혼합체(composite)를 형성하는 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화규소(SiO2) 입자들로 구성된다.
층 유형: 고밀도 에너지 울트라-셀용 외부 덮개(outside cover)
고밀도 에너지 울트라-셀의 외부 덮개 층은 좌측 전극 및 우측 전극을 제외하고 고밀도 에너지 울트라-셀을 감싸는 절연 물질이다.
다층 박막은 전술된 잉크를 도포함으로써 생성된다. 다층 박막은 열 처리되어 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 형성한다.
고밀도 에너지 울트라-셀 다층 박막의 예시적인 인쇄 공정은 다음 구성을 포함한다:
i. 에너지 층은 3개의 서브 층(sublayer), 즉 유전체 에너지 저장 층/절연 층/유전체 에너지 저장 층을 인쇄하는 것에 의해 형성될 수 있다;
ii. 전극 층은 전극이 콜렉터(collector)에 부착되는 측면을 제외하고는 에지들 주위에 절연 물질로 인쇄된다; 및
iii. 절연 층에 의해 두 부분으로 분할된 유전체 에너지 저장 층들이 전극 층들 사이에 끼워져서 단일화된(unified) 다층 박막을 형성한다.
도 1에는, 일 예에 따라, 코어(core)(101) 및 장벽 층(barrier layer)(102)을 갖는 내부 층 장벽 커패시터가 도시되어 있다. 도 2에는, 일 예에 따라, 코어(201) 및 장벽 층(202)을 갖는 CCTO/CCTOX 입자들 및 이 입자들 사이에 위치된 Al2O3 절연체 입자(203)들이 도시되어 있다.
도 17에는, 일 예시적인 실시예는 CCTO-X 그레인(grain)(1701)들 및 이 CCTO-X 그레인(1701)들 사이에 위치된 Al2O3 입자(1711)들을 포함하고, 여기서 Al2O3 및 장벽 층(1702)은 증가된 저항을 생성한다.
CCTO 그레인(1701)들은 Al2O3 입자(1711)들과 결합되어 에너지 저장 층(1714)을 형성한다.
이 예에서, 에너지 저장 층(1711)들은 절연 층(1712)에 의해 두 부분으로 분할된다.
다양한 실시예에 따르면, 절연 층은 다음 구성으로 적용될 수 있다:
· CCTO/절연체/CCTO
· 절연체/CCTO
· 절연체/CCTO/절연체
· 절연체/CCTO/절연체/CCTO/절연체
고밀도 에너지 울트라-셀 다층 박막은 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 생성하기 위해 열 처리된다. 하나 이상의 단일화된 다층 박막(들)이 결합되고 나서 특정 단계들에서 열 처리되어, 다층 박막이 경화, 소성 및 소결(sintered)됨으로써 각 층에 나노입자들이 제 위치에 유지되는 것이 보장된다:
i. 제1 열처리 단계(heat stage)로서, 전극 잉크를 경화시켜, 다층 막 내에 프레임 작업 구조를 형성하여, 전극들 사이의 나노입자들을 제 위치에 유지하는 단계,
ii. 제2 열처리 단계로서, 잉크 유체들 및 오염물들을 연소시키는 단계,
iii. 제3 열처리 단계로서, 다층 박막 내의 나노 입자들을 소성하는 단계, 및
iv. 제4 열처리 단계로서, 다층 박막을 소결시켜, 경화된 SiO2/Al2O3 층에 의해 두 부분으로 분할된 세라믹 에너지 저장 층을 형성하여, 좌측 및 우측 콜렉터(전극)들을 갖는 경화된 다층 에너지 저장 장치를 생성함으로써, 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 제공하는 단계.
다층 박막을 소결하면 CCTO 및/또는 CCTO-X 입자 코어 둘레에 저항 장벽을 형성할 수 있다. 이 저항 장벽은 내부 장벽 커패시터를 형성한다.
일부 일반적인 측면에서, 고밀도 에너지 울트라-셀 박막을 제조하는 방법은 다층 세라믹 커패시터(multi-layer ceramic capacitor: MLCC)를 제조하는 방법과 유사하지만 높은 에너지 밀도 및 충전 후 낮은 누설을 가능하게 한다는데 중요한 차이점이 있다.
고밀도 에너지 울트라-셀 박막은 에너지 저장 층들에 의해 이격된 하나 이상의 전극 층으로 정의된다. 에너지 저장 층들은 에너지 저장 층을 두 부분으로 분할하는 절연 층을 포함할 수 있다. 에너지 저장 층들은 하나 이상의 전극으로부터 에너지 층을 분리하는 하나 이상의 절연 층을 포함할 수 있다.
하나 이상의 고밀도 에너지 울트라-셀 박막이 스택(stacked)되어 더 큰 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 생성할 수 있다. 하나 이상의 고밀도 에너지 울트라-셀 요소는 상호 연결되어 고밀도 에너지 울트라-셀 스택을 형성할 수 있다. 하나 이상의 고밀도 에너지 울트라-셀 스택은 고밀도 에너지 울트라-셀 셀을 형성할 수 있다. 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈은 하나 또는 다수의 고밀도 에너지 울트라-셀 셀로부터 형성될 수 있다.
결합된 응용에서, 적어도 하나의 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈은, 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈에 전기 전하를 제공하고 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈에 의해 전기 에너지를 저장하기 위해, 하나 이상의 태양 전지, 하나 이상의 방사성 동위 원소 전력 셀, 광전지(photovoltaic) 시스템, 열전지(thermal voltaic) 시스템, 이동 충전 시스템 및 수동 충전 시스템 중 적어도 하나와 결합된다.
다양한 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈은 마이크로 장치, 집적 회로, 전기 차량, 무인 항공기, 전자 담배, 모바일 컴퓨팅 장치, 랩탑, 태블릿, 모바일 폰, 무선 통신 장치, 모바일 센서 시스템 중 적어도 하나에 전력을 공급하도록 설계되고 제조된다.
추가적인 다양한 대체 실시예에서, 적어도 하나의 현탁된 입자 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈이 전기 전력 그리드의 지원 및 무정전 전력 공급 장치의 제공 중 적어도 하나를 위해 설계되고 제조된다.
여러 도면에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타내고, 이하의 상세한 설명과 함께 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 다양한 실시예를 더 설명하고 본 발명에 따른 다양한 원리 및 장점을 모두 설명하는 기능을 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내부 층 장벽 커패시터(Internal Layer Barrier Capacitor: ILBC)의 일례를 보여주는 도면이다;
도 2는 본 발명에 따른 절연체 입자들을 갖는 ILBC의 일례를 보여주는 도면이다;
도 3은 본 발명에 따른 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 분해도를 보여주는 도면이다;
도 4는 본 발명에 따라 두 부분으로 분할된 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 단면도이다;
도 5는 본 발명에 따라 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 상면도이다;
도 6은 본 발명에 따라 두 부분으로 분할된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 상면도이다;
도 7은 본 발명에 따라 MLCC 구조를 갖는 에너지 저장 장치를 포함하는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소의 일례를 보여주는 도면이다;
도 8은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈의 구성 요소들 및 지원 전자 장치들의 일례를 보여주는 도면이다;
도 9는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 DC/DC 변환기 및 충전 회로의 일례를 도시한다;
도 10은 x, y 및 z 축을 포함하는 3차원 직교 좌표계를 나타내는 도면이다;
도 11은 나노입자 잉크의 예시적인 점적(drop), 확산 및 증발을 도시하는 도면이다;
도 12는 예시적인 잉크젯 점적 패턴을 도시하는 도면이다;
도 13은 본 발명에 따라 잉크젯 인쇄할 때 침착 층에서 혼합 물질을 도시하는 도면이다;
도 14는 본 발명에 따른 나노입자 침착 프레임 구조를 도시하는 도면이다;
도 15는 본 발명에 따라 잉크젯 화합물 물질 침착 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다;
도 16은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 제조 공정에 사용하기에 적합한 물질 침착 시스템의 일례를 도시하는 블록도이다;
도 17은 본 발명에 따라 증가된 저항률을 갖고 증가된 유전율을 갖는 고밀도 에너지 울트라-셀 구조의 일례를 도시한 도면이다; 및
도 18은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 층들을 제조하기 위한 고밀도 에너지 울트라-셀 물질 침착 공정의 일례를 도시하는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 내부 층 장벽 커패시터(Internal Layer Barrier Capacitor: ILBC)의 일례를 보여주는 도면이다;
도 2는 본 발명에 따른 절연체 입자들을 갖는 ILBC의 일례를 보여주는 도면이다;
도 3은 본 발명에 따른 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 분해도를 보여주는 도면이다;
도 4는 본 발명에 따라 두 부분으로 분할된 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 단면도이다;
도 5는 본 발명에 따라 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 상면도이다;
도 6은 본 발명에 따라 두 부분으로 분할된 유전체 에너지 저장 층을 갖는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 박막의 상면도이다;
도 7은 본 발명에 따라 MLCC 구조를 갖는 에너지 저장 장치를 포함하는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소의 일례를 보여주는 도면이다;
도 8은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 모듈의 구성 요소들 및 지원 전자 장치들의 일례를 보여주는 도면이다;
도 9는 예시적인 고밀도 에너지 울트라-셀 DC/DC 변환기 및 충전 회로의 일례를 도시한다;
도 10은 x, y 및 z 축을 포함하는 3차원 직교 좌표계를 나타내는 도면이다;
도 11은 나노입자 잉크의 예시적인 점적(drop), 확산 및 증발을 도시하는 도면이다;
도 12는 예시적인 잉크젯 점적 패턴을 도시하는 도면이다;
도 13은 본 발명에 따라 잉크젯 인쇄할 때 침착 층에서 혼합 물질을 도시하는 도면이다;
도 14는 본 발명에 따른 나노입자 침착 프레임 구조를 도시하는 도면이다;
도 15는 본 발명에 따라 잉크젯 화합물 물질 침착 공정의 일례를 도시하는 흐름도이다;
도 16은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 제조 공정에 사용하기에 적합한 물질 침착 시스템의 일례를 도시하는 블록도이다;
도 17은 본 발명에 따라 증가된 저항률을 갖고 증가된 유전율을 갖는 고밀도 에너지 울트라-셀 구조의 일례를 도시한 도면이다; 및
도 18은 본 발명에 따라 고밀도 에너지 울트라-셀 층들을 제조하기 위한 고밀도 에너지 울트라-셀 물질 침착 공정의 일례를 도시하는 도면이다.
필요에 따라, 상세한 실시예들이 본 명세서에 개시되지만, 개시된 실시예는 단지 예시일 뿐, 본 명세서에 설명된 장치, 시스템 및 방법은 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특정 구조 및 기능적 상세는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되고, 단지 청구범위를 위한 기초로서 그리고 개시된 주제를 사실상 임의의 적절히 상술된 구조 및 기능으로 다양하게 사용할 수 있도록 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 교시하기 위한 대표적인 기초로서 제공된 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어 및 어구는 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니라 오히려 이해 가능한 설명을 제공하려고 의도된 것이다. 추가적으로, 사용의 문맥으로부터 구체적으로 달리 표현되거나 명확히 이해되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 용어는 이 용어의 단수 및/또는 복수를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 단수 형태의 용어는 하나 이상인 것으로 정의된다. 본 명세서에 사용된 "복수"라는 용어는 2개 이상으로 정의된다. 본 명세서에 사용된 "또 다른"이라는 용어는 적어도 제2 또는 그 이상인 것으로 정의된다. 본 명세서에서 사용된 "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는, 포함하는, 즉 개방형 언어로 정의된다. 본 명세서에서 사용된 "결합된"이라는 용어는 "연결된" 것으로 정의되지만 반드시 직접 연결되어야 하는 것은 아니고 반드시 기계적으로 연결되어야 하는 것도 아니다. "통신 가능하게 결합된"은 이들 구성 요소가 예를 들어 유선, 무선 또는 다른 통신 매체를 통해 서로 통신할 수 있도록 구성 요소들을 결합시키는 것을 말한다. "통신 가능하게 결합된" 또는 "통신 가능하게 결합"이라는 용어는 하나의 요소가 다른 요소를 지시하거나 제어할 수 있는 전자 제어 신호를 전달하는 것을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다. "~하도록 구성된"이라는 용어는, 설정된, 배열된, 명령된, 변경된, 변형된, 구축된, 작성된, 구성된, 설계되도록 적응되거나 또는 주어진 기능을 수행하도록 이러한 특성의 임의의 조합을 갖는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 나타낸다. "적응된"이라는 용어는, 주어진 기능을 할 수 있고, 수용할 수 있으며, 실시할 수 있고 또는 주어진 기능을 수행하기에 적합한 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 나타낸다.
"제어기", "컴퓨터", "서버", "클라이언트", "컴퓨터 시스템", "컴퓨팅 시스템", "개인용 컴퓨팅 시스템" 또는 "프로세싱 시스템"이라는 용어는 본 발명의 하나 이상의 실시예를 구현하도록 적응된 적절히 구성된 프로세싱 시스템의 예를 기술한다. 임의의 적절히 구성된 프로세싱 시스템은 본 발명의 실시예에 의해 유사하게 사용될 수 있다. 프로세싱 시스템은 하나 이상의 프로세싱 시스템 또는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템은 하나의 프로세싱 시스템에서 중앙 집중된 방식으로 실현되거나 또는 상이한 요소들이 여러 상호 연결된 프로세싱 시스템에 걸쳐 분산되어 있는 분산 방식으로 실현될 수 있다.
"컴퓨팅 시스템", "컴퓨터 시스템" 및 "개인용 컴퓨팅 시스템"이라는 용어는, 사용자 인터페이스를 포함하고, 본 발명의 하나 이상의 실시예를 구현하도록 적절히 구성되고 적응된 프로세싱 시스템을 기술한다. "네트워크", "컴퓨터 네트워크", "컴퓨팅 네트워크" 및 "통신 네트워크"라는 용어는, 사용자들 간에 통신을 용이하게 하고 사용자들이 자원을 공유할 수 있게 해주는 통신 채널에 의해 상호 연결된 컴퓨터들 및 장치들의 집합의 예를 기술한다. 유사하게 "무선 네트워크", "무선 통신 네트워크" 및 "무선 통신 시스템"이라는 용어는 컴퓨터들 및 장치들을 무선 통신 매체에 의해 주로 또는 전적으로 통신 가능하게 결합시키는 네트워크 및 시스템을 기술한다. "유선 네트워크" 및 "유선 통신 네트워크"라는 용어는 컴퓨터들 및 장치들을 유선 통신 매체에 의해 주로 또는 전적으로 통신 가능하게 결합시키는 네트워크를 기술한다.
본 발명은 일 실시예에 따라 하이브리드 울트라-커패시터/딥 셀(deep cell) 배터리 기술을 제공하고, 애노드 및 캐소드 전도체 요소들 사이에 끼워진 에너지 저장 층을 형성하는 고 유전율 물질을 적용하여 에너지 저장 요소를 형성한다. 본 발명자는 이 신기술을 고밀도 에너지 울트라 셀(Dense Energy Ultra Cell)이라고 명명했다. 고밀도 에너지 울트라 셀의 기본 구성 요소는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소이다. 하나 이상의 고밀도 에너지 울트라-셀 요소는 고밀도 에너지 울트라 셀을 형성하도록 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 고밀도 에너지 울트라-셀 요소가 기본 빌딩 블록(building block)인 고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC)이 제안된다. 고밀도 에너지 울트라-셀 요소는 절연 층들과 결합된 CCTO 및/또는 CCTO-X 층들로 구성된 복수의 유전체 에너지 저장 층으로 구성된다. 하나의 구성에서, 유전체 에너지 저장 층들 중 적어도 하나는 절연 물질 층에 의해 두 부분으로 분할되어 높은 내부 저항률을 갖는 고 유전체 층을 생성하고, 여기서 하나 이상의 에너지 저장 층은 각각 10 미크론 미만의 두께를 갖고, 전극 층들인 전기 전도성 층들 중 적어도 2개들 사이에 끼워진다. 이 장치는 다층 고밀도 에너지 울트라-셀 박막을 생성하기 위해 스프레이 및/또는 디맨드 침착 시스템 상의 드롭(drop on demand deposition system)을 사용하여 제조될 수 있다. 또한, 입자의 코어는 본 명세서에서 정의된 바와 같이 (CCTO) 및/또는 CCTO-X로도 알려진 칼슘 구리 티타네이트(titanate) 산화물(CaCu3Ti402)로 구성될 수 있다. 코어 CCTO는 구리 및/또는 칼슘 함량에 변화를 가져서 CCTO 결정(crystal) 내 그레인 경계(grain boundary)를 감소시켜 CCTO-X를 형성할 수 있다. CCTO 및/또는 CCTO-X는 화학식에 첨가된 알루미나를 가질 수 있고 및/또는 전기적으로 절연된 나노입자들이 적용된 Al2O3을 가질 수 있다.
유전체 에너지 저장 층, 절연 층 및 전극 층들은 잉크젯 프린터 또는 스프레이 침착 시스템을 사용하여 침착될 잉크로서 도포된다. 유전체 에너지 저장 층 잉크는 CCTO/CCTO-X 나노 입자들의 전구체를 사용하여 생성된다. 절연체 잉크는 용매에 현탁된 나노입자들로 형성될 수 있다. 전극 잉크는 가열될 때 은(silver)으로 변환되는 반응성 잉크로 형성될 수 있다.
잉크젯 프린터는 요구시 적하 침착을 제공한다. 잉크젯 침착 공정은 교번하는 전극, 에너지 층들, 및/또는 다른 구성 요소들을 인쇄하여 고밀도 에너지 울트라-셀 박막을 형성할 수 있다.
스프레이 침착은 고밀도 에너지 울트라-셀 요소의 하나 이상의 에너지 층, 전극 층들 또는 임의의 다른 서브 구성 요소를 인쇄하는 방법이다. 스프레이 침착 공정은 교번하는 전극, 에너지 층들 및/또는 다른 구성 요소들을 인쇄하여 고밀도 에너지 울트라-셀 박막을 형성할 수 있다. 잉크젯, 초음파, 열 및 가압 스프레이를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 스프레이 침착 공정이 존재한다.
고밀도 에너지 울트라-셀(DEUC)
다양한 실시예에 따라 고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC) 에너지 저장 장치는 하나 이상의 고밀도 에너지 울트라-셀 요소로 구성되고, 여기서 고밀도 에너지 울트라-셀 요소들은,
a. 유전체 에너지 저장 층인 최대 10 미크론 두께를 갖는 세라믹 층을 형성하는 복수의 유전체 입자 및 산화알루미늄(Al2O3) 입자들로 구성되고, 및
b. 이 유전체 에너지 저장 층들 중 하나 이상은 절연 층들에 의해 캡슐화되고,
c. 이 절연 층들은 유전체 에너지 저장 층들 중 인접한 하나 이상에 접합되고,
d. 절연 층들에 의해 캡슐화된 하나 이상의 유전체 에너지 저장 층이 전극 층들 사이에 끼워져서 다층 박막을 형성하고,
e. 유전체 에너지 저장 층들 중 하나 이상을 캡슐화하는 절연 층들이 전극 층들 사이에 저항률을 생성하고,
f. 전극 층들 사이에 유전체 에너지 저장 층들을 캡슐화하는 절연 층들의 높은 저항률은 104 옴을 초과하고, 50 볼트를 넘는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소의 항복 전압, 및 고밀도 에너지 울트라-셀 요소에서 연간 20% 미만의 감소된 자가-방전율을 갖는다.
도 3은, 유전체 에너지 저장 층(306)들을 캡슐화하고 전극 층(303)들로부터 유전체 에너지 저장 층(306)들을 분리시키는 절연 물질(304) 및 절연 층들을 갖는 고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC)의 일례를 도시한다. 상부 및 하부 절연 층(307, 308)들은 고밀도 에너지 울트라-셀를 절연하기 위해 외부 덮개를 완성하기 위해 적용된다. 하나의 유전체 에너지 저장 층(306)이 또 다른 유전체 에너지 저장 층(306)과 직접 물리적으로 접촉(및 따라서 직접 전기적으로 연결)되는 것을 방지하도록 절연 물질(304)이 적용된다.
도 4에서, 2개의 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층(406)이 전극 층들 사이에 유전체로서 직렬로 결합되고, 캡슐화 절연 층(404)들이 유전체 에너지 저장 층들을 두 부분으로 분할하여 전극 층(402)들로부터 유전체 에너지 저장 층들을 분리시킨, 고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC)을 도시한다. 상부 및 하부 절연 층(407, 408)들은 고밀도 에너지 울트라-셀를 절연하기 위해 외부 덮개를 완성하기 위해 적용된다. 하나의 유전체 에너지 저장 층(406)이 또 다른 유전체 에너지 저장 층(406)과 직접 물리적으로 접촉(및 따라서 직접 전기적으로 연결)되는 것을 방지하기 위해 절연 물질(404)이 적용된다.
도 5는 캡슐화된 캡슐화된 유전체 에너지 저장 층을 도포하는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 위한 인쇄 패턴의 예를 도시한다.
a. 외부 전극을 형성하는 전극 어레이 콜렉터에 연결된 곳을 제외하고는 내부 전극(501 및 505)들이 다른 전극들과 접촉을 피하기 위해 유전체 에너지 층보다 폭 및 길이가 더 작고,
b. 콜렉터(510 및 511)들에 연결된 곳을 제외하고는 절연 물질(512)이 각 좌측 전극(501)과 우측 전극(505)의 외부 에지들에 적용되어, 좌측 전극(501)과 우측 전극(505) 사이에 잠재적으로 상호 작용하는 것(예를 들어, 직접 물리적으로 접촉하는 것)을 방지하고 유전체 에너지 층(503)들 사이에 전기적 경로를 제거하고,
c. 내부 좌측 전극(501) 및 내부 우측 전극(505)이 각각 외부 좌측 전극 및 외부 우측 전극을 형성하는 좌측 콜렉터(510) 및 우측 콜렉터(511)로 결합되고,
d. 내부 전극들은 우측 내부 전극 및 좌측 내부 전극으로서 교번하게 배치되고,
e. 유전체 에너지 저장 층(503)은 절연 층(502 및 504)들 및 절연 물질(512)에 의해 캡슐화된다.
도 6은 두 부분으로 분할된 유전체 에너지 저장 층을 도포하는 고밀도 에너지 울트라-셀 요소를 위한 인쇄 패턴의 예를 도시한다.
a. 외부 전극을 형성하는 전극 어레이 콜렉터에 연결된 곳을 제외하고는 내부 전극(601 및 605)들이 다른 전극들과 접촉하는 것을 피하기 위해 유전체 에너지 층보다 폭 및 길이가 더 작고,
b. 콜렉터(610 및 611)에 연결된 곳을 제외하고는 절연 물질(612)이 각 좌측 전극(601) 및 우측 전극(605)의 외부 에지들에 도포되어, 좌측 전극(601)과 우측 전극(605) 사이에 잠재적으로 상호 작용하는 것(예를 들어, 직접 물리적으로 접촉하는 것)을 방지하고 유전체 에너지 층(602 및 604)들 사이에 전기적 경로를 제거하고,
c. 내부 좌측 전극(601) 및 내부 우측 전극(605)이 각각 외부 좌측 전극 및 외부 우측 전극을 형성하는 좌측 콜렉터(611) 및 우측 콜렉터(610)로 결합되고,
d. 내부 전극들은 우측 내부 전극과 좌측 내부 전극으로서 교번하게 배치되고,
e. 유전체 에너지 저장 층(602 및 604)들은 절연 층(603)에 의해 두 부분으로 분할되고, 절연 물질(612), 절연 층(603), 전극 층(601 및 605)들에 의해 캡슐화되고, 하부 및 상부 절연 층(606, 607)들은 고밀도 에너지 울트라-셀 요소의 다층 박막을 덮는다.
절연 층 및 절연 물질은, Al2O3 입자들이 열 처리될 때 SiO2에 현탁되고, SiO2가 인접한 세라믹 에너지 저장 층들 사이에 접합을 제공하는, 혼합체를 형성하는 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화 규소(SiO2) 입자들로 구성된다.
도 7의 예에 도시된 고밀도 에너지 울트라-셀 요소 내의 개별 전극 층(702)들은 고열, 고전압 또는 고암페어에서 연결을 끊는 안전 퓨즈(fuse) 역할을 한다.
도 8은, DEUC 스택(802)을 생성하기 위해 DEUC 요소(801)가 빌딩 블록으로서 사용될 수 있고, DEUC 셀(803)을 생성하기 위해 하나 이상의 DEUC 스택(802)이 결합되고, DEUC 모듈(804)을 생성하기 위해 하나 이상의 DEUC 셀이 결합될 수 있는 방식의 일례를 도시한다.
DEUC 모듈은 다음 중 하나 이상으로부터 생성될 수 있다:
DEUC 요소(801)
하나 이상의 DEUC 요소가 DEUC 셀을 생성할 수 있는 DEUC 셀의 빌딩 블록, 및
DEUC 스택(802)
하나 이상의 DEUC 요소가 직렬 및/또는 병렬 회로(들)에 연결되어 DEUC 셀을 형성하고, 및
DEUC 셀(803)
하나 이상의 DEUC 요소 및/또는 DEUC 스택이 직렬 및/또는 병렬 회로(들)에 연결되어 DEUC 셀을 형성하고, 및
DEUC 모듈(804)
하나 이상의 DEUC 셀이 직렬 및/또는 병렬 회로(들)로 결합되고 상호 연결되어 DEUC 모듈을 형성하고, 및
DEUC 모듈 어레이:
하나 이상의 DEUC 모듈이 직렬 및/또는 병렬 회로(들)로 결합되고 상호 연결되어 DEUC 모듈 어레이를 형성한다.
유전체 에너지 저장 층들에서 유전체 물질은, 구리 및/또는 칼슘 및/또는 티타네이트 함량이 변하여 소결시 저항률, 유전율 및 커패시턴스를 증가시킨, (CCTO-X)로 알려진, 변형된 칼슘 구리 티타네이트 산화물(CaCu3Ti402) 및 산화알루미늄(Al2O3) 입자들로 구성된 CCTO-X로 구성된다. 유전체 에너지 저장 층의 이 커패시턴스는 0 헤르츠 내지 1,000 헤르츠의 주파수들 사이에서 주파수에 의존하며, 여기서 최대 100 헤르츠까지는 선형 비율로 상승하는 커패시턴스를 갖는다.
DEUC 제조 방법
잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 하나의 방법으로서,
a. 100 ℃ 내지 300 ℃로 가열될 때 니켈로 변환되는 반응성 용액으로서, 니켈 나노입자들이 현탁되어 있는 상기 반응성 용액을 사용하여 생성된 전기적으로 전도성인 인쇄 용액을 준비함으로써, 잉크젯 프린터에서 잉크로서 사용되는 전극 물질 침착 용액을 준비하여 상기 DEUC 요소의 전극 층을 제조하는 단계;
b. 유전체 물질 CCTO 및/또는 CCTO-X의 전구체 용액을 상기 인쇄 가능한 잉크로서 합성하고,
예비-소성된 CCTO 및/또는 CCTO-X 나노입자들을 상기 전구체 용액에 현탁시키고,
상기 잉크에 현탁된 산화알루미늄(Al2O3) 나노입자들을 상기 CCTO-X 잉크와 공동-침착(co-deposition)하기 위해 준비함으로써,
상기 잉크젯 프린터에서 잉크로서 사용되는 세라믹 유전체 용액을 준비하여 상기 DEUC 요소의 유전체 에너지 저장 층을 제조하는 단계;
c. 산화실리콘(SiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3)으로부터 생성되고 절연 층으로서 도포되는 절연체 잉크에 의해 상기 잉크젯 프린터에서 잉크로서 사용되는 용액으로 절연 물질을 준비하여 상기 DEUC 요소의 절연 층을 제조하는 단계;
d. DEUC 박막을 생성하는 단계로서,
3개의 서브 층, 즉 유전체 에너지 저장 층, 절연 층, 및 유전체 에너지 저장 층을 인쇄함으로써 상기 유전체 에너지 저장 층을 형성하고;
상기 전극 층이 동일한 극성의 모든 전극 층의 전극 콜렉터 부분에 부착된, 상기 전극 층의 측면을 제외하고는, 각 전극 층의 에지들 주위에 절연 물질로 상기 전극 층을 인쇄하고;
절연 층에 의해 두 부분으로 분할된 2개의 유전체 에너지 저장 층을 2개의 전극 층들 사이에 끼워서 단일화된 DEUC 다층 박막을 형성하는 것을 포함하여,
전극 층 잉크, 유전체 에너지 저장 층 잉크, 및 절연체 잉크를 층들로서 도포하여 고밀도 에너지 울트라-셀 박막을 형성하는 것에 의해, 상기 DEUC 박막을 생성하는 단계; 및
e. 하나 이상의 단일화된 DEUC 다층 박막을 소결하여 DEUC 요소를 형성하는 단계로서,
i. 제1 열처리 단계(heat stage)로서, 상기 전극 잉크를 경화시켜, 상기 단일화된 다층 박막 내에 프레임 워크 구조를 형성하여, 상기 전극 층들 사이에 상기 나노입자들을 제 위치에 유지하고,
ii. 제2 열처리 단계로서, 상기 잉크 유체들 및 오염물들을 연소시키고,
iii. 제3 열처리 단계로서, 상기 다층 박막 내의 상기 나노입자들을 소성시키고,
iv. 제4 열처리 단계로서, 상기 다층 박막을 소결시켜, 혼합 층으로서 Al2O3과 결합된 경화된 SiO2에 의해 두 부분으로 분할된 상기 세라믹 에너지 저장 층을 형성하여, 좌측 및 우측 전극 콜렉터를 갖는 경화된 다층 에너지 저장 장치를 생성함으로써, 상기 DEUC 요소를 형성하는
특정 단계들에서 하나 이상의 단일화된 다층 박막(들)을 결합하고 열 처리하여, 상기 다층 박막을 경화, 소성 및 소결할 때 각 층의 나노입자들을 제 위치에 유지하는 것을 보장하는 것에 의해,
하나 이상의 단일화된 DEUC 다층 박막을 소결하여 상기 DEUC 요소를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 전극 층 잉크는 용매 중 니켈(II) 포메이트 2수화물(formate dihydrate) [Ni(HCO2)2.2H2O] 및 티렌 디아민(thylene diamine)으로 구성된 반응성 니켈 용액으로 구성된다. 니켈 나노입자들은 전극 층 잉크에 첨가될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전극 잉크는 용액 중에 현탁된 니켈 나노입자들로 구성된다.
이 예에 따른 하나 이상의 CCTO-X 층은 CCTO-X 전구체 용액 및/또는 상기 용액에 현탁된 CCTO-X 예비-소성된 나노입자들로 구성된 상기 잉크로 형성된다. CCTO 및/또는 CCTO-X 입자들 및/또는 에너지 층 및/또는 다층 박막을 한 번 이상 열 처리하는 것은 상기 열 처리 동안 산화를 감소시키거나 및/또는 제거하기 위해 감소된 산소 분위기를 사용할 수 있다.
CCTO 및/또는 CCTO-X 입자(그레인)들을 열 처리하면, 그레인들 사이에 위치된 Al2O3 입자들을 갖는 내부 층 장벽 커패시터(ILBC)를 형성하여 유전율 및 저항률을 증가시킨다.
DEUC 장치는,
마이크로 장치 및 집적 회로, 전기 차량, 항공기, 보트, 선박, 무인 항공기, 육상 또는 수상 운송 수단, 전자 담배, 모바일 컴퓨팅 장치, 랩톱, 태블릿, 모바일 폰, 무선 통신 장치 및 모바일 센서 시스템, 전기 전력 그리드, 전력 백업을 위한 에너지 저장 장치, 태양광, 풍력 및 다른 대체 에너지 생성 시스템을 위한 에너지 저장 장치, 및 무정전 전력 공급 장치
중 적어도 하나에 전기 전력을 저장하고 제공하도록 설계되고 제조되지만 이로 제한되지 않는다.
일 실시예에서, DEUC 요소는 충전시 커패시턴스를 증가시키기 위해 펄스 형 직류 전류를 사용한다.
전압 조정기는 DEUC 요소 및/또는 DEUC 셀 내 충전된 전압과 같거나 더 낮은 전압을 갖는 DEUC 요소로부터 하나 이상의 방전 전압을 제공한다.
새로운 잉크젯 인쇄 방법
잉크젯 인쇄는 DEUC 박막의 층들을 침착시키는데 사용된다. 입자들 및/또는 전구체 물질이 DEUC 층들을 제조하는데 사용된다. 일부 경우에, 혼합 물질이 두 개 이상의 인쇄 헤드를 사용하여 인쇄된 층에 혼합체를 생성하기 위해 적용된다.
도 13에는, 2개의 개별 유형의 잉크젯 액적(droplet) 물질(3102, 1302) 및 합성물로서 결합된 물질(3103)을 인쇄하는 것이 도시되어 있다. 상기 다른 물질들이 혼합되어 침착된 2개 이상의 상기 물질의 균일한 합성물을 생성한다.
도 15에는, 컴퓨터 장치(1502)는 각 침착 물질(잉크) 프로파일에 대한 입자 적재 데이터(1501)로부터 유도된 잉크젯 화합물 설정(1502)을 컴파일(compile)한다.
하나 이상의 물질이 결합되어 상기 잉크를 형성하고 여기서 상기 2개 이상의 잉크가 2개 이상의 스프레이 또는 디맨드 기구 상의 드롭(drop on demand devices)에 의해 동일한 층에서 동일한 침착 층 내로 침착되어 화합물이 형성된다. 잉크젯 프로세서(1505)는 인쇄 동작 동안 잉크 비율, 점적 패턴, 점적 사이즈, 인쇄 패턴, 인쇄 두께, 인쇄 사이클의 수 및 건조 사이클을 식별하고, 이 데이터를 인쇄 제어기(1506)에 송신하여 프린터를 구동하고 원하는 인쇄 패턴을 생성한다.
상기 하나 이상의 물질 잉크의 비율은 소정의 화학양론 식(stoichiometric formula)을 갖는 합성 물질을 달성하도록 구성된 스프레이 액적으로서 침착된다.
연속적인 별개의 층들(consecutive independent layers)이 단일 물질 층들 및/또는 혼합 물질 층들로서 기존의 층의 상부에 인쇄될 수 있다. 하나 이상의 층이 침착되어 단일 층 및/또는 다층 장치를 생성할 수 있다.
인쇄 공정은 임의의 구성에서 하나 이상의 단일 잉크 인쇄 층 및 하나 이상의 다중 잉크 혼합 인쇄 층을 통합할 수 있고,
컴퓨터 장치는 원하는 혼합 층들을 형성하도록 침착될 각 물질의 양 및 분산 방법을 계산할 수 있고,
전술된 잉크젯 침착 방법은 단일 및 다층 장치, 전자 장치, 회로 패턴, 배터리, 커패시터 및/또는 에너지 저장 커패시터로 구성된 전자 회로를 제조하는데 사용될 수 있다.
칼슘 구리 티타네이트 산화물(CCTO 및 CCTO-X)
순수한 CCTO 벌크 특성은 고밀도 에너지 울트라 셀의 성능을 향상시키기 위해 불순물과 이상 현상(anomaly)을 줄임으로써 최적화된다. 본 발명자는 구리 함량 및/또는 티타네이트 함량의 변화 및/또는 CCTO-X라고 불리우는 금속 물질로 도핑을 이용하여 독점적인 CCTO를 제조하였다.
CCTO/CCTO-X 에너지 저장 물질은 졸-겔(Sol-Gel) 공정으로부터 잉크를 개발하여 생성될 수 있다. 여기서, 화학 물질들이 결합되어 졸을 형성한다. 졸은 겔로 변환되는 것이 방지된다. 졸은 잉크젯 침착 시스템을 위한 잉크로 사용된다.
졸-겔로 알려진 화학 과정은 화학에서 나노 입자들을 합성하는데 널리 사용된다. 졸-겔에서 '졸'(또는 용액에 현탁된 다수의 화학 물질의 용액)은 점차적으로 겔 같은 이중 상(diphasic) 시스템을 형성하는 쪽으로 진화한다. 남아 있는 액체(용매) 상(phase)을 제거하기 위해서는 건조 공정이 필요하며, 통상적으로 상당한 양의 수축 및 조밀화가 수반된다.
졸은 실제 막을 형성하기 위해 기판 상에 침착되거나 분말들을 합성하는데 사용될 수 있는 전구체이다. 졸-겔 방법은, 제품의 화학적 조성을 정밀하게 제어할 수 있고 매우 얇은 막들을 세라믹 가공하는데 사용될 수 있는 저렴한 저온 기술이다.
CCTO-X는, 일반적으로 CCTO라고 언급되는 칼슘 구리 티타네이트 산화물 (CaaCu3Ti4O2)이 변형되어 고유한 CCTO-X(CaaCuxTiyO2)를 형성하는 칼슘 구리 티타네이트 산화물의 고유한 형태이고; 여기서 화학양론적 값(a, x 및 y)의 변화는 Ca, Cu 및/또는 Ti 함량을 포함하고, (a)는 1보다 더 크고 및/또는 (x)는 3보다 더 작거나 3보다 더 크고, 및/또는 (y)는 4보다 더 작거나 4보다 더 크다.
CCTO-X는 알루미나, Al2O3, 산화칼슘, 아연, 은, 알루미늄, 스트론튬, 붕소, 및 란탄 중 적어도 하나를 포함하나 이에 한정되지 않는 하나 이상의 물질로 도핑될 수 있다.
화학양론 값들은 특정 제품 또는 화합물을 생산하기 위해 화학 반응 공정에 배치되는 화학 물질들, 반응물들 및 생성물들의 상대적인 양을 계산하는 데 사용된다.
화학양론 식에서 구리 및/또는 칼슘 및/또는 티티네이트를 변경하면 CCTO 구조의 CCTO 그레인 경계에서 저항을 증가시킬 수 있다.
CCTO 유전체 물질은 주기율표의 IIA, IB, IV 족에서 발견되는 화합물로부터 유도되며, 도펀트(dopant)는 주기율표의 VIII 족에 있는 코발트와 같은 다양한 주기율표 족으로부터 유도된다.
본 발명자는 적용되는 산화칼슘 및/또는 구리의 양, 및 그레인 사이즈 및 그레인 경계에서의 영향에 따라 CaaCuxTiyO2 조성물의 유전체 유전율이 변한다는 것을 발견했다.
CCTO-X 코어 쉘(core shell) 입자들을 대량 생산하기 위해, 졸-겔, 화염-보조 스프레이 열분해(pyrolysis) 또는 초임계 유체(supercritical fluid) 방법을 제공한다. 여기서, 해리된 수소 및/또는 산소와 증기가 반응 영역에서 초임계 유체에 첨가되어 나노 입자들을 형성하고 및/또는 나노 입자들을 코팅하는 수소-열수 반응기(hydrogen-hydrothermal reactor)를 사용할 수 있다.
고 유전율을 갖는 유전체 나노 입자들을 합성하는 데 사용되는 3개의 기본 방법은 다음과 같다:
1. 졸-겔 방법;
2. 다단계 화염 스프레이 열분해(Multi-Stage Flame Spray Pyrolysis: MFSP); 및
3. HHR 반응 튜브 및 초임계 유체 나노입자 합성.
절연 층
에너지 저장 층들을 분리하는 절연 층은 임의의 절연 물질로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 절연 물질은 알루미나 산화물 또는 Al2O3이다. SiO2에 Al2O3 나노 입자들을 적재하여 CCTO 및/또는 CCTO-X 층들에 쉽게 부착되는 화합물을 생성한다. Al2O3은 SiO2 층의 저항률을 상승시킨다.
산화알루미늄 나노 입자들을 SiO2에 분산시켜 현탁시킨 후, 이 화합물을 인쇄 용액으로 사용될 물 또는 에탄올과 같은 용매에 분산시킨다.
유전체 에너지 저장 층
에너지 저장 세라믹은 CCTO 및/또는 CCTO-X의 액체 전구체로서 침착될 수 있다. 전구체는 특정 화학 물질을 용액에 혼합함으로써 생성된다. 전구체 용액은 잉크젯 또는 스프레이 침착 방법에 의해 층에 침착된다. 전구체 물질 층은 가열되어 액체를 건조시켜 나노 입자들을 형성한다. 나노 입자 층은 열 처리되어 입자들을 소성한 다음 소결시켜 유전체 층을 형성한다.
알루미나는 CCTO 및/또는 CCTO-X 전구체에 첨가될 수 있다.
알루미나는 소성 전에 CCTO 및/또는 CCTO-X 나노 입자들에 첨가될 수 있다.
예비-소성된 CCTO 및/또는 CCTO-X 나노 입자들은 CCTO/CCTO-X 전구체 용액 및 잉크에 첨가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 잉크젯 인쇄에 사용되는 전구체 용액은 CCTO 및/또는 CCTO-X 액체 전구체를 형성하도록 결합되는 용액들 중에 현탁된 3개의 화학 물질을 사용한다. 결합된 용액은 잉크젯 인쇄를 위한 잉크 및 전구체로서 적용된다.
전구체 잉크는 다층 DEUC 모듈에서 에너지 저장 층으로서 도포된다. 다층 DEUC는 열 처리되어 CCTO 및/또는 CCTO-X 전구체가 건조되어서 층에 나노 입자들이 형성된다. 나노 입자들은 제 위치에서 소성되고 이후 소결되어 유전체 에너지 저장 층이 형성된다.
전극
DEUC 디자인에 적용되는 다수의 전극 유형이 있다. 1차 전극은 에너지 저장 층들 사이에 적용된 내부 전극들이고 2차 전극은 내부 전극들을 좌측 및 우측 어레이로 연결하기 위한 것이다.
바람직한 전도성 잉크 유형은 실온에서 안정한 니켈 전구체로 구성된다. 니켈 전구체는 환원제 및 열에 의해 순수한 금속 상태로 환원될 수 있는 금속 이온을 갖는다. 환원제 및 니켈 전구체는 100℃ 내지 300℃ 범위의 온도에서 활성화된다. 니켈 전구체, 환원제 및 열의 반응은 순수 금속 침전물을 형성한다.
니켈 전구체 및 환원제는, 니켈 전구체 및 환원제가 잉크젯 인쇄, 스프레이 침착 및/또는 스크린 인쇄를 포함하는 다양한 인쇄 공정에 사용하기 위해 담체 유체에 적재되는, 나노-잉크로 제형화될 수 있다.
니켈 나노입자들은 니켈 전구체 및 잉크에 첨가될 수 있다.
니켈이 전극으로서 도포되는 경우, 열 처리 동안 산화를 감소시키거나 및/또는 제거하기 위해 감소된 산소 분위기가 적용될 수 있다.
전극들은 스프레이 침착, 증기 증착, 압출, 주조, 사출 성형 및 인쇄 스프레이를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 방법으로 제조될 수 있다.
잉크젯 침착
일 실시예에서, 본 발명은 스프레이 및/또는 디맨드 기구상의 드롭 잉크젯 인쇄 장치를 사용하여 화합물을 생성하기 위해 물질 침착 공정 동안 물질들이 혼합되는 것을 적용하였다. 잉크젯 침착 시스템은 3차원 전자 장치를 형성하기 위해 2차원 나노입자 패터닝된 층들을 스택할 수 있기 위해 인쇄 헤드 정렬을 회전시키는 선택적 능력으로 2 또는 3차원 축을 가로 질러 인쇄 헤드들을 위치시킨다.
2개의 물질을 혼합하기 위해 2개 이상의 인쇄 헤드를 사용하면 2개의 물질이 단일 용액에서 친화성(compatible)이 없을 때 중요해진다. 예를 들어, 일부 경우에 용액의 pH 레벨에 따라 입자 분포가 가능하며 이는 잉크젯 프린터(물질 침착 시스템)를 통과하는 잉크젯 잉크의 중요한 특성이다. 2개의 용액의 pH는 단일 층에 침착되는 원하는 화합물 물질을 포함하는 상이한 물질들을 현탁시키기 위해 상이할 필요가 있을 수 있다. 이 경우 및 다른 경우, 다수의 상이한 용액을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 잉크(입자 용액)가 잉크젯 헤드를 통과한 후에는 입자 현탁이 덜 중요하다. 따라서, 다수의 침착 인쇄 헤드에 의해 2개의 용액을 혼합하는 것이 이 문제의 해결책이다.
침착 층에서 혼합하기 위한 잉크젯 침착 공정은 다음과 같다:
1. 침착될 층의 화학적 조성을 한정한다.
2. 화합물 내 각 화학 물질에 대한 화학량론적 값들을 한정하고 화합물 내 각 화학 물질의 비율을 한정한다.
3. 어떤 화학 물질이 잉크젯 침착을 위한 잉크에 결합되도록 친화성이 있는지, 친화성이 있는 화학 물질을 잉크 용액에 결합될 화학 물질 그룹으로 식별하는지를 한정한다.
4. 2개 이상의 화학 물질 그룹이 있는 경우 각 잉크의 화학적 및/또는 입자 적재량을 결정할 필요가 있다.
5. 원하는 화합물을 생성하기 위해 각 잉크의 화학적 및/또는 입자 적재량 및 침착 층에 적용될 화학 물질의 비율에 기초하여, 물질 침착 프로파일(Material Deposition Profile: MDP)을 생성한다.
6. MDP는 다음 사항을 고려하여 침착 층에서 적용될 각 잉크의 비율이다:
a. 원래 화학화학량론적인 식, 및
b. 적용될 각 잉크의 입자 적재량.
7. 화합물을 혼합하기 위해 화학량론적 값을 얻기 위해 침착될 잉크들을 조합한다.
8. 층 위의 층, 잉크 점적의 비월 배치(interlacing), 잉크 점적의 랜덤 배치, 및 특정 패턴으로 잉크 점적의 배치 등을 포함할 수 있는 침착을 위한 요구시 적하 인쇄 공정을 선택한다.
래스터 이미지 소프트웨어(Raster Image Software: RIP) 및/또는 ICC 소프트웨어는 색상 대신 화학적 조성을 반영하도록 변형된다.
래스터 이미지 프로세서(RIP)는 인쇄업계에서 비트맵(bitmap)이라고도 하는 래스터 이미지를 생성하는 데 사용되는 구성 요소이다. RIP 이미지는 인쇄될 패턴을 생성하는 데 사용된다.
인쇄업계에서 색상은 ICC(International Color Consortium)에 의해 정의되었다. ICC 색상 프로파일은 색상 공간의 특성, 모니터가 표시할 수 있거나 프린터가 출력할 수 있는 색상 범위(전역 범위)를 기술하는 데이터 세트이다.
제안된 물질 침착 시스템에서 RIP 소프트웨어는 물질 침착을 위한 패턴을 한정하는 데 사용된다. ICC 프로파일과 달리, 한정된 패턴 내에서 다수의 물질을 혼합하기 위해 다수의 물질의 침착 비율을 위해 화학식이 적용된다. 이 식은 침착될 잉크 내의 물질을 나타내는 입자 적재량, 혼합된 층에 침착될 둘 이상의 잉크의 비율, 및 각 물질 잉크에 대해 선택된 패턴을 고려한다. 인쇄 헤드들에 의해 침착된 물질들을 혼합된 것에 의해 생성된 이 식은 물질 침착 프로파일(MDP)이라고 불리운다.
다수의 인쇄 방법은 다수의 물질을 혼합하기 위해 적용될 수 있다. 이들 인쇄 방법은 인쇄 매트릭스 인터레이싱, 특정 패턴 및 다층 침착을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
3차원 좌표계는, 쌍을 이루는 방식으로 수직이고, 모두 3개의 축에 대해 단일 길이 단위를 갖고, 각 축에 대해 배향을 갖는, 정렬된 3개의 선(line)(축)을 갖는 직교 좌표계로 정의된다. 2차원의 경우에서와 같이 각 축은 숫자 선이 된다. 점 P의 좌표는, 각 좌표 축에 수직인 P를 통해 선을 그리고 나서, 이 선들이 축들과 만나는 점들을 이 숫자 선들의 3개의 숫자로서 판독함으로써 얻어진다.
도 10에는, 원점 O 및 축 선 X, Y 및 Z가 화살표로 나타낸 바와 같이 배향된 3차원 직교 좌표계가 도시되어 있다. 축들 상의 눈금 표시(tick mark)는 하나의 길이 단위만큼 이격되어 있다. 흑색 도트(dot)는 좌표가 x = 2, y = 3 및 z = 4인 점 또는 (2, 3, 4)인 점을 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이, 침착 헤드는 나노 잉크를 기판 또는 기존의 층 상에 침착시킨다. 요구시 적하 공정은 현탁된 나노입자들을 갖는 나노 잉크를 패턴으로 위치시킨다.
나노 잉크 액적(1101)의 사이즈와 나노-잉크 및 기판의 장력에 따라, 액적은 기판 또는 기존의 층에 충돌(1102)하고 확산(203)하여 나노 입자들을 분산시킨다. 담체 유체는 증발되어 잔류 나노입자(1104)들이 극히 얇은 침착물로 남게 한다. 층(1105)은 광-개시제(photo-initiator) 및/또는 적외선 열을 활성화시키기 위해 자외선을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 경화될 수 있다.
나노 잉크 액적들과 분산된 나노입자들이 패턴을 가로 질러 나노입자들의 효율적인 분포를 제공하는 것을 보장하도록 침착 해상도가 선택된다.
하나 이상의 침착 사이클이 패턴이 응집되어 덮어서 원하는 두께로 채워지는 것을 보장하도록 각 패턴에 적용될 수 있다.
도 12에는, 나노입자 침착의 예시적인 패턴(1201)이 도시되어 있다.
도 14에는, 나노입자 및 전구체 물질 침착 프레임이 도시되어 있다. 침착 헤드(1402)는 고정구(1403) 상에 장착되어 X 축(1405)에서 침착 베드(deposition bed)를 가로 질러 이동할 수 있고, Z 축(1404)으로 침착 베드에 대해 침착 헤드를 위 아래로 이동할 수 있고, 침착 헤드의 피치(pitch)를 다양한 방향으로 변경할 수 있다.
갠트리(gantry)(1408)는 침착 베드(1406)를 가로질러 침착 헤드가 정확히 X 축(1405) 및 Y 축(1407)으로 이동할 수 있게 한다.
갠트리(1408) 및 침착 헤드의 이동은 스테퍼 모터(stepper motor)들 및 제어 전자 장치들의 사용을 통해 이루어진다. 컴퓨터와 인터페이스하기 위해 전력 공급 장치 및 통신 인터페이스가 제공된다. 원격 액세스 및 제어가 제공될 수 있다.
선택적으로 키보드, 프로세서 및 디스플레이를 사용하면 나노 입자 침착 시스템을 자율적으로 사용할 수 있다.
도 15에는, 잉크젯 화합물 물질 침착 흐름도의 일례가 도시되어 있다. 여기서, 이 예에 따르면, 2개 이상의 물질(1501)이, 상기 물질, 담체 유체, 및 상기 잉크 내의 입자 적재량을 식별하는, 물질 프로파일을 갖는 잉크들로서 생성된다. 잉크젯 화합물 설정 프로세서(1502)는 침착에 이용 가능한 각 물질(잉크)에 대한 프로파일을 생성한다.
상기 잉크젯 화합물 프로세서(1505)는 소정의 화합물(1503) 및 상기 잉크젯 화합물 설정(1502)의 프로파일에 기초하여 화합물로서 침착될 상기 물질들을 선택한다. 이 예에 따라 상기 잉크젯 화합물 프로세서는 인쇄될 화합물을 식별하기 위해 인쇄 제어기에 다음 데이터를 송신한다:
1. 화합물에 인쇄될 각 잉크의 비율;
2. 화합물에 인쇄될 각 잉크의 점적 패턴;
3. 화합물에 인쇄될 각 잉크의 점적 사이즈;
4. 화합물에 인쇄될 각 잉크의 인쇄 패턴;
5. 인쇄된 화합물의 두께;
6. 두께를 충족시키는 데 필요한 인쇄 사이클; 및
7. 화합물의 건조 사이클.
나노입자 잉크의 침착을 위해 기판이 제공된다. 기판은 침착 공정이 완료될 때 다층 스택이 기판으로부터 방출될 수 있도록 비-점착성(non-stick) 기능을 가질 수 있다.
도 18에는, 잉크젯 물질 침착 공정의 일례가 도시되어 있다. 도 15의 예는, 인쇄에 이용 가능한 화합물들을 한정한다. 도 18은 인쇄될 각 층(1801)에 대한 인쇄 제어기(1802)로의 입력을 기술한다. 인쇄 제어기는 각 층(1803)의 인쇄를 지시한다.
도 16에는, 물질 침착을 위한 인쇄 공정을 수행하는데 사용되는 예시적인 공정이 도시되어 있다.
일례에 따라 이미지 프로세서 및 물질 침착 프로파일(MDP)은 층 내에 화합물 물질을 생성하기 위해 독립적인 인쇄 헤드들을 통해 다수의 물질의 침착을 통해 생성된 화합물 물질을 식별하고 (프로세서(1605) 또는 컴퓨터(1604)에서) 물질 침착을 위한 침착 패턴을 한정하고, 래스터 이미지 프로세서(RIP) 및 물질 침착 프로파일(MDP)은 하나 이상의 물질 유형을 원하는 패턴(1612)으로 침착하기 위해 침착 제어기(1601)에 전달될 코드(code)를 생성한다. 나노 입자 및/또는 전구체 물질을 침착하는 패턴을 설계하기 위한 컴퓨터 프로그램의 일례는 마이크로소프트사(Microsoft, Inc.)의 파워포인트(PowerPoint)이다.
래스터 이미지 제어기(1601)는 데이터를 버퍼링, 저장, 조작하고 나서 침착 헤드 어레이 내의 침착 헤드 드라이버(driver)(1610)로 라우팅하는 고속 데이터 경로 및 전자 장치들을 제공한다.
침착 헤드 드라이버(1610)들은 침착 헤드를 구성하고, 이에 전력을 공급하고, 구동하며, 나노 입자 잉크 점적들을 토출하기 위해 침착 헤드에 의해 사용되는 파형 펄스들을 한정, 생성 및 공급할 수 있다.
침착 인쇄는 비-충격 공정이다. 나노 입자 및/또는 전구체 물질의 잉크는 노즐이 침착 베드 위를 통과하면서 노즐로부터 방출된다. 나노 입자 및/또는 전구체 물질을 침착하는 동작은 다층 스택을 구축하기 위해 인쇄 베드 또는 기존의 층 상에 분출되는 다양한 유형의 나노 입자 잉크를 포함한다.
침착 헤드는 Y 축을 구동하기 위해 침착 헤드 위치지정 시스템(1611) 및 프레임의 스테퍼 모터(1621)를 사용하여 수평 스트립(strip)으로 침착 베드를 스캔(scan)한다. 나노 입자의 행(row) 및/또는 전구체 물질 잉크 점적들이 침착되고 나서, 갠트리는 그 다음 스트립을 침착시키기 위해 침착 헤드(1610)를 제 위치로 이동시킨다. 침착 헤드(1610)는 각 통과(pass)시에 수직 행의 액적들을 침착할 수 있다.
침착 헤드(1610)는 침착 베드를 가로 질러 스트립을 인쇄하는데 약 1/2초가 걸린다. 둘 이상의 잉크 유형을 가능하게 하기 위해 다수의 침착 헤드가 적용될 수 있다.
침착 헤드(1610)는 전구체 물질 잉크 및/또는 나노 입자의 작은 액적들을 작은 노즐들을 통해 침착 베드 또는 기존의 층 위에 분출하는 "요구시 적하"(drop on demand: DOD) 장치이다. 노즐들을 통해 추진되는 나노 입자 또는 전구 물질 잉크의 양은 침착 헤드 드라이버(1610) 소프트웨어를 통해 구성될 수 있다.
원하는 패턴(들)을 형성하기 위해 하나 이상의 나노 입자 유형의 지정된 양을 침착시킨 후, 층을 신속히 경화시키기 위해 자외선 또는 적외선 복사선이 인가된다(1613, 1624). 이를 통해 반복된 층들이 연속적인 공정으로 형성된다.
침착 시스템은 네트워크(1602)에 연결되어 컴퓨터(1604)에 연결되거나 원격 액세스(1603)될 수 있다.
층으로 침착된 물질들의 혼합물을 가질 수 있는 유사하거나 독립적인 침착 패턴을 각각 갖는 다수의 독립적인 층으로 구성된 장치들을 제조하기 위한 다층 나노 입자 및 전구체 물질 침착 시스템으로서,
a) 인쇄 헤드가 인쇄 헤드의 x, y 및 z 축 및 각도를 포함하는 최대 4개의 위치에서 이동될 수 있게 하는 프레임 구조, 및
b) 결합제 및 담체 유체와 결합된 나노 입자들 및/또는 전구체 물질들이 인쇄 헤드를 통과하여 인쇄 기판 또는 기존의 인쇄 층 상에 액적으로서 침착될 수 있도록 구성된 노즐들을 갖는 하나 이상의 잉크젯 인쇄 헤드로 구성되고,
c) 잉크젯 인쇄 헤드는 층을 형성하기 위해 각 인쇄 패턴의 하나 이상의 인쇄 사이클을 수행하고,
d) 상기 층은 담체 유체를 감소시키거나 및/또는 증발시키기 위해 헤드쪽 인쇄 베드에 노출될 수 있고,
e) 연속적인 독립적인 층들은 기존의 층들의 상부에 인쇄될 수 있고,
f) 인쇄 헤드는 기판으로부터 지정된 거리를 유지하는 것을 특징으로 하는 상기 다층 나노 입자 및 전구체 물질 침착 시스템이 제시된다.
DEUC 에너지 저장 장치의 응용
DEUC는, 광범위한 응용 분야에 적용될 수 있고 마이크로 장치로부터 대형 시스템 어레이에까지 확장될 수 있는 에너지 저장 장치이다. DEUC 응용의 일부 예로는 회로 전자 장치, 모바일 장치, 전기 차량, 주거용 및 상업용 응용, 무정전 전력 공급 장치, 전기 그리드의 지원, 및 풍력 및 태양광과 같은 대체 에너지 소스로부터 생성된 전기 전력의 저장 등을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
본 발명자의 모델링 데이터는 심지어 DEUC의 깊은 사이클링 및 급속 충전에서도 열화 없이 1,000,000을 넘는 DEUC 재충전 사이클을 나타냈다. DEUC는 신속한 재충전 사이클 시간을 제공하며, 리튬 이온 배터리의 대략 4배의 에너지를 저장한다. DEUC의 어레이는 차량을 충전하기 위한 전기 에너지 스테이션으로 구성될 수 있다.
다음은 DEUC 모듈의 응용의 일부를 나타낸다:
DEUC 모듈은,
마이크로 장치 및 집적 회로;
전기 차량;
무인 항공기, 육상 또는 수상 운송 수단;
전자 담배;
모바일 컴퓨팅 장치, 랩탑, 태블릿, 모바일 폰, 무선 통신 장치 및 모바일 센서 시스템 중 하나 이상;
전기 전력 그리드;
태양광, 풍력 및 다른 대체 에너지 시스템의 지원; 및
하나 이상의 무정전 전력 공급 장치
중 적어도 하나에 전기 전력을 저장하고 제공하도록 설계 및 제조될 수 있다.
DEUC 모듈은,
하나 이상의 태양 전지;
하나 이상의 방사성 동위 원소 전력 셀;
광전지 시스템;
열전지 시스템;
이동 충전 시스템; 및
DEUC 모듈에 전기 전하를 제공하고 DEUC 모듈에 의해 전기 에너지를 저장하도록 설계되고 구성된 수동 충전 시스템과 결합될 수 있다.
도 9는 예시적인 DEUC DC/DC 변환기 및 충전 회로를 도시한다.
DEUC 에너지 시스템이 단락된 경우의 안전을 보장하기 위해 융합된(fused) 및/또는 스위칭 장치의 다수의 층이 DEUC 요소, DEUC 스택, DEUC 셀 및 DEUC 어레이 내의 전략적인 지점들에 배치된다.
제1 융합된 지점은 고밀도 요소에 있고, 여기서 DEUC 요소들 내의 전극 층들은 좌측 전극과 우측 전극을 가로질러 단락시 수집 판으로부터 개방되고 분리되도록 설계된다.
그 다음 융합된 지점은 DEUC 스택에 있고, 여기서 양 및 음의 DEUC 스택 콜렉터들 사이의 단락시 DEUC 요소는 DEUC 스택으로부터 DEUC 요소를 개방하고 분리하도록 설계된다.
그 다음 안전 지점은 DEUC 셀에 있고, 여기서 DEUC 셀 내의 단락시 DEUC 셀은 DEUC 어레이로부터 DEUC 셀을 개방하고 분리하도록 설계된다.
상기 응용은 DEUC 모듈을 제한하려는 것을 나타내는 것이 아니며, 많은 추가적인 응용이 고려될 수 있다.
본 명세서에 설명된 특징 및 장점은 모든 실시예를 포함하는 것은 아니며, 특히 많은 추가적인 특징 및 장점은 본 설명, 명세서 및 청구범위를 고려하면 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 본 명세서에 사용된 언어는 주로 판독 가능성 및 교육적 목적을 위해 선택된 것일 뿐, 본 발명의 주제를 서술하거나 제한하기 위해 선택된 것이 아닐 수 있으며, 본 발명의 범위는 본 발명의 주제를 결정하는데 필요한 청구범위에 의존한다는 것을 유의해야 한다.
본 발명의 일 실시예는 본 명세서에 기술된 방법의 구현을 가능하게 하는 모든 특징을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 내장될 수 있으며, 이 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 시스템에 로딩될 때 이러한 방법을 수행할 수 있다. 본 문맥에서 컴퓨터 프로그램은, 정보 처리 능력을 갖는 시스템으로 하여금, 바로 특정 기능을 수행하거나 또는 (a) 다른 언어, 코드 또는 표기법으로의 변환 및 (b) 상이한 자료 형태로의 재생성 중 어느 하나 또는 둘 모두를 수행한 후에 특정 기능을 수행하게 하도록 의도된 명령 세트의 임의의 언어, 코드 또는 표기법의 임의의 표현을 의미한다.
각 컴퓨터 시스템은 특히 컴퓨터로 하여금 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 데이터, 명령, 메시지 또는 메시지 패킷, 및 다른 컴퓨터 판독 가능 정보를 판독할 수 있게 하는 하나 이상의 컴퓨터 및 적어도 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리, 디스크 드라이브 메모리, CD-ROM 및 다른 영구 저장 장치와 같은 비-휘발성 메모리를 구현하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 추가적으로, 컴퓨터 매체는 RAM, 버퍼, 캐시 메모리 및 네트워크 회로와 같은 휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 나아가, 전술된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 이외의 컴퓨터 판독 가능 매체의 특정 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터로 하여금 이러한 컴퓨터 판독 가능 정보를 판독할 수 있게 하는 유선 네트워크 또는 무선 네트워크를 포함하는 네트워크 링크 및/또는 네트워크 인터페이스와 같은 일시적인 상태 매체의 컴퓨터 판독 가능 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 개시되었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 특정 실시예에 변경이 가해질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 이 특정 실시예로 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위 내에 있는 모든 응용, 변형 및 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (13)
- 잉크젯 인쇄를 사용하여 적어도 하나의 단일화된 DEUC 다층 박막을 포함하는 고밀도 에너지 울트라 셀(DEUC) 요소를 제조하는 방법으로서,
a. 니켈 나노입자들이 현탁되어 있고 100℃내지 300℃로 가열될 때 니켈로 변환되는 반응성 용액을 사용하여 생성된 전기적으로 전도성인 인쇄 용액을 준비함으로써, 상기 DEUC 박막의 전극층을 제조하기 위하여 잉크젯 프린터에서 상기 전도성인 인쇄 용액으로 사용되는 전극 잉크를 제조하는 단계;
b. 유전체 물질 CCTO 또는 CCTO-X의 전구체 용액을 CCTO-X 잉크로 합성하고, 절연성 나노입자들을 상기 CCTO-X 잉크와 공동으로 침착(co-deposition)하여 상기 DEUC 박막의 유전체 에너지 저장층을 제조하기 위한 유전체 에너지 저장층 잉크를 제조하는 단계;
c. 상기 DEUC 박막의 절연층을 제조하기 위해 산화 화합물로부터 생성되는 절연체 잉크를 제조하는 단계;
d. 상기 전극 잉크, 상기 유전체 에너지 저장층 잉크 및 상기 절연체 잉크를 도포하여 상기 DEUC 다층 박막을 생성하는 단계로서;
상기 전극 잉크, 상기 유전체 에너지 저장층 잉크 및 상기 절연체 잉크를 도포하여 상기 전극층, 상기 유전체 에너지 저장층 및 상기 절연층을 형성하고,
2개의 상기 유전체 에너지 저장층들 사이에 상기 절연층이 배치되고, 상기 절연층에 의해 두 부분으로 분할된 2개의 상기 유전체 에너지 저장층들은 2개의 상기 전극층들 사이에 끼워지고, 그리고,
동일한 극성을 가진 모든 상기 전극층의 콜렉터 부분이 부착되는 상기 전극층의 측면을 제외하고는 각 상기 전극층 각각의 에지들 주위에 절연 물질이 인쇄되어 상기 단일화된 DEUC 다층 박막을 형성하는 것을 포함하고,
e. 다음에 따라, DEUC 요소를 형성하기 위하여 하나 이상의 단일화된 상기 DEUC 다층 박막을 소결하는 단계,
i. 제1 열처리 단계(heat stage)로서, 상기 전극 잉크를 경화시켜 상기 전극층들 사이의 나노입자들을 제 위치에 유지시키는 단일화된 상기 DEUC 다층 박막 내에 프레임 작업 구조를 형성하고,
ii. 제2 열처리 단계(heat stage)로서, 상기 DEUC 다층 박막으로부터 잉크들 및 오염물들을 연소시키고,
iii. 제3 열처리 단계(heat stage)로서, 상기 DEUC 다층 박막 내의 나노입자들을 소성하고,
iv. 제4 열처리 단계(heat stage)로서, 좌측 및 우측 콜렉터들을 갖는 경화된 다층 에너지 저장 장치를 형성하기 위해 상기 DEUC 다층 박막을 소결시킴으로써, 상기 DEUC 요소를 형성하는,
것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전극 잉크는 용매 중 니켈(II) 포메이트 2수화물(formate dihydrate) [Ni(HCO2)2.2H2O] 및 티렌 디아민(thylene diamine)으로 구성된 반응성 니켈 용액으로 구성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제2항에 있어서,
상기 니켈 나노입자들은 상기 전극 잉크에 첨가되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전극 잉크는 용액에 현탁된 니켈 나노입자들로 구성된 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
하나 이상의 상기 유전체 에너지 저장층은 상기 CCTO-X 전구체 용액 또는 상기 용액에 현탁된 CCTO-X 예비-소성된 나노입자들로 구성된 상기 유전체 에너지 저장층 잉크로 형성되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리 단계들에서 열 처리 동안 산화를 감소시키거나 또는 제거하기 위해 감소된 산소 분위기를 사용되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
CCTO 또는 CCTO-X 나노입자들의 열처리 단계에 의해, 상기 CCTO 또는 CCTO-X 나노입자들 사이에 위치된 산화물 입자들을 갖는 내부 층 장벽 커패시터(ILBC)를 형성하여 유전율 및 저항률을 증가시키는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
DEUC 에너지 저장 장치는,
마이크로 장치 및 집적 회로, 전기 차량, 항공기, 보트, 선박, 무인 항공기, 육상 또는 수상 운송 수단, 전자 담배, 모바일 컴퓨팅 장치, 랩톱, 태블릿, 모바일 폰, 무선 통신 장치 및 모바일 센서 시스템, 전기 전력 그리드, 전력 백업을 위한 에너지 저장 장치, 태양광, 풍력 및 다른 대체 에너지 생성 시스템을 위한 에너지 저장 장치, 및 무정전 전력 공급 장치 중 적어도 하나에 전기 전력을 저장하고 제공하도록 하나 이상의 상기 DEUC 요소의 조합으로 설계되고 제조되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 잉크젯 인쇄는 상기 DEUC 박막의 층들을 침착시키는데 사용되고,
상기 침착된 층들에서 결합되는 나노 입자 또는 전구체 물질을 침착하는데 잉크젯 프린터가 사용되고,
상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질들은 혼합되어, 침착된 2개 이상의 물질의 균일한 합성물을 생성하고,
상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질이 결합되어 상기 전극 잉크, 상기 유전체 에너지 저장층 잉크 및 상기 절연체 잉크들을 형성하고, 상기 전극 잉크, 상기 유전체 에너지 저장층 잉크 및 상기 절연체 잉크들 중 하나 이상의 잉크는 디맨드 기구 상의 두 개 이상의 스프레이 또는 드롭(drop on demand devices)에 의해 동일한 침착 층에서 동일한 층으로 침착되고,
상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질들의 스프레이 또는 액적들 (droplets)은 하나 이상의 물질을 분산시켜 하나 이상의 물질의 합성 물질을 형성하도록 비월 배치(interlacing)되고,
결합될 상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질들의 상기 액적들은 상이한 사이즈일 수 있고,
상기 디맨드 기구는 상기 잉크젯 프린터에 적용된 상기 잉크젯 인쇄 헤드이고,
상기 나노 입자의 비율 또는 상기 전구체 물질 잉크의 비율은 소정의 화학량론 식(desired stoichiometric formula)을 갖는 합성 물질을 달성하도록 구성된 스프레이 액적으로서 침착되고, 및
연속적인 별개의 층들(consecutive independent layers)이 단일 물질 층들 또는 합성 물질 층들로서 기존의 층들 위에 인쇄되고, 및
단일 층 또는 다층 장치를 생성하도록 하나 이상의 층이 침착될 수 있고,
인쇄 공정은 소정의 구조로서 하나 이상의 단일 잉크 인쇄 층 및 하나 이상의 다중 잉크 합성 인쇄 층을 통합하고, 및
컴퓨터 장치는 원하는 합성 층들을 형성하도록 침착될 각 물질의 양 및 분산 방법을 계산하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질을 침착하는 잉크젯 프린터는 단일 및 다층 장치로 구성된 전자 회로를 제조하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 나노 입자 또는 상기 전구체 물질을 침착하는 잉크젯 프린터는 다층 전자 장치, 회로 패턴, 배터리, 커패시터 및 에너지 저장 커패시터를 제조하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법. - 제1 항에 따른 DEUC 요소를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 인쇄에 의한 잉크젯 물질의 침착에 기초하는 고밀도 에너지 울트라 셀 요소를 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서,
층들의 스택의 침착(deposition of a stack of layers)을 실행하는 잉크젯 프린터의 적어도 하나의 잉크젯 프린터 헤드를 사용하여, 인쇄에 의한 잉크젯 물질의 침착은:
상기 유전체 에너지 저장층 잉크의 인쇄에 의한 유전체 에너지 저장층의 침착; 및
상기 절연체 잉크의 인쇄에 의한 상기 절연층의 침착을 포함하는 잉크젯 인쇄를 사용하여 DEUC 요소를 제조하는 방법.
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