KR20070102656A - 탈이온화 장치에서 사용되는 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

탈이온화 장치에서 사용되는 전극이 제공되고, (1) 페놀, 푸르푸랄 알코올, 디하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 벤젠, 디아이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 1 이상의 중합 모노머; (2) 가교결합제; 및 (3) 촉매; 탄소 섬유 보강제가 없는 서로 탄화된 형태의 그 반응 생성물들로 생성된다.

Description

탈이온화 장치에서 사용되는 전극 및 그 제조 방법{ELECTRODE FOR USE IN A DEIONIZATION APPARATUS AND METHOD OF MAKING SAME}

본 발명은 일반적으로 이온들을 제거하고, 물, 유체들 및 다른 수성 처리 스트림들로부터 오염물 및 불순물들을 유지, 산화 및 감소시키며, 재생 작업 시 제거된 이온들을 다시 용액 안에 넣는 전기화학적 분리 전극에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 분리 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

유출수(water effluent) 등으로부터 이온들 및 불순물들의 분리를 위한 다수의 다양한 시스템이 존재한다. 예를 들어, 종래의 공정들은 제한하는 것은 아니지만, 이온 교환, 역 삼투(reverse osmosis), 전기투석(electrodialysis), 전착(electrodeposition) 및 필터링을 포함한다. 수년에 걸쳐, 유출수 등의 탈이온화 및 연속 재생을 수행하기 위해 다수의 장치들이 제안되었다.

유출수의 탈이온화 및 정화(purification)를 위한 제안된 한가지 장치는 U.S. 특허 제 6,309,532호에 개시되어 있다. 개시된 분리 장치는 축전 탈이온화(capacitive deionization: CDI)라고도 칭해질 수 있는 공정을 사용하는데, 다른 종래적인 이온 교환 공정들과는 대조적으로 이 공정은 이러한 시스템의 재생을 위해 산, 염기 또는 염 용액에 관계없이 화학제들을 필요로 하지 않으며; 그보다는 상기 시스템은 전기를 사용한다. 다양한 음이온들 및 양이온들, 전기 쌍극자 및/또는 부유 입자들을 함유한 처리될 전해질의 스트림은 탈이온화(정화) 사이클 동안에 전기화학적 축전 탈이온화 셀들의 스택(stack)을 통해 통과된다. 이러한 셀들 내의 전극은 반대 전하의 이온들 또는 입자들을 끌어당기므로, 용액으로부터 그들을 제거하게 된다.

따라서, 상기 시스템은 유입수(water influent) 또는 유출수의 정화 또는 탈이온화를 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 일 형태의 시스템은 2 개의 상이한 형태의 비-희생 전극(non-sacrificial electrode)들로 형성된다. 전극의 일 형태는 탄소계 불활성 탄소 매트릭스(inert carbon matrix: ICM)로 형성된다. 이 전극은 전류가 인가되는 때에 수용액으로부터 이온들을 제거하고 보유한다. 전도성 물질로 형성된 전극의 다른 형태는 전류가 인가되는 때에 더 적은 이온들을 제거하지 않거나 제거하므로, 비-흡수성("비-ICM 전극")으로 분류된다. 이러한 특성은 탄소막(carbon cloth), 그라파이트(graphite), 티타늄, 백금, 및 수용액 내의 전기장을 저하시키지 않는 여타의 전도성 물질들로 형성된 전극들에 일반적이다. 비-ICM 탄소 전극은 서로 전기적으로 격리된 전도성 표면들의 쌍을 갖는다는 점에서 듀얼 전극으로서 형성된다.

따라서, 일 실시예에서 상기 장치는 반대 전하 쌍들과 함께 탈이온화 셀을 형성하는, 그 각각이 평탄한 판의 형태로 되어 있는 다수의 전도성 비-희생 전극들을 포함한다. 작동 시, 전압 전위는 한 쌍의 인접한 전극들 사이에 조성된다. 이는 전극들 중 하나에 전압원의 하나의 리드(lead)를 연결하고, 또 다른 리드가 상기 하나의 전극에 인접한 전극들에 부착되어, 그 사이에 전압 전위를 생성하게 함으로써 달성된다.

안정하고 견고한(robust) ICM 전극을 구축하기 위해, 보강재(reinforcer)가 높은 표면적 흡수 물질을 강화하는데 사용된다. 통상적으로, 보강재는 탄소 펠트(carbon felt), 과립 탄소 또는 탄소 섬유와 같은 탄소원(carbon source)으로 되어 있다; 하지만, 이는 탄소/셀룰로오스 또는 탄소 실리카 혼합물의 형태로 되어 있을 수도 있다. 탄소원은 전극의 형성 시에 보강재로서 사용되고, 이는 상이한 형태들로 되어 있을 수 있으며, 탄소 보강재는 전기적으로 전도성이고 전극의 전기 전도도를 감소시키지 않는 것이 중요하다. 탄소원은 전극이 필요한 전도 특성들을 갖도록 허용하기 위해 선택되며, 또한 ICM 전극을 형성하는 다른 물질들, 즉 레조르시놀-포름알데히드 액체(resorcinol-formaldehyde liquor)에 전체적으로 분배되어야 하여, 그 후 이는 설정되거나, 매트릭스에서 액체의 유사한 정량을 흡수할 수 있으며, 그 후 설정된다.

섬유 보강재를 함유한 종래 기술 전극의 비-균질성은 그 흡수성과 전기적 특성들에 영향을 준다. 더 상세하게는, 탄소 보강재로서 탄소 섬유들의 사용은 이온들에 더 적은 부착 장소들을 제공하며, 전극은 양 이온 및 음 이온의 제거 시에 덜 밸런싱되는 경향이 있다. 따라서, 종래의 섬유 보강재를 사용하지 않고, 견고하고 증가된 보강 특성들을 갖는 균질한 전극을 생성하는 것이 바람직하다.

일 실시형태에 따르면, 본 발명은 일반적으로 공정 용수 및 유출 폐수 등과 같은 유입수 또는 유출수의 탈이온화 및 정화를 위한 시스템 또는 장치에 관한 것으로; 더 상세하게는 비-희생 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다. (바람직하게는, 전극 물질 자체와 동일한 화학 조성인 미립자 보강 물질인) 미립자 보강을 채택하는 본 발명의 전극들은 탄소-섬유계 보강을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 탈이온화 장치에서 사용되는 전극은 일반적으로 먼저 용매 및 중합제(polymerizing agent)로 형성된 액체에 과립 전도성 탄소 물질을 도입함으로써 생성된다. 보강 물질은 고체화되고 탄화된 후, 바람직하게 전극 안으로 기계가공된다.

일 예시적인 실시예에 따르면, 전극을 제조하는 공정은 (1) 제 1 가교결합제(crosslinker 또는 crosslinking agent)에 용해된 1 이상의 중합 모노머를 포함하는 제 1 액체를 제조하는 단계, (2) 용매 및 제 1 액체 혼합물로 과립 전도성 탄소 물질을 습윤화(wet)하는 단계, (3) 제 1 액체, 용매, 전도성 탄소 물질 혼합물에 제 2 가교결합제를 첨가하는 단계, (4) 상기 혼합물이 고체로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 혼합물을 유지하는 단계, 및 (5) 상기 고체가 전기 전도성 기판으로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 고체를 탄화시키는 단계를 포함한다.

과립 전도성 물질은 시중에서 구매될 수 있거나, (1) 제 2 가교결합제에 디하이드록시 벤젠(dihydroxy benzene), 디하이드록시 나프탈렌(dihydroxy napthalene), 트리하이드록시 벤젠(trihydroxy benzene), 트리하이드록시 나프탈렌(trihydroxy napthalene) 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 1 이상의 물질을 용해하여 제 2 액체를 형성하고, (2) 상기 제 2 액체가 고체(블랭크(blank))로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 2 액체를 유지하며, (3) 상기 블랭크가 전기 전도성 부재로 탄화되도록 충분한 온도로 또한 충분한 시간 동안에 상기 블랭크를 소각(firing)시키고, (4) 상기 블랭크 냉각 후에, 탄화된 블랭크를 분말화(break up)하여 과립 전도성 탄소 물질이 되도록 상기 블랭크를 처리함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 과립 전도성 탄소 물질 보강된 전극을 형성하는 한가지 특정한 예시적인 공정은 (1) 가교결합제(예컨대, 포름알데히드(37 % 포르말린 용액))로 디하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시벤젠, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 1 이상의 물질을 용해하여 액체(사전-반응물)를 형성하는 단계, (2) 상기 액체가 제 1 고체(블록(block))로 중합될 때까지 제 2 가교결합제(37 % 포르말린 용액)와 상기 결과적인 액체 사전-반응물을 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 혼합하는 단계; (3) 상기 제 1 블록이 전기 전도성 부재로 탄화되도록 충분한 온도로 또한 충분한 시간 동안에 상기 제 1 블록을 소각하는 단계, (4) 상기 제 1 블록 냉각 후에, 상기 탄화된 제 1 블록을 분말화하여 균일한 과립 전도성 탄화 물질이 되도록 상기 제 1 블록을 처리하는 단계, (5) 가교결합제(예컨대, 포름알데히드(37 % 포르말린 용액))로 디하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 1 이상의 물질을 용해하여 제 2 액체(제 2 사전-반응물)을 형성하는 단계, (6) 용매, 제 2 액체(제 2 사전-반응물)로 처리된 과립 전도성 탄소 물질을 습윤화하는 단계, (7) 상기 제 2 액체, 용매, 및 처리된 과립 탄소 물질 혼합물에 최종 가교결합제(37 % 포르말린 용액)을 첨가하고, 상기 혼합물이 제 2 고체(블록)으로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 혼합하는 단계, 및 (8) 상기 제 2 블록이 균일하고 균질한 탄소 물질인 전기 전도성 구조체로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 2 블록을 소각하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 실현되는 바와 같이 더 균질한 전극을 갖는 다수의 장점들이 존재한다. 예를 들어, 균질한 전극의 생성은 디바이스의 작동, 이온 제거, 강도, 다공성(porosity), 유동 특성, 헤드 손실(head loss) 및 전극의 물리적 무결성(integrity)을 최적화하는 것이 중요하다. 이와 대조적으로, 본 발명은 탄소 보강물을 함유하는 종래 기술의 전극들에 비해 더 많은 이온 용량(ion capacity)을 갖는다. 종래의 공정은 필러 물질(filler material)로서 탄소 섬유를 사용하였지만, 본 명세서에 개시된 새로운 공정은 필러 물질을 사용하지 않으며, 따라서 더 적은 원 성분(raw ingredient)을 갖는다. 또한, 종래 기술의 전극들에서 필러 물질로서 탄소 섬유의 사용은 분리 공정 시 기능적으로 활성인 전극 면적(표면적)의 양을 감소시킨다. 부연하면, 탄소 섬유 필러 물질은 전극 내에서 단지 사 공간(dead space)으로 기능한다. 또한, 섬유 보강물을 사용하는 것에 관한 여러 단점들 중 하나는 용액으로부터 이온들을 흡수하는 구조들을 함유하지 않는다는 것이며, 그것의 추가는 이온의 제거를 위한 활성 장소들을 감소시킬 것이다. 본 발명의 전극은 이러한 단점들 및 결점들을 극복한다.

더 균질한 전극을 갖는데 있어서 실현되는 다수의 장점들이 존재한다. 특히, 전극 전반에 걸친 저항률(resistivity) 및 전기 분포는 전극(판)이 균질한 때에 더 균일하다. 또한, 본 발명의 전극은 종래 기술의 전극들의 다수의 결점들을 극복하며, 이러한 결점들은 모두 동일한 탄소 물질로 만들어진 두꺼운 자기 지지 전극(self supportive electrode)을 생성할 수 있다는 점에서 문제점을 해결한다. 또한, 본 발명의 전극들은 양 이온과 음 이온 모두에 대해 더 동일하거나 밸런스한 제거 속도를 생성한다. 또한, 본 발명의 방법에 따른 전극 제조는 물로부터 하전된 물질(이온들)을 제거할 수 있는 균일하고 연속적인 물질을 제공한다. 상기 전극은 불활성 필러 또는 보강재를 포함하지 않기 때문에, 전극 내의 모든 물질은 이러한 특성을 갖는다. 또한, 상기 공정은 제조 공정이 과도한 발열 반응을 유발할 가능성을 감소시킨다. 중합 반응이 2 개의 부분들, 즉 사전-반응 및 최종 반응으로 나뉘기 때문에, 각각의 단계에서 발생되는 열의 양이 제한된다. 또한, 이는 상기 반응을 수행하는데 따른 위험성을 감소시킬 뿐만 아니라, 이러한 전극들의 제조에 사용되는 장비의 복잡성도 감소시킨다.

다음의 도면들과 연계하여 참조한다면, 본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시예들의 도면들과 상세한 설명으로부터 본 발명의 이전의 특징들 및 다른 특징들을 더 알기 쉽게 설명한다.

도 1은 제 1 실시예에 따른 전기화학적 분리 전극의 사시도;

도 2는 2 개의 내화물(refractory)로 형성된 가열 디바이스 안으로 삽입된 블랭크 또는 전극 물질의 개략도;

도 3은 제 1 실시예에 따른 전도체로의 전기적인 연결을 갖는 전극의 사시도;

도 4는 도 3의 라인 4-4를 따른 단면도;

도 5는 제 2 실시예에 따른 전도체로의 전기적 연결을 갖는 전극의 사시도;

도 6은 도 5의 라인 6-6을 따른 단면도;

도 7은 제 3 실시예에 따른 전도체로의 전기적 연결을 갖는 전극의 사시도;

도 8은 도 7의 라인 8-8을 따른 단면도; 및

도 9는 종래의 전극 물질에 비해 본 발명에 따라 만들어진 전극 물질들 상에서 수행되는 x-레이 회절(XRD) 분석의 결과들을 나타내는 그래프이다.

앞서 언급된 바와 같이, 본 발명은 전극 및 상기 전극을 채택하는 수 탈이온화 디바이스(water deionization device)에 관한 것이다. 본 발명의 전극은 수 탈이온화를 위한 종래의 전극들에 비해 우수한 강도, 전도도 및 흡수 특성들을 갖는다. 아마도 중요한 것은, 제조 공정이 단순하고, 소정 실시예들에서는 용이하게 이용가능한 출발 물질을 채택하는 것이다. 따라서, 본 발명은 산업적이고 상업적이며 주거적인 오염제거 이용들을 위해 비용-효율적인 수 탈이온화 디바이스들의 개발을 매우 용이하게 한다.

비-희생 전극

본 발명은 일반적으로 물, 유체 및 다른 수성의 또는 극성의(polar) 액체 처리 스트림들로부터 하전된 입자들, 이온들, 오염물들 및 불순물들을 제거하는 전기화학적 분리 전극(100)(도 1) 및 그 적절한 적용들에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명의 전극(100)은 평행하게 배치된 다수의 직선 전극(100)을 포함하는 탈이온화 장치에서 사용하는데 특히 적합하다. 후술되는 바와 같이, 상기 장치는 단일 형태의 전극을 포함할 수 있거나, 상기 장치는 상기 장치 내에서 교번하는 패턴으로 배치된 1 이상의 형태의 전극으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 탈이온화 방식(scheme)에 따르면, 인접한 전극들이 반대 전하의 입자들을 끌어당기기 위해 반대로 하전되도록 단일 형태의 전극이 사용되고 배치된다. 이러한 장치는 본 발명의 전극의 단지 일 사용예만을 예시한 것으로, 여타의 탈이온화 적용예들 및 여타의 형태의 적용예들을 포함하여 전극에 대한 다수의 다양한 사용예가 존재한다는 것을 이해하고 숙지하여야 할 것이다.

상기 전극(100)은 유체가 반대로 하전된 이온들, 입자 등을 끌어당기는 하전된 표면적을 이용할 수 있도록 플로우-스루(flow-through), 플로우 바이(flow by) 또는 뱃치(batch) 시스템 구성에서 사용될 수 있다. 전극(20)의 외주 주위의 구조적 지지를 제공하기 위해, 프레임(30)이 상기 전극(20) 주위에 배치될 수 있다.

상기 장치는 다수의 상이한 방식들로 구성될 수 있으며, 상기 전극들은 상기 장치 내의 여하한의 개수의 상이한 패턴들로 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 그 전문이 인용 참조되고 있는 U.S. 특허 제 5,925,230호; 제 5,977,015호; 제 6,045,685호; 제 6,090,259호; 및 제 6,096,179호는 장치(10)에 대한 적절한 구 성들 및 그 안에 포함된 전극들에 대한 적절한 배치들을 개시한다. 상기에 언급된 바와 같이, 일 실시예에서 상기 장치는 탈이온화 셀을 함께 형성하는, 그 각각이 평탄한 판의 형태로 되어 있는 다수의 전도성 비-희생 전극들을 포함한다. 작동 시, 전압 전위는 한 세트의 인접한 전극들 사이에 조성된다. 이는 전극들 중 하나에 전압원의 하나의 리드를 연결하고, 또 다른 리드가 상기 하나의 전극에 인접한 전극들에 부착되어, 그 사이에 전압 전위를 생성하게 함으로써 달성된다. 이는 인접한 전극들이 반대로 하전되게 할 수 있다. 하지만, 상술된 판 일시예는 본질적으로 단지 예시일 뿐이며, 판 구성 이외에도 다수의 설계들을 갖도록 제조될 수 있기 때문에, 이것으로 본 발명이 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

본 발명의 전극(100)은 일반적으로 (중합 모노머 및 가교결합제로 형성된) 중합체 액체 안으로 과립 전도성 탄소 물질을 도입하여 블랭크를 주조(cast)하는 단계, 상기 블랭크를 탄화시키는 단계, 및 그 후, 탄화된 블랭크를 기계가공하여 전극을 형성하는 단계를 포함하는 일련의 단계들로 형성된다. 이후 더 상세히 설명되는 바와 같이, 과립 전도성 물질은 전극 제조 공정에 대응하는 물질들을 이용하는 다수의 공정 단계들에 따라 준비될 수 있거나 시판되는 것을 취할 수 있다. 바람직하게는, 과립 전도성 물질은 중합체 고체가 형성되기 이전에 사전-습윤화되고 탈기(de-air)된다.

전극 제조 공정의 일부분으로서 과립 전도성 탄소 물질이 준비되는 경우, 과립 보강 물질이 없을 수 있는 중합된 블랭크가 먼저 만들어지고, 그 후 최종 전극에 사용되는 과립 전도성 탄소 물질을 형성하기 위해 탄화되고 처리된다. 본 발명 의 전극은 통상적으로 탄소 펠트, 종이 또는 섬유 또는 탄소/셀룰로오스 혼합물과 같은 탄소원의 형태로 되어 있는 섬유 보강재의 사용을 필요로 하지 않도록 형성된다.

하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전극 블랭크 및 과립 물질을 준비하는 블랭크는 일반적으로 중합 모노머, 가교결합제, 선택적인 촉매 또는 활성제를 포함하는 다수의 성분들, 및 물, 알코올 등과 같은 불활성 성분으로 형성된 중합체 액체로 형성된다.

중합체 액체

따라서, 중합체 액체는 중합 모노머, 및 용액 내에 중합 모노머를 부유시키도록 중합 모노머를 용해할 수 있는 가교결합제를 포함하는 혼합물을 일컫는다. 또한, 중합체 액체는 물, 알코올 등과 같은 불활성 성분들을 포함할 수 있다. 이는 중합 공정을 유도하거나 가속시키는 중합 촉매 또는 활성제의 첨가를 수용할 수 있다.

중합 모노머

중합 모노머는 (i) 중합체를 형성하기 위해 다른 모노머들과 가교결합할 수 있어야 하고, (ii) 전기 전도성 물질을 형성하기 위해 탄화될 수 있어야 한다. 일 실시예에서, 바람직한 중합제들은 폴리-하이드록시 아릴 그룹(poly-hydroxy aryl group)들, 특히 디(di) 및 트리(tri) 하이드록실 벤젠 및 나프탈렌으로 되어 있다. 본 발명에 사용되는 특정한 디하이드록시 벤젠은 레조르시놀이다. 특정 실시예에서, 모노머는 페놀(phenol), 푸르푸랄 알코올(furfural alcohol), 디하이드록시 벤 젠, 디아이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된다.

레조르시놀은 다수의 상이한 등급들로 되어 있으며, 다수의 공급업체로부터 펠릿(pellet), 플레이크(flake) 및 다른 편리한 형태로 얻어질 수 있다. 예를 들어, Hoechst Celanese Company로부터 상업적으로 이용가능한 유기 화학 체계(organic chemical formulation)들에 적합한 형태로 된 레조르시놀은 본 발명의 전극을 제조하는데 사용될 수 있다.

언급된 바와 같이, 바람직한 한 물질은 염기로 탄화된 레조르시놀이다. 결과적인 중합체는 탄화될 수 있어야 하며, 이로 인해 높은 전도성 물질이 된다. 따라서, 상기 물질이 형상을 유지해야 하는 경우, 상기 물질은 탄화의 어느 부분 중에 액체 상태를 형성하는 것과 대조적으로 목탄(char)을 형성해야 한다. 그 결과, 코코넛 껍질과 같은 어떤 천연 물질들에서 이용가능한 고리 구조는 사용될 수 있는 전도성 탄소를 형성할 수 있는 그들의 셀룰로오스 구조들에 있어 염 구조들을 갖게 된다.

가교결합제

중합체 액체의 용매는 통상적으로 중합체 액체를 형성하기 위해 중합제를 용해할 수 있는 양-방향성 분자(bi-reactive molecule) 또는 가교결합제의 형태로 되어 있다. 특히 바람직한 일 용매는 포르말린이다. 하지만, 파라포름알데히드(paraformaldehyde) 및 메텐아민(Methenamine) 및 헥사메틸렌 테트라아민(hexamethylene tetraamine)과 같은 포름알데히드의 고체원 또는 글루터알데히 드(gluteraldehyde)를 포함하는 다른 가교결합제들이 사용될 수 있다. 포름알데히드는 다양한 공급업체들로부터 이용가능하며, 또한 상이한 등급들 및 형태들로 되어 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면, 포름알데히드는 Georgia-Pacific Resin, Spectrum Chemical Company의 염료, 수지 및 생물학적 보전(biological preservation)에 적합한 포르말린의 형태로 되어 있을 수 있다.

촉매

촉매는 중합 속도를 조절한다. 촉매의 형태를 변화시킴으로써, 최종 생성물의 다공성 및 강도가 변화될 수 있다. 촉매들이 가교결합을 개시(initiate)하거나 가속시키는 역할을 하는 한, 여하한의 개수의 촉매들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 레조르시놀-포름알데히드 타입 중합체들의 경우, 가성(caustic) 또는 염기촉매가 사용될 수 있으며, 특히 탄산나트륨(sodium carbonate), 수산화나트륨(sodium hydroxide) 또는 수산화칼륨(potassium hydroxide), 또는 여타의 염기 촉매들이 본 발명에서 사용하기에 적합하다. 메틸롤(methylol) 화합물이 사용되는 경우, 염기 촉매는 이러한 반응을 개시할 수 있다. 또한, 혼합물 내에 최소한의 양의 오염을 도입하는 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.

사전-준비된 액체들

블랭크 및 전극에 대한 바람직한 출발 성분들은 혼합된 레조르시놀/포름알데히드 액체를 포함하나, 이 반응물들을 혼합하는 대안예들이 존재한다. 상업적으로 이용가능한 생성물들, 및 레조르시놀 및 포름알데히드의 반응 생성물은 레졸(resol) 및 노볼락(novolak)의 속성 카테고리(generic category) 하에서 이용가 능하다. 이러한 생성물들 각각은 고체가 되게 하는 몰 비(molar ratio)로 반응되지 않는 촉매, 포름알데히드 및 레조르시놀의 혼합물이다. 이러한 대안예들은 촉매, 포름알데히드 및 레조르시놀의 원하는 몰 및 점성 비(viscosity ratio)에 적합화될 수 있는 주문 제작된(custom manufactured) 혼합물이 제공되도록 허용한다.

과립 전도성 탄소 물질

하기에 더 상세히 설명되고 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "과립 전도성 탄소 물질"이라는 용어는 가루형의 탄화된 블랭크 물질일 수 있거나 또 다른 탄소계 미립자 전도성 물질일 수 있는 미립자 물질을 일컫는다. 바람직한 과립 전도성 탄소 물질들은 전기장에 희생되지도 않고 물에 용해되지도 않는 물질들이다. 적어도 몇몇 적용들에서 과립 전도성 탄소는 탄소 나노튜브들의 형태로 되어 있을 수 있다.

일 실시예에서 과립 전도성 탄소 물질은 먼저 탄화된 블랭크를 생성한 다음, 더 작은 입자들로 분말화되도록 그것을 처리함으로써 형성되지만, 또 다른 실시예에서는 과립 전도성 탄소 물질이 상업적으로 구매된 다음 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 과립 전도성 탄소 물질은 구조적인 강도 및 보강을 부가하며, 따라서 상기 물질이 전도성을 유지하고 이온 제거를 수행하도록 허용하고 강화시키는 여하한의 물질이 본 발명의 전극들을 제조하는데 사용되기 적합하다. 그 결과, 소정의 활성화된 탄소들 및 심지어 유리 탄소 구조(glassy carbon structure)들이 소정 적용들에서 만족할만한 결과들을 산출할 수 있다.

전극을 형성하는 공정

전극을 제조하는 목적은 전류가 인가되는 때에 액체로부터 이온들을 제거하도록 구성된 탈이온화 디바이스에서 흡수성 전극으로서 기능하는 평탄하고, 전기 전도성이며, 균질하고, 다공성의 탄소 구조체를 생성하기 위함이다.

전극을 형성하는 제조 공정은 일반적으로 액체(블랭크 물질)를 중합시키는 단계, 상기 중합된 블랭크 물질을 과립 전도성 탄소 물질로 탄화시키는 단계, 상기 물질에 첨가된 과립 전도성 탄소 물질로 제 2 액체를 중합시키는 단계, 및 제 2 보강된 물질을 소각 또는 탄화시켜 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 그 후, 요구에 따라 기계가공될 수 있다.

블랭크의 중합

일 예시적인 제조 공정에 따르면, 중합 모노머 및 가교결합제는 사전-블랭크 부분 반응을 형성하는데 사용되고 혼합되는 중합체 액체를 형성하기 위해 적절한 양으로 측정된다. 제 1 중합 반응이 끝난 후, 사전-블랭크 중합체는 추가의 가교결합제와 혼합되어 원하는 물리적 특성을 갖는 블랭크를 형성하게 된다. 모든 혼합물들은 균질해질 때까지 교반(stir)된다. 상기 반응을 가속시키기 위해 중합체 개시제(촉매)가 첨가될 수 있으나, 개시제를 사용하지 않고도 중합 공정이 진행될 수 있으며, 이 경우 중합은 시간의 경과의 결과로서 일어난다. 중합체 액체는 바람직하게는 제어된 온도로 유지된 몰드(mold)(예를 들어 상부 개방형 몰드) 안으로 분배된다. 몰드의 온도는 상기 몰드를 원하는 온도로 유지할 수 있는 가열 요소의 사용이나 바스(bath) 등의 사용을 포함하는, 여하한의 개수의 종래 기술들을 이용하여 원하는 온도로 유지될 수 있다. 형성된 고체를 충분한 시간 주기 동안에 착상시 킨 후에, 경화된 고체는 몰드로부터 제거되고 탄화된다.

따라서, 블랭크 보강 물질을 형성하는 공정은 가교결합제 대 중합 모노머의 약 0.4 - 0.6 내지 1.0 몰 비로 중합체 액체를 형성하기 시작한다. 예를 들어, 7500 g의 레조르시놀 고체의 뱃치는 2765 g의 포르말린 용액(11 % 메탄올을 갖는 37 % 포름알데히드)에 추가된다. 제 1 반응이 끝나고 냉각된 후, 최종 가교결합제 부피(volume)가 상기 혼합물에 추가됨에 따라, 가교결합제 대 중합 모노머의 약 1.2 - 1.8 내지 1의 몰 비가 된다. 예를 들어, 이 특정 예시에서는 4975 g의 포르말린 용액(11 % 메탄올을 갖는 37 % 포름알데히드)이 상기 혼합물에 추가된다.

상기에 기재된 정량(quantity)들은 본질적으로 단지 예시일 뿐이며, 이러한 정량들은 블랭크를 형성하는데 사용되는 개시 혼합물의 상이한 전체 정량들을 만들기 위해, 선형적으로, 위 또는 아래로 증감(scale)될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

중합 모노머가 가교결합제에 용해되는 속도는 2 개의 물질들 간의 몰 비를 포함하여 다수의 인자들에 의존한다. 그 조합물의 혼합 또는 교반은 공정에 도움을 줄 수 있으며, 반대로, 온도를 상승시키는 것은 상기 공정을 가속시키게 될 수 있다. 보편적으로 알려진 바와 같이, 이는 하나의 물질을 또 다른 물질에 용해하게 되는 경우, 온도를 위해 시간이 거래될 수 있으며, 따라서 가교결합제에 중합 모노머를 용해하는데 사용될 수 있는 다수의 상이한 범위의 온도들 및 시간들이 존재하게 된다.

그 후, 중합체 액체는 중합 공정이 진행되도록 허용하는 적절한 조건들에 중 합체 액체를 둠으로써 중합하도록 허용된다. 또한, 중합체의 중합을 용이하게 하기 위해 촉매가 사용될 수 있다. 중합 시간 및 촉매 및 온도가 제어되며, 온도는 바람직하게는 70 ℉ 내지 125 ℉ 사이에 유지된다. 이전의 관점에서, 블랭크를 만드는 최적의 방식은 중합 시 온도를 제어하여 고체의 균일한 구조를 생성하는 것이다.

몰드

블랭크를 형성하는데 사용되는 몰드는 다수의 상이한 구성들을 가질 수 있으며 다수의 상이한 물질들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 형성 몰드는 정사각형 형상인 304 스테인리스와 같은 스테인리스 스틸 형성 팬(pan)일 수 있다. 하지만, 몰드는 구체적으로 중합체 액체와 어떠한 결합 특성도 갖지 않는 알루미늄 및 플라스틱과 같은 여타의 물질로 형성될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 몰드를 만들기에 적절한 플라스틱의 한 형태는 폴리에틸렌이다; 하지만, 여타의 플라스틱들이 몰드를 형성하는데 사용될 수 있다.

바람직하게, 몰드는 중합체 액체를 수용하기 위해 준비된다. 더 상세하게는, 몰드가 작업물에 붙게 될 텍스처(texture)를 갖는 경우, 이후 몰드에 형성되는 고체의 제거를 용이하게 하기 위해 몰드 이형제(release agent)가 사용된다. 일 예시적인 몰드 이형제는 중합체 액체의 첨가 이전에 몰드의 표면들 상에 도포된 카나우바 왁스(carnauba wax)이다. 몰드와 함께 사용될 수 있는 여타의 몰드 이형제들이 존재한다는 것을 이해할 것이다. 몰드 이형제가 사용되지 않는 경우, 라이너(liner)가 금속 몰드 내에 직접 통합될 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 라이너가 스틸 몰드 안에 직접 통합될 수 있으며, 이는 적용되는 이형제의 사용의 필요성 을 제거한다. 하지만, 몰드 라이너는 크래프트 페이퍼(craft paper) 또는 중합체와 결합하지 않는 여하한의 다른 물질과 같이 여타의 물질들로 만들어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

몰드는 중합체 액체가 부어질 수 있는 여하한의 형상 또는 지오메트리일 수 있으나, 인젝션 몰드(injection mold)일 수도 있다. 주지된 바와 같이, 인젝션 몰드는 엔클로저(enclosure)를 형성하기 위해 결합되는 2 개의 상보적 부분들을 포함한다. 상기 상보적 부분들 중 하나 또는 둘 모두에는 유입구가 제공되고, 이 유입구를 통해 중합체 액체가 도입되며, 또한 인젝션 몰드에는 배출구가 제공된다. 사용되는 인젝션 몰딩 기술의 형태, 인젝턴트(injectant)의 점성 및 다른 인자들에 의존하여, 인젝션이 넓은 범위의 압력들에서 발생할 수 있다. 대안적일 실시예에서, 몰드는 덮개를 갖는 컨테이너이다. 하지만, 몰드는 대안적으로 그 온도에 따라 조절되는 시일링된 캐비티(sealed cavity)일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 몰드는 몰드 자체의 온도를 제어하는 역할을 하는 온도-조절된 바스 안으로 침지될 수 있다. 하지만, 몰드는 몰드의 온도를 제어하는 역할을 하는 고체 상태의 플로우-스루(flow-through) 온도 조절기를 가질 수 있다.

블랭크의 경화( curing )

일 실시예에서, 중합체 액체 혼합물을 담는 몰드는 약 24 내지 72 시간의 시간 주기 동안에 약 70 ℉ 내지 145 ℉ 사이의 컨벡션 타입(convection type) 가열에 도입된다. 여타의 가열 원들이 사용될 수 있다. 이 경화 단계 시, 인-몰드(in-mold) 경화된 블록들은 단단해지고, 소정의 비반응 포름알데히드로 적셔지 며(damp), 전기적으로 비-전도성이다. 이러한 인-몰드 가열의 한가지 목적은 블록이 몰드로부터 제거될 수 있도록 견고화(hardening) 및 수축(shrinkage)을 가속화하는 것이다.

이 때, 중합된 액체는 통상적으로 크세로겔이라 불리는 황색의 투명한 외형의 중합된 고체이다. 중합체 액체가 놓여지고 고체로 바뀐 후, 몰드로부터 제거되거나 해제된다.

블랭크의 탄화

비-전도성 블랭크 비-보강 중합체가 경화되고 몰드로부터 제거된 후, 블랭크를 소각 및 탄화시켜 과립 전도성 탄소 물질이 되도록 블랭크가 오븐 내에 배치된다. 바람직하게는 탄화 공정은 오븐에서 수행되며, 제한하는 것은 아니지만, 전기, 천연 가스 자외선 또는 적외선 에너지 등을 포함하는 여하한의 개수의 수단들에 의해 가열된다.

도 2에 개략적으로 예시된 일 실시예에서, 가열 디바이스는 개략적으로 나타낸 적외선 히터(200)이다. 본 발명의 출원인들은 적외선 히터의 사용이 사전준비 공정 시의 상당한 시간 절약을 포함하여 다수의 바람직한 장점들을 갖는다는 것을 발견하였다. 더 상세하게, 탄화 공정은 일반적으로 종래의 퍼네스(furnace)에서 1 내지 4 시간이 소요되었지만, 본 발명의 탄화 공정은 약 10 분 내지 약 30 분 사이로 단축되었다. 이는 생성 시간이 현저히 단축된다는 점에서 상당한 시간 절약일 뿐 만 아니라 비용도 절감된다. 또한, 적외선 오븐의 사용은 온도의 즉각적인 실-시간 제어를 가질 수 있는 능력을 포함하여 다수의 다른 이점들/장점들을 제공한 다. 더 특별하게는, 종래의 오븐들은 온도 변화가 요구되고 오븐이 온도를 변화시키도록 구성된 경우, 이러한 새로운 온도가 실현되기 이전에, 통상적으로 상당한 지연 시간이 존재한다는 점에서 느린 응답 시간들을 갖는다. 이와 대조적으로, 본 발명의 전극들을 탄화시키는 본 발명의 적외선 오븐 및 과립 보강 물질의 사용은 오븐 내에서의 온도의 즉각적인 실-시간 제어를 허용하며, 온도가 신속히 변화될 수 있고, 필요하다면 특정 온도로 유지될 수 있기 때문에, 물질의 특성이 제어될 수 있다. 오븐의 온도 가열 프로파일을 실-시간으로 정확히 제어할 수 있으므로, 전극의 전기적 성능, 특성, 예컨대 전도도가 변경되고 특정한 용도에 맞춰질 수 있다.

유익하게는, 오븐의 구성은 탄화를 위해 오븐에 배치된 블랭크에 열을 도입하는 개선된 방식을 유도할 수 있다. 일 실시예에서, 오븐은 2 개의 가열된 구성요소들(210, 220)을 포함하며, 이들은 오븐(200)이 적외선 오븐인 경우에 2 개의 적외선 히터 패널들의 형태로 되어 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 오븐은 제 1 내화물 및 제 2 내화물을 포함하며, 일 실시예에 따르면 제 1 내화물은 화로(hearth) 내화물이고, 제 2 내화물은 이동가능한 내화물이다. 이동가능한 내화물은 그것이 2 개의 내화물의 상부 내화물을 나타내도록 오븐 내에 배치된다; 하지만, 하부 내화물은 그것이 상부 내화물과 대조적으로 이동가능한 내화물이도록 구성될 수 있다. 상기 내화물은 이중 목적을 가지나, 내화물이 탄화 공정에서 블랭크들로 사용되는 경우, 내화물의 목적은 블랭크 물질이 전체적으로 사전설정된 온도로 상승되도록 가열의 그램 당 정확한 온도 분(degree minute)을 얻는 것이다. 예 를 들어, 블랭크 물질은 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 사이의 온도로 가열된다.

관찰을 위한 또 다른 파라미터는 오븐의 대기이다. 본 발명의 공정에서, 오븐의 대기는 불활성 가스로 제어되지 않으며, 대기는 오븐의 설계에 의해 제어된다. 더 상세하게는, 오븐의 설계는 상부 및 하부 내화물들의 구성 및 존재로 인해 블랭크의 물질의 표면의 주요 부분과 산소가 접촉하는 것을 방지하도록 되어 있다. 하지만, 오븐의 대기는 불활성 가스와 오븐의 설계를 둘 다 이용하여 제어될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 부연하면, 질소와 같은 불활성 가스는 이러한 특징을 달성하기 위해 배기 가스들을 이용하는 것과 대조적으로 오븐의 대기를 제거하는데 사용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 물질은 내화물들이 산소가 침투하는 것을 방지하기 때문에 산소-고갈된(oxygen-starved) 환경에 있다. 오븐은 탄화의 제 1 개시 분들에 생성되는 연소 가스들을 통해 대기 중으로 퍼지(purge)된다. 이러한 초기 분들 후에는 오븐 안으로 공기가 도입되지 않으며, 따라서 상기 물질은 감소된 산소 환경에 있게 된다.

블랭크 물질을 소각하는 목적은 상기 물질을 페놀 중합체 또는 플라스틱으로부터 탄소 물질로 변환시키기 위함이다. 다시 말해, 소각 공정은 탄화 공정이다. 오븐의 적절한 온도 범위는 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃ 사이이다. 적절하지 않은 온도들은 블랭크 물질의 물리적 특성들이 제한하는 것은 아니지만 전기 전도도; 부피 전도도; 및 강도를 포함하는 여러가지 형태들에 대해 바람직하지 않은 온도들이다. 탄화된 물질의 벌크 저항률은 온도가 700 ℃인 경우에 높으며, 오븐의 온도가 너무 높은 경우, 상기 물질은 너무 그라파이트화(graphitic)될 것이다.

블랭크 물질이 그 이상의 온도를 겪게 되면 더 심한 건조(desiccation)를 유발하며, 원래 성분들에 존재하는 불순물들의 상당수를 태우게 된다. 그 후, 블랭크들은 탄화 공정을 완성하기 위해 사전설정된 시간 주기 동안에 가열되며, 가열 시간 및 가열 온도는 가열되지 않은 블랭크의 무게에 서로 의존한다는 것이 판명되었다. 가열 프로토콜(heating protocol)은 물질의 두께에 상당히 영향을 받는다.

써모커플(thermocouple)은 물질의 최상부에 사용될 수 있고, 오븐 온도와 상기 물질 온도를 비교하는데 사용되며, 상기 물질의 온도는 오븐 온도를 지연시킨다. 벌크 저항률은 그것이 사용가능한 탄소 형태로 변환되었지를 알아보기 위한 우선적인 체크들 중 하나이다. 블랭크 물질의 탄화는 플라스틱 물질을 취하고 그것을 탄소로 변화시키는 것을 수반한다.

블랭크 물질이 완전히 소각되고 탄화된 후에는 오븐이 개방되며, 탄화된 블랭크 물질은 상기 물질의 온도로 인해 오렌지색 빛을 갖는다. 블랭크 물질은 탄화 공정의 결과로서 여러 조각으로 쪼개질 것이다. 상기 블랭크들은 물질의 손실을 방지하기 위해 스테인리스 스틸 팬과 같은 컨테이너 내에서 소각될 수 있다. 상기 팬은 오븐으로부터의 회복이 완성되도록 쪼개지고 깨진 물질을 보유한다. 스테인리스 스틸은 몇몇 적용들에 적합할 수 있지만, 스테인리스 스틸은 컨테이너의 선택된 물질일 필요는 없다; 하지만, 선택된 물질은 높은 온도를 견딜 수 있어야 하며, 블랭크 전도성 탄소 물질에 오염을 더하지 않아야 한다.

상기 컨테이너는 집게(tong), 푸셔(pusher), 또는 상기 컨테이너가 단단히 잡히게 한 다음 뜨거운 오븐으로부터 제거되도록 하는 여타의 형태의 툴을 이용하여 기계적으로 제거된다. 팬이 오븐으로부터 제거되면, 블랭크 물질이 산소에 노출됨에 따라 소량의 불꽃이 블랭크 물질에 떨어지게 된다. 컨테이너가 오븐으로부터 제거된 후에 물질이 타는 것을 방지하기 위하여, 내화물 스누핑 블록(snuffing block)이 제공될 수 있으며, 컨테이너 상에 놓임에 따라, 산소가 블랭크가 닿는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 물질이 신속하게 냉각될 수 있는 환경을 만들 수 있다. 일단, 블랭크의 온도가 사전설정된 온도, 예컨대 200 ℃에 도달하면, 탄화된 블랭크는 스누핑 블록에 의해 생성된 산소 감소 환경으로부터 제거될 수 있다.

과립 전도성 물질의 형성

일단, 블랭크가 실온으로 냉각되면, 블랭크는 더 처리된다. 더 상세하게는, 실온 블랭크는 블랭크를 더 작은 조각들로 분말화되도록 구성된 공정에 도입된다. 일 예시적인 실시예에서, 블랭크는 상기 블랭크를 공지된 크기 및 분포로 되어 있는 입자들로 분말화되도록 구성된 크러싱 해머 밀 공정(crushing hammer mill process)을 거치게 된다. 상기 물질을 더 작은 입자들로 분말화하기 위해 여하한의 개수의 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 블랭크들을 분말화하는 한가지 바람직한 방법은 탄화된 블랭크 물질이 제트 밀(jet mill)을 거치게 하는 것이다. 제트 밀은 제트 밀이 1/8 인치 직경보다 큰 공급 입자들을 핸들링할 수 없다는 점 때문에 프리-크러싱 단계(pre-crushing step)를 필요로 한다. 이 프리-크러싱은 제트 밀에 적절히 크기화된 공급 물질을 제공하는 여하한의 수단일 수 있다. 이 물질은 매우 단단하며 또한 연마되므로, 해머 밀 또는 유사한 장비를 이용하는 경우에 텅스텐 카바이드(tungsten carbide) 또는 이와 동일한 강성의 물질이 크러싱 물질로서 간주되어야 한다.

따라서, 과립 전도성 탄소 물질을 형성하기 위해 여하한의 개수의 종래의 밀링 공정들 및 기술들이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명에 개시된 기술들은 단시 예시일 뿐이며, 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다.

일 실시예에서, 제 1 단계는 크러셔를 이용하여 큰 덩어리를 크러싱하는 단계로, 예를 들어 크러셔는 제트 밀 디바이스를 이용하는 후속 단계 이전에 블랭크들의 큰 덩어리들을 사전설정된 더 작은 크기, 예컨대 약 1/8 인치 크기로 감소시킨다. 그러므로, 이러한 제 1 디바이스는 제트 밀 단계 이전에 사용되는 예비(preliminary) 툴 또는 디바이스(럼프 브레이커(lump breaker) 또는 크러셔)이다. 그 후, 럼프 브레이커 또는 크러셔로부터 얻어진 1/8 인치 물질이 제트 밀 안으로 들어간다.

해머 밀 디바이스는 정확한(correct) 해머들, 유극(clearance)들 및 RPM들(이 모두는 변수들임)로 원하는 입자 분포 크기를 생성하도록 구성된다. 제어될 수 있는 또 다른 기능은 해머 밀 안으로의 분말화된 블랭크 물질의 공급 속도이다. 블랭크 물질을 더 작은 입자 크기로 그라인딩(grinding)하고 작게 하는데 사용될 수 있는 여타의 디바이스들이 존재한다는 것을 이해하여야 할 것이다. 따라서, 해머 밀의 사용은 본 발명의 공정에서 결정적인(critical) 것은 아니며, 대신에 핀 밀(pin mill), 볼 밀(ball mill), 롤러 밀(roller mill) 등이 사용될 수 있다.

분말화된 블랭크 물질이 상기 밀을 통과한 후, 블랭크 물질 크기의 결과적인 입자들은 실질적으로 약 20 미크론 내지 약 100 미크론 사이의 범위에 있는 크기를 가지며, 소량의 퍼센트의 입자들은 이 범위를 초과한다. 하지만, 이 범위는 단지 예시적인 범위일 뿐이며, 적용예에 따라 또한 결과적인 크러싱된 입자들의 원하는 치수에 따라, 주어진 원하는 치수의 입자들을 생성하도록, 장비(예컨대, 크러셔 및 해머 밀)가 선택되고 배치될 수 있다.

경화 및 그 탄화를 포함하는 블랭크를 형성하는 목적은 전도성 탄소 물질을 형성하기 위함이며, 그 그라인딩은 탄화된 큰 물질을 더 작은 미크론 크기의 전도성 입자들로 변화시키기 위함이다. 또한, 이 물질은 과립 탄소 물질이라고도 칭해질 수 있으며, 상기 물질이 과립 모래-형 물질(작은 입자들)처럼 보이는 그 외형과 또한 그 검은 색깔 때문에 "검은 모래"이라고도 칭해질 수 있다. 이러한 과립 탄소 물질은 전극을 보강하는데 사용되는 출발 물질을 나타낸다; 하지만, 이는 종래의 탄소 섬유 필러들과 상이하며, 그 결과 전극은 개선된 전기적 성능 특징들을 갖게 된다.

과립 전도성 물질을 처리하여 전극을 형성

과립 탄소 물질은, 특히 상기 물질이 상술된 바와 같은 중합체 블랭크로 준비된 경우에는, 통상적으로 매우 다공성이고, 매우 건조한 물질이다. 따라서, 중합체 액체를 첨가하기 이전에, 상기 과립 물질은 먼저, 습윤화된 탈기된(de-aired) 과립 탄소 물질을 생성하는 방식으로 습윤화 유체로 습윤화된다. 적절한 습윤화 유체들은 포름알데히드 용액들, 물, 저 분자량 알코올(lower molecular weight alcohol), 및 중합 공정을 방해하거나 변화시키지 않는 여하한의 액체를 포함한다. 적절한 알코올들은 메탄올, 에탄올, n-프로판올(n-propanol), I-프로판올, n-부탄올, I-부탄올 및 그 혼합물을 포함한다. 또한, 알코올 또는 알코올 혼합물은 물을 포함할 수 있다. 알코올들은 불활성이고, 휘발성이며, 과립 물질 내의 다공 들의 침투를 용이하게 하는 낮은 표면 장력을 갖기 때문에 바람직한 습윤제들이다.

습윤화된 과립 전도성 물질의 탈기

먼저 과립 탄소 물질을 습윤화하는 여러 가지 이유들 중 하나는 상기 물질을 포화(saturate)시키고, 다공성 물질 내에 포획된 모든 공기를 빼내기 위함이다. 그러므로, 이 공정은 탈기 공정이라고도 일컬어질 수 있다.과립 탄소 물질이 높은 표면적을 갖기 때문에, 습윤화 유체로의 상기 물질의 습윤화는 중합체가 고체화되기 이전에 과립 탄소 물질 내부의 모든 다공들에 습윤화 유체를 갖게 한다. 이는 바람직하고 중요해서 전극에 요구되는 물리적 및 전기적 특성들을 달성하기 위하여 이러한 보강 입자들(과립 탄소 물질)에 대해 결합이 유도된다.

따라서, 습윤화 유체로의 과립 탄소 물질의 습윤화 및 탈기는 최종 결과가 사용가능한 견고한 전극이어야 함을 보장하는 중요한 단계들이다. 이러한 공정 시, 과립 전도성 탄소 물질은 약 0.4 - 0.6 내지 1.0 가교결합제 대 중합 모노머의 몰비로, 100 ℉ 이하의 온도들에서의 혼합에 의해 과립 전도성 물질의 약 20 % 내지 30 %의 부피인 습윤화 유체와의 중합체 액체 및 습윤화 유체 혼합물로 천천히 도입된다. 이 때, 상기 혼합물로부터 눈에 보이는 기포들이 나온다. 바람직하게는, 이 과정은 진공에 연결되거나 연결될 수 있는 시일링된 탱크 환경에서 행해지며, 혼합물이 교반되는 것을 보장하기 위해 상기 탱크 내에 소정 형태의 교반 기구를 포함 한다. 이러한 용기(vessel)는 탈기 진공 탱크 또는 탈기 교반 탱크라고도 칭해질 수 있다.

일 실시예에서, 탱크는 304 스테인리스 스틸 물질로 구성되며, 습윤화된 물질을 일정하게 그리고 제어가능하게 교반하는 적절히 설계된 교반 휠 내부(stirring whell inside)를 갖는다. 상기 물질의 탈기를 달성하기 위해 상기 탱크가 진공에 작동적으로(operatively) 연결된 경우, 상기 탱크는 먼저 건조 과립 탄소 물질로 채워지고, 진공이 형성된다. 진공의 세기는 상이한 파라미터들 및 주어진 적용예들에 의존한다; 하지만, 적절한 진공 세기들은 약 2 내지 4 대기 사이의 급(order)이다. 하지만, 이들은 단지 예시적인 세기일 뿐이며, 이러한 진공의 실제 세기는 본 발명의 실행에 있어 결정적인 것은 아니다. 진공이 형성된 후, 습윤화 유체를 갖는 액체 중합체가 진공 하에서 도입되며, 상기 액체가 탱크 외부외 가스로 이동됨에 따라 탱크 내의 가스 형태가 유출된다. 따라서, 상기 가스는 상기 탱크로부터 이동됨에 따라 유출되며, 상기 액체는 진공 감소된 과립 탄소 물질 내부의 공간을 채우도록 허용된다. 상기 진공은 상기 탱크 내부의 과립 물질이 액체로 덮일 때까지 감소되거나 완화되지 않는다.

상술된 중합체 액체들 중 어느 것이라도 탈기 공정에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

또한, 물질의 탈기는 탈기 공정이 전극의 밀도 및 다른 물리적 특성들에 영향을 준다는 점에서 더 양호한 전극의 형성을 유도한다.

습윤화된 과립 탄소 물질이 탈기된 후, 전극을 형성하는 공정의 다음 단계들 은 최종 량의 가교결합제를 첨가하고, 적절한 사전설정된 온도에서 상기 물질을 중합하는 것이다.

습윤화된 과립 탄소 물질의 중합

전극의 제조의 여하한의 불규칙성(irregularity)은 물질을 사용할 수 없게 할 수도 있는 불량(failure)을 유도할 수 있다. 본 발명의 출원인들은 중합 단계에서의 온도 제어가 과립 탄소 물질의 실제 형성에 비해 과립 탄소 물질로부터 전극의 생성 시에 더 중요하다는 것을 밝혀냈다. 중합에 있어서 적어도 몇 가지 중요한 사안들이 존재한다. 첫 번째 사안은 중합 공정 시 과립 탄소 물질이 교반되지 않은 경우 상기 과립 탄소 물질이 가라앉을(settle) 것이므로, 그 결과 상기 물질을 부유 상태로 유지하기 위해서는 과립 탄소 물질의 교반이 요구된다는 것이다. 이러한 교반은 이전에 개시된 바와 같은 여하한의 개수의 상이한 형태의 디바이스들을 이용하여 달성될 수 있다. 분출 선단(extrusion tip)과 유사한 정적 인-라인 믹서(static in-line mixer)가 사용될 수 있으며, 이는 입자들이 몰드 안으로 분출되면 상기 입자들이 가라앉지 않도록 혼합물이 충분히 두꺼운 지점까지 중합을 제어하는 것을 수반할 것이다. 또한, 상기 물질은 보일링(boiling) 또는 럼프(lump)들을 유도하지 않는 속도 및 온도로 중합되어야 하며, 상기 물질이 가라앉지 않고 몰드 안으로 분배될 수 있을 때까지 상기 물질의 교반이 계속 행해져야 한다.

중합 모노머, 가교결합제 등으로부터 중합체 액체를 형성하는 것에 대한 대안예는 약간의 사전준비 시간을 단축시키는 상업적으로 이용가능한 믹스를 사용하는 것이다. 하지만, 상업적으로 이용가능한 믹스가 사용되는 경우에도, 포르말린 및 레조르시놀로 된 소스일지라도, 탈기된 과립 탄소 물질과 적절한 몰 비를 조합시키는 것이 중요하다. 중합체 액체 및 과립 탄소 물질은 바람직하게는 125 ℉인 선택되고 제어된 온도 하에서 혼합되며, 그 표면적은 질량 열 교환기(mass heat exchanger)에 노출된다. 요구되는 교반의 양은 촉매, 예컨대 염기 촉매가 사용되고 있는지를 포함하여 다수의 인자들에 의존한다. 상기 언급된 바와 같이, 몇몇 적절한 촉매들은 제한하는 것은 아니지만 탄산나트륨 1M; 수산화나트륨; 수산화칼륨; 탄산칼슘; 중탄산칼슘(calcium bicarbonate) 등을 포함한다. 혼합 작업의 목적은 물질이 그 견고화된 상태로 두껍게 됨에 따라 가능한 한 균질하고, 과립 탄소 물질이 바람직하게는 실질적으로 고르게, 수직방향과 수평방향으로 모두 분포되는 물질을 생성하는 것이다.

또한, 중합 공정은 압력 하에서 수행될 수 있는데, 이는 수 개의 공정 관련 파라미터들이 제어될 수 있기 때문이라는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 몰드가 압력 용기에 배치되고 그 후, 그 안에 포함된 물질을 중합시키도록 반응되는 경우, 압력이 증가될 수 있다; 생성물의 중합에 요구되는 시간이 단축될 수 있으며; 중합 온도가 제어될 수 있다. 또한, 이는 과립 전도성 탄소 물질을 형성하는데 사용되는 블랭크를 형성하기 위해 중합체 액체가 중합되는 경우에도 그러하다.

혼합물의 교반이 정지되고 상기 혼합물이 적절한 점조성(consistency)을 얻은 후, 상기 물질은 몰드 안에 놓인다. 일 실시예에서, 중합체 액체 혼합물을 포함하는 몰드는 약 24 내지 72 시간의 시간 주기 동안에 약 70 ℉ 내지 145 ℉ 사이의 컨벡션 타입 가열로 도입된다. 원하는 온도를 유지하기 위해 다른 가열원들이 사용 될 수 있다. 이 경화 단계 시, 인-몰드 경화된 블록들은 단단해지며, 소정의 비반응 포름알데히드로 적셔지며, 전기적으로 비-전도성이다. 이러한 인-몰드 가열의 한가지 목적은 중합을 완성하고, 상기 블록이 몰드로부터 제거될 수 있도록 견고화 및 수축을 허용하기 위함이다.

전극 물질의 탄화

전극이 충분한 시간 주기 동안에 경화된 후에, 이는 기밀한(airtight) 경화 환경으로부터 제거된 다음, 탄화를 거치게 될 소각 환경에 놓인다. 이 환경은 통상적으로 오븐(퍼네스) 등의 형태로 되어 있으며, 바람직하게는 오븐은 블랭크 물질의 중합과 관련하여 상기에 설명된 것과 동일한 방식으로 구성된다. 부연하면, 오븐은 고정된 내화물 및 이동가능한 내화물을 포함하도록 구성된다. 전극 자체는 몰드 팬 없이 오븐 안으로 삽입되고, 이동가능한 내화물은 전극 위의 장소로 하강되며, 그 후 오븐의 도어가 닫힌다.

소각 공정 시, 전극은 에지에서 에지로 약 900 - 975 ℃의 온도를 달성하는 것이 중요하다. 다시 말해, 중합체 전극은 전극 물질이 균질한 방식으로 전극 전반에 걸쳐 이 온도로 가열되도록 가열된다.

전극이 사전설정된 시간 주기 동안에 이 온도로 유지된 후, 전극은 오븐으로부터 제거되며, 산소 환경에 접촉하는 때에 불꽃을 일으키게 될 것이다. 상기 전극은 상기 전극이 약 200 ℃로 냉각될 때까지 감소된 산소 환경이 또 다시 유지되는 스너프박스(snuffbox) 등에 놓인다. 상기 전극이 이 냉각된 온도에 도달하자마자, 전극은 스너프박스로부터 제거되며, 실온으로 냉각되게 된다.

전극을 제조하는 데 사용되는 과립 물질의 입자 크기

입자 크기 및 입자 크기의 분포에 따라, 전극의 적어도 4 개의 특성들에 영향을 주기 위해 이러한 파라미터들의 가변성(variability)이 사용될 수 있다. 더 상세하게는, 4 개의 특성들은 (1) 저항률; (2) 물질이 닿고, 문질러 그라인딩되거나, 아니면 처리될 때에 어떻게 부서지는지의 기준인 깨짐성(friability); (3) 물질의 물리적 강도 - 물질이 소잉(saw), 샌딩(sand), 캐링(carry), 그루빙(groove), 솔더링(solder)되도록 충분한 물리적 강도를 가질 필요가 있음; (4) 물을 잘 흡수할 수 있는 전극의 능력이다. 전극은 큰 입자들(200 미크론 이상)로 형성되며, 결과적인 전극은 매우 양호한 유동 특성들을 가지나 매우 불량한 물리적 강도와 물리적 깨짐성 및 저항률을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 이와 반대로, 그라인딩된 탄소 물질이 10 미크론 이하의 크기를 갖는 먼지의 형태로 된 경우, 전극의 강도는 좋아진다. 또한, 작은 입자들의 농도는 전극이 증가된 강성(hardness) 및 다공을 통한 낮은 유동성을 갖게 된다. 따라서, 입자 크기 및 입자 분포를 제어함으로써, 선택된 범위로 전극의 물리적, 수압적(hydraulic) 및 가능하게는 전기적 특성들을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 과립 물질은 입자들의 적어도 75 %가 약 20 미크론 내지 100 미크론 사이의 입자 크기를 갖는다.

전극의 기계가공/마무리

일단, 전극이 실온으로 냉각되면, 전극은 그 전체 강도를 가지며, 이 점에서 전극은 오븐으로부터 핸들링될 수 있고, 또 다른 처리, 또는 소잉, 샌딩 및 트리밍(trimming) 영역의 형태로 되어 있을 수 있는 전극 마무리 영역으로 전달될 수 있다.

부연하면, 전극이 실온으로 냉각되고 그 전체 강도에 있게 된 후, 상기 전극은 기계가공되거나, 아니면 마무리되어, 마무리된 전극을 생성하게 된다. 일 예시적인 제 1 마무리 단계는 전극의 에지들을 트리밍하는 것이다. 전극 상에서 수행되어야 하는 2 개의 작업단계들이 존재한다. 그 첫 번째는 전극이 트리밍되고 정사각화(square)된 후, 사전설정된 원하는 두께로 샌딩되는 것이다. 전극은 이에 따라 평탄해지고, 모든 표면들에 걸쳐 그러하며, 따라서, 이 작업단계는 전극을 정사각화하는 단계라고도 칭해질 수 있다. 일 예시적인 전극은 약 3/16 인치 내지 약 3/8 인치의 두께를 갖는 24 인치 제곱의 형태로 되어 있다. 제 2 단계는 전극이 전력원으로 도입되게 할 전극으로의 전기적 연결을 구현하는 것이다. 전기적 연결이 물/전기장 형태 환경에 침지될 수 있는지를 고려한 물질 선택은 결정적이다.

전극 판의 정확한 상세(specific)들에 관계없이, 탈이온화 장치에서 사용되는 경우, 전압이 공급되어야 한다. 이는 로드(rod), 또는 구리 또는 다른 전도체로 형성된 것과 같은 와이어로 행해질 수 있다. 하지만, 로드 또는 와이어가 탈이온화되는 액체에 노출되는 경우, 로드 또는 와이어가 (희생됨에 따라) 손상될 것이다. 그러므로, 로드 또는 와이어와 상기 판 사이의 건식 연결이 바람직하게 조성된다.

도 3 및 도 4는 전극(전극 판)(100)과 전도체(110), 바람직하게는 8 내지 18 AWG(또한, 다른 두께도 사용될 수 있음) 사이의 절연된 구리 와이어 사이에 이러한 건식 연결이 어떻게 만들어질 수 있는지를 예시한다. 전도체(110) 및 전극 판(100) 사이의 연결은 그 하나의 에지에 걸쳐 상기 판 안으로 채널 또는 홈(120)을 드릴 링(drilling)함으로써 형성된다. 벗겨진 전도체(110)는 와이어의 자유 단이 전력원으로의 전기적 연결을 위해 전극 판으로부터 바깥쪽으로 연장되도록 홈(120) 안에 놓인다. 그 후, 벗겨진 전도체(110)는 솔더 물질(130)의 사용을 포함하여, 여하한의 개수의 종래 수단에 의해 전극 판(100)에 연결되거나 단단히 부착된다. 물이 전기적 연결에 도달하고 파괴(break down)하는 것을 방지하기 위해, 전기적 연결을 효과적으로 감싸도록(encase) 보호 코팅(140)이 전극 판(110)에 걸쳐 배치된다. 예를 들어, 전극 판(110)은 노출된 와이어(110)와 판(전극)(100) 사이의 기존의 전기적 연결을 방해하지는 않으면서 Cincinnati, OH의 Fibre Glass Evercoat로부터의 2-부분 에폭시 수지 #2와 같은 마린 그레이드(marine grade) 비전도성 에폭시로 포화될 수 있다. 상기 물질이 탄소 전극 판(100) 안으로 스며들 수 있고, 전극 판(100)의 동작 시 희생되지 않는 한, 보호 코팅은 상기에 언급된 물질로 제한되지 않으며 여하한의 개수의 상이한 물질들일 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 일단 보호 코팅이 탄소에 도포되면, 보호 코팅은 그 형상을 변화시킬 수 없는데, 이는 전극 판(100)의 형상의 변화를 유도 및 유발할 수 있음에 따라, 전극 판(100)의 무결성을 감소시키기 때문이다.

도 5 및 도 6에 도시된 또 다른 실시예에서, 전극 판(100)으로의 전기적 연결은 그 하나의 에지를 따라, 바람직하게는 전극 판(100)의 코너들 중 하나와 가깝게, 전극 판(100) 안에 보어(150)를 바로 드릴링함으로써 형성된다. 예시된 실시예에서, 보어(150)는 전극 판(100)의 상부 에지 안으로 드릴링되며, 그 후 보어(150)를 본질적으로 채우기 위해 솔더 물질(152)이 상기 보어(150) 내에 배치된다. 그 후, 전도체(160)는 채워진 보어(150) 안으로 삽입되고, 그 안에 마찰적으로(frictionally) 또는 기계적으로 유지되며, 상기 솔더 물질은 전도체(160)와 전극 판(100) 사이에 배치된다. 전극 판(100)의 탄소와 솔더 물질 사이에는 결합이 존재하는 것이 아니라, 단지 그 사이에는 기계적인 맞물림(fit)이 존재할 뿐이다. 전도체(160)는 그 안에 단단히 유지되고 전도체(160)의 일 단부(자유 단)(170)가 전극 판(100)의 에지로부터 바깥쪽으로 돌출되고 연장되도록, 채워진 보어(150) 안 으로 마찰적으로 맞물린 나사가공된 볼트(threaded bolt) 등의 형태로 되어 있을 수 있다. 전도체(160)의 상기 단부는 상기 전도체(160)의 자유 단에 부착된 전기 케이블 등에 의해 전력원으로의 연결에 대해 자유롭다. 대안적으로, 나사가공된 커넥터 또는 볼트 부재와 같은 상보적인 나사가공된 전도체와 나사가공적으로(threadingly) 결합되어, 이 제 2 전도체가 상기 전도체(160)와 나사가공적으로 결합되게 함에 따라, 전력원으로의 전기적 연결을 달성하도록, 전도체(160)의 단부가 나사가공될 수 있다

시일링된 전기적 연결은 먼저 비전도성 에폭시로 상기 판을 포화시키고, 홀을 드릴링하며, 벗겨진 구리 와이어를 삽입한 다음, 추가 에폭시를 적용하여 시일을 형성함으로써 만들어질 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 다른 변형들은 상기 판의 에지에 단순히 홀보다는 채널을 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 그 후 에폭시로 시일링되기 이전에 전기 커넥터의 와이어 스트립을 삽입하는 것을 포함할 수 있다. 기본 원리는 상기 판의 영역에 전기적 연결을 형성하고, 그 후 바람직하게는 상기 판(전극)의 전기적 특성들에 영향을 주지 않는 물질로 상기 연결을 둘러싸는 영역을 시일링하는 것이다.

하지만, 에폭시 또는 보호 코팅이 전극 안으로 스며들 수 있고, 상기 연결을 감쌀 수 있으며, 작동 시 희생한다는 이유로, 작동 시 물이 솔더 및 구리 와이어에 접촉하는 것을 방지할 수 있는 한, 전도성 와이어 위에 보호 코팅으로서 상이한 형태의 플라스틱 또는 에폭시를 사용할 수 있다. 부연하면, 상기 물질은 전극 안에 심을 형성(wick)하여야 하고, 전기 전도도에 영향을 주지 않고 또한 솔더링된 연결을 절연시키지 않으면서, 그 외부 상에서 그것을 감싸야 한다. 이 방법의 장점들은 상기 방법이 전기적 연결을 보전하며 용이한 전기적 연결을 구현한다는 것이다.

또 다른 실시예에서, 전극으로의 전기적 연결은 일반적으로 도 7 및 도 8에 예시된 불꽃 분사 접촉 적층 기술(flame spraying contact deposition technique)을 이용하여 형성된다. 이 실시예에서, 채널 또는 홈(180)은 전극 판(100)의 일 에지를 따라 (예를 들어, 기계가공함으로써) 형성되며, 그 후 상기 전극 판(100)에 전기적 접촉이나 전도성 경로를 형성하고 정의하도록, 전도성 물질(190)이 전극 판(100)의 일 에지 상으로 또한 이를 따라 불꽃 분사된다. 전도성 물질을 불꽃 분사함으로써, 상기 콘택은 전극(180)을 따라 용이하게 형성될 수 있으며 여하한의 개수의 형태들을 갖도록 용이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 전도성 물질을 수용하는 채널(180)은 본질적으로 단순히 선형이어야 하는 것은 아니며, 이는 마운팅(mounting) 및 적용 고려사항들을 포함하는 여러 이유로 그 안에 형성된 1 이상의 만곡(bend)들 또는 곡선(curve)들을 포함할 수 있다.

전도성 경로를 형성하기 위해 채널(180) 안에 전도성 물질(190)을 배치시킨 후, 상기 구조체는 상술된 기술들을 이용하여 시일링된다. 예를 들어, 전도성 물질(190)은 전극 판(100)의 탄소와 전도성 물질(190) 사이에 형성된 전기적 연결의 무결성을 보전하도록 상기의 써모플라스틱 물질(thermoplastic material)들 중 하나와 같은 시일링 물질(192)로 코팅될 수 있다.

본 발명의 출원인들은 과립 탄소 물질의 이용하면(이 물질을 스크래치(scratch)로부터 생성하거나, 사전-준비된 물질로 출발하면), 결과적인 전극(100)은 전기 전도도를 증가시켰고, 과립 탄소 물질은 전극을 보강한다는 것을 밝혀냈다. 전극(100)의 명세(specification)들은 적용예에 따라 달라질 것이다; 하지만, 예시적인 전극들(100)은 약 0.5 g/㎤ 내지 약 2.5 g/㎤의 밀도를 갖는다.

전극(100)의 물리적인 치수들은 적용예에 따라 달라질 것이다; 하지만, 일 예시적인 실시예에 따르면, 전극(100)은 약 3/16 인치 내지 약 3/8 인치의 두께를 가지며; 약 10 인치 내지 약 24 인치의 높이와; 약 10 인치 내지 약 24 인치의 폭을 갖는다. 상술된 예시적인 전극이 정사각형 형상을 갖는 것으로 설명되고 예시되었지만, 상기 전극은 다수의 다른 형상들을 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 전극은 직사각형 형상 또는 삼각형 형상, 또는 규칙적인 및 불규칙적인 형상들을 포함하여 이러한 형상들의 유동 및 기계적 특성들을 이용하도록 여하한의 다른 형태의 형상을 가질 수 있다. 부연하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극은 상기 전극이 표면들 간의 두께를 갖는 기하학적 형상에 의해 정의된 평행한 흡수 표면들을 제공하도록 탈이온화 장치에 배치된다. 예를 들어, 기하학적 형상은 규칙적인 형상 또는 불규칙적인 형상일 수 있으며, 더 상세하게는 기하학적 형상은 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 원형, 타원형, 원통형 등의 형태로 되어 있을 수 있다.

예시

일 전극이 상기 설명된 원리들에 따라 제조되었고, 다음의 속성들/특성들이 측정되었으며, 다음의 표들에 설명된다.

영역

속성	측정된 값
BET 표면적	481.41 sq. m/g
랭뮤어(Langmuir) 표면적	541.89 sq. m/g
P/Po 0.1027에서의 단일 지점 표면적	478.483 sq. m/g
17.0000 내지 3000.0000 A 직경 사이의 다공들의 BJH 누적 흡수 표면적	21.6927 sq. m/g
마이크로다공 영역	419.5970 sq. m/g

부피

속성	측정된 값
P/Po 0.9756에서의 812.7211 A 직경 미만의 다공들의 단일 지점 전체 다공 부피	0.198113
17.0000 내지 3000.0000 A 직경 사이의 BJH 누적 흡수 다공 부피	0.032289 cc/g
마이크로다공 부피	0.166676 cc/g

다공 크기

속성	측정된 값
랭뮤어에 의한 평균 다공 직경(4V/A)	14.6238 A
BJH 흡수 평균 다공 직경(4V/A)	59.5384 A

상기의 예시는 단지 예시적으로 나타내었을 뿐이며, 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해할 것이다. 부연하면, 상기의 속성 및 측정된 값들은 단지 본 발명의 특정 전극에 대해 얻어진 데이터를 나타낼 뿐이며, 그러므로 본 발명에 따라 만들어진 전극은 상기의 측정된 값들이 아닐 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 만들어진 전극들은 더욱 정량적인 분석을 거쳤으며, 그 결과들은 동일한 테스트 존건들 하에서 종래의 전극들로부터 얻어진 결과들과 비교된다. 더 상세하게는, 본 발명의 전극 물질들은 X-레이 회절(XRD) 분석을 거쳤다. 잘 알려진 바와 같이, XRD 분석은 결정질 또는 비정질, 통상적으로는 반드시 고체 물질일 필요는 없는 성질을 특성화한다. 실험 시, 상기의 예시에 기재된 것들을 포함하여, 상술된 방법에 의해 생성되고 상술된 특성들을 갖는 본 발명의 전극들의 샘플들은 가루화되었고(pulverize), 적절한 샘플 홀더에 배치되었으며, 그 후 x-레이의 입사 빔에 노출되었다. 이는 본 발명의 물질들 및 종래의 전극 물질들, 그리고 특히 에어로겔계 전극들(예를 들어, MarkeTech Aerogel들)의 XRD 분석(이른바, 물질 핑거프린트(material fingerprint))을 비교하기 위해 여타의 상업적으로 이용가능한 탄소질의 물질(carbonaceous material)들에 대해 행해졌다.

상기 입자들은 크기가 200 메시(mesh)(74 미크론) 이하였다. 또한, 이전의 분석 및 테스팅은 상기 입자들이 거의 균일하였고, 따라서 로드 또는 판-형이 아니었다는 것을 나타내었다.

가루화된 분말 샘플(power sample)들은 구리 K 알파 파장 방사선에 노출되었고, 20 내지 30 도의 각도 범위에 걸쳐 0.2 도의 스텝(step)들에서 측정된 회절된 세기로 입사 빔에 의해 스캐닝되었다. 상기 샘플 내의 결정 구조는 결정 화학 구조들 또는 모폴로지(morphology)에 대해 고유한 회절 세기 플롯들에서의 피크들에 의해 도시되고 표현된다. 탄소질의 물질들에서, 그라파이트는 고유한 결정 구조를 가지며, 따라서 피크들의 식별가능한 XRD 세트를 갖는다. 도 9는 곡선(300)으로 표현된 본 발명에 따라 만들어진 전극과, 일반적으로 곡선(310)으로 표현된 에어로겔 물질로 만들어진 종래 전극의 예시적인 XRD 분석을 나타내는 그래프이다. 도 9의 결과들은 데이터의 편집(compilation)을 반영하는 곡선들 및 다수의 결과적인 커브들을 예시하며, 곡선(300)은 XRD 분석이 본 발명의 전극 물질들 상에서 수행되는 때에 계산된 곡선을 나타내고, 이와 유사하게 곡선(310)은 XRD 분석이 종래의 전극 물질들 상에서, 또한 특히 에어로겔 물질들로 만들어진 전극들 상에서 수행되는 때에 계산된 곡선을 나타낸다.

본 발명의 전극 물질들에서, 그라파이트 피크들 중 하나는 수평 축선 상에서 약 25도로 존재하였다. 이 피크는 15 내지 35 도로 연장된 매우 넓고 본질적으로 비정질인 피크 상에 중첩된다. 이 위치에서의 상기 그라파이트 피크는 본 발명의 방법에 따라 만들어진 모든 전극 샘플들에서 검출되었으며, 피크 높이(회절 세기)는 상이한 가열 프로파일, 예컨대 상이한 가열 시간 주기들 및/또는 온도들과 같은 가변 공정 조건들로 인해 하나의 전극 물질로부터 또 다른 전극 물질로 약간 변동된다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 에어로겔계 전극들을 반영하는 곡선(310)은 수평 축선 상에서의 거의 25 도의 영역에서 이러한 그라파이트 피크를 갖지 않는다. 이와 유사하게, 이 그라파이트 피크는 동일한 XRD 분석을 거친 3 개의 "활성화된 탄소" 상업적인 물질들이 존재하지 않았다. 따라서, 종래의 전극 물질들은 본 발명의 전극들의 특정 그라파이트 구조가 결여된 것처럼 보이는데, 이는 이러한 물질들의 XRD 분석이 수평 축선 상에서의 25 도의 영역에서 그라파이트 피크의 부재를 규칙적으로 나타내기 때문이다. 출원인들은 본 발명의 전극들의 XRD 분석에서의 이 그라파이트 피크의 존재가 본 발명의 전극들이 탄소 필러 물질들을 사용한 종래의 전극들에 비해 상이한 결정 구조를 가지며, 이 상이한 결정 구조는 본 발명의 전극들이 이전에 설명된 개선된 이온 용량 및 다른 개선된 속성들 및 특징들을 갖게 한다는 것을 나타낸다고 믿는다.

Claims (32)

1. 전극을 형성하는 공정에 있어서,

   습윤화 유체(wetting fluid), 용매 및 제 1 가교결합제(crosslinker)로 과립(granular) 전도성 탄소 물질을 습윤화하여 제 1 혼합물을 형성하는 단계;

   상기 제 1 혼합물을 제 2 가교결합제와 혼합하는 단계;

   상기 제 1 혼합물이 블록으로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 1 혼합물을 유지하는 단계; 및

   상기 블록이 전기 전도성 기판으로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 블록을 소각(firing)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
2. 제 1 항에 있어서,

   중합 모노머(polymerization monomer)는 디하이드록시 벤젠(dihydroxy benzene), 디하이드록시 나프탈렌(dihydroxy napthalene), 트리하이드록시 벤젠(trihydroxy benzene), 트리하이드록시 나프탈렌(trihydroxy napthalene) 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 가교결합제 및 상기 제 2 가교결합제는 포름알데히드(formaldehyde)인 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 과립 전도성 탄소 물질은:

   상기 제 1 가교결합제에 디하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 1 이상의 물질을 용해하여, 부분 반응된(partially reacted) 혼합물을 형성하고;

   상기 부분 반응된 혼합물을 상기 제 2 가교결합제와 혼합하여, 제 2 혼합물을 형성하며;

   상기 제 2 혼합물이 블랭크로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 2 혼합물을 유지하고;

   상기 블랭크가 전기 전도성 부재로 탄화되도록 충분한 온도로 또한 충분한 시간 동안에 상기 블랭크를 소각하며;

   상기 블랭크 냉각 후에, 탄화된 블랭크를 분말화(break up)하여 과립 전도성 탄소 물질이 되도록, 상기 블랭크를 처리함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 가교결합제들은 포름알데히드이고, 상기 제 1 및 제 2 혼합물은 동일한 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 혼합물은 포름알데히드 및 레조르시놀(resorcinol)의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 과립 전도성 탄소 물질의 75 % 이상은 약 20 미크론 및 약 100 미크론 사이의 입자 크기를 갖는 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
8. 전극을 형성하는 공정에 있어서,

   제 1 가교결합제에 1 이상의 중합 모노머를 용해하여, 제 1 액체(liquor)를 형성하는 단계;

   상기 제 1 액체가 부분 반응된 액체를 형성할 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 1 액체를 유지하는 단계;

   상기 부분 반응된 액체를 제 2 가교결합제와 혼합하여 혼합된 제 1 액체를 형성하고, 상기 혼합된 제 1 액체가 제 1 고체 블랭크로 중합될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 혼합된 제 1 액체를 유지하는 단계;

   상기 제 1 고체 블랭크가 전기 전도성 부재로 탄화되도록 충분한 온도로 또한 충분한 시간 동안에 상기 제 1 고체 블랭크를 소각하는 단계;

   제 1 블록 냉각 후에, 탄화된 블랭크를 분말화하여 과립 탄소 물질이 되도록, 상기 제 1 고체 블랭크를 처리하는 단계;

   습윤화 용매 및 상기 제 1 액체의 혼합물인 습윤화 유체로 상기 과립 탄소 물질을 습윤화하는 단계;

   상기 과립 탄소 물질을 충분히 탈기(de-air)하도록 충분한 온도로 또한 소정 시간 동안에 습윤화된 과립 탄소 물질을 혼합하는 단계;

   상기 과립 탄소 물질, 용매 및 제 1 액체에 제 2 가교결합제를 첨가하여, 제 2 혼합물을 형성하는 단계;

   상기 제 2 혼합물이 제 2 고체 블랭크로 중합될 때까지 충분한 온도로 또한 충분한 시간 동안에 상기 제 2 혼합물을 유지하는 단계; 및

   상기 제 2 고체 블랭크가 전기 전도성 기판으로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 2 고체 블랭크를 소각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 1 액체의 온도는 중합 시 120 ℉ 내지 145 ℉ 사이에서 유지되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 고체 블랭크는 900 ℃ 이상의 온도로 소각되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 1 이상의 모노머는 레조르시놀이고, 상기 제 1 및 제 2 가교결합제들 중 하나 또는 모두는 포름알데히드로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 고체 블랭크는 70 ℉ 내지 약 125 ℉ 사이의 온도로 18 시간 이상 경화(cure)되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 고체 블랭크를 소각하는 단계는:

    제 1 내화물(refractory) 및 제 2 내화물을 포함하는 오븐을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 내화물은 고정된 하부 내화물인 제 2 내화물에 대해 이동가능한 상부 내화물이며, 상기 상부 내화물은 무게를 유지하는 기능을 하고, 산소 대기 환경(oxygen atmosphere environment)을 최소화하며, 상기 제 1 고체 블랭크는 상기 제 1 고체 블랭크를 소각하는 단계 동안에 상기 상부 내화물과 상기 하부 내화물 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
14. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 고체 블랭크를 소각하는 단계 동안에, 상기 제 1 고체 블랭크는 상기 물질이 약 975 ℃ 이상의 온도로 균일하게 상승되도록 가열되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
15. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 고체 블랭크를 소각하는 단계는:

    상기 소각하는 단계 동안에 상기 제 1 고체 블랭크를 탄화시킨 결과로서 형성된 연소 가스들의 생성을 통해, 상기 제 1 고체 블랭크의 소각의 개시(initial) 시간 주기 동안에 대기의 오븐을 퍼지(purge)하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
16. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 고체 블랭크를 처리하는 단계는:

    더 작은 조각들을 형성하도록 크러서(crusher)를 통해 상기 제 1 고체 블랭크의 덩어리들을 도입하는 단계; 및

    상기 더 작은 조각들이 분말화되어 상기 과립 탄소 물질을 형성하도록 유도하는 제트 밀(jet mill) 안으로 상기 더 작은 조각들을 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
17. 제 8 항에 있어서,

    상기 과립 전도성 탄소 물질의 75 %이상은 약 20 미크론 내지 100 미크론 사이의 입자 크기를 갖는 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
18. 제 8 항에 있어서,

    상기 과립 전도성 탄소 물질을 습윤화하는 단계는:

    첨가된 용매를 갖는 부분 반응된 중합체 액체(polymer liquor)로 상기 과립 전도성 탄소 물질을 도입하고, 상기 혼합물이 탈기되도록 하기 위해 상기 습윤화된 과립 전도성 탄소 물질을 약 18 시간 내지 36 시간 동안 탈기 환경에 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
19. 제 8 항에 있어서,

    상기 과립 탄소 물질을 추가 량의 제 2 가교결합제와 혼합하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계는:

    상기 제 2 혼합물이 상기 제 2 고체 블랭크로 중합될 때까지 상기 과립 탄소 물질을 부유(suspension) 상태로 유지하도록 상기 제 1 혼합물을 교반(stir)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
20. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 2 블랭크를 중합하는 단계 이후에, 그리고 상기 제 2 블랭크를 소각하는 단계 이전에:

    경화를 허용하기 위해 약 70 ℉ 내지 약 145 ℉ 사이의 온도로 또한 24 시간 이상 최대 48 시간 동안 기밀하게(air-tight) 시일링된 환경에 상기 제 2 블랭크를 두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
21. 제 8 항에 있어서,

    상기 소각하는 단계가 완성된 이후에 스너프 장치(snuff apparatus)에 전기 전도성 판을 배치하는 단계;

    상기 전기 전도성 판을 거의 실온으로 냉각시키는 단계; 및

    상기 판을 사전설정된 치수로 기계가공함으로써 상기 전기 전도성 판을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 전기 전도성 기판을 처리하는 단계는 모든 표면들에 걸쳐 평탄하고 정확하게(true) 상기 판을 트리밍(trimming)하고 정사각처리(squaring)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
23. 제 21 항에 있어서,

    상기 전기 전도성 기판을 처리하는 단계는:

    전기 커넥터를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 판에 형성된 후퇴부 내에 상기 전기 커넥터를 제 자리에(in place) 단단히 커플링하는 단계; 및

    상기 후퇴부 내의 상기 전기 커넥터 구성요소를 시일링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
25. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 액체 및 상기 습윤화 유체는 동일하며, 포름알데히드 및 레조르시놀의 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
26. 제 8 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 고체 블랭크들을 소각하는 단계는:

    제 1 내화물 및 제 2 내화물로 형성된 오븐을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 내화물은 화로 내화물(hearth refractory)이고, 상기 제 2 내화물은 이동가능한 내화물이며;

    상기 제 1 및 제 2 내화물들 사이에 상기 제 1 및 제 2 블랭크들 중 하나를 배치시키는 단계; 및

    상기 내화물들이 가열되는 그램 당 사전설정된 도 분(degree minute)을 제공하여 각각의 블랭크가 사전설정된 온도로 상승되도록 오븐을 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
27. 전극을 형성하는 공정에 있어서,

    제 1 습윤화 유체, 용매 및 제 1 가교결합제로 과립 전도성 탄소 물질을 습윤화하고, 상기 습윤화된 과립 전도성 탄소 물질을 소정 량의 제 2 가교결합제와 혼합하여, 제 1 혼합물을 형성하는 단계;

    상기 제 1 혼합물이 블록으로 중합되도록 충분한 시간 동안에 충분한 온도로 상기 제 1 혼합물을 유지하는 단계;

    상기 블록이 전기 전도성 기판으로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 블록을 소각하는 단계;

    상기 블록의 길이를 따라 전기 커넥터 구성요소를 제 자리에 단단히 커플링하는 단계; 및

    상기 전기 커넥터 구성요소를 시일링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
28. 제 27 항에 있어서,

    중합 모노머는 디하이드록시 벤젠, 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 벤젠, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.
29. 탈이온화 장치에서 사용되는 전극에 있어서,

    중합 모노머;

    가교결합제; 및

    촉매; 및

    또는 상기 중합 모노머 및 상기 가교결합제의 혼합물에 첨가된 탄소 섬유 보강제 없는 서로 탄화된 형태의 그 반응 생성물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
30. 제 29 항에 있어서,

    상기 중합 모노머는 디하이드록시 벤젠; 트리하이드록시 벤젠; 디하이드록시 나프탈렌, 트리하이드록시 나프탈렌 및 그 혼합물로 구성된 그룹으로부터 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
31. 탈이온화 장치에서 사용되는 전극에 있어서,

    중합 모노머;

    가교결합제; 및

    촉매;

    또는 상기 전극과 실질적으로 동일한 화학적 조성을 갖는 과립 전도성 탄소 물질로 형성된 균질한 보강 물질로 형성된 서로 탄화된 형태의 그 반응 생성물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
32. 전극을 형성하는 공정에 있어서,

    습윤화 유체, 용매 및 제 1 가교결합제로 과립 전도성 탄소 물질을 습윤화하여, 제 1 혼합물을 형성하는 단계;

    상기 제 1 혼합물을 제 2 가교결합제와 혼합하는 단계;

    상기 제 1 혼합물이 블록으로 탄화될 때까지 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 제 1 혼합물을 유지하는 단계; 및

    적외선 오븐에 의해 방출되는 적외선 에너지에 상기 블록을 노출시켜 상기 블록이 전기 전도성 기판으로 탄화되도록 충분한 시간 동안에 또한 충분한 온도로 상기 블록을 소각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 형성하는 공정.

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