KR20140136217A - A method of current collector with cubic pattern by photolithography and a capacitor using thereof - Google Patents

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이문수
김성한
강래철
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an aluminum current collector having a cubic pattern structure by using photolithography and an ultra-high-capacity capacitor comprising the same, and more specifically, to a method for widening an area by designing regular patterns on the surface of an aluminum current collector using photolithography and selectively etching the same for forming a cubic pattern structure on the surface of the aluminum current collector, and to an ultra-high-capacity capacitor formed by applying the aluminum current collector having the cubic pattern structure by using photolithography.

Description

포토리소그래피를 이용한 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체의 표면 코팅방법{A method of current collector with cubic pattern by photolithography and a capacitor using thereof}[0001] The present invention relates to a method of coating a surface of an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure using photolithography,

본 발명은 포토리소그래피(Photolithography)를 이용한 입체 패턴(Pattern) 구조를 갖는 알루미늄 집전체(Current Collector)의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하여 알루미늄 집전체의 표면에 일정한 패턴을 설계한 후 이들을 선택적으로 엣칭(Etching)하여 알루미늄 집전체 표면에 입체 패턴 구조를 형성킨 후 집전체 표면에 전도성 물질을 일정두께 코팅하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure by photolithography, and more particularly, To a method of forming a three-dimensional pattern structure on the aluminum collector surface by selectively etching them after a predetermined pattern is formed, and then coating a conductive material with a predetermined thickness on the surface of the current collector.

유가 상승 및 지구 온난화 문제로 인하여 대체 에너지에 분야에 대한 기술이 관심을 끌고 있으며, 그 중에서 리튬이온 2차 전지를 선두로 에너지 저장장치의 기술이 급속히 발전하여 왔다. 그러나 전기적인 용량은 크지만 출력이 낮아 고출력을 요구하는 분야에 사용이 제한적인 2차 전지의 대안으로 초고용량 커패시터가 활용되고 있으며, 고출력이 장점인 초고용량 커패시터는 전기적인 용량을 확대하는 기술 연구를 통해 점차 2차 전지 영역으로의 적용 범위를 확대하고 있다. 특히 회생 제동 에너지를 활용하기 어려운 2차 전지에 비해 초고용량 커패시터는 쉽게 회생 제동 에너지를 활용할 수 있다는 장점으로 현재 더욱 더 다양한 분야로 적용이 확대가 되어가고 있는 중이다.Due to rising oil prices and global warming, technology in the field of alternative energy has attracted attention, among which energy storage technology has been rapidly developed with the lead of lithium ion secondary battery. However, supercapacitor is used as an alternative to rechargeable secondary battery which is limited in use in fields requiring high output due to its high electric capacity. However, a supercapacitor having a high output capacity is a technology study Gradually expanding the application range to the secondary battery region. In particular, compared to secondary batteries, which are difficult to utilize regenerative braking energy, ultra-high capacity capacitors can utilize regenerative braking energy easily and are being applied to a wider range of fields.

초고용량 커패시터는 표면적이 큰 활성탄을 이용하여 전해액 중에 이온들의 물리적인 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 충전과 방전을 반복하는 방식으로 기존 전해 커패시터에서 표면적의 한계를 가지고 있는 알루미늄이 하고 있던 역할을 활성탄이 대신하게 함으로써 전기적인 용량을 비약적으로 향상시킬 수 있었다. 또한 최근에는 한 쪽 또는 양쪽 전극을 금속 산화물 또는 탄소나노튜브(CNT), 탄소나노파이버(CNF), 복합 금속 산화물 등을 사용하여 활성탄을 대신하는 방법의 초고용량 커패시터 등의 개념들이 등장하면서 전기적 용량을 더욱 높여가고 있다.The ultra-high-capacity capacitors are charged and discharged repeatedly by using physical adsorption and desorption reactions of ions in the electrolyte using activated carbon having a large surface area. The role of aluminum, which has a surface area limit in conventional electrolytic capacitors, This substitution made it possible to dramatically improve the electrical capacity. In recent years, concepts such as ultra-high-capacity capacitors using a metal oxide or a carbon nanotube (CNT), a carbon nanofiber (CNF), a composite metal oxide or the like instead of activated carbon have appeared, .

초고용량 커패시터에서의 알루미늄 호일(Foil)은 활성탄에서 전달되는 전자를 외부 회로로 유도하는 집전체(Current Collector)로서의 역할을 수행하며, 활성탄에서 집전체로 전자가 전이될 때 발생하는 저항을 최대한 낮추기 위한 계면 특성이 요구되어지고 있다. 이를 위해 전기화학적인 방법으로 집전체 표면의 엣칭(Etching)을 통해 활물질과의 접촉 면적을 증가시켜 이를 적용한 초고용량 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)을 낮출 수 있으며, 또한 알루미늄 대신 표면적이 월등히 크고 다공성인 니켈 폼(Nickel Foam)을 집전체로 적용하여 활물질과 집전체의 접촉면적을 향상시킴으로써 이를 적용한 초고용량 커패시터의 ESR을 낮추는 것뿐만 아니라 상승된 유효 용량을 구현하는 연구가 진행되기도 하였으나 니켈 폼을 적용한 초고용량 커패시터의 제품화는 실용적인 문제점을 가지고 있다.The aluminum foil in the supercapacitor plays a role as a current collector to induce the electrons transferred from the activated carbon to the external circuit and to minimize the resistance generated when electrons are transferred from the activated carbon to the current collector Are required. For this purpose, it is possible to reduce the equivalent series resistance (ESR) of an ultra high capacity capacitor by increasing the contact area with the active material through etching of the surface of the current collector by an electrochemical method. Also, the surface area is much larger than aluminum, Researches have been carried out to improve the contact area between the active material and the current collector by applying a nickel foil as a current collector to lower the ESR of the ultra-high-capacity capacitor and increase the effective capacity. However, Commercialization of the applied ultra-high capacity capacitor has practical problems.

5또한 초고용량 커패시터의 전기적 용량을 증가시키기 위한 종래의 방법은 물리적인 흡착 및 탈착 반응을 하는 활성탄 대신 산화 환원 반응을 하는 금속 산화물로 활물질을 대체하거나, 또는 활성탄 보다 표면적이 큰 탄소나노튜브(CNT)와 같은 활물질을 사용하는 방법 등이다. 활물질을 대체하는 이러한 방법은 첫째 대체 활물질이 대량으로 생산이 되고 있지 않거나 일부 생산이 되고 있는 물질들은 기존 활성탄을 사용하여 제조하는 공정 설비를 그대로 사용할 수 없는 문제점을 갖고 있으며, 더욱이 활물질 자체의 가격이 대단히 높아 비용 측면에서도 많은 문제점을 안고 있다.The conventional method for increasing the electric capacity of a supercapacitor is to replace the active material with a metal oxide which performs an oxidation-reduction reaction instead of the activated carbon which performs a physical adsorption and desorption reaction, or a carbon nanotube (CNT ), And the like. This method of replacing the active material has a problem that the first alternative active material is not produced in a large amount or that some production is made, the process equipment manufactured using the existing activated carbon can not be used as it is, and the price of the active material itself It is very expensive and has many problems in terms of cost.

또한, 현재 전해액을 이용하여 실시하고 있는 알루미늄 집전체의 전기 화학적인 엣칭(Etching) 방법만으로는 초고용량 커패시터의 유효 용량을 증가시킬 수 있을 만큼 활물질과 알루미늄 집전체 사이의 접촉면적을 증가시키는 형태를 갖도록 할 수 없는 문제점을 가지고 있다.       In order to increase the contact area between the active material and the aluminum current collector so that the effective capacity of the ultra-high capacity capacitor can be increased only by the electrochemical etching method of the aluminum current collector which is currently performed using the electrolytic solution, It has a problem that can not be done.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 출원인은 등록특허 제 10-1166148호 에서 포토리소그래피를 이용한 입체패턴 구조를 갖는 알루미늄 제조방법을 개시한 바 있으나 내식성과 내구성을 더 확보할 필요성이 있게 되었다.In order to solve the above problems, the applicant of the present invention has disclosed a manufacturing method of aluminum having a three-dimensional pattern structure by using photolithography in Japanese Patent No. 10-1166148, but it is necessary to further secure corrosion resistance and durability.

본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하여 기존 알루미늄 집전체 표면에 패턴(Pattern)을 형성시키고 이들의 선택적 엣칭(Etching)을 통하여 알루미늄 집전체와 활물질과의 접촉면적을 효과적으로 증가시키고, 이들 표면에 전도성 물질을 코팅하여 전해액과 알루미늄이 직접 반응하는 것을 방지하여 내식성 및 내구성을 증대시킬 수 있는 알루미늄 집전체 코팅 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems of the prior art described above by forming a pattern on a surface of a conventional aluminum collector using photolithography and selectively etching the aluminum collector, And an active material coated on the surface of the active material to prevent a direct reaction between the electrolytic solution and aluminum, thereby increasing corrosion resistance and durability.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;In order to achieve the above object of the present invention,

알루미늄박 집전체를 세척한 후 질소로 건조하는 단계(S1);Washing the aluminum foil collector and drying it with nitrogen (S1);

상기 건조된 알루미늄박 집전체 표면 위에 감광액을 도포한 후 건조하여 감광액이 선택적으로 노광되게 하여 경화시키는 단계(S2);(S2) applying a photosensitive liquid onto the surface of the dried aluminum foil current collector and then drying to selectively expose and cure the photosensitive liquid;

상기단계(S2) 후 현상액을 노광된 알루미늄 집전체에 뿌려 노광되지 않은 감광액을 선택적으로 제거한 후 남은 감광액을 완전히 경화시켜 알루미늄 집전체 위에 패턴을 형성을 완료 시키는 단계(S3);After the step S2, the developer is sprayed on the exposed aluminum current collector to selectively remove the unexposed photoresist, and then the remaining photoresist is completely cured to complete the pattern formation on the aluminum current collector (S3);

두개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 패턴이 형성된 알루미늄박 집전체를 두 탄소판 사이에 위치시켜 교류전원을 인가하고 전해액에서 알루미늄 집전체를 1차 에칭하는 단계(S4);(S4) of placing an aluminum foil current collector having two patterned carbon plates as respective counter electrodes, placing an aluminum foil current collector between two carbon plates, applying an AC power source, and firstly etching an aluminum current collector in an electrolytic solution;

에칭된 알루미늄 집전체를 건조시키는 단계(S5);Drying the etched aluminum current collector (S5);

14상기단계(S5)후 두개의 탄소판을 대극으로 하고 1차 에칭 후 건조된 알루미늄 집전체를 양 대극사이에 위치시켜 2차 에칭하는 단계(S6); (S6) a step (S6) of performing secondary etching using the two carbon plates as the counter electrode after the step (S5) and placing the aluminum current collector after the first etching between the opposite electrodes;

2차 에칭된 알루미늄박을 세척 후 건조시키는 단계(S7); 그리고 상기 집전체에 니켈이나 주석을 도금하는 단계(S8)를 포함함을 특징으로 하는 입체패턴구조를 갖는 알루미늄 집전체의 제조방법을 제공한다.Washing and drying the secondary etched aluminum foil (S7); And plating the current collector with nickel or tin (S8). The present invention also provides a method of manufacturing an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure.

상기에서 상기단계(S1)의 알루미늄박은 순도가 99.00~99.99%이며 두께가 10~100㎛인 것을 사용함이 바람직한데, 순도가 99.00보다 낮으면 EDLC의 누설전류 특성이 나빠지고, 순도 100%짜리 알루미늄박은 현재 기술로는 제조가 불가능하기 때문이며, 두께가 10㎛ 미만에서는 엣칭할 수 있는 깊이도 10㎛ 미만으로 한정될 수밖에 없고 엣칭의 깊이가 낮으면 발명의 효과가 낮아지며, 두께가 100㎛가 넘어가기 시작하면 전극의 체적이 증가하게 되고 그에 따라 에너지밀도가 감소하게 되는 역 효과가 나타날 수 있기 때문이다.The aluminum foil of step (S1) preferably has a purity of 99.00 to 99.99% and a thickness of 10 to 100 탆. If the purity is lower than 99.00, the leakage current characteristic of the EDLC is deteriorated, and aluminum purity of 100% When the thickness is less than 10 mu m, the depth that can be etched is limited to less than 10 mu m. If the depth of etching is low, the effect of the invention is lowered. If the thickness exceeds 100 mu m Since the volume of the electrode is increased at the beginning and the energy density is decreased accordingly.

또한, 상기단계(S2)에서의 감광액 도포는 0.5~50㎛의 두께로 행함이 바람직한데, 감광액 도포의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 집전체 엣칭 시 감광액이 파괴되기 쉬워 과도한 엣칭으로 패턴이 무너지며, 50㎛ 초과로 두께가 두꺼워지면 엣칭액 침투가 어려워지고 따라서 충분한 엣칭이 이루어지지 않아 패턴 형성이 완전하게 이루어지지 않을 수 있기 때문이고, 상기단계(S2)에서의 건조는 50~150℃의 온도에서 5~30분간 행함이 바람직한데 건조 온도가 150℃ 초과에서는 감광액이 파괴되며, 50℃ 미만에서는 감광액이 경화되기 까지 매우 많은 시간이 소요되어 실용적이지 못하고, 건조 시간이 5분 미만에서는 경화가 덜 되어 이후 과정이 진행되는 동안 패턴이 쉽게 무너질 수 있으며 30분 초과에서는 지나친 경화로 선택적으로 노광을 하여 완전한 경화를 하더라도 노광한 대로 패턴이 형성되지 않을 수 있기 때문이다.If the thickness of the photosensitive liquid application is less than 0.5 占 퐉, the photosensitive liquid tends to be broken when the current collector is etched, so that the pattern is broken due to excessive etching, The drying in step (S2) is carried out at a temperature of 50 to 150 DEG C for 5 to 20 minutes at a temperature of 50 to 150 DEG C, If the drying temperature is higher than 150 ° C., the photosensitive liquid is destroyed. When the drying temperature is lower than 50 ° C., it takes a very long time to cure the photosensitive liquid at a temperature lower than 50 ° C., During the course of the process, the pattern can be easily broken down. If it exceeds 30 minutes, Gwanghan is because the pattern can not be formed correctly.

또한, 상기단계(S2)에서의 노광은 투과성 재질 위에 크롬으로 패턴을 형상화한 마스크를 감광액이 도포된 알루미늄 집전체 위에 위치시킨 후 UV광을 조사시켜 선택적으로 행하는데, 상기 마스크는 석영(quartz)을 포함한 UV광 투과성 물질을 사용하며, 상기 마스크는 크기 10~500㎛의 모양과 모양의 간격이 10~500㎛으로 조합되는 패턴으로 하는데 패턴 모양의 크기 및 간격이 10㎛ 보다 작거나 500㎛ 보다 크게 되면 활물질에서 집전체로 전자가 이동하는 이동거리가 짧아지게 되는 효과가 나타나게 되어 발명의 효과가 낮아지게 될 수 있으므로 상기와 같이 한다.In the step S2, the mask is patterned with a chromium layer on a transparent material. The mask is placed on the aluminum current collector coated with the photosensitive liquid, and the mask is selectively irradiated with UV light. The mask is made of quartz, , And the mask has a size of 10 to 500 mu m and a pattern of 10 to 500 mu m in the interval of shape and shape. The size and the interval of the pattern shape are less than 10 mu m or less than 500 mu m The effect that the electron travels from the active material to the current collector is shortened, and the effect of the invention may be lowered.

또한, 상기단계(S3)에서의 상기 감광액은 중성을 제외한 산 또는 알칼리용액을 사용하고, 상기단계(S3)에서의 경화는 50~150℃의 온도에서 5~60분간 행하는데 건조 온도가 150℃를 초과에서는 감광액이 파괴되며, 50℃ 미만에서는 감광액이 경화되기 까지 매우 많은 시간이 소요되어 실용적이지 못하고, 건조 시간이 5분 미만에서는 경화의 정도가 부족하여 이후 엣칭 과정에서 엣칭액에 의해 감광액이 파괴되어 그에 따라 패턴 형성이 되질 않으며, 60분 초과에서는 지나친 경화로 이후 감광액 제거 단계에서 감광액 제거가 원활하게 이루어지지 않기 때문이다.The photosensitive liquid in step S3 is an acid or alkali solution except for neutral, and the curing in step S3 is performed at a temperature of 50 to 150 DEG C for 5 to 60 minutes. When the drying temperature is 150 DEG C If the drying time is shorter than 5 minutes, the degree of curing will be insufficient. In the subsequent etching process, the sensitizing solution is decomposed by the etchant to remove the sensitizing solution The pattern is not formed in accordance therewith, and when it exceeds 60 minutes, the photosensitive liquid is not removed smoothly in the step of removing the photosensitive liquid after excessive curing.

또한, 상기단계(S4)에서의 교류전원은 주파수 5~60㎐, 전류밀도 0.1~10A/㎠ 범위로 하는데, 주파수 5㎐ 미만 및 10A/㎠ 초과의 전류 밀도에서는 과도한 엣칭이 진행되어 패턴의 파괴가 일어날 수 있고, 60㎐ 초과 및 0.1A/㎠ 초과의 전류 밀도에서는 엣칭이 덜 진행되어 패턴대로의 엣칭이 원활하게 이루어지지 않기 때문이며, 상기단계(S4)에서의 전해액은 20g/ℓ이하의 Al 이온과 0.5~5M의 염산과 0.01~2M의 황산을 포함하는 것을 사용함이 바람직한데, 20g/ℓ 초과의 Al 이온이 있는 경우 Al 이온의 방해가 커져 엣칭의 진행을 방해하며, 0.5M 미만의 염산 및 0.01M 미만의 황산 농도에서는 엣칭의 진행이 잘 되지 않고, 5M 초과의 염산 및 2M 초과의 황산 농도에서는 엣칭이 과하게 진행되기 때문이며, 상기단계(S4)에서의 상기 1차 에칭은 상기 전해액의 온도 10~60℃에서 10~60초간 행하는데, 10℃ 미만의 온도 및 10초 미만의 시간에서는 엣칭의 진행이 잘 이루어지지 않고, 60℃ 초과 온도 및 60초 초과 시간에서는 과도한 엣칭이 이루어지기 때문이다.In the step S4, the alternating current power source has a frequency of 5 to 60 Hz and a current density of 0.1 to 10 A / cm 2. When the frequency is less than 5 Hz and the current density exceeds 10 A / cm 2, excessive etching proceeds, And the etching at the current density of more than 60 Hz and the current density exceeding 0.1 A / cm 2 proceeds less, and the etching as the pattern does not smoothly proceed. The electrolytic solution in the step (S4) Ions, 0.5 to 5 M hydrochloric acid, and 0.01 to 2 M sulfuric acid. If there is more than 20 g / l of Al ions, the disturbance of the Al ions is increased to hinder the progress of the etching, And the etching does not progress well at a sulfuric acid concentration of less than 0.01 M, and the etching proceeds excessively at a concentration of hydrochloric acid of more than 5M and a sulfuric acid concentration of more than 2M, and the primary etching at the step (S4) At 10 to 60 ° C for 10 to 60 seconds Etching is not progressed well at a temperature of less than 10 ° C and less than 10 seconds, and excessive etching occurs at a temperature of more than 60 ° C and a time of more than 60 seconds.

또한, 상기단계(S5)에서의 건조는 에칭된 알루미늄 집전체를 증류수로 세척한 다음 아세톤을 포함한 감광액 제거제로 잔류 감광액을 제거한 후 50~500℃의 온도에서 2~15분간 행하는데, 50℃ 미만의 온도 및 2분 미만의 온도에서는 건조가 잘 이루어지지 않아 알루미늄 표면이 수화 반응이 진행되어 비결정성 산화막이 형성되며, 500℃ 초과의 온도 및 15분 초과의 온도에서는 알루미늄 표면이 산화 반응이 진행되어 결정성 산화막이 형성될 수 있어서, 상기와 같이 한다.The drying in the step S5 is performed by washing the aluminum current collector with the distilled water and removing the residual photoresist with a sensitizer solution containing acetone for 2 to 15 minutes at a temperature of 50 to 500 DEG C, And at a temperature of less than 2 minutes, the aluminum surface is hydrated and the amorphous oxide film is formed because the aluminum film is not dried well. When the temperature exceeds 500 ° C. and the temperature exceeds 15 minutes, the aluminum surface is oxidized A crystalline oxide film may be formed, as described above.

또한, 상기단계(S6)에서의 2차 에칭은 교류전원을 인가하여 에칭하는데, 상기 교류전원은 주파수 10~90㎐, 전류밀도 0.1~10A/㎠범위로 함이 바람직하다. 이는 주파수 10㎐ 미만 및 10A/㎠ 초과의 전류 밀도에서는 과도한 엣칭이 진행되어 패턴의 파괴가 일어날 수 있고, 90㎐ 초과 및 0.1A/㎠ 미만의 전류 밀도에서는 엣칭이 덜 진행되어 패턴대로의 엣칭이 원활하게 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.The secondary etching in the step S6 is performed by applying an AC power to the AC power source. The AC power is preferably in the range of 10 to 90 Hz and the current density in the range of 0.1 to 10 A / cm 2. At a current density of less than 10 Hz and a current density of more than 10 A / cm 2, excessive etching may proceed and breakdown of the pattern may occur. At a current density of more than 90 Hz and a current density of less than 0.1 A / cm 2, It can not be smoothly performed.

또한 상기 2차 에칭은 10~30g/ℓ의 Al 이온과 100~300g/ℓ(q) Cl 이온, 그리고 5~30g/ℓ의 SO4 이온을 포함하는 에칭액을 사용하는데, 이온액 중 30g/ℓ 초과의 Al 이온이 있는 경우 Al 이온의 방해가 커져 엣칭의 진행을 방해하고, 100g/ℓ 미만의 Cl 이온 및 5g/ℓ 미만의 SO4 이온에서는 엣칭의 진행이 안되며 300g/ℓ 초과의 Cl 이온 및 30g/ℓ 초과의 SO4 이온에서는 엣칭이 과하게 진행될 우려가 있기 때문이고, 상기 2차에칭은 30~90℃에서 10~60초간 행하는 것이 바람직하다. 이는 30℃ 미만의 온도 및 10초 미만의 시간에서는 엣칭의 진행이 잘 이루어지지 않으며, 90℃ 초과의 온도 및 60초 초과의 시간에서는 과도한 엣칭이 이루어질 수 있기 때문이다.The second etching uses an etching solution containing 10 to 30 g / l of Al ions, 100 to 300 g / l (q) Cl ions, and 5 to 30 g / l of SO 4 ions. The presence of Cl ions in an amount of more than 300 g / l and the concentration of Cl ions in an amount of 30 g / l or less can not prevent the etching process from proceeding with less than 100 g / l Cl ions and less than 5 g / l SO4 ions, it is preferable that the secondary etching is performed at 30 to 90 DEG C for 10 to 60 seconds. This is because the etching does not progress well at a temperature of less than 30 캜 and less than 10 seconds, and excessive etching may occur at a temperature of more than 90 캜 and a time of more than 60 seconds.

또한, 상기단계(S7)에서의 세척 및 건조는 증류수로 세척한 후 50~500℃의 온도에서 2~15분간 행하며, 이는 50℃ 미만의 온도 및 2분 미만의 온도에서는 건조가 잘 이루어지지 않아 알루미늄 표면이 수화 반응이 진행되어 비결정성 산화막이 형성되며, 500℃ 초과의 온도 및 15분 초과의 온도에서는 알루미늄 표면이 산화 반응이 진행되어 결정성 산화막이 형성될 수 있기 때문이다.The washing and drying in the step S7 are performed at a temperature of 50 to 500 DEG C for 2 to 15 minutes after the washing with distilled water and the drying is not performed well at a temperature of less than 50 DEG C and less than 2 minutes The hydration reaction proceeds on the aluminum surface to form an amorphous oxide film, and the oxidation reaction proceeds on the aluminum surface at a temperature exceeding 500 ° C. and a temperature exceeding 15 minutes, so that a crystalline oxide film can be formed.

또한, 상기 본 발명에서의 상기 입체패턴은 포토리소그래피를 이용하여 형성한다.Further, the above-mentioned three-dimensional pattern in the present invention is formed by using photolithography.

본 발명은 또한 상기와 같이 제조되는 알루미늄 집전체를 제공하며, 상기와 같은 전극을 포함하는 초고용량 커패시터를 제공한다.The present invention also provides an aluminum current collector manufactured as described above, and provides an ultra-high capacity capacitor including such an electrode.

상기단계(S8)에서의 코팅은 알루미늄 집전체에 전도성을 갖는 니켈이나 주석을 일정 두께로 도금하는데 이렇게 하므로서 집전체가 전해액과 반응하여 시간의 경과에 따른 부식을 방지할 수 있고, 에칭된 집전체 표면이 전해액과 직접 반응하는 것을 방지할 수 있어서 내식성 및 내구성을 증대시킬 수 있게 된다. The coating in the step S8 is performed by plating nickel or tin having conductivity on the aluminum current collector to a predetermined thickness, so that the current collector reacts with the electrolytic solution to prevent corrosion over time, The surface can be prevented from directly reacting with the electrolytic solution, so that the corrosion resistance and the durability can be increased.

본 발명에 의하면, 알루미늄 집전체와 활물질과의 접촉 면적을 효과적으로 증가시킬 수 있는 알루미늄 집전체 표면적 확대 엣칭 방법의 제공 및 상기 집전체를 적용하여 유효 용량을 향상시키는 초고용량 커패시터의 제조 방법을 제공하는 효과를 가지며 내식성과 내구성을 증대시킬 수 있게 된다.According to the present invention, there is provided a method of enlarging an aluminum current collector surface area that can effectively increase the contact area between an aluminum current collector and an active material, and a method of manufacturing an ultra-high capacity capacitor by improving the effective capacity by applying the current collector And the corrosion resistance and the durability can be increased.

도 1은 실시예를 통하여 제조된 포토리소그래피를 이용한 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체의 도면 대용 사진.
도 2a는 포토리소그래피를 이용하여 알루미늄 집전체 표면 위에 감광액(Photo resist)으로 크기 10㎛ 모양과 그 모양들의 간격을 10㎛로 패턴을 형성 시킨 도면 대용 사진.
도 2b는 포토리소그래피를 이용하여 알루미늄 집전체 표면 위에 감광액으로 크기 50㎛ 모양과 그 모양들의 간격을 50㎛로 패턴을 형성시킨 도면 대용 사진.
도 2c는 포토리소그래피를 이용하여 알루미늄 집전체 표면 위에 감광액으로 크기 100㎛ 모양과 그 모양들의 간격을 50㎛로 패턴을 형성시킨 도면 대용 사진.
도 2d는 포토리소그래피를 이용하여 알루미늄 집전체 표면 위에 감광액으로 크기 50㎛ 모양과 그 모양들의 간격을 10㎛로 패턴을 형성시킨 도면 대용 사진.
도 2은 감광액이 남아 있는 부분과 제거된 부분의 패턴을 형성하고 있는 도면 대용 사진.
도 4는 감광액이 제거된 부분의 알루미늄만 선택적으로 엣칭을 실시한 후의 알루미늄 집전체 도면 대용 사진.
도 5는 엣칭을 실시하고 알루미늄 집전체 표면에 남아 있는 감광액을 제거제(Remover)로 전부 제거한 후의 알루미늄 집전체 도면 대용 사진.
도 6은 실시예를 통하여 제조되는 알루미늄 집전체를 적용한 초고용량 커패시터 전극의 구성 도면.
도 7은 실시예를 통해 제조된 알루미늄 집전체를 적용하여 제조한 초고용량 커패시터의 내부 구성 도면.
1 is a photograph showing an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure formed by photolithography produced by way of an embodiment.
FIG. 2A is a photograph showing a pattern of a size 10 .mu.m in shape of a photoresist formed on the surface of an aluminum collector using photolithography and a pattern of 10 .mu.m apart in the intervals of the shapes. FIG.
FIG. 2B is a photograph showing a pattern of a size of 50 .mu.m formed on a surface of an aluminum collector by using photolithography and a pattern of 50 .mu.m spacing between the shapes.
FIG. 2C is a photograph showing a pattern of a size of 100 μm and an interval of shapes of 50 μm formed on a surface of an aluminum collector by photolithography using a photosensitive liquid. FIG.
FIG. 2 (d) is a photograph showing a pattern of a size of 50 .mu.m and a spacing of 10 .mu.m formed on a surface of an aluminum collector using photolithography as a photosensitive liquid.
FIG. 2 is a photograph showing a portion where a photosensitive liquid remains and a pattern of a removed portion. FIG.
FIG. 4 is a photograph showing an aluminum current collector after selectively etching only aluminum in a portion where the photosensitive liquid is removed. FIG.
FIG. 5 is a photograph showing an aluminum current collector after removing the photoresist solution remaining on the surface of the aluminum current collector with a remover after etching.
FIG. 6 is a configuration diagram of an ultra-high capacity capacitor electrode to which an aluminum current collector manufactured through an embodiment is applied. FIG.
FIG. 7 is an internal configuration diagram of an ultra-high capacity capacitor manufactured by applying an aluminum current collector manufactured through the embodiment. FIG.

본 발명을 실시하기 위해 먼저, 알루미늄의 순도는 99.00~99.99%이며 불순물로는 Cu:4,000 ppm, Si:2,000 ppm, Fe:2,000ppm 이하로 첨가된 10~100㎛의 알루미늄 집전체 표면의 유기물을 제거하기 위해 1) 아세톤 용액 2) 메탄올 용액 3) 증류수로 순차적인 세척을 실시한 후 질소로 건조시킨다.In order to carry out the present invention, the purity of aluminum is 99.00 to 99.99%, the impurities are 4,000 ppm of Cu, 2,000 ppm of Si and 2,000 ppm of Fe or less. To remove 1) acetone solution 2) methanol solution 3) wash sequentially with distilled water and dry with nitrogen.

그 다음 감광액(Photo resist)을 알루미늄 집전체 표면 위에 0.5㎛~50㎛의 두께로 고르게 도포한 후 감광액(Photo resist) 내에 존재하는 용매(Solvent)를 증발시켜 고형의 감광액 필름 상태를 유지하기 위하여 50~150도의 온도에서 5~30분 동안 건조하고, 쿼츠(quartz)와 같이 UV(Ultra Violet)광이 투과될 수 있는 재질 위에 크롬으로 크기 10~500㎛의 모양과 그 모양들의 간격이 10~500㎛가 조합이 되는 패턴을 형상화한 마스크(Maske)를 감광액이 도포된 알루미늄 집전체 위에 위치하게 한 후 UV광을 조사시켜 감광액이 선택적으로 노광되도록 한다.Next, a photoresist is uniformly applied on the surface of the aluminum current collector in a thickness of 0.5 to 50 μm, and then the solvent in the photoresist is evaporated to maintain the solid photosensitive liquid film state. And dried at a temperature of 150 to 150 ° C. for 5 to 30 minutes. The material is capable of transmitting ultraviolet (UV) light, such as quartz, and has a shape of 10 to 500 μm in size with chromium and an interval of 10 to 500 Mu] m is placed on the aluminum current collector coated with the photosensitive liquid, and then UV light is irradiated to selectively expose the photosensitive liquid.

그 후, 현상액(알카리용액)을 노광된 알루미늄 집전체에 뿌려 노광된 감광액 또는 노광되지 않은 감광액만을 선택적으로 제거하고, 남아있는 감광액을 50~150℃ 사이의 온도에서 5~60분간 완전히 굳혀 알루미늄 집전체 위에 패턴 형성을 완료시킨다.Then, the developing solution (alkali solution) is sprayed on the exposed aluminum current collector to selectively remove only the exposed photosensitive solution or the unexposed photosensitive solution, and the remaining photosensitive solution is completely hardened at a temperature of 50 to 150 DEG C for 5 to 60 minutes, Thereby completing pattern formation on the entire surface.

먼저, 또는 이후에 20g/l 이하의 Al 이온과 0.5~5M의 염산과 0.01 ~ 2M의 황산을 첨가하여 1차 엣칭 전해액을 제조한다.Firstly, or later, 20 g / l or less of Al ions, 0.5 to 5 M of hydrochloric acid and 0.01 to 2 M of sulfuric acid are added to prepare a first etching electrolytic solution.

그 다음 두 개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 감광액으로 패턴이 형성된 알루미늄 집전체를 그 사이에 위치하도록 하여 교류 전원을 인가하는데, 교류 전원의 주파수는 5㎐~60㎐, 전류밀도는 0.1~10A/㎠로 하여 10~60℃사이의 전해액의 온도에서 10~60초 동안 알루미늄 집전체를 엣칭한다.The frequency of the alternating current power source is 5 Hz to 60 Hz, the current density is 0.1 to 10 A / cm 2, and the electric current density is 0.1 to 10 A / Cm 2 and the aluminum current collector is etched for 10 to 60 seconds at the temperature of the electrolyte between 10 and 60 ° C.

엣칭된 알루미늄 집전체를 증류수로 세척하고 아세톤과 같은 제거제(Remover)를 사용하여 남아 있는 감광액을 모두 제거한 후 50~500도 온도에서 2~15분간 건조시킨다.The etched aluminum current collector is washed with distilled water and the remaining photosensitive solution is removed using a remover such as acetone, followed by drying at 50 to 500 ° C. for 2 to 15 minutes.

먼저, 또는 그 후에 10~30g/l 사이의 Al 이온과 100~300g/l 사이의 Cl 이온, 그리고 5~30g/l 사이의 SO4 이온을 첨가하여 2차 엣칭 전해액을 제조한다.First, or afterwards, Al ions of 10 to 30 g / l, Cl ions of 100 to 300 g / l, and SO 4 ions of 5 to 30 g / l are added to prepare a second etching electrolyte.

그 다음, 두 개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 1차 엣칭을 실시한 알루미늄 집전체를 그 사이에 위치하도록 하여 교류 전원을 인가하는데, 교류 전원의 주파수는 10㎐~90㎐, 전류밀도는 0.1~10A/㎠ 이고 30~90℃ 사이의 전해액 온도에서 10~60초 동안 알루미늄 집전체를 2차 엣칭하고, 2차 엣칭된 알루미늄 집전체를 증류수로 세척한 후 50~500℃ 온도에서 2~15분간 건조시키면 본 발명이 완성된다.Next, an AC power source is applied with an aluminum current collector having two carbon plates as its counter electrodes and subjected to a first-order etching, and the frequency is 10 Hz to 90 Hz, and the current density is 0.1 to 10 A / Cm < 2 > and at an electrolyte temperature of 30 to 90 [deg.] C for 10 to 60 seconds, the aluminum current collector subjected to the secondary etching is washed with distilled water and dried at 50 to 500 DEG C for 2 to 15 minutes The present invention is completed.

이하에서는 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, it should be understood that the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1] 포토레지스트를 이용한 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체의 제조[Example 1] Production of aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure using photoresist

순도 99.90%의, 두께 0.030㎜의 알루미늄박을, 1) 아세톤 용액 2) 메탄올 용액 3) 증류수로 순차적인 세척을 실시한 후 질소로 건조시켰다.An aluminum foil with a purity of 99.90% and a thickness of 0.030 mm was sequentially washed with 1) acetone solution 2) methanol solution 3) distilled water, and then dried with nitrogen.

감광액(Photo resist)을 알루미늄 집전체 표면 위에 0.5㎛의 두께로 고르게 도포한 후 80도의 온도에서 15분간 건조한 후 지름 80㎛의 원과 그 원들의 간격이 70㎛가 되는 패턴을 형상화한 마스크(Maske)를 감광액이 도포된 알루미늄 집전체 위에 위치하게 한 후 UV광을 조사시켜 감광액이 선택적으로 노광되도록 하였다.A photoresist was uniformly applied on the surface of the aluminum collector to a thickness of 0.5 탆 and dried at a temperature of 80 캜 for 15 minutes. Thereafter, a mask having a pattern of a circle having a diameter of 80 탆 and an interval of the circles of 70 탆 was formed ) Was placed on the aluminum current collector coated with the photosensitive liquid, and UV light was irradiated to selectively expose the photosensitive liquid.

현상액을 노광된 알루미늄 집전에 뿌려 노광되지 않은 감광액만을 선택적으로 제거한 후 남아있는 감광액을 100도의 온도에서 15분간 완전히 굳혀 알루미늄 집전체 위에 패턴 형성을 완료하였다.The developing solution was sprayed on the exposed aluminum collector to selectively remove only the unexposed photosensitive liquid, and the remaining photosensitive liquid was completely hardened at a temperature of 100 degrees for 15 minutes to complete pattern formation on the aluminum current collector.

15g/l의 Al이온과 1M의 염산과 2M의 황산을 첨가하여 1차 엣칭 전해액을 제조한 후 두 개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 감광액으로 패턴이 형성된 알루미늄 집전체를 그 사이에 위치하도록 하여 교류 전원을 인가하였다.15 g / l of Al ions, 1 M hydrochloric acid and 2 M sulfuric acid were added to prepare a first etched electrolytic solution. Two carbon plates were used as respective counter electrodes, and an aluminum current collector patterned with a photosensitive liquid was placed therebetween, Power was applied.

교류 전원의 주파수는 50㎐, 전류밀도는 3A/㎠이고 온도는 45℃인 전해액에서 50초 동안 알루미늄 집전체를 1차로 엣칭한 후 엣칭된 알루미늄 집전체를 증류수로 세척하고, 아세톤으로 집전체 표면에 남아 있는 감광액을 모두 제거한 후 150도 온도에서 2분간 건조시켰다.The aluminum current collector was firstly etched in an electrolytic solution having an AC power source frequency of 50 Hz, a current density of 3 A / cm 2 and a temperature of 45 ° C. for 50 seconds, and the aluminum current collector thus etched was washed with distilled water. Was removed and dried at 150 DEG C for 2 minutes.

10g/l의 Al 이온과 120g/l의 Cl 이온, 그리고 20g/l의 SO4 이온을 첨가하여 2차 엣칭 전해액을 제조한 후 두 개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 1차 엣칭을 실시한 알루미늄 집전체를 그 사이에 위치하도록 하여 교류 전원을 인가하였다.An aluminum electrolytic solution prepared by adding 10 g / l of Al ions, 120 g / l of Cl ions and 20 g / l of SO 4 ions to the second etching electrolyte, and then subjecting the two carbon plates to respective counter electrodes and subjected to the first etching, And an AC power source was applied so as to be positioned therebetween.

교류 전원의 주파수는 30Hz, 전류밀도는 1A/㎠이고 45의 전해액 온도에서 45초 동안 알루미늄 집전체를 2차 엣칭을 실시하였다.The frequency of the AC power source was 30 Hz, the current density was 1 A / cm 2, and the aluminum current collector was subjected to the secondary etching for 45 seconds at the electrolyte temperature of 45.

2차 엣칭된 알루미늄 집전체를 증류수로 세척하고 125도의 온도에서 10분간 건조 시켰다.The secondary etched aluminum current collector was washed with distilled water and dried at 125 DEG C for 10 minutes.

상기와 같이 하여 입체 패턴 표면 구조를 갖는 알루미늄 집전체를 도 1에 나타내었다.An aluminum current collector having a three-dimensional pattern surface structure as described above is shown in Fig.

[실시예 2] 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체를 적용한 초고용량 커패시터의 제조[Example 2] Fabrication of an ultra-high capacity capacitor using an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure

교반 용기에 활성탄( 비표면적 2,100m2/g) 80g, 카본블랙 20g, 바인더 4g을 첨가한 후 교반기를 사용하여 30분간 교반 후 순수 200g을 넣고 200분간 다시 교반하고 순수 100g과 바인더 4g을 넣고 200분간 추가로 교반하는 것으로 슬러리를 제조하였다.After adding 80 g of activated carbon (specific surface area: 2,100 m2 / g), 20 g of carbon black and 4 g of binder, stirring was carried out for 30 minutes using a stirrer, then 200 g of pure water was added and stirred for 200 minutes. 100 g of pure water and 4 g of binder were added, The slurry was prepared by further stirring.

포토레지스트를 이용하여 제조한 입체 패턴 구조를 갖는 알루미늄 집전체 위에 상기 슬러리를 0.6g/㎤로 코팅하여 전극을 제조하였다.The slurry was coated at 0.6 g / cm 3 on an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure manufactured by using a photoresist to prepare an electrode.

상기 전극을 70℃에서 20분간 1차 건조를 한 후 100℃에서 240분간 2차 건조를 실시하였다.The electrode was subjected to primary drying at 70 ° C for 20 minutes and then secondary drying at 100 ° C for 240 minutes.

건조가 완료된 전극을 3.5cmㅧ4.5cm(15.75㎠)의 크기로 잘라 2매를 준비하고 상기에서 제조된 전극 1매 → 전해지 → 상기에서 준비된 전극의 나머지 1매의 순서로 적층한 후 리드 탭을 내고 알루미늄 파우치로 외장을 실시하였다.The dried electrode was cut to a size of 3.5 cm × 4.5 cm (15.75 cm 2), and two sheets were prepared. One electrode prepared in the above-described manner, the electrolytic solution, and the remaining one electrode prepared above were laminated in this order. And an aluminum pouch was put on the outside.

파우치 안으로 전해액(1M TEABF4/ACN)을 넣고 진공 함침한 후 밀봉을 하여 초고용량 커패시터를 제조하였다.Electrolyte (1M TEABF4 / ACN) was put into the pouch, vacuum impregnated, and sealed to prepare a supercapacitor.

[비교예][Comparative Example]

교반 용기에 활성탄( 비표면적 2,100m2/g) 80g, 카본블랙 20g, 바인더 4g을 첨가한 후 교반기를 사용하여 30분간 교반 후 순수 200g을 넣고 200분간 다시 교반하고 순수 100g과 바인더 4g을 넣고 200분간 추가로 교반하는 것으로 슬러리를 제조하였다.After adding 80 g of activated carbon (specific surface area: 2,100 m2 / g), 20 g of carbon black and 4 g of binder, stirring was carried out for 30 minutes using a stirrer, then 200 g of pure water was added and stirred for 200 minutes. 100 g of pure water and 4 g of binder were added, The slurry was prepared by further stirring.

일반적으로 시중에서 판매하는 EDLC용 알루미늄 집전체 위에 상기 슬러리를 0.6g/㎤로 코팅하여 전극을 제조하였다.In general, the slurry was coated at 0.6 g / cm 3 on an aluminum current collector for EDLC sold in the market to prepare an electrode.

상기 전극을 70℃에서 20분간 1차 건조를 한 후 100℃에서 240분간 2차 건조를 실시하였다.The electrode was subjected to primary drying at 70 ° C for 20 minutes and then secondary drying at 100 ° C for 240 minutes.

건조가 완료된 전극을 3.5cmㅧ4.5cm(15.75㎠)의 크기로 잘라 2매를 준비하고 상기에서 제조된 전극 1매 → 전해지 → 상기에서 준비된 전극의 나머지 1매의 순서로 적층한 후 리드 탭을 내고 알루미늄 파우치로 외장을 실시한다.The dried electrode was cut to a size of 3.5 cm × 4.5 cm (15.75 cm 2), and two sheets were prepared. One electrode prepared in the above-described manner, the electrolytic solution, and the remaining one electrode prepared above were laminated in this order. Exterior is carried out with aluminum pouch.

파우치 안으로 전해액(1M TEABF4/ACN)을 넣고 진공 함침한 후 밀봉을 하여 초고용량 커패시터를 제조하였다.Electrolyte (1M TEABF4 / ACN) was put into the pouch, vacuum impregnated, and sealed to prepare a supercapacitor.

[평가예][Evaluation example]

실시예와 비교예에서 제조한 초고용량 커패시터를 모두 15.75mA의 정전류, 2.7V의 정전압 충전을 수행하여 30분간 유지 후 정전류(15.75mA)로 방전하였다.All of the ultra-high capacity capacitors prepared in Examples and Comparative Examples were charged at a constant current of 15.75 mA and a constant voltage of 2.7 V, maintained for 30 minutes, and then discharged at a constant current (15.75 mA).

상기의 조건으로 용량을 측정하였으며 그 결과는 표 1과 같다.The capacity was measured under the above conditions. The results are shown in Table 1.

구 분division 실시예Example 비교예Comparative Example 용량(F)Capacity (F) 3.563.56 2.752.75

상기 표에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 의하면 초고용량 커패시터를 제공할 수 있는 알루미늄 집전체를 제공하게 된다.As can be seen from the above table, the present invention provides an aluminum current collector capable of providing an ultra-high capacity capacitor.

10 : 활물질
20 : 패턴 엣칭된 알미늄 집전체
30 : 전해지
40 : 패턴 엣칭된 알미늄 집전체를 적용한 음전극
50 : 패턴 엣칭된 알미늄 집전체를 적용한 양전극
10: active material
20: pattern-etched aluminum collector
30: Tell me where
40: Negative electrode with patterned aluminum collector
50: Positive electrode with patterned aluminum collector

Claims (1)

알루미늄박 집전체를 세척한 후 질소로 건조하는 단계(S1);
상기 건조된 알루미늄박 집전체 표면 위에 감광액을 도포한 후 건조하여 감광액이 선택적으로 노광되게 하여 경화시키는 단계(S2);
상기단계(S2)후 현상액을 노광된 알루미늄 집전체에 뿌려 노광되지 않은 감광액을 선택적으로 제거한 후 남은 감광액을 완전히 경화시켜 알루미늄 집전체 위에 패턴을 형성을 완료 시키는 단계(S3);
두개의 탄소판을 각각의 대극으로 하고 패턴이 형성된 알루미늄박 집전체를 두 탄소판 사이에 위치시켜 교류전원을 인가하고 전해액에서 알루미늄 집전체를 1차 에칭하는 단계(S4);
에칭된 알루미늄 집전체를 건조시키는 단계(S5);
상기단계(S5)후 두개의 탄소판을 대극으로 하고 1차에칭 후 건조된 알루미늄 집전체를 양 대극사이에 위치시켜 2차 에칭하는 단계(S6);
2차 에칭된 알루미늄박을 세척 후 건조시키는 단계(S7); 그리고 집전체 표면에 전도성 물질을 코팅하는 단계(S8)을 포함하는 입체패턴구조를 갖는 알루미늄 집전체의 제조방법으로서, 상기단계(S1)에서의 알루미늄박은 순도가 99.00~99.99%이며 두께가 10~100㎛임을 특징으로 하는 입체패턴구조를 갖는 알루미늄 집전체의 제조방법.
Washing the aluminum foil collector and drying it with nitrogen (S1);
(S2) applying a photosensitive liquid onto the surface of the dried aluminum foil current collector and then drying to selectively expose and cure the photosensitive liquid;
After the step S2, the developer is sprayed on the exposed aluminum current collector to selectively remove the unexposed photoresist, and then the remaining photoresist is completely cured to complete the pattern formation on the aluminum current collector (S3);
(S4) of placing an aluminum foil current collector having two patterned carbon plates as respective counter electrodes, placing an aluminum foil current collector between two carbon plates, applying an AC power source, and firstly etching an aluminum current collector in an electrolytic solution;
Drying the etched aluminum current collector (S5);
A step (S6) of performing secondary etching using the two carbon plates as the counter electrode after the step (S5) and placing the aluminum current collector after the first etching between the opposite electrodes;
Washing and drying the secondary etched aluminum foil (S7); And a step (S8) of coating a conductive material on the surface of the current collector, wherein the aluminum foil in the step (S1) has a purity of 99.00 to 99.99% 100 占 퐉. A method for producing an aluminum current collector having a three-dimensional pattern structure.
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