KR20160074189A - 축전탈이온전극의 적층구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한쌍으로 최외각에 구성되며 집전체와 상기 집전체에 부착되는 탄소전극으로 구성된 외부전극부; 상기 외부전극부 사이에 복수로 구성되되 각각 유로를 형성하도록 이격되며 한쌍의 탄소전극과 탄소전극 사이에 부착되는 집전체로 구성된 복수의 내부전극부; 상기 외부전극부의 각각 집전체에 연결되어 외부전극부의 각각 탄소전극에 양전위 및 음전위를 인가함으로써 내부전극부의 각각 탄소전극에 음전위 및 양전위가 교번으로 대전되도록 하는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조에 관한 것이다.

Description

축전탈이온전극의 적층구조{Layered structure of Capacitive deionization electrode}

본 발명은 축전탈이온 모듈을 구성하는 각각의 전극간 접점을 줄여 적층구조를 단순화시킴으로써 조립이 용이하고 작업효율성을 향상시키며 전극에 전력을 공급하는 외부급전장치의 단순화 및 다양성을 확보하고, 전류효율을 높일 수 있는 축전탈이온전극의 적층구조에 관한 것이다.

우리나라의 경우 용수 부족현상이 심각하여 가용 수자원의 의존도를 줄여 나가면서 하, 폐수 처리수와 같은 고도처리 방류수를 다양한 용도로 재이용하고 지하염수 및 해수의 탈염을 통한 양질의 음용수 확보, 중금속을 포함한 다양한 이온성 오염물에 의해 오염된 지하수의 처리를 통한 깨끗한 수자원의 확보를 위한 노력을 꾸준히 진행하고 있다. 이를 위해서는 수중의 유기물 뿐만 아니라, 부유성 고형물, 바이러스, 용존 고형물, 난분해성 물질, 냄새, 색도 등을 제거해야 한다. 특히, 물속에 존재하는 다양한 이온성 물질들을 제거하는 탈염(Desalination or Deionization) 기술은 고도 수처리 기술 개발을 위한 필수 요소기술로 그 중요성이 점차 강조되고 있는 실정이다. 현재 상업적으로 개발, 이용되고 있는 탈염기술로는 종래의 증발법(Distillation), 역삼투법(RO: Revers Osmosis), 전기투석법(ED: Electrodialysis), 이온교환법(IEX: Ion exchange) 등이 있으며, 이들 공정들은 기술적으로 검증되어 실제 탈염시설에 많이 적용되고 있다. 그러나 이들 공정은 탈염과정에서 에너지 비용이 높고 막 오염으로 인한 효율 저하 등의 문제점으로 점차 효과적이고 에너지 비용을 줄일 수 있는 새로운 탈염기술에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.

이러한 종래 탈염기술들의 문제점에 기해 새로운 탈염기술로 축전탈이온 반응장치(CDI, Capacitive Deionization)가 제시되는데, 축전탈이온 반응장치는 다공성 탄소전극에 물분해 반응을 유발시키지 않는 미량의 전류(0.1 내지 1.2볼트)를 공급하여 전기적으로 대전된 전극표면에 이온을 흡착, 제거하는 수처리 장치(공정)이다. 상기 축전탈이온 반응장치에서, 음이온은 양전극으로 이동하며, 양이온은 음전극으로 이동하여 흡착된다.

종래기술로서 대한민국 특허등록 제10-1022257호 등에서는 집전체와 일체로 된 탄소전극이 적층되도록 하되 각각의 집전체에 교번으로 양극 및 음극이 형성되도록 각각 전원을 병렬접지 연결하도록 하여 장치의 작동을 수행하도록 하는 기술을 제시한다.

그런데 복수의 집전체에 교번으로 모든 전극을 병렬식으로 전기적 연결을 하는 단극접속은 접지구조가 복잡하여 작업이 용이하지 않을뿐더러 접점의 과다로 인해 조립오차, 부적절 접지 등 기기고장으로 유도될 수 있는 문제가 있다. 또한 예를 들어 이러한 장치를 운용하는데 있어 각각의 집전체에 1.2 볼트(V)의 전압이 인가되도록 모든 전극을 전기적으로 단극 병렬 연결하여 외부 전원공급장치에 연결토록 함에 따라 축전되는 이온농도가 높고 전극의 적층수가 늘어날수록 외부 전원공급장치 용량을 저전압-고전류 사양으로 가져가야 하므로 지속적으로 전극에 낮은 전압을 일정하게 유지하는 것이 용이하지 않고 다수 전극의 병렬연결로 인한 고전류 발생으로 전원공급장치 고장의 원인과 기기효율 및 전류효율을 저하시키는 등 장치의 안정성에 문제가 있다. 또한 1.2 V의 낮은 전압임에도 불구하고 고전류의 사용으로 인해 각종 전원 케이블 및 제어기기 등 부속기기의 사양이 커져야 하며 처리용량에 따라 고전류 사양에 적합한 별도의 전원공급장치 제작으로 인한 장치제작 비용증가의 원인이 되기도 한다.

대한민국 특허등록 2011-1022257호

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 축전탈이온전극 모듈을 구성하는 각각의 전극들에 안정적인 전력 공급과 전류효율을 높이고 다수의 전극을 적층하여 구성하는 단위 모듈 및 스텍 구조를 단순화시킴으로써 조립이 용이하여 작업효율성을 높이며, 기존과 같이 저전압 고전류의 외부 전원공급장치를 이용해 낮은 전압범위에서 전극에 일정한 저전압을 일정하게 공급하고자 함으로써 발생되는 미소전력 제어의 안정성, 고전류량에 따른 부하 안전성과 전류효율 문제와 이에 따른 기기고장의 위험성, 외부 전원공급장치 사양의 제약성 문제를 해소할 수 있는 축전탈이온전극의 접지방식과 적층구조를 제공하고자 함이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제에 의한 축전탈이온전극의 적층구조는 한쌍으로 최외각에 구성되며 집전체와 상기 집전체에 부착되는 탄소전극으로 구성된 외부전극부; 상기 외부전극부 사이에 복수로 구성되되 각각 유로를 형성하도록 이격되며 한쌍의 탄소전극과 탄소전극 사이에 부착되는 집전체로 구성된 복수의 내부전극부; 상기 외부전극부의 각각 집전체에 연결되어 외부전극부의 각각 탄소전극에 양전위 및 음전위를 인가함으로써 내부전극부의 각각 탄소전극에는 직접적인 외부 급전장치와의 접지가 없이도 음전위 및 양전위가 교번으로 대전되도록 하는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이렇게 구성함에 의해 상기 전원부는 상기 외부전극부의 각각 집전체에만 전기적으로 직접 연결되고 각각 내부 탄소전극에는 바이폴라 현상으로 외부전극부와 반대 전위가 대전되도록 하는 복극 접지방법을 이용하여 모든 집전체에 전원부를 전기적으로 병렬 단극접속 연결하는 경우보다 고전압 및 저전류가 인가되도록 하는 것에 특징이 있다.

하나의 예로 상기 외부전극부의 각각 집전체에 상기 전원부가 연결됨에 있어 각각 집전체에는 상기 전원부와 전기적으로 연결되기 위한 접지단이 외측으로 돌출되되 각각의 접지단은 다양한 각도로 돌출되도록 할 수 있다.

하나의 예로 상기 외부전극부 및 상기 내부전극부의 외측을 감싸는 케이싱이 구성되며, 외부전극부의 접지단이 동일방향으로 돌출되는 경우 상부의 접지단에 전기적으로 연결되는 제 1연결봉이 상기 케이싱의 외부로 노출되고, 하부의 접지단에 전기적으로 연결되는 제 2연결봉은 상부의 접지단에 절연링에 의해 관통하여 상기 케이싱의 외부로 노출되어 각각 전원부에 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.

하나의 예로 상기 집전체는, 다공성의 메쉬망에 그라파이트 슬러리가 침지 또는 도포되어 외부전극부에서는 탄소전극 외측에 부착되며, 내부전극부에서는 탄소전극 사이에 부착되도록 할 수 있다.

하나의 예로 상기 탄소전극은 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 것이며, 상기 그라파이트 슬러리는 그라파이트 분말, 수성바인더 및 물을 포함하도록 할 수 있다.

하나의 예로 상기 탄소전극에 있어 유로에 노출면에는 이온교환막이 각각 부착되되 전극슬러리의 경화에 의해 수성바인더와 이온교환막의 결합으로 부착되도록 할 수 있다.

하나의 예로 상기 탄소전극에 있어 유로의 노출면에는 이온선택성 수지코팅층이 도포되되, 상기 이온선택성 수지코팅층은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 이루어지며, 상기 이온선택성 수지분말은 양이온교환기를 가지는 고분자 수지 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지인 것을 특징으로 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 축전탈이온전극의 적층구조는 축전탈이온 모듈을 구성하고 있는 각각 전극간 안정적인 전원공급과 전류효율의 향상 그리고 외부 전원부와 내부전극간의 접지개소를 줄임으로써 모듈 구성의 간소화 및 조립의 용이성이 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 축전탈이온전극의 적층구조는 모듈을 구성하는 모든 전극을 일일이 병렬식 단극접지 방식에 의해 전원부를 연결하는 기존방식에 비해 전원부를 중전압-중전류, 고전압-저전류로 가져갈 수 있으므로 고전류에 따른 과부하발생 등에 의한 기기고장을 줄일 수 있고 전원부, 전선 등 부속기자재의 사양을 안정적인 범위로 유지할 수 있으며, 각각의 전극 및 모듈에 일정한 전압 및 전류가 인가되도록 하는 것이 용이하여 전류효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 기본 예를 나타내는 각각의 개략도이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예를 나타내는 각각의 개략도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 구성인 내부전극부의 분해사시도 및 사시도이고,
도 5는 이온교환막이 부가된 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 6은 이온교환층이 부가된 실시 예를 나타내는 개략도이다.

이하 본 발명의 실시 예들을 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 축전탈이온전극의 적층구조(1)는 도 1a 및 도 1b에서 보는 바와 같이 한쌍으로 최외각에 구성되며 집전체(11)와 상기 집전체(11)에 부착되는 탄소전극(12)으로 구성된 외부전극부(10); 상기 외부전극부(10) 사이에 복수로 구성되되 각각 유로(40)를 형성하도록 이격되며 한쌍의 탄소전극(22)과 탄소전극(22) 사이에 부착되는 집전체(21)로 구성된 복수의 내부전극부(20); 상기 외부전극부(10)의 각각 집전체(11)에 연결되어 외부전극부(10)의 각각 탄소전극(12)에 양전위 및 음전위를 인가함으로써 내부전극부(20)의 각각 탄소전극(22)들이 직접 전위를 인가하지 않아도 내부전극의 양쪽 표면이 전위균형과 안정을 이루기 위해 마주한 외부전극 전위와 반대전하로 음전극 또는 양전극으로 대전되도록 하는 전원부(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 내부전극부(20)에 바이폴라현상에 의한 전위가 형성되도록 외부전극부(10)에만 전원부(30)가 연결되도록 하는 복극접속구조를 가진다.

이를 상세히 설명하면 본 발명은 외부전극부(10)의 각각 집전체(11)에 전원부(30)를 연결하여 도 1a 등에서 보는 바와 같이 상부에 위치한 탄소전극(12)에는 양전위를 인가하고, 하부에 위치한 탄소전극(12)에는 음전위를 인가함으로써 마주하고 있는 내부전극부(20)의 각각 탄소전극(22)에 교번으로 음전위 및 양전위로 대전되도록 하여 각각 유로(40)에서 이온흡착이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명에 의하면 외부전극부(10)의 양 집전체(11)에만 전원부(30)를 전기적으로 연결하면 되므로 모든 양전극은 양전극끼리 음전극은 음전극끼리 접지하는 종래 기술에 비해 접지개소를 획기적으로 줄일 수 있어 모듈 구성의 간소화가 가능하고 조립도 용이하게 되는 것으로 이러한 모듈 간소화 및 조립의 용이에 의해 그만큼 기기 조립, 접지불량에 의한 고장을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 생산성을 높일 수 있게 되는 것이다.

특히 기존 방식에 비해 전원부(30)가 필요에 따라 중전압 및 중전류 또는 고전압 및 저전류를 인가하면 되므로 전원부(30) 선택의 다양성 확보가 가능하다. 또한 기존과 같이 고전류에 따른 모듈간 및 전력 연결부의 전기적 부하 문제를 해소하고 전극에 일정한 전압이 인가되도록 하는 것이 용이하여 기기효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

기존에 적층된 모든 전극(집전체)에 전원부를 전기적으로 연결하는 경우에는 일 예로 10개의 전극을 적층하여 적층구조(모듈)을 형성할 시 각각의 전극에 1.5V의 전류가 공급되고, 이때 각각의 전극은 20A의 전류가 흐른다고 한다면 전원부는 1.5V 및 200A사양이 필요한데 반해, 본 발명의 경우는 15V 및 20A사양이 필요하게 되는 것이다.

즉 기존기술을 적용하는 경우 저전압 및 고전류(1.5V 및 200A)의 사양을 가진 전원부가 필요하여 모든 부품들이 고전류량이 맞추어 용량이 증가되고 저전압 고전류 사양에서 각 전극에 일정 전압(1.5V)을 인가하는 것이 미세조정을 요하는 바, 그 운용이 어렵고 수십에서 수백개의 전극으로 구성되는 모듈내 각각의 전극에 일정 전압인가의 어려움으로 인해 효율이 저하되는 문제가 있는 것이다.

이에 본 발명의 적층구조는 중전압 및 중전류 또는 고접압 및 저전류 사양의 전원부(30)의 사용이 가능하게 되므로 고전류량에 따른 부하 등의 문제를 없앨 수 있으며, 각 전극으로 일정 전압의 인가가 용이하여 기기효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

하기 표 1은 일반 탈염장치에 대한 실험 예로써 250장의 전극으로 구성된 단위모듈에 필요한 전원부의 전압과 전류량을 기존 구조(단극접지)와 본 발명의 구조(복극접지)로 분류하여 표로 나타낸 것이다.

상기 <표 1>에서 보이는 바와 같이 모듈 구성전극을 복극접지시 내부적층 전극수를 조절함으로써 외부전원 접지 개소를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 복극접지수에 따라 적절한 전류용량의 외전원부를 사용함으로써 모듈 및 전체 시스템의 전류효율 및 안정성과 경제성을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명은 도 1a 및 도 1b에서 보는 바와 같이 상기 외부전극부(10)의 각각 집전체(11)에 상기 전원부(30)가 연결됨에 있어 각각 집전체(11)에는 상기 전원부(30)와 전기적으로 연결되기 위한 접지단(111)이 외측으로 돌출되되 각각의 접지단(111)은 다양한 각도로 돌출되도록 할 수 있어 시공현장의 여건 등에 따라 전원부(30)에 의한 전기적 접속이 더욱 용이하도록 하는 것이다.

도 1a에서는 상기 접지단(111)이 반대방향으로 돌출되도록 하는 예를 도시한 것이며, 도 1b는 상기 접지단(111)이 동일방향으로 돌출되도록 하는 예를 도시하고 있는 것이다.

또한 본 발명은 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이 상기 외부전극부(10) 및 상기 내부전극부(20)의 외측을 감싸는 케이싱(50)이 구성되어 케이싱(50) 내부의 외부전극부(10)가 케이싱(50) 외부로 일부가 노출되는 연결봉(60)에 연결되어 상기 전원부(30)가 상기 연결봉(60)에 접지됨으로써 상기 외부전극부(10) 및 상기 내부전극부(20)에 전극이 인가되도록 하는 예를 제시하고 있다.

우선 도 2a는 상기 외부전극부(10) 및 상기 내부전극부(20)가 도 1a에 도시된 바와 같이 배치되어 상기 케이싱(50)에 내재된 예를 도시하고 있다. 이 경우 상부에 위치한 집전체(11)의 접지단(111)에는 제 1연결봉(61)이 전기적으로 연결되어 제 1연결봉(61)이 케이싱(50)의 도면상 상부에 일부가 노출되도록 하며, 하부에 위치한 집전체(11)의 접지단(111)에는 제 2연결봉(62)이 전기적으로 연결되어 제 2연결봉(62)이 케이싱(50)의 도면상 하부에 일부가 노출되도록 하여 전원부(30)에 의해 제 1, 2연결봉(61,62)이 전기적으로 연결되도록 한다.

본 실시 예의 경우 상기에서 언급한 바와 같이 2포인트에서만 연결봉(60)에 의해 케이싱(50) 외부에서 전원부(30)가 전기적으로 연결되도록 하여 접점을 줄이면서 조립이 용이하도록 하는 점은 동일한데 전원부(30)의 연결포인트가 도면상 상,하로 분리되어 전기적 연결이 다소 번잡할 수 있다.

이에 본 발명에서는 도 2b에서 도시하는 실시 예를 제시하고 있다.

본 실시 예의 경우 상기 외부전극부(10) 및 상기 내부전극부(20)가 도 1b에 도시된 바와 같이 배치되어 상기 케이싱(50)에 내재된 예를 도시하고 있다. 즉 외부전극부(10)의 접지단(111)이 동일방향으로 돌출되는 경우 상부의 접지단(111)에 전기적으로 연결되는 제 1연결봉(61)이 도면상 상기 케이싱(50)의 상부로 노출되고, 하부의 접지단(111)에 전기적으로 연결되는 제 2연결봉(62)은 상부의 접지단(111)에 절연링(63)에 의해 관통하여 도면상 상기 케이싱(50)의 상부로 노출되어 각각 노출되는 연결봉(60)이 전원부(30)에 전기적으로 연결되도록 하는 것이다.

본 실시 예의 경우 동일방향에서 전원부(30)의 전기적 연결이 가능하도록 하여 도 2a에서 도시되는 예보다 더욱 용이하게 조립이 가능하도록 하는 것이며, 이 경우 제 2연결봉(62)이 상부의 접지단(111)을 절연링(63)이 게재된 상태에서 관통하도록 하면서 케이싱(50)의 상부로 노출되도록 하여 연결봉(60)이 견고하게 조립이 되도록 함으로써 견고한 적층구조를 제시할 수 있게 되는 것이다.

한편 각각의 집전체(21)는 도 3에 도시된 바와 같이 탄소전극(22)과, 상기 탄소전극(22) 사이에 배치되며 다공성의 메쉬망(211)에 그라파이트 슬러리(212)가 침지 또는 도포되도록 구성됨을 특징으로 한다.

도 3은 내부전극부(20)의 집전체(21)를 도시하나 외부전극부(10)의 집전체(11)도 그 구조는 동일하며 단지 집전체(11)의 내측면에만 탄소전극(12)이 부착되도록 하는 점이 내부전극부(20)와 다르므로 이하에서는 내부전극부(20)를 기준으로 설명한다.

본 발명은 메쉬망(211)에 그라파이트 슬러리(212)가 침지 또는 도포된 상태의 집전체(21) 양면에 탄소전극(22)을 각각 부착시킴으로써 탄소전극(22)과 집전체(21)가 일체로 구성되도록 하여 전극의 두께를 줄일 수 있어 종래 전극과 대비하여 단위 모듈의 구성시 전극의 적층수를 늘릴 수 있으며, 그에 따라 모듈 구성에 있어 같은 용량으로 더 좋은 효율을 제공할 수 있도록 하는 것이다.

또한 이러한 전극의 두께를 줄일 수 있도록 하면서 밀실한 구조가 형성되도록 하기 위해 탄소전극(22)과 집전체(21)는 부착후 압착을 거치도록 할 수 있다.

상기 집전체(21)의 메쉬망(211)은 중심부에 배치되어 내부전극부(20)의 기계적 강도를 증가시키게 된다.

즉, 본 발명에 있어 내부전극부(20)는 상술한 메쉬망(211)을 보강재로 사용하고 이러한 메쉬망(211)에 전도성이 우수한 그라파이트 슬러리(212)를 침지 또는 도포함으로써, 종래 그라파이트 소재로 구성된 집전체와 비교하여 동일한 전도성을 가지면서도 그 기계적 강도와 가공성은 향상되는 효과가 발생되도록 하는 것이며, 슬러리 상태에서 양면에 탄소전극(22)이 부착되도록 하여 일체형의 형성이 용이하도록 하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 그라파이트 슬러리(212)의 조성으로 그라파이트 분말과 수성바인더 및 물을 포함하는 조성을 제시한다. 이는 집전체(21)를 구성함에 있어 수성바인더와 물에 의해 그라파이트 분말을 바인딩하여 유기용매를 사용하지 않아도 되는 친환경적인 집전체(21)를 제공하기 위함이다. 여기서 수성바인더는 하기에서 상세히 설명한다.

상기 탄소전극(22)은 양전극활물질, 수성바인더, 물을 배합한 전극슬러리의 경화에 의해 형성된다.

상기 전극활물질은 비표면적과 전기전도성이 높은 탄소계열의 물질로서, 활성탄소 분말, 활성탄소 섬유, 탄소나노튜브, 탄소에어로겔, 그래핀 등 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며 미세한 분말로 제조하여 사용하는 것이 좋다. 또한 금속 산화물 계열의 물질로서 TiO₂, MnO₂, SiO₂, MgAl₂O₄ 등 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

이러한 전극활물질은 선택되어진 물질에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있으며 평균 입경이 10μm 이하인 것, 보다 구체적으로는 100 nm ~ 10μm를 사용하는 것이 전극슬러리를 제조하는데 편리하고 전극의 성능을 증가시키는데 바람직하다. 또한 전극활물질이 차지하는 비중은 전극슬러리의 고형분 중에서 60 ~ 95중량% 범위를 사용하는 것이 정전용량이 높은 전극을 제조하는데 바람직하다.

또한 전극의 전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 전극슬러리에는 전극활물질과 함께 전도성물질을 더 첨가할 수 있으며 전기전도성이 높고 전기화학반응에 안정적인 물질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면 케첸블랙, 아세틸렌블랙, SRF 카본 등의 전도성 카본블랙과 그래파이트 파우더 등을 사용할 수 있다.

이러한 전도성 물질은 물성에 따라 그 함량 범위를 조절하여 사용할 수 있다. 전극의 정전용량과 전도성을 만족시키기 위해서는 전극활물질 100중량부에 대하여 전도성물질 1 ~ 10 중량부의 범위를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 전도성 물질의 평균 입경은 구체적으로 제한되지는 않으나 평균입경이 1μm 이하인 것, 보다 바람직하게는 10 nm ~ 1μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 전극슬러리의 조성으로서 수성바인더는 수성 에멀젼수지가 사용되는 것이 타당하다. 여기서 수성 에멀젼 수지의 평균 입경을 제한하는 것은 아니나 입경이 10 nm ~ 1μm인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 ~ 100 nm의 마이크로 에멀젼을 사용하는 것이 전극슬러리의 분산과 전극활물질을 결합하는데 좋은 성능을 발휘할 수 있다.

또한, 전극슬러리의 고형물 중에서 수성 에멀젼 수지가 차지하는 비중은 5 ~ 50중량%가 배합되는 것이 바람직하고 더욱 좋게는 10 ~ 30중량%인 것이 바람직하다. 이렇게 배합량을 한정하는 이유는 수성 에멀젼 수지가 5중량% 미만일 경우 전극활물질을 충분히 바인딩하지 못하고 50중량%를 초과하는 경우 바인더의 함량이 많아 전극의 전기저항이 증가하여 전극의 성능이 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.

이러한 수성 에멀젼수지는 초산비밀계 에멀젼수지, 아크릴계 에멀젼수지, 합성고무계 에멀젼수지, 에폭시계 에멀젼수지, 우레탄계 에멀젼수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용됨이 타당하다.

이렇게 전극슬러리를 제조함에 있어 물에 분산되어 있는 수성 에멀젼 수지를 사용함에 따라 유기용매를 사용하지 않고도 전극슬러리를 제조할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 상기 탄소전극(22)은 전극슬러리를 상기 집전체(21)에 도포하여 건조과정에 의해 자동적으로 부착이 되도록 하는 것이며, 건조과정 중 또는 건조과정 후 롤 프레싱(roll pressing) 등에 의해 상기 탄소전극(22)과 상기 집전체(21)가 압착되도록 할 수 있는 바, 압착에 의해 상기 그라파이트 슬러리 및 상기 전극슬러리의 조성이 상호 침투되면서 경화되어 일체가 됨으로써 구조의 치밀성이 향상되도록 할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에는 상기에서 언급한 조성에 더하여 분산제가 첨가되도록 하는 것이 타당하다. 분산제는 triethanolamine oleate, sodium oleate, potasium oleate 등의 음이온성 계면활성제, N-cetyl-N-ethylmorphorinium sulphate 등의 양이온성 계면활성제, oleic acid, sorbitan trioleate, sorbitan monolaurate 등의 비이온성 계면활성제 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 분산제의 사용량은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1 ~ 1중량% 범위가 되도록 하는 것이 바람직한바, 만약 이의 사용량이 0.1 중량% 보다 적으면 분산 효과가 저하되어 바람직하지 못하며 1.0 중량%를 초과하면 분산과정에서 기포가 발생되어 경화후 전극의 내구성이 저하되는 문제가 있어 이와 같이 한정하는 것이다.

그런데 상기 전극슬러리 및 상기 그라파이트 슬러리에 분산제를 첨가하여 전극활물질, 수성바인더 등이 물에 균일하게 분산되도록 하는데는 상기에서 언급한 바와 같이 기포발생, 점성저하 등에 의해 전극의 내구성 저하의 문제가 발생될 수 있는 바, 본 발명에서는 분산과정에서 기포발생을 최저화 하면서 분산후에도 점성 저하에 의해 강도가 저하되는 것을 제어하기 위해 일정 배합범위에서 분산제를 첨가함과 더불어 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 한다.

이러한 물질이 더 배합되도록 하여 슬러리의 점탄성을 향상시킴으로써 분산과정에서 점성을 낮추어 균일한 분산이 이루어지도록 함과 동시에 분산 후 점성이 복원되도록 하여 전극의 강도저하를 방지하도록 하는 것이다.

이러한 조성은 조성물 총량을 기준으로 할 때 0.1~1 중량% 범위로 포함시키도록 하는 것이 바람직한 바, 이는 적절한 점도를 유지하도록 하여 제조가 용이하도록 하면서 강도가 저하되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.

한편 도 5는 이온교환막(23)이 부가된 실시 예를 나타내는 개략도이며, 도 6은 수지코팅층(24)이 부가된 실시 예를 나타내는 개략도이다.

도 5에 도시된 예로서 상기 이온교환막(23)은 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 통상의 합성수지막으로, 이러한 이온교환막(23)은 공지 기술 등을 통해 다양하게 실시될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이러한 이온교환막(23)은 상기 탄소전극(22)의 외면 즉 양극 및 음극의 노출면에 각각 적층되는 것으로, 상기 탄소전극(22)이 가지는 양극 또는 음극의 성질에 따라 선택적으로 양이온교환막 또는 음이온교환막으로 구성될 수 있음은 당연하다.

상기 이온교환막(23)의 두께를 한정하는 것은 아니지만, 이온교환막(23)의 두께는 10 ~ 300μm인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 ~ 50μm 두께의 이온교환막(23)을 사용하는 것이 전극을 제조하는데 용이하고 전극의 전기저항을 줄이는데도 바람직하다.

상기 이온교환막(23)을 탄소전극(22)에 부착시킴에 있어 상기 탄소전극(22)을 형성하는 전극슬러리가 건조전(경화전)에 상기 이온교환막(23)이 안치되도록 한 후에 전극슬러리가 경화과정에 의해 이온교환막(23)이 자동적으로 부착되도록 하는 것이 타당하다.

더욱 바람직하게는 압착에 의해 건조전 전극슬러리와 이온교환막(23) 사이에 밀착이 이루어지도록 한 후에 건조과정을 거쳐 탄소전극(22)이 경화됨과 동시에 이온교환막(23)이 탄소전극에 부착되도록 하는 것이 타당하다.

이는 건조전 탄소전극(22)과 이온교환막(23) 사이에 생길 수 있는 공기방울을 제거하고 완전한 밀착이 이루어지도록 하기 위한 것으로 탄소전극(22)의 건조과정에 의한 이온교환막(23) 부착시 공기방울의 존재에 의한 들뜸 등의 문제를 방지하기 위한 것이다.

또한, 이러한 압착에 의해 전극이 더욱 밀실한 구조를 갖도록 함으로써 강도 등 물성이 향상되도록 하기 위한 것이다.

이러한 압착과정후에 마지막으로 건조에 의해 탄소전극(22)과 이온교환막(23)을 부착시키도록 한다. 건조전(경화전) 탄소전극(22)에 포함된 물을 건조하여 제거함으로써 탄소전극(22)에 있어서 전극활물질과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이며 이와 동시에 이온교환막(23)과 수성바인더가 결합하도록 하는 것이다.

즉 건조과정만으로 탄소전극(22)이 경화되도록 함에 따라 자동적으로 탄소전극(22)과 이온교환막(23)이 부착되어 전극과 이온교환막이 일체형인 복합전극이 제조되는 것이다. 이렇게 제조되는 복합전극은 건조과정만에 의해 제조됨으로써 공정이 단순하고, 별도의 접착공정에 의해 발생될 수 있는 계면저항을 줄일 수 있게 되는 것이다. 이러한 건조과정은 상온 ~ 100℃의 온도 분위기에서 상압 또는 진공 상태에서 전극슬러리의 물이 건조되도록 하는 것이 타당하다.

한편 다른 예로써, 도 6은 상기 탄소전극(22)의 외면 즉 양극 및 음극의 노출면 각각에는 이온선택성 수지코팅층(24)이 도포되도록 구성될 수 있다.

상기 이온선택성 수지코팅층(24)은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 구성됨을 특징으로 하는 바, 도 6에서 보는 바와 같이 이온선택성 수지분말(241)은 물에 난용성으로 구성되어 수성바인더와 물의 혼합물(242)에 의해 이온선택성 수지코팅층(24)에서 입자형태로 노출되도록 존재하게 되는 것이다. 즉 상기 이온선택성 수지분말(24)이 입자형태로 존재함에 따라 이온과 반응면적을 크게 할 수 있으므로 이온흡착 및 탈착효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

본 실시 예의 경우는 이온선택성 수지코팅층(24)이 탄소전극(22)에 도포 또는 압착되어 이온교환막을 사용하지 않음에 따라 접촉저항 등을 줄일 수 있는 장점이 있다.

한편 상기 이온선택성 수지분말(241)의 입도는 상기 수지코팅층(24)과 용액이 흡착평형을 도달하도록 하는데 중요한 역할을 한다. 이온선택성 수지분말(241)의 입도를 작게 할수록 반응면적을 넓힐 수 있어 이온을 선택적으로 흡착시키는데 유리하다. 상기 이온선택성 수지분말(241)의 입도는 40 nm 내지 40 ㎛ 크기가 바람직하다. 또한, 상기 수지코팅층(24)의 두께는 20 내지 120㎛ 범위로 한정하는 것이 전극의 전기저항을 줄이면서 이온흡착효율을 높이는데 바람직하다.

특히 상기 이온선택성 수지분말(241)은 상기 물에 난용성인 것을 특징으로 하는 바, 여기서 난용성이라는 것은 5wt%이하의 용해도인 것으로 정의한다.

상기 이온선택성 수지분말(241)로는 양이온교환기를 가지는 고분자 수지분말 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자수지 분말이 사용됨이 타당하다.

상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 사용함이 타당하고, 음이온 교환기는 4급 암모늄염(-NH3), 1~3급 아민(-NH2, -NHR, -NR2), 4급 포스포니움기(-PR4) 및 3급 술폰니움기(-SR3)로 구성된 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 사용하는 것이 타당하다.

상기 이온선택성 수지분말(241)에 있어 고분자 수지는 그 종류를 한정하지 않으나, 폴리(스티렌-다이비닐벤젠), 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리이서술폰, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리글리시딜메타크릴레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기와 같은 구성의 코팅층(24)은 이온선택성 수지 분말(241) 100 중량부에 대하여 수성바인더 10 내지 400중량부, 물 100 내지 700중량부로 배합됨이 타당하다. 여기서 상기 수성바인더의 용해와 이온선택성 수지분말(241)의 혼합을 위한 물의 첨가량이 100 중량부 미만이 되면 균일하게 혼합되지 않을 수 있으며 700 중량부를 초과되면 수성바인더와 물의 혼합물의 점도가 감소하여 상기 탄소전극(22)에 코팅층(24)의 형성이 용이하지 않은 문제가 있어 이와 같이 한정한다.

또한 상기 코팅층(130)의 경우도 분산제를 첨가함과 더불어 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 히드록시프로필 메틸 셀룰로오스(hydroxypropyl methyl cellulose), 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose) 중 하나 또는 이들의 혼합물이 더 배합되도록 하는 것이 타당하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

10 : 외부전극부 20 : 내부전극부
30 : 전원부 40 : 유로
50 : 케이싱 60 : 연결봉

Claims (6)

1. 한쌍으로 최외각에 구성되며 집전체와 상기 집전체에 부착되는 탄소전극으로 구성된 외부전극부;
   상기 외부전극부 사이에 복수로 구성되되 각각 유로를 형성하도록 이격되며 한쌍의 탄소전극과 탄소전극 사이에 부착되는 집전체로 구성된 복수의 내부전극부;
   상기 외부전극부의 각각 집전체에 연결되어 외부전극부의 각각 탄소전극에 양전위 및 음전위를 인가함으로써 내부전극부의 각각 탄소전극에 음전위 및 양전위가 교번으로 대전되도록 하는 전원부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 외부전극부의 각각 집전체에 상기 전원부가 연결됨에 있어 각각 집전체에는 상기 전원부와 전기적으로 연결되기 위한 접지단이 외측으로 돌출되되 각각의 접지단은 다양한 각도로 돌출되는 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 외부전극부 및 상기 내부전극부의 외측을 감싸는 케이싱이 구성되며, 외부전극부의 접지단이 동일방향으로 돌출되는 경우 상부의 접지단에 전기적으로 연결되는 제 1연결봉이 상기 케이싱의 외부로 노출되고, 하부의 접지단에 전기적으로 연결되는 제 2연결봉은 상부의 접지단에 절연링에 의해 관통하여 상기 케이싱의 외부로 노출되어 각각 전원부에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 집전체는,
   다공성의 메쉬망에 그라파이트 슬러리가 침지 또는 도포되어 외부전극부에서는 탄소전극 외측에 부착되며, 내부전극부에서는 탄소전극 사이에 부착되며, 상기 탄소전극은 수성바인더와, 활성탄소 계열의 전극활물질과, 물을 포함한 전극슬러리의 경화에 의해 형성되는 것이고, 상기 그라파이트 슬러리는 그라파이트 분말, 수성바인더 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 탄소전극에 있어 유로에 노출면에는 이온교환막이 각각 부착되되 전극슬러리의 경화에 의해 수성바인더와 이온교환막의 결합으로 부착됨을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 탄소전극에 있어 유로의 노출면에는 이온선택성 수지코팅층이 도포되되, 상기 이온선택성 수지코팅층은 물, 수성바인더 및 상기 물에 난용성의 이온선택성 수지분말로 이루어지며, 상기 이온선택성 수지분말은 양이온교환기를 가지는 고분자 수지 또는 음이온 교환기를 가지는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 축전탈이온전극의 적층구조.
   
   

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