KR20160084171A - 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법 - Google Patents

신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160084171A
KR20160084171A KR1020150000745A KR20150000745A KR20160084171A KR 20160084171 A KR20160084171 A KR 20160084171A KR 1020150000745 A KR1020150000745 A KR 1020150000745A KR 20150000745 A KR20150000745 A KR 20150000745A KR 20160084171 A KR20160084171 A KR 20160084171A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gel electrolyte
supercapacitor
pdms
stretchable
microstructure
Prior art date
Application number
KR1020150000745A
Other languages
English (en)
Inventor
김웅
이지호
김원빈
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020150000745A priority Critical patent/KR20160084171A/ko
Publication of KR20160084171A publication Critical patent/KR20160084171A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/58—Liquid electrolytes
    • H01G11/62—Liquid electrolytes characterised by the solute, e.g. salts, anions or cations therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 넓은 작동전압범위를 갖는 신축성을 갖는 슈퍼커패시터에 적용가능한 고체 젤 전해질에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고체 젤 전해질은 대기 중에서 굳지 않고 안정적이며 수십 번의 인장 변형에 탄성적으로 반응하는 신축성을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 고체 젤 전해질을 적용한 신축성 슈퍼커패시터는 3 V까지 반복적으로 충전/방전시킬 수 있으며, 동급의 전극을 사용한 수계 젤 전해질의 신축성 슈퍼커패시터에 비해 에너지 밀도가 10배 가까이 향상되는 효과를 제공할 수 있다

Description

신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법{ A stretchable supercapacitor with stretchable polymeric gel electrolyte and its fabrication method}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것이며, 구체적으로, 신축성을 갖는 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 신축성 슈퍼커패시터는 외부의 힘에 의해 변형이 가능하며, 원래 상태로 탄성적으로 복원되는 웨어러블 전자기기의 부품으로 적용될 수 있다.
신축성 전자기기(stretchable electronics)는 착용형 전자기기(wearable electronics), 이식형 의료기기(implantable biomedical devices), 또는 연성 로봇 공학(soft robotics) 등 앞으로 널리 활용될 것으로 촉망받는 분야이다. 신축성 전자장치에 요구되는 특성은 외부 응력에 의해 변형할 수 있는 변형 가능성(deformability), 반복적인 변형에도 원래의 형태로 돌아올 수 있는 탄성(elasticity), 그리고 이러한 반복적 탄성 변형을 감당하며 제 기능을 안정적으로 수행할 수 있는 탄성적 기능성(elastic functionality)이다.
초고용량 커패시터라고도 표현되는 슈퍼커패시터 중에서 대표적인 전기 이중층 커패시터(electrical double layer capacitor, EDLC)는, 높은 비표면적의 전극물질과 전해질 사이에 전압이 인가되었을 때 전극표면과 전해질 사이에 전기이중층(electrical double layer)을 형성하며 매우 높은 축전용량을 보이는 것을 대표적인 특징으로 한다. 커패시터가 저장하는 에너지(E)는 다음 식 1에 따라 계산된다.
[식 1]
Figure pat00001

여기서 C는 축적용량, V는 충전상태의 전압을 나타낸다. 일반 커패시터에 비해서 상당히 높은 축전용량을 가지고 있어서, 슈퍼커패시터는 비교적 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또, 배터리에 비해서는 빠른 충전/방전이 가능하며, 이에 따라 출력할 수 있는 파워의 밀도(전력밀도)가 높다. 수십 번의 충전/방전에도 눈에 띄는 에너지 용량 감소를 보이는 배터리에 비해, 슈퍼커패시터는 수천, 수만 번의 충전/방전에도 안정적인 특성을 보인다. 이러한 장점을 가지고 있기에 슈퍼커패시터는 에너지저장장치로서 그만의 입지를 가지고 있다.
한편, 슈퍼커패시터는 배터리에 비교하여 낮은 에너지저장용량을 가진다는 것이 단점으로 여겨지고 있다. 이를 높이기 위해서는 상기 식 1에 따라 높은 축전용량을 가지는 전극물질-전해질 쌍을 개발하는 것도 중요하지만, 작동전압범위(V)의 제곱에 따라 에너지용량이 변화하기 때문에 이를 최대화시키는 것이 매우 중요하다.
대한민국 등록특허 제10-1201942호에서는 이온성 액체 전해질과 실리카 입자를 혼합한 겔 상태의 전해질을 이용하여 3 V까지 작동할 수 있는 슈퍼커패시터를 제작하였다. 작동전압범위를 높임으로써, 기존의 H3PO4-poly(vinyl alcohol) (PVA) 등의 수계 전해질을 이용한 다른 고체형 슈퍼커패시터에 비해 전력밀도가 월등히 높은 특성을 보일 수 있었다. 잡아늘릴 수 있어야하는 신축성 슈퍼커패시터에는 적당한 고체형 전해질의 개발이 더욱 어렵다. 상기 등록특허 제10-1201942호에서의 이온성 액체-실리카 겔 전해질은, 예를 들어 종이와 같이, 접고 펴는 것은 가능할지 몰라도 잡아 늘리기엔 물질의 변형능력이 부족할 수 있다. 이 때문에 종래의 신축성 슈퍼커패시터에 관한 개발은 PVA기반의 수계전해질을 이용하는 데에서 막혀있었다. 이러한 고체형 수계 전해질의 작동전압범위는 0.8 V로 한정되어있기 때문에 에너지밀도가 상대적으로 매우 낮다.
두 가지 이상의 요소들이 결합된 신축성 소자는 반복된 변형에도 제 기능을 유지할 수 있는 충분한 구조적 안정성을 필요로 한다. 각각의 요소들이 변형가능한 물성을 가져야하기도 하거니와 요소들이 결합하고 있는 계면들이 특히, 변형 시에 가해지는 응력을 버틸 수 있어야 한다. 예를 들어, 신축성 슈퍼커패시터는 신축성 전해질 막을 사이에 둔 두 신축성 전극으로 이루어져있다. 인장 변형이 가해졌을 때, 슈퍼커패시터 내의 계면들은 전단응력을 받는다. 충분한 점착력(adhesion)이 받쳐주지 못하면, 이 응력을 견디지 못하고 계면에서 분리(delamination)가 일어난다. 반복된 변형에 제 기능을 안정적으로 수행할 수 있어야 하므로 계면의 점착성은 매우 중요하다.
종래의 신축성 슈퍼커패시터의 전해질은 poly(vinyl alcohol) (PVA)와 황산, 또는 인산을 혼합시킨 젤 형태의 수계 전해질이었다. 이 전해질을 이용하였을 때, 슈퍼커패시터의 작동전압범위는 0.8 V로 매우 제한적이었다. 식 1에 따라 협소한 작동전압범위는 소자의 에너지밀도를 한정시킨다.
PVA 기반 수계 전해질의 문제는 휘발성 요소를 포함한다는 것이다. PVA젤 전해질은 다량의 물을 포함하여 혼합시킨 상태에서 물을 증발시켜 적정한 점도로 만드는 것이다. 그러나 물이 과량 증발할 경우 점도가 너무 높아져 딱딱해져버릴 수 있다. 변형가능한 상태를 유지하여야 하는 신축성 슈퍼커패시터의 전해질로는, 물과 같이 휘발성 요소를 함유하는 것은 바람직하지 않다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들이 예의 연구한 결과, 본 발명은 신축성을 가지고, 휘발성 요소를 함유하지 않으며, 넓은 작동전압범위를 가지는 신축성 슈퍼커패시티에 적용가능한 고체전해질을 개발하는 것을 목적으로 한다.
또한, 신축성을 가지면서 구동전압이 높은 슈퍼커패시를 개발하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일 양태로서, 이온성 액체 전해질과 고분자 공중합체을 포함하는 신축가능한 (stretchable) 비휘발성 (non-volatile)의 고체 젤 전해질을 제공할 수 있다.
상기에서 이온성 액체 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 (EMIM-TFSI)일 수 있고, 상기 고분자 공중합체는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP)일 수 있다.
상기 고체 젤 전해질은 이온성 액체 : 고분자 공중합체의 혼합 부피비율을 30 : 100 내지 40 : 100 인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다른 양태로서, 두 개의 신축성 전극 및 상기 전극 사이에 위치하는 고체 젤전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터를 제공할 수 있다.
상기 신축성 슈퍼커패시티는 전극과 전해질 간의 계면에 미세구조가 도입된 것을 특징으로 한다.
상기 신축성 슈퍼커패시티는 선인장법 (pre-elongation method)을 이용하여 버클링된 구조를 계면미세구조와 중첩시킨 것을 특징으로 한다.
상기 신축성 슈퍼커패시티는 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 위에 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소나노튜브를 차례로 증착한 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또다른 양태로서, 고분자 기판의 표면에 미세구조를 도입함으로서 계면미세구조를 형성하는 신축성 슈퍼커패시터의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기 제조방법은 종이의 미세구조를 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어진 고분자 신축성 기판으로 전사하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조 방법은 PDMS가 경화되기 전의 고분자 혼합물의 표면에 미세구조금형을 부착하는 단계; PDMS를 경화시키는 단계; 및 PDMS로부터 금형을 제거하는 단계를 포함한다.
상기 인장된 신축성 PDMS 기판에, Ti 5 nm, Au 50 nm를 전자빔증착법 (electron-beam evaporation)으로 증착하고, 단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube)를 분산액 상태에서 스프레이 증착한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고체 젤 전해질은 대기 중에서 굳지 않고 안정적이며 수십 번의 인장 변형에 탄성적으로 반응하는 신축성을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 고체 젤 전해질을 적용한 신축성 슈퍼커패시터는 3 V까지 반복적으로 충전/방전시킬 수 있으며, 동급의 전극을 사용한 수계 젤 전해질의 신축성 슈퍼커패시터에 비해 에너지 밀도가 10배 가까이 향상되는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고체 젤 전해질을 적용한 신축성 커패시터는 3000 번의 반복된 인장 변형 이후에도 초기 축전용량(capacitance)의 96%를 유지하며, 구조적 안정성을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 신축성 고분자 기판에 미세구조를 도입함으로써 탄소나노튜브 활물질의 신축성 집전체(current collector)에 대한 점착력(adhesion)이 약 1.5배 향상되는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 선인장법(pre-elongation method)을 통한 신축성 기판 위 박막 재료의 버클링된 구조(buckled structure) 형성하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 버클링된구조와 종이의 표면미세구조가 중첩된 PDMS 전극을 만드는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 버클링된구조와 표면미세구조의 중첩된 전극이 인장함에 따라 보이는 표면 형상의 광학현미경 이미지이다.
도 4는 용해 주조법(solution casting method)를 이용해 고체 젤 전해질과 전극을 결합시켜 슈퍼커패시터 소자를 만드는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터에 대한 (a) 순환 전압-전류 측정 그래프, (b) 정전류 충-방전 측정 그래프, (c) Nyquist plot, 그리고, (d) 인장 변형 반복횟수에 따른 정전용량 측정 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 고체 젤 전해질을 제공한다. 본 발명에 따른 고체 젤 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 (EMIM-TFSI)와 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP) 고분자로 이루어져 있는 젤 상태의 전해질이다. 본 발명에 따른 젤 전해질은 기존의 수용성 기반 젤 전해질이 휘발하면서 젤 전해질이 제대로 작동하지 않고 하루 정도면 대부분 말라서 사용할 수 없는데 반해, 휘발성이 매우 낮아 오랫동안 사용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 고체 젤 전해질은 신축성을 갖는 수퍼커패시터에 적용시 젤 제작 과정에서 탄소나노튜브가 밑에 있는 금속층으로부터 분리되기 때문에, 바로 적용할 수 없다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명은 미세구조를 도입함으로써 탄소나노튜브와 금속의 점착 특성이 향상됨으로써 내구성이 강한 신축성 수퍼커패시터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 신축성 슈퍼커패시터에 관한 것으로서, 탄소나노튜브, 폴리디메틸실록산(PDMS) 고분자, 전자빔 증착된 티타늄(Ti)/금(Au)으로 이루어진 두 전극과 고체 젤 전해질을 포함한다. 상기 고체 젤 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 (EMIM-TFSI)와 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP) 고분자로 이루어져 있는 젤 상태의 전해질이다.
본 발명에 적용되는 신축성 기판은 PDMS의 전구물(base)과 경화제(curing agent)의 혼합, 그리고 고온 상태에서의 경화 과정으로 준비된다. 표면미세구조를 도입하기 위해서 전구물과 경화제가 혼합된 점액상태에서 표면에 일반 사무용 종이를 부착하여 경화시킨다. 경화가 완료된 후 종이를 떼어내면 표면에 미세구조를 가진 PDMS 기판이 남는다.
구체적으로 설명하자면, (i) PDMS의 전구물(base)과 경화제(curing agent)를 혼합하는 단계; (ii) 상기 전구물과 경화제가 혼합된 점액상태의 표면에 종이를 부착시킨 후 경화하는 단계; (iii) 경화가 완료된 후 종이를 박리하는 단계; (iv) PDMS를 적정크기로 절개하는 단계; (v) PDMS기판을 어느정도 인장시킨 상태에서 고정하는 단계; (vi) 상기 고정된 PDMS 기판에 전도성 Ti/Au 층을 전자빔 증착하는 단계를 포함한다. 상기에서 전도성 금속층과 PDMS 사이의 계면의 결합을 강화하기 위해서 자외선-오존 (UV-Ozone)처리가 전자빔 증착 단계 전에 이루어 질 수 있다. 금속층의 증착 이후 인장을 해제하면 PDMS의 복원력에 의해 수축하면서 버클링된 구조가 형성된다.
본 발명에서는 버클링된 구조(buckled structure)의 신축가능한 집전체(current collector)를 만들기 위해서는 선인장법(pre-elongation method)을 이용한다. 신축성 기판에 강성 전자재료를 결합하여 신축성 전자소자를 만드는 기술 중에 대표적인 것이 버클링된 구조(buckled structure)를 형성하는 것이다. 버클링 구조는, 일종의 주름 잡힌 구조와 같다고 보면 된다(도 1) 버클링된 구조를 형성하는 방법으로는 선인장법(pre-elongation method)이 널리 이용되어 왔다. 미리 인장시킨 신축성 기판 표면에 비신축성 재료를 코팅시키고 인장응력을 제거시키면, 신축성 기판의 복원력에 의해 기판이 수축된다. 이때, 코팅된 비신축성 재료의 박막은 '주름(wrinkles)'과 같은 표면구조를 형성하며 기판의 수축에 적응한다. 주름과 같은 이러한 표면 구조를 '버클링된 구조(buckled structure)'라고 하며, 미리 인장시킨 신축성 기판의 복원력을 이용해 버클링된 구조를 형성하는 기법을 선인장법이라고 한다. 이렇게 형성된 주름은 신축성 기판이 늘어날 때 함께 펴진다. 기판이 다시 수축할 때, 다시 주름이 잡힌다. 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 신축성 기판에 금(gold)와 같은 전도성 재료의 버클링된 구조를 형성시키면, 인장변형과 탄성복원에 대해 주름이 가역적으로 펴짐과 잡힘을 반복하며 전도성을 유지하는 신축성 전도체로서의 역할을 수행할 수 있다. 필요에 따라 다른 기능성 물질을 코팅하면서 용도에 맞게 적용할 수 있다. 본 발명에서는 이와같은 선인장법을 이용하여 생성시킨 버클링된 gold/PDMS 전도체를 신축성 슈퍼커패시터의 집전체로 이용한다.
또한, 본 발명은 고분자 기판의 표면에 미세구조를 도입함으로서 계면 미세구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터의 제조 방법을 제공한다.
구체적으로 설명하자면, PDMS기판을 어느정도 인장시킨 상태에서 고정하여 놓는다. 이 상태에서 전도성 Ti/Au 층을 전자빔 증착한다. 이 때, 전도성 금속층과 PDMS 사이의 계면의 결합을 강화하기 위해서 자외선-오존 (UV-Ozone)처리가 전자빔 증착 전에 이루어진다. 금속층의 증착 이후 인장을 해제하면 PDMS의 복원력에 의해 수축하면서 버클링된 구조가 형성된다.
본 발명의 수퍼커패시터에서 활물질인 탄소나노튜브는 액상에서 스프레이 기법을 이용하여 전도체 표면에 올린다. 탄소나노튜브 잉크는 단일벽 탄소나노튜브　（Single-walled carbon nanotube)와 계면활성제인 소듐도데실벤젠설포네이트 (SDBS)가 증류수에 분산된 액체이다. 탄소나노튜브 층도 버클링 구조로 전면적에 골고루 증착되도록 금속층과 마찬가지로 인장된 상태에서 스프레이를 실시한다.
본 발명에 따른 고체 젤 전해질은 용해 주조법 (solution casting method)를 이용하여 제조한다. 아세톤 용매에 이온성 액체전해질과 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP) 고분자를 용해시킨다. 이 상태에서 충분한 시간 동안 교반하면 균질의 용액이 된다. 이 용액에서 용매인 아세톤이 증발하면 고체전해질 막이 남게 된다.
신축성 셀을 만들 때에는 두 신축성 전극 표면에 고체전해질 용액을 용해 주조함으로써 고체 전해질 층을 형성시킨 다음, 양 전극 활물질 층이 마주보도록 두 전해질 층을 부착시킨 상태에서 한번 더 용해 주조하여 굳히면 신축성 슈퍼커패시터 소자가 완성된다.
이하, 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예]
[제조예 1]
PDMS에 인쇄용 사무용지의 표면미세구조 전사
PDMS (Dow Corning, Sylgard 184)의 수지(base)와 경화제(curing agent)를 10:1 부피비율로 섞은 뒤, 발생한 기포를 밀봉 건조 용기(desiccator)와 진공 펌프를 이용하여 제거하였다. 기포가 제거된 점액 상태의 PDMS 혼합액을 원하는 용기에 붓고, 알맞은 크기로 잘라둔 인쇄용 사무용지를 표면에 부착하였다. 이것을 65 ℃ 전열기 위에 놓고 10시간 동안 경화시켰다. 경화된 PDMS 위의 인쇄용 사무용지는 실험용 족집게(tweezer)를 이용하여 간단히 떼어낼 수 있었다. 분리된 후 PDMS의 표면에는 미세구조가 전사되어 있었다.
[제조예 2]
선인장법을 통한 버클링된구조의 전도체 박막 형성
신축성 PDMS 기판을 원하는 크기(50 mm×10 mm)로 자른 뒤, 원하는 만큼 (~60 %) 늘린 상태로 고정 도구(슬라이드 글라스와 금속 클립)를 이용하여 늘어난 상태로 고정하였다. 늘어난 상태의 PDMS 표면에 원하는 세척 공정과 화학처리 공정(자외선/오존 세정)을 처리한 후, E-beam evaporator를 이용하여 타이타늄 5 nm와 금 50 nm를 순차적으로 증착하였다. 그 후에 인장 고정 장치를 제거하면 PDMS의 탄성 복원력에 의해 금속 박막의 버클링된 구조가 형성된다. (도 2, 3)
[제조예 3]
단일벽 탄소나노튜브 잉크의 제작과 분사(spray) 코팅을 통한 CNT 전극의 제작
단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Sigma Aldrich) 20 mg, sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) 계면활성제 20 mg, 그리고 증류수 20 ml를 30 ml 용량의 바이알 용기에 담을 후, 초음파 분해(bath sonication, bar sonication)를 통해 SWCNT를 분산시켰다. 이를 시중의 에어브러시(Style X, X-3)를 이용하여 상기의 인장된 상태의 PDMS/Ti/Au 기판 표면에 분사하였다. 이 때, 잉크의 증발을 가속화시키기 위해 약간의 고온(~80 ℃)에서 진행하였다. 적정량의 잉크를 코팅한 후, 인장 고정 장치를 제거하면 버클링된 구조의 신축성 CNT 전극이 만들어진다.
[제조예 4]
고체 젤 전해질 용액 준비
슈퍼커패시터 소자를 조립할 때에 이용할 용해주조법(solution casting method)을 행하기 위해 고체 젤 전해질은 휘발성 유기용매에 용해시킨 상태로 준비하였다. 우선, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMIM-TFSI) 이온성 액체 500 μl와 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) 공중합체 0.3265 g을 아세톤(acetone) 11 ml에 30 ml용량 바이알용기에 넣고 교반 자석을 이용하여 1시간 가량 교반하였다. 이 후, 균질하고 투명한 용액이 되었다.
[제조예 5]
용해주조법을 통한 전극 위의 고체 젤 전해질 층 형성과 슈퍼커패시터 조립
상기 고체 젤 전해질 용액은 상기 CNT 전극의 표면에 가해졌을 때, 휘발성 유기용매인 아세톤이 증발하고 신축성 고체 젤 전해질이 남게된다. 또, 고체 젤 전해질 층이 입혀진 두 개의 CNT 전극을 서로 마주보게 접착시키면 슈퍼커패시터 소자가 만들어진다. 이 때, 고체 젤 전해질 용액을 그 사이에 한 번 더 가해주고 증발을 시키면 두 전극이 맞붙게 된다. 이 과정은 도면에 나타내었다. (도 4)

Claims (12)

  1. 이온성 액체 전해질과 고분자 공중합체로 이루어진 신축 가능한 (stretchable), 비휘발성 (non-volatile)의 고분자 젤 전해질.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체 전해질은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 (EMIM-TFSI)인 것을 특징으로 하는 고분자 젤 전해질.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고분자 공중합체는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 젤 전해질.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고분자 젤 전해질은 상기 이온성 액체 전해질: 상기 고분자 공중합체의 혼합 부피비율을 30 : 100 내지 40 : 100 인 것을 특징으로 하는 고분자 젤 전해질.
  5. 두 개의 신축성 전극 및 상기 전극 사이에 위치하는 제1항의 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전극과 상기 전해질 간의 계면에 미세구조가 도입된 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 미세구조는 선인장법 (pre-elongation method)을 이용하여 버클링된 구조와 중첩시킨 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 슈퍼커패시티는 폴리디메틸실록산(PDMS) 기판 위에 티타늄(Ti), 금(Au) 및 탄소나노튜브를 차례로 증착한 구조인 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터.
  9. 제5항에 있어서, 상기 신축성 슈퍼커패시터의 전압 작동범위는 3V까지 달성되는 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터.
  10. 고분자 기판의 표면에 미세구조를 도입함으로서 기판과 고체 젤 전해질간의 계면에 미세구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 일반 사무용 종이의 미세구조를 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 이루어진 고분자 신축성 기판으로 전사하는 것을 특징으로 하는 신축성 슈퍼커패시터의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 PDMS가 경화되기 전의 고분자 혼합물의 표면에 미세구조 금형을 부착하는 단계; PDMS를 경화시키는 단계; 및 PDMS로부터 금형을 제거하는 단계를 포함하는 신축성 슈퍼커패시터의 제조방법.



KR1020150000745A 2015-01-05 2015-01-05 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법 KR20160084171A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150000745A KR20160084171A (ko) 2015-01-05 2015-01-05 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150000745A KR20160084171A (ko) 2015-01-05 2015-01-05 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160084171A true KR20160084171A (ko) 2016-07-13

Family

ID=56505564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150000745A KR20160084171A (ko) 2015-01-05 2015-01-05 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160084171A (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180069990A (ko) * 2016-12-15 2018-06-26 연세대학교 산학협력단 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조방법
KR20180099958A (ko) * 2017-02-27 2018-09-06 연세대학교 산학협력단 시각화 압력 센서 및 이의 제조 방법
KR20190050595A (ko) * 2017-11-03 2019-05-13 인하대학교 산학협력단 물리 가교된 이온성 젤 및 이의 제조방법
EP3545571A4 (en) * 2016-11-24 2020-07-15 Nanyang Technological University EXPANDABLE ELECTRODE AND METHOD FOR SHAPING THEREOF
KR20200095079A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 포항공과대학교 산학협력단 미세섬유 네트워크 복합유연기판, 그를 포함하는 복합유연전극 및 그의 제조방법
WO2023027640A3 (en) * 2021-08-26 2023-04-27 Nanyang Technological University Binder-free stretchable interconnect
US11923140B2 (en) * 2020-04-08 2024-03-05 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Carbon-metal oxide composite electrode for a supercapacitor and method of making a carbon-metal oxide composite electrode

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3545571A4 (en) * 2016-11-24 2020-07-15 Nanyang Technological University EXPANDABLE ELECTRODE AND METHOD FOR SHAPING THEREOF
KR20180069990A (ko) * 2016-12-15 2018-06-26 연세대학교 산학협력단 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조방법
KR20180099958A (ko) * 2017-02-27 2018-09-06 연세대학교 산학협력단 시각화 압력 센서 및 이의 제조 방법
KR20190050595A (ko) * 2017-11-03 2019-05-13 인하대학교 산학협력단 물리 가교된 이온성 젤 및 이의 제조방법
KR20200095079A (ko) * 2019-01-31 2020-08-10 포항공과대학교 산학협력단 미세섬유 네트워크 복합유연기판, 그를 포함하는 복합유연전극 및 그의 제조방법
US11923140B2 (en) * 2020-04-08 2024-03-05 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Carbon-metal oxide composite electrode for a supercapacitor and method of making a carbon-metal oxide composite electrode
WO2023027640A3 (en) * 2021-08-26 2023-04-27 Nanyang Technological University Binder-free stretchable interconnect

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160084171A (ko) 신축성 고분자 젤 전해질을 포함하는 신축성 슈퍼커패시터와 이의 제조방법
Liu et al. Ultraflexible in-plane micro-supercapacitors by direct printing of solution-processable electrochemically exfoliated graphene
Ge et al. A robust free-standing MoS2/poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) film for supercapacitor applications
Yuksel et al. Transparent and flexible supercapacitors with single walled carbon nanotube thin film electrodes
Li et al. High-voltage flexible microsupercapacitors based on laser-induced graphene
Lee et al. Stretchable carbon nanotube/ion–gel supercapacitors with high durability realized through interfacial microroughness
US10984962B2 (en) Sensor and supercapacitor based on graphene polypyrrole 3D porous structure, and integrated device including the same
Wang et al. 3D-printed interdigitated graphene framework as superior support of metal oxide nanostructures for remarkable micro-pseudocapacitors
US20080212261A1 (en) Energy storage devices and composite articles associated with the same
US20200299466A1 (en) Pure conducting polymer hydrogel and hydrogel precursor materials having extraordinary electrical, mechanical and swelling properties and methods of making
Nikiforidis et al. A self-standing organic supercapacitor to power bioelectronic devices
US9691557B2 (en) Free-standing hybrid nanomembrane as energy storage electrode and the fabrication method thereof
CN105428082B (zh) 基于氮掺杂碳纳米管阵列/聚氨酯复合电极的可拉伸超级电容器及其制备方法
Dousti et al. A high energy density 2D microsupercapacitor based on an interconnected network of a horizontally aligned carbon nanotube sheet
Chaney et al. Fully printed, high‐temperature micro‐supercapacitor arrays enabled by a hexagonal boron nitride ionogel electrolyte
Nargatti et al. Graphene-Based Inks for Flexible Supercapacitor Electrodes: A Review
CN105977038A (zh) 一种具有多孔结构的可拉伸超级电容器及其制备方法
Song et al. A printed highly stretchable supercapacitor by a combination of carbon ink and polymer network
Ma et al. A paper-like micro-supercapacitor with patterned buckypaper electrodes using a novel vacuum filtration technique
WO2018040070A1 (en) Micro-supercapacitor array for integrated wearable electronic system and integrated wearable electronic system comprising the same
KR101764968B1 (ko) 유연 슈퍼커패시터의 제조 방법
KR101561959B1 (ko) 패턴된 증착 그래핀을 이용한 전고체상 휘어짐 가능한 수퍼커패시터 및 그 제조 방법
US20210095101A1 (en) Electronic device with self-healing properties
US20210005400A1 (en) Stretchable supercapacitors with vertically-aligned embedded carbon nanotubes
Zhang et al. Flexible supercapacitors consisting of vertically aligned carbon nanotubes on PDMS

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application