KR20180062879A - 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
인쇄 전자용 기재 및 이의 제조 방법, 상기 기재를 포함하는 인쇄 전자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 구현예들로, 프라이머 층이 표면에 형성된 기재를 사용하여, 상기 프라이머 층 상에 전자 재료를 인쇄함으로써, 우수한 유연성과 다양한 디자인을 구현하는 기술을 제공한다.
Description
전기 화학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 저장 및 변환 기술에 대한 중요성이 높아지면서, 플렉서블(Flexible) 전지, 웨어러블(Wearble) 전지 등 다양한 형태의 전원에 대한 관심이 크게 증대하고 있다.
이와 관련하여, 상용 리튬 이차 전지의 구성 요소를 개선하는 방식의 연구가 진행되고 있다, 예를 들어, 전극, 분리막, 전해질 등의 소자 구성 요소를 유연성 있는 재료로 대체하되, 통상의 제작 방식을 이용하는 것이다.
그러나, 상용 리튬 이차 전지의 구성 요소를 단순히 유연성 있는 재료로 대체하는 것 만으로는, 그 안정성이 확보되기 어렵고, 나아가 다양한 디자인을 구현하기 어려운 한계가 있다.
본 발명의 구현예들에서는, 프라이머 층이 표면에 형성된 기재를 사용하여, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 양극, 음극, 및 전해질을 인쇄함으로써, 전기 화학 소자의 우수한 유연성과 다양한 디자인을 구현하는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서는, 기재(substrate); 상기 기재 상에 위치하고, 고분자 나노매트(Nanomat)로 이루어진 프라이머 층(primer layer); 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성;을 포함하는 전기 화학 소자를 제공한다.
구체적으로, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 양극 및 음극을 포함하거나, 양극, 음극, 및 전해질을 포함하는 것이다.
보다 구체적으로, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 목적하는 임의의 형태로 구현될 수 있다. 상기 임의의 형태는, 점의 형태, 선의 형태, 면의 형태, 3차원적인 형태, 또는 이들의 조합인 형태는 포함하는 것으로, 글씨, 그림, 또는 이들의 조합인 형태로 구현될 수 있다.
한편, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성에서, 상기 양극 및 상기 음극은 이격적으로 배치될 수 있다. 만약 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성으로 전해질이 포함되는 경우, 상기 이격적으로 배치된 양극 및 음극 사이에 상기 전해질이 위치할 수 있다.
또한, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 상에 위치하는 접착 필름(adhesive film) 층;을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉될 수 있다. 만약 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성의 표면 상에도 전해질이 위치하는 경우, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 및 상기 소자 구성의 표면 상에 위치하는 전해질이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉될 수 있다.
상기 기재의 소재는, 종이(paper), 직물(textile), 플라스틱 (PP, PE, PET 등), 또는 금속 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 기재의 형태는, 판상형, 곡선형, 또는 불규칙한 3차원 형태일 수 있다.
상기 프라이머 층, 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은 각각, 인쇄(printing) 공정에 의해 형성된 것일 수 있다.
상기 프라이머 층은, 두께가 0.01 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다.
상기 프라이머 층에 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 두께가 0.01 내지 500 ㎛인 것일 수 있다. 상기 프라이머 층에 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 내 양극 및 상기 음극의 간극은, 0.01 내지 1000 ㎛인 것일 수 있으며, 상기 간극이 1000 ㎛ 보다 클 경우 전지 성능 저하의 문제가 있을 수 있다.
상기 프라이머 층에 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 내 전해질, 및 프라이머 층에 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 표면의 전해질은, 각각, 가교 고분자 매트릭스; 및 상기 가교 고분자 매트릭스 내 함침된 이온성 액체;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전기 화학 소자는, 리튬 이차 전지, 리튬 설퍼 전지, 리튬 에어 전지, 징크 에어 전지, 마그네슘 이차전지, 또는 수퍼커패시터인 것일 수 있다.
또한, 상기 전기 화학 소자는, 패키징, 사물 인터넷, 또는 스마트 센서의 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계; 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계; 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;를 포함하는, 전기 화학 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;는, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계; 및 상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;에서, 상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에도 계속하여 전해질 잉크를 인쇄하여, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 형성된 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에도 전해질이 형성될 수 있다.
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계; 이후에, 접착 필름(adhesive film)으로 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극, 음극 및 전해질을 밀봉하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계;는, 단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNTs), 활성 카본(activated carbons, ACs), 및 제1 용매를 포함하는 제1 전극 잉크를 인쇄하는 단계; 및 상기 인쇄된 제1 전극 잉크 상에, 은 나노 와이어(Ag Nanowires. Ag NWs) 및 제2 용매를 포함하는 제2 전극 잉크를 인쇄하는 단계;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 전극 잉크의 점도는, 0.01 내지 1000 cP일 수 있다.
상기 제2 전극 잉크의 점도는, 0.01 내지 1000 cP일 수 있다.
상기 전해질 잉크는, 이온성 액체, 광가교 모노머 및 제3 용매를 포함하고, 점도가 0.01 내지 1000 cP일 수 있다.
상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계; 이후에, 상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;에서, 상기 인쇄된 제1 전극 잉크 내 단일벽 카본 나노튜브가 광 흡수(UV light absorb)하여, 상기 인쇄된 제2 전극 잉크 내 은 나노 와이어의 광 소결을 유도함과 동시에, 상기 인쇄된 전해질 잉크 내 광 가교 모노머가 가교 결합되어, 가교 고분자 매트릭스를 형성하는 것일 수 있다.
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;는, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계;는, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계;는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하여, 용매 교환 반응을 유도하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하여, 용매 교환 반응을 유도하는 단계;는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하는 단계; 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 내에서, 용매가 상기 이종 용매로 교환되는 단계; 상기 교환된 이종 용매에 의해, 서로 다른 고분자 나노섬유(Nanofiber)들 사이에 균일한 크기의 기공이 형성되는 단계; 및 상기 교환된 이종 용매가 제거되는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하는 단계;는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 상기 이종 용매를 인쇄하는 것일 수 있다.
상기 분산액을 도포하는 단계; 이전에, 상기 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 상기 용매의 혼합물을 초음파 처리하여, 상기 분산액을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 전기 화학 소자의 우수한 유연성과 다양한 디자인을 구현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제조예 1에서 제조된 고분자 나노섬유 잉크의 농도 별 점도의 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 제조예 1에서 기재로 사용한 A4 용지, 고분자 나노섬유 잉크의 인쇄 직후(용매 교환 반응 전), 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층의 표면에 대해, 각각 촬영된 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)의 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
도 4는, A4 용지 그 자체(a) 및 PET 필름(b) 각각에 대해 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
도 5는, 본 발명의 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)에 대해 물을 떨어뜨리고, 시간에 따른 접촉각 특성을 평가한 것이다. 또한, A4 용지 그 자체 및 PET 필름에 대해서도 동일 조건에서 접촉각 특성을 평가하고, 도 5에 나타내었다.
도 6은, 본 발명의 제조예 2 및 제조비교예 2에서 각각 전자 재료 잉크가 인쇄된 표면에 대해, 각각 촬영된 SEM 사진이다.
도 7은, 본 발명의 제조예 2의 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 8은, 본 발명의 제조예 2 및 제조비교예 2에 대해, 각각 전기 저항을 측정 결과이다.
도 9a는, 본 발명의 제조예 2에서 전극 잉크를 인쇄한 뒤, UV를 조사함에 따라, 카본 나노튜브가 광 흡수 및 열전달 매개체로서, 은 나노와이어의 광소결을 유도하는 매커니즘을 도시한 것이다.
도 9b는, 도 9a의 매커니즘에 따른 광소결 후 실제 이미지이다(삽입 도면: 광소결 전).
도 9c는, 본 발명의 제조예 2에서 전극 잉크를 인쇄한 뒤, UV를 조사하는 시간에 따른 저항 특성을 나타낸 것이다.
도 9d 내지 f는, 본 발명의 제조예 2에서 형성된 패턴에 대한 물리적 평가 결과들이다.
도 10a은, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질에 대해, 전단 속도(shear rate)에 따른 점성(viscosity)을 평가한 결과이다.
도 10b은, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질 인쇄 면적을 평가한 결과이다.
도 10c는, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3에 대해, 각각 전기 저항을 측정한 결과이다.
도 11은, 본 발명의 실시예 1에서 전기 화학 소자를 제조하는 공정을 간략히 도시한 것이다.
도 12a는, 본 발명의 실시예 1 및 2에 대한 충방전 특성 평가 결과이다.
도 12b는, 본 발명의 실시예 1에 대한 수명 특성 평가 결과이다.
도 12c는, 본 발명의 실시예 1에 대해, 1000 회 굽힘 전 및 후의 각 상태에서, 충방전 특성을 평가한 결과이다.
도 13a는, 본 발명의 실시예 3에 따라 "BATTERY(점선으로 표시된 부분)" 글씨 형태로 인쇄된 소자의 이미지이다.
도 13b는, 본 발명의 실시예 4에 따라 태극 문양(점선으로 표시된 부분)의 그림 형태로 인쇄된 소자의 이미지이다.
도 14는, 본 발명의 실시예 5에 따라, 일반 컬러 잉크를 이용하여 한국 지도를 인쇄 후, 검은 부분에 전지를 인쇄하고 LED 소자와 결합하여, 전원이 들어오는 그림을 구현한 이미지이다.
도 15는, 본 발명의 실시예 6에 따라, HOT 및 COLD 모양의 전자 회로와, OR 모양의 4개의 수퍼캐퍼시터(Supercapacitor)가 직렬로 연결된 전지 패턴을 인쇄한 후, 이를 유리컵에 부착하고, 온도감지 센서와 연결하여 물 온도에 따라 작동하는 스마트컵(Smart Cup)을 구현한 이미지이다.
도 2는, 본 발명의 제조예 1에서 기재로 사용한 A4 용지, 고분자 나노섬유 잉크의 인쇄 직후(용매 교환 반응 전), 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층의 표면에 대해, 각각 촬영된 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)의 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
도 4는, A4 용지 그 자체(a) 및 PET 필름(b) 각각에 대해 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
도 5는, 본 발명의 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)에 대해 물을 떨어뜨리고, 시간에 따른 접촉각 특성을 평가한 것이다. 또한, A4 용지 그 자체 및 PET 필름에 대해서도 동일 조건에서 접촉각 특성을 평가하고, 도 5에 나타내었다.
도 6은, 본 발명의 제조예 2 및 제조비교예 2에서 각각 전자 재료 잉크가 인쇄된 표면에 대해, 각각 촬영된 SEM 사진이다.
도 7은, 본 발명의 제조예 2의 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 8은, 본 발명의 제조예 2 및 제조비교예 2에 대해, 각각 전기 저항을 측정 결과이다.
도 9a는, 본 발명의 제조예 2에서 전극 잉크를 인쇄한 뒤, UV를 조사함에 따라, 카본 나노튜브가 광 흡수 및 열전달 매개체로서, 은 나노와이어의 광소결을 유도하는 매커니즘을 도시한 것이다.
도 9b는, 도 9a의 매커니즘에 따른 광소결 후 실제 이미지이다(삽입 도면: 광소결 전).
도 9c는, 본 발명의 제조예 2에서 전극 잉크를 인쇄한 뒤, UV를 조사하는 시간에 따른 저항 특성을 나타낸 것이다.
도 9d 내지 f는, 본 발명의 제조예 2에서 형성된 패턴에 대한 물리적 평가 결과들이다.
도 10a은, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질에 대해, 전단 속도(shear rate)에 따른 점성(viscosity)을 평가한 결과이다.
도 10b은, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질 인쇄 면적을 평가한 결과이다.
도 10c는, 본 발명의 제조예 3 및 제조비교예 3에 대해, 각각 전기 저항을 측정한 결과이다.
도 11은, 본 발명의 실시예 1에서 전기 화학 소자를 제조하는 공정을 간략히 도시한 것이다.
도 12a는, 본 발명의 실시예 1 및 2에 대한 충방전 특성 평가 결과이다.
도 12b는, 본 발명의 실시예 1에 대한 수명 특성 평가 결과이다.
도 12c는, 본 발명의 실시예 1에 대해, 1000 회 굽힘 전 및 후의 각 상태에서, 충방전 특성을 평가한 결과이다.
도 13a는, 본 발명의 실시예 3에 따라 "BATTERY(점선으로 표시된 부분)" 글씨 형태로 인쇄된 소자의 이미지이다.
도 13b는, 본 발명의 실시예 4에 따라 태극 문양(점선으로 표시된 부분)의 그림 형태로 인쇄된 소자의 이미지이다.
도 14는, 본 발명의 실시예 5에 따라, 일반 컬러 잉크를 이용하여 한국 지도를 인쇄 후, 검은 부분에 전지를 인쇄하고 LED 소자와 결합하여, 전원이 들어오는 그림을 구현한 이미지이다.
도 15는, 본 발명의 실시예 6에 따라, HOT 및 COLD 모양의 전자 회로와, OR 모양의 4개의 수퍼캐퍼시터(Supercapacitor)가 직렬로 연결된 전지 패턴을 인쇄한 후, 이를 유리컵에 부착하고, 온도감지 센서와 연결하여 물 온도에 따라 작동하는 스마트컵(Smart Cup)을 구현한 이미지이다.
이하, 본 발명의 구현예들을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
전기 화학 소자
본 발명의 일 구현예에서는, 기재(substrate); 상기 기재 상에 위치하고, 고분자 나노매트(Nanomat)로 이루어진 프라이머 층(primer layer); 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성;을 포함하는 전기 화학 소자를 제공한다.
구체적으로, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 양극 및 음극을 포함하거나, 양극, 음극, 및 전해질을 포함하는 것이다.
더욱 구체적으로, 상기 전기 화학 소자는, 상기 기재 상에 상기 프라이머 층을 형성한 뒤, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 양극; 음극; 및 전해질;을 인쇄(printing)함으로써 제조된 것일 수 있다.
1) 이와 관련하여, 상기 프라이머 층(primer layer) 상에 전자 재료 잉크를 인쇄할 경우, 인쇄된 전자 재료 잉크의 건조 속도가 빠르고, 인쇄된 전자 재료 잉크 내 용매가 상기 프라이머 층(primer layer) 내 기공으로 함침될 수 있어, 전자 재료가 상기 프라이머 층(primer layer) 상에 앵커링(anchoring)되는 효과를 기대할 수 있다.
나아가, 상기 프라이머 층은, 인쇄(printing) 공정에 의해, 상기 기재 상에 형성된 것일 수 있다. 이처럼, 상기 기재의 표면에 상기 프라이머 층을 형성하는 공정, 상기 프라이머 층 상에 전자 재료 잉크를 인쇄하는 과정이 모두 통상의 잉크젯 프린터로 구현될 수 있어, 간편한 공정에 의해 우수한 인쇄 전자를 구현할 있는 이점이 있다.
2) 이러한 물성을 이용하여, 전자 재료 잉크의 일종인 전극 잉크 및 전해질 잉크를 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 적절히 인쇄하면, 상기 전기 화학 소자가 수득될 수 있다. 이때, 상기 기재의 소재와 형태는 자유로이 선택할 수 있기에, 상기 전기 화학 소자의 유연성과 디자인에 있어서 선택의 폭이 넓어진다.
이하, 상기 전기 화학 소자의 각 구성에 대해 상세히 설명한다.
소자 구성의 구현 형태
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 목적하는 임의의 형태로 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 임의의 형태는, 점의 형태, 선의 형태, 면의 형태, 3차원적인 형태, 또는 이들의 조합인 형태는 포함하는 것으로, 글씨, 그림, 또는 이들의 조합인 형태로 구현될 수 있다. 다시 말해, 상기 전기 화학 소자는 다양한 디자인으로 구현 가능한 것이다.
기재의 소재 및 형태
상기 기재의 소재는, 종이(paper), 직물(textile), 플라스틱 (PP, PE, PET 등), 또는 금속 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
상기 기재의 형태는, 판상형, 곡선형, 또는 불규칙한 3차원 형태일 수 있다.
즉, 상기 전기 화학 소자는, 다양한 소재 및 형태의 기재 상에서, 다양한 디자인으로 구현 가능한 것이다.
전기 화학 소자의 구조
앞서 설명한 바와 같이, 상기 전기 화학 소자는, 기재- 프라이머 층- 소자 구성이 적층된 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 화학 소자의 소자 구성은, 기본적으로 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치한다. 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성에서, 상기 양극 및 상기 음극은 이격적으로 배치될 수 있다. 만약 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성으로 전해질이 포함되는 경우, 상기 이격적으로 배치된 양극 및 음극 사이에 상기 전해질이 위치할 수 있다.
다만, 후술되는 제조 방법에 따라, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에도 전해질이 위치할 수 있다.
이하의 설명에서는, 상기 전기 화학 소자의 소자 구성을 언급할 때, 특별한 사정이 없는 한, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극; 음극; 및/또는 전해질뿐만 아니라, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에도 전해질이 위치하는 경우 그 전해질을 포함한다.
한편, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 상에 위치하는 접착 필름(adhesive film) 층;을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉될 수 있다. 만약 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성의 표면 상에도 전해질이 위치하는 경우, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 및 상기 소자 구성의 표면 상에 위치하는 전해질이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉될 수 있다.
상기 접착 필름은, 상기 전기 화학 소자의 전극(양극, 음극) 및 전해질을 완전히 덮을 수 있고, 접착성이 있는 필름 소재라면, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 등을 상기 접착 필름으로 사용할 수 있다.
전극(양극, 음극) 및 전해질
상기 전극(양극, 음극)의 재료는 특별히 한정되지 않고, 일반적으로 사용되는 전극(양극, 음극) 재료를 적절한 용매 또는 분산매에 분산시켜 잉크로 제조한 뒤, 이를 상기 프라이머 층 상에 인쇄하여 상기 전극(양극, 음극)으로 형성할 수 있으면 된다.
후술되는 실시예처럼, 상기 양극 및 상기 음극 중 적어도 하나 이상의 전극은, 단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNTs), 활성 카본(activated carbons, ACs), 및 은 나노 와이어(Ag Nanowires. Ag NWs)가 3차원적으로 집합된 것일 수 있고, 상기 은 나노 와이어는 광 소결(photonic sintering)된 것일 수 있다. 또한, 상기 은 나노 와이어의 광 소결은, 상기 단일벽 카본 나노튜브의 광 흡수(UV light absorb)에 의해 유도된(assisted) 것일 수 있다, 다만 후술되는 실시예는 어디까지나 예시일 뿐이다.
한편, 상기 양극 및 상기 음극은, 상기 프라이머 층 상에 패터닝(patterning)된 것일 수 있다. 이와 관련하여 후술하겠지만, 상기 프라이머 층이 형성되지 않은 기재에서는, 기재 특성에 따라 패터닝이 이루어지지 않을 수 있다. 그러나, 상기 프라이머 층 상에서는, 인쇄된 전자 재료 잉크의 건조 속도가 빠르고, 인쇄된 전자 재료 잉크 내 용매가 상기 프라이머 층 내 기공으로 함침될 수 있어, 전자 재료가 상기 프라이머 층상에 앵커링(anchoring)되어, 전도성 패턴이 잘 형성될 수 있다.
또한, 상기 전해질의 재료 역시 제한되지 않고, 액체 전해질 및 고체 전해질 중에서 적절히 선택될 수 있다.후술되는 실시예처럼, 이온성 액체 및 광가교 모노머를 적절한 용매에 분산시켜 전해질 잉크를 제조한 뒤, 이를 상기 프라이머 층 상에 인쇄하고 광(UV)을 조사하면, 상기 광가교 모노머의 가교 반응이 일어나 3차원 망상 구조가 형성되고, 그러한 망상 구조 내 기공에 상기 이온성 액체가 위치하여, 겔 폴리머 전해질(cross-linked solid-state gel polymer electrolyte)이 형성될 수 있다. 이 경우 전해질의 화학적, 물리적 물성이 우수하게 발현될 수 있다.
상기 양극 및 상기 음극은, 두께가 각각 0.01 내지 500 ㎛ 일 수 있다. 상기 양극 및 음극 두께가 각각 상기 범위를 만족할 때, 에너지/출력 밀도가 큰 이점이 있다. 이와 달리, 상기 범위의 상한을 초과할 경우 출력 밀도의 저하 문제가 있고, 하한 미만일 경우 에너지 밀도가 낮은 문제가 있다.
또한 상기 양극 및 상기 음극은, 너비가 각각 0.01 내지 10,000 ㎛ 일 수 있다. 상기 양극 및 음극 너비가 각각 상기 범위를 만족할 때, 에너지/출력 밀도가 큰 이점이 있다. 이와 달리, 상기 범위의 상한을 초과할 경우 출력 밀도의 저하 문제가 있고, 하한 미만일 경우 에너지 밀도가 낮은 문제가 있다.
상기 양극 및 상기 음극의 간극은, 0.01 내지 1000 ㎛인 것일 수 있다. 상기 양극 및 음극 간극이 상기 범위를 만족할 때, 전지 안전성이 우수하며 출력 밀도가 큰 이점이 있다. 이와 달리, 상기 범위의 상한을 초과할 경우 출력 밀도의 저하 문제가 있고, 하한 미만일 경우 내부 단락에 의한 안전성 저하 문제가 있다.
상기 전해질의 경우, 상기 양극 및 상기 음극과 동일 편면 상에서 위치하는 두께, 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에 위치하는 두께의 총 두께가 0.01 내지 500 ㎛인 것일 수 있다. 상기 전해질의 두께가 상기 범위를 만족할 때, 에너지 밀도 및 이온전도도가 큰 이점이 있다. 이와 달리, 상기 범위의 상한을 초과할 경우 에너지 밀도가 낮은 문제가 있고, 하한 미만일 경우 이온전도도의 한계로 전지 작동에 문제가 있다.
기재
상기 기재는 종이(paper), 및 직물(textile) 중에서 선택되는 하나일 수 있다. 이처럼 얇고 유연성 있는 기재를 사용하여, 그 표면에 프라이머 층을 형성한 것을 인쇄 전자용 기재로 사용함으로써, 플렉서블, 웨어러블 기기에 적용하기에 적합하다.
프라이머
층
상기 기재의 두께에 대한 상기 프라이머 층 두께의 비율은, 1/99 내지 99/1인 것인(프라이머 층 두께/ 기재 두께)일 수 있다. 상기 기재가 통상의 종이(paper)인 경우, 상기 프라이머 층 두께/ 기재 두께 범위를 고려할 때, 상기 프라이머 층의 두께는 0.01 내지 1000 ㎛일 수 있다.
한편, 상기 프라이머 층은, 중심선 평균 표면 거칠기(Ra, Surface Roughness)가 1.0 ㎛이하(단, 0 ㎛제외)일 수 있다. 이는 후술되는 실시예 및 이에 따른 평가예로부터 뒷받침되는 것으로, 통상의 종이보다 훨씬 낮은 수준이며, PET 필름과 유사한 수준의 거칠기를 의미한다.
보다 구체적으로, 상기 프라이머 층은 고분자 나노매트(Nanomat)로 이루어진 것으로, 상기 고분자 나노매트를 상세히 설명하면 다음과 같다.
고분자
나노매트
내 기공
상기 고분자 나노매트 내 기공은, 직경이 1 ㎚ 내지 10 ㎛일 수 있다.
이와 관련하여 후술하겠지만, 상기 프라이머 층(고분자 나노매트)의 형성 과정에서, 용매 교환 반응에 의해 상기 기공의 직경이 상기 프라이머 층 전면에서 균일하게 제어될 수 있다.
또한, 상기 고분자 나노매트 내 기공은, 상기 고분자 나노매트의 총 부피(100 부피%)에 대해, 10 내지 90 부피%, 보다 구체적으로 40 내지 70 부피%로 포함될 수 있다.
만약 상기 각 범위의 직경 및 기공도를 초과한다면 용매의 함침에 문제가 있고, 상기 각 범위 미만이라면 전자 재료의 앵커링 효과가 현저하게 감소하는 문제가 있어, 각각의 범위로 제어할 필요가 있다.
고분자
나노매트
내 고분자 나노섬유
상기 고분자 나노매트 내 고분자 나노섬유는, 셀룰로오스 섬유, 식물성 섬유 및 이의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것일 수 있다. 이와 독립적으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에터이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴릭엑시드, 폴리비닐피롤리돈, 아가로즈, 알지네이트, 폴리비닐리덴 헥사플로로프로필렌, 폴리우레탄, 나일론 6, 폴리피롤, 폴리 3,4-에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수도 있다.
다만, 상기 열거된 물질들은 어디까지나 예시일 뿐, 고분자를 포함하는 나노섬유의 형태의 물질이면 된다.
상기 고분자 나노섬유는, 직경이 1 nm 내지 1000 nm이고, 길이가 1 nm 내지 100 ㎛인 것일 수 있다. 이는, 후술되는 인쇄 공정에 의하여 인쇄 가능한 정도의 범위이며, 이에 제한되는 것은 아니다.
전기 화학 소자의 구현 형태
상기 전기 화학 소자는, 리튬 이차 전지, 리튬 설퍼 전지, 리튬 에어 전지, 징크 에어 전지, 마그네슘 이차전지, 또는 수퍼커패시터로 구현될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
전기 화학 소자의 제조 방법
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계; 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계; 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;를 포함하는, 전기 화학 소자의 제조 방법을 제공한다.
이는, 전술한 전기 화학 소자를 제조하는 방법 중 하나로, 기재를 준비하고, 상기 기재 상에 상기 프라이머 층을 형성한 뒤, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 양극; 음극; 및 전해질;을 인쇄(printing)하는 일련의 공정을 포함하는 것이다.
보다 구체적으로, 상기 프라이머 층 및 상기 전극(양극, 음극) 및 전해질을 형성하는 전 공정이 인쇄 공정으로 진행될 수 있으며, 이러한 간편한 방법에 의해 유연성 있고 다양한 형태를 가진 전기 화학 소자를 수득할 수 있는 이점이 있다.
최종 수득 전기 화학 소자에 대한 설명은 중복되므로, 이하에서는 상기 각 단계에서 사용하는 물질 및 공정 상 특징을 설명한다.
밀봉 공정
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계; 이후에, 접착 필름(adhesive film)으로 상기 전극(양극, 음극) 및 전해질을 밀봉하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 접착 필름의 소재나 형태는 전술한 바와 같고, 상기 전극(양극, 음극) 및 전해질 전체를 덮어, 밀봉할 수 있다.
전극(양극, 음극) 및 전해질 형성 공정
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;는, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계; 및 상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;에서, 상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에도 계속하여 전해질 잉크를 인쇄하여, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 형성된 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에도 전해질이 형성될 수 있다.
이러한 전극(양극, 음극) 및 전해질 형성 공정은, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
또한, 형성되는 전극(양극, 음극) 및 전해질의 두께나, 양극 및 음극의 간극 등은, 각각 앞서 제시한 범위로 형성되도록 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전극(양극, 음극)의 형성은, 일반적으로 사용되는 전극(양극, 음극) 재료를 적절한 용매 또는 분산매에 분산시켜 잉크로 제조한 뒤, 이를 상기 프라이머 층 상에 인쇄하는 것일 수 있다.
후술되는 실시예처럼, 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계;는, 단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNTs), 활성 카본(activated carbons, ACs), 및 제1 용매를 포함하는 제1 전극 잉크를 인쇄하는 단계; 및 상기 인쇄된 제1 전극 잉크 상에, 은 나노 와이어(Ag Nanowires. Ag NWs) 및 제2 용매를 포함하는 제2 전극 잉크를 인쇄하는 단계;을 포함하여, 전도도가 우수한 전극을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 전극 잉크의 점도는 0.01 내지 1000 cP이고, 상기 제2 전극 잉크의 점도는 0.01 내지 1000 cP일 수 있다. 이는 상기 인쇄 방법에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 인쇄 방법에 따라 사용하는 기기에서 허용 가능한 범위의 점도일 수 있다. 예를 들어, 잉크젯 프린팅 방법을 이용하며, 통상의 잉크젯 프린터를 이용할 경우, 상기 제1 전극 잉크 및 상기 제2 전극 잉크의 점도를 각각 상기 범위로 제어할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
한편, 상기 전해질 잉크는, 이온성 액체, 광가교 모노머 및 제3 용매를 포함하고, 점도가 0.01 내지 1000 cP일 수 있다. 이때, 상기 제3 용매로는 표면장력이 높은 용매를 사용하는 것이 유리하다. 예를 들어, 에탄올보다는, 표면장력이 상대적으로 높은 물(H2O)을 사용할 때, 상기 전해질 잉크의 퍼짐 현상이 억제되어 잉크가 원하는 곳에 인쇄될 수 있고, 높은 이온 전도도를 발현할 수 있다.
상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계; 이후에, 상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;에서, i) 상기 인쇄된 제1 전극 잉크 내 단일벽 카본 나노튜브가 광 흡수(UV light absorb)하여, 상기 인쇄된 제2 전극 잉크 내 은 나노 와이어의 광 소결을 유도함과 동시에, ii) 상기 인쇄된 전해질 잉크 내 광 가교 모노머가 가교 결합되어, 가교 고분자 매트릭스를 형성하는 것일 수 있다.
i) 상기 단일벽 카본 나노튜브가 광 흡수(UV light absorb), 이에 따른 은 나노 와이어의 광 소결 유도 매커니즘은, 광 흡수에 의한 열발생이다. 이러한 매커니즘에 따라, 최종 형성된 전극 내 은 나노와이어 간, 은 나노와이어/탄소나노튜브 간 계면 저항이 줄어들게 되며, 전기 화학 소자에서 별도의 집전체 없이 우수한 출력 특성을 나타내는 이점이 있다.
ii) 또한, 상기 인쇄된 전해질 잉크 내 광 가교 모노머는 광 방사선(UV radiation)에 의해 광가교 반응이 유도되며, 서로 다른 광 가교 모노머 간 가교 결합이 이루어진다. 이에 따라, 후술되는 실시예처럼, 이온성 액체 및 광가교 모노머를 적절한 용매에 분산시켜 전해질 잉크를 제조한 뒤, 이를 상기 프라이머 층 상에 인쇄하고 광(UV)을 조사하면, 상기 광가교 모노머의 가교 반응이 일어나 3차원 망상 구조가 형성되고, 3차원 망상 구조의 가교 고분자 매트릭스가 형성되며, 그 구조에 따라 우수한 기계적 물성을 가진다.
그러한 망상 구조 내 기공에 상기 이온성 액체가 위치하여, 겔 폴리머 전해질(cross-linked solid-state gel polymer electrolyte)이 형성될 수 있다. 이 경우 전해질의 화학적, 물리적 물성이 우수하게 발현될 수 있다.
즉, 상기 전해질은 고체 상태인 겔 폴리머 전해질(solid-state gel polymer electrolyte)이 된다.
이때, 상기 광 가교 모노머로 내열성 고분자 모노머를 사용할 때, 상기 고체 상태인 겔 폴리머 전해질(solid-state gel polymer electrolyte)의 내열성이 보다 우수해지고, 최종 수득되는 전기 화학 소자의 열 안정성이 우수해진다.
예를 들어, 상기 내열성 고분자 모노머로는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(polyethyleneglycol diacrylate), 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(triethyleneglycol diacrylate), 트리메틸올프로판에톡시레이트 트리아크릴레이트(trimethylolpropaneethoxylate triacrylate), 비스페놀에이에톡시레이트 디메타아크릴레이트(Bisphenol A ethoxylate dimethacrylate) 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
프라이머
층 형성 공정
상기 프라이머 층의 형성 공정은, 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계; 이후, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계;를 포함하는 것이다.
이는, 상기 전극(양극, 음극) 및 전해질 형성 공정과 마찬가지로, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
.
상기 분산액의 점도는, 상기 인쇄 방법에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 인쇄 방법에 따라 사용하는 기기에서 허용 가능한 범위의 점도일 수 있다. 예를 들어, 잉크젯 프린팅 방법을 이용하며, 통상의 잉크젯 프린터를 이용할 경우, 상기 분산액의 점도는 5 내지 25 cP로 제어할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
한편, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 자연 건조, 열 건조 등의 방식으로 단순히 건조시키더라도, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber)가 3차원적으로 집합된 집합체; 및 상기 집합체 내 서로 다른 고분자 나노섬유들 사이에 형성된 기공;을 포함하는 고분자 나노매트(프라이머 층)을 형성할 수 있다.
다만, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조하는 방식으로 "용매 교환" 반응을 이용할 경우, 상기 기공의 크기를 더욱 균일하게 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계;는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하여, 용매 교환 반응을 유도하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하여, 용매 교환 반응을 유도하는 단계; 는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하는 단계; 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 내에서, 용매가 상기 이종 용매로 교환되는 단계; 상기 교환된 이종 용매에 의해, 서로 다른 고분자 나노섬유(Nanofiber)들 사이에 균일한 크기의 기공이 형성되는 단계; 및 상기 교환된 이종 용매가 제거되는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 이종 용매는, 휘발성 용매라면 특별히 제한하지 않으며, 알코올 예컨대 에탄올, 프로판올 또는 부탄올, 아세톤(acetone) 등의 용매 중 적어도 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 이러한 휘발성 용매가 물과 교환되어, 서로 다른 고분자 나노섬유(Nanofiber)들의 간격을 제어하여 기공 크기를 균일하게 한 뒤, 휘발되어 쉽게 제거될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에 이종 용매를 도포하는 단계;는, 상기 기재의 표면에 도포된 분산액 상에, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 상기 이종 용매를 인쇄하는 것일 수 있다. 이처럼, 전 공정에서 인쇄 기법을 이용할 수 있다.
상기 분산액을 도포하는 단계; 이전에, 상기 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 상기 용매의 혼합물을 초음파 처리하여, 상기 분산액을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이는, 상기 분산액 내 고분자 나노섬유가 응집되는 것을 방지하여, 인쇄 과정에서도 적정 범위의 점도를 유지하게끔 하기 위함이다.
이하 본 발명의 실시예 및 이에 대한 평가예를 기재한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
I.
인쇄 전자(printed electronics)의 구현 가능성 확인
제조예
1 (
프라이머
층이 표면에 형성된 기재의 제조)
(1)
고분자 나노섬유 잉크의 제조
본 발명의 일 구현예에 따라, 프라이머 층이 표면에 형성된 기재를 제조함에 있어서, 고분자 나노섬유 잉크의 적정 점도 및 고분자 나노 섬유 함량을 확인한다.
구체적으로, 사용하는 잉크젯 프린터의 종류에 따라 차이가 있으나, 후술되는 과정에서 사용한 잉크젯 프린터(제조처: HP, 모델명: Deskjet 1010)로 출력 가능한 점도 범위는 5 내지 25 cP이었다.
고분자 나노섬유로는, 평균 직경이 20 nm인 셀룰로오스 나노 섬유를 사용하였다. 이는 우드 셀룰로오스 분말(wood cellulose powders)을 고압 균일화(high-pressure homogenization) 하는 과정을 반복하여 제조된 것이다.
상기 셀룰로오스 나노 섬유를 물에 용해시켜, 다음과 같이 다양한 점도 및 농도의 잉크를 각각 제조하였다.
가)
샘플 1: 물 1 mL 당 0.1 mg의 나노섬유 용해, 점도는 7 cP
나)
샘플 2: 물 1 mL 당 0.3 mg의 나노섬유 용해, 점도는 19 cP
다)
샘플 3: 물 1 mL 당 0.5 mg의 나노섬유 용해, 점도는 60 cP
라)
샘플 4: 물 1 mL 당 0.7 mg의 나노섬유 용해, 점도는 140 cP
마)
샘플 5: 물 1 mL 당 1.0 mg의 나노섬유 용해, 점도는 420 cP
상기 각 샘플의 농도 별 점도의 그래프는 도 1에 도시하였다.
(2)
고분자 나노섬유 잉크의 인쇄
상기 샘플 3의 잉크를 이용하고, 샘플 3의 잉크를 잉크젯 프린터(제조처: HP, 모델명: Desckjet 1010)에 적용하여, A4 용지(제조처: Xerox) 상에 고분자 나노섬유 잉크를 인쇄(프린팅)하였다.
(3)
용매 교환 반응의 유도
상기 인쇄된 잉크가 젖어 있는 상태(wet-state)에서, 상기 잉크젯 프린터를 이용하여 이종 용매(ethanol/acetone= 1/1, v/v mixture)를 인쇄하여, 용매 교환 반응을 유도하였다.
이러한 용매 교환 반응 과정에서, 기존에 인쇄된 잉크 내 물이 상기 이종 용매로 교환됨과 동시에, 서로 다른 나노섬유들의 간격이 제어되어 기공 크기가 균일하게 형성되고, 이종 용매는 제거되었다.
이후, 건조된 상태의 프라이머 층이 표면에 형성된 기재를 수득하였다.
제조비교예
1
제조예 1에서 기재로 사용한 A4 용지 그 자체와, PET 필름(제조처: Finetech)를 각각 비교예로 사용하였다.
제조평가예
1
(1)
프라이머
층의 구조 관찰
기재로 사용한 A4 용지, 고분자 나노섬유 잉크의 인쇄 직후(용매 교환 반응 전), 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층의 표면에 대해, 각각 SEM 사진을 촬영하여 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면, A4용지(a)의 표면에, 고분자 나노섬유 잉크가 인쇄된 직후(b), 셀룰로오스 나노섬유가 3차원적으로 집합되어 있지만, 용매인 물이 포함되어 젖은 상태이고, 셀룰로오스 나노섬유 간 간격(즉, 기공의 크기)이 불균일한 것을 확인할 수 있다.
한편, 용매 교환 반응을 유도한 이후에는, 서로 다른 나노섬유들의 간격이 제어되어 기공의 크기가 균일해진 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 고분자 나노섬유 잉크의 인쇄 시, 잉크의 점도를 적정 범위로 제어함으로써 기재의 표면에 고분자 나노섬유를 3차원적으로 집합시킬 수 있지만, 용매 교환 반응을 유도함으로써 기공 크기를 더욱 균일하게 제어할 수 있음을 알 수 있다.
(2)
표면 거칠기 평가
도 3은, 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)의 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
한편, 도 4는, A4 용지 그 자체(a) 및 PET 필름(b) 각각에 대해 표면 거칠기를 평가한 결과에 대한 것이다.
도 3 및 4를 대비할 때, 프라이머 층이 표면에 형성된 기재는, 0.4 ㎛ 수준의 표면 거칠기(Ra)를 나타내어, 프라이머 층이 형성되지 않은 A4 용지(Ra~4.8 ㎛)에 비해 표면 거칠기가 낮아져, PET 필름((Ra~0.2 ㎛)과 유사한 수준까지 도달했음을 알 수 있다.
(3)
접촉각
평가
도 5는, 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)에 대해 물을 떨어뜨리고, 시간에 따른 접촉각 특성을 평가한 것이다. 또한, A4 용지 그 자체 및 PET 필름에 대해서도 동일 조건에서 접촉각 특성을 평가하고, 도 5에 나타내었다.
도 5를 참고하면, PET 필름에 비하여, 제조예 1의 프라이머 층 상에 떨어뜨린 물이 빨리 건조됨을 확인할 수 있다. 이는, 제조예 1의 프라이머 층 내 나노 크기의 기공들이 포함됨에 따른 효과이며, 그 표면에 커피링(coffee-ring) 효과 없이 균일한 인쇄가 가능함을 시사하는 것이다.
제조예
2 (전극 형성)
제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)에 대해, 전극을 형성하였다.
(1)
전극 잉크의 준비
구체적으로, 상기 전극 잉크는 제1 전극 잉크(전기화학적 활성 잉크) 및 제2 전극 잉크(전기 전도성 잉크)를 사용하였다.
보다 구체적으로, 상기 전기화학적 활성 잉크는, 단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNT) 및 활성 카본(activated carbon, AC)이 1:30의 중량비로 혼합된 것을, 물 1 mL 당 1 mg로 용해시킨 뒤, 1 시간 당 10,000 rpm의 회전 속도로 원심 분리하여, 큰 사이즈의 입자를 제거함과 동시에 응집을 방지하고, 1/s의 sheer rate에서 20 cP 수준의 점도를 유지하게끔 한 것이다.
상기 전기 전도성 잉크는, 은 나노와이어(Ag Nanowires, AgNWs)이, 물 및 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)=1/1, v/v)의 혼합 용매 1 mL 당 5 mg로 용해시킨 것을 사용하였다. 상기 나노와이어로는, 음파 처리 유도(sonication-driven) 절단(scission) 공정을 통해, ~20 내지 ~1 ㎛의 길이로 절단된 나노와이어를 사용하였다. 이는 나노와이어 길이에 따라 잉크젯 프린터의 노즐이 막히는 것을 방지하기 위함이다. 이에 따라, 상기 전기 전도성 잉크의 점도는, 1/s의 sheer rate에서 18 cP 수준을 유지하게 하였다.
(2)
전극 잉크의 인쇄
제조예 1과 동일한 잉크젯 프린터를 사용하여, 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용) 표면에, 상기 전기화학적 활성 잉크를 인쇄하여 생긴 패턴 위에 상기 전기 전도성 잉크를 인쇄하여 전도성 패턴을 형성하였다.
제조비교예
2
제조예 1에서 기재로 사용한 A4 용지 그 자체와, PET 필름(제조처: Finetech)에 대해서도, 각각 제조예 2와 동일 과정에 의해 전자 재료 잉크를 인쇄하였다.
제조평가예
2
(1) 전도성 패턴의 표면 관찰
제조예 2 및 제조예 2에서 각각 전자 재료 잉크가 인쇄된 표면을 SEM 사진을 촬영하여, 도 6에 나타내었다.
도 6을 참고하면, A4 용지의 표면에서는 전자 재료 잉크가 퍼져, 전도성 패턴이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, PET 기판의 표면에서는, 커피링(coffee-ring) 효과에 의해, 전자 재료 입자들이 가장자리로 분포되어, 전도성 패턴이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
그에 반면, 제조예 2에서는, 퍼짐 현상이나 커피링(coffee-ring) 현상 없이, 균일한 형태의 전도성 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
(2)
전도성 패턴의 단면 관찰
제조예 2의 단면에 대해서도 SEM 사진을 촬영하여, 도 7에 나타내었다.
도 7을 참고하면, 프라이머 층 상에, 두께 방향으로도 전자 재료가 균일하게 분포되어, 균일한 형태의 전도성 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이는, 전극 잉크가 인쇄되는 과정에서, 그 용매가 프라이머 층 내 기공에 함침되면서, 전극 재료가 프라이머 층 상에 앵커링(anchoring)되는 효과를 뒷받침한다.
(3)
전기 저항 평가
제조예 2 및 제조비교예 2에 대해, 각각 전기 저항을 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8을 참고하면, 비교예 2(A4 용지: 7.5 kohm, PET 필름: 2.2 kohm)에 비하여, 제조예 2의 전기 저항은 8 ohm(Ω)으로 상당히 낮은 것을 확인할 수 있다.
이는, 균일한 전도성 패턴 형성에 성공함에 따라, 우수한 수준의 전자 전도도를 확보한 것으로 볼 수 있다.
(4)
UV 조사에 따른 물성 향상 확인
제조예 2에서 전극 잉크를 인쇄한 뒤, Hg UV-lamp(Lichtzen)를 사용하여 2000 mW cm-2 조건으로 UV를 조사하였다. 이 때, 카본 나노튜브는 광 흡수 및 열전달 매개체로서, 은 나노와이어의 광소결을 유도한다 (도 9a). 이러한 메커니즘에 따라 최종 형성된 전극 내 은 나노와이어 간, 은 나노와이어/탄소나노튜브 간 계면이 향상된다 (도 9b). 또한, 광소결에 의한 효과로, 비교적 짧은 시간 (약 150초) 내에 소결이 완료되며 광소결 전/후 저항은 각각 180Ω, 8Ω 이다 (도 9c). 이때, 앞서 설명한 UV에 의해 유도된 열 발생(UV-induced Heat Generation) 현상에 의해, 형성된 패턴은 테이프를 붙였다 떼거나, 문질러도 변형이 일어나지 않고, 천 번 이상의 굽힘 및 용매 처리에도 저항이 변하지 않는 등의 우수한 물리적, 화학적 안정성을 보임을 확인하였다 (도 9d-f).
제조예
3 (전해질 형성)
제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용)에 대해, 전해질 잉크를 인쇄한 뒤 UV를 조사하였다.
구체적으로, 이온성 액체로 ([BMIM][BF4]를 사용하고, 광가교 모노머로 ETPTA (incorporating 1.0wt% HMPP as a photoinitiator)를 사용하고, 용매로 물(H2O)을 사용하였다.
상기 이온성 액체와 상기 광가교 모노머의 중량 비율이 [BMIM][BF4]/ETPTA =85/15 가 되도록 하고, 용매를 포함한 전체 전해질 잉크 내 상기 이온성 액체와 상기 광가교 모노머의 함량이 10 중량%가 되도록 하였다.
이후, 제조예 1과 동일한 잉크젯 프린터를 사용하여, 제조예 1에서 용매 교환 반응 후 건조된 프라이머 층(샘플 3 잉크 사용) 표면에, 상기 전해질 잉크를 인쇄하고, Hg UV-lamp(Lichtzen)를 사용하여 조사 최고 강도(irradiation peak intensity)가 2000 mWcm- 2 인 조건으로 UV를 조사하였다.
이에 따라, 겔 폴리머 전해질(gel polymer electrolyte)이 형성되었다.
제조비교예
3
제조예 3의 물 대신 에탄올을 용매로 사용한 점을 제외하고, 제조예 3과 동일한 공정으로 전해질을 형성하였다.
제조평가예
3
(1)
점성 평가
제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질에 대해, 전단 속도(shear rate)에 따른 점성(viscosity)을 평가하고, 도 10a 에 나타내었다.
도 10a 에 따르면, 각 전해질 잉크는 10 cP 수준의 점도를 보이며, 전단 속도에 대해 점성이 변하지 않는 뉴턴유체 거동을 보임을 확인할 수 있다.
(2)
인쇄 면적 평가
도 10b에서, 제조예 3 및 제조비교예 3의 각 전해질 인쇄 면적을 확인하였다.
에탄올보다는, 표면장력이 상대적으로 높은 물(H2O)을 사용할 때, 상기 전해질 잉크의 퍼짐 현상이 억제되어 잉크가 원하는 곳에 인쇄될 수 있음을 확인할 수 있다.
(3)
전기 저항 측정
제조예 3 및 제조비교예 3에 대해, 각각 전기 저항을 측정하여 도 10c에 나타내었다.
도 10c에 따르면, 에탄올을 용매로 사용한 경우 퍼짐 현상에 의해 낮은 이온 전도도를 나타내지만, 표면장력이 상대적으로 높은 물을 용매로 사용한 경우 원하는 곳에 인쇄되어 높은 이온전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
II.
다양한 규격의 전지 제조 가능성 확인
실시예
1 (Micro-Scale 전기 화학 소자 제조)
도 11에 따라, 전기 화학 소자를 제조하였다. 구체적으로, 제조예 1과 동일한 공정으로 기재 표면에 프라이머 층을 형성한 뒤, 프라이머 층의 표면에, 제조예 2와 동일한 공정으로 각 전극(양극, 음극)을 인쇄한 뒤, 제조예 3과 동일한 공정으로 전해질을 인쇄하고, UV를 조사한 다음, 접착 필름으로 밀봉하여 전기 화학 소자를 제조하였다.
각 전지 재료 잉크의 인쇄 시, 프린터를 제어하는 컴퓨터에 다음과 같은 정보를 입력하여, 규격을 제어하였다
- 양극 및 음극의 간극: 500 ㎛
- 양극의 너비: 1000 ㎛
- 음극의 너비: 1000 ㎛
또한, 각각의 전지 재료 잉크를 조절하여, 형성되는 소자 구성의 두께를 각각 다음과 같이 제어하였다.
- 양극 두께: 20 ㎛
- 음극 두께: 20 ㎛
- 전해질 총 두께: 20 ㎛
보다 구체적인 공정은 다음과 같다.
(1)
프라이머
층이 표면에 형성된 기재의 제조
제조예 1과 동일한 잉크젯 프린터를 사용하여, 샘플 3 잉크(물 1 mL 당 0.5 mg의 나노섬유 용해, 점도는 60 cP)를 A4 용지(제조처: Xerox) 전면에 인쇄하였다. 상기 인쇄된 잉크가 젖어 있는 상태(wet-state)에서, 상기 잉크젯 프린터를 이용하여 이종 용매(ethanol/acetone= 1/1, v/v mixture)를 인쇄하여, 용매 교환 반응을 유도하였다.
이때 공정 방식은 제조예 1과 같다.
(2)
전극(양극, 음극) 잉크의 인쇄
상기
프라이머 층이 표면에 형성된 기재의 프라이머 층 상에, 동일한 잉크젯 프린터를 사용하여 전기화학적 활성 잉크를 인쇄하고, 그에 따라 형성된 전극 패턴 위에 전기 전도성 잉크를 인쇄하여 전도성 패턴을 형성하였다.
구체적으로, 상기 전기화학적 활성 잉크는, 단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNT) 및 활성 카본(activated carbon, AC)이 1:30의 중량비로 혼합된 것을, 물 1 mL 당 1 mg로 용해시킨 뒤, 1 시간 당 10,000 rpm의 회전 속도로 원심 분리하여, 큰 사이즈의 입자를 제거함과 동시에 응집을 방지하고, 1/s의 sheer rate에서 20 cP 수준의 점도를 유지하게끔 한 것이다.
또한, 상기 전기 전도성 잉크는, 은 나노와이어(Ag Nanowires, AgNWs)이, 물 및 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)=1/1, v/v)의 혼합 용매 1 mL 당 5 mg로 용해시킨 것이다.
각 잉크의 인쇄 시, 별도의 섀도우 마스크(Shadow mask) 없이 컴퓨터에 패턴을 입력하였다. 또한, 전극(양극, 음극)의 두께는 20 ㎛가 되도록, 잉크의 양을 제어하였다.
이때 공정 방식은 제조예 2와 같다.
(3)
전해질 잉크의 인쇄
상기 전극이 인쇄된 프라이머 층 상에, 전해질 잉크를 인쇄하였다.
구체적으로, 상기 전해질 잉크는, 이온성 액체로 ([BMIM][BF4]를 사용하고, 광가교 모노머로 ETPTA (incorporating 1.0wt% HMPP as a photoinitiator)를 사용하고, 용매로 물(H2O)을 사용하였다.
상기 이온성 액체와 상기 광가교 모노머의 중량 비율이 [BMIM][BF4]/ETPTA =85/15 가 되도록 하고, 용매를 포함한 전체 전해질 잉크 내 상기 이온성 액체와 상기 광가교 모노머의 함량이 10 중량%가 되도록 하였다.
상기 전해질 잉크는, 상기 양극과 상기 음극의 간극, 그리고 이들의 위에도 도포되도록, 컴퓨터에 인쇄 형태를 입력하여 인쇄하였다.
이때 공정 방식은 제조예 3과 같다.
(4)
UV의 조사
Hg UV-lamp(Lichtzen)를 사용하여 조사 최고 강도(irradiation peak intensity)가 2000 mWcm- 2 인 조건으로 UV를 조사하였다.
UV에 조사에 의해, 전극 잉크 내에서는 열 발생(UV-induced Heat Generation)이 유도되고, 전해질 잉크 내에서는 광가교 반응이 유도되어 겔 폴리머 전해질(gel polymer electrolyte)이 형성되었다.
실시예
2 (Macro-Scale 전기 화학 소자 제조)
실시예 1과 동일한 공정에 따르되, 각 전지 재료 잉크의 인쇄 시, 프린터를 제어하는 컴퓨터에 다음과 같은 정보를 입력하여, 규격을 제어하였다.
- 양극 및 음극의 간극: 200 ㎛
- 양극의 너비: 200 ㎛
- 음극의 너비: 200 ㎛
또한, 각각의 전지 재료 잉크를 조절하여, 형성되는 소자 구성의 두께를 각각 다음과 같이 제어하였다.
- 양극 두께: 20 ㎛
- 음극 두께: 20 ㎛
- 전해질 총 두께: 20 ㎛
평가예
1
(1)
실시예
1 및 2의
충방전
특성 평가
1.0 mV sec-2 조건으로, 실시예 1 및 2 전지를 구동하고, 그 결과를 도 12a 에 기록하였다.
이는, 본 발명의 구현예들에 따라, 밀리미터 단위에서 센티미터 단위까지 다양한 크기의 전지를 제조하여, 그러한 전지의 정상적인 충방전이 가능함을 확인할 수 있다.
(2)
실시예
1 전지의 수명 특성 평가
보다 구체적으로, 실시예 1 전지를 0.2 mA cm-2 조건으로 1000 회 충방전을 실시하고, 그 결과를 도 12b 에 기록하였다.
도 12b에서, 1000 회 충방전 과정에서 용량 저하가 거의 없음을 확인할 수 있고, 수명 특성이 우수함을 알 수 있다.
(3)
실시예
1 전지의 굽힘 전후
충방전
특성 평가
실시예 1 전지를 1000 회 굽혀, 곡률 반경이 2.5 ㎜가 되도록 한 뒤, 앞서와 동일한 방식으로 구동하여, 굽힘 전후 충방전 특성을 비교하였다.
도 12c의 기록에 따를 때, 물리적 변형에도 불구하고, 우수한 기계적 물성으로 인해, 전지 특성이 유지됨을 확인할 수 있다.
III.
다양한 디자인의 전지 제조 가능성 확인
실시예
3 (디자인이 글씨로 구현된 경우)
도 13a의 전지는, "BATTERY(도 13a에서 점선으로 표시된 부분)" 글씨 형태로 소자 구성을 인쇄한 것이다.
구체적으로, 실시예 1과 동일한 공정에 따르되, 각 전지 재료 잉크의 인쇄 시, 프린터를 제어하는 컴퓨터에 다음과 같은 정보를 입력하여, 규격을 제어하였다.
- 양극 및 음극의 간극: 200 ㎛
- 양극의 너비: 200 ㎛
- 음극의 너비: 200 ㎛
상기 간극, 너비 정보와 함께, "BATTERY"라는 디지털 신호를 컴퓨터에 입력하여 인쇄하였다.
또한, 각각의 전지 재료 잉크를 조절하여, 형성되는 소자 구성의 두께를 각각 다음과 같이 제어하였다.
- 양극 두께: 20 ㎛
- 음극 두께: 20 ㎛
- 전해질 총 두께: 20 ㎛
상기 제어 조건으로, "BATTERY" 글씨 형태인 소자 구성을 인쇄한 후, 이를 LED 램프(lamp)와 연결하는 전기 회로(electrical circuits)도 인쇄하였다.
구체적으로, 전기 회로의 인쇄는, 상기 전극과 함께 인쇄하여 전기적으로 연결되도록 하였다.
실시예
4 (디자인이 그림으로 구현된 경우)
도 13b의 전지는, 태극 문양(도 13b에서 점선으로 표시된 부분)의 그림 형태로 소자 구성을 인쇄한 것이다. 구체적으로, 실시예 1과 동일한 공정에 따르되, 각 전지 재료 잉크의 인쇄 시, 프린터를 제어하는 컴퓨터에 다음과 같은 정보를 입력하여, 규격을 제어하였다.
- 양극 및 음극의 간극: 200 ㎛
- 양극의 너비: 200 ㎛
- 음극의 너비: 200 ㎛
상기 간극, 너비 정보와 함께, 목적하는 태극 문양의 디지털 신호를 컴퓨터에 입력하여 인쇄하였다.
또한, 각각의 전지 재료 잉크를 조절하여, 형성되는 소자 구성의 두께를 각각 다음과 같이 제어하였다.
- 양극 두께: 20 ㎛
- 음극 두께: 20 ㎛
- 전해질 총 두께: 20 ㎛
상기 제어 조건으로, 태극 문양인 소자 구성을 인쇄한 인쇄한 후, 이를 LED 램프(lamp)와 연결하는 전기 회로(electrical circuits)도 인쇄하였다.
구체적으로, 전기 회로의 인쇄는, 상기 전극과 함께 인쇄하여 전기적으로 연결되도록 하였다.
평가예
2 (
실시예
3 및 4의 평가)
실시예 3 및 4을 통해, 별도의 인터커넥트(interconnect) 없이, 직렬 및 병렬 형태의 전지가 구현됨을 확인할 수 있다. 특히, 글자 형태나, 복잡한 그림 형태로 패턴화된 전지로 제조되어, 150 ℃의 고온에서도 정상적으로 작동하는 것이 확인된다.
IV.
다양한 디자인의 전지 응용
실시예
5 (Electronic Art)
도 14에서는, 일반 컬러 잉크를 이용하여 한국 지도를 인쇄 후, 검은 부분에 전지를 인쇄하고 LED 소자와 결합하여, 전원이 들어오는 그림을 구현하였다.
실시예
6 (Smart Cup)
도 15에서는, HOT 및 COLD 모양의 전자 회로와, OR 모양의 4개의 수퍼캐퍼시터(Supercapacitor)가 직렬로 연결된 전지 패턴을 인쇄한 후, 이를 유리컵에 부착하고, 온도감지 센서와 연결하여 물 온도에 따라 작동하는 스마트컵(Smart Cup)을 제조하였다.
평가예
3 (
실시예
5 및 6의 평가)
실시예 5 및 6을 통해, 이러한 결과는 전원 기술을 넘어서 디자인으로 활용 가능성을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (28)
- 기재(substrate);
상기 기재 상에 위치하고, 고분자 나노매트(Nanomat)로 이루어진 프라이머 층(primer layer); 및
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성;을 포함하고,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은, 양극 및 음극을 포함하거나, 양극, 음극, 및 전해질을 포함하는 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은,
목적하는 임의의 형태로 구현되는 것인,
전기 화학 소자.
- 상기 임의의 형태는,
점의 형태, 선의 형태, 면의 형태, 3차원적인 형태, 또는 이들의 조합인 형태는 포함하는 것인,
전기 화학 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 임의의 형태는,
글씨, 그림, 또는 이들의 조합인 형태로 구현되는 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성에서,
상기 양극 및 상기 음극은 이격적으로 배치되는 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 상에 위치하는 접착 필름(adhesive film) 층;을 더 포함하며,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉되는 것인,
전기 화학 소자.
- 제6항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성의 표면 상에도 전해질이 위치하고,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 및 상기 소자 구성의 표면 상에 위치하는 전해질이 상기 프라이머 층 및 상기 접착 필름 사이에 밀봉되는 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기재의 소재는,
종이(paper), 직물(textile), 플라스틱, 또는 금속중에서 선택되는 하나인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기재의 형태는,
판상형, 곡선형, 또는 불규칙한 3차원 형태인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층, 및 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은 각각,
인쇄(printing) 공정에 의해 형성된 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층은,
두께가 0.01 내지 1000 ㎛인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층에 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성은,
두께가 0.01 내지 500 ㎛인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 소자 구성 내 양극 및 음극의 간극은,
0.01 내지 1000 ㎛인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 화학 소자는,
리튬 이차 전지, 리튬 설퍼 전지, 리튬 에어 전지, 징크 에어 전지, 마그네슘 이차전지, 또는 수퍼커패시터인 것인,
전기 화학 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 화학 소자는,
패키징, 사물 인터넷, 또는 스마트 센서의 전원으로 사용되는 것인,
전기 화학 소자.
- 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계;
상기 기재의 표면에 도포된 분산액을 건조시켜, 고분자 나노매트로 이루어진 프라이머 층(primer layer)를 형성하는 단계; 및
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;를 포함하는,
전기 화학 소자의 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;는,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계; 및
상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;를 포함하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계;에서
상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에도 계속하여 전해질 잉크를 인쇄하여,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 형성된 양극; 음극; 및 전해질;의 표면 상에도 전해질이 형성되는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법.
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계; 이후에,
접착 필름(adhesive film)으로 상기 프라이머 층의 동일 편면 상에 위치하는 양극, 음극 및 전해질을 밀봉하는 단계;를 더 포함하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법.
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 이격적으로 배치되도록, 양극 잉크 및 음극 잉크를 인쇄하는 단계;는,
단일벽 카본 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNTs), 활성 카본(activated carbons, ACs), 및 제1 용매를 포함하는 제1 전극 잉크를 인쇄하는 단계; 및
상기 인쇄된 제1 전극 잉크 상에, 은 나노 와이어(Ag Nanowires. Ag NWs) 및 제2 용매를 포함하는 제2 전극 잉크를 인쇄하는 단계;을 포함하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제20항에 있어서,
상기 제1 전극 잉크의 점도는,
0.01 내지 1000 cP인 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제20항에 있어서,
상기 제2 전극 잉크의 점도는,
0.01 내지 1000 cP인 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제16항 또는 제17항에 있어서,,
상기 전해질 잉크는,
이온성 액체, 광가교 모노머 및 제3 용매를 포함하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제23항에 있어서,
상기 전해질 잉크의 점도는,
0.01 내지 1000 cP인 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 인쇄된 양극 잉크 및 음극 잉크 사이에, 전해질 잉크를 인쇄하는 단계; 이후에,
상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;를 더 포함하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제25항에 있어서,
상기 인쇄된 양극 잉크, 음극 잉크, 및 전해질 잉크 상에, 광 방사선(UV radiation)을 조사하는 단계;에서,
상기 인쇄된 제1 전극 잉크 내 단일벽 카본 나노튜브가 광 흡수(UV light absorb)하여, 상기 인쇄된 제2 전극 잉크 내 은 나노 와이어의 광 소결을 유도함과 동시에,
상기 인쇄된 전해질 잉크 내 광 가교 모노머가 가교 결합되어, 가교 고분자 매트릭스를 형성하는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 프라이머 층의 동일 편면 상에, 양극, 음극 및 전해질을 각각 형성하는 단계;는,
잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
- 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 기재의 표면에, 복수의 고분자 나노섬유(Nanofiber) 및 용매를 포함하는 분산액을 도포하는 단계;는,
잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 리버스 오프셋 프린팅, 닥터 블레이드 프린팅, 롤투롤 프린팅법, 스프레이 프린팅, 및 그라비아 프린팅 중 적어도 하나의 인쇄 방법으로 수행되는 것인,
전기 화학 소자의 제조 방법,
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| KR1020160163059A KR101961457B1 (ko) | 2016-12-01 | 2016-12-01 | 전기 화학 소자 및 이의 제조 방법 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005527093A (ja) * | 2002-05-24 | 2005-09-08 | ジ・インターテック・グループ，インコーポレイテッド | 印刷電池 |
| KR20160027021A (ko) * | 2013-06-24 | 2016-03-09 | 앵스티튀 폴리테크니크 드 그르노블 | 지지된 가요성 전극의 생산을 위한 스프레이 인쇄 또는 스프레이 증착 방법 및 리튬-이온 배터리의 제조 방법 |
| KR101661174B1 (ko) * | 2015-05-22 | 2016-10-10 | 한국과학기술연구원 | 플렉시블 박막형 리튬이차전지 및 그 제조방법 |
| KR20160123848A (ko) * | 2015-04-17 | 2016-10-26 | 코스모신소재 주식회사 | 플렉서블 전지 및 플렉서블 전지 제조 방법 |
-
2016
- 2016-12-01 KR KR1020160163059A patent/KR101961457B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005527093A (ja) * | 2002-05-24 | 2005-09-08 | ジ・インターテック・グループ，インコーポレイテッド | 印刷電池 |
| KR20160027021A (ko) * | 2013-06-24 | 2016-03-09 | 앵스티튀 폴리테크니크 드 그르노블 | 지지된 가요성 전극의 생산을 위한 스프레이 인쇄 또는 스프레이 증착 방법 및 리튬-이온 배터리의 제조 방법 |
| KR20160123848A (ko) * | 2015-04-17 | 2016-10-26 | 코스모신소재 주식회사 | 플렉서블 전지 및 플렉서블 전지 제조 방법 |
| KR101661174B1 (ko) * | 2015-05-22 | 2016-10-10 | 한국과학기술연구원 | 플렉시블 박막형 리튬이차전지 및 그 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| APPLIED PHYSICS LETTERS 102, 233302 (2013). * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101961457B1 (ko) | 2019-03-22 |
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