KR20190046003A - 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 - Google Patents

생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법 Download PDF

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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은, 다공성 탄소재를 인산염계 복합체에 침적시키기 위하여 다공성 탄소재와 인산염계 복합체를 혼합하는 단계 및 상기 인산염계 복합체에 침적된 다공성 탄소재를 탄화 처리하는 단계를 포함하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 활성산소종(reactive oxygen species)의 발생이 적고 독성이 적어 생체적합성이 우수하며, 세포 생존율 시험에서 생포 생존율이 높게 나타나는 생체적합성 다공성 탄소재를 간단한 공정으로 제조할 수 있다.

Description

생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법{Manufacturing method of porous carbon materials, supercapacitor and manufacturing method of the supercapacitor using the carbon materials}
본 발명은 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 공정이 간단하고, 활성산소종(reactive oxygen species)의 발생이 적고 독성이 적어 생체적합성이 우수하며, 세포 생존율 시험에서 생포 생존율이 높게 나타나는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Super-capacitor) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 슈퍼커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원, 생체 내 에너지저장장치 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 슈퍼커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(separator)와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
슈퍼커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있다.
본 발명의 발명자들은 활성산소종(reactive oxygen species)의 발생이 적고 독성이 적어 생체 내 에너지를 저장할 수 있는 장치에 사용될 수 있는 다공성 탄소재를 연구하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1281766호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조 공정이 간단하고, 활성산소종(reactive oxygen species)의 발생이 적고 독성이 적어 생체적합성이 우수하며, 세포 생존율 시험에서 생포 생존율이 높게 나타나는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법, 이를 이용한 슈퍼커패시터 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 다공성 탄소재를 인산염계 복합체에 침적시키기 위하여 다공성 탄소재와 인산염계 복합체를 혼합하는 단계 및 (b) 상기 인산염계 복합체에 침적된 다공성 탄소재를 탄화 처리하는 단계를 포함하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법을 제공한다.
상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 인산염계 복합체는 물에서 해리되어 H2PO4 -, HPO4 2 - 및 PO4 3-로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 물질일 수 있다.
상기 인산염계 복합체는 인산(H3PO4), 포스페이트 모노에스테르(phosphate monoester), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 포스페이트 디에스테르(phosphate diester) 및 트리칼슘포스페이트(tricalsium phosphate, Ca3(PO4)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 다공성 탄소재와 상기 인산염계 복합체는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.5∼20 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 Fe3O4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 Fe3O4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 CaCO3를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaCO3는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 CaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 BaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 BaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 탄화 처리는 500∼1,000 ℃의 온도에서 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 포함하고, 상기 생체적합성 다공성 탄소재는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 제공한다.
본 발명에 의하면, 활성산소종(reactive oxygen species)의 발생이 적고 독성이 적어 생체적합성이 우수하며, 세포 생존율 시험에서 생포 생존율이 높게 나타나는 생체적합성 다공성 탄소재를 간단한 공정으로 제조할 수 있다.
상기 생체적합성 다공성 탄소재는 생체에 대한 독성이 적으므로 생체 삽입 의료기기용 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있다.
상기 생체적합성 다공성 탄소재를 양극과 음극의 전극활물질로 사용함으로써 의료기기 등에 적용할 수 있는 슈퍼커패시터를 제조할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 2 내지 도 5는 일 예에 따른 권취형 슈퍼커패시터를 보여주는 도면이다.
도 6은 실험예 1에 따라 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 사용하여 세포 생존율 실험을 수행한 결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 실험예 1에 따라 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 사용하여 활성산소종(ROS; reactive oxygen species) 발생 실험을 수행한 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 실험예 3에 따라 제조된 슈퍼커패시터, 실험예 4에 따라 제조된 슈퍼커패시터, 실험예 5에 따라 제조된 슈퍼커패시터 각각에 대한 주사 속도에 따른 비축전용량을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법은, (a) 다공성 탄소재를 인산염계 복합체에 침적시키기 위하여 다공성 탄소재와 인산염계 복합체를 혼합하는 단계 및 (b) 상기 인산염계 복합체에 침적된 다공성 탄소재를 탄화 처리하는 단계를 포함한다.
상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 인산염계 복합체는 물에서 해리되어 H2PO4 -, HPO4 2 - 및 PO4 3-로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 물질일 수 있다.
상기 인산염계 복합체는 인산(H3PO4), 포스페이트 모노에스테르(phosphate monoester), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 포스페이트 디에스테르(phosphate diester) 및 트리칼슘포스페이트(tricalsium phosphate, Ca3(PO4)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 다공성 탄소재와 상기 인산염계 복합체는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.5∼20 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 Fe3O4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 Fe3O4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 CaCO3를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaCO3는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 CaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계에서 BaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 BaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 탄화 처리는 500∼1,000 ℃의 온도에서 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 제조방법은, 상기 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계와, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계와, 전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계 및 상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슈퍼커패시터는, 상기 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 포함하고, 상기 생체적합성 다공성 탄소재는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고, 상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
다공성 탄소재를 준비한다. 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
인산염계 복합체를 준비한다.
상기 인산염계 복합체는 물에서 해리되어 H2PO4 -, HPO4 2 - 및 PO4 3-로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 물질일 수 있다.
상기 인산염계 복합체는 인산(H3PO4), 포스페이트 모노에스테르(phosphate monoester), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 포스페이트 디에스테르(phosphate diester) 및 트리칼슘포스페이트(tricalsium phosphate, Ca3(PO4)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
인산(H3PO4)의 구조를 아래의 구조식 1에 나타내었다.
[구조식 1]
Figure pat00001
포스페이트 모노에스테르(phosphate monoester)의 구조를 아래의 구조식 2에 나타내었다. 포스페이트 모노에스테르는 물에서 해리되어 H2PO4 -를 포함하는 물질이다.
[구조식 2]
Figure pat00002
포스페이트 에스테르(phosphate ester)의 구조를 아래의 구조식 3에 나타내었다. 포스페이트 에스테르는 물에서 해리되어 H2PO4 -를 포함하는 물질이다.
[구조식 3]
Figure pat00003
포스페이트 디에스테르(phosphate diester)의 구조를 아래의 구조식 4에 나타내었다. 포스페이트 디에스테르는 물에서 해리되어 HPO4 2 -를 포함하는 물질이다.
[구조식 4]
Figure pat00004
트리칼슘포스페이트(tricalsium phosphate, Ca3(PO4)2)의 구조를 아래의 구조식 5에 나타내었다. 트리칼슘포스페이트는 물에서 해리되어 PO4 3-를 포함하는 물질이다.
[구조식 5]
Figure pat00005
상기 다공성 탄소재를 상기 인산염계 복합체에 침적시키기 위하여 상기 다공성 탄소재와 상기 인산염계 복합체를 혼합한다. 상기 다공성 탄소재와 상기 인산염계 복합체는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.5∼20 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합 시에 Fe3O4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 Fe3O4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합 시에 CaCO3를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaCO3는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합 시에 CaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 CaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합 시에 BaSO4를 더 혼합할 수 있으며, 상기 BaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 인산염계 복합체에 침적된 다공성 탄소재를 탄화 처리한다. 상기 탄화처리는 500∼1000℃ 정도의 온도에서 10분∼12시간 동안 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 비활성 가스 분위기는 질소(N2), 아르콘(Ar), 헬륨(He)과 같은 가스 분위기를 의미한다.
본 발명에 따르면, 생체적합성이 향상된 소재 합성 공정의 단순화를 도모할 수 있으며, 생체적합성 다공성 탄소재를 생체 삽입 의료기기용 에너지 저장장치 등에 적용할 수 있다.
이하에서, 상기 생체적합성 다공성 탄소재를 이용하여 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
상술한 생체적합성 다공성 탄소재, 도전재, 바인더, 및 분산매를 포함하는 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조한다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 상기 생체적합성 다공성 탄소재, 상기 생체적합성 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 도전재 2∼20중량부, 상기 생체적합성 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 바인더 2∼20중량부, 상기 생체적합성 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 분산매 200∼300중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 반죽 상이므로 균일한 혼합(완전 분산)이 어려울 수 있는데, 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기(mixer)를 사용하여 소정 시간(예컨대, 10분∼12시간) 동안 교반시키면 전극 제조에 적합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 얻을 수 있다. 플래니터리 믹서(Planetary mixer)와 같은 혼합기는 균일하게 혼합된 슈퍼커패시터 전극용 조성물의 제조를 가능케 한다.
상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF; polyvinylidenefloride), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC; carboxymethylcellulose), 폴리비닐알코올(PVA; poly vinyl alcohol), 폴리비닐부티랄(PVB; poly vinyl butyral), 폴리비닐피롤리돈(PVP; poly-N-vinylpyrrolidone), 스티렌부타디엔고무(SBR; styrene butadiene rubber), 폴리아마이드-이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 도전재는 화학 변화를 야기하지 않는 전자 전도성 재료이면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 슈퍼-피(Super-P) 블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유 등이 가능하다.
상기 분산매는 에탄올(EtOH), 아세톤, 이소프로필알콜, N-메틸피롤리돈(NMP), 프로필렌글리콜(PG) 등의 유기 용매 또는 물을 사용할 수 있다.
생체적합성 다공성 탄소재, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합한 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하고, 전극 형태로 형성된 결과물을 100℃∼350℃의 온도에서 건조하여 전극을 형성한다.
전극을 형성하는 단계의 예를 보다 구체적으로 설명하면, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤프레스 성형기를 이용하여 압착하여 성형할 수 있다. 롤프레스 성형기는 압연을 통한 전극밀도 향상 및 전극의 두께 제어를 목적으로 하고 있으며, 상단과 하단의 롤과 롤의 두께 및 가열 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러와, 전극을 풀어주고 감아줄 수 있는 와인딩부로 구성된다. 롤상태의 전극이 롤프레스를 지나면서 압연공정이 진행되고 이것이 다시 롤상태로 감겨서 전극이 완성된다. 이때, 프레스의 가압 압력은 5∼20 ton/㎠로 롤의 온도는 0∼150℃로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 프레스 압착 공정을 거친 슈퍼커패시터 전극용 조성물은 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 성형된 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
또한, 전극을 형성하는 다른 예를 살펴보면, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 티타늄 호일(Ti foil), 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 금속 집전체에 붙여서 전극 형상으로 제조할 수도 있다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다. 상기와 같은 공정을 거친 전극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 100℃∼250℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 온도에서 수행된다.
상기와 같이 제조된 슈퍼커패시터 전극은 고용량으로서 소형의 코인형 슈퍼커패시터에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 슈퍼커패시터의 사용 상태도로서, 상기 슈퍼커패시터 전극이 적용된 코인형 슈퍼커패시터의 단면도를 보인 것이다. 도 1에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 슈퍼커패시터는, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 슈퍼커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 슈퍼커패시터에 충전되는 전해액은 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 다른 예에 따른 슈퍼커패시터를 보여주는 도면으로서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 슈퍼커패시터를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
상술한 생체적합성 다공성 탄소재, 바인더, 도전재 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 방법은 앞서 설명한 방법과 동일하다.
상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 알루미늄 호일(Al foil), 알루미늄 에칭 호일(Al etching foil)과 같은 금속 호일(metal foil)에 코팅하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트(sheet) 상태(고무 타입)로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 양극 및 음극 형상으로 제조한다. 상기 알루미늄 에칭 호일이라 함은 알루미늄 호일을 요철 모양으로 에칭한 것을 의미한다.
상기와 같은 공정을 거친 양극 및 음극 형상에 대하여 건조 공정을 거친다. 건조 공정은 100℃∼350℃, 바람직하게는 150℃∼300℃의 온도에서 수행된다. 이때, 건조 온도가 100℃ 미만인 경우 분산매의 증발이 어려워 바람직하지 않으며, 350℃를 초과하는 고온 건조 시에는 도전재의 산화가 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서 건조 온도는 적어도 100℃ 이상이고, 350℃를 넘지 않는 것이 바람직하다. 그리고 건조 공정은 위와 같은 온도에서 약 10분∼6시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 건조(분산매 증발)시킴과 동시에 분말 입자를 결속시켜 슈퍼커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하거나 시트 상태로 만들어 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 제조한 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 음극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체로 이루어진 것일 수도 있다.
이와 같이 제작된 슈퍼커패시터를 도 5에 개략적으로 나타내었다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 인산염계 복합체를 이용하여 생체적합성 다공성 탄소재 제조
활성탄인 MSP20 10g과 인산염계 복합체인 포스페이트 에스테르(Phosphate ester)의 일종인 TRITON™ H-66(Dow Chemical Co., USA) 0.05g을 첨가한 후 유발을 통해 혼합하여 상기 활성탄이 인산염계 복합체에 침적되도록 하였다. 이후 탄화를 위하여 900 ℃의 온도에서 1시간 동안 질소 분위기에서 탄화 처리를 수행하여 생체적합성 다공성 탄소재를 제조하였다.
<실시예 2> 인산염계 복합체를 이용하여 생체적합성 다공성 탄소재 제조
활성탄인 MSP20 10g과 인산염계 복합체인 포스페이트 에스테르(Phosphate ester)의 일종인 TRITON™ H-66(Dow Chemical Co., USA) 0.1g을 첨가한 후 유발을 통해 혼합하여 상기 활성탄이 인산염계 복합체에 침적되도록 하였다. 이후 탄화를 위하여 900 ℃의 온도에서 1시간 동안 질소 분위기에서 탄화 처리를 수행하여 생체적합성 다공성 탄소재를 제조하였다.
<실험예 1> 세포 생존율 시험
물질의 세포독성에 대한 시험을 위하여 원숭이 유래의 키드니 셀(kidney cell)(cos-7, ATCCCRL-1651, KCTC)을 분양받아 생체외(in vitro)에서 활성탄(AC; Activated carbon)인 MSP20, 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재에 대한 독성시험을 하였다.
먼저, 영장류의 표피 세포인 키드니 셀(cos-7)을 DMEM(Dulbecos Modified Eagless Medium, Gibco, Lifetechnology Inc., USA), 10% FBS(Fetal bovine serum, Gibco, Lifetechnology Inc., USA), 1% 페니실린-스트렙토마이신(Penicillin-Streptomycin)(Gibco, Lifetechnology Inc., USA) 배양액에서 37 ℃, 5% CO2 인큐베이터(incubator)에서 배양하였다. 배양된 세포를 12-웰플레이트(12-well plate)에 2.5×105 cell/well 수만큼 계대 배양하여 24시간 동안 37 ℃, 5% CO2 인큐베이터(incubator)에서 배양하였다. 배양된 세포에 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 10㎍/㎖의 농도로 첨가하여 24시간 동안 37 ℃, 5% CO2 인큐베이터(incubator)에서 배양하였다. 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재로 각각 처리된 세포배양 플레이트(plate)에 CCK-8 kit solution(Cell Counting Kit-8, sigma-aldrich., USA)을 10㎕씩 처리하고 3시간 동안 37 ℃, 5% CO2 인큐베이터(incubator)에서 배양하였다. 3시간 후 상등액을 150㎕씩 취하여 96-웰플레이트(96-well plate)에 옮겨 담은 후, 파장(wavelength) 450nm에서 흡광도를 측정하였다.
도 6은 실험예 1에 따라 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 사용하여 세포 생존율 실험을 수행한 결과를 보여주는 도면이다. 도 6에서 '비교예'는 실험예 1에서 활성탄을 사용한 경우에 대한 것이고, '실시예 1'은 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우에 대한 것이며, '실시예 2'는 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우에 대한 것이다.
도 6을 참조하면, 활성탄을 사용한 경우(도 6에서 '비교예' 참조)의 세포 생존율은 30% 였고, 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우(도 6에서 '실시예 1' 참조)에는 세포 생존율이 68%, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우(도 6에서 '실시예 2' 참조)에는 세포 생존율은 74% 였다. 실시예 1 및 실시예 2에 따라 인산염계 복합체로 처리하여 얻은 생체적합성 다공성 탄소재의 경우에 일반 활성탄을 사용한 경우(비교예)보다 세포 생존율이 2배 이상 증가한 것으로 독성이 감소한 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 활성산소종(ROS; reactive oxygen species) 발생 시험
DCF-DA(2', 7'-Dichlorofluorescin Diacetate, Merckmillipore co., Ltd, Germany) 가수분해를 위하여 0.01N NaOH(sodium hydroxide, Junsei chemical Co., Ltd, Japan) 4㎖에 10 μM DCF-DA를 100㎕ 넣고 30분 동안 암실에서 반응시켰다.
가수분해되는 동안 시료 준비와 표준(standard) 용액을 준비하였다. 먼저, 활성탄(AC; Activated carbon)인 MSP20, 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재 및 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 1X PBS(phosphate buffered saline, Thermo Fisher Scientific Inc., USA)에 녹여서 시료를 준비하였다. 상기 표준(Standard) 용액은 H2O2(Hydrogen peroxide, Junsei chemical Co., Ltd, Japan)를 사용하였으며, 연속 희석법(serial dilution)을 이용하여 증류수로 10μM로 희석하여 준비하였다.
가수분해가 끝난 DCF-DA 용액 1㎖에 PBS 200㎖, 0.01N NaOH 40㎖을 넣어서 중화를 시켰다. 중화가 끝난 용액과 활성탄을 1:1의 비율(부피비)로, 중화가 끝난 용액과 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 1:1의 비율(부피비)로, 중화가 끝난 용액과 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 1:1의 비율(부피비)로 각각 표준(standard) 용액에 넣은 후, 서양고추냉이 효소인 HRP(horseradish peroxide)를 2.2 unit/㎖이 되게 넣었다. 37 ℃ 수조(water bath)에서 암실 조건으로 15분간 반응시켰다. 반응이 끝난 시료를 15000rpm, 4℃, 15min 원심분리(centrifuge) 조건으로 층 분리를 하여 상등액만 취한 후, Excitation: 485nm, Emission: 590nm 조건에서 형광을 측정하였다.
도 7은 실험예 1에 따라 활성탄(AC), 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 각각 사용하여 활성산소종(ROS; reactive oxygen species) 발생 실험을 수행한 결과를 보여주는 도면이다. 도 7에서 '비교예'는 실험예 1에서 활성탄을 사용한 경우에 대한 것이고, '실시예 1'은 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우에 대한 것이며, '실시예 2'는 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용한 경우에 대한 것이다.
도 7을 참조하면, 물질에 독성이 있을 경우 세포의 손상으로 인하여 활성산소종의 발생도가 높아진다. 실시예 1 및 실시예 2에 따라 인산염계 복합체로 처리하여 얻은 생체적합성 다공성 탄소재의 경우에 일반 활성탄을 사용한 경우(비교예)보다 활성 산소량이 감소한 것으로 확인되었으며, 따라서 독성이 감소하여 생체 적합성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 3>
전극활물질로 활성탄(AC; Activated carbon)인 MSP20 9g, 도전재 슈퍼-P(super-P) 0.05g, 바인더인 PTFE(polytetrafluoroethylene) 0.5g, 분산매인 에탄올 8g을 혼합한 후, 고속 믹서기를 이용하여 반죽 상태의 전극용 조성물을 제조하였다. 반죽 상태의 전극용 조성물을 롤 프레스(roll pres) 성형기에서 표면이 매끈해질 때까지 성형하였다. 상기 롤 프레스 성형기는 상단의 롤과 하단의 롤을 포함하여 구비된 것으로, 상단의 롤과 하단의 롤 사이로 전극용 조성물을 통과시켜 성형하였다. 상단 롤과 하단의 롤 사이를 통과한 결과물을 반으로 접고 다시 상단의 롤과 하단의 롤 사이를 통과시키는 과정을 15회 반복하여 매끈한 표면을 갖는 전극용 조성물 시트를 얻을 수 있었다. 상기 롤 프레스 성형기의 압연을 통하여 전극 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 두께도 제어할 수 있다. 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 10 ton/㎠ 정도 였고, 가열 온도는 60℃ 정도였다. 롤프레스 성형기를 이용하여 형성된 전극용 조성물 시트를 직경 12㎜의 크기로 펀칭하였다. 펀칭되어 형성된 결과물을 진공건조기에서 건조하였다. 상기 건조는 150℃의 온도에서 24시간 동안 수행하였다. 이렇게 제조된 전극 시트를 슈퍼커패시터 전극으로 사용하였다.
제조된 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하여 직경 20㎜, 높이 3.2㎜를 갖는 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 코인셀을 제작함에 있어 전해액은 아세토나이트릴(Acetonitrile; ACN) 용매에 1M의 TEABF4로 이루어진 것을 사용하였으며, 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)을 사용하였다.
<실험예 4>
전극활물질로 상기 실시예 1에서 제조된 생체적합성 다공성 탄소재 9g, 도전재 슈퍼-P(super-P) 0.05g, 바인더인 PTFE(polytetrafluoroethylene) 0.5g, 분산매인 에탄올 8g을 혼합한 후, 고속 믹서기를 이용하여 반죽 상태의 전극용 조성물을 제조하였다. 반죽 상태의 전극용 조성물을 롤 프레스(roll pres) 성형기에서 표면이 매끈해질 때까지 성형하였다. 상기 롤 프레스 성형기는 상단의 롤과 하단의 롤을 포함하여 구비된 것으로, 상단의 롤과 하단의 롤 사이로 전극용 조성물을 통과시켜 성형하였다. 상단 롤과 하단의 롤 사이를 통과한 결과물을 반으로 접고 다시 상단의 롤과 하단의 롤 사이를 통과시키는 과정을 15회 반복하여 매끈한 표면을 갖는 전극용 조성물 시트를 얻을 수 있었다. 상기 롤 프레스 성형기의 압연을 통하여 전극 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 두께도 제어할 수 있다. 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 10 ton/㎠ 정도 였고, 가열 온도는 60℃ 정도였다. 롤프레스 성형기를 이용하여 형성된 전극용 조성물 시트를 직경 12㎜의 크기로 펀칭하였다. 펀칭되어 형성된 결과물을 진공건조기에서 건조하였다. 상기 건조는 150℃의 온도에서 24시간 동안 수행하였다. 이렇게 제조된 전극 시트를 슈퍼커패시터 전극으로 사용하였다.
제조된 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하여 직경 20㎜, 높이 3.2㎜를 갖는 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 코인셀을 제작함에 있어 전해액은 아세토나이트릴(Acetonitrile; ACN) 용매에 1M의 TEABF4로 이루어진 것을 사용하였으며, 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)을 사용하였다.
<실험예 5>
전극활물질로 상기 실시예 2에서 제조된 생체적합성 다공성 탄소재 9g, 도전재 슈퍼-P(super-P) 0.05g, 바인더인 PTFE(polytetrafluoroethylene) 0.5g, 분산매인 에탄올 8g을 혼합한 후, 고속 믹서기를 이용하여 반죽 상태의 전극용 조성물을 제조하였다. 반죽 상태의 전극용 조성물을 롤 프레스(roll pres) 성형기에서 표면이 매끈해질 때까지 성형하였다. 상기 롤 프레스 성형기는 상단의 롤과 하단의 롤을 포함하여 구비된 것으로, 상단의 롤과 하단의 롤 사이로 전극용 조성물을 통과시켜 성형하였다. 상단 롤과 하단의 롤 사이를 통과한 결과물을 반으로 접고 다시 상단의 롤과 하단의 롤 사이를 통과시키는 과정을 15회 반복하여 매끈한 표면을 갖는 전극용 조성물 시트를 얻을 수 있었다. 상기 롤 프레스 성형기의 압연을 통하여 전극 밀도를 향상시킬 수 있고 전극의 두께도 제어할 수 있다. 전극용 조성물에 인가되는 가압 압력은 10 ton/㎠ 정도 였고, 가열 온도는 60℃ 정도였다. 롤프레스 성형기를 이용하여 형성된 전극용 조성물 시트를 직경 12㎜의 크기로 펀칭하였다. 펀칭되어 형성된 결과물을 진공건조기에서 건조하였다. 상기 건조는 150℃의 온도에서 24시간 동안 수행하였다. 이렇게 제조된 전극 시트를 슈퍼커패시터 전극으로 사용하였다.
제조된 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하여 직경 20㎜, 높이 3.2㎜를 갖는 코인셀 형태의 슈퍼커패시터를 제조하였다. 이때, 코인셀을 제작함에 있어 전해액은 아세토나이트릴(Acetonitrile; ACN) 용매에 1M의 TEABF4로 이루어진 것을 사용하였으며, 분리막은 TF4035(일본 NKK사 제품)을 사용하였다.
도 8은 실험예 3에 따라 제조된 슈퍼커패시터, 실험예 4에 따라 제조된 슈퍼커패시터, 실험예 5에 따라 제조된 슈퍼커패시터 각각에 대한 주사 속도에 따른 비축전용량을 보여주는 도면이다. 도 8에서 '비교예'는 활성탄을 사용하여 실험예 3에 따라 슈퍼커패시터를 제조한 경우에 대한 것이고, '실시예 1'은 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용하여 실험예 4에 따라 슈퍼커패시터를 제조한 경우에 대한 것이며, '실시예 2'는 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 사용하여 실험예 5에 따라 슈퍼커패시터를 제조한 경우(실험예 5의 경우)에 대한 것이다.
도 8을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우(실험예 4의 경우)와, 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우(실험예 4의 경우)의 에너지 저장장치의 가능성을 확인하기 위하여 전기화학 분석 결과 에너지 저장장치로 구동하는 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재와 실시예 2에 따라 제조된 생체적합성 다공성 탄소재는 생체적합성이 향상되었으나, 이를 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우에 일반 활성탄을 이용하여 슈퍼커패시터를 제조한 경우(도 8에서 '비교예' 참조)에 비하여 비축전용량은 감소하는 것으로 나타났다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 음극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓

Claims (12)

  1. (a) 다공성 탄소재를 인산염계 복합체에 침적시키기 위하여 다공성 탄소재와 인산염계 복합체를 혼합하는 단계; 및
    (b) 상기 인산염계 복합체에 침적된 다공성 탄소재를 탄화 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 탄소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀 및 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인산염계 복합체는 물에서 해리되어 H2PO4 -, HPO4 2 - 및 PO4 3-로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 음이온을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인산염계 복합체는 인산(H3PO4), 포스페이트 모노에스테르(phosphate monoester), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 포스페이트 디에스테르(phosphate diester) 및 트리칼슘포스페이트(tricalsium phosphate, Ca3(PO4)2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
    상기 다공성 탄소재와 상기 인산염계 복합체는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.5∼20 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 Fe3O4를 더 혼합하며,
    상기 Fe3O4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 CaCO3를 더 혼합하며,
    상기 CaCO3는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 CaSO4를 더 혼합하며,
    상기 CaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 BaSO4를 더 혼합하며,
    상기 BaSO4는 상기 다공성 탄소재 100중량부에 대하여 0.01∼5 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탄화 처리는 500∼1,000 ℃의 온도에서 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 생체적합성 다공성 탄소재의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재, 도전재, 바인더 및 분산매를 혼합하여 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 제조하는 단계;
    상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 압착하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 금속 호일에 코팅하여 전극 형태로 형성하거나, 상기 슈퍼커패시터 전극용 조성물을 롤러로 밀어 시트 상태로 만들고 금속 호일 또는 집전체에 붙여서 전극 형태로 형성하는 단계;
    전극 형태로 형성된 결과물을 건조하여 슈퍼커패시터 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 슈퍼커패시터 전극을 양극과 음극으로 사용하며, 상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막을 배치하고, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극을 비수계 전해액에 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 생체적합성 다공성 탄소재를 포함하고,
    상기 생체적합성 다공성 탄소재는 양극과 음극의 전극활물질로 사용하며,
    상기 양극과 상기 음극 사이에 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막이 배치되며,
    상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극은 전해액에 함침되어 있고,
    상기 전해액은 비수계 전해액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101281766B1 (ko) 2011-04-14 2013-07-02 재단법인 포항산업과학연구원 다공성 탄소재 및 그 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220049723A (ko) * 2020-10-15 2022-04-22 한국세라믹기술원 질소 및 불소가 공동 도핑된 슈퍼커패시터용 전극활물질 제조 방법과, 이를 이용한 고출력 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법

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