KR20210000045A - fibre type supercapacitor and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fibrous supercapacitor and a method of manufacturing the same.
최근 전자기기, 가전제품, 산업 기기 등의 발전과 함께 전자 부품 역시 고급화, 소형화 및 경량화하고 있으며, 전자 부품의 다양화 추세에 따라 부품의 다기능화도 요구되고 있다. 일 예로서 2차 전지와 커패시터의 기능을 결합한 전기 에너지 저장 소자인 슈퍼 커패시터(supercapacitor)가 각광받고 있다. With the recent development of electronic devices, home appliances, and industrial devices, electronic components are also becoming more advanced, smaller, and lighter, and according to the trend of diversification of electronic components, multifunctionalization of components is also required. As an example, a supercapacitor, which is an electric energy storage device that combines the functions of a secondary battery and a capacitor, is in the spotlight.
슈퍼 커패시터(super capacitor, SC)는 콘덴서 또는 전해액 커패시터에 비해 월등히 많은 용량을 갖는 에너지저장 디바이스를 나타내는 용어로, 초고용량 커패시터 또는 울트라 커패시터로 명명되기도 한다. A super capacitor (SC) is a term representing an energy storage device having a significantly larger capacity than a capacitor or an electrolyte capacitor, and is sometimes referred to as an ultra high capacity capacitor or an ultra capacitor.
슈퍼 커패시터는 전형적으로 2개의 전극, 집전체, 전해질 및 세퍼레이터로 이루어지며 세퍼레이터로 인하여 2개의 전극 간에 충진된 전해질은 상호 전기적으로 분리된다. 집전체는 전극 내 전하를 효과적으로 충전 또는 방전하도록 하는 역할을 한다. 슈퍼 커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동 또는 표면화학 반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 즉, 양(+) 이온과 음(-) 이온으로 이루어진 전해질과 많은 량의 이온들이 전기적인 흡착을 할 수 있도록 큰 비표면적을 갖는 다공성 전도체 물질을 전극으로 이용하는 단위 셀(cell)의 구조를 가지며, 단위 셀 전극의 양단에 전압이 인가되면 전해질 내의 이온들이 전기장(electric field)을 따라 이동하여 전극 표면에 흡착한 후 발생되는 전기화학적 메커니즘을 갖게 된다.Supercapacitors typically consist of two electrodes, a current collector, an electrolyte and a separator, whereby the electrolyte filled between the two electrodes is electrically separated from each other. The current collector serves to effectively charge or discharge electric charges in the electrode. Unlike a battery that uses a chemical reaction, a supercapacitor uses a simple movement of ions to an electrode-electrolyte interface or a charging phenomenon through a surface chemical reaction. In other words, it has a structure of a unit cell using an electrolyte composed of positive (+) ions and negative (-) ions and a porous conductor material having a large specific surface area as an electrode so that a large amount of ions can be electrically adsorbed. , When a voltage is applied to both ends of the unit cell electrode, ions in the electrolyte move along an electric field and are adsorbed on the electrode surface, and then have an electrochemical mechanism.
한편, 휴대용 기기 또는 웨어러블(wearable) 형태의 전자기기에 대한 관심이 증가함에 따라, 얇고, 가벼우며, 그리고 유연성을 갖고 있는 에너지 저장소자의 개발에 관심이 집중되고 있다. 섬유형태의 에너지 저장소자는 이러한 요구에 부합되는 특성을 갖고 있고, 특히 웨어러블 기기에 적용시킬 경우 직물에 직접적으로 사용하는 것이 가능한 매우 유용한 형태이다. 이와 같이 비전통적인 소자 형태는 스마트 스킨, 인체 친화적이면서 임플란트 가능한 센서등과 같은 웨어러블 전자기기 분야에서 새로운 영역을 형성하게 되었다. 특히, 통신 및 센싱 기능을 가지는 웨어러블 기기에 대한 시장이 급격히 커짐에 따라 착용의 편리함 및 디자인에 강점을 갖는 직물(textile) 기반의 에너지 저장 소재 및 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 예를 들면, 스마트 스킨은 잠재적으로는 인체의 생리 신호 및 헬스케어 데이터를 모니터링할 수 있는 온-바디 센싱에 대한 해결방안을 제공할 수 있다. 특히, 스마트 직물(textile)은 생활환경 중 의류의 기능에 혁명적 변화를 일으킬 수 있을 것으로 전망된다.Meanwhile, as interest in portable devices or wearable electronic devices increases, attention is focused on the development of energy storage devices that are thin, light, and flexible. The fiber-type energy storage device has characteristics that meet these requirements, and is a very useful form that can be used directly on fabrics, especially when applied to wearable devices. Such non-traditional device types have formed a new area in the field of wearable electronic devices, such as smart skins and human-friendly and implantable sensors. In particular, as the market for wearable devices having communication and sensing functions is rapidly growing, interest in textile-based energy storage materials and devices having advantages in convenience of wearing and design is increasing. For example, smart skins can potentially provide a solution to on-body sensing that can monitor human physiological signals and healthcare data. In particular, smart textiles are expected to revolutionize the function of clothing in living environments.
웨어러블 전자기기는 충분하고 장시간 유지되는 에너지 공급을 제공하기 위하여 단일 섬유 기재 상에 트랜지스터, 디스플레이 및 에너지 하베스팅, 전환 및 저장 디바이스와 같은 기능적 전자 부품의 개발을 요구한다. 이와 관련하여 종래의 기술로, M Pasta et al, Nano Res, 2010, 3, 452-458; K Jost et al, Energy Environ Sci, 2011, 4에는 통상의 디바이스, 특히 액상 전해질 기반의 디바이스를 기존의 직물 또는 섬유 상에 직접 부착하려는 시도가 이루어진 바 있으나, 이러한 접근 방법은 웨어러블 특성, 안전성 등에 있어서 많은 곤란성을 유발하고 있다. 특히, 종래의 슈퍼 커패시터에 사용된 액상 전해질의 경우, 독성 및 부식성을 갖고 있어 벌키한 패키징 기술이 필요하여, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법이 요구되고 있다.Wearable electronics require the development of functional electronic components such as transistors, displays and energy harvesting, conversion and storage devices on a single fiber substrate to provide a sufficient and long-lasting energy supply. In this regard, as a conventional technique, M Pasta et al, Nano Res, 2010, 3, 452-458; In K Jost et al, Energy Environ Sci, 2011, 4, attempts have been made to attach conventional devices, especially liquid electrolyte-based devices, directly onto existing fabrics or fibers, but this approach is not limited to wearable characteristics and safety. It causes a lot of difficulties. In particular, in the case of a liquid electrolyte used in a conventional supercapacitor, a bulky packaging technology is required because of its toxicity and corrosiveness, and a method of manufacturing a fibrous supercapacitor capable of solving this problem is required.
본 발명의 목적은 섬유형 슈퍼 커패시터 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a fibrous supercapacitor and a method for manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위해, To achieve the above object,
본 발명의 일 실시예는 An embodiment of the present invention
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 1 전극;A first electrode including a conductive fiber bundle made of a plurality of conductive fibers;
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 2 전극; 및A second electrode including a conducting fiber bundle made of a plurality of conducting fibers; And
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 둘러싸는 겔(gel)타입의 전해질;을 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터를 제공할 수 있다. It is possible to provide a fibrous super capacitor including a gel-type electrolyte surrounding the first electrode and the second electrode.
또한, 본 발명의 다른 실시예는, In addition, another embodiment of the present invention,
제 1 섬유형 슈퍼 커패시터; 및A first fibrous super capacitor; And
상기 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터와 직렬 또는 병렬로 연결되도록 배치된 2 섬유형 슈퍼 커패시터;를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 제공할 수 있다.It is possible to provide a fiber-type supercapacitor assembly including two fiber-type supercapacitors arranged to be connected in series or in parallel with the first fiber-type supercapacitor.
또한, 본 발명의 다른 실시예는In addition, another embodiment of the present invention
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 2개를 배치하여 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계; 및Forming a first electrode and a second electrode by arranging two conductive fiber bundles made of a plurality of conductive fibers; And
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 겔(gel)타입의 전해질로 코팅하는 단계;를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공할 수 있다.It is possible to provide a method of manufacturing a fibrous supercapacitor comprising; coating the first electrode and the second electrode with a gel-type electrolyte.
본 발명의 섬유형 커패시터는 전도성 섬유다발 및 겔(gel)타입의 전해질을 포함하며, 소형으로 제조할 수 있고, 가볍고 유연성이 우수하여 웨어러블(wearable) 전자기기에 사용할 수 있다.The fibrous capacitor of the present invention includes a conductive fiber bundle and a gel-type electrolyte, can be manufactured in a small size, and can be used in wearable electronic devices because it is light and has excellent flexibility.
본 발명의 섬유형 커패시터는 전하의 저장용량(capacitance) 및 저장용량 유지율(capacitance retention)이 우수한 장점이 있다.The fibrous capacitor of the present invention has an advantage of excellent charge storage capacity and storage capacity retention.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 커패시터 집합체는 섬유형 커패시터를 복수개 포함할 수 있으며, 소자의 에너지 및 파워를 향상시킬 수 있다.The fibrous capacitor assembly according to the embodiment of the present invention may include a plurality of fibrous capacitors, and energy and power of the device may be improved.
도 1 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터를 나타낸 모식도이고,
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 나타낸 모식도이고,
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제조예 1에 따른 전도성 탄소 섬유다발을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이고,
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따른 전도성 탄소 섬유다발을 라만 분광기로 분석한 그래프이고,
도 8는 본 발명의 실시예 1에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법의 일부분을 나타낸 사진이고,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 전압에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 테스트를 수행한 방법을 나타낸 사진이고,
도 11 내지 도 14는 본 발명의 실시예 1 내지 2에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 전압에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 나타낸 사진이고,
도 16 및 도 18은 본 발명의 실시예 4에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 나타낸 사진이고,
도 17 및 도 19는 본 발명의 실시예 4에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체의 전압에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 20은 본 발명의 실시예 4에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체의 유연성 테스트에 따른 전압-전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 21은 본 발명의 실시예 5에 따라, 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결한 개수에 따른 전압-전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 22는 본 발명의 실시예 5에 따라, 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 테스트를 수행한 방법을 나타낸 사진이고,
도 23는 본 발명의 실시예 5에 따라, 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 테스트에 따른 전압-전류 변화를 측정한 그래프이고,
도 24는 본 발명의 실시예 5 및 6에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 전압에 따른 전류변화를 측정한 그래프이고,
도 25 및 26 각각은 본 발명의 실시예 5 및 6에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 스캔 속도에 따른 길이 커패시턴스(length capacitance) 및 부피 커패시턴스(volume capacitance)값을 측정한 결과 그래프이고,
도 27은 본 발명의 실시예 6 내지 9에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 전압에 따른 전류 변화를 측정한 그래프이다.1 to 3 are schematic diagrams showing a fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention,
4 and 5 are schematic diagrams showing a fibrous supercapacitor assembly according to an embodiment of the present invention,
6A and 6B are photographs of a conductive carbon fiber bundle according to Preparation Example 1 of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM),
FIG. 7 is a graph analyzing a conductive carbon fiber bundle according to Preparation Example 1 of the present invention with a Raman spectroscopy,
8 is a photograph showing a part of a method of manufacturing a fibrous supercapacitor according to Example 1 of the present invention,
9 is a graph measuring the current change according to the voltage of the fiber-type supercapacitor according to Example 1 of the present invention,
10 is a photograph showing a method of performing a flexibility test of a fibrous supercapacitor according to Example 1 of the present invention,
11 to 14 are graphs measuring the current change according to the voltage of the fiber-type supercapacitor according to Examples 1 to 2 of the present invention,
15 is a photograph showing a method of manufacturing a fibrous supercapacitor according to Example 4 of the present invention,
16 and 18 are photographs showing a fiber-type supercapacitor assembly according to Example 4 of the present invention,
17 and 19 are graphs measuring the current change according to the voltage of the fiber-type supercapacitor assembly according to the fourth embodiment of the present invention,
20 is a graph measuring voltage-current change according to the flexibility test of the fiber-type supercapacitor assembly according to the fourth embodiment of the present invention,
21 is a graph measuring voltage-current change according to the number of wire-type fibrous supercapacitors connected in series according to Example 5 of the present invention,
22 is a photograph showing a method of performing a flexibility test of a wire-type fibrous supercapacitor according to Example 5 of the present invention.
23 is a graph measuring voltage-current change according to a flexibility test of a wire-type fiber supercapacitor according to Example 5 of the present invention,
24 is a graph measuring current change according to the voltage of the fibrous supercapacitor according to Examples 5 and 6 of the present invention,
25 and 26 are graphs of results of measuring length capacitance and volume capacitance values according to scan speeds of fibrous supercapacitors according to Examples 5 and 6 of the present invention,
27 is a graph measuring a change in current according to a voltage of the fiber-type supercapacitor according to Examples 6 to 9 of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those having average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for portions having similar functions and functions. In addition, "including" a certain element throughout the specification means that other elements may be further included, rather than excluding other elements unless otherwise stated.
본 명세서에 있어서, "섬유(fiber)"는 기본적인 구조적 특징으로서 섬유 상을 갖는 임의의 물질로서 연속적 또는 비연속적 형상도 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, "섬유 다발(fibre bundle)"은 물리적으로 구별되는 복수의 섬유의 집합체를 의미할 수 있으며, 구체적으로 개별 섬유가 서로 부착되지 않은 상태뿐만 아니라, 경우에 따라서는 일시적으로 서로 부착된다 해도 외력에 의하여 분리 가능한 상태로 집합되어 있는 형태를 의미할 수도 있다.In the present specification, "fiber" may be understood as any material having a fibrous phase as a basic structural feature, and also includes a continuous or discontinuous shape. In addition, "fibre bundle" may mean an aggregate of a plurality of fibers that are physically distinguished. Specifically, individual fibers are not attached to each other, but in some cases, even if they are temporarily attached to each other, external force It may also mean a form that is assembled in a separable state by.
도 1 내지 3은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터를 나타낸 모식도이다.1 to 3 are schematic diagrams showing a fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예는An embodiment of the present invention
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 1 전극(10);A
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 2 전극(20); 및A
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 둘러싸는 겔(gel)타입의 전해질(30);을 포함하는Containing a gel-
섬유형 슈퍼 커패시터(100)를 제공할 수 있다.A fiber
상기 전도성 섬유(conducting fiber)는 1차원 필라멘트 형태의 섬유일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 10 ｕm의 지름을 갖는 필라멘트일 수 있다. 상기 전도성 섬유(conducting fiber)의 길이는 제조하고자 하는 전극의 길이에 따라 변화 가능하고, 상기 전도성 섬유(conducting fiber)의 개수는 제조하고자 하는 전극의 직경 또는 두께에 따라 변화 가능할 수 있다. The conducting fiber may be a one-dimensional filament type fiber, and preferably a filament having a diameter of 5 to 10 μm. The length of the conductive fibers may vary according to the length of the electrode to be manufactured, and the number of the conductive fibers may vary according to the diameter or thickness of the electrode to be manufactured.
상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)은 상기 전도성 섬유를 1,000 내지 10,000개 포함할 수 있으며, 이를 통해 300 내지 800 ｕm의 두께를 갖는 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 전극을 형성할 수 있다. The conductive fiber bundle may include 1,000 to 10,000 conductive fibers, and through this, a conductive fiber bundle electrode having a thickness of 300 to 800 μm may be formed.
상기 전도성 섬유(conducting fiber)는 다공성 재질의 전도성 섬유로 구성될 수 있으며, 이를 통해 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(10)의 비표면적을 향상시킬 수 있다.The conductive fiber may be composed of a conductive fiber made of a porous material, through which the specific surface area of the
상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)은 한 방향으로 정렬된 복수의 전도성 섬유를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 한 방향으로 정렬된 복수개의 전도성 섬유로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)은 매끄러운 표면을 가질 수 있으며, 친수성을 나타낼 수 있어, 친수성 전해질과 우수한 반응성을 나타낼 수 있다.The conductive fiber bundle may preferably include a plurality of conductive fibers aligned in one direction. A conducting fiber bundle composed of a plurality of conductive fibers arranged in one direction may have a smooth surface and exhibit hydrophilicity, and thus may exhibit excellent reactivity with a hydrophilic electrolyte.
반면, 상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)이 복수의 전도성 섬유를 서로 꼬인 상태, 즉, 트위스트된 상태로 포함할 경우, 표면 거칠기가 거칠며, 표면이 소수성을 나타내어 친수성 전해질과의 반응성이 낮을 수 있다. On the other hand, when the conductive fiber bundle includes a plurality of conductive fibers in a twisted state, that is, in a twisted state, the surface roughness is rough and the surface is hydrophobic, so that reactivity with the hydrophilic electrolyte may be low. .
상기 전도성 섬유는 탄소 섬유(carbon fiber)일 수 있고, 상기 전도성 섬유 다발은 탄소 섬유다발(carbon fibre bundle)일 수 있다. 상기 탄소 섬유다발(carbon fibre bundle)은 그래피틱 카본 구조(graphitic carbon structure)일 수 있다. 이 경우, 그래피틱 카본 구조에 의해 상기 전극이 높은 전도성을 나타낼 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 Ω의 저항을 나타낼 수 있다. The conductive fiber may be a carbon fiber, and the conductive fiber bundle may be a carbon fiber bundle. The carbon fiber bundle may be a graphitic carbon structure. In this case, the electrode may exhibit high conductivity, preferably 1 to 10 Ω of resistance due to the grafting carbon structure.
상기 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)은 전기 전도성 및 부피 대 표면비(surface-to-volume)가 높아, 상기 슈퍼 커패시터의 에너지 저장 성능을 향상시킬 수 있다. Since the
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(100)는 상기 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)을 둘러싸는 겔(gel)타입의 전해질(30)을 포함할 수 있다. The
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(100)는 상기 겔(gel)타입의 전해질(30)을 사용함으로써 높은 전하 이동도, 기계적 내구성 및 유연성을 가질 수 있으며, 우수한 이온 전도도 및 전하 이동성을 나타낼 수 있다. The
또한, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(100)는 겔(gel)타입의 전해질(30)을 사용함으로써 별도의 분리막(seperator)을 포함하지 않아도 한 쌍의 전극을 분리할 수 있는 장점이 있다. In addition, the fiber-
상기 겔(gel)타입의 전해질(30)은 고분자 및 이온성 물질을 포함할 수 있으며, 용매로서 물, 유기용매 및 이온성 액체 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. The
이때, 상기 고분자는 겔 형성고분자로, 폴리비닐알코올(PVA), 포타슘 폴리아크릴레이트(PAAK), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리옥시메틸렌, 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(디메틸 실록산), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 화학적 특성이 우수하고, 넓은 pH범위에서 안정적인 폴리비닐알코올(PVA)가 사용될 수 있다.At this time, the polymer is a gel-forming polymer, polyvinyl alcohol (PVA), potassium polyacrylate (PAAK), polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), polyoxymethylene, poly (propylene oxide), poly (
또한, 상기 이온성 물질은 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 수산화나트륨(NaOH), 수산화 리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 염화칼륨(KCl), 황산나트륨(Na2SO4), 염화리튬(LiCl) 및 과염소산리튬(LiClO4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 바람직하게는 약한 산성을 띄며 350.1 S· cm2 ·mol-1로, 보다 높은 이온 전도성을 갖는 인산(H3PO4)이 사용될 수 있다.In addition, the ionic material is sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH). ), potassium chloride (KCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), lithium chloride (LiCl), and lithium perchlorate (LiClO 4 ), but it may be at least one selected from the group consisting of, preferably weakly acidic and 350.1 S·cm With 2 ·mol -1 , phosphoric acid (H 3 PO 4 ) having a higher ionic conductivity can be used.
상기 이온성 물질은 1 내지 50 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 10 중량%일 수 있다. 만약, 상기 전체 중량 이온성 물질의 중량이 50 중량%를 초과할 경우, 상기 전극이 전체적으로 코팅되지 않는 문제가 발생되거나 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성이 저하될 수 있다. 상기 전체 중량 대비 이온성 물질의 중량이 1 중량% 미만일 경우, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 반응특성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. The ionic material may be 1 to 50% by weight, preferably 5 to 10% by weight. If the total weight of the ionic material exceeds 50% by weight, a problem that the electrode is not entirely coated may occur or the flexibility of the fibrous supercapacitor may decrease. When the weight of the ionic material relative to the total weight is less than 1% by weight, there may be a problem that the reaction characteristics of the fibrous supercapacitor are deteriorated.
상기 겔(gel)타입의 전해질(30)은 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함할 수 있다. The gel-
상기 겔(gel)타입의 전해질(30)이 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함함으로써 상기 전해질의 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 슈퍼 커패시터의 커패시턴스(capacitance)를 향상시킬 수 있다.When the gel-
상기 겔(gel)타입의 전해질(30)은 요오드화 칼륨(KI)를 0.001M 내지 0.01M 포함할 수 있으며, 0.004M 내지 0.006M 포함하는 것이 보다 바람직할 수 있다. The gel-
도 1에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(100)는 상기 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 서로 이격하게 배치될 수 있다.1, in the
일 예로, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터(100)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)(40)등의 유연기재상에 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 이격하게 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 배치된 기재가 겔 타입의 전해질(30)로 코팅된 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터일 수 있다.As an example, the
또한, 도 2에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(200)는 스티치보드(50)등의 바느질이 가능한 기재에 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 이격하게 평행하도록 배치되고, 상기 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 배치된 기재가 겔 타입의 전해질(30)로 코팅된 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터일 수 있다.In addition, as shown in Figure 2, the
또한, 도 3에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터(300)는 1차원 형태 또는 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(300)로, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터(300)는, 제 1 전극(10), 제 2 전극(20) 및 겔 타입의 전해질(30)을 포함하고, 상기 제 1 전극을 둘러싸도록 배치된 제 1 코팅층(11) 및 상기 제 2 전극을 둘러싸도록 배치된 제 2 코팅층(21)을 더 포함하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 트위스트 되어 있을 수 있다.In addition, as shown in FIG. 3, the
이때 상기 제 1 코팅층 및 제 2 코팅층은 겔 타입의 전해질과 동일한 물질일 수 있으며, 예를 들어, 제 1 코팅층(11), 제 2 코팅층(21) 및 상기 겔 타입의 전해질(30)은 인산(H2PO4), 폴리비닐알코올(PVA) 및 요오드화칼륨(KI)를 포함할 수 있다.At this time, the first coating layer and the second coating layer may be the same material as the gel-type electrolyte, for example, the
본 발명의 다른 실시예는Another embodiment of the present invention
제 1 섬유형 슈퍼 커패시터; 및A first fibrous super capacitor; And
상기 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터와 직렬 또는 병렬로 연결되도록 배치된 2 섬유형 슈퍼 커패시터;를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 제공할 수 있다. It is possible to provide a fiber-type supercapacitor assembly including two fiber-type supercapacitors arranged to be connected in series or in parallel with the first fiber-type supercapacitor.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 나타낸 모식도이다.4 and 5 are schematic diagrams showing a fibrous supercapacitor assembly according to an embodiment of the present invention.
상기 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체는 상기 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(100,200)를 복수 개 포함하거나, 상기 1차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(300)를 복수개 포함할 수 있으며, 또는 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(100,200) 및 1차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(300) 모두를 포함할 수 있으며, 이를 통해, 다양한 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성할 수 있다.The fibrous supercapacitor assembly may include a plurality of the two-dimensional fibrous supercapacitors (100, 200), or may include a plurality of the one-dimensional
도 4 및 도 5에서와 같이, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체(400)은 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터(401) 및 제 2 섬유형 슈퍼 커패시터(402)를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. As shown in FIGS. 4 and 5, the fiber-type
상기 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체(400)는 2개 이상의 섬유형 슈퍼 커패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하여 커패시턴스(capacitance)값을 조절할 수 있고, 충방전 속도를 조절할 수 있다.The
일 예로, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체(400)는 2개 이상의 섬유형 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결하여, 커패시턴스(capacitance)는 유지하되, 충방전 속도를 줄일 수 있고, 2개의 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결하여, 단위 섬유형 슈퍼 커패시터의 2배의 커패시턴스값을 갖는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성할 수 있고, n개(n=2이상)의 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결하여 n배 향상된 커패시턴스를 갖는 슈퍼 커패시터 집합체를 형성할 수 있다. For example, the
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터는 유연성이 우수해 웨어러블 전자기기에 사용할 수 있다. 또한 겔(gel)타입의 전해질을 포함하므로, 종래의 액상 전해질을 포함하는 슈퍼 커패시터보다 안정성 및 내식성이 높으며, 높은 출력 밀도, 긴 싸이클 수명 및 빠른 충방전 속도를 나타낼 수 있다. The fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention has excellent flexibility and can be used in wearable electronic devices. In addition, since the gel (gel) type electrolyte is included, stability and corrosion resistance are higher than that of a conventional supercapacitor including a liquid electrolyte, and a high power density, a long cycle life, and a fast charge/discharge speed can be displayed.
본 발명의 다른 실시예는,Another embodiment of the present invention,
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 2개를 배치하여 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계; 및Forming a first electrode and a second electrode by arranging two conductive fiber bundles made of a plurality of conductive fibers; And
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 겔(gel)타입의 전해질로 코팅하는 단계;를 포함하는Including; coating the first electrode and the second electrode with a gel-type electrolyte
섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 제공할 수 있다. A method of manufacturing a fibrous supercapacitor can be provided.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention will be described in detail for each step.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계는, 섬유형 슈퍼 커패시터의 양극 및 음극을 형성하는 단계로, 복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 2개 이상을 배치하여 형성할 수 있다.The forming of the first electrode and the second electrode is a step of forming an anode and a cathode of a fibrous supercapacitor, wherein at least two conducting fiber bundles made of a plurality of conducting fibers are formed. Can be formed by placing.
상기 전도성 섬유(conducting fiber)는 1차원 필라멘트 형태의 섬유일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 10 ｕm의 지름을 갖는 필라멘트일 수 있다. 상기 전도성 섬유의 길이는 제조하고자 하는 전극의 길이에 따라 변화 가능하고, 상기 탄소 섬유의 개수는 제조하고자 하는 전극의 직경 또는 두께에 따라 변화 가능할 수 있다. The conducting fiber may be a one-dimensional filament type fiber, and preferably a filament having a diameter of 5 to 10 μm. The length of the conductive fiber may be changed according to the length of the electrode to be manufactured, and the number of carbon fibers may be changed according to the diameter or thickness of the electrode to be manufactured.
일 예로, 1,000 내지 10,000개의 상기 전도성 섬유(conducting fiber)를 통해 00 내지 800 ｕm의 두께의 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 형성할 수 있다.As an example, a conductive fiber bundle having a thickness of 00 to 800 μm may be formed through 1,000 to 10,000 conductive fibers.
상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)은 복수 개의 상기 전도성 섬유(conducting fiber)를 한 방향으로 정렬하여 형성한 것일 수 있고, 상기 복수 개의 전도성 섬유가 서로 분리되지 않도록 상기 한 방향으로 정렬한 복수의 탄소 섬유를 수 회 비틀거나 압력을 가해 형성한 것일 수 있다.The conductive fiber bundle may be formed by aligning a plurality of conductive fibers in one direction, and a plurality of carbons aligned in the one direction so that the plurality of conductive fibers are not separated from each other. It may be formed by twisting or applying pressure several times.
상기 전도성 섬유(conducting fiber)는 다공성 재질의 전도성 섬유로 구성될 수 있으며, 이를 통해 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 전극의 비표면적을 향상시킬 수 있다.The conductive fiber may be composed of a conductive fiber made of a porous material, and thus a specific surface area of the conductive fiber bundle electrode may be improved.
상기 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 이격하게 배치할 수 있다.The first electrode and the second electrode may be disposed to be spaced apart from each other.
이는 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조하기 위한 것으로, PET등의 유연 기재상에 복수 개의 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 이격하고 평행하게 배치하거나 스티치 보드등의 바느질이 가능한 기재상에 상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 이격하고 평행하게 바느질하여 2차원 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조할 수 있다.This is to manufacture a two-dimensional fibrous supercapacitor, and a plurality of conducting fiber bundles are spaced apart and arranged in parallel on a flexible substrate such as PET, or on a material capable of sewing such as a stitch board. It is possible to manufacture a two-dimensional fibrous supercapacitor by separating conductive fiber bundles and sewing them in parallel.
또는, 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법은 상기 제 1 전극을 둘러싸는 제 1 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제 2 전극을 둘러싸는 제 2 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 서로 트위스트(twist) 시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. Alternatively, a method of manufacturing a fibrous supercapacitor may include forming a first coating layer surrounding the first electrode; Forming a second coating layer surrounding the second electrode; And twisting the first electrode and the second electrode with each other.
이는, 1차원 형태 또는 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조하기 위한 것일 수 있다.This may be for manufacturing a one-dimensional or wire-shaped fibrous supercapacitor.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 겔(gel)타입의 전해질로 코팅하는 단계는 이격하게 배치된 또는 서로 트위스트되도록 배치된 제 1 전극 및 제 2전극을 겔(gel)타입의 전해질로 코팅하는 단계일 수 있다.The step of coating the first electrode and the second electrode with a gel-type electrolyte includes coating the first electrode and the second electrode disposed to be spaced apart or twisted with each other with a gel-type electrolyte. Can be
상기 코팅은, 겔 형성 고분자를 이용하여 겔 형태의 전해질 내부에 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle) 전극을 형성하기 위한 것일 수 있다.The coating may be for forming a conducting fiber bundle electrode in a gel-type electrolyte using a gel-forming polymer.
이에, 상기 코팅하는 단계는 고분자, 이온성 물질 및 용매를 혼합한 후 교반하여 혼합용액을 형성하는 단계; 상기 혼합용액에 상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 접촉시키는 단계; 및 상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.Thus, the coating may include mixing a polymer, an ionic material, and a solvent, followed by stirring to form a mixed solution; Contacting the conductive fiber bundle with the mixed solution; And drying the conductive fiber bundle (conducting fiber bundle); may include.
이때, 상기 고분자는 겔 형성고분자로, 폴리비닐알코올(PVA), 포타슘 폴리아크릴레이트(PAAK), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리옥시메틸렌, 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(디메틸 실록산), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 화학적 특성이 우수하고, 넓은 pH범위에서 안정적인 폴리비닐알코올(PVA)가 사용될 수 있다.At this time, the polymer is a gel-forming polymer, polyvinyl alcohol (PVA), potassium polyacrylate (PAAK), polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), polyoxymethylene, poly (propylene oxide), poly (
또한, 상기 이온성 물질은 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 수산화나트륨(NaOH), 수산화 리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 염화칼륨(KCl), 황산나트륨(Na2SO4), 염화리튬(LiCl) 및 과염소산리튬(LiClO4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 바람직하게는 약한 산성을 띄며 350.1 S· cm2 ·mol-1로, 보다 높은 이온 전도성을 갖는 인산(H3PO4)이 사용될 수 있다.In addition, the ionic material is sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH). ), potassium chloride (KCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), lithium chloride (LiCl), and lithium perchlorate (LiClO 4 ), but it may be at least one selected from the group consisting of, preferably weakly acidic and 350.1 S·cm With 2 ·mol -1 , phosphoric acid (H 3 PO 4 ) having a higher ionic conductivity can be used.
상기 혼합용액은 상기 이온성 물질의 중량은 전체 중량 대비 1 내지 50 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 10 중량%일 수 있다. 만약, 상기 전체 중량 이온성 물질의 중량이 50 중량%를 초과할 경우, 상기 전극이 전체적으로 코팅되지 않는 문제가 발생하거나 유연성이 저하될 수 있다. 상기 전체 중량 대비 이온성 물질의 중량이 1 중량% 미만일 경우, 상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 반응특성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. In the mixed solution, the weight of the ionic material may be 1 to 50% by weight, and preferably 5 to 10% by weight, based on the total weight. If the total weight of the ionic material exceeds 50% by weight, a problem in that the electrode is not entirely coated may occur or flexibility may be deteriorated. When the weight of the ionic material relative to the total weight is less than 1% by weight, there may be a problem that the reaction characteristics of the fibrous supercapacitor are deteriorated.
상기 혼합용액은 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함할 수 있다. The mixed solution may further contain potassium iodide (KI).
상기 혼합용액에 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함함으로써 제조되는 겔 형태의 전해질의 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 슈퍼 커패시터의 커패시턴스(capacitance)를 향상시킬 수 있다.By further including potassium iodide (KI) in the mixed solution, the ionic conductivity of the prepared gel electrolyte may be improved, and the capacitance of the super capacitor may be improved.
상기 혼합용액은 요오드화 칼륨(KI)을 0.001M 내지 0.01M 포함할 수 있으며, 0.004M 내지 0.006로 포함하는 것이 보다 바람직할 수 있다. The mixed solution may contain 0.001M to 0.01M of potassium iodide (KI), and it may be more preferable to include 0.004M to 0.006.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
<제조예 1> 전도성 섬유의 제조<Production Example 1> Preparation of conductive fiber
길이가 5.5 cm이고 지름이 약 7ｕm인 탄소 섬유 약 3000개를 한 방향으로 정렬하여 길이가 5.5 cm이고 두께가 0.5 mm인 전도성 탄소 섬유다발(carbon fibre bundle)을 제조하였다.About 3000 carbon fibers with a length of 5.5 cm and a diameter of about 7 μm were aligned in one direction to prepare a conductive carbon fiber bundle with a length of 5.5 cm and a thickness of 0.5 mm.
<실험예 1> 탄소 섬유 다발의 형상 분석<Experimental Example 1> Analysis of the shape of a carbon fiber bundle
제조예 1의 전도성 섬유의 형상을 확인하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope,SEM)을 이용하여 형상분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.In order to confirm the shape of the conductive fiber of Preparation Example 1, shape analysis was performed using a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIG. 6.
도 6의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 제조예 1에 의해 제조된 탄소 섬유다발의 두께는 500 ｕm인 것을 알 수 있다. 제조예 1에 의해 제조된 탄소 섬유다발의 경우, 매끄러운 표면을 갖는 것을 알 수 있다. 상기 표면 거칠기에 의해, 제조예 1에 의해 제조된 탄소 섬유다발은 친수성(hydrophillic)을 가질 것으로 예상해 볼 수 있다.As shown in (a) and (b) of FIG. 6, it can be seen that the thickness of the carbon fiber bundle prepared according to Preparation Example 1 is 500 μm. In the case of the carbon fiber bundle prepared according to Preparation Example 1, it can be seen that it has a smooth surface. By the surface roughness, the carbon fiber bundle prepared according to Preparation Example 1 can be expected to have hydrophilic properties.
<실험예 2> 탄소 섬유다발의 전도성 평가(1)<Experimental Example 2> Evaluation of conductivity of carbon fiber bundle (1)
제조예 1의 탄소 섬유다발의 전도성을 확인하기 위하여, 2 point probe 저항측정기를 이용하여, 제조예 1의 탄소 섬유다발의 저항측정 결과, 제조예 1의 저항은 5Ω으로 전기저항값이 현저히 작아 전도성이 우수하다는 것을 알 수 있다.In order to check the conductivity of the carbon fiber bundle of Preparation Example 1, using a 2-point probe resistance meter, the resistance of the carbon fiber bundle of Preparation Example 1 was measured. As a result, the resistance of Preparation Example 1 was 5 Ω, and the electrical resistance value was significantly small. It can be seen that this is excellent.
<실험예 3> 탄소 섬유다발의 전도성 평가(2)<Experimental Example 3> Evaluation of the conductivity of a carbon fiber bundle (2)
제조예 1에 의해 제조된 탄소 섬유다발의 전도성을 평가하기 위해, 라막 분석기를 이용하여 탄소 섬유다발을 분석하였으며 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to evaluate the conductivity of the carbon fiber bundle prepared in Preparation Example 1, the carbon fiber bundle was analyzed using a Lamak analyzer, and the results are shown in FIG. 7.
도 7에 나타난 바와 같이, 1584 cm-1의 G-band 피크 대비 1350 cm-1의 D band 피크의 값(ID/IG)이 1 이하로 나타났다. As shown in FIG. 7, the value of the D band peak of 1350 cm -1 (I D /I G ) was 1 or less compared to the G-band peak of 1584 cm -1 .
라만 그래프의 IG는 그래피틱 카본 구조(gragphitic carbon structure)를 나타내고, ID는 육면체의 그래피틱 구조상의 결함 및 SP3-수소화된 카본 구조를 나타내며, ID/IG값이 1이하인 경우, 우수한 그래피틱 카본 구조(gragphitic carbon structure)를 가짐을 나타내며, 우수한 전도성을 나타내는 것으로 볼 수 있다. I G in the Raman graph represents the gragphitic carbon structure, I D represents the defect in the hexahedral graffiti structure and the SP 3 -hydrogenated carbon structure, and when the I D /I G value is 1 or less, It shows that it has an excellent gragphitic carbon structure, and can be seen to exhibit excellent conductivity.
<실시예 1><Example 1>
단계 1: 유연성을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)기판상에 제조예 1에 의해 제조된 섬유다발(carbon fibre bundle) 2개를 약 1.5 간격을 두고 서로 평행하게 배치하여 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하였다. Step 1: On a flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate, two carbon fiber bundles prepared according to Preparation Example 1 were placed in parallel with each other at about 1.5 intervals, 2 electrodes were formed.
단계 2: 인산(H3PO4) 2g 및 폴리비닐알코올(PVA) 3g을 증류수(DI-water) 20ml에 투입한 후 약 90℃의 온도에서 교반하였다. 이후, 용액 내의 기포를 제거하기 위해 상온에서 2시간동안 천천히 교반하여 겔 전해질 형성을 위한 혼합용액을 형성하였다. 이후, 도 8에서와 같이 상기 혼합용액을 상기 섬유다발(carbon fibre bundle) 2개를 배치한 PET 기판에 부은 후 상온에서 건조시켜 겔 전해질내에 2개의 섬유다발 전극이 형성된 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조하였다. Step 2: After adding 2 g of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and 3 g of polyvinyl alcohol (PVA) to 20 ml of distilled water (DI-water), the mixture was stirred at a temperature of about 90°C. Thereafter, to remove air bubbles in the solution, the mixture was slowly stirred at room temperature for 2 hours to form a mixed solution for forming a gel electrolyte. Thereafter, as shown in FIG. 8, the mixed solution was poured onto a PET substrate on which two carbon fiber bundles were disposed, and dried at room temperature to prepare a fibrous supercapacitor having two fiber bundle electrodes formed in a gel electrolyte. .
<실시예 2><Example 2>
상기 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 2개를 도 4에서와 같이 직렬(sereis)로 연결하여 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성하였다. Two fibrous supercapacitors prepared in Example 1 were connected in series as shown in FIG. 4 to form a fibrous supercapacitor assembly.
<실시예 3><Example 3>
상기 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 2개를 도 5에서와 같이 병렬(parallel)로 연결하여 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성하였다. Two fibrous supercapacitors prepared according to Example 1 were connected in parallel as shown in FIG. 5 to form a fibrous supercapacitor assembly.
<실시예 4> <Example 4>
단계 1: 도 15에서와 같이, 제조예 1에 의해 제조된 섬유다발(carbon fibre bundle) 8개를 각각 제 1 전극 내지 제 8 전극으로 하고, 상기 제 1 전극 내지 제 8 전극에 상기 실시예 1에서 겔 전해질 형성을 위해 제조한 혼합용액을 바른 후, 건조시켜 상기 제 1 전극 내지 제 8 전극을 코팅하였다. Step 1: As shown in Fig. 15, 8 carbon fiber bundles manufactured according to Preparation Example 1 are used as first to eighth electrodes, respectively, and Example 1 is applied to the first to eighth electrodes. The first to eighth electrodes were coated by applying the mixed solution prepared to form a gel electrolyte in and then drying.
단계 2: 상기 코팅된 제 1 전극 내지 제 8 전극을 도 2에서와 같이 스티치보드에 바느질한 후, 상기 실시예 1에서 겔 전해질 형성을 위해 제조한 혼합용액을 스티치 보드 전체에 바른 후, 건조시켜 스티치 보드에 4개의 섬유형 슈퍼 커패시터를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 제조하였다. 즉, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터, 제 3 전극 및 제 4 전극을 포함하는 제 2 섬유형 슈퍼 커패시터, 제 5 전극 및 제 6 전극을 포함하는 제 3 섬유형 슈퍼 커패시터, 제 7 및 제 8 전극을 포함하는 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 제조하였다. Step 2: After sewing the coated first to eighth electrodes on the stitch board as shown in FIG. 2, the mixed solution prepared for forming the gel electrolyte in Example 1 was applied to the entire stitch board, and then dried. A fibrous supercapacitor assembly including four fibrous supercapacitors was prepared on a stitch board. That is, a first fiber type supercapacitor including a first electrode and a second electrode, a second fiber type super capacitor including a third electrode and a fourth electrode, a third fiber type including a fifth electrode and a sixth electrode A fibrous supercapacitor assembly including a supercapacitor and a fourth fibrous supercapacitor including seventh and eighth electrodes was manufactured.
<실시예 5> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(1)<Example 5> Wire-type fiber supercapacitor (1)
단계 1: 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 길이가 34cm가 되도록 제조한 섬유다발(carbon fibre bundle) 2개를 각각 제 1 전극 및 제 2 전극으로 하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각에 실시예 1에서 겔 형태의 전해질을 형성하기 위해 제조한 혼합용액을 바른 후, 건조시켜 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 상기 혼합용액으로 코팅하였다.Step 1: Prepared in the same manner as in Preparation Example 1, but using two carbon fiber bundles prepared to have a length of 34 cm as a first electrode and a second electrode, respectively, and the first electrode and the second electrode respectively In Example 1, the mixed solution prepared to form a gel electrolyte was applied and dried to coat the first electrode and the second electrode with the mixed solution.
단계 2: 상기 겔 전해질이 코팅된 제 1 전극 및 제 2 전극을 서로 트위스트 시킨 후, 상기 트위스트된 제 1 전극 및 제 2 전극에 상기 실시예 1에서 겔 전해질 형성을 위해 제조한 혼합용액을 바른 후, 건조시켜 제 1 전극 및 제 2 전극이 트위스트된 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조하였다. Step 2: After twisting the first electrode and the second electrode coated with the gel electrolyte with each other, apply the mixed solution prepared for forming the gel electrolyte in Example 1 to the twisted first electrode and the second electrode. , And dried to prepare a fibrous supercapacitor in the form of a wire in which the first electrode and the second electrode are twisted.
<실시예 6> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(2)<Example 6> Wire-type fiber supercapacitor (2)
혼합용액을 하기와 같이 제조하는 것으로 달리하는 것을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여, 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 제조하였다. A wire-shaped fibrous supercapacitor was manufactured by performing the same method as in Example 5, except that the mixed solution was prepared as follows.
즉, 인산(H3PO4) 2ml, 요오드화칼륨(KI) 0.0334g 및 폴리비닐알코올(PVA) 3g을 증류수(DI-water) 20ml에 투입한 후 약 90℃의 온도에서 교반하였다. 이후, 용액 내의 기포를 제거하기 위해 상온에서 2시간동안 천천히 교반하여 요오드화칼륨(KI) 을 0.01M포함하는 겔 전해질 형성을 위한 혼합용액을 형성하였다.That is, phosphoric acid (H 3 PO 4 ) 2 ml, potassium iodide (KI) 0.0334 g, and polyvinyl alcohol (PVA) 3 g were added to 20 ml of distilled water and then stirred at a temperature of about 90°C. Thereafter, in order to remove air bubbles in the solution, the mixture was slowly stirred at room temperature for 2 hours to form a mixed solution for forming a gel electrolyte containing 0.01M potassium iodide (KI).
<실시예 7> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(3)<Example 7> Wire-type fiber supercapacitor (3)
상기 실시예 6에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 3개를 직렬(sereis)로 연결하여 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성하였다. Three wire-shaped fibrous supercapacitors prepared in Example 6 were connected in series to form a fibrous supercapacitor assembly.
<실시예 8> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(4)<Example 8> Wire-type fiber supercapacitor (4)
상기 실시예 6에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 3개를 병렬(parallel)로 연결하여 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성하였다. Three wire-shaped fibrous supercapacitors prepared in Example 6 were connected in parallel to form a fibrous supercapacitor assembly.
<실시예 9> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(5)<Example 9> Wire-type fiber supercapacitor (5)
상기 실시예 6에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 3개에 대해, 1개는 직렬로, 2개는 병렬(parallel)로 연결하여 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 형성하였다. With respect to the three wire-shaped fibrous supercapacitors prepared in Example 6, one was connected in series and two were connected in parallel to form a fibrous supercapacitor assembly.
<실시예 10> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(6)<Example 10> Wire-
상기 실시예 6에서, 요오드화칼륨(KI)을 0.0167g 첨가하여 요오드화칼륨(KI) 을 0.005M포함하는 것으로 달리한 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법을 수행하여, 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성하였다. In Example 6, a fibrous supercapacitor was formed in the same manner as in Example 6, except that 0.0167 g of potassium iodide (KI) was added to contain 0.005 M of potassium iodide (KI).
<실시예 11> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(7)<Example 11> Wire-type fiber supercapacitor (7)
상기 실시예 6에서, 요오드화칼륨(KI)을 0.00835g 첨가하여 요오드화칼륨(KI) 을 0.0025M포함하는 것으로 달리한 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법을 수행하여, 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성하였다. In Example 6, a fibrous supercapacitor was formed in the same manner as in Example 6, except that 0.00835 g of potassium iodide (KI) was added to contain 0.0025 M of potassium iodide (KI).
<실시예 12> 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터(8)<Example 12> Wire-type fiber supercapacitor (8)
상기 실시예 6에서, 요오드화칼륨(KI)을 0.00334g 첨가하여 요오드화칼륨(KI) 을 0.0025M포함하는 것으로 달리한 것을 제외하고 실시예 6과 동일한 방법을 수행하여, 섬유형 슈퍼 커패시터를 형성하였다.In Example 6, a fibrous supercapacitor was formed in the same manner as in Example 6, except that 0.00334 g of potassium iodide (KI) was added to contain 0.0025 M of potassium iodide (KI).
<실험예 4> 섬유형 슈퍼 커패시터의 전기적 특성평가<Experimental Example 4> Evaluation of electrical properties of a fibrous super capacitor
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 전기적 특성을 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로, 전압에 따른 전류의 변화를 반복적으로 측정하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 이때, 0.0 내지 0.8V의 전압범위에서 전압의 스캔속도를 0.1 내지 1.0Vs-1로 하였다. In order to check the electrical characteristics of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention, for the fibrous supercapacitor manufactured according to Example 1, a cyclic voltammetry (CV) measurement method was used to measure the current according to the voltage. The change was repeatedly measured and the results are shown in FIG. 9. At this time, the scan speed of the voltage in the voltage range of 0.0 to 0.8V was set to 0.1 to 1.0Vs -1 .
도 9에 나타난 바와 같이, 전압의 스캔속도 0.1 내지 1.0Vs-1 모두에서 사각형의 순환곡선이 나타났으며, 스캔속도가 달라져도 사각형의 순환곡선 형태가 변하지 않고 유지되는 것을 알 수 있다.In Figure 9 As shown, it can be seen that a square circular curve appeared at all of the voltage scan speeds of 0.1 to 1.0Vs -1 , and the shape of the square circular curve remains unchanged even when the scan speed is changed.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터가 전기 화학적 이중층 커패시터 거동을 나타냄을 알 수 있고, 우수한 전기화학적 특성을 나타냄을 알 수 있다. Through this, it can be seen that the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention exhibits electrochemical double layer capacitor behavior, and excellent electrochemical properties.
또한, 하기 식 1을 이용하여 CV 곡선의 면적으로부터 섬유형 슈퍼 커패시터의총 커패시턴스(Ctotal)을 계산하였다.In addition, the total capacitance (C total ) of the fibrous supercapacitor was calculated from the area of the CV
계산 결과, 1.0 및 0.2 Vs-1에서 커패시턴스값은 각각 220 및 162 ｕF였다.As a result of the calculation, the capacitance values at 1.0 and 0.2 Vs -1 were 220 and 162 μF, respectively.
<식 1><
V: 스캔된전압 윈도우값, V=(V+)-(V-) V: Scanned voltage window value, V=(V+)-(V-)
v: 스캔속도v: scan speed
<실험예 5> 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 평가(1)<Experimental Example 5> Evaluation of flexibility of a fibrous supercapacitor (1)
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성을 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 굳힘 기기(banding machine)을 이용하여 하기와 같은 방법으로 유연성 평가를 실시하였다. In order to confirm the flexibility of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention, the fibrous supercapacitor manufactured according to Example 1 was evaluated for flexibility in the following manner using a banding machine. I did.
도 10에 나타낸 것과 같이, 슈퍼 커패시터 전극의 양끝단의 길이를 5.5cm로 유지한 상태 즉, 굳히지 않은 상태, 전극의 양끝단의 길이가 각각 4.5cm, 3.5cm, 2.5cm, 1.5cm, 0.5cm가 되도록 구부린 상태에 대해, 전압에 따른 전류의 변화를 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)특성을 측정하였으며 그 결과를 도 11 및 도 12에 나타내었다. As shown in Fig. 10, the length of both ends of the super capacitor electrode is maintained at 5.5 cm, that is, in a state that is not solidified, and the lengths of both ends of the electrode are 4.5 cm, 3.5 cm, 2.5 cm, 1.5 cm, and 0.5, respectively. For the state bent so as to be cm, the change in current according to voltage was measured for cyclic voltammetry (CV) characteristics, and the results are shown in FIGS. 11 and 12.
도 11에 나타난 바와 같이, 전극의 양끝단의 길이가 5.5 cm 내지 0.5cm일 때 거의 유사한 CV곡선이 나타났으며, 도 12에 나타난 바와 같이, 캐피시턴스 유지율 또한, 높은값으로 유사하게 나타났다.As shown in FIG. 11, when the lengths of both ends of the electrode were 5.5 cm to 0.5 cm, almost similar CV curves appeared, and as shown in FIG. 12, the capacitance retention rate was also similarly shown at a high value.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터는 구부리더라도 전기적 특성이 변하지 않으며, 구조적 안정성이 뛰어남을 알 수 있다. 즉, 유연성이 우수해 웨어러블 소자에 사용가능할 수 있다. Through this, it can be seen that the electrical properties of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention do not change even when bent and have excellent structural stability. In other words, it has excellent flexibility and can be used for wearable devices.
<실험예 6> 섬유형 슈퍼 커패시터의 직렬 연결에 따른 CV 특성 평가(1)<Experimental Example 6> Evaluation of CV characteristics according to series connection of fiber supercapacitors (1)
실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 및 실시예 2에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 전압에 따른 전류의 변화를 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)특성을 측정하고 그 결과를 도 13 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. The fibrous supercapacitor prepared according to Example 1 and the fibrous supercapacitor assembly prepared according to Example 2 were measured for the change in current according to voltage, and the result was shown in FIG. Indicated. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터에 비해 실시예 2에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체의 CV 곡선은 전압의 윈도우 범위 1.6V로 확대되어, 보다 넓고 얇은 사각형 형태가 나타났다. 반면, 총 면적은 변하지 않고 실시예 1과 동일하게 나타났다. 이를 통해, 실시예 1 및 2의 총 커패시턴스 값은 동일함을 알 수 있다. 이는 옴의 법칙(ohm's law)를 따른 결과로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터를 복수개 직렬로 연결할 경우, 커패시턴스 값은 변하지 않고, 전압의 윈도우 범위가 확장되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 13, the CV curve of the fibrous supercapacitor assembly prepared by Example 2 was expanded to 1.6V in the voltage window compared to the fibrous supercapacitor prepared by Example 1, and thus a wider and thinner rectangle. The shape appeared. On the other hand, the total area did not change and appeared the same as in Example 1. Through this, it can be seen that the total capacitance values of Examples 1 and 2 are the same. This is a result of following Ohm's law, and it can be seen that when a plurality of fibrous supercapacitors according to an embodiment of the present invention are connected in series, the capacitance value does not change, and the voltage window range is extended.
<실험예 7> 섬유형 슈퍼 커패시터의 병렬 연결에 따른 CV 특성 평가(1)<Experimental Example 7> Evaluation of CV characteristics according to parallel connection of fiber supercapacitors (1)
실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 및 실시예 3에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체를 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고 그 결과를 도 14에 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. The fibrous supercapacitor prepared in Example 1 and the fibrous supercapacitor assembly prepared in Example 3 were measured for change in current according to voltage by cyclic voltammetry (CV) measurement, and the results are shown in FIG. 14 Shown in. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
도 14에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터에 비해 실시예 3에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체의 CV 곡선은 보다 넓은 사각형 형태가 나타났으며 총 면적 또한 2배로 크게 나타났다. 이를 통해, 실시예 3의 총 커패시턴스 값은 실시예 1의 총 커패시턴스 값의 2배임을 알 수 있다. 상기 식 1에 의해 계산한 결과, 실시예 3에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체의 커패시턴스값은 461.5 ｕF로, 실시예 1(220.6ｕF)보다 2배 이상 높은 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 14, compared to the fibrous supercapacitor prepared by Example 1, the CV curve of the fibrous supercapacitor assembly prepared by Example 3 showed a wider square shape, and the total area was also doubled. appear. Through this, it can be seen that the total capacitance value of the third embodiment is twice the total capacitance value of the first embodiment. As a result of calculation by
이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터를 복수개 병렬로 연결할 경우, 보다 높은 커패시턴스값을 가질 수 있으며, 병렬로 나열하는 섬유형 슈퍼 커패시터의 개수를 조절하여 소자의 커패시턴스값을 조절할 수 있을 것으로 예상해볼 수 있다. Through this, when a plurality of fibrous supercapacitors according to an embodiment of the present invention are connected in parallel, a higher capacitance value can be obtained, and the capacitance value of the device can be adjusted by adjusting the number of fibrous supercapacitors arranged in parallel. It can be expected.
<실험예 8> 재현성 평가<Experimental Example 8> Evaluation of reproducibility
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 재현성(reproducibility)을 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the reproducibility of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention, the following experiment was performed.
도 16에 나타낸 바와 같이, 실시예 4에 의해 형성된 제 1 내지 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터(1st, 2nd 3rd, 4th)를 포함하는 섬유형 슈펴커패시터에 대해, 제 1 내지 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터 각각에 대해 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고, 그 결과를 도 17에 나타내었다.As shown in Fig. 16, for the fibrous spur capacitors including the first to fourth fibrous supercapacitors 1st, 2nd 3rd, and 4th formed according to the fourth embodiment, the first to fourth fibrous supercapacitors, respectively For the cyclic voltammetry (CV) measurement, the change in current according to the voltage was measured, and the results are shown in FIG. 17.
도 17에 나타난 바와 같이, 4개의 슈퍼 커패시터에서 모두 거의 동일한 크기를 갖는 사각형 형태의 CV 순환곡선이 나타나는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 17, it can be seen that the four supercapacitors have a CV cycle curve in a quadrangular shape having almost the same size.
또한, 상기 식 1에 의해 커패시턴스(capacitance)를 계산한 결과, 4개의 단위 슈퍼 커패시터의 커패시턴스 또한 각각 176.2, 181.9, 144.5 및 179.4 ｕF를 갖는 것을 알 수 있다.In addition, as a result of calculating the capacitance by
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 경우, 높은 재현성을 나타내는 것을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention exhibits high reproducibility.
<실험예 9> 섬유형 슈퍼 커패시터의 병렬 연결에 따른 CV 특성 평가(2)<Experimental Example 9> Evaluation of CV characteristics according to parallel connection of fiber supercapacitors (2)
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 병렬구조에 따른 CV 특성을 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 수행하였다.In order to check the CV characteristics according to the parallel structure of the fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention, the following experiment was performed.
도 18에 나타낸 바와 같이, 실시예 4에 의해 형성된 제 1 내지 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터(1st, 2nd 3rd, 4th)를 포함하는 섬유형 슈펴커패시터에 대해, 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터의 경우, 제 1 및 제 2 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결한 경우, 제 1 내지 제 3 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결한 경우 및 제 1 내지 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결한 경우에 대해 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고 그 결과를 도 19에 나타내었다.As shown in Fig. 18, for the fibrous spur capacitors including the first to fourth fibrous supercapacitors 1st, 2nd 3rd, 4th formed according to the fourth embodiment, in the case of the first fibrous supercapacitor, Cyclic voltage for the case of connecting the first and second fiber supercapacitors in parallel, connecting the first to third fiber supercapacitors in parallel, and connecting the first to fourth fiber supercapacitors in parallel The change in current according to the voltage was measured by a cyclic voltammetry (CV) measurement method, and the results are shown in FIG. 19.
도 19에 나타난 바와 같이, CV 곡선은 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결한 수 많큼 CV 곡선의 넓이가 넓어지는 것을 알 수 있다. 상세하게는, 1 내지 4개의 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결했을 때 CV 순환곡선의 넓이가 1~4배 넓어지는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 19, it can be seen that the CV curve widens as the number of fiber supercapacitors connected in parallel is greater. Specifically, it can be seen that when 1 to 4 fiber supercapacitors are connected in parallel, the width of the CV circulation curve is increased by 1 to 4 times.
또한, 상기 식 1에 의해 계산한 결과, 1 내지 4개의 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결했을 때 커패시턴스값은 각각 172.6, 338.0, 529.6, 725.6 ｕF로 병렬로 연결한 단위소자의 개수가 많을수록 커패시턴스값이 커짐을 알 수 있다.In addition, as a result of calculation by
이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터를 복수개 병렬로 연결할 경우, 보다 높은 커패시턴스값을 가질 수 있으며, 병렬로 나열하는 섬유형 슈퍼 커패시터의 개수를 조절하여 소자의 커패시턴스값을 조절할 수 있을 것으로 예상해볼 수 있다. Through this, when a plurality of fibrous supercapacitors according to an embodiment of the present invention are connected in parallel, a higher capacitance value can be obtained, and the capacitance value of the device can be adjusted by adjusting the number of fibrous supercapacitors arranged in parallel. It can be expected.
<실험예 10> 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 평가(2)<Experimental Example 10> Evaluation of flexibility of fiber supercapacitor (2)
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성을 확인하기 위해, 실시예 4에 의해 형성된 제 1 내지 제 4 섬유형 슈퍼 커패시터(1st, 2nd 3rd, 4th)를 포함하는 섬유형 슈펴커패시터에 대해, 상기 4개의 섬유형 슈퍼 커패시터를 병렬로 연결한 후, 상기 스티치 보드를 1회, 2회 및 3회 접은 경우 및 무작위로 뒤틀린 경우 각각에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고, 그 결과를 도 20에 나타내었다.In order to confirm the flexibility of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention, for the fibrous spur capacitor including the first to fourth fibrous supercapacitors (1st, 2nd 3rd, 4th) formed according to the fourth embodiment. , After connecting the four fibrous supercapacitors in parallel, for each of the case where the stitch board is folded once, twice, and three times and twisted at random, the voltage is measured by a cyclic voltammetry (CV) measurement method. The change of the current according to the measurement, and the results are shown in FIG. 20.
도 20에 나타난 바와 같이, 스티치 보드를 수 회 접거나 뒤틀린 경우 모두 유사한 CV 순환곡선이 나타났으며, 상기 식 1에 의해 계산한 캐패시턴스 값도 각각 169.7, 168.66, 172.22 및 169.38 ｕF로 거의 유사한 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 20, when the stitch board was folded or twisted several times, similar CV cycle curves appeared, and the capacitance values calculated by
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터는 구부리더라도 전기적 특성이 변하지 않으며, 구조적 안정성이 뛰어남을 알 수 있다. 즉, 유연성이 우수해 웨어러블 소자에 사용가능할 수 있다.Through this, it can be seen that the electrical properties of the fibrous supercapacitor according to the embodiment of the present invention do not change even when bent and have excellent structural stability. In other words, it has excellent flexibility and can be used for wearable devices.
<실험예 11> 섬유형 슈퍼 커패시터의 직렬 연결에 따른 CV 특성 평가(2)<Experimental Example 11> Evaluation of CV characteristics according to series connection of fiber supercapacitors (2)
상기 실시예 5에서 제조한 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 1개 내지 4개를 스티치보드에 바느질한 후, 1 개 내지 4개를 직렬연결하였다. After 1 to 4 wire-shaped supercapacitors prepared in Example 5 were sewn on the stitch board, 1 to 4 were connected in series.
순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류 변화를 측정하고 그 결과를 도 21에 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. The current change according to the voltage was measured by cyclic voltammetry (CV) measurement, and the results are shown in FIG. 21. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
도 21에 나타난 바와 같이, 실시예 5에 의해 제조된 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터 1개 내지 4개를 직렬로 연결한 경우, 순환곡선의 면적은 크게 변하지 않았으며, 이를 통해, 커패시턴스의 값은 유사한 것은 알 수 있다. As shown in FIG. 21, when 1 to 4 fiber-type supercapacitors in the form of wires manufactured according to Example 5 were connected in series, the area of the circulation curve did not change significantly, through which Similar things can be seen.
<실험예 12> 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성 평가(3)<Experimental Example 12> Evaluation of flexibility of a fibrous supercapacitor (3)
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 슈퍼 커패시터의 유연성을 확인하기 위해, In order to confirm the flexibility of the fibrous supercapacitor according to an embodiment of the present invention,
상기 실시예 5에서 제조하여 양끝단의 길이가 34cm인 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 도 22와 같이 양끝단의 길이가 34cm, 15cm, 10 및 5cm가 되도록 구부린 경우 및 실시예 5의 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 2번 묶은 경우에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV) 측정법으로 전압에 따른 전류 변화를 측정하고 그 결과를 도 23에 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. For the fibrous supercapacitor in the form of a wire manufactured in Example 5 and having a length of 34 cm at both ends, as shown in FIG. 22, when the lengths of both ends were bent to be 34 cm, 15 cm, 10 and 5 cm, and the wire of Example 5 For the case where the fiber-type supercapacitor of the form is bundled twice, the current change according to the voltage was measured by a cyclic voltammetry (CV) measurement method, and the results are shown in FIG. 23. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
도 23에 나타난 바와 같이, 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 구부리거나 묶은 형태로 변화시킨 경우 모두에서 유사한 CV 순환곡선이 나타났으며, 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터를 구부리더라도 전기적 특성이 변하지 않으며, 구조적 안정성이 뛰어남을 알 수 있다. 즉, 유연성이 우수해 웨어러블 소자에 사용가능할 수 있다.As shown in FIG. 23, a similar CV circulation curve was observed in all cases where the wire-shaped fibrous supercapacitor was bent or bundled, and through this, the wire-shaped fibrous super capacitor according to the embodiment of the present invention It can be seen that electrical characteristics do not change even when the capacitor is bent, and structural stability is excellent. In other words, it has excellent flexibility and can be used for wearable devices.
<실험예 13><Experimental Example 13>
실시예 5 및 6에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고 그 결과를 도 24에 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. For the wire-shaped fibrous supercapacitors manufactured according to Examples 5 and 6, the change in current according to voltage was measured by a cyclic voltammetry (CV) measurement method, and the results are shown in FIG. 24. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
또한, 스캔 속도(scan rate)에 길이 커패시턴스(length capacitance) 및 부피 커패시턴스(volume capacitance)값을 측정하였으며, 그 결과를 도 25 및 26에 나타내었다. In addition, length capacitance and volume capacitance values were measured in the scan rate, and the results are shown in FIGS. 25 and 26.
도 24에 나타난 바와 같이, 실시예 5에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터보다 실시예 6에 의해 제조된 섬유형 커패시터의 순환곡선 면적이 넓은 것을 알 수 있으며, 도 25 및 도 26에 나타난 바와 같이, 실시예 5에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터보다 실시예 6에 의해 제조된 섬유형 커패시터의 길이 커패시턴스(length capacitance) 및 부피 커패시턴스(volume capacitance)값이 현저히 큰 것을 알 수 있다.In Fig. 24 As shown, it can be seen that the area of the circulating curve of the fibrous capacitor manufactured by Example 6 is larger than that of the fibrous supercapacitor manufactured by Example 5, and as shown in FIGS. 25 and 26, Example 5 It can be seen that the length capacitance and volume capacitance of the fibrous capacitor manufactured according to Example 6 are significantly larger than the fibrous supercapacitor manufactured by
이를 통해, 실시예 6에 의해 제조된 섬유형 커패시터의 커패시턴스가 현저히 높음을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the capacitance of the fibrous capacitor manufactured according to Example 6 is remarkably high.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 커패시터가 겔 형태의 전해질에 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함할 경우, 커패시턴스, 저장용량이 현저히 높아짐을 알 수 있다.That is, when the fibrous capacitor according to the embodiment of the present invention further includes potassium iodide (KI) in a gel-type electrolyte, it can be seen that the capacitance and storage capacity are significantly increased.
<실험예 14><Experimental Example 14>
실시예 6 내지 9에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고 스캔 속도는 5 내지 200 mV/s로 하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 27에 나타내었다. For the wire-shaped fibrous supercapacitors manufactured according to Examples 6 to 9, the change of current according to voltage was measured by cyclic voltammetry (CV) measurement, and the scan speed was 5 to 200 mV/s. , The results are shown in Table 2 and FIG. 27 below.
<표 2><Table 2>
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 동일한 스캔속도에서, 실시예 8에 의해 제조된 섬유형 슈퍼 커패시터에서 가장 높은 커패시턴스값이 나타났으며, 이를 통해, 섬유형 슈퍼커패시턴스를 병렬로 연결할 경우, 커패시턴스를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.As shown in Table 2, at the same scan speed, the highest capacitance value was found in the fibrous supercapacitor manufactured according to Example 8, and through this, when the fibrous supercapacitance is connected in parallel, the capacitance is improved. You can see that you can.
<실험예 15><Experimental Example 15>
실시예 6 및 10 내지 12에 의해 제조된 와이어형태의 섬유형 슈퍼 커패시터에 대해, 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV)측정법으로 전압에 따른 전류의 변화를 측정하고 그 결과를 도 28에 나타내었다. 이때, 전압의 스캔속도를 0.2Vs-1로 하였다. For the wire-shaped fibrous supercapacitors manufactured according to Examples 6 and 10 to 12, the change in current according to voltage was measured by a cyclic voltammetry (CV) measurement method, and the results are shown in FIG. 28. At this time, the scan speed of the voltage was set to 0.2Vs -1 .
또한, 스캔 속도(scan rate)에 길이 커패시턴스(length capacitance)를 측정하였으며, 그 결과를 도 29에 나타내었다.In addition, length capacitance was measured for scan rate, and the results are shown in FIG. 29.
도 28 및 도 29에 나타난 바와 같이, 실시예 11에 의해 제조된 와이어 형태의 섬유형 슈퍼 커패시터의 커태시턴스값이 높게 나타났다. 즉, 요오드화 칼륨을 인산 대비 0.25 내지 5 중량% 포함할 경우, 캐패시턴스는 점점 증가하였으나, 5 중량%를 초과하는 경우, 캐패시턴스는 다시 감소하였다.As shown in FIGS. 28 and 29, the capacitance value of the wire-type fiber supercapacitor manufactured according to Example 11 was high. That is, when potassium iodide is contained in an amount of 0.25 to 5% by weight relative to phosphoric acid, the capacitance gradually increases, but when it exceeds 5% by weight, the capacitance decreases again.
이를 통해, 이온성 물질 대비 요오드화 칼륨을 0.25 내지 10 미만 포함할 경우, 보다 향상된 커패시턴스값을 가지며, 6 중량% 포함할 경우, 가장 높은 커패시턴스 값을 가짐을 알 수 있다.Through this, it can be seen that when the amount of potassium iodide is less than 0.25 to 10 compared to the ionic material, it has a more improved capacitance value, and when it contains 6% by weight, it can be seen that it has the highest capacitance value.
10: 제 1 전극
11: 제 1 코팅층
20: 제 2 전극
21: 제 2 코팅층
30: 겔(gel)타입의 전해질
40: PET 기판
50: 스티치 보드
100, 200, 300 : 섬유형 슈퍼 커패시터
400 : 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체10: first electrode
11: first coating layer
20: second electrode
21: second coating layer
30: gel type electrolyte
40: PET substrate
50: stitch board
100, 200, 300: fiber type super capacitor
400: fiber supercapacitor assembly
Claims (16)
복수의 전도성 섬유(conducting fiber)로 이루어진 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)을 포함하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 둘러싸는 겔(gel)타입의 전해질;을 포함하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
A first electrode including a conductive fiber bundle made of a plurality of conductive fibers;
A second electrode including a conducting fiber bundle made of a plurality of conducting fibers; And
Containing a gel type electrolyte surrounding the first electrode and the second electrode
Fiber type super capacitor.
상기 복수의 전도성 섬유(conducting fiber)는 한 방향으로 정렬된 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 1,
The plurality of conductive fibers (conducting fibers), characterized in that aligned in one direction
Fiber type super capacitor.
상기 전도성 섬유다발(conducting fibre bundle)은 친수성 표면(hydrophilic surface)을 갖는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 1,
The conductive fiber bundle, characterized in that it has a hydrophilic surface (hydrophilic surface)
Fiber type super capacitor.
상기 겔(gel)타입의 전해질은 고분자 및 이온성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 1,
The gel type electrolyte is characterized in that it contains a polymer and an ionic material.
Fiber type super capacitor.
상기 고분자는
폴리비닐알코올(PVA), 포타슘 폴리아크릴레이트(PAAK), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리옥시메틸렌, 폴리(프로필렌 옥사이드), 폴리(디메틸 실록산), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 4,
The polymer is
Polyvinyl alcohol (PVA), potassium polyacrylate (PAAK), polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG), polyoxymethylene, poly (propylene oxide), poly (dimethyl siloxane), polyacrylonitrile (PAN) , Polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) and polymethyl methacrylate (PMMA), characterized in that at least one selected from the group consisting of
Fiber type super capacitor.
상기 이온성 물질은
황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 수산화나트륨(NaOH), 수산화 리튬(LiOH), 수산화칼륨(KOH), 염화칼륨(KCl), 황산나트륨(Na2SO4), 염화리튬(LiCl) 및 과염소산리튬(LiClO4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 4,
The ionic substance is
Sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), potassium hydroxide (KOH), potassium chloride (KCl), Sodium sulfate (Na 2 SO 4 ), lithium chloride (LiCl), and lithium perchlorate (LiClO 4 ), characterized in that at least one selected from the group consisting of
Fiber type super capacitor.
상기 겔(gel)타입의 전해질은 요오드화 칼륨(KI)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 4,
The gel-type electrolyte further comprises potassium iodide (KI).
Fiber type super capacitor.
상기 겔(gel)타입의 전해질은 요오드화 칼륨(KI)을 0.004 M 내지 0.006 M 포함하는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터
The method of claim 7,
The gel-type electrolyte is characterized in that it contains 0.004 M to 0.006 M potassium iodide (KI).
Fiber Super Capacitor
상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 이격하게 배치된 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 1,
Characterized in that the first electrode and the second electrode are disposed to be spaced apart from each other
Fiber type super capacitor.
상기 섬유형 슈퍼 커패시터는
상기 제 1 전극을 둘러싸도록 배치된 제 1 코팅층 및 상기 제 2 전극을 둘러싸도록 배치된 제 2 코팅층을 더 포함하며,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 트위스트 되어 있는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 1,
The fibrous super capacitor is
Further comprising a first coating layer disposed to surround the first electrode and a second coating layer disposed to surround the second electrode,
Characterized in that the first electrode and the second electrode are twisted with each other
Fiber type super capacitor.
상기 제 1 코팅층 및 제 2 코팅층은 겔(gel)타입의 전해질인 것을 특징으로 하는 섬유형 슈퍼 커패시터.
The method of claim 10,
The first coating layer and the second coating layer is a fibrous super capacitor, characterized in that the gel (gel) type electrolyte.
상기 제 1 섬유형 슈퍼 커패시터와 직렬 또는 병렬로 연결되도록 배치된 2 섬유형 슈퍼 커패시터;를 포함하는 섬유형 슈퍼 커패시터 집합체.
A first fibrous super capacitor; And
Fiber type super capacitor assembly comprising; two fiber type super capacitors arranged to be connected in series or parallel with the first fiber type super capacitor.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 겔(gel)타입의 전해질로 코팅하는 단계;를 포함하는
섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
Forming a first electrode and a second electrode by arranging two conductive fiber bundles made of a plurality of conductive fibers; And
Including; coating the first electrode and the second electrode with a gel-type electrolyte
Method of manufacturing a fibrous super capacitor.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 서로 이격하게 배치하는 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
The method of claim 13,
Characterized in that the first electrode and the second electrode are disposed to be spaced apart from each other
Method of manufacturing a fibrous super capacitor.
상기 섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법은
상기 제 1 전극을 둘러싸는 제 1 코팅층을 형성하는 단계;
상기 제 2 전극을 둘러싸는 제 2 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 서로 트위스트(twist) 시키는 단계;를 더 포함하는
섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법.
The method of claim 13,
The method of manufacturing the fibrous super capacitor
Forming a first coating layer surrounding the first electrode;
Forming a second coating layer surrounding the second electrode; And
Twisting the first electrode and the second electrode to each other; further comprising
Method of manufacturing a fibrous super capacitor.
상기 전도성 섬유다발(carbon fibre bundle)은 상기 복수의 전도성 섬유(carbonfiber)를 한 방향으로 정렬하여 형성한 것을 특징으로 하는
섬유형 슈퍼 커패시터의 제조방법. The method of claim 13,
The conductive fiber bundle is formed by aligning the plurality of conductive fibers in one direction.
Method of manufacturing a fibrous super capacitor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190074807A KR102199876B1 (en) | 2019-06-24 | 2019-06-24 | fibre type supercapacitor and preparation method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190074807A KR102199876B1 (en) | 2019-06-24 | 2019-06-24 | fibre type supercapacitor and preparation method thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210000045A true KR20210000045A (en) | 2021-01-04 |
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| KR1020190074807A KR102199876B1 (en) | 2019-06-24 | 2019-06-24 | fibre type supercapacitor and preparation method thereof |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012119653A (en) * | 2010-11-08 | 2012-06-21 | Kansai Univ | Electrochemical capacitor |
| KR20160079333A (en) * | 2014-12-26 | 2016-07-06 | 재단법인차세대융합기술연구원 | Nano/micro composite fiber capable of performance electrochemical energy storage and method for fabricating thereof |
| KR20190047490A (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-08 | 한양대학교 산학협력단 | Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same |
-
2019
- 2019-06-24 KR KR1020190074807A patent/KR102199876B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2012119653A (en) * | 2010-11-08 | 2012-06-21 | Kansai Univ | Electrochemical capacitor |
| KR20160079333A (en) * | 2014-12-26 | 2016-07-06 | 재단법인차세대융합기술연구원 | Nano/micro composite fiber capable of performance electrochemical energy storage and method for fabricating thereof |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M Pasta et al, Nano Res, 2010, 3, 452-458; K Jost et al, Energy Environ Sci, 2011, 4 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102199876B1 (en) | 2021-01-08 |
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