KR20220075822A - Method for manufacturing wearable tube type current collector and device using laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 튜브형 집전체의 제조방법에 있어서, 폴리머 튜브 내면에 금속나노입자를 코팅하는 제1단계; 레이저를 이용하여, 금속나노입자층을 상기 튜브의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브의 길이방향을 따라 소결시키는 제2단계; 및 소결되지 않은 금속나노입자층을 제거하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, and more particularly, in a manufacturing method for a tubular current collector, comprising: a first step of coating metal nanoparticles on an inner surface of a polymer tube; a second step of sintering the metal nanoparticle layer along the longitudinal direction of the tube to be spaced apart from each other at a specific distance in the circumferential direction of the tube using a laser; and a third step of removing the non-sintered metal nanoparticle layer. It relates to a method for manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, comprising:
Description
본 발명은 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 대한 것이다. The present invention relates to a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser.
전자제품 기술의 발전에 따라 스마트 디바이스가 접목된 융합 제품들이 개발되고 있으며, 휘거나 구부리기 쉬운 기능을 가진 플렉서블 디바이스가 각광받고 있다. With the development of electronic product technology, convergence products incorporating smart devices are being developed, and flexible devices with functions that are easy to bend or bend are in the spotlight.
플렉서블 슈퍼커패시터는 이러한 플렉서블 전자제품의 주요한 동력원으로서 특히 슈퍼커패시터의 소재로 원자두께만큼 얇으면서 강도와 탄성이 뛰어난 그래핀이 큰 이목을 끌고 있다.Flexible supercapacitors are a major power source for these flexible electronic products, and in particular, graphene, which is as thin as an atom thickness and has excellent strength and elasticity, is attracting a lot of attention as a material for supercapacitors.
다양한 소재의 파이버나 필름에 그래핀을 코팅하여 슈퍼커패시터로 사용할 수 있고, 유연함을 얻기 위한 방법으로 폴리머 기판을 사용한다.By coating graphene on fibers or films of various materials, it can be used as a supercapacitor, and a polymer substrate is used as a method to obtain flexibility.
그래핀의 비교적 높은 전도성을 이용하여 금속 집전체 없이 그래핀 필름을 활성 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 최근 연구가 발표되었다.A recent study using graphene films as electrodes of active supercapacitors without a metal current collector by using the relatively high conductivity of graphene has been published.
슈퍼커패시터 전극 위에 산화금속이나 전도성 폴리머와 같은 유사커패시터로 작용하는 물질을 코팅하면 패러대이 현상(전극/용액의 계면에서 산화나 환원이 진행되면서 셀을 통한 전하의 흐름이 발생하는 과정)이 일어나서 축전용량이 크게 늘어난다.When a supercapacitor electrode is coated with a material that acts as a pseudo-capacitor, such as a metal oxide or a conductive polymer, a Faradai phenomenon (a process in which the flow of charges through the cell occurs as oxidation or reduction proceeds at the electrode/solution interface) occurs, resulting in power storage capacity is greatly increased.
또한 전자제품 시장의 기술 발전에 따라 스마트 디바이스가 접목된 융합 제품들이 개발되고 있으며, 파이버 산업에서도 파이버 융합형 제품이 미래시장을 주도하고 있다.In addition, convergence products incorporating smart devices are being developed according to the technological development of the electronic product market, and fiber convergence products are leading the future market in the fiber industry.
특히 파이버형 전자소자는 유연한 실 형태의 플랫폼에 기존 소자의 기능성을 구현한 것으로, 직물(fabric) 형태의 웨어러블 디바이스(예: e-textile)에 결합되기 매우 유리한 구조를 가진다. In particular, a fiber-type electronic device implements the functionality of an existing device on a flexible thread-type platform, and has a very advantageous structure to be coupled to a fabric-type wearable device (eg, e-textile).
튜브형 슈퍼커패시터는 뛰어난 충방전 성능을 기반으로, 웨어러블 전자소자 혹은 웨어러블 디바이스의 에너지 저장장치로 사용될 수 있다. A tubular supercapacitor can be used as an energy storage device for a wearable electronic device or wearable device based on its excellent charging and discharging performance.
튜브형 가스 센서 디바이스는 튜브 안으로 흐르는 가스 및 그 농도를 감지할 수 있다. The tubular gas sensor device can sense the gas flowing into the tube and its concentration.
종래의 파이버형 슈퍼커패시터는 전해질을 파이버의 외면에 적용해야 하므로 고체형(또는 젤타입) 전해질을 사용한 후 외면을 패키징해야 한다. In the conventional fiber-type supercapacitor, since the electrolyte must be applied to the outer surface of the fiber, the outer surface must be packaged after using the solid (or gel-type) electrolyte.
액체형 전해질을 사용할 경우 튜브에 파이버 커패시터를 삽입하고 액체 전해질을 충진하는 방식을 사용해야 한다. 이 경우, 얇은 직경의 길다란 튜브에 더 작은 직경을 같는 파이버형 디바이스를 삽입하는 것은 매우 어렵다. When a liquid electrolyte is used, a method of inserting a fiber capacitor into the tube and filling the liquid electrolyte must be used. In this case, it is very difficult to insert a fiber-like device of a smaller diameter into an elongated tube of a thin diameter.
종래의 파이버형 슈퍼커패시터는 직렬 연결을 구성하기 위해 슈퍼캐피시터 섬유를 일일이 연결해야하는 어려움이 있다.Conventional fiber-type supercapacitors have difficulties in connecting supercapacitor fibers one by one to form a series connection.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체가 흐를 수 있는 튜브의 내면에 금속 나노 물질을 코팅 후 레이저를 이용하여 튜브형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 폴리머 튜브 내면에 코팅된 금속 나노 물질 층을 연속발진 레이저로 조사하여 두 면을 소결시키고 펄스 레이저로 추가 코팅된 그래핀을 절단함으로써 하나의 튜브에 두 개의 전극을 제작하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the conventional problems as described above. According to an embodiment of the present invention, a tubular supercapacitor is manufactured using a laser after coating a metal nanomaterial on the inner surface of a tube through which a fluid can flow. A method of manufacturing two electrodes in one tube by irradiating a metal nanomaterial layer coated on the inner surface of a polymer tube with a continuous oscillation laser to sinter the two surfaces and cutting the additionally coated graphene with a pulse laser Its purpose is to provide
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저를 사용해 튜브의 내면에 전극을 직접 패터닝함으로써 액체형 전해질을 내부로 충전하기만 하면 바로 슈퍼커패시터 소자로 작동할 수 있는 튜브형 커패시터를 제작하는 방법 및 소자 구조를 제공하는데 그 목적이 있다. And, according to an embodiment of the present invention, a method and device structure for manufacturing a tubular capacitor that can operate as a supercapacitor device immediately by simply charging a liquid electrolyte inside by directly patterning an electrode on the inner surface of the tube using a laser are provided. but it has a purpose.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저에 투명한 튜브의 내부 표면에 레이저 광을 집속하여 국부적으로 가열함으로써 미세 전극의 패터닝과 절단 가공 등이 가능해지며, 튜브 내면에 전극 물질이 조립되어 있으므로, 튜브 자체가 패키징 역할을 하므로 별도의 패키징 공정이 필요없고, 레이저를 이용해 직렬 연결 회로를 프린팅하는 것이 가능하므로 단일 튜브에 다수의 슈퍼커패시터의 직렬을 구현할 수 있으며, 따라서 작동 voltage가 높아지게 되는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, patterning and cutting of microelectrodes are possible by focusing laser light on the inner surface of the tube transparent to the laser and locally heating it, and since the electrode material is assembled on the inner surface of the tube, the tube itself Since it plays a role of packaging, there is no need for a separate packaging process, and since it is possible to print a series-connected circuit using a laser, it is possible to implement a series of multiple supercapacitors in a single tube, thus increasing the operating voltage. An object of the present invention is to provide a tubular current collector and a device manufacturing method.
본 발명의 실시예에 따르면, 렌즈에 의해 집속된 연속발진 레이저빔을 조사하여 투명 폴리머 내면에 코팅된 금속 나노물질을 선택으로 소결시킴으로써, 전도성이 높고 두께는 얇은 금속 전극을 만들 수 있고, 디바이스가 필요로 하는 전극의 개수에 따라 2 개 이상의 전극선을 패터닝할 수 있으며, 패터닝된 금속 전극 위에 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머, 금속 산화물과 같은 기능성 물질을 추가적으로 코팅하여 가스 및 액체를 센싱하는 튜브형 디바이스로 활용할 수도 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, by selectively sintering the metal nanomaterial coated on the inner surface of the transparent polymer by irradiating a continuous oscillation laser beam focused by a lens, a metal electrode with high conductivity and a thin thickness can be made, and the device can be Two or more electrode lines can be patterned according to the number of required electrodes, and a functional material such as graphene, carbon nanotube, conductive polymer, or metal oxide is additionally coated on the patterned metal electrode to sense gas and liquid. An object of the present invention is to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, which may be used as a device.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 절단 가공에 유용한 펄스 레이저를 조사하여 위 기능성 물질층을 절단시켜 양 전극을 분리시킬 수 있고, 이렇게 분리된 전극에 전해질을 전체적으로 내부로 충전하여 전기화학 디바이스(슈퍼커패시터)로 활용할 수 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And, according to an embodiment of the present invention, both electrodes can be separated by cutting the functional material layer by irradiating a pulse laser useful for cutting processing, and the electrolyte is completely filled inside the separated electrode to create an electrochemical device (super An object of the present invention is to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, which can be used as a capacitor).
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저 공정 중 튜브의 내면에서 금속 나노입자가 소결되거나 그래핀이 절단될 만큼 놓은 온도까지 올라가지만 레이저가 이동하면서 순간적으로 열을 가하기 때문에 폴리머 튜브는 손상되지 않으므로, 532 nm 연속발진 레이저를 이용하여 중심의 폴리머 튜브를 손상시키지 않으면서 은 나노 입자를 소결시켜 전도성을 가지게 할 수 있고, 소결된 은 나노 입자와 튜브 내면의 부착력이 강해 sonication 후에도 그대로 남아서 집전체의 역할을 할 수 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to the embodiment of the present invention, the metal nanoparticles are sintered on the inner surface of the tube during the laser process or the temperature rises to a high enough to cut graphene, but the polymer tube is not damaged because the laser instantaneously heats it while moving. Using a 532 nm continuous oscillation laser, silver nanoparticles can be sintered without damaging the central polymer tube to make them conductive, and the adhesion between the sintered silver nanoparticles and the inner tube is strong, so they remain as they are after sonication and play the role of a current collector It is an object of the present invention to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser that can do this.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 나노 입자층 위에 도금된 금은 집전체(current collector)를 산성 전해질로부터 보호함과 동시에 전기전도성을 더 향상시킬 수 있고, 532 nm 펄스 레이저로 정확하고 미세하게 그래핀/이산화망간 층을 절단할 수 있으며, 이산화망간을 전착하면 슈퍼커패시터의 비축전용량이 매우 증가될 수 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And according to an embodiment of the present invention, the gold and silver plated on the nanoparticle layer can protect the current collector from the acidic electrolyte and further improve the electrical conductivity, and precisely and finely graphene with a 532 nm pulse laser. It is an object to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, which can cut the manganese dioxide layer, and the specific capacitance of a supercapacitor can be greatly increased when manganese dioxide is electrodeposited.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머 튜브가 중심소재이므로 파이버처럼 유연성이 우수하여 웨어러블 디바이스에 사용되기 적합하고, 기존 기술에 비해 (1) 두 개의 섬유를 꼬거나 평행하게 연결하지 않으므로 공정이 간단하며 굽힘에 강한 웨어러블 디바이스에 널리 쓸 수 있고, (2) 나노 입자, 금속, 그래핀, 금속 활물질 등을 튜브의 내표면에만 코팅하므로 생산비용이 낮으며, 금속 활물질을 전착시켜 축전 성능을 획기적으로 개선할 수 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to the embodiment of the present invention, since the polymer tube is a central material, it has excellent flexibility like fiber, so it is suitable for use in wearable devices. It can be widely used in wearable devices that are resistant to bending. An object of the present invention is to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, which can be improved.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 은나노입자와 금, 이산화망간 물질을 튜브의 내면 및 두 전극 위에만 코팅하므로 다른 슈퍼커패시터 제조 방법에 비해 기계적 굽힘에 강하고, 직렬로 연결된 슈퍼커패시터를 레이저를 이용해 직접적이고 정밀하게 패터닝할 수 있으므로, 조립에 의한 공정 비용 상승을 피할 수 있는, 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. And according to the embodiment of the present invention, since silver nanoparticles, gold, and manganese dioxide are coated only on the inner surface of the tube and on the two electrodes, it is stronger in mechanical bending compared to other supercapacitor manufacturing methods, and supercapacitors connected in series are directly and directly using a laser. An object of the present invention is to provide a wearable tubular current collector and a device manufacturing method using a laser, which can be precisely patterned, thereby avoiding an increase in process cost due to assembly.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
본 발명의 제1목적은, 튜브형 집전체의 제조방법에 있어서, 폴리머 튜브 내면에 금속나노입자를 코팅하는 제1단계; 레이저를 이용하여, 금속나노입자층을 상기 튜브의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브의 길이방향을 따라 소결시키는 제2단계; 및 소결되지 않은 금속나노입자층을 제거하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention, in a method for manufacturing a tubular current collector, comprising: a first step of coating metal nanoparticles on the inner surface of a polymer tube; a second step of sintering the metal nanoparticle layer along the longitudinal direction of the tube to be spaced apart from each other at a specific distance in the circumferential direction of the tube using a laser; and a third step of removing the non-sintered metal nanoparticle layer.
그리고 상기 튜브 내면 상에, 소결된 금속나노입자층은 서로 이격된 복수로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. And on the inner surface of the tube, the sintered metal nanoparticle layer may be characterized in that it is composed of a plurality of spaced apart from each other.
또한 상기 금속나노입자는 은나노입자인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the metal nanoparticles may be characterized as silver nanoparticles.
그리고 상기 제1단계에서, 에탄올(ethanol)/아세톤(acetone) 혼합용액으로 음파처리(sonication) 공정 후, 오븐으로 가열하면서 건조한 후, 은나노입자용액을 상기 튜브 내면에 주입하여 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다. And in the first step, after a sonication process with a mixed solution of ethanol / acetone, and drying while heating in an oven, the silver nanoparticle solution is injected into the inner surface of the tube for coating. can
또한 상기 제2단계에서, 532nm 연속발진레이저를 통해 금속나노입자층을 상기 튜브의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브의 길이방향을 따라 소결시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, in the second step, it may be characterized in that the metal nanoparticle layer is sintered along the longitudinal direction of the tube to be spaced apart from each other at a specific distance in the circumferential direction of the tube through a 532 nm continuous laser.
그리고 상기 제3단계에서, 증류수에 넣고 음파처리를 진행하여 소결되지 않은 금속나노입자층을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다. And in the third step, it may be characterized in that the non-sintered metal nanoparticle layer is removed by putting it in distilled water and performing sonic treatment.
또한 상기 제3단계 후에, 소결된 금속나노입자층 상에 비활성금속을 전착시켜 보호층을 형성하는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, after the third step, it may be characterized in that it further comprises a fourth step of forming a protective layer by electrodepositing an inactive metal on the sintered metal nanoparticle layer.
그리고 상기 비활성금속은 금이고, 소결된 금속나노입자층 상에 KAu(CN)2 파우더를 용액에 녹여 Ag/AgCl 기준전극을 사용한 3전극으로 금을 도금하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the inert metal is gold, and KAu(CN)2 powder is dissolved in a solution on the sintered metal nanoparticle layer, and gold is plated with three electrodes using an Ag/AgCl reference electrode.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체로서 달성될 수 있다. The second object of the present invention can be achieved as a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that produced by the manufacturing method according to the first object mentioned above.
본 발명의 제3목적은 튜브형 디바이스의 제조방법에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 제조방법에 의해 집전체를 제조하는 단계; 튜브형 섬유형 집전체 내면에 기능성물질을 코팅시키는 제5단계; 및 금속나노입자층의 사이공간의 기능성물질층을 튜브의 길이방향을 따라 펄스레이저를 조사하여 제거하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is a method for manufacturing a tubular device, comprising: manufacturing a current collector by the manufacturing method according to the above-mentioned first object; A fifth step of coating a functional material on the inner surface of the tubular fibrous current collector; and a sixth step of removing the functional material layer in the space between the metal nanoparticle layers by irradiating a pulse laser along the longitudinal direction of the tube; .
그리고 상기 제5단계는, 내부로 그래핀 용액을 주입하여 그래핀을 코팅하는 제5-1단계; 및 산화금속활물질을 상기 그래핀층 상에 전착코팅하여 산화금속층을 형성하는 제5-2단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the fifth step, the 5-1 step of coating the graphene by injecting the graphene solution into the; and a 5-2 step of forming a metal oxide layer by electrodeposition coating a metal oxide active material on the graphene layer.
그리고 상기 산화금속활물질은 이산화망간이고, 전극을 통해 상기 이산화망간을 상기 그래핀층 상에 전착시키는 것을 특징으로 할 수 있다. And the metal oxide active material may be manganese dioxide, and it may be characterized in that the manganese dioxide is electrodeposited on the graphene layer through an electrode.
또한 상기 제6단계 후에, 튜브 내부로 액체형 전해질을 충전하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, after the sixth step, it may be characterized in that it further comprises a seventh step of filling the liquid electrolyte into the tube.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 제3목적에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스로서 달성될 수 있다. A fourth object of the present invention can be achieved as a tubular wearable device using a laser, characterized in that manufactured by the manufacturing method according to the third object mentioned above.
그리고 상기 웨어러블 디바이스는 슈퍼커패시터, 전자소자, 또는 센서인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the wearable device may be a supercapacitor, an electronic device, or a sensor.
본 발명의 실시예에 따르면, 튜브의 내면에 금속 나노 물질을 코팅 후 레이저를 이용하여 튜브형 슈퍼커패시터를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 폴리머 튜브 내면에 코팅된 금속 나노 물질 층을 연속발진 레이저로 조사하여 두 면을 소결시키고 펄스 레이저로 추가 코팅된 그래핀을 절단함으로써 하나의 튜브에 두 개의 전극을 제작할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a tubular supercapacitor using a laser after coating a metal nanomaterial on the inner surface of a tube, wherein the metal nanomaterial layer coated on the inner surface of the polymer tube is irradiated with a continuous oscillation laser. Two electrodes can be fabricated in one tube by sintering the two sides and cutting the further coated graphene with a pulsed laser.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저를 사용해 튜브의 내면에 전극을 직접 패터닝함으로써 액체형 전해질을 충전하기만 하면 바로 슈퍼커패시터 소자로 작동할 수 있는 튜브형 커패시터를 제작하는 방법 및 소자 구조를 제공할 수 있는 효과를 갖는다. And according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a method and device structure for manufacturing a tubular capacitor that can operate as a supercapacitor device simply by charging a liquid electrolyte by directly patterning an electrode on the inner surface of the tube using a laser. have an effect
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 레이저에 투명한 튜브의 내부 표면에 레이저 광을 집속하여 국부적으로 가열함으로써 미세 전극의 패터닝과 절단 가공 등이 가능해지며, 튜브 내면에 전극 물질이 조립되어 있으므로, 튜브 자체가 패키징 역할을 하므로 별도의 패키징 공정이 필요없고, 레이저를 이용해 직렬 연결 회로를 프린팅하는 것이 가능하므로 단일 튜브에 다수의 슈퍼커패시터의 직렬을 구현할 수 있으며, 따라서 작동 voltage가 높아지게 되는 장점이 있다. In addition, according to the method for manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, patterning and cutting of microelectrodes are possible by focusing laser light on the inner surface of a transparent tube and heating it locally. , since the electrode material is assembled on the inner surface of the tube, there is no need for a separate packaging process because the tube itself acts as a packaging. Therefore, there is an advantage that the operating voltage is increased.
본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 렌즈에 의해 집속된 연속발진 레이저빔을 조사하여 투명 폴리머 내면에 코팅된 금속 나노물질을 선택으로 소결시킴으로써, 전도성이 높고 두께는 얇은 금속 전극을 만들 수 있고, 디바이스가 필요로 하는 전극의 개수에 따라 2 개 이상의 전극선을 패터닝할 수 있으며, 패터닝된 금속 전극 위에 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머, 금속 산화물과 같은 기능성 물질을 추가적으로 코팅하여 가스 및 액체를 센싱하는 튜브형 디바이스로 활용할 수도 있는 효과를 갖는다. According to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, by selectively sintering the metal nanomaterial coated on the inner surface of the transparent polymer by irradiating a continuous oscillation laser beam focused by a lens, the conductivity is improved High and thin metal electrodes can be made, two or more electrode lines can be patterned depending on the number of electrodes required by the device, and graphene, carbon nanotubes, conductive polymers, and metal oxides can be formed on the patterned metal electrode. By additionally coating a functional material, it has the effect of being utilized as a tubular device for sensing gas and liquid.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 절단 가공에 유용한 펄스 레이저를 조사하여 위 기능성 물질층을 절단시켜 양 전극을 분리시킬 수 있고, 이렇게 분리된 전극에 전해질을 내부에 충전하여 전기화학 디바이스(슈퍼커패시터)로 활용할 수 있는 장점이 있다. And according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, both electrodes can be separated by cutting the functional material layer by irradiating a pulse laser useful for cutting processing, and thus the separated electrodes It has the advantage that it can be used as an electrochemical device (supercapacitor) by charging the electrolyte inside.
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 레이저 공정 중 튜브의 내면에서 금속 나노입자가 소결되거나 그래핀이 절단될 만큼 놓은 온도까지 올라가지만 레이저가 이동하면서 순간적으로 열을 가하기 때문에 폴리머 튜브는 손상되지 않으므로, 532 nm 연속발진 레이저를 이용하여 중심의 폴리머 튜브를 손상시키지 않으면서 은 나노 입자를 소결시켜 전도성을 가지게 할 수 있고, 소결된 은 나노 입자와 튜브 내면의 부착력이 강해 sonication 후에도 그대로 남아서 집전체의 역할을 할 수 있는 효과를 갖는다. In addition, according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, metal nanoparticles are sintered on the inner surface of the tube during the laser process or the temperature rises to a high enough to cut graphene, but as the laser moves, Since the polymer tube is not damaged due to the instantaneous heating, it is possible to sinter the silver nanoparticles without damaging the central polymer tube using a 532 nm continuous oscillation laser to make them conductive, and the sintered silver nanoparticles and tube It has the effect of being able to play the role of a current collector by remaining as it is even after sonication due to its strong inner adhesion.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 나노 입자층 위에 도금된 금은 집전체(current collector)를 산성 전해질로부터 보호함과 동시에 전기전도성을 더 향상시킬 수 있고, 532 nm 펄스 레이저로 정확하고 미세하게 그래핀/이산화망간 층을 절단할 수 있으며, 이산화망간을 전착하면 슈퍼커패시터의 비축전용량이 매우 증가될 수 있는 효과를 갖는다.And according to the wearable tubular current collector and device manufacturing method using a laser according to an embodiment of the present invention, the gold and silver plated on the nanoparticle layer can protect the current collector from the acidic electrolyte and further improve electrical conductivity. In addition, it is possible to precisely and finely cut the graphene/manganese dioxide layer with a 532 nm pulse laser, and when manganese dioxide is electrodeposited, the specific capacitance of the supercapacitor can be greatly increased.
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 폴리머 튜브가 중심소재이므로 파이버처럼 유연성이 우수하여 웨어러블 디바이스에 사용되기 적합하고, 기존 기술에 비해 (1) 두 개의 섬유를 꼬거나 평행하게 연결하지 않으므로 공정이 간단하며 굽힘에 강한 웨어러블 디바이스에 널리 쓸 수 있고, (2) 나노 입자, 금속, 그래핀, 금속 활물질 등을 튜브의 내표면에만 코팅하므로 생산비용이 낮으며, 금속 활물질을 전착시켜 축전 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 효과를 갖는다.In addition, according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, since the polymer tube is a central material, it has excellent flexibility like fiber, so it is suitable for use in wearable devices, and compared to the existing technology (1) two Since the fibers are not twisted or connected in parallel, the process is simple and can be widely used for wearable devices that are strong in bending. low, and has the effect of remarkably improving the electrical storage performance by electrodeposition of the metal active material.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 은나노입자와 금, 이산화망간 물질을 튜브의 내면 및 두 전극 위에만 코팅하므로 다른 슈퍼커패시터 제조 방법에 비해 기계적 굽힘에 강하고, 직렬로 연결된 슈퍼커패시터를 레이저를 이용해 직접적이고 정밀하게 패터닝할 수 있으므로, 조립에 의한 공정 비용 상승을 피할 수 있는 장점이 있다.And according to the method for manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, since silver nanoparticles, gold, and manganese dioxide are coated only on the inner surface of the tube and on the two electrodes, it is more resistant to mechanical bending than other supercapacitor manufacturing methods. Since strong, serially-connected supercapacitors can be directly and precisely patterned using a laser, there is an advantage in that the process cost increase due to assembly can be avoided.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스 제작방법의 흐름도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 튜브의 정단면도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 튜브의 측단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면에 금속나노입자 코팅층이 형성된 상태의 측단면도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면의 금속나노입자 코팅층을 연속발진 레이저를 통해 소결되는 상태의 정단면도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면의 금속나노입자 코팅층을 연속발진 레이저를 통해 소결되는 상태의 측단면도,
도 5는 도 4b에 의한 연속발진 레이저 소결 후, 소결되지 않은 코팅층을 제거한 상태의 측단면도,
도 6a는 본 발명이 실시예에 따른 소결된 금속나노입자층 상에 금을 전착시킨 상태의 정단면도,
도 6b는 도 6a의 측단면도,
도 7a는 도 6a 단계 후에, 그래핀을 코팅하고, 이산화망간을 코팅한 상태의 정단면도,
도 7b는 도 7a의 측단면도,
도 8a에서 양단의 금속나노입자/금 전착층의 사이공간의 그래핀/이산화망간층을 펄스레이저로 제거한 상태의 정단면도,
도 8b는 도 8a의 측단면도,
도 9a는 도 8a 단계 후에, 액체형 전해질을 충전한 상태의 정단면도,
도 9b는 도 9a의 측단면도,
도 10은 직렬회로 구현을 위한 조립공정이 필요한 기존구조와, 튜브 내면에 직렬회로를 직접패터닝한 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 웨어러블 디바이스의 개념도를 도시한 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so that the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a flowchart of a method for manufacturing a tubular wearable device using a laser according to an embodiment of the present invention;
2a is a front cross-sectional view of a tube according to an embodiment of the present invention;
2b is a side cross-sectional view of a tube according to an embodiment of the present invention;
3 is a side cross-sectional view of a state in which a metal nanoparticle coating layer is formed on the inner surface of a tube according to an embodiment of the present invention;
Figure 4a is a front cross-sectional view of a state in which the metal nanoparticle coating layer on the inner surface of the tube is sintered through a continuous oscillation laser according to an embodiment of the present invention;
Figure 4b is a side cross-sectional view of a state in which the metal nanoparticle coating layer on the inner surface of the tube is sintered through a continuous oscillation laser according to an embodiment of the present invention;
5 is a side cross-sectional view of a state in which the unsintered coating layer is removed after the continuous oscillation laser sintering according to FIG. 4b;
6a is a front cross-sectional view of a state in which gold is electrodeposited on a sintered metal nanoparticle layer according to an embodiment of the present invention;
Fig. 6b is a side cross-sectional view of Fig. 6a;
7a is a front cross-sectional view of a state in which graphene is coated and manganese dioxide is coated after the step of FIG. 6a;
Fig. 7b is a side cross-sectional view of Fig. 7a;
In Figure 8a, the front sectional view of the state in which the graphene/manganese dioxide layer in the space between the metal nanoparticles/gold electrodeposition layer at both ends is removed with a pulsed laser;
Fig. 8b is a side cross-sectional view of Fig. 8a;
Figure 9a is a front cross-sectional view of a state in which the liquid electrolyte is filled after the step of Figure 8a;
Fig. 9b is a side cross-sectional view of Fig. 9a;
10 shows a conceptual diagram of a tubular wearable device according to an embodiment of the present invention, in which an assembling process for implementing a series circuit is required, and a series circuit is directly patterned on the inner surface of a tube.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate specific shapes of regions of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스 제작방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, a method for manufacturing a tubular wearable device using a laser according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스 제작방법의 흐름도를 도시한 것이다. First, FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a tubular wearable device using a laser according to an embodiment of the present invention.
먼저 투명 폴리머 튜브(1)를 준비한다(S1). 폴리머 튜브(1)를 알맞은 길이로 절단하고 에탄올(ethanol)/아세톤(acetone) 혼합용액으로 음파처리(sonication) 공정 후, 오븐으로 가열하면서 건조시킨다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 튜브의 정단면도를 도시한 것이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 튜브의 측단면도를 도시한 것이다. First, a
그리고, 이러한 투명 폴리머 튜브(1) 내면에 대해 금속나노입자를 코팅하여 금속나노입자층(2)을 형성시킨다(S2). 이러한 금속나노입자는 은나노입자로 구성될 수 있으나, 은나노입자 대신 높은 전도성을 가지는 모든 금속나노입자를 사용할 수 있다. Then, the metal nanoparticles are coated on the inner surface of the
금속나노입자 용액을 튜브에 주입하여 튜브 내면에 고르게 코팅한다.The metal nanoparticle solution is injected into the tube to evenly coat the inner surface of the tube.
은나노입자용액에서 은나노입자와 분산제의 비율은 1:10이다(예를 들어, 은나노입자 5g, IPA 50g).The ratio of silver nanoparticles to the dispersant in the silver nanoparticle solution is 1:10 (eg, 5g silver nanoparticles, 50g IPA).
그리고 코팅 후, 50℃로 30분 동안 오븐 안에서 코팅된 튜브를 건조시킨다. And after coating, the coated tube is dried in an oven at 50° C. for 30 minutes.
그리고 연속발진 레이저를 이용하여, 금속나노입자층(2)을 튜브(1)의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브(1)의 길이방향을 따라 소결시킨다(S3). 튜브(1) 내면에, 소결된 금속나노입자층(11)은 복수로 구성되게 된다. And by using a continuous oscillation laser, the
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면에 금속나노입자 코팅층이 형성된 상태의 측단면도를 도시한 것이다. 3 is a side cross-sectional view showing a state in which a metal nanoparticle coating layer is formed on the inner surface of a tube according to an embodiment of the present invention.
그리고 도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면의 금속나노입자 코팅층을 연속발진 레이저를 통해 소결되는 상태의 정단면도를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 튜브 내면의 금속나노입자 코팅층을 연속발진 레이저를 통해 소결되는 상태의 측단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 도 4b에 의한 연속발진 레이저 소결 후, 소결되지 않은 코팅층을 제거한 상태의 측단면도를 도시한 것이다. And Figure 4a is a front cross-sectional view showing a state in which the metal nanoparticle coating layer on the inner surface of the tube is sintered through a continuous oscillation laser according to an embodiment of the present invention, Figure 4b is a metal nanoparticle on the inner surface of the tube according to an embodiment of the present invention It shows a side cross-sectional view of a state in which the particle coating layer is sintered through a continuous oscillation laser. And Figure 5 shows a side cross-sectional view of the state in which the unsintered coating layer is removed after the continuous oscillation laser sintering according to Figure 4b.
즉, 532nm 연속발진레이저(10)를 통해 일측에서 튜브(1)의 길이방향을 따라 국부적으로 소결시켜 제1소결된 금속나노입자층을 형성시키고, 일측과 대향되는 타측에서 폴리머 튜브(1)의 길이방향을 따라 국부적으로 소결시켜 제2소결된 금속나노입자층을 형성시키도록 구성된다. 그리고 소결되지 않은 금속나노입자층을 제거한다(S4). 이러한 제1소결된 금속나노입자층과, 제2소결된 금속나노입자층 사이에는 튜브(1) 내면의 길이방향으로 사이 공간이 형성되게 된다. That is, a first sintered metal nanoparticle layer is formed by sintering locally along the longitudinal direction of the
이때, 연속발진레이저(10)의 렌즈, 파워, 이동수단의 속도를 조절하여, 소결 공정을 원하는 조건으로 제어할 수 있다. 레이저 공정 중 튜브(1)의 내면에서 금속나노입자가 소결될 만큼 높은 온도까지 올라가지만 레이저가 이동하면서 순간적으로 열을 가하기 때문에 중심의 튜브(1)는 손상되지 않는다. 즉, 532nm 연속발진레이저(10)를 이용하여 중심의 튜브(1)를 손상시키기 않으면서 은나노입자를 소결시켜 전도성을 가지게 한다. 소결된 은나노입자와 튜브 사이의 부착력이 강해 음파세척처리 후에도 그대로 남아서 집전체 역할을 하게 된다. At this time, the sintering process can be controlled to a desired condition by adjusting the lens, power, and speed of the moving means of the
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저를 통해 튜브 내면에만 부분적으로 열을 가해서 도전사를 제작함으로써 튜브형 슈퍼커패시터를 제작할 수 있으며, 튜브(1) 내면에 은 나노용액을 코팅시켜 국부적으로 소결하므로 폴리머 튜브(1)가 가지고 있는 기본 성질을 그대로 유지할 수 있고, 레이저 공정으로 튜브 내면에 미세 전극을 제조함으로써, 양 전극을 패터닝할 수 있으며 이를 이용해 다양한 튜브형 디바이스를 제작할 수 있게 된다. That is, according to the embodiment of the present invention, a tubular supercapacitor can be manufactured by making a conductive yarn by partially heating the inner surface of the tube through a laser, and the inner surface of the
그리고 이러한 튜브 내면 양단에 소결된 금속나노입자층(11) 상에 비활성금속을 전착시켜 보호층(30)을 형성시키게 된다(S5). And the
이러한 비활성금속은 금으로 구성될 수 있으며, 소결된 금속나노입자층(11) 상에 KAu(CN)2 파우더를 용액에 녹여 Ag/AgCl 기준전극을 사용한 3전극으로 금을 도금하게 된다. This inactive metal may be composed of gold, and KAu(CN) 2 powder is dissolved in a solution on the sintered
소결된 금속나노입자층(11) 상에 금을 전착시키게 됨으로써, 집전체(current collector)를 전해질로부터 보호함과 동시에 전기전도성을 더 향상시킬 수 있게 된다. By electrodepositing gold on the sintered
도 6a는 본 발명이 실시예에 따른 소결된 금속나노입자층 상에 금을 전착시킨 상태의 정단면도를 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a의 측단면도를 도시한 것이다. 6A is a front cross-sectional view illustrating a state in which gold is electrodeposited on a sintered metal nanoparticle layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a side cross-sectional view of FIG. 6A.
그리고 은나노입자/금이 코팅된 튜브(1) 내부로 그래핀 용액을 주입하여 그래핀을 코팅하고, 오븐에 넣어서 50℃로 한 시간 동안 오븐안에서 건조시킨다(S6). Then, the graphene solution is injected into the silver nanoparticle/gold-coated
그리고 산화금속활물질을 그래핀층(40) 상에 전착코팅하여 산화금속층(50)을 형성한다(S7). 이러한 산화금속활물질은 이산화망간일 수 있으며, 3전극을 통해 이산화망간을 그래핀층(40) 상에 전착시키게 된다. And the metal oxide active material is electrodeposited on the
즉, 디바이스의 비 축전용량을 증가시키기 위해 유사커패시터물질인 이산화망간을 그래핀 상에 3전극으로 전착하게 된다.That is, in order to increase the specific capacitance of the device, manganese dioxide, a similar capacitor material, is electrodeposited on graphene as three electrodes.
도 7a는 도 6a 단계 후에, 그래핀을 코팅하고, 이산화망간을 코팅한 상태의 정단면도를 도시한 것이고, 도 7b는 도 7a의 측단면도를 도시한 것이다. Figure 7a shows a front cross-sectional view of a state in which graphene is coated and manganese dioxide is coated after the step of Figure 6a, and Figure 7b is a side cross-sectional view of Figure 7a.
그리고 은나노입자/금 코팅층(11,30)의 사이 공간의 그래핀/이산화망간층을(40, 50) 튜브의 길이방향을 따라 펄스레이저를 조사하여 제거한다(S8)And the graphene/manganese dioxide layer (40, 50) in the space between the silver nanoparticles/gold coating layer (11, 30) is removed by irradiating a pulse laser along the longitudinal direction of the tube (S8)
도 8a에서 양단의 금속나노입자/금 전착층의 사이공간의 그래핀/이산화망간층을 펄스레이저로 제거한 상태의 정단면도를 도시한 것이고, 도 8b는 도 8a의 측단면도를 도시한 것이다. 8A is a front cross-sectional view illustrating a state in which the graphene/manganese dioxide layer in the space between the metal nanoparticles/gold electrodeposition layer at both ends is removed with a pulsed laser, and FIG. 8B is a side cross-sectional view of FIG. 8A.
이러한 절단, 제거공정은 532nm 펄스 레이저(60)를 사용하게 된다. 절단, 제거공정에서도, 그래핀, 이산화망간층(40,50)이 절단될 만큼 높은 온도까지 올라가지만 레이저가 이동하면서 순간적으로 열을 가하기 때문에 중심의 튜브(1)는 손상되지 않는다. This cutting and removal process uses a 532nm pulse laser (60). Even in the cutting and removal process, the graphene and manganese dioxide layers 40 and 50 rise to a high enough temperature to be cut, but the
그리고 튜브 내부로 액체형 전해질(70)을 충전한다(S9). 도 9a는 도 8a 단계 후에, 액체형 전해질을 충전한 상태의 정단면도를 도시한 것이고, 도 9b는 도 9a의 측단면도를 도시한 것이다. Then, the
구체적으로, 0.5 M 농도의 Na2SO4 수용액을 액체형 전해질(70)로 하여 이러한 액체형 전해질(70)을 튜브 내부로 충전하게 된다. Specifically, a 0.5 M concentration of Na 2 SO 4 aqueous solution is used as the
그리고 충전된 액체 전해질이 새어 나오지 않도록 튜브의 양 끝을 에폭시 접착제 등을 이용해 밀봉하고, 밀봉부위 밖으로 연결되어 나온 전극에 구리테이프를 붙여서 외부 단자(80)를 만들고 그 사이를 실버페이스트로 연결하게 된다.Then, both ends of the tube are sealed using an epoxy adhesive, etc. to prevent the charged liquid electrolyte from leaking out, and copper tape is attached to the electrode connected outside the sealing area to make the
도 10은 직렬회로 구현을 위한 조립공정이 필요한 기존구조와, 튜브 내면에 직렬회로를 직접패터닝한 본 발명의 실시예에 따른 튜브형 웨어러블 디바이스의 개념도를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 직렬로 연결된 슈퍼커패시터를 레이저를 이용해 직접적이고 정밀하게 패터닝할 수 있으므로, 조립에 의한 공정 비용 상승을 피할 수 있음을 알 수 있다10 shows a conceptual diagram of a tubular wearable device according to an embodiment of the present invention, in which an assembling process for implementing a series circuit is required, and a series circuit is directly patterned on the inner surface of a tube. As shown in Figure 10, according to the embodiment of the present invention, since supercapacitors connected in series can be directly and precisely patterned using a laser, it can be seen that an increase in process cost due to assembly can be avoided.
따라서, 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따르면, 폴리머 튜브 내면에 코팅된 금속 나노 물질 층을 연속발진 레이저로 조사하여 두 면을 소결시키고 펄스 레이저로 추가 코팅된 그래핀을 절단함으로써 하나의 튜브에 복수의 전극을 제작, 패터닝할 수 있게 된다. Therefore, according to the above-mentioned embodiment of the present invention, the metal nanomaterial layer coated on the inner surface of the polymer tube is irradiated with a continuous laser to sinter the two surfaces and cut the additionally coated graphene with a pulse laser to form a single tube. It becomes possible to fabricate and pattern a plurality of electrodes.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 레이저를 사용해 튜브의 내면에 전극을 직접 패터닝함으로써 액체형 전해질을 충진하기만 하면 바로 슈퍼커패시터 소자로 작동할 수 있는 튜브형 커패시터를 제작하는 방법 및 소자 구조를 제공할 수 있게 된다. And according to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a method and device structure for manufacturing a tubular capacitor that can operate as a supercapacitor device simply by filling a liquid electrolyte by directly patterning an electrode on the inner surface of the tube using a laser. there will be
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 레이저에 투명한 튜브의 내부 표면에 레이저 광을 집속하여 국부적으로 가열함으로써 미세 전극의 패터닝과 절단 가공 등이 가능해지며, 튜브 내면에 전극 물질이 조립되어 있으므로, 튜브 자체가 패키징 역할을 하므로 별도의 패키징 공정이 필요없고, 레이저를 이용해 직렬 연결 회로를 프린팅하는 것이 가능하므로 단일 튜브에 다수의 슈퍼커패시터의 직렬을 구현할 수 있으며, 따라서 작동 voltage가 높아지게 된다. In addition, according to the method for manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, patterning and cutting of microelectrodes are possible by focusing laser light on the inner surface of a transparent tube and heating it locally. , since the electrode material is assembled on the inner surface of the tube, there is no need for a separate packaging process because the tube itself acts as a packaging. Therefore, the operating voltage is increased.
본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 렌즈에 의해 집속된 연속발진 레이저빔을 조사하여 투명 폴리머 내면에 코팅된 금속 나노물질을 선택으로 소결시킴으로써, 전도성이 높고 두께는 얇은 금속 전극을 만들 수 있고, 디바이스가 필요로 하는 전극의 개수에 따라 2 개 이상의 전극선을 패터닝할 수 있으며, 패터닝된 금속 전극 위에 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 폴리머, 금속 산화물과 같은 기능성 물질을 추가적으로 코팅하여 가스 및 액체를 센싱하는 튜브형 디바이스로 활용할 수도 있다. According to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, by selectively sintering the metal nanomaterial coated on the inner surface of the transparent polymer by irradiating a continuous oscillation laser beam focused by a lens, the conductivity is improved High and thin metal electrodes can be made, two or more electrode lines can be patterned depending on the number of electrodes required by the device, and graphene, carbon nanotubes, conductive polymers, and metal oxides can be formed on the patterned metal electrode. It can also be used as a tubular device for sensing gas and liquid by additionally coating a functional material.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 절단 가공에 유용한 펄스 레이저를 조사하여 위 기능성 물질층을 절단시켜 양 전극을 분리시킬 수 있고, 이렇게 분리된 전극에 전해질을 충전하여 전기화학 디바이스(슈퍼커패시터)로 활용할 수 있게 된다. And according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, both electrodes can be separated by cutting the functional material layer by irradiating a pulse laser useful for cutting processing, and thus the separated electrodes It can be used as an electrochemical device (supercapacitor) by filling the electrolyte.
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 레이저 공정 중 튜브의 내면에서 금속 나노입자가 소결되거나 그래핀이 절단될 만큼 놓은 온도까지 올라가지만 레이저가 이동하면서 순간적으로 열을 가하기 때문에 폴리머 튜브는 손상되지 않으므로, 532 nm 연속발진 레이저를 이용하여 중심의 폴리머 튜브를 손상시키지 않으면서 은 나노 입자를 소결시켜 전도성을 가지게 할 수 있고, 소결된 은 나노 입자와 튜브 내면의 부착력이 강해 sonication 후에도 그대로 남아서 집전체의 역할을 할 수 있게 된다. In addition, according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, metal nanoparticles are sintered on the inner surface of the tube during the laser process or the temperature rises to a high enough to cut graphene, but as the laser moves, Since the polymer tube is not damaged due to the instantaneous heating, it is possible to sinter the silver nanoparticles without damaging the central polymer tube using a 532 nm continuous oscillation laser to make them conductive, and the sintered silver nanoparticles and tube Since the inner adhesion is strong, it remains as it is even after sonication and can act as a current collector.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 And wearable tube type using a laser according to an embodiment of the present invention
집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 나노 입자층 위에 도금된 금은 집전체(current collector)를 산성 전해질로부터 보호함과 동시에 전기전도성을 더 향상시킬 수 있고, 532 nm 펄스 레이저로 정확하고 미세하게 그래핀/이산화망간 층을 절단할 수 있으며, 이산화망간을 전착하면 슈퍼커패시터의 비축전용량이 매우 증가될 수 있다. According to the current collector and device manufacturing method, the gold and silver plated on the nanoparticle layer can protect the current collector from acidic electrolyte and further improve electrical conductivity, and precisely and finely graphene with a 532 nm pulse laser. /Manganese dioxide layer can be cut, and manganese dioxide electrodeposition can greatly increase the specific capacitance of supercapacitors.
또한 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 폴리머 튜브가 중심소재이므로 파이버처럼 유연성이 우수하여 웨어러블 디바이스에 사용되기 적합하고, 기존 기술에 비해 (1) 두 개의 섬유를 꼬거나 평행하게 연결하지 않으므로 공정이 간단하며 굽힘에 강한 웨어러블 디바이스에 널리 쓸 수 있고, (2) 나노 입자, 금속, 그래핀, 금속 활물질 등을 튜브의 내표면에만 코팅하므로 생산비용이 낮으며, 금속 활물질을 전착시켜 축전 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.In addition, according to the method of manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, since the polymer tube is a central material, it has excellent flexibility like fiber, so it is suitable for use in wearable devices, and compared to the existing technology (1) two Since the fibers are not twisted or connected in parallel, the process is simple and can be widely used in wearable devices that are strong in bending. It is low, and it is possible to dramatically improve the power storage performance by electrodepositing a metal active material.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 웨어러블 튜브형 집전체 및 디바이스 제작방법에 따르면, 은나노입자와 금, 이산화망간 물질을 튜브의 내면 및 두 전극 위에만 코팅하므로 다른 슈퍼커패시터 제조 방법에 비해 기계적 굽힘에 강하고, 직렬로 연결된 슈퍼커패시터를 레이저를 이용해 직접적이고 정밀하게 패터닝할 수 있으므로, 조립에 의한 공정 비용 상승을 피할 수 있다.And, according to the method for manufacturing a wearable tubular current collector and device using a laser according to an embodiment of the present invention, since silver nanoparticles, gold, and manganese dioxide are coated only on the inner surface of the tube and on the two electrodes, it is more resistant to mechanical bending than other supercapacitor manufacturing methods. Since strong, series-connected supercapacitors can be directly and precisely patterned using a laser, the process cost increase due to assembly can be avoided.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.
1:폴리머 튜브
2:금속나노입자층
10:연속발진레이저
11:소결된 금속나노입자층
30:보호층
40:그래핀층
50:산화금속층
60:펄스레이저
70:전해질
80:외부단자
100:레이저를 이용한 웨어러블 단일 섬유형 디바이스1: Polymer tube
2: Metal Nanoparticle Layer
10: continuous oscillation laser
11: Sintered metal nanoparticle layer
30: protective layer
40: graphene layer
50: metal oxide layer
60: pulse laser
70: electrolyte
80: external terminal
100: Wearable single fiber type device using laser
Claims (15)
폴리머 튜브 내면에 금속나노입자를 코팅하는 제1단계;
레이저를 이용하여, 금속나노입자층을 상기 튜브의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브의 길이방향을 따라 소결시키는 제2단계; 및
소결되지 않은 금속나노입자층을 제거하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
In the method for manufacturing a tubular current collector,
A first step of coating the metal nanoparticles on the inner surface of the polymer tube;
a second step of sintering the metal nanoparticle layer along the longitudinal direction of the tube to be spaced apart from each other at a specific distance in the circumferential direction of the tube using a laser; and
A method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, comprising: a third step of removing the non-sintered metal nanoparticle layer.
상기 튜브 내면 상에, 소결된 금속나노입자층은 서로 이격된 복수로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
On the inner surface of the tube, the sintered metal nanoparticle layer is a method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that consisting of a plurality of spaced apart from each other.
상기 금속나노입자는 은나노입자인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that the metal nanoparticles are silver nanoparticles.
상기 제1단계에서, 에탄올(ethanol)/아세톤(acetone) 혼합용액으로 음파처리(sonication) 공정 후, 오븐으로 가열하면서 건조한 후, 은나노입자용액을 상기 튜브 내면에 주입하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
In the first step, after a sonication process with a mixed solution of ethanol/acetone, and drying while heating in an oven, a silver nanoparticle solution is injected into the inner surface of the tube for coating. A method of manufacturing a tubular wearable current collector using
상기 제2단계에서,
532nm 연속발진레이저를 통해 금속나노입자층을 상기 튜브의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되게 튜브의 길이방향을 따라 소결시키는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
In the second step,
A method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that the metal nanoparticle layer is sintered along the longitudinal direction of the tube to be spaced apart from each other at a specific distance in the circumferential direction of the tube through a 532 nm continuous laser oscillation.
상기 제3단계에서, 증류수에 넣고 음파처리를 진행하여 소결되지 않은 금속나노입자층을 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
In the third step, a method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that removing the non-sintered metal nanoparticle layer by putting it in distilled water and performing sonic treatment.
상기 제3단계 후에,
소결된 금속나노입자층 상에 비활성금속을 전착시켜 보호층을 형성하는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
The method of claim 1,
After the third step,
A method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, characterized in that it further comprises a fourth step of forming a protective layer by electrodepositing an inert metal on the sintered metal nanoparticle layer.
상기 비활성금속은 금이고,
소결된 금속나노입자층 상에 KAu(CN)2 파우더를 용액에 녹여 Ag/AgCl 기준전극을 사용한 3전극으로 금을 도금하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 집전체의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The inert metal is gold,
A method of manufacturing a tubular wearable current collector using a laser, comprising dissolving KAu(CN)2 powder in a solution on the sintered metal nanoparticle layer and plating gold with three electrodes using an Ag/AgCl reference electrode.
A tubular wearable current collector using a laser, characterized in that manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 8.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 집전체를 제조하는 단계;
튜브형 섬유형 집전체 내면에 기능성물질을 코팅시키는 제5단계; 및
금속나노입자층의 사이공간의 기능성물질층을 튜브의 길이방향을 따라 펄스레이저를 조사하여 제거하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스의 제조방법.
A method for manufacturing a tubular device, comprising:
A method of manufacturing a current collector according to any one of claims 1 to 8;
A fifth step of coating a functional material on the inner surface of the tubular fibrous current collector; and
A method of manufacturing a tubular wearable device using a laser, comprising: a sixth step of removing the functional material layer in the space between the metal nanoparticle layers by irradiating a pulse laser along the longitudinal direction of the tube.
상기 제5단계는,
내부로 그래핀 용액을 주입하여 그래핀을 코팅하는 제5-1단계; 및
산화금속활물질을 상기 그래핀층 상에 전착코팅하여 산화금속층을 형성하는 제5-2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The fifth step is
Step 5-1 of coating the graphene by injecting the graphene solution into the inside; and
A method of manufacturing a tubular wearable device using a laser, comprising: a step 5-2 of forming a metal oxide layer by electrodeposition coating a metal oxide active material on the graphene layer.
상기 산화금속활물질은 이산화망간이고,
3전극을 통해 상기 이산화망간을 상기 그래핀층 상에 전착시키는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The metal oxide active material is manganese dioxide,
A method of manufacturing a tubular wearable device using a laser, characterized in that the manganese dioxide is electrodeposited on the graphene layer through three electrodes.
상기 제6단계 후에,
튜브 내부로 액체형 전해질을 충전하는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스의 제조방법.
11. The method of claim 10,
After the sixth step,
A method of manufacturing a tubular wearable device using a laser, characterized in that it further comprises a seventh step of filling the liquid electrolyte into the tube.
A tubular wearable device using a laser, characterized in that manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 10 to 13.
상기 웨어러블 디바이스는 슈퍼커패시터, 전자소자, 또는 센서인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 튜브형 웨어러블 디바이스.
15. The method of claim 14,
The wearable device is a tubular wearable device using a laser, characterized in that a supercapacitor, an electronic device, or a sensor.
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