KR20180068143A - Composite material comprising sandwiched structure, method of fabricating of the same, sensor comprising the same, and super capacitor comprising of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 샌드위치 구조를 갖는 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관한 것으로, 베이스 파이버를 사이에 두고 제1 전극 및 제2 전극이 샌드위치 구조로 형성된 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터에 관련된 것이다.The present invention relates to a composite material having a sandwich structure, a manufacturing method thereof, a sensor including the composite material, and a supercapacitor including the composite material. The composite material has a first electrode and a second electrode sandwiched between base fibers, A manufacturing method thereof, a sensor including the same, and a super capacitor including the same.
전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 전지의 목적으로 사용하도록 한 부품을 커패시터(capacitor)라 한다. 특히, 전자 회로에 사용되는 커패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 한다. 이러한 커패시터 중에서도 축전 용량이 큰 것을 슈퍼 커패시터(super capacitor)라고 하고, 전극과 전해질 계면으로의 이온의 이동이나 표면 화학반응에 의한 충전을 하게 된다. 이러한 슈퍼 커패시터는, 우수한 충방전 속도 및 효율을 나타내고 수명 또한 반영구적임으로 차세대 에너지 저장장치로 각광을 받고 있다. A component that is used for the purpose of a battery is called a capacitor. In particular, a capacitor used in an electronic circuit functions like an electrically rechargeable battery. Among these capacitors, a capacitor having a large storage capacity is referred to as a super capacitor, and charges are caused by movement of ions or surface chemical reactions between the electrodes and the electrolyte interface. These supercapacitors exhibit excellent charge / discharge speed and efficiency, and have a semi-permanent life span, and are thus attracting attention as next-generation energy storage devices.
최근에는 각종 전기, 전자 기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 많이 사용되고 있으며, 그 용도가 더욱더 확대되어 태양열 에너지 저장, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 연료전지자동차 등의 전원까지 폭넓게 이용되고 있다. In recent years, it has been widely used as an IC (integrated circuit) backup of various electric and electronic devices, and its application has been widely used and widely used for power supply for solar energy storage, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and fuel cell vehicles .
이에 따라, 슈퍼 커패시터에 관한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한 민국 특허 공개 공보 10-1194999(출원번호: 10-2011-0063341, 출원인: 한국세라믹기술원)에는, 리튬전이금속산화물을 포함하는 양극, 평균 층간 거리 d002가 3.385~0.445㎚ 범위이고 전해질 이온이 유입되거나 배출되는 통로를 제공하는 복수의 기공들을 갖는 다공성 활성탄을 포함하는 음극, 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 리튬염이 용해되어 있는 전해액을 포함하는 하이브리드 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공한다. Accordingly, various technologies related to supercapacitors have been developed. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1194999 (Application No. 10-2011-0063341, Applicant: Korean Ceramic Institute of Technology) discloses a positive electrode having a lithium transition metal oxide, an average interlayer distance d002 in the range of 3.385 to 0.445 nm A separator for preventing short-circuit between the positive electrode and the negative electrode; and an electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved between the positive electrode and the negative electrode, wherein the electrolyte solution contains a porous activated carbon having a plurality of pores for providing a passage through which electrolyte ions are introduced or discharged. And a method of manufacturing the hybrid supercapacitor.
이 밖에도, 슈퍼 커패시터에 관한 다양한 기술들이 연구 개발되고 있다. In addition, various technologies related to supercapacitors are being researched and developed.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 비틀림, 휘어짐, 또는 굽힘 등의 다양한 변형 환경에서도 감지 및 측정이 가능한 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다. The present invention provides a composite material capable of being sensed and measured even in various deforming environments such as twist, warp, or bend, a method of manufacturing the same, a sensor including the composite material, and a super capacitor including the same have.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 비틀림, 휘어짐, 또는 굽힘 등의 다양한 변형 환경에서도 우수한 안정성을 갖는 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composite material having excellent stability even in various deformation environments such as twist, warp, or bend, a method of manufacturing the same, a sensor including the composite material, and a supercapacitor including the same .
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 비틀림, 휘어짐, 또는 굽힘 등의 다양한 변형 환경에서도 우수한 에너지 저장 성능을 갖는 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composite material having excellent energy storage performance even in various deformation environments such as twist, warp, or bend, a manufacturing method thereof, a sensor including the composite material, and a super capacitor including the same I have to.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전극의 단락이 예방 가능한 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a composite material capable of preventing electrode shorting, a method of manufacturing the same, a sensor including the electrode, and a supercapacitor including the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 베이스 파이버와 전극의 분리가 예방 가능한 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composite material capable of preventing separation of a base fiber and an electrode, a manufacturing method thereof, a sensor including the composite material, and a supercapacitor including the same.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대량생산이 용이한 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composite material which can be mass-produced easily, a method of manufacturing the composite material, a sensor including the composite material, and a supercapacitor including the composite material.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고효율 및 고신뢰성의 복합 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 센서, 및 이를 포함하는 슈퍼 커패시터를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a composite material of high efficiency and high reliability, a method of manufacturing the composite material, a sensor including the composite material, and a super capacitor including the same.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 복합 소재의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a method of manufacturing a composite material.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 소재의 제조 방법은, 실리콘을 포함하고, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함하는, 베이스 파이버(base fiber)를 준비하는 단계, 상기 베이스 파이버를 길이 방향으로 연장시키는 단계, 연장된 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 상에 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극을 형성하는 단계 및 연장된 상기 베이스 파이버의 상기 제2 면 상에 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, a method of making a composite material comprises the steps of preparing a base fiber comprising silicon and comprising a first side and a second side opposite the first side, Forming a first electrode comprising carbon nanotubes on the first surface of the elongated base fiber, and forming a second electrode on the second surface of the extended base fiber, And forming a second electrode including the first electrode and the second electrode.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 탄소나노튜브를 포함하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로, 첨가제를 제공하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 밀도를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the step of forming the first electrode and the step of forming the second electrode may include providing the additive to the first electrode and the second electrode including carbon nanotubes, And increasing the density of the electrode and the second electrode.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 파이버는, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이의 제3 면 및 상기 제3 면에 대향하는 제4 면을 더 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성하기 전, 상기 제3 면 및 상기 제4 면 상에, 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴을 각각 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, the base fiber further comprises a third surface between the first surface and the second surface, and a fourth surface facing the third surface, wherein the first electrode and the second electrode Forming the first mask pattern and the second mask pattern on the third surface and the fourth surface, respectively, before forming the first mask pattern and the second mask pattern.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 소재의 제조 방법은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 형성된 후, 상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, the method may further include removing the first mask pattern and the second mask pattern after the first electrode and the second electrode are formed.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴은, 폴리 우레탄을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first mask pattern and the second mask pattern may include polyurethane.
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 파이버를 준비하는 단계는, 실리콘을 포함하는 베이스 시트(base sheet)를 준비하는 단계, 상기 베이스 시트의 상부면 및 하부면 상에, 각각 제1 마스크층 및 제2 마스크층을 각각 형성하는 단계 및 상기 베이스 시트를 절단하여, 상기 베이스 파이버를 제조하는 단계를 포함하되, 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 및 상기 제2 면은, 상기 베이스 시트의 절단으로 생성된 면이고, 상기 베이스 파이버는, 상기 제1 마스크층이 절단된 제1 마스크 패턴이 배치되고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이에 배치되는 제3 면 및 상기 제3 면에 대향하고, 상기 제2 마스크층이 절단된 제2 마스크 패턴이 배치되는 제4 면을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of preparing the base fiber comprises the steps of preparing a base sheet comprising silicon, forming on the upper and lower surfaces of the base sheet a first mask layer and a second mask layer, respectively, Forming a base layer on the base sheet; forming a base layer on the base sheet; forming a base layer on the base layer; forming a base layer on the base layer; Wherein the base fiber is provided with a first mask pattern in which the first mask layer is cut, a third surface disposed between the first surface and the second surface, and a third surface opposed to the third surface, 2 < / RTI > second mask pattern from which the mask layer is cut.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상의 탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of forming the first electrode and the step of forming the second electrode may include providing an energy storage material on the first surface of the base fiber and the carbon nanotube on the second surface Step < / RTI >
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 물질을 제공하는 단계는, 탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 포함하는 소스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, providing the energy storage material may comprise providing a source comprising an energy storage material on the carbon nanotube.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 복합 소재를 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a composite material.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 소재는, 실리콘을 포함하고, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함하는, 베이스 파이버(base fiber), 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 상에 배치되고, 주름 구조를 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극, 및 상기 베이스 파이버의 상기 제2 면 상에 배치되고, 주름 구조를 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the composite material comprises a base fiber comprising silicon and including a first side and a second side opposite the first side, a first side of the base fiber, And a second electrode disposed on the second surface of the base fiber and including a carbon nanotube having a wrinkle structure, the first electrode including a carbon nanotube having a pleated structure, and a second electrode disposed on the second surface of the base fiber, .
일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 파이버는, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이에 배치되고, 탄소나노튜브가 배치되지 않고 노출된 제3 면 및 상기 제3 면에 대향하고 탄소나노튜브가 배치되지 않고 노출된 제4 면을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the base fiber may include a third surface disposed between the first surface and the second surface, the carbon nanotube not exposed to the carbon nanotube, and the carbon nanotube disposed opposite to the third surface, And the fourth surface exposed without being exposed.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 에너지 저장 물질을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first electrode and the second electrode may include an energy storage material.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 물질은, MnO2 및 PEDOT(poly ethylenedioxythiophene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the energy storage material may include at least one of MnO 2 and PEDOT (polyethylenedioxythiophene).
본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재는, 실리콘을 포함하고, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 포함하는, 베이스 파이버, 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 상에 배치되고, 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극 및 상기 베이스 파이버의 상기 제2 면 상에 배치되고, 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 주름 구조를 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부 자극이나 다양한 변형 환경에서도, 전극의 전기적 단락이 예방되고 신축률이 향상된 복합 소재가 제공될 수 있다. A composite material according to an embodiment of the present invention includes: a base fiber including silicon and including a first side and a second side opposite the first side; a second fiber disposed on the first side of the base fiber, A first electrode including a carbon nanotube, and a second electrode disposed on the second surface of the base fiber, the second electrode including carbon nanotubes. The first electrode and the second electrode may include a corrugated structure. Accordingly, even in an external stimulus or various deformation environments, it is possible to provide a composite material in which electrical shorting of electrodes is prevented and an expansion ratio is improved.
또한, 상기 복합 소재의 제조 방법은, 상기 제1 면과 상기 제2 면 사이의 제3 면 및 상기 제3 면에 대향하는 제4 면 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 제1 전극 과 상기 제2 전극 형성 후 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴은, 탄소나노튜브와 접합 특성이 좋지 않은 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 마스크 패턴 상에 탄소나노튜브가 용이하게 접합되지 않게 되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기적 단락 현상이 방지될 수 있다. 만약, 상기 탄소나노튜브가 상기 마스크 패턴 상에 접합되는 경우, 탄소나노튜브는 상기 마스크 패턴과 함께 제거될 수 있어, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기적 단락 현상이 방지될 수 있다The method may further include forming a mask pattern on a third surface between the first surface and the second surface and a fourth surface opposed to the third surface, And removing the mask pattern after forming the second electrode. The mask pattern may include a material having poor bonding properties with the carbon nanotubes. As a result, the carbon nanotubes are not easily bonded onto the mask pattern, so that the electrical short circuit between the first electrode and the second electrode can be prevented. If the carbon nanotubes are bonded to the mask pattern, the carbon nanotubes can be removed together with the mask pattern, thereby preventing electrical shorting between the first electrode and the second electrode
또한, 상기 복합 소재의 제조 방법은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 첨가제를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 첨가제는, 상기 베이스 파이버와 탄소나노튜브 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 파이버와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 분리가 예방된 복합 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다. 결과적으로, 고효율 및 고신뢰성의 복합 소재 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, the method of manufacturing the composite material may include providing the additive to the first electrode and the second electrode. The additive can improve the bonding force between the base fiber and the carbon nanotubes. Accordingly, a method of manufacturing a composite material in which separation of the base fiber, the first electrode, and the second electrode is prevented can be provided. As a result, a composite material of high efficiency and high reliability and a manufacturing method thereof can be provided.
본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재의 제조 방법은, 베이스 시트를 준비하는 단계, 상기 베이스 시트의 상부면 및 하부면 상에 상기 제1 마스크층 및 상기 제2 마스크층을 형성하는 단계, 상기 베이스 시트를 절단하여 상기 베이스 파이버를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 베이스 시트가 절단됨에 따라, 마스크 패턴이 배치된 상기 베이스 파이버가 용이하게 제조되고, 전극 또한 용이하게 제조될 수 있다. 이에 따라, 용이하게 대량 생산이 가능한 고신뢰성의 복합 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다.A method of manufacturing a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention includes the steps of preparing a base sheet, forming the first mask layer and the second mask layer on the upper and lower surfaces of the base sheet, And cutting the base sheet to produce the base fiber. As the base sheet is cut, the base fiber on which the mask pattern is disposed can be easily manufactured, and the electrode can also be easily manufactured. Accordingly, a highly reliable composite material production method capable of mass production with ease can be provided.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 꼬임 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재가 절단된 한 영역의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재를 촬영한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 형태를 변형시켜 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 비교 예 1에 따른 복합 소재를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시 예 2에 따른 복합 직물을 촬영한 사진이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 다양한 변형에 따른 모습을 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 다양한 변형에 따라 나타나는 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 구조적인 특징을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼 커패시터의 전기적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 5에 따른 비대칭 슈퍼 커패시터의 특성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터의 다양한 변형에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 4 are views for explaining a manufacturing process of a composite material according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a twist structure of a composite material according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view showing a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention.
7 is a perspective view of a region where a composite material is cut according to a modification of the embodiment of the present invention.
8 is a photograph of a composite material according to Example 1 of the present invention.
Fig. 9 is a photograph of a composite material according to the first embodiment of the present invention, which is obtained by modifying the shape of the composite material. Fig.
10 is a photograph of a composite material according to Comparative Example 1 of the present invention.
11 is a photograph of the composite fabric according to the second embodiment of the present invention.
12 and 13 are photographs of various shapes of the composite material according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing the characteristics of the composite material according to various modifications of the first embodiment of the present invention. FIG.
15 to 17 are graphs showing structural characteristics of the composite material according to the first embodiment of the present invention.
18 is a graph comparing the electrical characteristics of a supercapacitor according to embodiments of the present invention.
19 is a graph showing electrical characteristics of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
20 is a graph illustrating characteristics of an asymmetric supercapacitor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIGS. 21 and 22 are graphs showing characteristics according to various modifications of the supercapacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention 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, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 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. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof. Also, in this specification, the term "connection " is used to include both indirectly connecting and directly connecting a plurality of components.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다. FIG. 1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are views for explaining a manufacturing process of a composite material according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 베이스 파이버(base fiber, 100)가 준비될 수 있다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 파이버(100)는, 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 파이버(100)는, 실리콘 고무 섬유일 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, a
상기 베이스 파이버(100)는, 제1 면(102) 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면(104)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 베이스 파이버(100)는, 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 사이에 배치되고 후술되는 탄소나노튜브가 배치되지 않는 제3 면(106), 및 상기 제3 면에 대향하고 후술되는 탄소나노튜브가 배치되지 않는 제4 면(108)을 포함할 수 있다.The
상기 베이스 파이버(100)는, 인장력(tensile force)을 상기 베이스 파이버(100)의 양 끝단에 가하여 길이 방향으로 연장 될 수 있다(S120). 예를 들어, 상기 길이 방향은 A 및 A' 방향일 수 있다. The
도 3을 참조하면, 연장된 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 상에 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 포함하는 제1 전극(122)이 형성될 수 있다(S130). 또한, 연장된 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제2 면(104) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극(124)이 형성될 수 있다(S140). Referring to FIG. 3, a
상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 형성되기 전, 상기 베이스 파이버(100) 상에 마스크 패턴(mask pattern, 142, 144)이 형성될 수 있다. 상기 마스크 패턴(142, 144)을 형성하는 단계는, 용매에 고분자 물질을 용해하여 마스크 용액을 제조하는 단계, 상기 마스크 용액을 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제3 면(106) 및 상기 제4 면(108) 상에 도포하는 단계, 및 상기 마스크 용액을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, THF(tetrahydrofuran)일 수 있다. 상기 고분자 물질은, 탄소나노튜브와 접합 특성이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 물질은 폴리 우레탄(poly urethane)일 수 있다. A
상기 마스크 패턴(142, 144)은, 제1 마스크 패턴(142) 및 제2 마스크 패턴(144)을 포함할 수 있다. 상기 제1 마스크 패턴(142)은, 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제3 면(106) 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 마스크 패턴(144)은, 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제4 면(108) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 마스크 패턴(142) 및 상기 제2 마스크 패턴(144)은, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 형성된 후 제거될 수 있다. The
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 마스크 패턴(142, 144)을 형성하는 단계를 생략하고, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)을 제조하는 경우, 잔여 탄소나노튜브가 상기 제3 면(106) 및 상기 제4 면(108) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(144)이 접촉되는 현상이 발생하여, 전기적 단락이 발생될 수 있다. 또한, 상기 제3 면(106) 및 상기 제4 면(108) 상에 잔여 탄소나노튜브가 형성된 경우, 상기 베이스 파이버(100)의 꼬임 변형에 의해, 잔여 탄소나노튜브가 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 전기적 단락 현상이 발생될 수 있다. In the case where the
하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 경우, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 형성되기 전, 상기 제3 면(106) 및 상기 제4 면(108) 상에 상기 마스크 패턴(142, 144)을 형성하고, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(144)이 형성된 후 상기 마스크 패턴(142, 144)을 제거할 수 있다. 또한, 상기 마스크 패턴(142, 144)은, 탄소나노튜브와 접합 특성이 좋지 않은 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 마스크 패턴(142, 144) 상에 탄소나노튜브가 용이하게 접합되지 않게 되어, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 전기적 단락 현상이 방지 될 수 있다. 만약, 탄소나노튜브가 상기 마스크 패턴(142, 144) 상에 접합되는 경우, 탄소나노튜브는 상기 마스크 패턴(142, 144)과 함께 제거 될 수 있어, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 전기적 단락 현상이 방지 될 수 있다. 결과적으로 전기적 단락 현상이 예방된 복합 소재가 제공될 수 있다. However, in the case of the composite material according to the embodiment of the present invention, before the
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는, 탄소나노튜브 시트 형태로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에 상기 탄소나노튜브 시트를 형성하는 단계는, 화학 기상 증착법으로 탄소나노튜브 숲(forest)을 제조하는 단계, 상기 탄소나노튜브 숲으로부터 상기 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계, 상기 탄소나노튜브 시트를 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 시트(120)는, 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에 복수 겹으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브 시트(120)는, 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에 120겹으로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(120)는 제1 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 방향은, 상기 베이스 파이버(100)의 길이 방향과 평행일 수 있다. According to one embodiment, the carbon nanotubes may be provided in the form of a carbon nanotube sheet. According to one embodiment, the step of forming the carbon nanotube sheet on the
또한, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)을 형성하는 단계는, 탄소나노튜브를 포함하는 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)으로 첨가제를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 첨가제는, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 밀도를 증가시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 참가제는, 탄소나노튜브의 밀도를 높이고, 상기 탄소나노튜브 시트(120)와 상기 베이스 파이버(100) 사이의 접착력을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 첨가제는, 에탄올(ethanol)일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 첨가제는, 아세톤(acetone)등일 수 있다. The forming of the
본 발명의 실시 예에 다른 복합 소재는, 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제1 면(102)에 대향하는 상기 제2 면(104) 상에 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 형성되어 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 샌드위치(sandwich) 구조로 제공된다. 이에 따라, 외부 자극이나 다양한 변형 환경에서도, 전극의 단락이 예방된 복합 소재가 제공될 수 있다. 또한, 상기 복합 소재의 제조 방법은, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)으로 첨가제를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 파이버(100)와 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 분리가 예방된 복합 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다.A composite material according to an embodiment of the present invention includes a
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 연장된 상기 베이스 파이버(100)는, 상기 인장력이 제거되어, 상기 길이 방향으로 줄어들 수 있다(S150). 상기 베이스 파이버(100)가 줄어듬에 따라, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)은, 주름 구조가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 베이스 파이버(100)가 줄어듬에 따라, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 포함하는 탄소나노튜브에 주름 구조가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 소재는, 높은 신축율 및 효율적인 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있다. Referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), the
상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)을 형성하는 단계는, 줄어든 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104)의 탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 에너지 저장 물질을 제공하는 단계는, 상기 에너지 저장 물질을 포함하는 소스를 제조하는 단계, 탄소나노튜브 상에 상기 소스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 소스는, 용액 공정으로 제공될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 소스는, 기상 증착 공정으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 소스를 상기 탄소나노튜브 시트(120)상에 제공하는 방법은, potentiostatic method 및 vapor phase polymerization method 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 저장 물질은, MnO2 및 PEDOT(poly ethylenedioxythiophene)중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The step of forming the
상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량에 따라서, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 주름 폭(width)이 조절될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량에 따라서, 상기 복합 소재의 신축성(flexibility)이 조절될 수 있다. The corrugation widths of the
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량이 증가하는 경우, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 주름 폭은 넓게 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량이 증가하는 경우, 인장력이 제거된 상기 베이스 파이버(100)가 줄어든 면적 변화량이 적을 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 소재의 상기 길이 방향으로 신축성은, 상대적으로 낮아질 수 있다. According to one embodiment, when the content of carbon nanotubes in the
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량이 감소하는 경우, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 주름 폭은 좁게 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 내의 탄소나노튜브의 함량이 감소하는 경우, 인장력이 제거된 상기 베이스 파이버(100)가 줄어든 면적 변화량이 클 수 있다. 이에 따라, 상기 복합 소재의 상기 길이 방향으로 신축성은, 상대적으로 높아질 수 있다.According to an embodiment, when the content of the carbon nanotubes in the
일 실시 예에 따르면, 상기 복합 소재는, 상기 길이 방향으로 연장될 수 있다. 연장된 상기 복합 소재의 최대 길이는, 도 1 및 도 2를 참조하여 상술된 상기 베이스 파이버(100)가 연장된 같을 수 있다.According to one embodiment, the composite material may extend in the longitudinal direction. The maximum length of the elongated composite material may be the same as the length of the
본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 제조 방법은, 상기 베이스 파이버(100)를 연장하는 단계, 연장된 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제3 면(106) 및 상기 제4 면(108) 상에 상기 마스크 패턴(140)을 형성하는 단계, 연장된 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에 탄소나노튜브를 포함하는 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)을 형성하는 단계, 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124) 상에 첨가제를 제공하는 단계, 연장된 상기 베이스 파이버(100)를 줄이는 단계, 줄어든 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104)의 탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부 자극이나 다양한 변형 환경에서도, 전극의 단락 및 분리가 예방되고 신축률이 향상된 복합 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다. A method of manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention includes the steps of extending the
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 꼬임 구조를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a twist structure of a composite material according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 도 1내지 도4를 참조하여 설명된 상기 복합 소재는, 외부에서 가해지는 힘에 의해, 꼬임(twist) 변형이 발생할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재는, 상기 꼬임 변형이 발생한 경우, 샌드위치 구조에 의해 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 단락이 방지될 수 있다. 또한, 상기 복합 소재는, 상기 꼬임 변형이 발생한 경우, 상기 첨가제에 의해, 상기 베이스 파이버(100)와 탄소나노튜브 사이의 결합력이 향상되어, 상기 베이스 파이버(100)와 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)의 분리가 방지될 수 있다. Referring to FIG. 5, in the composite material described with reference to FIGS. 1 to 4, twist deformation may occur due to external force. The composite material according to the embodiment of the present invention can prevent the
이하, 상술된 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재 및 그 제조 방법이 설명된다. Hereinafter, a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention described above and a manufacturing method thereof will be described.
도 6은 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재를 나타내는 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재가 절단된 한 영역의 사시도이다. FIG. 6 is a perspective view showing a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a perspective view of an area where a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention is cut.
도 6 및 도 7을 참조하면, 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명된 상기 베이스 파이버(100)를 준비하는 단계는, 베이스 시트(base sheet, 200)를 준비하는 단계, 상기 베이스 시트(200)의 상부면 및 하부면 상에, 각각 제1 마스크층(mask layer, 242) 및 제2 마스크층(244)을 각각 형성하는 단계, 및 상기 베이스 시트(200)를 절단하여 상기 베이스 파이버(100)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 시트(200)는, 실리콘을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, preparing the
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 마스크층(242) 및 상기 제2 마스크층(244)은, 폴리 우레탄(poly urethane)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 시트(200)는, 상기 베이스 시트(200)의 상기 상부면에서 상기 하부면으로 향하는 수직 방향으로 절단될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 시트(200)는, 도 5에 나타난 C 면을 기준으로 복수 회 절단될 수 있다. According to one embodiment, the
상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104)은, 상기 베이스 시트(200)의 절단으로 생성될 수 있다. 이에 따라, 상기 베이스 파이버(100)의 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104)은, 노출될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 시트(200)가 포함하는 실리콘의 적어도 일부분은, 상기 베이스 시트(200)의 절단에 따라, 노출될 수 있다. 상기 베이스 파이버(100)의 제3 면(106) 상에는, 상기 제1 마스크층(242)이 절단된 제1 마스크 패턴(142)이 배치될 수 있다. 상기 제3 면(106)은, 상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 사이에 배치될 수 있다. 상기 베이스 파이버(100)의 제4 면(108) 상에는, 상기 제2 마스크층(244)이 절단된 제2 마스크 패턴(144)이 배치될 수 있다. 상기 제4 면(108)은, 상기 제3 면(106)에 대향되어 배치될 수 있다. The
상기 제1 면(102) 및 상기 제2 면(104) 상에는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 탄소나노튜브를 포함하는 상기 제1 전극(122) 및 상기 제2 전극(124)이 형성될 수 있다.The
본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 복합 소재의 제조 방법은, 베이스 시트(200)를 준비하는 단계, 상기 베이스 시트(200)의 상부면 및 하부면 상에 상기 제1 마스크층(242) 및 상기 제2 마스크층(244)을 형성하는 단계, 상기 베이스 시트(200)를 절단하여 상기 베이스 파이버(100)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 마스크 패턴(142, 144)이 배치된 상기 베이스 파이버(100)가 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 상기 마스크 패턴(142, 144)이 배치된 상기 베이스 파이버(100)가 용이하게 제조됨에 따라, 상기 전극(122, 124)이 용이하게 제조될 수 있다. 결과적으로, 용이하게 대량 생산이 가능한 고신뢰성의 복합 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다. A method of fabricating a composite material according to a modification of the embodiment of the present invention includes the steps of preparing a
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재의 구체적인 실험 제조 예 및 특성 평가 결과가 설명된다. Hereinafter, specific experimental production examples and characteristics evaluation results of the composite material according to the above-described embodiment of the present invention will be described.
실시 예 1에 따른 복합 소재 제조The composite material production according to Example 1
베이스 파이버로 직사각형 형태의 실리콘 고무 섬유를 준비하였다. 상기 실리콘 고무 섬유는, 시중에서 구할 수 있는 Ecoflex 0500 film을 잘라 제조하였다. 상기 베이스 파이버를 길이 방향으로 300% 연장시켰다.A rectangular silicon rubber fiber was prepared as a base fiber. The above silicone rubber fiber was produced by cutting a commercially available Ecoflex 0500 film. The base fiber was elongated by 300% in the longitudinal direction.
마스크 용액이 준비된다. 상기 마스크 용액은, THF(tetrahydrofuran) 용액에 폴리 우레탄(poly urethane)을 용해시켜 제조하였다. 상기 마스크 용액을, 연장된 상기 베이스 파이버의 좌측면 및 우측면 상에 도포한 후 건조하여 마스크 패턴을 형성하였다. A mask solution is prepared. The mask solution was prepared by dissolving polyurethane in THF (tetrahydrofuran) solution. The mask solution was applied on the left and right sides of the elongated base fiber and then dried to form a mask pattern.
탄소나노튜브 시트가 준비된다. 상기 탄소나노튜브 시트는, 탄소나노튜브 숲으로부터 제조하였다. 상기 탄소나노튜브 시트를, 연장된 상기 베이스 파이버의 상면 및 하면 상에 증착시켜 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극 및 제2 전극을 제조하였다. A carbon nanotube sheet is prepared. The carbon nanotube sheet was prepared from a carbon nanotube forest. The carbon nanotube sheet was deposited on the upper and lower surfaces of the elongated base fiber to prepare a first electrode and a second electrode including carbon nanotubes.
연장된 상기 베이스 파이버의 상기 탄소나노튜브 시트 상에, 에탄올을 첨가하였다. 이후, 연장된 상기 베이스 파이버를 상기 길이 방향으로 단축시켜, 샌드위치 구조를 갖는 복합 소재를 제조하였다.On the carbon nanotube sheet of the extended base fiber, ethanol was added. Thereafter, the elongated base fiber was shortened in the longitudinal direction to produce a composite material having a sandwich structure.
실시 예 2에 따른 복합 직물 제조Composite Fabric Production According to Example 2
상술된 실시 예 1에 따른 복합 소재를 20cm의 길이로 준비했다. 상기 복합 소재를 시중에서 구할 수 있는 일반 목장갑에 바느질하여 복합 직물을 제조하였다. The composite material according to Example 1 described above was prepared to a length of 20 cm. The composite material was stitched on a commercially available knitwear to produce a composite fabric.
실시 예 3에 따른 슈퍼 커패시터 제조Manufacturing of the supercapacitor according to the third embodiment
상술된 실시 예 1에 따른 복합 소재 및 15 wt%의 PVA-LiCl get electrolyte가 준비된다. 상기 PVA-LiCl get electrolyte는, 4.5g의 무게와 146,000~186,000의 분자량을 갖는 PVA(polyvinyl alcohol), 6g의 무게를 갖는 LiCl, 및 30mL 용량의 DI water를 혼합하여 제조하였다. The composite material according to Example 1 described above and a 15 wt% PVA-LiCl get electrolyte are prepared. The PVA-LiCl get electrolyte was prepared by mixing PVA (polyvinyl alcohol) having a weight of 4.5 g and a molecular weight of 146,000 to 186,000, LiCl having a weight of 6 g, and DI water in a volume of 30 mL.
상술된 실시 예 1에 따른 복합 소재의 제1 전극 및 제2 전극을 cathode 및 anode로 사용하고, 상기 전극 상에 상기 15 wt%의 PVA-LiCl gel electrolyte를 코팅하여 슈퍼 커패시터를 제조하였다. The first electrode and the second electrode of the composite material according to Example 1 were used as a cathode and an anode, and the 15 wt% PVA-LiCl gel electrolyte was coated on the electrode to prepare a supercapacitor.
실시 예 4에 따른 복합 소재 및 슈퍼 커패시터 제조Fabrication of composite material and supercapacitor according to Example 4
상술된 실시 예 1 에 따른 복합 소재가 준비된다. 상기 복합 소재의 제1 전극 및 제2 전극이 포함하는 탄소나노튜브 상에 potentiostatic 방법으로 MnO2를 증착시켜, 실시 예 4에 따른 복합 소재를 제조하였다. The composite material according to the above-described
이후, 상기 실시 예 4에 따른 복합 소재의 제1 전극 및 제2 전극을 cathode 및 anode로 사용하고, 실시 예 3에 따른 방법으로 슈퍼 커패시터를 제조하였다. Then, the first electrode and the second electrode of the composite material according to the fourth embodiment were used as a cathode and an anode, respectively, and a supercapacitor was manufactured by the method according to the third embodiment.
실시 예 5에 따른 복합 소재 및 슈퍼 커패시터 제조Fabrication of composite material and supercapacitor according to Example 5
상술된 실시 예 1 에 따른 복합 소재가 준비된다. 상기 복합 소재의 제1 전극이 포함하는 탄소나노튜브 상에 potentiostatic 방법으로 MnO2를 증착시켰다. The composite material according to the above-described
PEDOT(poly ethylenedioxythiophene) 용액이 준비된다. 상기 PEDOT 용액은, 20 wt % solution of iron(III) p-toluenesulfonate hexahydrate (Fe(III)PTS), butanol, 1.6 volume % 의 pyridine, 및 8 wt% 의 산화제를 혼합하여 제조하였다. 상기 PEDOT 용액을 상기 복합 소재의 제2 전극이 포함하는 탄소나노튜브 상에 drop 시켰다. 상기 PEDOT 용액이 drop된 상기 탄소나노튜브를 60℃의 온도에서 30분 동안 건조시켰다. 건조된 상기 탄소나노튜브를 VPP(vapour phase polymerization) 챔버 내에서 60℃의 온도로 1시간 동안 건조하여, 실시 예 5에 따른 복합 소재를 제조하였다. PEDOT (polyethylenedioxythiophene) solution is prepared. The PEDOT solution was prepared by mixing 20 wt% solution of iron (III) p-toluenesulfonate hexahydrate (Fe (III) PTS), butanol, 1.6 volume% pyridine and 8 wt% oxidizing agent. The PEDOT solution was dropped onto the carbon nanotube containing the second electrode of the composite material. The carbon nanotubes dropping the PEDOT solution were dried at a temperature of 60 DEG C for 30 minutes. The dried carbon nanotubes were dried in a VPP (vapor phase polymerization) chamber at a temperature of 60 ° C. for 1 hour to prepare a composite material according to Example 5.
이후, 상기 실시 예 5에 따른 복합 소재의 제1 전극 및 제2 전극을 anode 및 cathode로 사용하고, 실시 예 3에 따른 방법으로 슈퍼 커패시터를 제조하였다.Then, the first electrode and the second electrode of the composite material according to the fifth embodiment were used as an anode and a cathode, and a supercapacitor was manufactured by the method according to the third embodiment.
실시 예 6에 따른 torsional sensor 제조Torsional sensor fabrication according to
상술된 실시 예 1에 따른 복합 소재 및 8cm 길이의 인공 근육(artificial muscle)이 준비된다. 상기 인공 근육은, 520μm 직경의 나일론 섬유(nylon fiber)를 꼬으는 단계, 및 꼬인 상기 나일론 섬유를 250℃의 온도, 아르곤(argon) 가스 분위기에서 1시간 동안 열처리하는 단계를 수행하여 제조하였다. The composite material according to Example 1 described above and an artificial muscle having a length of 8 cm are prepared. The artificial muscle was manufactured by twisting 520 μm diameter nylon fiber and heat treating the twisted nylon fiber at 250 ° C. and argon gas atmosphere for 1 hour.
이후, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재의 한 쪽 끝에 상기 인공 근육을 연결하고, 상기 인공 근육 부분을 heat gun을 이용하여 열처리하였다. 그 결과, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재 부분이 750°의 각도로 회전된 실시 예 6에 따른 torsional sensor를 제조되었다.Thereafter, the artificial muscle was connected to one end of the composite material according to Example 1, and the artificial muscle portion was heat-treated using a heat gun. As a result, a torsional sensor according to Example 6 was manufactured in which the composite material portion according to Example 1 was rotated at an angle of 750 °.
비교 예 1에 따른 복합 소재 제조The composite material production according to Comparative Example 1
상술된 실시 예 1에 따른 베이스 파이버를 준비하였다. 상기 베이스 파이버를 이용하여 상기 실시 예 1에 따른 방법으로 복합 소재를 제조하되, 상기 베이스 파이버의 좌측면 및 우측면 상에 마스크 패턴을 생략하고, 탄소나노튜브 시트를 증착시켜 비교 예 1에 따른 복합 소재를 제조하였다. The base fiber according to Example 1 described above was prepared. A composite material was produced by the method according to Example 1 using the above-mentioned base fiber, and a carbon nanotube sheet was deposited on the left and right sides of the base fiber by omitting the mask pattern, .
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재를 촬영한 사진이다. 8 is a photograph of a composite material according to Example 1 of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 SEM(scanning electron microscopy) 촬영하였다. 도 8에서 알 수 있듯이, 상기 복합 소재는, 베이스 파이버 상면 및 하면 상에 탄소나노튜브 시트가 샌드위치 형태로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, the composite material according to Example 1 was photographed by SEM (scanning electron microscopy). As can be seen from FIG. 8, it can be confirmed that the carbon nanotube sheet is formed in sandwich form on the upper surface and the lower surface of the base fiber.
도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 형태를 변형시켜 촬영한 사진이다. Fig. 9 is a photograph of a composite material according to the first embodiment of the present invention, which is obtained by modifying the shape of the composite material. Fig.
도 9의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 꼬임(twisted), 늘임(stretched), 및 구부림(bent)의 변형을 수행하고, 변형된 상기 복합 소재를 유리관에 감아 사진 촬영 하였다. 도 9의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 꼬임, 늘임, 및 구부림 등의 변형에서도 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 9 (a), the composite material according to the first embodiment is twisted, stretched, and bent, and the deformed composite material is wound on a glass tube, . As can be seen from FIG. 9 (a), the composite material according to Example 1 has stability in twisting, stretching, and bending.
도 9의 (b) 및 (c)를 참조하면, 도 9의 (a)를 참조하여 설명된 상기 복합 소재를 저배율 및 고배율에서 SEM 촬영하였다. 도 9의 (b) 및 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 주름 구조가 전체적으로 균일하게 형성되어 있으며, 주름의 넓이 및 높이가 약 10~15 μm로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 9 (b) and 9 (c), SEM images of the composite material described with reference to FIG. 9 (a) were taken at low magnification and high magnification. As can be seen from FIGS. 9 (b) and 9 (c), the composite material according to Example 1 has a wrinkle structure uniformly formed all over and a wrinkle width and height of about 10 to 15 μm I could.
도 10은 본 발명의 비교 예 1에 따른 복합 소재를 촬영한 사진이다. 10 is a photograph of a composite material according to Comparative Example 1 of the present invention.
도 10을 참조하면, 베이스 파이버 및 상기 베이스 파이버 상에 상기 탄소나노튜브 시트를 증착시킨 후 SEM 촬영하였다. 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 1에 따른 복합 소재는, 상기 베이스 파이버 상에 상기 탄소나노튜브 시트가 제대로 증착되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 소재를 제조하기 위해서는, 상기 마스크 패턴의 형성이 필요한 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, after the carbon nanotube sheet was deposited on the base fiber and the base fiber, SEM images were taken. As can be seen from FIG. 10, the composite material according to Comparative Example 1 was confirmed that the carbon nanotube sheet was not properly deposited on the base fiber. Thus, it can be seen that, in order to manufacture the composite material according to the embodiment of the present invention, it is necessary to form the mask pattern.
도 11은 본 발명의 실시 예 2에 따른 복합 직물을 촬영한 사진이다. 11 is a photograph of the composite fabric according to the second embodiment of the present invention.
도 11의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 복합 직물을 사진 촬영 하였다. 도 11의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재가, 일반 목장갑 내에 20cm의 길이로 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Fig. 11 (a), the composite fabric according to Example 2 was photographed. As can be seen from FIG. 11 (a), it was confirmed that the composite material according to Example 1 was included in a general wooden glove with a length of 20 cm.
도 11의 (b) 및 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 복합 직물을 원래 상태 및 60%의 탄성 변화율로 늘린 상태에서, 확대하여 사진 촬영 하였다. 도 11의 (b) 및 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 복합 직물은 60%의 탄성 변화율에도 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Figs. 11 (b) and 11 (c), the composite fabric according to the second embodiment was photographed in an enlarged state in a state of being increased in its original state and an elastic change rate of 60%. As can be seen from FIGS. 11 (b) and 11 (c), it was confirmed that the composite fabric according to Example 2 had stability at a rate of change of elasticity of 60%.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 다양한 변형에 따른 모습을 촬영한 사진이다. 12 and 13 are photographs of various shapes of the composite material according to the first embodiment of the present invention.
도 12의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 SEM 촬영하였다. 도 12의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 200%의 신축(stretched) 변형한 뒤 SEM 촬영하였다. 도 12의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 200%의 신축 변형 및 1700 rad/meter으로 꼬임(twisted) 변형한 뒤 SEM 촬영하였다. 도 13의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 1700 rad/meter으로 꼬임 변형한 뒤 SEM 촬영하였다. 도 13의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 구부림(bent) 변형한 뒤 SEM 촬영하였다. 도 12의 (a) 내지 (c), 도 13의 (a), 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재의 다양한 변형에 따른 모습은 도 12의 (a) 내지 (c), 도 13의 (a), 및 (b)에 나타난 것과 같은 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 12 (a), the composite material according to Example 1 was photographed by SEM. Referring to FIG. 12 (b), the composite material according to Example 1 was stretched by 200%, and then SEM images were taken. Referring to FIG. 12C, the composite material according to Example 1 was twisted at 200% stretch deformation and 1700 rad / meter, and then SEM images were taken. 13 (a), the composite material according to Example 1 was twisted at 1700 rad / meter and SEM image was taken. Referring to FIG. 13 (b), the composite material according to the first embodiment was bent and deformed, and then SEM images were taken. As shown in Figs. 12 (a) to 12 (c) and 13 (a) and 13 (b), various modifications of the composite material according to the first embodiment are shown in Figs. (a) and (b) of FIG. 13, respectively.
도 14는 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 다양한 변형에 따라 나타나는 특성을 나타내는 그래프이다. FIG. 14 is a graph showing the characteristics of the composite material according to various modifications of the first embodiment of the present invention. FIG.
도 14의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를, 0~200% 범위로 신축 변형시킴에 따른 저항의 변화를 측정하였다. 도 14의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 0~200% 범위로 신축 변형이 가해짐에 따라, 저항이 3.7% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 우수한 신축성 및 전기 전도도 유지 성능을 갖는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 14 (a), the resistance of the composite material according to Example 1 was measured in accordance with expansion and contraction in the range of 0 to 200%. As can be seen from FIG. 14 (a), it was confirmed that the composite material according to Example 1 increased in resistance by 3.7% as expansion and contraction were applied in the range of 0 to 200%. Thus, it can be seen that the composite material according to the first embodiment has excellent stretchability and electrical conductivity holding performance.
도 14의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를, 0~1700 turns/m 범위로 꼬임 변형시킴에 따른 저항의 변화를 측정하였다. 도 14의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 0~1700 turns/m 범위로 꼬임 변형이 가해짐에 따라, 저항이 3.1% 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 도 14의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를, 0~150° 범위로 구부림 변형시킴에 따른 전항의 변화를 측정하였다. 도 14의 (c)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 0~150° 범위로 구부림 변형이 가해짐에 따라, 저항이 3.8% 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 다양한 변형에 대해 우수한 안정성(stability)을 갖는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 14 (b), the resistance of the composite material according to Example 1 was measured by twisting the material to 0 to 1700 turns / m. As can be seen from FIG. 14 (b), it was confirmed that the composite material according to Example 1 had a resistance change of 3.1% as a twist deformation was applied in a range of 0 to 1700 turns / m. Referring to FIG. 14 (c), the composite material according to Example 1 was subjected to bending deformation in the range of 0 to 150 ° to measure the change of the above-mentioned term. As can be seen from FIG. 14 (c), the composite material according to Example 1 showed a 3.8% change in resistance as a bending deformation was applied in the range of 0 to 150 °. Accordingly, it can be seen that the composite material according to the first embodiment has excellent stability against various deformations.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 복합 소재의 구조적인 특징을 나타내는 그래프이다. 15 to 17 are graphs showing structural characteristics of the composite material according to the first embodiment of the present invention.
도 15의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 연장된(stretched) 경우 및 단축된(release) 경우에 대해 0~200% 범위로 신축 변형시킴에 따른 capacitance(pF) 및 전극간 거리 변화 (△d/d0)를 측정하였다. 도 15의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 연장된(stretched) 경우 및 단축된(release) 경우의 capacitance 차이가 거의 없고, 0~200% 범위의 신축 변형에서 2.4 pF 에서 5.6 pF로 capacitance가 변화하였다. 또한, 0~200% 범위로 신축 변형됨에 따라, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극간의 거리는 56%만큼 감소한 것을 확인할 수 있었다. 15 (a), the capacitance (pF) and the capacitance (pF) according to the expansion and contraction in the range of 0 to 200% for the case where the composite material according to the first embodiment is stretched and released, and And a change in distance (? D / d 0 ) between the electrodes was measured. As can be seen from Fig. 15 (a), the composite material according to Example 1 has almost no capacitance difference when it is stretched and released, and when it is stretched and stretched in the range of 0 to 200% The capacitance changed from 2.4 pF to 5.6 pF. It was also confirmed that the distance between the first electrode and the second electrode was reduced by 56% as the electrode was stretched and deformed in the range of 0 to 200%.
도 15의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 200%의 인장 변형률(tensile strain)을 반복 하는 경우에 대해 시간에 따른 sensitivity(△C/C0)를 측정하였다. 도 15의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 200%의 인장 변형률에서 0.9의 sensitivity를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 15 (b), the sensitivity (ΔC / C 0 ) over time of the composite material according to Example 1 was measured in the case of repeating a tensile strain of 200%. As can be seen from FIG. 15 (b), the composite material according to Example 1 exhibits a sensitivity of 0.9 at a tensile strain of 200%.
도 16의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 꼬인(twisted) 경우 및 풀린(untwisted) 경우에 대해 0~1700 rad/meter 범위로 꼬임 변형시킴에 따른 capacitance(pF) 및 편향각(bias angle) 변화를 측정하였다. 도 16의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 꼬인 경우 및 풀린 경우의 capacitance 차이가 거의 없고, 0~1700 rad/meter 범위의 꼬임 변형에서 2.9 pF 에서 3.7 pF로 capacitance가 변화하였다. 또한, 0~1700 rad/meter 범위로 꼬임 변형됨에 따라, 상기 편향각은 56.7°만큼 증가된 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 16A, the capacitance (pF) and the capacitance (pF) according to the twisted and deformed composite material in the range of 0 to 1700 rad / meter for the twisted case and the untwisted case according to the first embodiment, The change in bias angle was measured. As can be seen in Figure 16 (a), the composite material according to Example 1 has little capacitance difference when twisted and unwound, and from 2.9 pF to 3.7 pF at a twist strain of 0 to 1700 rad / meter capacitance changed. Also, it was confirmed that the deflection angle was increased by 56.7 ° as the twist was deformed in the range of 0 to 1700 rad / meter.
도 16의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 1700 rad/meter 및 -1700 rad/meter으로 torsional deformation을 반복 하는 경우에 대해 시간에 따른 sensitivity(△C/C0)를 측정하였다. 도 16의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 1700 rad/meter 및 -1700 rad/meter의 torsional deformation에서 0.26의 sensitivity를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 16 (b), the sensitivity (ΔC / C 0 ) over time for the composite material according to the first embodiment is 1700 rad / meter and -1700 rad / meter repeated torsional deformation Respectively. As can be seen from FIG. 16 (b), the composite material according to Example 1 exhibits a sensitivity of 0.26 at a torsional deformation of 1700 rad / meter and -1700 rad / meter.
도 17을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재를 5.44 kPa, 17.15 kPa, 및 36.75 kPa로 압력이 변하는 경우에 대해 시간에 따른 sensitivity(△C/C0)를 측정하였다. 도 17에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 5.44 kPa의 압력에서는 0.14의 sensitivity를 나타내고, 17.15 kPa의 압력에서는 0.4의 sensitivity를 나타내고, 36.75 kPa의 압력에서는 0.6의 sensitivity를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 17, the sensitivity (ΔC / C 0 ) over time for the composite material according to Example 1 was measured at 5.44 kPa, 17.15 kPa, and 36.75 kPa. As can be seen from FIG. 17, the composite material according to Example 1 exhibited a sensitivity of 0.14 at a pressure of 5.44 kPa, a sensitivity of 0.4 at a pressure of 17.15 kPa and a sensitivity of 0.6 at a pressure of 36.75 kPa I could confirm.
도 18은 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼 커패시터의 전기적 특성을 비교하는 그래프이다. 18 is a graph comparing the electrical characteristics of a supercapacitor according to embodiments of the present invention.
도 18의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3 및 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터들의 전압(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)을 측정하고 cyclic voltammogram(CV) curve을 나타내었다. 도 18의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는 상기 실시 예 3에 따른 슈퍼 커패시터 보다 97.5배 넓은 면적의 CV curve를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터는, 상기 복합 소재의 전극 상에 에너지 저장 물질인 MnO2를 도핑하는 것이 상기 슈퍼 커패시터의 효율을 향상시키는 효과적인 방법임을 알 수 있다. Referring to FIG. 18A, the current density (mA / cm 2 ) according to the voltage V of the supercapacitors according to the third and fourth embodiments is measured and a cyclic voltammogram (CV) curve is shown . As can be seen from FIG. 18 (a), it can be seen that the supercapacitor according to the fourth embodiment exhibits a CV curve of an area 97.5 times wider than the supercapacitor according to the third embodiment. Accordingly, it is understood that doping MnO 2 , which is an energy storage material, on the electrode of the composite material is an effective method of improving the efficiency of the supercapacitor according to the embodiment of the present invention.
도 18의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를 10, 30, 50, 70, 및 100 mV/s 의 스캔 속도 차이에 대해 전압(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)을 측정하고 cyclic voltammogram(CV) curve을 나타내었다. 도 18의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는 100 mV/s의 스캔 속도에서 가장 넓은 면적의 CV curve를 나타내었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터는, 100 mV/s의 스캔 속도로 제조하는 것이 가장 효율적인 방법임을 알 수 있다. Referring to FIG. 18B, the supercapacitor according to the fourth embodiment has a current density (mA / cm 2) according to a voltage (V) for a scan speed difference of 10, 30, 50, 70 and 100 mV / 2 ) and the cyclic voltammogram (CV) curve. 18 (b), the supercapacitor according to the fourth embodiment exhibits the largest CV curve at a scan speed of 100 mV / s. Accordingly, it can be seen that the supercapacitor according to the embodiment of the present invention is the most efficient method to manufacture at a scan speed of 100 mV / s.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 커패시터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.19 is a graph showing electrical characteristics of a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
도 19의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를 0.28, 0.71, 2.14 mA/cm2 의 전류 밀도에 대해 시간(sec)에 따른 potential(V)을 측정하고 Galvano-static charge/discharge curve를 나타내었다. 도 19의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 0.28, 0.71, 2.14 mA/cm2 의 전류 밀도에서 모두 역삼각형 형태의 Galvano-static charge/discharge curve를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 19 (a), a potential (V) according to time (sec) is measured for a current density of 0.28, 0.71, and 2.14 mA / cm 2 according to the fourth embodiment, and a Galvano-static charge / discharge curve. As can be seen from FIG. 19 (a), the supercapacitor according to Example 4 exhibits inverted triangular Galvano-static charge / discharge curves at current densities of 0.28, 0.71 and 2.14 mA / cm 2 I could.
도 19의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를 스캔 속도(mV/s)에 따라 Linear capacitance(mF/cm) 및 Areal capacitance(mF/cm2)을 측정하였다. 도 19의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 10 mV/s의 스캔 속도에서, 11.88 mF/cm2 의 Areal capacitance를 나타내고, 2.38 mF/cm 의 Linear capacitance를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 100 mV/s의 스캔 속도에서는 Linear capacitance 및 Areal capacitance가 40.6% 정도로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 19 (b), the linear capacitance (mF / cm) and the areal capacitance (mF / cm 2 ) of the supercapacitor according to the fourth embodiment were measured according to the scan speed (mV / s). As shown in FIG. 19B, the supercapacitor according to the fourth embodiment exhibits an areal capacitance of 11.88 mF / cm 2 and a linear capacitance of 2.38 mF / cm at a scan rate of 10 mV / s. . Also, it was confirmed that the linear capacitance and the areal capacitance were maintained at about 40.6% at a scanning speed of 100 mV / s.
도 20은 본 발명의 실시 예 5에 따른 비대칭 슈퍼 커패시터의 특성을 나타내기 위한 그래프이다. 20 is a graph illustrating characteristics of an asymmetric supercapacitor according to a fifth embodiment of the present invention.
도 20의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 슈퍼 커패시터를 충방전 싸이클 횟수에 따라 capacitance retention(C/C0)를 측정하였다. 또한, 상기 슈퍼 커패시터를 충방전 싸이클을 1회 및 1000회 수행한 경우에 대해, 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, CV curve를 나타내었다. 도 20의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 슈퍼 커패시터는, 충방전 싸이클을 1회 내지 1000회 수행하는 동안 capacitance retention가 큰 차이 없이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 슈퍼 커패시터는, 충방전 싸이클을 1회 수행한 경우의 CV curve와 1000회 수행한 경우의 CV curve의 면적 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 5에 따른 슈퍼 커패시터는, 반복되는 충방전 싸이클에도 우수한 안정성을 나타내는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 20A, the capacitance retention (C / C 0 ) of the supercapacitor according to the fifth embodiment is measured according to the number of charge / discharge cycles. In addition, when the super capacitor was charged and discharged cyclically once and 1000 times, the current density according to the voltage was measured and the CV curve was shown. As can be seen from FIG. 20A, the supercapacitor according to the fifth embodiment can confirm that the capacitance retention is maintained without any significant difference during one to 1000 cycles of the charge-discharge cycle. It was also confirmed that the super capacitor had a large difference in area between the CV curve when the charge / discharge cycle was performed once and the CV curve when the charge / discharge cycle was performed 1000 times. Accordingly, it can be seen that the supercapacitor according to the fifth embodiment exhibits excellent stability even in repeated charge / discharge cycles.
도 20의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 5에 따른 슈퍼 커패시터를 -1.4, -1.2, -1.0 V의 potential에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, CV curve를 나타내었다. 도 20의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 슈퍼 커패시터는, -1.4, -1.2, -1.0 V로 potential이 점점 증가함에 따라, CV curve의 면적이 점점 작아지는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 20 (b), the current density according to the voltage is measured for the potential of -1.4, -1.2, and -1.0 V according to the supercapacitor according to the fifth embodiment, and the CV curve is shown. As can be seen from FIG. 20 (b), the supercapacitor according to the fifth embodiment shows that the area of the CV curve becomes smaller as the potential gradually increases at -1.4, -1.2, and -1.0 V .
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터의 다양한 변형에 따른 특성을 나타내는 그래프이다. FIGS. 21 and 22 are graphs showing characteristics according to various modifications of the supercapacitor according to the fourth embodiment of the present invention.
도 21의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를, 원래 상태(pristine), 200%의 탄성 변형률로 늘림 변형한 상태, 1700 rad/meter의 속도로 꼬임 변형한 상태, 및 150°의 각도로 구부림 변형한 상태에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고, CV curve를 나타내었다. 도 21의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 원래 상태의 CV curve 면적과 비교하여, 상기 늘림 변형, 상기 꼬임 변형, 및 상기 구부림 변형의 CV curve 면적이 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있었다.21 (a), the supercapacitor according to the fourth embodiment is in a state of being pristine, stretched and deformed at an elastic strain of 200%, twisted at a speed of 1700 rad / meter, and The current density according to the voltage was measured with respect to the state of bending deformation at an angle of 150 °, and the CV curve was shown. 21 (a), the supercapacitor according to the fourth embodiment compares the CV curve area of the original state with the CV curve area of the stretch strain, the twist strain, and the bending strain substantially I could see the match.
도 21의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를, 원래 상태에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하여 CV curve를 나타내었다. 또한, 상기 슈퍼 커패시터를 200%의 탄성 변형률로 늘림(stretching), 1700 rad/meter의 속도로 꼬임(twisting), 수축(releasing), 풀림(untwisting) 순서로 dynamic deformation을 수행하면서 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고 CV curve를 나타내었다. 도 21의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 원래 상태의 CV curve 면적과 비교하여, 상기 dynamic deformation을 수행하면서 나타나는 CV curve의 면적이 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 21 (b), the CV curves of the supercapacitor according to the fourth embodiment are obtained by measuring the current density according to the voltage with respect to the original state. The supercapacitor was stretched at an elastic strain of 200% and subjected to dynamic deformation in the order of twisting, releasing, and untwisting at a rate of 1700 rad / meter, And the CV curve is shown. As can be seen from FIG. 21B, the supercapacitor according to the fourth embodiment shows that the areas of the CV curves appearing while performing the dynamic deformation substantially coincide with those of the original CV curve area there was.
도 22의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를, 원래 상태, 200%의 탄성 변형률로 늘림 변형한 상태, 1700 rad/meter의 속도로 꼬임 변형한 상태에 대해 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 측정하였다. 도 22의 (a)에서 알 수 있듯이, 원래 상태에서의 equilibrium series resistance (EIS)는 100 kHz에서 298.2Ωcm를 나타내고, 최대로 늘린 상태 및 최대로 꼬인 상태에서는, 247 Ωcm 및 176 Ωcm로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 22 (a), the supercapacitor according to the fourth embodiment is subjected to an electrochemical impedance spectroscopy (SEM) with respect to a state where the supercapacitor is stretched and deformed at an elastic strain of 200% (EIS) were measured. As can be seen in Figure 22 (a), the equilibrium series resistance (EIS) in the original state is 298.2? Cm at 100 kHz and decreases to 247? Cm and 176? Cm in the maximally stretched and maximally twisted state I could confirm.
도 22의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터를, 늘임 변형 및 꼬임 변형 상태에 대해 deformation cycle에 대한 capacitance retention(C/C0)을 측정하였다. 또한, 상기 슈퍼 커패시터를, 원래 상태, 200%의 탄성 변형률로 늘림 변형한 상태, 1700 rad/meter의 속도로 꼬임 변형한 상태에 대해 전압에 따른 전류 밀도를 측정하고 CV curve를 나타내었다. 도 22의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 늘림 변형 및 꼬임 변형한 상태에서도 원래 상태의 capacitance와 비교하여 92.8% 및 98.2%의 capacitance를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 22 (b), the capacitance retention (C / C 0 ) for the deformation cycle of the supercapacitor according to the fourth embodiment is measured with respect to the stretching deformation and the twist deformation state. The current density of the supercapacitor was measured in a state where the supercapacitor was stretched and deformed at an elastic strain of 200% in the original state, and at a speed of 1700 rad / meter, and the CV curve was shown. As can be seen from FIG. 22 (b), it was confirmed that the capacitance of 92.8% and 98.2% was maintained in the supercapacitor according to the fourth embodiment compared to the capacitance in the original state even in the state of stretching deformation and twist deformation .
결과적으로 본 발명의 실시 예 4에 따른 슈퍼 커패시터는, 다양한 물리적 변형 환경에서도 향상된 신축율 및 안정적(stability)인 에너지 저장 능력을 유지하는 것을 알 수 있다. As a result, it can be seen that the supercapacitor according to Embodiment 4 of the present invention maintains an enhanced expansion ratio and stable energy storage capability even in various physical deformation environments.
도 23은 본 발명의 실시 예 6에 따른 torsional sensor를 나타내는 사진이고, 도 24는 본 발명의 실시 예 6에 따른 torsional sensor의 특성을 나타내는 그래프이다. FIG. 23 is a photograph showing a torsional sensor according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. 24 is a graph showing characteristics of a torsional sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
도 23을 참조하면, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor를 SEM 촬영하였다. 도 23 에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor는, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재 부분이 torsional sensing 역할을 수행하고, 상기 인공 근육 부분이 torsional actuation 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 23, the torsional sensor according to the sixth embodiment is SEM photographed. As can be seen from FIG. 23, the torsional sensor according to the sixth embodiment can confirm that the composite material part according to the first embodiment performs torsional sensing, and the artificial muscle part acts as torsional actuation.
도 24의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor가 포함하는 인공 근육 부분에 대해 열처리 및 냉각 공정을 반복하여 수행하고, 시간에 따른 capacitance(△CC0 -1)를 측정하였다. 도 24의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor는, 상기 인공 근육 부분에 대한 열처리 및 냉각 공정이 반복 수행됨에 따라, reversible 10% capacitance change가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 24 (a), the artificial muscle portion included in the torsional sensor according to the sixth embodiment is repeatedly subjected to heat treatment and cooling, and the capacitance (Δ CC 0 -1 ) over time is measured . As can be seen from FIG. 24 (a), the torsional sensor according to the sixth embodiment shows reversible 10% capacitance change as the heat treatment and the cooling process for the artificial muscle portion are repeatedly performed.
도 24의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor가 포함하는 인공 근육 부분에 대해 열처리 및 냉각 공정을 반복하여 수행하고, 시간에 따른 actuation angle(°)을 측정하였다. 도 24의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 6에 따른 torsional sensor는, 상기 인공 근육 부분에 대한 열처리 및 냉각 공정이 반복 수행됨에 따라, 50° 내지 750°의 actuation angle 변화가 반복되어 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 복합 소재는, 인공 근육의 torsional rotation generated 측정을 위한 효율적인 torsional sensor로서의 역할을 수행한다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 24 (b), the artificial muscle part included in the torsional sensor according to the sixth embodiment is repeatedly subjected to heat treatment and cooling, and the actuation angle (°) with time is measured. As can be seen from FIG. 24 (b), the torsional sensor according to the sixth embodiment repeats the heat treatment and cooling process on the artificial muscle portion, and thus the actuation angle change of 50 ° to 750 ° is repeated . Accordingly, it can be seen that the composite material according to the first embodiment acts as an efficient torsional sensor for measuring torsional rotation generation of artificial muscles.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
100: 베이스 파이버
102: 제1 면
104: 제2 면
106: 제3 면
108: 제4 면
120: 탄소나노튜브 시트
140: 마스크 패턴
142: 제1 마스크 패턴
142: 제2 마스크 패턴
200: 베이스 시트
242: 제1 마스크 층
244: 제2 마스크 층100: base fiber
102: first side
104: second side
106: Third Side
108: fourth face
120: Carbon nanotube sheet
140: mask pattern
142: First mask pattern
142: Second mask pattern
200: base sheet
242: first mask layer
244: second mask layer
Claims (12)
상기 베이스 파이버를 길이 방향으로 연장시키는 단계;
연장된 상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 상에 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극을 형성하는 단계; 및
연장된 상기 베이스 파이버의 상기 제2 면 상에 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method comprising: providing a base fiber comprising silicon and comprising a first side and a second side opposite the first side;
Extending the base fiber lengthwise;
Forming a first electrode comprising carbon nanotubes on the first surface of the extended base fiber; And
And forming a second electrode comprising carbon nanotubes on the second surface of the extended base fiber.
상기 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
탄소나노튜브를 포함하는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로, 첨가제를 제공하여, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 밀도를 증가시키는 것을 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The forming of the first electrode and the forming of the second electrode may include:
Providing an additive to the first electrode and the second electrode comprising carbon nanotubes to increase the density of the first electrode and the second electrode.
상기 베이스 파이버는,
상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이의 제3 면; 및
상기 제3 면에 대향하는 제4 면을 더 포함하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 형성하기 전, 상기 제3 면 및 상기 제4 면 상에, 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴을 각각 형성하는 단계를 더 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the base fiber comprises:
A third side between the first side and the second side; And
Further comprising a fourth surface opposite the third surface,
Forming a first mask pattern and a second mask pattern on the third surface and the fourth surface before forming the first electrode and the second electrode, .
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 형성된 후, 상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴을 제거하는 단계를 더 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method of claim 3,
Further comprising removing the first mask pattern and the second mask pattern after the first electrode and the second electrode are formed.
상기 제1 마스크 패턴 및 상기 제2 마스크 패턴은, 폴리 우레탄을 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the first mask pattern and the second mask pattern comprise polyurethane.
상기 베이스 파이버를 준비하는 단계는,
실리콘을 포함하는 베이스 시트(base sheet)를 준비하는 단계;
상기 베이스 시트의 상부면 및 하부면 상에, 각각 제1 마스크층 및 제2 마스크층을 각각 형성하는 단계; 및
상기 베이스 시트를 절단하여, 상기 베이스 파이버를 제조하는 단계를 포함하되,
상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 및 상기 제2 면은, 상기 베이스 시트의 절단으로 생성된 면이고,
상기 베이스 파이버는,
상기 제1 마스크층이 절단된 제1 마스크 패턴이 배치되고, 상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이에 배치되는 제3 면; 및
상기 제3 면에 대향하고, 상기 제2 마스크층이 절단된 제2 마스크 패턴이 배치되는 제4 면을 더 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein preparing the base fiber comprises:
Preparing a base sheet comprising silicon;
Forming a first mask layer and a second mask layer, respectively, on the upper and lower surfaces of the base sheet, respectively; And
And cutting the base sheet to produce the base fiber,
Wherein the first surface and the second surface of the base fiber are surfaces produced by cutting the base sheet,
Wherein the base fiber comprises:
A third surface on which the first mask layer with the first mask layer cut is disposed, and disposed between the first surface and the second surface; And
And a fourth surface opposite to the third surface on which the second mask pattern with the second mask layer cut is disposed.
상기 제1 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 상의 탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 제공하는 단계를 더 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The forming of the first electrode and the forming of the second electrode may include:
Providing an energy storage material on the carbon nanotubes on the first surface and the second surface of the base fiber.
상기 에너지 저장 물질을 제공하는 단계는,
탄소나노튜브 상에 에너지 저장 물질을 포함하는 소스를 제공하는 단계를 포함하는 복합 소재의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein providing energy storage material comprises:
Providing a source comprising an energy storage material on the carbon nanotubes.
상기 베이스 파이버의 상기 제1 면 상에 배치되고, 주름 구조를 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 전극; 및
상기 베이스 파이버의 상기 제2 면 상에 배치되고, 주름 구조를 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 제2 전극을 포함하는 복합 소재.
A base fiber comprising silicon and comprising a first side and a second side opposite the first side;
A first electrode disposed on the first surface of the base fiber and including a carbon nanotube having a pleated structure; And
And a second electrode disposed on the second surface of the base fiber and including a carbon nanotube having a wrinkle structure.
상기 베이스 파이버는,
상기 제1 면 및 상기 제2 면 사이에 배치되고, 탄소나노튜브가 배치되지 않고 노출된 제3 면; 및
상기 제3 면에 대향하고 탄소나노튜브가 배치되지 않고 노출된 제4 면을 더 포함하는 복합 소재.
10. The method of claim 9,
Wherein the base fiber comprises:
A third surface disposed between the first surface and the second surface and exposed without the carbon nanotubes disposed thereon; And
And a fourth surface opposed to the third surface and exposed without the carbon nanotubes disposed thereon.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 에너지 저장 물질을 포함하는 복합 소재.
10. The method of claim 9,
Wherein the first electrode and the second electrode comprise an energy storage material.
상기 에너지 저장 물질은, MnO2 및 PEDOT(poly ethylenedioxythiophene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 복합 소재.
10. The method of claim 9,
Wherein the energy storage material comprises at least one of MnO 2 and PEDOT (polyethylenedioxythiophene).
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---|---|---|---|
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KR102503240B1 (en) | 2022-12-15 | 2023-02-23 | 주식회사 에스엠전자 | Supercapacitor abnormality detection sensor module |
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KR101194999B1 (en) | 2011-06-29 | 2012-10-29 | 한국세라믹기술원 | Hybrid supercapacitor and manufacturing method of the same |
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