KR101357184B1 - 터널 형태 나노구조체를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터널 형태 나노구조체를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하며, 상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

터널 형태 나노구조체를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법{A structure for storage of electrochemical energy comprising tunnel type nanostructures and a preparation method thereof}
본 발명은 터널 형태 나노구조체를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판; 상기 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하며, 상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학 에너지 저장용 구조물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재의 산업기술의 발전과 더불어 경제 성장과 생활수준의 향상에 따른 에너지 수요는 기하급수적으로 증가하는 구조임에도 불구하고 대부분의 국가들은 화석에너지에 의존하고 있어서 자원의 편중성, 부존자원의 고갈, 다양한 환경오염이라는 문제점을 가지고 있다. 최근 이에 대한 해결방안으로 새로운 개념의 에너지원을 개발하여 화석 에너지가 지닌 문제를 해결할 신에너지 기술들이 부각되고 있다. 이와 관련한 새로운 대안으로 차세대 전지산업의 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
또한, 최근의 휴대전자기기 기술의 진보와 함께 이들을 작동시키는 목적의 플렉서블 배터리(flexible battery)의 요구가 크다. 플렉서블 초박형 전지는 아직까지 상용화되지 못했지만 플렉서블 디스플레이 발전에 따라 휴대폰, 스마트카드, 입는 PC, 노트북 PC 등에서 필수 기술로 부상하고 있다. 플렉서블 배터리 기술이 적용될 경우 구부릴 수 있는 휴대전화와 스마트 카드, 두루마리 형태의 노트북 PC, 휴대전화 기능을 갖춘 팔찌 형태의 시계 등 개발이 가능하다.
현재 상용화되고 있는 2차전지의 극판은 단순히 양극 또는 음극 물질과 폴리머접착제, 그리고 카본(탄소)을 점도가 높은 시럽형태로 만들어 일정한 두께로 집전체(알루미늄이나 구리 포일) 위에 도포해왔다. 이 기술을 플렉서블 전지에 적용할 경우 구부림과 접힘으로 인한 수명이 저하되고 단락(끊어짐)현상이 발생하는 단점이 발생한다.
따라서, 플렉서블 배터리의 문제점으로 지적돼온 구부림에 의한 단락 밍 성능 저하를 극복할 수 있는 새로운 형태의 플렉서블 배터리의 개발이 요구된다.
한편, 미세한 패턴을 형성시키는 미세패턴 가공기술은 여러 산업분야의 기반이 되는 기반기술로서 전자소자, 광학소자, MEMS, 최근에는 바이오 소자에 이르기까지 다양한 분야에 있어서 파급효과를 줄 수 있는 핵심 기술이다. 특히 1990년대 이후로 기존의 거시구조에서의 특성과는 다른 현상들이 나노구조에서 발현됨을 주목하는 연구가 속속 소개됨에 따라 이를 이용한 나노소자를 구성하기 위한 미세패턴 가공기술, 즉 패터닝 기술에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 또한 전기전자, 화학, 재료, 바이오 등의 전통적인 학문에 나노기술을 바탕으로 여러 혼합-응용기술이 발달함에 따라, 전자산업에서 주로 사용되던 미세패턴 가공기술의 응용은 점차 다양한 나노소자와 광학 소자를 비롯하여, 바이오 칩과 같은 바이오 소자에까지 그 응용성이 날로 넓어지고 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 연구하던 중 기판; 상기 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하며, 상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학 에너지 저장용 구조물을 제작하고 상기 구조물이 플렉서블 배터리 또는 전지 기판에 활용될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 터널 형태 나노구조체 및 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전기화학 에너지 저장용 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은
기판;
상기 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및
상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하며,
상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
전기화학 에너지 저장용 구조물을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 용어 '기판'은 도체 패턴을 형성할 수 있는 판상의 절연재료를 의미한다.
상기 기판은 선택되는 소재에 따라 유연성이 다를 수 있다. 또한, 기판의 유연성은 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물을 적용하는 용도에 적합하도록 선택될 수 있다.
일례로 상기 기판을 플렉서블 배터리에 응용할 경우 상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
기판 소재는 절연재료로 이루어지고 나노구조체의 형성이 용이한 것이라면 제한없이 사용이 가능하다. 바람직하기로 기판 소재로는 고분자 절연재료를 사용할 수 있다. 구체적으로, 사용이 가능한 기판 소재로는 우레탄계 소재, 폴리이미드계 소재, 실리카계 복합소재 등이 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용하는 용어 '터널 형태 나노구조체'는 상기한 바와 같이 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되는 터널 형태를 갖는 나노 수준의 구조체를 의미한다.
상기 터널 형태 나노구조체는 레이저간섭 노광 방법으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 레이저간섭 노광 기기(다이오드펌프고체 레이저, 코히어런트, 미국)를 이용하여 266 ㎚ 파장 조건에서 감광 소재에 5 내지 10초, 바람직하기로 7초간의 노광 조건으로 레이저간섭 노광을 실시하여 상기 터널 형태 나노구조체를 형성시킬 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어 '전극재료'는 유전체에 전장을 만들거나 혹은 계에 전류를 흘리거나 계에서 전류를 집어낼 목적으로 배치된 도체 물질을 의미한다.
상기 전극재료는 그라파이트, 카본, 니켈, 리튬, 또는 이의 조합일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에는 전극재료 이외에 전기화학 에너지 저장효율을 상승시키고 코팅되는 전극재료의 안정성을 향상시키기 위하여 폴리머 재료, 흑계 또는 카본계 나노재료가 추가로 코팅될 수 있다.
상기 전기화학 에너지 저장용 구조물은 플렉서블 배터리 또는 전지 기판 등으로서 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 전기화학 에너지 저장용 구조물의 제조방법을 제공한다.
1) 레이저간섭 노광 방법으로 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체를 일정 간격으로 반복적으로 형성시키는 단계; 및
2) 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료를 코팅시키는 단계.
상기 단계 1은, 레이저간섭 노광 방법으로 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체를 일정 간격으로 반복적으로 형성시키는 단계로서, 레이저간섭 노광 방법을 이용하여 기판의 횡단면을 가로질러 기판의 내부에 형성되는 다수의 터널 형태 나노구조체를 일정 간격으로 반복적으로 형성시키는 단계이다.
구체적으로, 레이저간섭 노광 방법은 상기 전기화학 에너지 저장용 구조물에 대해 설명한 내용과 동일하다.
상기 단계 2는, 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료를 코팅시키는 단계로서, 전기화학 에너지 저장 능력을 갖도록 단계 1)에서 형성된 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료를 코팅시키는 단계이다.
상기 기판의 유연성과 소재, 전극재료 및 추가 코팅 재료는 상기 전기화학 에너지 저장용 구조물에 대해 설명한 내용과 동일하다.
또한, 상기와 같이 제조된 전기화학 에너지 저장용 구조물은 플렉서블 배터리 또는 전지 기판 등으로서 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성된 모습을 도식적으로 보여준다.
상기와 같은 일정 간격으로 반복적인 터널 형태 나노구조체는 레이저간섭 노광 방법으로 형성시킬 수 있다. 레이저간섭 노광 방법은 레이저 빛의 경로차를 이용하여 프린지(fringe)를 형성하여 패턴을 형성시키는 방법이다.
본 발명에서는 레이저간섭 노광을 기판 일측의 횡단면에 실시하여 타측의 횡단면까지 통과하는 터널 형태 나노구조체를 형성시킬 수 있었다.
도 2는 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료가 코팅된, 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물의 모습을 도식적으로 보여준다.
상기 전극재료의 코팅은 용매에 전극재료를 용해시켜 액상 코팅 후 건조하는 방식으로 수행할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이 전극재료가 일정 간격으로 반복적으로 배열되어 있는 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅되어 있어, 전위차를 주면 전류가 흐르게 된다. 따라서, 도 2의 구조물은 전기화학 에너지 저장 용도로서 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 터널 형태 나노구조체를 형성시킨 기판의 모습을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 결과이다.
도 3을 통해 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타낸 바와 같은 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물을 플렉서블 배터리로서 응용하는 예를 도식적으로 보여준다.
본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물은 플렉서블 기판 내에 터널 형태 나노구조체를 형성시킴으로써 도 4에 나타낸 바와 같이 플렉서블 배터리로서 응용이 가능하게 된다.
본 발명은 기판; 상기 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및 상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하며, 상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학 에너지 저장용 구조물을 제작함으로써 플렉서블 배터리 또는 전지 기판 등에 활용할 수 있는 새로운 형태의 전기화학 에너지 저장용 구조물을 제공할 수 있다.
도 1은 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성된 모습을 도식적으로 보여준다.
도 2는 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료가 코팅된, 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물의 모습을 도식적으로 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 터널 형태 나노구조체를 형성시킨 기판의 모습을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 결과이다.
도 4는 도 2에 나타낸 바와 같은 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물을 플렉서블 배터리로서 응용하는 예를 도식적으로 보여준다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다.
실시예 1: 본 발명의 전기화학 에너지 저장용 구조물의 제작
기판으로서 4인치 크기의 양성 감광막이 코팅된 실리콘 소재 기판을 사용하였다.
상기 기판의 일측 횡단면에 레이저간섭 노광 기기(다이오드펌프고체 레이저, 코히어런트, 미국)를 이용하여 266 ㎚ 파장 조건에서 감광 소재에 7초간의 노광 조건으로 레이저간섭 노광을 실시하여 상기 일측 횡단면과 마주하는 타측 횡단면까지 통과하는 터널 형태의 나노구조체를 일정 간격으로 반복적으로 형성시켰다.
형성된 터널 형태 나노구조체의 반경은 100 ㎚이었으며, 상기 반복하는 각각의 터널 형태 나노구조체 사이의 간격은 100 ㎚이었다.
그 다음 상기와 같이 제작된 기판의 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료로서 그라파이트를 코팅하였다.
실험예 1: 기판에 형성된 나노구조체의 형태 조사
상기 실시예 1에서 레이저간섭 노광 기기로 기판에 형성시킨 나노구조체의 모습을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰하였다.
그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 터널 형태 나노구조체가 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 3을 통해, 상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있음을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 플렉서블 기판;
    상기 플렉서블 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하여 레이저간섭 노광 방법으로 형성되어 있는 터널 형태 나노구조체; 및
    상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 코팅된 전극재료를 포함하고,
    상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 폴리머 재료, 흑계 또는 카본계 나노재료가 추가로 코팅되고,
    상기 터널 형태 나노구조체가 일정 간격으로 반복적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 배터리 또는 전지 기판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판 소재는 우레탄계 소재, 폴리이미드계 소재 또는 실리카계 복합소재인 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 배터리 또는 전지 기판.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극재료는 그라파이트, 카본, 니켈, 리튬, 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 배터리 또는 전지 기판.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 하기 단계를 포함하는 제1항, 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항의 플렉서블 배터리 또는 전지 기판의 제조방법:
    레이저간섭 노광 방법으로 플렉서블 기판 일측의 횡단면으로부터 타측의 횡단면을 통과하는 터널 형태 나노구조체를 일정 간격으로 반복적으로 형성시키는 단계(단계 1); 및
    상기 터널 형태 나노구조체의 내벽에 전극재료를 코팅시키는 단계(단계 2),
    상기 단계 2)에서 터널 형태 나노구조체의 내벽에 폴리머 재료, 흑계 또는 카본계 나노재료가 추가로 코팅됨.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판 소재는 우레탄계 소재, 폴리이미드계 소재 또는 실리카계 복합소재인 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 배터리 또는 전지 기판의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전극재료는 그라파이트, 카본, 니켈, 리튬, 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는,
    플렉서블 배터리 또는 전지 기판의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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