KR101614299B1 - 밀도가 향상된 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀 - Google Patents

밀도가 향상된 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀 Download PDF

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KR101614299B1 KR1020150079583A KR20150079583A KR101614299B1 KR 101614299 B1 KR101614299 B1 KR 101614299B1 KR 1020150079583 A KR1020150079583 A KR 1020150079583A KR 20150079583 A KR20150079583 A KR 20150079583A KR 101614299 B1 KR101614299 B1 KR 101614299B1
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노광철
강원섭
박선민
조민영
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질과 실란계 물질을 분산매에 첨가하여 분산시키는 단계와, 분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과시키는 단계와, 상기 여포에 의해 상기 카본나노물질이 선택적으로 걸러지게 되고 걸러진 카본나노물질이 러버 타입(rubber type)의 전극 형태로 상기 여포에 달라붙게 되는 단계와, 러버 타입의 전극 형태인 카본나노물질을 상기 여포에서 떼어내고 건조하는 단계 및 건조된 결과물을 원하는 크기로 펀칭하는 단계를 포함하는 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 전극활물질인 카본나노물질 이외에 바인더와 도전재가 요구되지 않고, 전극을 형성하기 위한 코팅 방법이나 압연 방법에 비하여 공정이 매우 간단하며, 전극의 밀도를 향상시켜 내구성 향상과 전자 이동경로 손실의 최소화를 통한 비가역 용량의 감소를 구현할 수 있고, 향상된 수명 특성을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조할 수 있다.

Description

밀도가 향상된 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀{Manufacturing method of ultracapacitor electrode with high density and supercapacitor cell using the ultracapacitor electrode manufactured by the method}
본 발명은 울트라커패시터 전극의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극활물질인 카본나노물질과 실란계 물질 이외에 바인더와 도전재가 요구되지 않고, 전극을 형성하기 위한 코팅 방법이나 압연 방법에 비하여 공정이 매우 간단하며, 전극의 밀도를 향상시켜 내구성 향상과 전자 이동경로 손실의 최소화를 통한 비가역 용량의 감소를 구현할 수 있고, 향상된 수명 특성을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조하는 방법과 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀에 관한 것이다.
일반적으로 울트라커패시터(Ultracapacitor)는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC), 슈퍼커패시터(Supercapacitor)라고도 일컬어지며, 이는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하는 것으로, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아 보수가 필요없는 소자이다. 이에 따라 울트라커패시터는 각종 전기ㆍ전자기기의 IC(integrated circuit) 백업을 하는 형태로 주로 사용되고 있으며, 최근에는 그 용도가 확대되어 장난감, 태양열 에너지 저장, HEV(hybrid electric vehicle) 전원 등에까지 폭넓게 응용되고 있다.
이와 같은 울트라커패시터는 일반적으로 전해액이 함침된 양극 및 음극의 두 전극과, 이러한 두 전극 사이에 개재되어 이온(ion) 전도만 가능케 하고 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 세퍼레이터(separator)와, 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓(gasket), 그리고 이들을 포장하는 도전체로서의 금속 캡으로 구성된 단위셀을 갖는다. 그리고 위와 같이 구성된 단위셀 1개 이상(통상, 코인형의 경우 2∼6개)을 직렬로 적층하고 양극과 음극의 두 단자(terminal)를 조합하여 완성된다.
울트라커패시터의 성능은 전극활물질 및 전해질에 의하여 결정되며, 특히 축전용량 등 주요성능은 전극활물질에 의하여 대부분 결정된다. 이러한 전극활물질로는 활성탄이 주로 사용되고 있다. 다공성의 활성탄은 높은 비표면적을 가지므로 이온의 물리적 흡착과 탈착으로 용량을 발현하는 울트라커패시터용 전극 활물질 소재로써 널리 사용되고 있다.
그러나, 최근에는 울트라커패시터용 전극 제조 시 가장 어려운 점은 높은 비표면적을 가지는 전극활물질 때문에 체적당 용량을 높이기 어렵다는 문제점에 새로이 직면하게 되었다. 즉, 비표면적이 높은 활성탄을 사용하는 경우 단위 질량당 용량은 높아지나, 높은 비표면적에 의해 전극 밀도가 작아져 단위 체적과 대비하여서는 용량이 떨어진다는 문제점이 새로이 대두되었다.
종래, 울트라커패시터용 활성탄 전극을 제조함에 있어서는 주로 두 가지 방법이 이용되고 있다.
첫 번째 방법은 전극활물질인 활성탄, 바인더, 도전재, 분산매를 혼합한 슬러리 상태의 활성탄 혼합물을 알루미늄 포일(foil) 상에 코팅한 다음, 건조 후 일정한 크기로 재단 또는 펀칭하여 전극을 제조하는 방법이다(코팅 방법).
두 번째 방법은 전극활물질인 활성탄, 바인더, 도전재, 분산매를 혼합한 페이스트(paste) 상태의 활성탄 혼합물을 두 개의 롤(roll)로 연신 압연시켜 시트 상으로 가공한 다음, 상기 시트를 재단 또는 펀칭하여 전극을 제조하는 방법이다(압연 방법).
도 1은 종래 기술에 따른 울트라커패시터용 전극의 제조방법(압연 방법)을 설명하기 위한 공정도로서, 이는 페이스트 상태의 활성탄 혼합물이 연신 압연되어 시트(10) 상으로 가공된 다음, 상기 시트(10)가 펀칭되어 제조된 전극(20)을 도시한 것이다.
그러나, 위와 같이 제조된 종래의 활성탄 전극(20)은 활성탄이 가지는 다공성과 높은 비표면적으로 인하여 전극을 압연함에 있어 한계점을 보이며, 0.5~0.6g/㎤ 정도의 전극 밀도를 나타내는 것이 일반적이고, 이는 체적당 용량을 제한시키는 큰 요인으로 작용하고 있다.
코팅 타입의 전극은 분산제 미 첨가 시 균일한 분산이 어렵고, 구리호일에 코팅시킬 경우 공극이 생겨 전자 이동경로에 손실이 발생하게 되어 큰 비가역적 용량이 발생하고, 이는 수명특성 감소에 영향을 미치게 된다.
바인더의 첨가 없이 러버 타입으로 제조하는 종래의 기술은 표면이 거칠고, 매끄럽지 못하며, 밀도가 낮고, 내구성이 약하다는 단점이 존재한다.
울트라커패시터의 응용 분야의 확대에 따라 보다 높은 비축전용량과 에너지밀도가 요구되고 있어 보다 높은 축전용량을 발현하는 전극활물질을 개발하거나 새로운 제조방법의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 특허등록번호 제10-1031227호
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전극활물질인 카본나노물질과 실란계 물질 이외에 바인더와 도전재가 요구되지 않고, 전극을 형성하기 위한 코팅 방법이나 압연 방법에 비하여 공정이 매우 간단하며, 전극의 밀도를 향상시켜 내구성 향상과 전자 이동경로 손실의 최소화를 통한 비가역 용량의 감소를 구현할 수 있고, 향상된 수명 특성을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조하는 방법과, 이를 이용하여 제조된 울트라커패시터 전극을 적용한 울트라커패시터 셀을 제공함에 있다.
본 발명은, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질과 실란계 물질을 분산매에 첨가하여 분산시키는 단계와, 분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과시키는 단계와, 상기 여포에 의해 상기 카본나노물질이 선택적으로 걸러지게 되고 걸러진 카본나노물질이 러버 타입(rubber type)의 전극 형태로 상기 여포에 달라붙게 되는 단계와, 러버 타입의 전극 형태인 카본나노물질을 상기 여포에서 떼어내고 건조하는 단계 및 건조된 결과물을 원하는 크기로 펀칭하는 단계를 포함하는 울트라커패시터 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 카본나노물질은 100∼700㎡/g 범위의 비표면적을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 실란계 물질은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란((3-Aminopropyl)trietoxysilane), 아미노프로필트리메톡시실란(Aminopropyltrimethoxysilane), 아미노알킬메톡시실란(Aminoalkylmethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane) 및 3-클로로프로필트리메톡시실란(3-Chloropropyltrimethoxysilane) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 실란계 물질은 카본나노물질 100중량부에 대하여 0.1∼15중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 갖고, 메쉬의 구멍 크기는 10nm∼20㎛인 것이 바람직하다.
상기 분산은 상기 카본나노물질 표면에 붙어있는 불순물을 표면으로부터 떼어내고 응집되어 있는 입자를 미립화하며 균일하게 분산되게 하기 위하여 초음파 처리를 수행할 수 있으며, 주사되는 초음파의 주파수는 20∼40kHz인 것이 바람직하다.
상기 분산매는 증류수, 에탄올, 아세톤, 이소프로필알콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 아세토니트릴, 에틸아세테이트, 폴리카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드 및 디메틸포름아미드 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 카본나노물질의 분산 농도가 0.01∼15.0g/L이 되게 상기 분산매에 상기 카본나노물질을 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 여과시키는 단계 전에, 상기 분산 결과물을 세정액에 담그고 교반(stirring)하면서 세척 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막과, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 셀을 제공한다.
또한, 본 발명은, 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자와, 상기 음극에 연결된 제1 리드선과, 상기 양극에 연결된 제2 리드선과, 상기 권취소자를 수용하는 금속캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며, 상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 셀을 제공한다.
본 발명에 의하면, 전극활물질인 카본나노물질과 실란계 물질 이외에 바인더와 도전재가 요구되지 않고, 전극을 형성하기 위한 코팅 방법이나 압연 방법에 비하여 공정이 매우 간단하며, 고밀도 전극의 구현을 가능하게 하여 체적당 높은 용량을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조할 수 있다. 전극 밀도가 향상되므로 집적화가 가능하고 이를 통하여 체적당 용량도 높일 수 있는 장점이 있다. 코팅을 위한 장치나 압연을 위한 장치가 필요없고 진공여과기를 용매를 제거하는 과정에서 러버 타입(rubber type)으로 성형이 이루어짐으로써 별도의 성형 공정이 필요없고 제조 비용을 절감할 수 있다.
코팅 타입의 전극은 분산제 미 첨가 시 균일한 분산이 어렵고, 구리호일에 코팅시킬 경우 공극이 생겨 전자 이동경로에 손실이 발생하게 되어 큰 비가역적 용량이 발생하고, 이는 수명특성 감소에 영향을 미치게 되며, 바인더의 첨가 없이 러버 타입으로 제조하는 종래의 기술은 표면이 거칠고, 매끄럽지 못하며, 밀도가 낮고, 내구성이 약하다는 단점이 존재하는데, 본 발명에서는 접착성, 분산, 표면개질 등의 장점이 있는 실란계 물질을 소량 첨가함으로써 전극의 밀도를 향상시켜 내구성 향상과 전자 이동경로 손실의 최소화를 통한 비가역 용량의 감소를 구현할 수 있고, 향상된 수명 특성을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 초음파와 진공여과기를 이용하여 필름(film) 형식의 러버 타입(rubber type) 울트라커패시터 전극을 제조하여 전자의 이동경로 손실의 최소화와 비가역 용량의 감소를 통해 보다 효율적이고 안정적인 수명 특성을 가지게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 울트라커패시터 전극의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 일 예에 따른 코인형 울트라커패시터의 단면도를 보인 것이다.
도 3 내지 도 6은 일 예에 따른 권취형 울트라커패시터를 보여주는 도면이다.
도 7은 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 광학현미경 사진이다.
도 8은 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 9는 비교예 1에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 광학현미경 사진이다.
도 10은 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 광학현미경 사진이다.
도 11은 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하에서, 나노라 함은 나노미터(nm) 단위의 크기로서 1∼1,000nm의 크기를 의미하는 것으로 사용하고, 나노파이버(nanofiber)는 1∼1,000nm 크기의 직경을 갖는 섬유(fiber)를 의미하는 것으로 사용하며, 나노물질은 1∼1,000nm 크기의 직경을 갖는 물질을 의미하는 것으로 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터 전극의 제조방법은, 본 발명은, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질과 실란계 물질을 분산매에 첨가하여 분산시키는 단계와, 분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과시키는 단계와, 상기 여포에 의해 상기 카본나노물질이 선택적으로 걸러지게 되고 걸러진 카본나노물질이 러버 타입(rubber type)의 전극 형태로 상기 여포에 달라붙게 되는 단계와, 러버 타입의 전극 형태인 카본나노물질을 상기 여포에서 떼어내고 건조하는 단계 및 건조된 결과물을 원하는 크기로 펀칭하는 단계를 포함한다.
상기 카본나노물질은 100∼700㎡/g 범위의 비표면적을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 실란계 물질은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란((3-Aminopropyl)trietoxysilane), 아미노프로필트리메톡시실란(Aminopropyltrimethoxysilane), 아미노알킬메톡시실란(Aminoalkylmethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane) 및 3-클로로프로필트리메톡시실란(3-Chloropropyltrimethoxysilane) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 실란계 물질은 카본나노물질 100중량부에 대하여 0.1∼15중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 갖고, 메쉬의 구멍 크기는 10nm∼20㎛인 것이 바람직하다.
상기 분산은 상기 카본나노물질 표면에 붙어있는 불순물을 표면으로부터 떼어내고 응집되어 있는 입자를 미립화하며 균일하게 분산되게 하기 위하여 초음파 처리를 수행할 수 있으며, 주사되는 초음파의 주파수는 20∼40kHz인 것이 바람직하다.
상기 분산매는 증류수, 에탄올, 아세톤, 이소프로필알콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 아세토니트릴, 에틸아세테이트, 폴리카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드 및 디메틸포름아미드 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 카본나노물질의 분산 농도가 0.01∼15.0g/L이 되게 상기 분산매에 상기 카본나노물질을 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 여과시키는 단계 전에, 상기 분산 결과물을 세정액에 담그고 교반(stirring)하면서 세척 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 울트라커패시터 셀은, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극과, 상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막과, 상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 울트라커패시터 셀은, 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 상기 제조방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자와, 상기 음극에 연결된 제1 리드선과, 상기 양극에 연결된 제2 리드선과, 상기 권취소자를 수용하는 금속캡과, 상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며, 상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 울트라커패시터 전극의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 전극활물질로 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) 및 탄소나노파이버(carbon nanofiber) 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질을 사용한다. 이러한 카본나노물질은 비표면적이 100∼700㎡/g 정도인 것이 바람직하다.
그래핀(graphene)이란 흑연을 의미하는 흑연(graphite)과 탄소의 이중결합을 가진 분자를 의미하는 접미사 -ene을 결합해서 만든 용어이다. 그래핀을 구성하고 있는 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개는 sp2 혼성 오비탈을 형성하여 강한 공유결합인 σ 결합을 이루며 남은 1개의 전자는 주변의 다른 탄소와 π 결합을 형성하면서 육각형의 벌집 모양 2차원 구조체를 이룬다. 단층 그래핀은 0.34 nm 정도의 두께로 매우 얇으며, 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다는 장점을 가진다.
그래핀의 파괴 응력은 이론적 한계값인 ∼40 N/m 정도이며, 파괴강도는 125 GPa 정도이고, 탄성계수는 강철의 200배 이상인 ∼1.0 TPa 정도이다. 이것은 단단한 탄소 결합이 있고 단층에 결합이 존재할 수 없기 때문이다. 또한 평면 한 축 방향으로 20% 늘어날 수 있으며 이는 다른 어느 결정보다도 매우 큰 값이다. 또한 온도가 올라감에 따라 그래핀은 2차원 포논(Phonon)에 의해 계속 수축되며, 매우 유연하면서도 강하게 잡아당길 때 잘 균열되는 특징을 동시에 지니고 있다.
그래핀은 실온에서 열전도가 약 5,000 W/m·K로 탄소나노튜브 또는 다이아몬드보다 우수한 열전도 특성을 갖고 있다. 이는 탄소나노튜브보다 50 % 이상 높은 값이며 구리, 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도 큰 값이다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이다. 이러한 우수한 열 전도성은 전자의 긴 평균 자유 행로에도 영향을 준다. 반면 그래핀이 적층된 흑연(graphite)의 경우 수직 방향에서는 열전도도(약 100배)가 현저하게 낮아지는 단점이 있다.
상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 200,000 cm2/Vs이다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며, 이로 인하여 긴 평균자유 행로를 가지게 된다. 따라서 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닌다. 또한 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다.
그래핀은 맨체스터 대학교의 노보셀로브(Novoselov) 박사와 게인(Geim) 교수가 세계 최초로 스카치테이프(Scotch tape)의 접착력을 이용하여 연필심의 흑연에서 그래핀을 분리하는 방법을 발표하면서 널리 알려지게 되었다. 우선 흑연 플레이크(graphite flake), 일반적인 스카치테이프, 그리고 SiO2 웨이퍼를 준비한다. 준비한 플레이크를 스카치테이프에 올린 후 수 차례 접었다 폈다를 반복한다. 이 과정이 끝난 후 테이프를 SiO2 웨이퍼에 올린 후 플레이크(flake) 자국이 남아 있는 부분을 문질러 준 후 테이프를 제거하면 한 층의 그래핀 부터 다층의 그래핀을 얻을 수 있다.
이 방법이 가능한 이유는 그래핀의 원자구조를 살펴보면 알 수 있다. 그래핀은 2차원 평면상으로 3개의 탄소 원자들이 강한 공유결합을 형성하는 반면 수직인 방향으로는 상대적으로 약한 반데르발스 힘으로 연결되어 있어 층간의 마찰계수가 매우 낮아 스카치테이프의 약한 접착력으로도 분리가 가능하게 되는 것이다. 이렇게 박리된 그래핀은 시료 준비가 매우 간단하고 전기적, 구조적으로 우수한 성질을 보여 그래핀의 기초연구를 빠르게 확산시키는데 큰 역할을 했다. 하지만 그 면적이 마이크로미터 수준에 불과하고 수율이 낮아 다양한 응용을 위한 제조방법으로는 한계가 있다.
화학적 박리법은 용매를 기반으로 하여 산화, 환원 반응을 이용한 방법으로 그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 방법이다. 산화흑연(graphite oxide)의 제조를 통한 박리를 유도하며, 이후 환원(reduction)을 통하여 산화그래핀(graphene oxide)의 전기적 특성을 향상시키는 방법이다. 흑연(graphite)을 산화시키는 방법은 많은 연구가 있었지만 그 중 휴머스(Hummers)가 제안한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 그래핀의 대량생산에 용이하며, 다양한 응용이 가능한 그래핀 제조방법이다.
상술한 그래핀은 단일층, 이중층 또는 다층 형태로 이루어진 것일 수 있으나, 단일층이나 이중층 그래핀은 그 제조가 어렵고 구입 비용이 비싸기 때문에 다층 형태의 그래핀을 사용하는 것이 바람직다.
탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)는 탄소 원자들로 이루어진 육각형의 네트워크를 둥글게 말은 형태를 갖는다. 이때 말은 각도에 따라 끝 부분이 지그 재그 모양과 팔걸이 의자 모양을 갖는다. 또한 둥글게 말리어진 형태는 벽이 하나인 구조인 단일벽(Single Wall) 형태와 다수의 벽을 갖는 다중벽(Multi Wall) 구조를 취하게 되며, 이 외에도 단일벽(Single Wall)이나 다중벽(Multi Wall)이 다발로 되어 있는 형태(Nano tube bundle), 튜브의 내부에 금속이 존재하는 형태(Metal-atom-filled nano tube) 등이 있다. 탄소나노튜브의 직경은 5nm∼1㎛, 더욱 바람직하게는 20nm∼1㎛ 정도인 것이 바람직하다.
탄소나노파이버(carbon nanofiber)는 섬유 형상을 갖는 것으로, 종횡비(길이/직경)가 10∼1,000 정도인 것이 바람직하다. 탄소나노파이버의 직경은 5nm∼1㎛, 더욱 바람직하게는 20nm∼1㎛ 정도인 것이 바람직하다.
그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질과 실란계 물질을 분산매에 첨가하여 분산시킨다.
상기 실란계 물질은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란((3-Aminopropyl)trietoxysilane), 아미노프로필트리메톡시실란(Aminopropyltrimethoxysilane), 아미노알킬메톡시실란(Aminoalkylmethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane), 3-클로로프로필트리메톡시실란(3-Chloropropyltrimethoxysilane), 이들의 혼합물 등일 수 있다. 이러한 실란계 물질을 카본나노물질과 첨가하게 되면, 접착성 증진, 표면개질 등의 장점이 있고, 전극의 밀도와 내구성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 이러한 실란계 물질은 후술하는 진공여과기에 의한 여과 과정에서 카본나노물질이 여포에 잘 부착되게 하는 역할을 할 수도 있다. 접착성, 분산, 표면개질 등의 장점이 있는 실란계 물질을 소량 첨가함으로써 전극의 밀도를 향상시켜 내구성 향상과 전자 이동경로 손실의 최소화를 통한 비가역 용량의 감소를 구현할 수 있고, 향상된 수명 특성을 갖는 울트라커패시터 전극을 제조할 수가 있다. 상기 실란계 물질은 카본나노물질 100중량부에 대하여 0.1∼15중량부 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 분산매는 증류수, 에탄올(Ethanol), 아세톤(Acetone), 이소프로필알콜(Isopropyl alcohol; IPA), 디에틸렌글리콜(Diethilene glycol; DEG), 프로필렌글리콜(Propylene glycol: PG), 아세토니트릴(Acetonitrile; AN), 에틸아세테이트(Ethyl acetate), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone; NMP), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide; DMSO), 디메틸포름아미드(Dimethylformamide; DMF), 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 카본나노물질의 분산 농도가 0.01∼15.0g/L, 더욱 바람직하게는 0.1∼10.0g/L 정도가 되게 상기 분산매에 상기 카본나노물질을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 분산은 10∼300rpm 정도의 교반 속도로 10분∼24시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 분산은 초음파 처리를 수행하여 균일한 분산이 이루어지게 하는 것이 바람직하다. 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버는 분산제의 사용 없이 고른 분산이 매우 어렵고 고른 분산이 이루어지지 않은 카본나노물질을 사용하게 되면 빈공간이 생겨 전자의 이동경로의 손실이 발생하게 되어 큰 비가역적 용량이 발생하고 이는 수명 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 초음파 처리를 하게 되면 카본나노물질의 균일한 분산을 구현할 수 있다. 상기 초음파 처리는 카본나노물질 표면에 붙어있는 불순물 등을 표면으로부터 떼어내는 역할을 할 뿐만 아니라 응집되어 있는 입자를 미립화하고, 균일하게 분산되게 하는 역할을 한다. 상기 초음파 처리에 의해 빈공간이 생기지 않게 되고, 따라서 전자의 이동경로의 손실을 최소화할 수 있으며, 비가역적 용량의 감소를 통해 안정적인 수명 특성을 가지게 할 수 있다. 주사되는 초음파의 주파수는 20 ∼ 40kHz 정도일 수 있으며, 초음파는 10분 ∼ 6시간 정도 인가하는 것이 바람직하다. 일반적으로 초음파라 함은 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음파를 말한다.
분산 결과물(카본나노물질과 실란계 물질의 분산액)을 에탄올과 같은 세정액에 담그고, 교반(stirring)하면서 세척 공정을 수행할 수도 있다. 상기 교반의 속도는 10∼500rpm 정도인 것이 바람직하고, 교반 시간은 10분∼24시간 정도인 것이 바람직하다.
분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과시킨다. 진공여과기는 여포(濾布)를 감싸고 진공을 배면에 작용시켜 슬러지 중의 수분을 흡입하는 장치이며, 일반적으로 드럼식과 벨트식이 있으며, 드럼식의 대표적인 것은 올리버 필터이고, 벨트식의 대표적인 것은 벨트 필터이다. 상기 진공여과기는 시중에서 판매되고 있는 것을 사용하여도 무방하다. 상기 진공여과기의 진공도는 상압 보다 낮은 10-2∼100torr 정도일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 여포에 의해 카본나노물질이 선택적으로 걸러지게 되고, 걸러진 카본나노물질은 러버 타입(rubber type)의 전극 형태로 상기 여포에 달라붙게 된다. 여과지의 구멍 크기보다 큰 카본나노물질은 진공여과기에 의한 여과 시에 여포를 통과하지 못하고 여포에 부착되게 된다. 상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 가지며, 메쉬의 구멍 크기는 카본나노물질의 크기를 고려하여 10nm∼20㎛ 정도인 것이 바람직하다.
러버 타입(rubber type)의 전극 형태인 카본나노물질을 여포에서 떼어내고 건조한다. 상기 건조는 40∼150℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 건조는 위와 같은 온도에서 약 10분∼48시간 동안 진행시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 건조 공정은 남아있는 분산매를 증발시킴과 동시에 카본나노물질 입자를 결속시켜 울트라커패시터 전극의 강도를 향상시킨다.
건조된 결과물을 원하는 크기(예컨대, 12mm)로 펀칭하여 울트라커패시터 전극을 형성한다.
상술한 바와 같이 초음파와 진공여과기를 이용하여 필름(film) 형식의 러버 타입(rubber type) 울트라커패시터 전극을 제조하여, 전자의 이동경로 손실의 최소화와 비가역 용량의 감소를 통해 보다 효율적이고 안정적인 수명 특성을 가지게 할 수 있다.
상기와 같이 제조된 울트라커패시터 전극은 고용량으로서 코인형 울트라커패시터나 권취형 커패시터에 유용하게 적용될 수 있다. 이하에서 일 예에 따른 코인형 울트라커패시터와 권취형 커패시터를 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 울트라커패시터 전극의 사용 상태도로서, 상기 울트라커패시터 전극(10)이 적용된 코인형 울트라커패시터 셀의 단면도를 보인 것이다. 도 2에서 도면부호 190은 도전체로서의 금속캡이고, 도면부호 160은 양극(120)과 음극(110) 간의 절연 및 단락 방지를 위한 다공성 재질의 분리막(separator)이며, 도면부호 192는 전해액의 누액을 방지하고 절연 및 단락방지를 위한 가스켓이다. 이때, 상기 양극(120)과 음극(110)은 금속캡(190)과 접착제에 의해 견고하게 고정된다.
상기 코인형 울트라커패시터 셀은, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 양극(120)과, 상술한 울트라커패시터 전극으로 이루어진 음극(110)과, 양극(120)과 음극(110) 사이에 배치되고 양극(120)과 음극(120)의 단락을 방지하기 위한 분리막(seperator)(160)을 금속캡(190) 내에 배치하고, 양극(120)와 음극(110) 사이에 전해질이 용해되어 있는 전해액을 주입한 후, 가스켓(192)으로 밀봉하여 제조할 수 있다.
상기 분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 울트라커패시터에 충전되는 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
도 3 내지 도 6은 다른 예에 따른 울트라커패시터 셀을 보여주는 도면으로서, 도 3 내지 도 6을 참조하여 울트라커패시터 셀을 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 울트라커패시터 전극으로 이루어진 양극(120) 및 음극(110)에 각각 리드선(130, 140)을 부착한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 분리막(150), 양극(120), 제2 분리막(160) 및 작업전극(110)을 적층하고, 코일링(coling)하여 롤(roll) 형태의 권취소자(175)로 제작한 후, 롤(roll) 주위로 접착 테이프(170) 등으로 감아 롤 형태가 유지될 수 있게 한다.
상기 양극(120)과 음극(110) 사이에 구비된 제2 분리막(160)은 양극(120)과 음극(110)의 단락을 방지하는 역할을 한다. 제1 및 제2 분리막(150,160)은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 또는 레이온 섬유 등 전지 및 커패시터 분야에서 일반적으로 사용되는 분리막이라면 특별히 제한되지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 롤(roll) 형태의 결과물에 실링 고무(sealing rubber)(180)를 장착하고, 금속캡(예컨대, 알루미늄 케이스(Al Case))(190)에 삽착시킨다.
롤 형태의 권취소자(175)(양극(120)과 음극(110))가 함침되게 전해액을 주입하고, 밀봉한다. 상기 전해액은 비수계로서 프로필렌카보네이트(PC; propylene carbonate), 아세토니트릴(AN; acetonitrile) 및 술포란(SL; sulfolane) 중에서 선택된 1종 이상의 용매에 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate) 및 TEMABF4(triethylmethylammonium tetrafluoborate) 중에서 선택된 1종 이상의 염이 용해된 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해액은 EMIBF4(1-ethyl-3-methyl imidazolium tetrafluoborate) 및 EMITFSI(1-ethyl-3-methyl imidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide) 중에서 선택된 1종 이상의 이온성 액체를 포함하는 것일 수도 있다.
이와 같이 제작된 울트라커패시터 셀(100)을 도 6에 개략적으로 나타내었다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
디에틸렌글리콜(Diethilene glycol; DEG) 80㎖에 탄소나노튜브(CNT) 0.5g과 (3-아미노프로필)트리에톡시실란((3-Aminopropyl)trietoxysilane) 0.05g을 첨가하여 분산시켰다. 상기 분산은 초음파 처리를 이용하여 균일한 분산이 이루어지게 하였다. 상기 초음파 처리는 1시간 동안 수행하였다. 상기 초음파 처리는 출력 300W, 주파수 20kHz인 기기를 사용하였다. 상기 탄소나노튜브는 카본 나노-머티리얼 테크놀러지사(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd)의 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube; MWCNT)를 사용하였으며, 직경(diameter)은 5∼20nm 정도이고, 길이(length)가 10㎛ 정도였다.
초음파 처리된 탄소나노튜브 분산액을 무수에탄올 1ℓ에 담그고, 교반(stirring)하였다. 교반 속도는 200rpm으로 하고, 교반 시간은 30분으로 하였다.
분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과하였다. 상기 여포에 의해 탄소나노튜브만 선택적으로 걸러지게 되고, 걸러진 탄소나노튜브는 여포에 달라붙어 있게 된다. 여과지의 구멍 크기보다 큰 탄소나노튜브는 진공여과기에 의한 여과 시에 여포를 통과하지 못하고 여포에 부착되게 된다. 상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 가지며, 메쉬의 구멍 크기는 5㎛ 정도 였다.
진공여과기에서 여포를 분리해내고, 여포에 부착된 러버 타입(rubber type)의 전극 형태인 탄소나노튜브를 분리해 내었다.
여포에서 분리해낸 탄소나노튜브를 80℃의 건조기에서 12시간 동안 건조하였다.
러버 타입의 전극 형태를 직경 12mm로 펀칭하여 탄소나노튜브 울트라커패시터 전극을 얻었으며, 이에 대한 광학현미경 사진을 도 7에 나타내었다. 도 8은 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
상기 실험예의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 비교예들을 제시한다. 후술하는 비교예들은 실험예의 특성과 단순히 비교하기 위하여 제시하는 것으로 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.
<비교예 1>
실험예에서 사용한 것과 동일한 탄소나노튜브를 준비하였다.
상기 탄소나노튜브, 바인더 및 분산매를 혼합하고 울트라커패시터 전극 형태로 성형하였다. 이에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
탄소나노튜브 0.95g, 바인더 0.05g 및 분산매 80㎖를 행성믹서(Planetary mixer)에서 30분 동안 혼합하여 슬러리 상태의 울트라커패시터 전극용 조성물을 제조하였다. 상기 바인더는 폴리비닐이딘플루오라이드(polyvinylidenefluoride; PVDF)을 사용하였다. 상기 분산매는 엔-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP)를 사용하였다.
상기 울트라커패시터 전극용 조성물에 대하여 30분 가량 믹싱을 진행한 후, 구리 호일에 적당량을 덜어준 뒤 닥터 블레이드를 이용하여 코팅 및 두께 조절을 실시하여 전극 형태로 성형하였다.
전극 형태의 결과물을 건조하였다. 상기 건조는 80℃의 온도에서 30분∼1시간 동안 수행하였다.
도 9는 비교예 1에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 광학현미경 사진이다.
도 7과 도 9를 비교하여 보면, 비교예 1에 따라 제조된 울트라커패시터 전극은 치밀하지 못한 것으로 관찰되었지만, 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극은 치밀한 고밀도를 갖는 것으로 관찰되었다.
<비교예 2>
증류수 80㎖에 탄소나노튜브(CNT) 0.5g을 첨가하여 분산시켰다. 상기 분산은 초음파 처리를 이용하여 균일한 분산이 이루어지게 하였다. 상기 초음파 처리는 1시간 동안 수행하였다. 상기 초음파 처리는 출력 300W, 주파수 20kHz인 기기를 사용하였다. 상기 탄소나노튜브는 카본 나노-머티리얼 테크놀러지사(Carbon Nano-material Technology Co., Ltd)의 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube; MWCNT)를 사용하였으며, 직경(diameter)은 5∼20nm 정도이고, 길이(length)가 10㎛ 정도였다.
분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과하였다. 상기 여포에 의해 탄소나노튜브만 선택적으로 걸러지게 되고, 걸러진 탄소나노튜브는 여포에 달라붙어 있게 된다. 여과지의 구멍 크기보다 큰 탄소나노튜브는 진공여과기에 의한 여과 시에 여포를 통과하지 못하고 여포에 부착되게 된다. 상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 가지며, 메쉬의 구멍 크기는 5㎛ 정도 였다.
진공여과기에서 여포를 분리해내고, 여포에 부착된 러버 타입(rubber type)의 전극 형태인 탄소나노튜브를 분리해 내었다.
여포에서 분리해낸 탄소나노튜브를 80℃의 건조기에서 12시간 동안 건조하였다.
직경 12mm로 펀칭하여 탄소나노튜브 울트라커패시터 전극을 얻었으며, 이에 대한 광학현미경 사진을 도 10에 나타내었다. 도 11은 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7과 도 10을 비교하여 보면, 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극은 치밀하지 못한 것으로 관찰되었지만, 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극은 치밀한 고밀도를 갖는 것으로 관찰되었다.
도 8과 도 11을 비교하여 보더라도 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극이 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극에 비하여 치밀하고 기공이 적은 것을 확인할 수 있었다.
실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극과 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극의 특성을 아래의 표 1에 나타내었다.
구분 비교예 실험예
두께(㎛) 75 76
체적(cc) 0.0085 0.0086
전극 무게(g) 0.0017 0.0022
전극 밀도(g/cc) 0.20 0.26
실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극과 비교예 2에 따라 제조된 울트라커패시터 전극을 사용하여 조립된 전지의 비축전용량을 아래의 표 2에 나타내었다. 상기 전지는 전해액으로 1M TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoborate)/아세토니트릴(AN; acetonitrile)을 사용하였고, 셀 타입(Cell type)은 2032 코인셀(coin cell) 이었다.
사이클(Cycle) 비교예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극을 사용하여 조립된 전지의 비축전용량(F/cc) 실험예에 따라 제조된 울트라커패시터 전극을 사용하여 조립된 전지의 비축전용량(F/cc)
1 11.02 14.76
20 10.99 14.70
40 10.96 14.66
60 10.95 14.66
80 10.94 14.63
100 10.91 14.62
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 음극 120: 양극
130: 제1 리드선 140: 제2 리드선
150: 제1 분리막 160: 제2 분리막
170: 접착 테이프 175: 권취소자
180: 실링 고무 190: 금속캡
192: 가스켓

Claims (11)

  1. 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소나노파이버 중에서 선택된 1종 이상의 카본나노물질과 실란계 물질을 분산매에 첨가하여 분산시키는 단계;
    분산 결과물을 여포가 장착된 진공여과기로 여과시키는 단계;
    상기 여포에 의해 상기 카본나노물질이 선택적으로 걸러지게 되고, 걸러진 카본나노물질이 러버 타입(rubber type)의 전극 형태로 상기 여포에 달라붙게 되는 단계;
    러버 타입의 전극 형태인 카본나노물질을 상기 여포에서 떼어내고 건조하는 단계; 및
    건조된 결과물을 원하는 크기로 펀칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 카본나노물질은 100∼700㎡/g 범위의 비표면적을 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실란계 물질은 (3-아미노프로필)트리에톡시실란((3-Aminopropyl)trietoxysilane), 아미노프로필트리메톡시실란(Aminopropyltrimethoxysilane), 아미노알킬메톡시실란(Aminoalkylmethoxysilane), 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 메틸트리메톡시실란(Methyltrimethoxysilane) 및 3-클로로프로필트리메톡시실란(3-Chloropropyltrimethoxysilane) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실란계 물질은 카본나노물질 100중량부에 대하여 0.1∼15중량부 첨가하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 여포는 메쉬(mesh) 형태를 갖고, 메쉬의 구멍 크기는 10nm∼20㎛인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분산은 상기 카본나노물질 표면에 붙어있는 불순물을 표면으로부터 떼어내고 응집되어 있는 입자를 미립화하며 균일하게 분산되게 하기 위하여 초음파 처리를 수행하며,
    주사되는 초음파의 주파수는 20∼40kHz인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 분산매는 증류수, 에탄올, 아세톤, 이소프로필알콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 아세토니트릴, 에틸아세테이트, 폴리카보네이트, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸설폭사이드 및 디메틸포름아미드 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 카본나노물질의 분산 농도가 0.01∼15.0g/L이 되게 상기 분산매에 상기 카본나노물질을 첨가하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 여과시키는 단계 전에,
    상기 분산 결과물을 세정액에 담그고 교반(stirring)하면서 세척 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 전극의 제조방법.
  10. 제1항에 기재된 방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극;
    제1항에 기재된 방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극;
    상기 양극과 음극 사이에 배치되고 상기 양극과 상기 음극의 단락을 방지하기 위한 분리막;
    상기 양극, 상기 분리막 및 상기 음극이 내부에 배치되고 전해액이 주입된 금속 캡; 및
    상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 셀.
  11. 단락을 방지하기 위한 제1 분리막과, 제1항에 기재된 방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 양극과, 상기 양극과 음극의 단락을 방지하기 위한 제2 분리막과, 제1항에 기재된 방법으로 제조된 울트라커패시터 전극을 포함하는 음극이, 순차적으로 적층되어 코일링된 롤 형태를 이루는 권취소자;
    상기 음극에 연결된 제1 리드선;
    상기 양극에 연결된 제2 리드선;
    상기 권취소자를 수용하는 금속캡; 및
    상기 금속 캡을 밀봉하기 위한 실링 고무를 포함하며,
    상기 권취소자는 전해액에 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 셀.
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