KR101859432B1

KR101859432B1 - 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치

Info

Publication number: KR101859432B1
Application number: KR1020150151524A
Authority: KR
Inventors: 유정준; 이찬우
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-05-23
Also published as: KR20170050238A

Abstract

본 발명은 블록형 슈퍼 커패시터를 이용하여 각종 휴대용 기기의 전원이 부족할 때 전원을 직접적으로 공급하거나 기기 내 배터리의 전원을 빠른 시간 내에 충전할 수 있으면서도 초소형의 구조를 가질 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치에 관한 것으로, 전원을 공급받아 충전용 직류 전압으로 변환하는 어댑터; 상기 어댑터로부터 충전용 직류 전압을 인가받아 충전하고, 충전된 전력에 의해 생성된 직류 전압을 인가하는 병렬 연결된 복수개의 슈퍼 커패시터를 갖는 슈퍼캡 어레이; 상기 슈퍼캡 어레이에서 인가된 직류 전압을 정류하는 컨버터; 및 외부 기기에 연결되는 단자를 구비하여, 상기 컨버터로부터 정류된 직류 전압을 인가받아 상기 외부 기기로 전달하는 커넥터를 포함하고, 상기 슈퍼 커패시터는, 기판; 상기 기판 상에 형성되어 층상 구조의 전극이 인플레인(in-plane) 구조로 서로 마주보도록 배치된 적어도 2개 이상의 단위셀; 및 상기 기판 상에 형성되어 일측은 상기 단위셀에 연결되고, 타측은 상기 어댑터 및 상기 컨버터와 연결되는 2개의 집전체를 포함하며, 상기 2개 이상의 단위셀은 각각 하나의 전극이 서로 인접하여 배열되고, 인접하여 배열된 단위셀의 전극이 직렬연결된다.

Description

슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치{PORTABLE SUBSIDIARY POWER SUPPLY DEVICE FOR RAPID CHARGING USING SUPER CAPACITOR}

본 발명은 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 블록형 슈퍼 커패시터를 이용하여 각종 휴대용 기기의 전원이 부족할 때 전원을 직접적으로 공급하거나 기기 내 배터리의 전원을 빠른 시간 내에 충전할 수 있으면서도 초소형의 구조를 가질 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치에 관한 것이다.

일반적으로 슈퍼커패시터는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 울트라커패시터(Ultra-capacitor)라고도 일컬어지며, 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치이다.

구체적으로 슈퍼커패시터는 도전체에 부착된 전극과 그에 함침된 전해질 용액으로 구성되며, 전극의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한다. 이러한 슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율을 나타내며, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아서 보수가 필요 없이 반영구적인 사이클 수명 특성을 나타내기 때문에, 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지저장장치로서 각광받고 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 슈퍼 커패시터는 일반적인 배터리와 동일한 구조를 가지므로 초소형화가 어려워, 차량용 충전 장치 등에는 사용 가능하나 휴대용 보조 전원 장치로 사용하기는 적합하지 않은 문제점이 있다.

대한민국등록특허 제10-1241221호

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 고속 충방전 성능을 지원하면서도 초소형으로 구현 가능한 블록형 슈퍼 커패시터를 에너지 저장 장치로 이용하여 급속충전 기능을 수행함으로써, 각종 휴대용 기기의 전원이 부족할 때 전원을 직접적으로 공급하거나 기기 내 배터리의 전원을 빠른 시간 내에 충전할 수 있는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치는, 전원을 공급받아 충전용 직류 전압으로 변환하는 어댑터; 상기 어댑터로부터 충전용 직류 전압을 인가받아 충전하고, 충전된 전력에 의해 생성된 직류 전압을 인가하는 병렬 연결된 복수개의 슈퍼 커패시터를 갖는 슈퍼캡 어레이; 상기 슈퍼캡 어레이에서 인가된 직류 전압을 정류하는 컨버터; 및 외부 기기에 연결되는 단자를 구비하여, 상기 컨버터로부터 정류된 직류 전압을 인가받아 상기 외부 기기로 전달하는 커넥터를 포함하고, 상기 슈퍼 커패시터는, 기판; 상기 기판 상에 형성되어 층상 구조의 전극이 인플레인(in-plane) 구조로 서로 마주보도록 배치된 적어도 2개 이상의 단위셀; 및 상기 기판 상에 형성되어 일측은 상기 단위셀에 연결되고, 타측은 상기 어댑터 및 상기 컨버터와 연결되는 2개의 집전체를 포함하며, 상기 2개 이상의 단위셀은 각각 하나의 전극이 서로 인접하여 배열되고, 인접하여 배열된 단위셀의 전극이 직렬연결된다.

여기서, 상기 인접하여 배열된 전극 사이에 금속 재질의 연결부를 형성하여 직렬연결할 수 있다.

또한, 상기 인접하여 배열된 전극 사이에 금속을 채울 수 있다.

한편, 상기 층상구조의 전극이 탄소재료, 금속산화물, 금속질화물, 금속황화물, 전도성 유기물, 그래핀 및 그래핀 산화물 중에서 선택된 하나의 재질 또는 둘 이상을 혼합한 재질일 수 있다.

한편, 상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 엇갈린 형태인 형상으로 패터닝되어 분리될 수 있다.

또한, 상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 일자형인 형상으로 패터닝되어 분리될 수 있다.

한편, 상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 지그재그형인 형상으로 패터닝되어 분리될 수 있다.

본 발명은 인플레인 구조를 이용하여 전극의 표면적을 증가시킨 블록형 슈퍼 커패시터를 에너지 저장 장치로 이용한 보조 전원 장치를 통하여, 급속 충전 기능을 지원하면서도 초소형으로 구현되어 휴대가 간편한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 에너지 저장 장치로 리튬을 전혀 포함하지 않은 슈퍼 커패시터를 사용하므로, 사용자 휴대중에 충방전 동작을 수행하면서도 안전성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치 중 슈퍼 커패시터를 도시한 구조도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치 중 슈퍼 커패시터의 전극 분리 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치 중 슈퍼 커패시터의 제조 공정을 도시한 도면이다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치를 나타낸 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치는, 어댑터(100), 슈퍼캡 어레이(200), 컨버터(300) 및 커넥터(400)를 포함한다.

어댑터(Adapter)(100)는, 외부로부터 전원을 공급받아 충전용 전류로 변환하고, 특히, 교류 전압을 인가받아 직류 전압으로 변환하며, 변환된 충전용 전류를 슈퍼캡 어레이(200)로 인가한다. 이때, 어댑터(100)의 출력용 직류단, 즉, 전원 전압 단자 및 접지 단자에는 슈퍼캡 어레이(200)와 컨버터(300)가 동시에 연결되어 있는 바, 어댑터(100)가 외부 전원에 연결된 상황에서 외부 기기도 충전하는 경우에는 슈퍼캡 어레이(200)와 컨버터(300)에 직류 전압이 동시에 인가될 수 있다.

한편, 어댑터(100)는, 상술한 바와는 달리, 스위치(도시되지 않음)를 구비하고, 스위치의 절환 동작에 따라 어댑터(100)가 외부 전원에 연결된 상황에서 외부 기기도 충전하는 경우 컨버터(300)와 연결된 경로는 유지한 채로 슈퍼캡 어레이(200)와 연결된 경로를 차단하여 외부 기기가 먼저 충전될 수 있도록 하는 기능을 구비할 수도 있다.

또한, 슈퍼캡 어레이(200)는, 어댑터(100)로부터 충전용 전류를 인가받아 에너지로 저장하고, 즉, 충전하고, 충전된 전력의 출력에 의해 생성된 전류를 컨버터(300)로 인가한다. 여기서, 슈퍼캡 어레이(200)는, 복수개의 블록형 슈퍼 커패시터가 병렬 연결된 집합체이고, 각각의 슈퍼 커패시터는, 도 2에 도시된 바와 같이 기판(210), 전극 집합체(220), 2개의 집전체(230), 절연 코팅층(240) 및 금속벽(250)을 포함할 수 있다.

먼저, 기판(210)은, 슬라이드 글라스(Glass) 기판으로, 그 상부에 층상 구조의 전극 집합체(220)가 부착된다.

또한, 전극 집합체(220)는, 기판(210) 상에 형성된 층상 구조로, 도 2b에 도시된 바와 같이 인플레인(in-plane) 구조로 서로 마주보도록 배치된 적어도 2개 이상의 단위셀(222) 형태, 바람직하게는 5개의 단위셀(222) 형태를 갖는데, 이러한 단위셀(222)은 2개의 집전체(230) 및 절연 코팅층(240)이 형성된 이후에 형성될 수 있다.

이때, 단위셀(222)을 구성하는 그래핀 또는 그래핀 산화물의 층상구조인 셀부재(221)에 포함된 각 층들이 기판(210)에 평행하도록 배치된 상태이다. 그리고 층상구조의 셀부재(221)를 위쪽에서 수직한 방향으로 분리하여 간극을 형성하였기 때문에, 간극 사이에 두고 마주보는 면은 각 층이 적층된 구조가 드러난 상태, 즉 인플레인 구조를 갖는다. 결국, 기판(210)의 표면에 평행하게 배열된 층상 구조물을 기판(210)의 표면과 수직한 방향으로 패터닝하여 간극을 형성함으로써, 인플레인 구조를 갖는 한 쌍의 전극을 포함하는 단위셀(222)을 형성할 수 있으며, 전해질의 이온이 전극을 구성하는 층 사이로 용이하게 접근할 수 있도록 한다.

이때, 층상구조에 포함된 각 층들이 기판에 수직한 방향으로 배치된 경우에도, 각 층의 방향이 집전체(230) 및 각 셀을 분리하는 라인에 수직한 방향으로 배치된 경우라면, 기판 표면에 수직한 방향으로 패터닝을 수행하여 인플레인 구조를 형성할 수 있다.

한편, 인플레인 구조는 절단면에서의 엣지 효과(edge effect)에 의해서 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터의 성능을 향상시키는 역할을 한다. 여기서, 엣지 효과라 함은, 그라파이트가 배열 방향에 따라서 용량에 차이를 보임에 기인하는 효과로, 구체적으로는, 엣지 플레인(edge plane) 방향의 용량이 베이슬 플레인(basal plane) 방향에 비하여 약 10배 정도 용량이 큰 효과를 말한다. 이러한 엣지 효과는, 그라파이트가 베이슬 플레인에 수직한 방향으로는 반도체의 성질을 갖고 엣지 플레인 방향으로는 금속에 가까운 거동을 나타내는 등의 다양한 이유가 합쳐진 결과이다. 본 실시예에와 같은 인플레인 구조로 배열된 전극 집합체(220)의 절단면은 상술한 엣지 플레인 방향에 해당하기 때문에, 인플레인 구조의 전극을 가지는 본 실시예의 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터는 뛰어난 성능을 나타낸다.

한편, 본 실시예와 같이 셀부재(221)에 대하여 패터닝, 즉 레이저 커팅 공정을 통해서 전극을 형성하는 경우에, 전극이 서로 마주보는 면은 커팅 공정이 진행된 절단면으로서 커팅 과정에서의 결함을 포함하고 있다. 이러한 결함은 의사커패시터 효과(pseudocapacitive effect)를 유발하여, 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터에 대하여 추가적인 용량을 부가하는 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 전극부재가 두꺼워지면 두꺼워질수록 전체 전극에서 절단면의 비율이 점점 더 커지므로, 엣지효과와 의사커패시터효과는 더욱 커질 것이다. 결국, 본 실시예와 같은 인플레인 구조에서 전극부재가 두꺼울수록 더 큰 용량을 나타낼 수 있다.

상술한 엣지 효과와 의사커패시터 효과는 전극부재 또는 셀부재(221)를 커팅하여 분리하는 방법으로 전극을 형성한 결과에 의해서 얻어지며, 본 실시예와 같은 인플레인 구조에서 그 효과가 크게 발휘되지만, 인플레인 구조에서만 한정되어 효과가 발휘되는 것은 아니다. 구형의 활성탄과 같은 전극물질을 이용하여 전극부재를 제조하여도, 커팅에 의해서 형성된 전극면에는 전극물질의 커팅에 따른 엣지 플레인과 표면 결함이 존재하기 때문에, 엣지 효과와 의사커패시터 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 도 3a 내지 도 3c는 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터에 적용된 전극 집합체(220)의 분리 패턴을 나타낸 도면으로, 도 3a에 도시된 바와 같이 전극의 돌출된 가지들이 서로 엇갈리듯이 배치된 깍지 낀 손가락 형태의 패턴을 형성하여 전극의 표면적을 넓히는 것이 바람직하나, 전극 분리 패턴은 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3b에 도시된 바와 같은 지그재그 형태, 도 3c에 도시된 바와 같은 일자 형태도 가능하다. 이때, 전극을 분리하는 패턴을 변경하는 경우에도 전극의 마주보는 면은 각 층이 적층된 구조가 드러난 상태, 즉 인플레인 구조를 갖는다.

또한, 2개의 집전체(current collector)(230)는, 기판(210) 상에 형성되어 일측은 단위셀(222)에 연결되고, 타측은 어댑터(100) 및 컨버터(300)와 연결된다. 즉, 2개의 집전체(230) 중 하나는 어댑터(100) 및 컨버터(300)의 접지 단자에 연결되고, 2개의 집전체(230) 중 나머지 하나는 어댑터(100) 및 컨버터(300)의 전원 전압 단자에 연결된다. 여기서, 2개의 집전체(230)는, 전극 집합체(220)의 양측에 형성될 수 있다.

또한, 2개의 집전체(230)는, 슈퍼캡 어레이(200) 내 슈퍼 커패시터 간의 병렬 연결을 위하여 다른 슈퍼 커패시터의 대응되는 집전체(230)에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 절연 코팅층(240)은, 전극 집합체(220)의 단위셀(222) 형성 전 전극부재 및 집전체(230)를 덮도록 형성되며, 2개의 집전체(230)가 다른 슈퍼 커패시터의 집전체(230) 또는 어댑터(100) 및 컨버터(300)와 전기적으로 연결되기 위한 끝부분을 제외하고 전극부재 및 집전체(230)를 전체적으로 커버하게 된다. 이러한 절연 코팅층(240)에 의하여 추후에 안정적으로 전해질을 수용할 수 있고 전해질과 집전체(230)가 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 금속벽(250)은, 단위셀(222) 사이에 니켈 등을 채움으로써 형성하는데, 단위셀(222)과 집전체(230) 사이의 연결을 강화하고, 단위셀(222) 사이의 직렬저항을 낮추는 역할을 한다.

한편, 전극 집합체(220)가 2개의 집전체(230)와 연결되는 양 측면 부분에 형성된 절연 코팅층(240)을 제거하고 스퍼터링을 수행하고, 이 부분에도 금속벽(250)을 형성할 수 있다. 이와 같이 측면벽에 형성된 금속벽(250), 예를 들면 니켈 도금층에 의해서 단위셀(222)와 집전체(230)의 연결을 강화하는 효과와 연결저항을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 컨버터(300)는, 슈퍼캡 어레이(200)에서 인가된 전류를 정류하고, 정류된 직류 전압을 커넥터(400)로 출력한다. 여기서, 컨버터(300)는, DC-DC 컨버터(Converter)로 스마트폰 등의 충전을 위하여 5V의 직류 전압에 의한 약 1A 내지 2A의 전류를 출력하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 컨버터(300)는, 전원 전압 단자 및 접지 단자를 구비하고, 전원 전압 단자는 슈퍼캡 어레이(200) 내 병렬로 연결된 슈퍼 커패시터의 2개의 집전체(230) 중 양(+)의 극성을 가진 집전체(230)에 연결되고, 접지 단자는 슈퍼 커패시터(200)의 2개의 집전체(230) 중 음(-)의 극성을 가진 집전체(230)에 연결되어 슈퍼 커패시터(200)에서 인가된 전류를 DC-DC 변환, 즉, 정류하게 된다.

아울러, 컨버터(300)는, 어댑터(100)의 출력용 직류단에 상술한 바와 같이 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터의 집전체(230)가 연결된 컨버터(300)의 입력용 직류단, 즉, 전원 전압 단자 및 접지 단자가 연결되어 어댑터(100)로부터 직접 직류 전압을 인가받아 커넥터(400)로 출력할 수도 있다.

한편, 커넥터(400)는, 스마트폰과 같은 외부 기기에 연결되는 단자, 예를 들면 USB(Universal Serial Bus) 포트 등을 구비하여, 컨버터(300)로부터 정류된 전류를 인가받아 외부 기기로 전달하는 역할을 한다.

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치 중 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터의 제조 공정을 도시한 도면으로, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터가 제조되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a와 같이, 슬라이드 글라스(Glass)인 기판(210)의 상부에 층상 구조의 전극 집합체(220)을 부착한다. 이때, 전극 집합체(220)에 사용되는 부재는, 2차원 평면 형태의 단위 물질이 적층된 층상구조로서, 각 층이 기판(210)의 표면과 평행하게 배열된다. 이는 기판(210)의 표면에 층상구조를 적층하는 경우에는 일반적으로 얻어지는 구조이며, 기판(210)의 외부에서 제조된 전극부재를 부착하는 경우에는 층상구조에 포함된 각 층들이 기판(210)에 평행하도록 배치되어야 한다.

예를 들면, 대표적인 2차원 평면구조를 갖는 그래핀과 그래핀 산화물을 사용하여 층상구조의 전극부재를 만들고, 이를 자외선 레이저 드릴링 시스템을 이용하여 10mm×10mm의 크기로 절단한 뒤에, 에폭시를 이용하여 기판(210)의 표면에 부착한다.

이때, 그래핀 산화물의 경우 그라파이트(graphite)를 화학적으로 박리하여 제조할 수 있다. 본 실시예에서는 그래핀 산화물을 이용하여 층상구조의 전극부재를 만들기 위하여, 화학적으로 박리된 그래핀 산화물 20 mg을 10 cc의 탈이온수(deionized water)에 넣고 30분간 초음파세척기에서 초음파 처리로 분산시켜 그래핀 산화물 용액을 만든다. 그리고 그래핀 산화물 용액을 듀라포어(Durapore) 멤브레인 필터가 장착된 진공여과장치를 이용하여 필터링한다. 그래핀 산화물을 층상구조의 전극부재로 만들기 위한 방법으로 진공여과법 이외에, 자가적층조립법, 화학기상증착법, 캐스팅법 및 코팅법 등을 적용할 수 있다. 필터에 걸러진 전극부재를 섭씨 200도에서 열처리하여 환원시킨다. 한편, 본 실시예에서 사용된 전극부재는 마이크로미터(micrometer) 범위의 두께를 갖도록 제작될 수도 있지만, 그 두께를 밀리미터(millimeter) 또는 센티미터(centimeter) 범위로 두껍게 제작함으로써 용량을 높일 수 있다. 이와 같이 두께가 두꺼운 전극부재(일종의 블록형 전극부재)를 제조하기 위해서 진공여과법, 전기영동도금법, 화학기상증착법, 캐스팅법 및 코팅법 등을 수행하는 시간을 늘리거나, 그래핀 또는 그래핀 산화물 용액의 용매를 증발시킨 뒤에 롤링 또는 압착하는 방법 등을 적용할 수 있다. 이러한 방법을 통해서 직육면체나 정육면체 등과 같이 두께가 두꺼운 형태의 그래핀 또는 그래핀 산화물 재질의 전극부재를 제조할 수 있다. 이때, 전극부재의 기계적 안정성을 높이기 위하여 바인더 물질을 일부 첨가할 수도 있다.

다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이 전극 집합체(220)의 양측에 집전체(230)를 형성한다. 여기서, 두께 200nm 이하의 타이타늄과 700nm 이하의 금을 순차적으로 스퍼터링하여 집전체(230)를 형성하였고, 전극 집합체(220)의 양쪽에 접하도록 집전체(230)를 형성하기 위하여 마스크를 이용하였다. 이러한 집전체(230)는 화학기상증착 또는 열증착 등과 같은 박막증착기법으로 형성될 수도 있고, 전기도금, 무전해도금, 영동도금 등과 같은 도금기법을 통해서도 형성될 수 있으며, 그 외에도 스크린 프린팅, 캐스팅, 필름이나 플레이트 또는 블록 부착 등 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.

이후에, 도 4c에 도시된 바와 같이 전극 집합체(220)과 2개의 집전체(230)를 덮는 절연 코팅층(240)을 형성한다. 여기서, 절연 코팅층(240)은, 2개의 집전체(230)가 어댑터(100) 및 컨버터(300)와 전기적으로 연결되기 위한 끝부분을 제외하고 전극부재 및 집전체(230)를 전체적으로 덮도록 형성된다.

다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이 레이저를 이용하여 전극부재를 5개의 단위셀(222)이 형성될 수 있는 셀부재(221)로 분리한다. 다시 말하면, 자외선 레이저 드릴링 시스템을 이용하여 전극부재 사이를 분리함으로써, 이후에 독립된 단위셀(222)을 구성하게 될 5개의 셀부재(221)를 형성한다. 이외에도 전극부재 사이를 분리하는 방법은 반도체 공정에서 사용하는 UV 리소그래피를 이용하거나, 커터(cutter)를 이용한 기계적 패터닝법, 레이저를 이용하는 방법 또는 임프린팅법 등이 사용될 수 있다.

여기서, 독립된 단위셀(222)을 구성하게 될 각 셀부재(221)를 전기적으로 직렬연결하기 위하여, 셀부재(221)들의 사이에 연결부(미도시)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 마스크를 형성한 뒤에 셀부재(221) 사이에 노출된 기판 표면에만 타이타늄과 금을 순차적으로 스퍼터링하여 분리되어있던 셀부재(221)들을 전기적으로 연결할 수 있다. 이러한 연결부는 화학기상증착 또는 열증착 등과 같은 박막증착기법으로 형성될 수도 있고, 전기도금, 무전해도금, 영동도금 등과 같은 도금기법을 통해서도 형성될 수 있다. 그 외에도 셀부재(221) 사이의 간격에 따라서 스크린 프린팅, 캐스팅, 필름이나 플레이트 또는 블록 부착 등 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.

한편, 자외선 레이저 드릴링 시스템으로 집전체(230)가 형성된 부분에 연결되는 전극 집합체(220)의 양 측면의 절연 코팅층(240)을 제거하고 연결부를 형성하는 과정에서 노출된 셀부재(221)의 측면에 스퍼터링을 수행할 수 있는데, 이를 통해서 전극 집합체(220)과 집전체(230) 사이의 전기적 연결이 안정적으로 이루어지고 연결저항도 감소될 수 있다.

이후에, 도 4e에 도시된 바와 같이 단위셀(222)이 형성될 셀부대 사이에 니켈 등을 채워 금속벽(250)을 형성한다. 여기서, 단위셀(222) 사이, 구체적으로는 단위셀(222)이 형성될 셀부재(221) 사이의 간격에 금속을 채우는 방법으로서 전해도금법을 적용하기 쉽도록 니켈을 선택하는 것이 바람직하나, 이에 한정된 것은 아니고 금과 같이 전기저항이 낮은 금속이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 전해도금의 대향전극으로서는 스테인리스 스틸을 사용하고, 330 g/l의 황산니켈과 45 g/l의 염화니켈 및 38g/l의 붕산을 증류수에 녹여서 제조된 도금용액을 사용하여 전해도금을 수행한다. 도금부위를 제외한 부분을 테이프로 마스킹하고, 상기한 도금용액에 침지하여 20mA/㎠의 전류밀도로 섭씨 55도에서 20분간 니켈도금을 수행한다. 셀부재(221) 사이에 채워진 금속벽(250)은 추후에 형성될 단위셀(222)에 채워진 전해질이 이웃한 단위셀(222)로 침투하는 것을 방지하는 기능을 함께 가진다. 이와 같은 금속벽(250)을 형성하는 방법은 전해도금 또는 다른 도금법에 한정되지 않으며, 박막증착기법, 스크린 프린팅, 캐스팅, 필름이나 플레이트 또는 블록 부착 등 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다.

이때, 절연 코팅층(240)의 일부, 즉 전극(210) 측면 부분에 형성된 절연 코팅층(240)을 제거하고 스퍼터링을 수행한 최외곽 단위셀(222)의 측면에도 금속벽(250)이 형성될 수 있다.

다음에, 도 4f에 도시된 바와 같이, 각각의 셀부재(221)에 20㎛ 이하의 너비를 가지는 간극을 소정의 형태로 패터닝하여 분리된 두 개의 전극을 구비한 단위셀(222)을 형성한다. 즉, 슈퍼캡 어레이(200) 내 각 슈퍼 커패시터의 각 단위셀(222)은 인접한 단위셀(222)과 집전체(230) 및 사이에 채워진 금속벽(250)에 의해서 직렬연결된다.

즉, 자외선 레이저 드릴링 시스템을 이용하여 깍지 낀 손가락(interdigitated finger) 형태의 패턴을 형성한다. 도시된 형태는 전극의 표면적을 넓히기 위하여 선택된 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니며 분리된 2개의 전극을 형성하면 된다. 이외에도 셀부재(221) 사이를 분리하여 전극을 형성하는 방법은 반도체 공정에서 사용하는 UV 리소그래피를 이용하거나, 커터(cutter)를 이용한 기계적 패터닝법, 레이저(laser)를 이용하는 방법 또는 임프린팅법 등이 사용될 수 있다. 그래핀 산화물 재질을 전극으로 사용한 경우에는 환원과정을 통해서 도전성의 그래핀으로 환원한다.

아울러, 상술한 과정을 거친 전극을 추가적으로 환원시키는 과정 또는 전극에 기능기를 도입하는 과정을 더 포함할 수 있다.

본 실시예와 같이, 그래핀 산화물을 전극 재료로서 사용한 경우, 상술한 환원과정 이후에 추가적으로 환원시킴으로써 전극 자체의 저항을 낮춰 출력을 높일 수 있다. 추가적인 환원방법은 전극부재 또는 전극 분리를 수행한 슈퍼 커패시터를 5 cc 히드라진 일수화물(hydrazine monohydrate, 98% aldrich)과 함께 진공 데시케이터(desiccator)에 48시간 동안 넣어 그래핀 산화물을 화학적으로 환원시키는 것이 가능하다. 또한 환원성 물질이 담긴 용액에 담가 수용액 상에서 환원시키거나, 환원성 기체를 흘려주어 기상에서 환원시키거나, 열처리를 통해 환원시키는 등 기타 다양한 방법들이 사용될 수 있다.

전극부재 또는 전극 분리를 수행한 슈퍼 커패시터를 KOH 용액에 침지하거나 플라즈마 처리하는 방법 또는 레이저나 자외선 등을 사용하여 광학적으로 처리하는 방법 및 화학적으로 합성하는 방법을 사용하여 전극에 기능기를 도입할 수 있으며, 이러한 기능기에 의해서 의사커패시터 효과(pseudocapacitive effect)가 추가됨으로써 슈퍼 커패시터의 성능이 향상된다.

최종적으로, 각 단위셀(222)의 전극이 분리된 간극에 전해질을 채우고 패키징하여 슈퍼 커패시터를 완성한다. 본 실시예의 슈퍼 커패시터에 사용되는 전해질은 수계 전해질과 유기계 전해질 및 이온성 액체 전해질과 같은 액상 전해질 뿐만 아니라, 고상 전해질과 젤형 전해질도 제한 없이 사용될 수 있으며, 이들을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 그리고 전해질이 유출되지 않도록 패키징 또는 하우징하는 단계는 제한 없이 모든 방법이 적용될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 어댑터
200: 슈퍼캡 어레이
300: 컨버터
400: 커넥터

Claims

전원을 공급받아 충전용 직류 전압으로 변환하는 어댑터;
상기 어댑터로부터 충전용 직류 전압을 인가받아 충전하고, 충전된 전력에 의해 생성된 직류 전압을 인가하는 병렬 연결된 복수개의 슈퍼 커패시터를 갖는 슈퍼캡 어레이;
상기 슈퍼캡 어레이에서 인가된 직류 전압을 정류하는 컨버터; 및
외부 기기에 연결되는 단자를 구비하여, 상기 컨버터로부터 정류된 직류 전압을 인가받아 상기 외부 기기로 전달하는 커넥터를 포함하고,
상기 슈퍼 커패시터는,
기판;
상기 기판 상에 형성되어 층상 구조의 전극이 인플레인(in-plane) 구조로 서로 마주보도록 배치된 적어도 2개 이상의 단위셀; 및
상기 기판 상에 형성되어 일측은 상기 단위셀에 연결되고, 타측은 상기 어댑터 및 상기 컨버터와 연결되는 2개의 집전체를 포함하며,
상기 2개 이상의 단위셀은 각각 하나의 전극이 서로 인접하여 배열되고, 상기 인접하여 배열된 전극 사이에 금속 재질의 연결부를 형성함으로써, 인접하여 배열된 단위셀의 전극이 직렬연결된 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 인접하여 배열된 전극 사이에 금속을 채운 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 층상구조의 전극이 탄소재료, 금속산화물, 금속질화물, 금속황화물, 전도성 유기물, 그래핀 및 그래핀 산화물 중에서 선택된 하나의 재질 또는 둘 이상을 혼합한 재질인 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 엇갈린 형태인 형상으로 패터닝되어 분리된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 일자형인 형상으로 패터닝되어 분리된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 단위셀에 포함된 2개의 전극이 지그재그형인 형상으로 패터닝되어 분리된 것을 특징으로 하는 슈퍼 커패시터를 이용한 급속 충전 휴대용 보조 전원 장치.