KR102557427B1 - 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터 - Google Patents

용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고용량 및 대면적화가 가능한 패터닝 방법을 활용하여 고성능의 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하기 위한 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 a) 맥신용액을 제조하는 단계; b) 기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계; c) 상기 포토레지스트 마스크가 코팅된 상기 기판에 상기 맥신용액을 코팅하는 단계; 및 d) 상기 기판으로부터 패턴화된 맥신을 얻어 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공한다.

Description

용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터{METHOD FOR MANUFACTURING MICRO-SUPERCAPACITOR USING SOLUTION PROCESS AND MICRO-SUPERCAPACITOR PRODUCED BY THE PRODUCTION METHOD THEREOF}
본 발명은 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고용량 및 대면적화가 가능한 패터닝 방법을 활용하여 고성능의 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하기 위한 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 관한 것이다.
소형화 되는 전자장치의 급속한 발전은 소형 온-칩 에너지 저장 장치에 대한 요구를 증가시키고 있다.
마이크로 슈퍼커패시터는 빠른 충방전(faster rate), 고출력 (high power), 높은 수명 안전성 (unlimited lifetime) 등의 많은 장점으로 인해 기존의 배터리 및 전해 커패시터를 보완, 대체할 수 있는 큰 가능성을 가진다.
그러나, 종래의 마이크로 슈퍼커패시터 제조 기술은 비용 효율적인 측면에서 마이크로 스케일 전극의 구축이 번거로우며, 대면적 제작의 한계로 마이크로 슈퍼캐패시터의 광범위한 적용이 불가능했다.
최근에는 높은 전도성 및 우수한 전기화학 특성을 가져 에너지 저장소자에서 우수한 성능을 보여주는 맥신을 이용한 슈퍼커패시터의 개발이 이루어지고 있다.
종래의 마이크로 슈퍼 커패서티는 유리 또는 플라스틱 기판위에 딥코팅(Dip-coating) 방법을 이용해 맥신 필름을 형성하고, 맥신 필름 상에 물리적인 스크래칭 방법을 이용한 패턴을 전극으로 하여 제조하였다.
이러한 제조방법은 다양한 모양의 패터닝이 가능하고 유연기판을 활용한 유연 마이크로 슈퍼커패시터를 제조할 수 있는 특징이 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 제조방법은 딥코팅후 automated scalpel engraving 형태의 direct-write 방법이기 때문에 대면적화가 어렵고 마이크로 슈퍼커패시터 제조에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
또한, Scalpel machining technique에 의존적이며, 이로 인해 낮은 resolution을 보였다. 특히 제조된 마이크로 슈퍼커패시터의 전극간 간격(inter-electrode spacing)이 200μm 수준으로 소자효율이 낮아지는 문제도 있었다.
따라서, 고용량 및 대면적화가 용이한 마이크로 슈퍼커패시터 제조기술이 필요하다.
Automated Scalpel patterning of Solution Processed Thin Films for Fabrication of Transparent Mxene Microsupercapacitors. 논문저널: Small (2018, 1802864)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고용량 및 대면적화가 가능한 패터닝 방법을 활용하여 고성능의 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하기 위한 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법 및 이의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 a) 맥신용액을 제조하는 단계; b) 기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계; c) 상기 포토레지스트 마스크가 코팅된 상기 기판에 상기 맥신용액을 코팅하는 단계; 및 d) 상기 기판으로부터 패턴화된 맥신을 얻어 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a) 단계는, a1) 맥신을 얻는 단계; 및 a2) 얻은 상기 맥신을 증류수와 혼합하여 맥신용액을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a1) 단계는, MAX상을 LiF+HCL 6M 조건에서 에칭하여 상기 맥신을 얻는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a2) 단계에서, 상기 맥신의 농도는 10~15mg/ml인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서, 상기 포토레지스트 마스크는 네거티브(negative)형인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서, 상기 기판은, SiO2 기판인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계는, Dip 코팅 또는 Spin 코팅에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계는, d1) 상기 기판을 맥신용액으로부터 꺼내는 단계; d2) 꺼낸 상기 기판에 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계; 및 d3) 상기 기판에 패턴화된 맥신을 이용하여 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d2) 단계에서, 상기 포토레지스트 마스크는 초음파 세척기에서 아세톤 용제에 의해 제거되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 있어서, 상기 마이크로 슈퍼커패시터는 전극의 폭과 전극간 간격이 45~55μm로 형성된 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 쉽고 간편한 용액공정 방법을 활용하여 마이크로 슈퍼커패시터를 제작할 수 있으며, 마이크로 슈퍼커패시터의 양산화, 대면적화가 가능하다.
본 발명에 따르면, 고해상의 마이크로미터 수준의 패턴화가 가능하다.
본 발명에 따르면, 공정을 위한 기판의 종류에 제한이 없어 유연 및 연속공정을 통한 커패시터 제작이 용이하다.
본 발명에 따르면, 커패시터 제작을 위한 모든 공정이 반도체 공정과 호환이 가능하기 때문에, IC 칩 내 고성능 커패시터로 활용이 가능하다.
본 발명에 따르면, 마이크로 슈퍼커패시터가 우수한 부피적 용량 값을 갖고, 고에너지 밀도와 고출력 밀도 특성을 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법의 공정 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 맥신용액을 제조하는 단계의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 맥신용액을 코팅하는 단계의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼 상에 형성된 패턴화된 맥신을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기판에 형성된 패턴화된 맥신이 형성된 마이크로 커패시터를 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴화된 맥신의 형상을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 SEM이미지이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 AFM 3D 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 AFM 이미지에서 Topography 전 영의 두께를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 Topography 이미지의 line profile data를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 사이클릭 볼타메트리 (Cyclic voltammetry)의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 스캔속도에 따른 부피적 용량 값을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 EIS 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 GCD (Galvanostatic charge-discharge) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 Cycle stability의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 출력 밀도에 대한 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터와 종래예에 대한 전기화학적 특성의 차이를 비교한 표이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법의 공정 예시도이다.
도1 및 도 2를 참고하면, 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법은 먼저 맥신용액을 제조하는 단계(S10)가 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 맥신용액을 제조하는 단계의 순서도이다.
도 3을 더 참고하면, 맥신용액을 제조하는 단계(S10)는 먼저, 맥신을 얻는 단계(S11)가 이루어질 수 있다.
맥신을 얻는 단계(S11)에서는, MAX 및 MXene을 합성하도록 마련된다. .일 예로, 맥신을 얻는 단계(S11)는 MAX상을 LiF(플루오린화 리튬)+HCL(염화 수소) 6M(6몰) 조건에서 에칭하여 상기 맥신을 얻도록 마련될 수 있다.
맥신을 얻는 단계(S11) 이후에는, 얻은 맥신을 증류수와 혼합하여 맥신용액을 형성하는 단계(S12)를 수행할 수 있다.
얻은 맥신을 증류수와 혼합하여 맥신용액을 형성하는 단계(S12)에서, 상기 맥신용액은, 상기 맥신을 증류수에 기설정된 농도로 혼합한 용액을 지칭할 수 있다.
일 예로, 상기 맥신용액에서 상기 맥신의 농도는 5-15mg/ml가 되도록 상기 증류수를 더하여 상기 맥신용액을 제조하도록 마련될 수 있다.
맥신용액을 제조하는 단계(S10) 이후에는, 기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계(S20)가 수행될 수 있다.
기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계(S20)에서, 상기 기판(110)은 SiO2 기판일 수 있다. 단, 상기 기판의 종류는 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계(S20)에서, 상기 포토레지스트 마스크(120)는 네거티브(negative)형으로 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 포토레지스트 마스크(120)는 미세 전극이 형성되는 부분의 홈의 폭이 50μm, 미세 전극이 형성되는 부분의 홈간 간격이 50μm, 두께는 3.5μm로 형성된 것일 수 있다.
상기한 수치는 가장 바람직한 실시예이며, 본 발명에서 이의 수치는 일실시예에 한정되지 않는다. 본 발명은 미세 전극이 형성되는 부분의 홈의 폭은 45~55μm, 미세 전극이 형성되는 부분의 홈간 간격은 45~55μm, 두께는 3~5μm인 것을 포함한다. 상기 포토레지스트 마스크(120)에 홈이 형성된 부분의 형상은 후에 형성되는 패턴화된 맥신(140)의 형상과 대응되며, 이의 보다 구체적인 형상은 후술하도록 한다.
기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계(S20)는, 이처럼 마련된 상기 기판(110)에 상기 포토레지스트 마스크(120)를 코팅하도록 마련될 수 있다.
기판에 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계(S20) 이후에는 포토레지스트 마스크가 코팅된 기판에 맥신용액을 코팅하는 단계(S30)가 수행될 수 있다.
포토레지스트 마스크가 코팅된 기판에 맥신용액을 코팅하는 단계(S30)는 Dip 코팅 또는 Spin 코팅에 의해 이루어질 수 있다.
Dip 코팅시 0.95~1.05μm/s의 속도, 바람직하게는 1μm/s의 속도로 코팅을 수행하도록 마련되며, Spin 코팅시 300 rpm ~ 1000 rpm, 100초~300초의 조건 하에서 코팅이 이루어지도록 마련될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 맥신용액을 코팅하는 단계의 예시도이다.
일 예로, 도 4에 도시된 것처럼, 포토레지스트 마스크(120)가 코팅된 기판(110)을 맥신용액(130)이 수용된 수조에 넣어 포토레지스트 마스크(120) 내의 빈 공간에 상기 맥신용액(130)이 코팅되도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(110)에는 상기 포토레지스트 마스크(120)의 형태에 대응되는 패턴화된 맥신(140)이 형성될 수 있다.
포토레지스트 마스크가 코팅된 기판에 맥신용액을 코팅하는 단계(S30) 이후에는, 기판으로부터 패턴화된 맥신을 얻어 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계(S40)가 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계의 순서도이다.
도 5를 참고하면, 기판으로부터 패턴화된 맥신을 얻어 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계(S40)는 먼저, 기판을 맥신용액으로부터 꺼내는 단계(S41)가 수행될 수 있다.
기판을 맥신용액으로부터 꺼내는 단계(S41)에서, 맥신용액에 의해 코팅이 완료된 상기 기판(110)은 수조에 담긴 맥신용액으로부터 들어올려져 꺼내질 수 있다.
기판을 맥신용액으로부터 꺼내는 단계(S41) 이후에는, 꺼낸 기판에 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계(S42)가 수행될 수 있다.
꺼낸 기판에 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계(S42)에서, 상기 포토레지스트 마스크(120)는 120도로 30분간 베이킹(baking) 공정이 수행된 후 초음파 세척기에서 30초~5분간 머무르면서 아세톤 용제에 의해 제거될 수 있다. 이때, 상기 포토레지스트 마스크(120)의 베이킹 공정은 110~130도, 25~35분의 범위 내에서 이루어질 수 있다.
꺼낸 기판에 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계(S42) 이후에는, 기판에 패턴화된 맥신을 이용하여 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계(S43)가 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 웨이퍼 상에 형성된 패턴화된 맥신을 나타낸 사진이다.
도 6에 도시된 것처럼 전술한 바와 같이 형성된 패턴화된 맥신(140)은 웨이퍼(150) 상에 복수개로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 기판에 형성된 패턴화된 맥신이 형성된 마이크로 커패시터를 나타낸 이미지이다.
그리고 도 7에 도시된 것처럼, 이처럼 포토 리소크래피로 패턴화된 SiO2기판을 사용하여 Dip 코팅 또는 Spin 코팅을 이용할 경우 기존 패턴에 영향을 받지 않고 균일한 맥신 필름이 형성될 수 있으며 마이크로 스케일로 패턴화된 맥신(140)을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 패턴화된 맥신의 형상을 나타낸 예시도이다.
도 8을 참고하여, 본 발명에 따라 제조된 패턴화된 맥신(140)의 형상을 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 패턴화된 맥신(140)은 제1 몸체부(141), 제2 몸체부(142), 제1 연장부(143), 제2 연장부(144), 제1 전극(145) 및 제2 전극(146)을 포함할 수 있다.
상기 제1 몸체부(141) 및 상기 제2 몸체부(142)는 상기 기판(110) 상의 양측면으로부터 동일한 간격으로 이격되며 상기 기판(110)의 폭 방향으로 길게 연장 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 몸체부(141) 및 상기 제2 몸체부(142)는 상기 기판(110)의 중심선을 기준으로 상호 대칭되게 형성되며, 상호 이격되어 형성될 수 있다.
상기 제1 연장부(143)는 상기 제1 몸체부(141)로부터 상부를 향해 연장 형성되며, 상기 제2 연장부(144)는 상기 제2 몸체부(142)로부터 상부를 향해 연장 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 연장부(143) 및 상기 제2 연장부(144)의 외측면은 상기 기판을 3등분하는 지점에 형성되도록 마련될 수 있다. 그리고, 상기 제1 연장부(143) 및 상기 제2 연장부(144)는 상호 이격되어 형성되어 상기 제1 연장부(143) 및 상기 제2 연장부(144) 사이에 미세전극이 형성될 수 있는 공간이 형성되도록 마련될 수 있다.
상기 제1 전극(145)은 상기 제1 연장부(143)로부터 상기 제2 연장부(144)를 향해 연장 형성되며, 일단은 상기 제1 연장부(143)와 연장되고, 타단은 상기 제2 연장부(144)로부터 이격되어 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(146)은 상기 제2 연장부(144)로부터 상기 제1 연장부(143)를 향해 연장 형성되며, 일단은 상기 제2 연장부(144)와 연장되고, 타단은 상기 제1 연장부(143)로부터 이격되어 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(145) 및 상기 제2 전극(146)은 일정한 간격으로 형성되며, 상기 제1 연장부(143) 및 상기 제2 연장부(144) 사이에서 교차로 배열되도록 마련될 수 있다.
이때, 상기 제1 전극(145) 및 상기 제2 전극(146) 사이의 간격과, 상기 제1 전극(145) 및 상기 제2 전극(146)의 폭은 45~55μm로 형성되되, 균일한 간격 및 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극(145) 및 상기 제2 전극(146)의 두께는 3~5μm로 형성될 수 있으며, 균일한 두께로 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 SEM이미지이다.
도 9를 참고하면, 이처럼 마련된 마이크로 슈퍼커패시터는 패턴화된 맥신(140)의 간격, 폭 등이 균일한 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 AFM 3D 이미지이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 AFM 이미지에서 Topography 전 영의 두께를 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 Topography 이미지의 line profile data를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 12를 참고하면, 패턴화된 맥신(140)의 전극은 마이크로 스케일로 균일하게 형성된 작은 전극의 폭 및 전극 간 간격에 의해, 6mm x 5mm의 적은 면적에 높은 aspect ratio를 갖는 전극을 형성함을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 사이클릭 볼타메트리 (Cyclic voltammetry)의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13을 참고하면, 본 발명에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 대해 다양한 스캔 속도 (1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000 mV/s)로 CV 특성을 실험하 sruf과, 비교적 낮은 스캔 속도 (1~50 mV/s) 에서 이상적인 직사각형 모양의 CV 곡선을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 스캔속도에 따른 부피적 용량 값을 나타낸 그래프이다.
도 14를 참고하면, 본 발명에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터의 CV 곡선을 통해 부피적 용량 (volumetric capacitance)를 계산하였을 때, 느린 스캔속도 (1~500 mV/s) 에서 1754.4, 1798.6, 1774.1, 1729.4, 1660.6, 1519.8 F/cm3의 안정적인 부피적 용량 값을 보였으며, 빠른 스캔 속도 (100~1,000 mV/s) 에서1353.4, 1101.0, 604.8, 268.6 F/cm3의 안정적인 부피적 용량 값을 보였다. 그리고, 매우 빠른 스캔속도에서도 (2,000~10,000 mV/s) 에서 101.6, 25.1, 10.2 F/cm3의 부피적 용량 값을 유지하였다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 EIS 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15를 참고하면, 본 발명에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터의 ESR (equivalent series resistance)은 279.1 Ω 전해질에 의한 내부 저항 특성을 보였다. 그리고, Rct (charge transfer resistance)는 semi-circle 부분을 의미하며, 538.8 Ω 전극/전해질 계면에서의 저항 특성을 보였다. 또한, 저주파수영역은 이온 확산에 의한 영향을 지배적으로 받는 부분이며, warburge impedance 영향으로 capacitive 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 GCD (Galvanostatic charge-discharge) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16을 참고하면, 다양한 전류 밀도(1.05, 2.11, 5.27, 10.5, 21.1, 52.7 A/cm3)에서 GCD 특성을 볼 수 있다. 이등변 삼각형 모양의 이상적인 GCD 곡선을 나타냈고, 저항 요소를 나타내는 IR drop이 거의 없었다. 또한, 각각의 전류 밀도(1.05, 2.11, 5.27, 10.5, 21.1, 52.7 A/cm3) 에서 1587.2, 1999.7, 1875.5, 1677.8, 1575.0, 1508.3 F/cm3의 우수한 부피적 용량 값을 보였으며, 빠른 rate의 52.7 A/cm3에서도 1508.3 F/cm3의 우수한 부피적 용량 값을 보였다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 Cycle stability의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17을 참고하면, 빠른 Rate의 21.1A/cm3의 전류 밀도를 이용하여 Cycle stability (GCD)를 측정하였을 때, 2,000 cycle 이상 반복적인 cycle에도 capacitance가 거의 떨어지지 않았으며, 8,000 cycle 이상의 cycle에서 초기 값 대비 72.4% 이상의 용량을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터의 출력 밀도에 대한 에너지 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 18을 참고하면, 다른 맥신 마이크로 슈퍼커패시터와 비교하였을 때, 본 발명에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터가 더 큰 고에너지 밀도 38.5 mWh/cm3 (0.62 W/cm3) 특성과 고출력 밀도 27.3 W/cm3 (28.1 mWh/cm3) 특성을 보였다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 슈퍼커패시터와 종래예에 대한 전기화학적 특성의 차이를 비교한 표이다.
도 19를 참고하면, 자사 실시 예정 기술의 Cv(volumetric capacitance), Ev(vol. Energy density), Pv(vol. Power density)이 종래의 기술들에 비해 더 우수함을 확인할 수 있다.
이처럼, 전술한 본 발명에 따라 제조된 마이크로 슈퍼커패시터는 쉽고 간편한 용액공정 방법을 활용하여 제작할 수 있으며, 마이크로 슈퍼커패시터의 양산화, 대면적화가 가능하다.
또한 본 발명에 따르면, 고해상의 마이크로미터 수준의 패턴화가 가능하며, 공정을 위한 기판의 종류에 제한이 없어 유연 및 연속공정을 통한 커패시터 제작이 용이하다.
그리고, 본 발명에 따르면, 커패시터 제작을 위한 모든 공정이 반도체 공정과 호환이 가능하기 때문에, IC 칩 내 고성능 커패시터로 활용이 가능하며, 마이크로 슈퍼커패시터가 우수한 부피적 용량 값을 갖고, 종래에 비해 고에너지 밀도와 고출력 밀도 특성을 갖는다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 기판
120: 포토레지스트 마스크
130: 맥신용액
140: 패턴화된 맥신
141: 제1 몸체부
142: 제2 몸체부
143: 제1 연장부
144: 제2 연장부
145: 제1 전극
146: 제2 전극
150: 웨이퍼

Claims (10)

  1. a) 맥신용액을 제조하는 단계;
    b) 기판에 네거티브(negative)형인 포토레지스트 마스크를 코팅하는 단계;
    c) 상기 포토레지스트 마스크가 코팅된 상기 기판에 상기 맥신용액을 코팅하여, 상기 기판의 표면에 패턴화된 맥신이 형성되는 단계; 및
    d) 상기 기판으로부터 패턴화된 맥신을 얻어 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 c) 단계는, Dip 코팅에 의해 이루어지며, Dip 코팅시 0.95~1.05μm/s의 속도로 코팅이 수행되고,
    상기 c) 단계에서는, 상기 패턴화된 맥신의 층 하부면과 상기 기판의 표면이 접촉되며,
    상기 d) 단계는, d1) 상기 기판을 맥신용액으로부터 꺼내는 단계; 및 d2) 꺼낸 상기 기판에 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 d2) 단계에서는, 상기 포토레지스트 마스크에 베이킹 공정이 수행된 후, 상기 포토레지스트 마스크가 초음파 세척기에서 아세톤 용제에 의해 제거되고,
    상기 d2) 단계의 상기 베이킹 공정의 온도는 110 내지 130℃이며, 상기 베이킹 공정의 시간은 25 내지 35분이고, 상기 베이킹 공정에 의해 상기 패턴화된 맥신이 건조되며,
    상기 d2) 단계에서, 네거티브(negative)형인 상기 포토레지스트 마스크와 상기 패턴화된 맥신 간 틈에 상기 아세톤 용제가 침투하여 상기 포토레지스트 마스크가 제거됨으로써, 상기 포토레지스트 마스크가 제거 중 상기 패턴화된 맥신의 형상 변형이 방지되는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    a1) 맥신을 얻는 단계; 및
    a2) 얻은 상기 맥신을 증류수와 혼합하여 맥신용액을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 a1) 단계는,
    MAX상을 LiF+HCL 6M 조건에서 에칭하여 상기 맥신을 얻는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 a2) 단계에서,
    상기 맥신의 농도는 5~15mg/ml인 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서,
    상기 기판은,
    SiO2 기판인 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계는, d3) 상기 기판에 패턴화된 맥신을 이용하여 마이크로 슈퍼커패시터를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 따른 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터에 있어서,
    상기 마이크로 슈퍼커패시터는 전극의 폭과 전극간 간격이 45~55μm로 형성된 것을 특징으로 하는 용액공정을 이용한 마이크로 슈퍼커패시터의 제조방법에 의해 제조된 마이크로 슈퍼커패시터.
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