KR20200124307A - 규조토 에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20200124307A
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베라 엔. 로켓
야써 사라
존 지. 구스타프손
윌리엄 제이. 래이
스리 하르샤 콜리
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프린티드 에너지 피티와이 리미티드
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Abstract

본원에 개시된 기술은 일반적으로 에너지 저장 장치, 보다 특히 피각들(frustules)을 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 한 양상에 따르면, 한 쌍의 전극들 및 전해질을 포함하되, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 그 위에 표면 활물질이 형성된 복수의 피각들을 포함한다. 상기 표면 활물질은 나노구조체(nanostructure)를 포함할 수 있다. 상기 표면 활물질은 산화아연, 산화망간 및 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

Description

규조토 에너지 저장장치
관련 출원에 대한 상호참조
이 출원은 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2017년 11월 9일자로 출원된 미국 특허출원 제 15/808,757호의 부분 계속 출원이며, 상기 특허출원은 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2017년 1월 13일자로 출원된 미국 특허출원 제 15/406,407호의 계속 출원이고 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2017년 6월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제 14/745,709호의 계속 출원이고, 상기 출원은 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2014년 1월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제 14/161,658호의 부분 계속 출원으로, "High Surface Area Nanoporous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2013년 8월 5일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/862,469호의 이익을 주장하며 이 출원은 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2013년 7월 17일자로 출원된 미국 특허출원 제 13/944,211호의 부분 계속 출원이고, 이 출원은 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2013년 1월 9일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/750,757호 및 "Diatomaceous Energy Storage Devices"란 명칭으로 2012년 7월 18일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/673,149호의 이익을 주장하며, 이들 특허문헌은 그 전체가 본원에서 참조로 인용된다.
본 발명은 에너지 저장 장치, 특히 규조류의 피각(frustules)을 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
규조류는 일반적으로 단세포 조류와 같은 단세포 진핵 생물을 포함한다. 규조류는 자연에서 풍부하며, 담수 및 해양 환경에서 발견될 수 있다. 일반적으로, 규조류는 거들 원소(girdle elements)를 포함하는 연결 구역(connective zone)을 통해 서로 잘 맞는 두 개의 밸브를 갖는 피각으로 둘러싸여 있다. 때로는 규조암(diatomite)으로 알려진 규조토(Diatomaceous earth)는, 피각의 공급원일 수 있다. 규조토는 화석화된 피각을 포함하며, 여과제, 페인트 또는 플라스틱용 충전제(filler), 흡착제, 고양이용 깔개(cat litter), 또는 연마재로서 사용되는 경우를 포함하여, 다양한 적용에 사용될 수 있다.
피각은 종종 알루미나, 산화철, 산화티타늄, 인산염, 석회, 나트륨, 및/또는 칼륨과 함께 상당한 양의 실리카(Si02)를 포함한다. 피각은 일반적으로 전기 절연이다. 피각은 매우 다양한 크기, 표면 특징, 모양, 및 기타 속성을 포함할 수 있다. 예를 들어 피각은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하나 이에 한정되지 않는 다양한 모양을 포함할 수 있다. 피각은 대칭 모양 또는 비-대칭 모양을 포함한다. 규조류는 방사 대칭의 존재 또는 부족을 기준으로 규조류를 분류하여, 피각의 모양 및/또는 대칭에 따라 분류될 수 있다. 피각은 약 1 마이크론 미만 내지 약 수백 마이크론의 범위 내의 크기를 포함할 수 있다. 피각은 또한 일정치 않은 공극(pores) 또는 틈(slits)을 가진 다양한 기공(porosity)을 포함할 수 있다. 피각의 공극 또는 틈은 모양, 크기, 및/또는 밀도에서 달라질 수 있다. 예를 들어 피각은 약 5 nm 내지 약 1000 nm의 크기를 갖는 공극을 포함할 수 있다.
피각은 피각의 크기, 피각 모양, 기공, 및/또는 물질 조성으로 인해, 상당한 기계적 강도 또는 전단 응력(shear stress)에 대한 저항을 포함할 수 있다.
배터리(예를 들어 충전용 배터리), 연료전지, 커패시터(capacitor), 및/또는 슈퍼커패시터(supercapacitor)[예를 들어 전기 이중층 커패시터(electric double-layer capacitor, EDLC), 슈도 커패시터(pseudo capacitor), 대칭적 커패시터(symmetric capacitor)]와 같은 에너지 저장 장치는, 에너지 저장장치의 적어도 하나의 층에 박아 넣은 피각을 이용하여 제조될 수 있다. 피각은 선택된 모양, 크기, 기공, 물질, 표면 특징, 및/또는 다른 적당한 피각 속성을 가지는 것으로 분류될 수 있으며, 균일한 또는 실질적으로 균일할 수 있거나 또는 변할 수 있다. 피각은 피각 표면 개질 구조체 및/또는 물질을 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치는 전극, 분리부(separator), 및/또는 집전체(current collectors)와 같은 층을 포함할 수 있다. 예를 들어 분리부는 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치될 수 있으며, 제 1 집전체는 제 1 전극에 결합될 수 있고, 제 2 집전체는 제 2 전극에 결합될 수 있다. 적어도 하나의 분리부, 제 1 전극, 및 제 2 전극은 피각을 포함할 수 있다. 적어도 에너지 저장 장치의 부분에 피각의 내포는 스크린 인쇄, 롤투롤 인쇄(roll-to-roll printing), 잉크-젯 인쇄, 및/또는 다른 적당한 인쇄 공정을 포함하여, 인쇄 기술을 이용한 에너지 저장 장치를 제조하는데 도움이 될 수 있다. 피각은 제조하는 동안 및/또는 사용하는 동안 균일한 또는 실질적으로 균일한 두께를 유지하기 위해 에너지 저장 장치 층에 구조적 지지체를 제공하고 에너지 저장 장치 층을 도울 수 있다. 다공성 피각은 전자 또는 이온성 종의 방해받지 않는 또는 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 허여할 수 있다. 표면 구조체 또는 물질을 포함하는 피각은 층의 전도도를 증가시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 포함한다. 적어도 하나의 제 1 전극, 제 2 전극, 및 분리부는 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 분리부는 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부 및 제 1 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부 및 제 2 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극 및 제 2 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부, 제 1 전극, 및 제 2 전극은 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가진다. 일 구현예에 있어서, 특성은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는 모양을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 직경, 길이, 또는 장축(longest axis)을 포함하는 크기를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기공을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸(tantalum), 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠(brass)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소(gallium arsenide)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양(rosette shape)을 갖는 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 ZnO를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 제 1 전극은 전도성 충전제를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극은 전도성 충전제를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극 및 제 2 전극은 전도성 충전제를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀(graphene)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 탄소 나노튜브를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 제 1 전극은 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극은 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극 및 2 전극은 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극 및 분리부는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극 및 분리부는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 분리부는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 접착 물질은 고분자를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 분리부는 전해질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 장치는 제 1 전극과 함께 전기통신의 제 1 집전체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 장치는 제 2 전극과 함께 전기통신의 제 2 집전체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 장치는 제 1 전극과 함께 전기통신의 제 1 집전체 및 제 2 전극과 함께 전기통신의 제 2 집전체를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 시스템은 서로의 상부에 적층된 본 명세서에 기재된 바와 같은 다수의 인쇄 에너지 저장 장치를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전기 장치는 본 명세서에 기재된 인쇄 에너지 저장 장치 또는 시스템을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치의 멤브레인(membrane)은 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가진다. 일 구현예에 있어서, 특성은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는 모양을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 직경, 길이, 또는 장축을 포함하는 크기를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기공을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양을 갖는 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 ZnO를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 멤브레인은 전도성 충전제를 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 멤브레인은 접착 물질을 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 접착 물질은 폴리머를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 멤브레인은 전해질을 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치는 본 명세서에 기재된 바와 같은 멤브레인을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 시스템은 서로의 상부에 적층된 본 명세서에 기재된 바와 같은 다수의 에너지 저장 장치를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전기 장치는 본 명세서에 기재된 인쇄 에너지 저장 장치 또는 시스템을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치의 제조 방법은 제 1 전극을 형성하는 단계, 제 2 전극을 형성하는 단계, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 형성하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 제 1 전극, 제 2 전극, 및 분리부는 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 분리부는 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 피각의 분산물을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 분리부를 스크린 인쇄하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 피각의 멤브레인을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 분리부를 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 제 1 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 피각의 분산물을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 제 1 전극을 스크린 인쇄하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 피각의 멤브레인을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 제 1 전극을 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 제 2 전극은 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 피각의 분산물을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 제 2 전극을 스크린 인쇄하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 피각의 멤브레인을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 제 2 전극을 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 방법은 특성에 따라 피각을 분류하는 단계를 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 적어도 하나의 모양, 크기, 물질, 및 기공을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 잉크는 용액 및 용액에 분산된 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가진다. 일 구현예에 있어서, 특성은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는 모양을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 직경, 길이, 또는 장축을 포함하는 크기를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기공을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양을 갖는 구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 ZnO를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있다. 일 구현예에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면 및 외부 표면에 있다.
일 구현예에 있어서, 잉크는 전도성 충전제를 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 잉크는 접착 물질을 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 접착 물질은 고분자를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 잉크는 전해질을 더 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 장치는 본 명세서에 기재된 적어도 하나의 잉크를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 장치는 인쇄 에너지 저장 장치를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함한다.
규조류 피각 부분의 추출 방법은 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거할 수 있다. 규조류 피각 부분의 추출 방법은 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 포함할 수 있으며, 계면활성제는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시킨다. 방법은 원판형 스택 원심분리부(disc stack centrifuge)를 이용한 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 공통적인 특징은 적어도 하나의 크기, 모양, 물질, 및 깨짐 정도를 포함할 수 있다. 크기는 적어도 하나의 길이 및 직경을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 고체 혼합물은 다수의 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 규조류 피각 부분의 추출 방법은 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계는 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 이전일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 입자 크기를 감소시키는 단계는 고체 혼합물을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 분쇄하는 단계는 적어도 하나의 막자사발(mortar) 및 막자(pestle), 쟈밀(jar mill), 및 암석 분쇄기(rock crusher)로 고체 혼합물에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 가장 긴 피각 부분 크기보다 큰 가장 긴 성분 크기를 갖는 고체 혼합물의 성분이 추출될 수 있다. 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계는 고체 혼합물을 체질(sieving)하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체(sieve)로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 제 2 규조류 피각 부분으로부터 제 1 규조류 피각 부분을 분리하기 위하여 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 포함할 수 있으며, 제 1 규조류 피각 부분은 더 큰 가장 긴 크기를 갖는다. 예를 들어 제 1 규조류 피각 부분은 다수의 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 제 2 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 흔드는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 버블링(bubbling) 단계를 포함할 수 있다.
여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분에 체를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 체는 약 7 마이크론을 포함하여, 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 메쉬 크기를 가질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 세정 용매로 다수의 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 세정 용매로 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함할 수 있다.
세정 용매는 제거될 수 있다. 예를 들어 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계는 원심분리 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원심분리 단계는 대규모 처리에 적합한 원심분리부를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원심분리 단계는 적어도 하나의 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부(decanter centrifuge), 및 원통형 원심분리부(tubular bowl centrifuge)를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매 및 세정 용매는 물을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 및 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 다수의 규조류 피각을 초음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 예를 들어 양이온성 계면활성제는 적어도 하나의 벤즈알코늄 클로라이드(benzalkonium chloride), 세리토리늄 브로마이드(cetrimonium bromide), 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드(lauryl methyl gluceth-10 hydroxypropyl dimonium chloride), 벤제토늄 클로라이드(benzethonium chloride), 브로니독스(bronidox), 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 포함할 수 있다.
계면활성제는 비-이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 예를 들어 비-이온성 계면활성제는 적어도 하나의 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 옥틸페놀 에톡실레이트(Triton X-100™), 노녹시놀-9(nonoxynol-9), 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 및 폴록사머를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계를 포함할 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이전일 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이후일 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계와 적어도 부분적으로 동시일 수 있다. 첨가 성분은 적어도 하나의 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 및 수산화 나트륨을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 분산물을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 표백제의 존재 하에 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 표백제는 적어도 하나의 과산화수소 및 질산을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 범위의 과산화수소의 양을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 5분 내지 약 15분 동안 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 무기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계는 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 혼합 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안일 수 있다.
규조류 피각 부분의 추출방법은 계면활성제에 다수의 규조류 피각부분을 분산시키는 단계를 포함할 수 있으며, 계면활성제는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시킨다.
규조류 피각 부분의 추출 방법은 원판형 스택 원심분리부를 이용한 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질이 제거될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 공통적인 특징은 적어도 하나의 크기, 모양, 물질, 및 깨짐 정도를 포함할 수 있다. 크기는 적어도 하나의 길이 및 직경을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 고체 혼합물은 다수의 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 규조류 피각 부분의 추출 방법은 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계는 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 이전일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 입자 크기를 감소시키는 단계는 고체 혼합물을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 분쇄하는 단계는 적어도 하나의 막자사발 및 막자, 쟈밀, 및 암석 분쇄기로 고체 혼합물에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 가장 긴 피각 부분 크기보다 큰 가장 긴 성분 크기를 갖는 고체 혼합물의 성분이 추출될 수 있다. 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계는 고체 혼합물을 체질하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 제 2 규조류 피각 부분으로부터 제 1 규조류 피각 부분을 분리하기 위하여 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 포함할 수 있으며, 제 1 규조류 피각 부분은 더 큰 가장 긴 크기를 갖는다. 예를 들어 제 1 규조류 피각 부분은 다수의 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 제 2 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 교반하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 흔드는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 버블링 단계를 포함할 수 있다.
여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분에 체를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 체는 약 7 마이크론을 포함하여, 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 메쉬 크기를 가질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 세정 용매로 다수의 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 세정 용매로 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함할 수 있다.
세정 용매는 제거될 수 있다. 예를 들어 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계는 원심분리 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원심분리 단계는 대규모 처리에 적합한 원심분리부를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원심분리 단계는 적어도 하나의 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 및 원통형 원심분리부를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매 및 세정 용매는 물을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 및 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 다수의 규조류 피각을 초음파 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 예를 들어 양이온성 계면활성제는 적어도 하나의 벤즈알코늄 클로라이드, 세리토리늄 브로마이드, 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 브로니독스, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 포함할 수 있다.
계면활성제는 비-이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 예를 들어 비-이온성 계면활성제는 적어도 하나의 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 옥틸페놀 에톡실레이트(Triton X-100™), 노녹시놀-9, 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 및 폴록사머를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분의 추출 방법은 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계를 포함할 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이전일 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이후일 수 있다. 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계와 적어도 부분적으로 동시일 수 있다. 첨가 성분은 적어도 하나의 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 및 수산화 나트륨을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 분산물을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 표백제의 존재 하에 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 표백제는 적어도 하나의 과산화수소 및 질산을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 범위의 과산화수소의 양을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 5분 내지 약 15분 동안 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 무기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계는 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 혼합 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안일 수 있다.
규조류 피각 부분에 은 나노구조체의 형성 방법은 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층(silver seed layer)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 시드 층 위에 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트(nanoplate), 나노입자들의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크(nanodisk)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 은을 포함할 수 있다.
은 시드 층을 형성하는 단계는 제 1 은 기여 성분(silver contributing component) 및 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 고리형 가열 방법을 적용하는 단계는 고리형 마이크로파 파워(cyclic microwave power)을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 고리형 마이크로파 파워를 적용하는 단계는 약 100 Watt 및 500 Watt 사이의 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 교류 단계는 매분 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 교류 단계는 약 30분 동안 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 교류 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함할 수 있다. 예를 들어 시드 층 환원제는 시드 층 용매일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 시드 층 환원제 및 시드 층 용매는 폴리에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분, 시드 층 환원제 및 시드 층 용매를 포함할 수 있다.
은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 혼합 단계는 초음파 처리 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 시드 층 환원제는 N,N-디메틸포름아미드를 포함할 수 있으며, 제 1 은 기여 성분은 은 니트레이트(silver nitrate)을 포함할 수 있고, 시드 층 용매는 적어도 하나의 물 및 폴리비닐피롤리돈을 포함할 수 있다.
나노구조체를 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 가열 단계는 약 120℃ 내지 약 160℃의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액(titration solution)으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정한 후 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 시드 층 환원제 및 나노구조체 형성 환원제는 적어도 하나의 히드라진, 포름알데히드, 글루코오스, 나트륨 타르트레이트(sodium tartrate), 옥살산, 포름산, 아스코르브산, 및 에틸렌 글리콜을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 제 1 은 기여 성분 및 제 2 은 기여 성분은 적어도 하나의 은염(silver salt) 및 산화은(silver oxide)을 포함할 수 있다. 예를 들어 은염은 적어도 하나의 은 니트레이트 및 암모니아성 은 니트레이트(ammoniacal silver nitrate), 염화 은(AgCl), 시안화 은(AgCN), 은 테트라플루오로보레이트(silver tetrafluoroborate), 은 헥사플루오로포스페이트, 및 은 에틸설페이트를 포함할 수 있다.
나노구조체를 형성하는 단계는 산화물 형성을 감소시키기 위해 주변(ambient)에 있을 수 있다. 예를 들어 주변은 아르곤 대기를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 시드 층 용매 및 나노구조체 형성 용매는 적어도 하나의 프로필렌 글리콜, 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, l-메톡시-2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 옥탄올, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올, 테트라히드로퓨르퓨릴 알콜(THFA), 시클로헥산올, 시클로펜탄올, 테르피네올, 부틸 락톤, 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르, 폴리에테르, 디케톤, 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로헵탄온, 시클로옥탄온, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 시클로프로판온, 이소포론, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트, 프로필렌 카보네이트, 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸 설폭시드(DMSO), 염화 티오닐 및 염화 설퓨릴을 포함할 수 있다.
규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
규조류 피각 부분에 산화아연 나노구조체의 형성 방법은 규조류 피각 부분의 표면에 산화아연 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 산화아연 시드 층 위에 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노플레이트, 나노입자의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 산화아연을 포함할 수 있다.
산화아연 시드 층을 형성하는 단계는 제 1 아연 기여 성분 및 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 아연 기여 성분 및 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 175℃ 내지 약 225℃ 범위의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 제 2 아연 기여 성분을 포함하는 나노구조체 형성 용액의 존재 하에 산화아연 시드 층을 갖는 규조류 피각 부분에 가열 방법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 가열 방법은 나노구조체 형성 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 나노구조체 형성 온도는 약 80℃ 내지 약 100℃ 일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 가열 단계는 약 1 내지 3시간 동안일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 가열 방법은 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 고리형 가열 방법은 총 고리형 가열 기간 동안, 가열 기간 동안 산화아연 시드 층을 갖는 규조류 피각 부분에 마이크로파 가열을 적용한 다음 냉각 기간 동안 마이크로파 가열을 끄는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 가열 기간은 약 1분 내지 약 5분일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 냉각 기간은 약 30초 내지 약 5분일 수 있다. 총 고리형 가열 기간은 약 5분 내지 약 20분일 수 있다. 마이크로파 가열을 적용하는 단계는 약 80 Watt 내지 약 120 Watt의 마이크로파 파워를 포함하여, 약 480 Watt 내지 약 520 Watt의 마이크로파 파워를 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 제 1 아연 기여 성분 및 제 2 아연 기여 성분은 적어도 하나의 아세트산 아연, 아세트산 아연 수화물, 질산 아연, 질산 아연 육수화물, 염화 아연, 황산 아연, 및 아연산 나트륨(sodium zincate)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체 형성 용액은 염기를 포함할 수 있다. 예를 들어 염기는 적어도 하나의 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 수산화리튬, 헥사메틸렌테트라민, 암모니아 용액, 탄산 나트륨, 및 에틸렌디아민을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체의 형성 단계는 첨가 성분을 가하는 단계를 포함할 수 있다. 첨가 성분은 적어도 하나의 트리부틸아민, 트리에틸아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필아민, 암모늄 포스페이트, 1,6-헥사디안올, 트리에틸디에틸놀, 이소프로필아민, 시클로헥실아민, n-부틸아민, 염화 암모늄, 헥사메틸렌테트라민, 에틸렌 글리콜, 에탄올아민, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulphate), 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 및 카바마이드를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 나노구조체 형성 용액 및 산화아연 시드 층 형성 용액은 용매를 포함할 수 있으며, 용매는 적어도 하나의 프로필렌 글리콜, 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, l-메톡시-2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 옥탄올, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올, 테트라히드로퓨르퓨릴 알콜(THFA), 시클로헥산올, 시클로펜탄올, 테르피네올, 부틸 락톤, 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르, 폴리에테르, 디케톤, 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로헵탄온, 시클로옥탄온, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 시클로프로판온, 이소포론, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트, 프로필렌 카보네이트, 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸 설폭시드(DMSO), 염화 티오닐 및 염화 설퓨릴을 포함할 수 있다.
규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
규조류 피각 부분에 탄소 나노구조체의 형성 방법은 규조류 피각 부분의 표면에 금속 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 시드 층 위에 탄소 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 탄소 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다. 탄소 나노튜브는 적어도 하나의 단일벽 탄소 나노튜브 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분의 표면을 스프레이 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속을 포함하는 액체, 금속을 포함하는 기체 및 금속을 포함하는 고체에 규조류 피각 부분의 표면을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 화학 증기 증착(CVD)을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 탄소 기체에 규조류 피각 부분을 노출시킨 후에 나노구조체 형성 환원성 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 탄소 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키기 전에 나노구조체 형성 환원성 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 환원성 기체 및 나노구조체 형성 탄소 기체를 포함하는 나노구조체 형성 기체 혼합물에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 나노구조체 형성 기체 혼합물은 중성 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어 중성 기체는 아르곤일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 금속은 적어도 하나의 니켈, 철, 코발트, 코발트-몰리브데늄 두금속(bimetallic), 구리, 금, 은, 백금, 팔라듐, 망간, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 안티몬, 알루미늄-철-몰리브덴(Al/Fe/Mo), 철 펜타카보닐(Fe(CO)5)), 질산철(III) 육수화물((Fe(N03)3·6H20), 코발트(II) 클로라이드 헥사하이드레이트(CoCl2·6H20), 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트((NH4)6Mo7024·4H20), 몰리브덴(VI) 디클로라이드 디옥사이드(Mo02Cl2), 및 알루미나 나노분말을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체 형성 환원성 기체는 적어도 하나의 암모니아, 질소, 및 수소를 포함할 수 있다. 나노구조체 형성 탄소 기체는 적어도 하나의 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 산화탄소, 및 벤젠을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
은 잉크의 제조방법은 자외선 민감성 성분과 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 잉크의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 시드 층 위에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 잉크는 경화 후 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층으로 증착할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 가진다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함할 수 있다. 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함할 수 있다.
은 시드 층의 형성 단계는 다수의 은 시드 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 은 시드 층의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감할 수 있다. 자외선 민감성 성분은 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시 상승제의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시제의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 극성 비닐 단량체의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함할 수 있다.
은 잉크의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분과 유동개질제(rheology modifying agent)를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 잉크의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분과 가교제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 다수의 규조류 피각 부분과 흐름 및 레벨제(flow and level agent)를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제(viscosity reducing agent)를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 나노입자의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 제 1 은 기여 성분 및 다수의 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
은 시드 층의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함할 수 있다.
은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전도성 은 잉크는 자외선 민감성 성분을 포함할 수 있다. 전도성 잉크는 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다.
다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 잉크는(예를 들어 경화 후) 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 가진다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함할 수 있다. 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 나노구조체를 갖는 표면을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 시드 층을 갖는 표면을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면은 은 나노구조체를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전도성 은 잉크는 자외선 조사에 의해 경화될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 구멍은 자외선 조사를 통과시키기에 충분한 크기를 가질 수 있다. 전도성 은 잉크는(예를 들어 경화 후) 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전도성 은 잉크는 열경화될 수 있다.
자외선 민감성 성분은 광개시 상승제를 포함할 수 있다. 예를 들어 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함할 수 있다.
자외선 민감성 성분은 광개시제를 포함할 수 있다. 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 자외선 민감성 성분은 극성 비닐 단량체를 포함할 수 있다. 예를 들어 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함할 수 있다.
전도성 은 잉크는 적어도 하나의 유동개질제, 가교제, 흐름 및 레벨제, 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 나노입자들의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함할 수 있다.
은 필름(silver film)의 제조방법은 자외선 민감성 성분과 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 혼합물을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 필름의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 은 시드 층 위에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 은 잉크를 형성하기 위해 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 잉크는(예를 들어 경화 후) 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 가진다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함할 수 있다. 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함할 수 있다.
은 시드 층의 형성 단계는 다수의 은 시드 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 은 시드 층의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 자외선에 혼합물을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 자외선에 혼합물을 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 혼합물을 열경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 자외선 민감성 성분은 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감할 수 있다.
다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시 상승제의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시제의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 극성 비닐 단량체의 혼합 단계를 포함할 수 있다. 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함할 수 있다.
전도성 은 잉크의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분과 유동개질제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전도성 은 잉크의 제조방법은 다수의 규조류 피각 부분과 가교제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방법은 다수의 규조류 피각 부분과 흐름 및 레벨제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 나노입자들의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 제 1 은 기여 성분 및 다수의 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
은 시드 층의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함할 수 있다.
은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어질 수 있다. 예를 들어 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전도성 은 필름은 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 각각의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 가진다. 일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 나노구조체를 갖는 표면을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 시드 층을 갖는 표면을 포함할 수 있다. 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면은 은 나노구조체를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 나노입자들의 밀집 어레이, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전도성 은 필름은 바인더 수지를 포함할 수 있다.
인쇄 에너지 저장 장치는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 제 1 전극 및 제 2 전극은 망간-함유 나노구조체를 갖는 다수의 피각을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가지며, 실질적으로 균일한 특성은 적어도 하나의 피각 모양, 피각 크기(dimension), 피각 기공, 피각 기계적 강도, 피각 물질, 및 피각의 깨짐 정도를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함할 수 있다. 망간의 산화물은 망간(II, III) 산화물을 포함할 수 있다. 망간의 산화물은 망간 옥시하이드록사이드(manganese oxy하이드록사이드)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 제 1 전극 및 제 2 전극은 산화아연 나노구조체를 갖는 피각을 포함할 수 있다. 산화아연 나노구조체는 적어도 하나의 나노와이어 및 나노플레이트를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 실질적으로 모든 표면을 덮는다. 일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치된다.
에너지 저장 장치의 멤브레인은 망간-함유 나노구조체를 갖는 피각을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함할 수 있다. 망간의 산화물은 망간(II, III) 산화물을 포함할 수 있다. 망간의 산화물은 망간 옥시하이드록사이드를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치된다.
일 구현예에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 나노섬유(nano-fiber)일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 사면체 모양(tetrahedral shape)을 가진다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치는 아연-망간 배터리를 포함한다.
인쇄 필름용 잉크는 용액, 및 용액에 분산된 망간-함유 나노구조체를 갖는 피각을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 적어도 하나의 MnO2, MnO, Mn2O3, MnOOH, 및 Mn3O4를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 나노섬유를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 사면체 모양을 가진다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치된다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치는 망간의 산화물을 포함하는 나노구조체를 갖는 제 1 복수의 피각들(a first plurality of frustules)을 갖는 캐쏘드(cathode)와 아연 산화물을 포함하는 나노구조체를 갖는 제 2 복수의 피각들(a second plurality of frustules)을 갖는 애노드(anode)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 장치는 충전용 배터리(rechargeable battery)일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 망간의 산화물은 산화망간(MnO)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 망간의 산화물은 적어도 하나의 Mn3O4, Mn2O3, 및 MnOOH를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 상기 제 1 복수의 피각들은 망간의 산화물 중량과 적어도 하나의 피각의 중량 비율이 약 1: 20 내지 약 20:1인 것을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 상기 제 2 복수의 피각들은 산화아연의 중량과 적어도 하나의 피각 중량 비율이 약 1: 20 내지 약 20:1인 것을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 상기 애노드는 전해질 염(electrolyte salt)을 포함할 수 있다. 상기 전해질 염은 아연염을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 캐쏘드와 애노드는 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 캐쏘드와 애노드는 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 상기 전도성 충전제는 그래파이트를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 상기 캐쏘드와 상기 애노드 사이에 분리부를 가질 수 있고, 상기 분리부는 제 3 피각들(third plurality of frustules)을 포함한다. 상기 제 3 피각들은 실질적으로 표면개질 되지 않은 것일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 상기 캐쏘드, 상기 애노드 및 상기 분리부는 이온성 액체를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 제 1 기공들을 갖는 상기 제 1 복수의 피각들은 망간 산화물을 포함하는 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색(occluded)되지 않으며, 제 2 기공들을 갖는 상기 제 2 복수의 피각들은 산화아연을 포함하는 나노구조체에 의해 폐색되지 않는다.
일 구현예에 있어서, 피각은 적어도 일면 상에 다수의 나노구조체를 포함할 수 있고, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하며, 다수의 나노구조체 중량과 상기 피각의 중량비율은 약 1:1 내지 약 20:1일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨드들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않는 다수의 기공을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 적어도 일면 상에 다수의 나노구조체를 포함할 수 있고, 상기 다수의 나노구조체는 망간의 산화물을 포함하며, 다수의 나노구조체 중량과 상기 피각의 중량비율은 약 1:1 내지 약 20:1일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 망간의 산화물은 산화망간(MnO)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 망간의 산화물은 Mn3O4를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 망간의 산화물은 Mn2O3, 및 MnOOH 중 적어도 하나를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨드들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않는 다수의 기공을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치의 전극은 다수의 피각을 포함할 수 있고, 상기 다수의 피각들 각각은 적어도 일면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하며, 다수의 피각들 중 적어도 하나는 다수의 나노구조체 중량과 적어도 하나의 피각 중량의 비율이 약 1:20 내지 약 20:1일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전극은 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서 상기 전극은 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 상기 전도성 충전제는 그래파이트를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 이온성 액체를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 다수의 피각들 각각은 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 기공을 포함한다.
상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 애노드일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 애노드는 전해질 염을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 전해질 염은 아연염을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 캐쏘드일 수 있다. 일 구현예에 의하면, 다수개의 나노구조체는 망간의 산화물을 포함할 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 망간의 산화물은 MnO를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 망간의 산화물은 Mn2O3, 및 MnOOH 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있엇, 에너지 저장 장치는 망간의 산화물을 포함하는 나노구조체를 갖는 제 1 복수의 피각들(a first plurality of frustules)을 갖는 캐쏘드(cathode);과 아연 산화물을 포함하는 나노구조체를 갖는 제 2 복수의 피각들(a second plurality of frustules)을 갖는 애노드(anode)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 장치는 재충전가능한 전지(rechargeable battery)일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 중 적어도 하나는 망간의 산화물 중량과 적어도 하나의 피각 중량 비율이 약 1: 20 내지 약 100:1인 것을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나는 산화아연의 중량과 적어도 하나의 피각 중량 비율이 약 1: 20 내지 약 100:1인 것을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각은 적어도 일면 상에 다수의 나노구조체를 포함할 수 있고, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하며, 다수의 나노구조체 중량과 상기 피각의 중량비율은 약 1:1 내지 약 100:1일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 적어도 일면 상에 다수의 나노구조체를 포함할 수 있고, 상기 다수의 나노구조체는 망간의 산화물을 포함하며, 다수의 나노구조체 중량과 상기 피각의 중량비율은 약 1:1 내지 약 100:1일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치의 전극은 다수의 피각을 포함할 수 있고, 상기 다수의 피각들 각각은 적어도 일면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하며, 다수의 피각들 중 적어도 하나는 다수의 나노구조체 중량과 적어도 하나의 피각 중량의 비율이 약 1:20 내지 약 100:1일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 슈퍼커패시터는 한 쌍의 전극, 및 이온성 액체를 포함하는 전해질을 포함하되, 상기 전극 중의 적어도 하나는 그 위에 형성된 표면 활물질을 갖는 복수의 피각을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 슈퍼커패시터는 전해질과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함하되, 상기 전극 중의 적어도 하나는 복수의 피각들 및 산화아연을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 슈퍼커패시터는 비-수성 전해질(non-aqueous electrolyte)과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함하되, 상기 전극 중의 적어도 하나는 복수의 피각들 및 산화망간을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 슈퍼커패시터의 제조방법은 한 쌍의 전극들 사이에 분리부를 형성하는 것을 포함하되, 상기 분리부는 피각, 전해질 및 열 전도성 첨가제를 포함하고, 상기 열 전도성 첨가제는 상기 분리부에 적용될 때 근적외선(NIR)을 실질적으로 흡수하도록 구성됨으로써 상기 분리부를 가열하여 건조를 촉진시킨다.
선행 기술과 비교하여 달성된 이점 및 본 발명을 요약하기 위해, 특정 목적 및 이점은 본 명세서에 기재된다. 물론, 모든 이러한 목적 또는 이점이 반드시 임의의 특정 구현예에 따라 달성될 필요가 없다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 예를 들어 당업자는 본 발명이 반드시 다른 목적 또는 이점을 달성하지 않고 하나의 이점 또는 이점들을 이루거나 또는 최적화할 수 있는 방식으로 구현되거나 또는 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
모든 구현예는 본 명세서에 개시된 발명의 범위 내에 있는 것으로 생각된다. 이들 및 다른 구현예는 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이며, 본 발명은 특별히 개시된 구현예(들)에 한정되지 않는다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 망간 산화물을 포함하는 나노구조체들을 포함하는 제 1 복수의 피각들(a first plurality of frustules)을 포함하는 캐쏘드, 및산화아연을 포함하는 나노구조체들을 포함하는 제 2 복수의 피각들(a second plurality of frustules)을 포함하는 애노드를 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함할 수 있다.
또한, 상기 망간 산화물은 Mn3O4, Mn2O3 및 MnOOH 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 복수의 피각들 중 적어도 하나는 망간 산화물 중량 대 적어도 하나의 피각 중량의 비가 1:20 내지 20:1인 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나는 산화아연 중량 대 적어도 하나의 피각 중량의 비가 1:20 내지 20:1인 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드는 전해질 염을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드를 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드를 및 캐쏘드 증 적어도 하나는 전도성 충전제를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 충전제는 그래파이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드를 및 캐쏘드 사이의 분리부를 더 포함하고, 상기 분리부는 제 3 피각들을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 피각들은 실질적으로 표면 개질되지 않은 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 애노드를, 캐쏘드 및 분리부 중 적어도 하나는 이온성 액체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 장치는 충전용 배터리(rechargeable battery)일 수 있다.
또한, 상기 제 1 복수의 피각들은 망간 산화물을 포함하는 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 제 1 복수의 공극(a first plurality of pores)을 포함하고, 상기 제 2 복수의 피각들은 산화아연을 포함하는 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 제 2 복수의 공극(a second plurality of pores)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 일표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하고, 상기 다수의 나노구조체의 중량 대 피각 중량의 비가 1:1 내지 20:1인 피각을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들, 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 일표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하고, 상기 다수의 나노구조체의 중량 대 피각 중량의 비가 1:1 내지 20:1인 피각을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함할 수 있다.
또한, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함할 수 있다.
또한, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들, 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장 장치의 전극으로서 상기 전극은 다수의 피각을 포함하고, 상기 다수의 피각 각각은 적어도 일표면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 피각 중 적어도 하나는 다수의 나노구조체의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량의 비가 1:20 내지 20:1인 것을 포함하는 전극을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 에너지 저장 장치의 애노드를일 수 있다.
또한, 상기 애노드는 전해질 염을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들, 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극은 에너지 저장 장치의 캐쏘드일 수 있다.
또한, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함할 수 있다.
또한, 상기 망간 산화물은 Mn3O4, Mn2O3 및 MnOOH 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
또한, 전도성 충전제를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 충전제는 그래파이트를 포함할 수 있다.
또한, 이온성 액체를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 피각 각각은 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극들을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 적어도 에너지 저장 장치의 부분에 피각의 내포는 스크린 인쇄, 롤투롤 인쇄(roll-to-roll printing), 잉크-젯 인쇄, 및/또는 다른 적당한 인쇄 공정을 포함하여, 인쇄 기술을 이용한 에너지 저장 장치를 제조하는데 도움이 될 수 있다. 또한, 피각은 제조하는 동안 및/또는 사용하는 동안 균일한 또는 실질적으로 균일한 두께를 유지하기 위해 에너지 저장 장치 층에 구조적 지지체를 제공하고 에너지 저장 장치 층을 도울 수 있다. 나아가 다공성 피각은 전자 또는 이온성 종의 방해받지 않는 또는 실질적으로 방해받지 않는 흐름을 허여할 수 있다. 표면 구조체 또는 물질을 포함하는 피각은 층의 전도도를 증가시킬 수 있다.
본 명세서의 이들 및 다른 특징, 측면, 및 이점은 특정 구현예의 도면을 참조하여 기재되며, 이는 특정 구현예를 설명하며 본 발명에 한정되지 않는 것으로 생각된다.
도 1은 피각을 포함하는 규조토의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 영상이다.
도 2는 다공성 표면을 포함하는 피각의 SEM 영상이다.
도 3은 실질적으로 원통형 모양을 갖는 각각의 피각의 SEM 영상이다.
도 4a 및 4b는 피각 분리 공정의 단계의 흐름도이다.
도 5a는 외부 표면 및 내부 표면 둘 다의 구조체를 포함하는 피각의 구현예를 나타낸다.
도 5b는 은으로 씨딩된 피각 표면의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5c는 은으로 씨딩된 피각 표면의 250k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5d는 그 위에 형성된 은 나노구조체를 갖는 피각 표면의 20k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5e는 그 위에 형성된 은 나노구조체를 갖는 피각 표면의 150k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5f는 은 나노구조체에 의해 코팅된 표면을 갖는 규조류 피각 박편의 25k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5g는 산화아연으로 씨딩된 피각 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5h는 산화아연으로 씨딩된 피각 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5i는 그 위에 형성된 산화아연 나노와이어를 갖는 피각 표면의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5j는 그 위에 형성된 산화아연 나노와이어를 갖는 피각 표면의 25k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5k는 그 위에 형성된 산화아연 나노플레이트를 갖는 피각 표면의 10k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5l은 그 위에 형성된 은 나노구조체를 갖는 피각 표면의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5m은 그 위에 형성된 산화아연 나노와이어를 갖는 피각 표면의 10k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5n은 그 위에 형성된 산화아연 나노와이어를 갖는 피각 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5o는 그 위에 형성된 산화아연 나노구조체를 갖는 다수의 피각에 대한 500× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5p는 그 위에 형성된 산화아연 나노구조체를 갖는 피각의 5k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5q는 그 위에 형성된 산화망간 나노구조체를 갖는 피각 표면의 20k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5r은 그 위에 형성된 산화망간 나노구조체를 갖는 피각 표면의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5s는 피각 표면에 형성된 산화망간 나노결정의 TEM 영상을 나타낸다.
도 5t는 산화망간 입자의 전자 회절 영상을 나타낸다.
도 5u는 그 위에 형성된 망간-함유 나노섬유를 갖는 피각 표면의 10k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5v는 그 위에 형성된 산화망간 나노구조체를 갖는 피각에 대한 20k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5w는 그 위에 형성된 산화망간 나노구조체를 갖는 일 예시 피각의 단면에 대한 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 5x는 그 위에 형성된 산화망간 나노구조체를 갖는 피각의 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
도 6은 에너지 저장 장치의 구현예를 도식적으로 나타낸다.
도 7a 내지 도 7e는 다른 제조방법의 다양한 단계 동안 에너지 저장 장치의 예를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 8은 분리부 층에서 피각을 포함하는 에너지 저장 장치의 분리부의 구현예를 나타낸다.
도 9는 전극 층에서 피각을 포함하는 에너지 저장 장치의 전극의 구현예를 나타낸다.
도 10은 에너지 저장 장치 일예의 방전곡선(discharge curve) 그래프를 나타낸다.
도 11은 에너지 저장 장치 일예의 사이클링 성능 그래프를 나타낸다.
도 12는 에너지 저장 장치의 충전-방전 성능(charge-discharge performance) 일 예시의 그래프를 나타낸다.
도 13은 도 12의 에너지 저장 장치의 충전-방전 성능의 다른 그래프를 나타낸다.
도 14a는 이중층 커패시터(double-layer capacitor)로 구성된 두 전극을 갖는 슈퍼커패시터의 횡단면도를 나타낸다.
도 14b는 작동 중에 도 14a의 슈퍼커패시터의 횡단면도를 나타내고, 여기서 전압은 상기 전극들에 대해 인가된다.
도 15는 슈도 커패시터로 구성되는 전극을 포함하는 슈퍼커패시터의 횡단면도를 나타낸다.
도 16a 및 16b는 대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 충전/방전 측정치를 나타내고, 여기서 반대 극성을 갖는 상기 전극들 각각은 그 위에 산화아연(ZnxOy) 나노구조체가 형성된 피각들을 포함한다.
도 17a 내지 17d는 대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 충전/방전 측정치를 나타내고, 반대 극성을 갖는 상기 전극들 각각은 그 위에 산화망간(MnxOy) 나노구조체가 형성된 피각들을 포함한다.
도 18a 내지 18e는 비대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 충전/방전 측정치를 나타내고, 여기서 반대 극성을 갖는 상기 전극들 중의 하나는 그 위에 산화망간(MnxOy) 나노구조체가 형성된 피각들을 포함하는 반명, 상기 전극들 중의 다른 하나는 그 위에 CNT가 형성된 피각들을 포함한다.
도 19a 내지 19b는 대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 충전/방전 측정치를 나타내며, 반대 극성을 갖는 상기 전극들 각각은 그 위에 CNTrk 형성된 피각들을 포함한다.
비록 특정 구현예가 하기에 기재되어 있지만, 당업자는 발명이 특별히 개시된 구현예 및/또는 용도 및 이의 명백한 변형 및 등가물 너머까지 확장하는 것으로 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명의 범위는 하기에 기재된 임의의 특정 구현예에 의해 한정되지 않아야 한다는 것을 의미한다.
파워전자장치에 사용된 에너지 저장 장치는 일반적으로 배터리(예를 들어 충전용 배터리), 커패시터, 및 슈퍼커패시터(예를 들어 EDLC)를 포함한다. 에너지 저장 장치는 배터리-커패시터 혼성체를 포함하여 비대칭 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치는 스크린 인쇄, 롤투롤 인쇄, 잉크-젯 인쇄 등과 같은 인쇄 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 인쇄 에너지 저장 장치는 감소된 에너지 저장 장치 두께를 용이하게 할 수 있으며, 밀집한 에너지 저장을 가능하게 한다. 인쇄 에너지 저장 장치는 에너지 저장 장치의 적층을 용이하게 함으로써 증가된 에너지 저장 밀도를 가능하게 할 수 있다. 증가된 에너지 저장 밀도는 태양 에너지 저장과 같은 큰 파워 요건을 갖는 적용에 대해 인쇄 에너지 저장 장치의 사용을 용이하게 할 수 있다. 단단한 외부 포장을 갖는 에너지 저장 장치와는 달리, 인쇄 에너지 저장 장치는 유연성 기판상에서 수행될 수 있으며, 유연성 에너지 저장 장치를 가능하게 한다. 유연성 에너지 저장 장치는 유연성 전자 디스플레이 매체와 같은 유연성 전자 장치의 제조를 용이하게 할 수 있다. 감소된 두께 및/또는 유연성 구조로 인해, 인쇄 에너지 저장 장치는 화장품 패치, 의료 진단 제품, 원격 센서 어레이, 스마트 카드, 스마트 패키징, 스마트 의류, 축하카드(greeting cards) 등을 작동시킬 수 있다.
인쇄 에너지 저장 장치의 신뢰도 및 내구성은 인쇄된 배터리의 증가된 채택을 방해하는 인자일 수 있다. 인쇄 에너지 저장 장치는 일반적으로 단단한 외부 포장이 부족하다, 그래서 인쇄 에너지 저장 장치는 사용 또는 생산시 압축 압력 또는 모양 변형 조작에 잘 견딜 수 없다. 압축 압력 또는 모양 변형 조작에 대응하는 에너지 저장 장치 층 두께의 변화는 장치 신뢰도에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 몇몇 인쇄 에너지 저장 장치는 분리부에 의해 배치된 전극을 포함한다. 분리부 두께의 편차는, 분리부를 압축할 수 있고 압축 압력 또는 모양 변형 조작 하에 전극들 사이의 분리를 유지하는데 실패할 경우, 전극 사이에서 합선(short)을 야기할 수 있다.
또한, 인쇄 에너지 저장 장치의 제조와 관련된 비용은 광범위한 적용을 작동시키는데 인쇄 에너지 저장 장치의 사용을 방해하는 인자일 수 있다. 인쇄 기술을 이용한 에너지 저장 장치의 신뢰할 수 있는 제조는 비용 효과적인 에너지 저장 장치 생산을 용이하게 할 수 있다. 에너지 저장 장치의 인쇄는 인쇄 에너지 저장 장치에 의해 작동된 인쇄 전자 장치를 포함하여, 전자 장치의 생산으로 장치 인쇄 공정을 완성하는 것을 가능하게 할 수 있으며, 아마도 비용절감을 더 가능하게 한다. 그러나, 부적당한 장치 구조적 견고성은 몇몇 인쇄 기술의 실행가능성을 감소시키고 인쇄 에너지 저장 장치의 비용 효과적인 생산을 방해하는, 제조 공정을 통하여 장치 일체성(integrity)을 방해할 수 있다. 또한, 인쇄 기술을 효과적으로 인쇄할 수 있는 필름 두께보다 큰 장치 층 두께로 인해, 인쇄 에너지 저장 장치 층의 두께는 제조 공정에서 특정 인쇄 기술의 사용을 방해할 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 피각은 크기, 모양, 기공, 및/또는 물질로 인해, 상당한 기계적 강도 또는 전단 응력에 대한 저항을 가질 수 있다. 본 명세서에 기재된 몇몇 수행에 따라, 에너지 저장 장치는 하나 이상의 성분들, 예를 들어 피각을 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치의 하나 이상의 층들 또는 멤브레인들을 포함한다. 피각을 포함하는 에너지 저장 장치는, 에너지 저장 장치가 장치 신뢰도를 증가시킬 수 있도록 실패 없이 제조 또는 사용 동안 발생할 수 있는 압축 압력 및/또는 모양 변형 조작을 견딜 수 있도록 기계적 강도 및/또는 구조적 일체성(structural integrity)을 가질 수 있다. 피각을 포함하는 에너지 저장 장치는 층 두께의 변화를 저항할 수 있으며, 균일한 또는 실질적으로 균일한 장치 층 두께의 유지를 가능하게 한다. 예를 들어 피각을 포함하는 분리부는 장치에서 합선을 억제 또는 방지하기 위해 전극들 사이에 균일한 또는 실질적으로 균일한 분리 거리를 유지함으로써 향상된 에너지 저장 장치 신뢰도를 용이하게 하여 압축 압력 또는 모양 변형 조작을 견딜 수 있다.
피각을 포함하는 에너지 저장 장치에서 증가된 기계적 강도는 다양한 인쇄 기술을 이용하여 에너지 저장 장치의 신뢰할 수 있는 제조를 용이하게 할 수 있으며, 이렇게 함으로써 장치에 의해 작동된 적용의 생산 공정과 함께 증가된 수율 및/또는 제조 공정의 완성으로 인해 비용-효과적인 장치 제조를 가능하게 한다.
에너지 저장 장치는 피각을 포함하는 잉크를 이용하여 인쇄될 수 있다. 예를 들어 인쇄 에너지 저장 장치의 하나 이상의 멤브레인은 피각을 포함할 수 있다. 피각을 갖는 인쇄 에너지 저장 장치의 하나 이상의 멤브레인은 이에 한정되는 것은 아니나 유연성 또는 비유연성(inflexible) 기판, 직물, 장치, 플라스틱, 금속 또는 반도체 필름과 같은 다양한 필름, 다양한 종이, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하는 다양한 기판 위에 확실하게 인쇄될 수 있다. 예를 들어 적당한 기판은 흑연 종이, 그래핀 종이, 폴리에스터 필름(예를 들어 Mylar), 폴리카보네이트 필름, 알루미늄 호일, 구리 호일, 스테인레스 스틸 호일, 탄소 폼(foam), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 유연성 기판상에 인쇄 에너지 저장 장치의 제조는 이러한 인쇄 에너지 저장 장치의 증가된 신뢰도로 인해, 예를 들어 피각을 포함하는 하나 이상의 층의 결과로 증가된 견고성으로 인해 광범위한 어레이의 장치 및 수행에서 사용될 수 있는 유연성 인쇄 에너지 저장 장치를 고려할 수 있다.
피각을 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치의 향상된 기계적 강도는 감소된 인쇄 장치 층 두께를 가능하게 할 수도 있다. 예를 들어 피각은 에너지 저장 장치 층에 대해 구조적인 지지체를 제공할 수 있으며, 압축 압력 또는 모양 변형 조작을 견디는데 충분한 구조적인 견고성을 갖는 얇은 층을 가능하게 한 다음 전체 장치 두께를 감소시킬 수 있다. 인쇄 에너지 저장 장치의 감소된 두께는 인쇄 장치의 에너지 저장 밀도를 더 용이하게 할 수 있고 및/또는 인쇄 장치의 광범위한 사용을 더 가능하게 할 수 있다.
피각을 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치는 향상된 장치 성능, 예를 들어 향상된 장치 효율성을 가질 수 있다. 에너지 저장 장치 층의 감소된 두께는 향상된 장치 성능을 가능하게 할 수 있다. 에너지 저장 장치의 성능은 에너지 저장 장치의 내부 저항에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들어 에너지 저장 장치의 성능은 제 1 및 제 2 전극 사이의 분리 거리에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 정해진 측정의 신뢰도에 대해 감소된 분리부 멤브레인은 제 1 및 제 2 전극 사이의 거리를 감소시키고, 에너지 저장 장치의 내부 저항을 감소시키고 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한, 에너지 저장 장치의 내부 저항은 제 1 및 제 2 전극 사이의 이온성 종의 이동성에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 피각 표면의 기공은 이온성 종의 이동성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어 피각을 포함하는 분리부는 전극들 사이의 이온성 종의 이동성을 용이하게 하는 동안 에너지 저장 장치의 전극들 사이에 더 구조적으로 견고한 분리를 가능하게 할 수 있다. 피각 표면 기공은 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에서 이동하는 이온성 종에 대한 직통로(direct path)를 용이하게 할 수 있으며, 저항을 감소시키고 및/또는 효율성을 증가시킨다. 피각을 포함하는 전극 층의 감소된 두께 및 전극 피각의 기공은 향상된 저장 장치 성능을 가능하게 할 수도 있다. 감소된 전극 두께는 전극 내의 활성 물질에 이온성 종의 증가된 접근을 제공할 수 있다. 전극 내 피각의 기공 및/또는 전도도는 전극 내의 이온성 종의 이동성을 용이하게 할 수 있다. 전극 내 피각은 활성 물질 및/또는 활성 물질을 포함하는 구조체가 적용되거나 또는 형성될 수 있는 기판으로 작용하여 향상된 장치 성능을 가능하게 할 수도 있고, 활성 물질에 대해 증가된 표면적을 가능하게 함으로써 활성 물질에 이온성 종의 접근을 용이하게 한다.
도 1은 피각(10)을 포함하는 규조토의 SEM 영상이다. 비록 몇몇 피각이 깨지거나 또는 다른 모양이지만, 피각(10)은 일반적으로 원통형 모양을 가진다. 일 구현예에 있어서, 원통형 피각(10)은 약 3 ㎛ 및 약 5 ㎛ 사이의 직경을 가진다. 일 구현예에 있어서, 원통형 피각(10)은 약 10 ㎛ 및 약 20 ㎛ 사이의 길이를 가진다. 다른 직경 및/또는 길이도 가능하다. 피각(10)은 구성(예를 들어 크기, 모양), 물질, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것으로 인해 상당한 기계적 강도 또는 전단 응력에 대한 저항을 가질 수 있다. 예를 들어 피각(10)의 기계적 강도는 피각(10)의 크기에 반비례 관계일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 약 30 ㎛ 내지 약 130 ㎛ 범위의 장축을 갖는 피각(10)은 약 90 μN 내지 약 730 μN의 압축력을 견딜 수 있다.
도 2는 다공성 표면(12)을 포함하는 피각(10)의 SEM 영상이다. 다공성 표면(12)은 원형 또는 실질적으로 원형 개구부(openings)(14)를 포함한다. 다른 모양의 개구부(14)도 가능하다(예를 들어 곡선, 다각형(polygonal), 가늘고 긴(elongate) 등). 일 구현예에 있어서, 피각(10)의 다공성 표면(12)은(예를 들어 도 2에 나타난 바와 같이) 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 및/또는 간격(spacing)을 갖는 개구부(14)를 포함하여, 균일한 또는 실질적으로 균일한 기공을 가진다. 일 구현예에 있어서, 피각(10)의 다공성 표면(12)은 예를 들어 다른 모양, 크기, 및/또는 간격을 갖는 개구부(14)를 포함하여, 일정치않은(varying) 기공을 가진다. 다수의 피각(10)의 다공성 표면(12)은 균일한 또는 실질적으로 균일한 기공을 가질 수 있으며, 또는 다른 피각(10)의 다공성 표면(12)의 기공은 변할 수 있다. 다공성 표면(12)은 미세기공(microporosity), 메조기공(mesoporosity), 및/또는 거대기공(macroporosity)을 포함하여, 나노기공(nanoporosity)을 포함할 수 있다.
도 3은 원통형 또는 실질적으로 원통형 모양을 갖는 각각의 피각(10)의 SEM 영상이다. 피각 특징은 다른 종의 규조류 사이에서 다를 수 있으며, 각 규조류 종은 다른 모양, 크기, 기공, 물질, 및/또는 다른 피각 속성을 갖는다. (예를 들어 Mount Sylvia Diatomite Pty Ltd of Canberra, Australia, Continental Chemical USA of Fort Lauderdale, Florida, Lintech International LLC of Macon, Georgia, 등으로부터) 상업적으로 이용할 수 있는 규조토는, 피각의 공급원으로 작용할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조토는 미리 결정된 피각 특징에 따라 분류된다. 예를 들어 분류는 모양, 크기, 물질, 기공, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것과 같은 미리-결정된 특징을 포함하는 각각의 피각을 야기할 수 있다. 피각의 분류 단계는 하나 또는 다양한 여과, 스크리닝과 같은 분리 공정(예를 들어 피각 모양 또는 크기에 따른 분리용 진동체(vibrating sieves)의 사용), 보락시얼(voraxial) 또는 원심분리 기술을 포함하는 분리 공정(예를 들어 피각 밀도에 따른 분리용), 임의의 다른 적당한 고체-고체 분리 공정, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 또한, 피각은 피각이 이미 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 물질, 기공, 다른 미리-결정된 피각 속성, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하도록, 피각 특징에 따라 이미 분류된(예를 들어 상업적 공급원으로부터) 이용할 수 있다. 예를 들어 지리학적 지역(geographic region)(예를 들어 미국, 페루, 호주 등과 같은 나라의 지역; 세계의 지역; 등) 및/또는 자연 환경의 유형(예를 들어 담수 환경, 염수 환경 등)으로부터 이용할 수 있는 피각은, 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 물질, 기공, 다른 미리-결정된 피각 속성, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 갖는 피각을 제공하는 지리학적 지역 및/또는 환경에서 일반적으로 발견된 종의 피각을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리 공정은 유일한 또는 실질적으로 유일한 깨지지 않은 피각이 유지되도록 피각을 분류하는데 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 깨진 또는 작은 피각을 제거하는데 사용될 수 있으며,(예를 들어 도 3에 예시된 바와 같이) 특정 길이 및/또는 직경을 갖는 유일한 또는 실질적으로 유일한 원통형-모양의 피각(10)을 야기한다. 깨진 피각을 제거하기 위한 분리 공정은 미리-결정된 크기를 갖는 유일한 또는 실질적으로 유일한 피각을 유지하기 위해 선택된 메쉬 크기를 갖는 체의 사용과 함께 스크리닝을 포함할 수 있다. 예를 들어 체의 메쉬 크기는 약 40 ㎛ 이하, 약 30 ㎛ 이하, 약 20 ㎛ 이하 또는 약 10 ㎛ 이하, 및 범위 경계 및 앞의 값을 포함하는 크기(예를 들어 길이 또는 직경)를 갖는 피각을 제거하기 위해 선택될 수 있다.(~206)
일 구현예에 있어서, 깨진 피각을 제거하기 위한 분리 공정은 수조(water bath)에 분산된 피각이 초음파를 받는 동안 초음파 처리를 포함하여, 유체 분산물에 놓인 피각에 초음파의 적용을 포함한다. 파워, 주파수, 기간, 및/또는 그밖에 유사한 것과 같은 초음파 처리 매개변수는 피각의 하나 이상의 속성을 기준으로 적어도 부분적으로 조정될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 초음파 처리는 약 20 kHz 및 약 100 kHz 사이, 약 30 kHz 및 약 80 kHz 사이, 및 약 40 kHz 및 약 60 kHz 사이의 주파수를 갖는 음파(sound waves)의 사용을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 초음파 처리는 약 20 kHz, 약 25 kHz, 약 30 kHz, 약 35 kHz, 약 40 kHz, 약 45 kHz, 및 범위 경계 및 앞의 값을 포함하는 주파수를 갖는 음파를 사용할 수 있다. 초음파 처리 단계는 약 2분 및 약 20분 사이, 약 2분 및 약 15분 사이, 및 약 5분 및 약 10분 사이의 기간을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 초음파 처리 단계는 약 2분, 약 5분, 약 10분, 및 범위 경계 및 앞의 값을 포함하는 기간을 가질 수 있다. 예를 들어 피각-유체 시료는 약 5분 동안 약 35 kHz의 주파수에서 초음파를 받을 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리 공정은 침전을 포함한다. 예를 들어 분리 공정은 피각-유체 시료로부터 무거운 입자가 초음파 처리 동안 피각-유체 시료의 현탁된 상으로부터 가라앉을 수 있도록 초음파 처리 및 침전을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각-유체 시료로부터 무거운 입자의 침전 공정은 약 15초 및 약 120초 사이, 약 20초 및 약 80초 사이, 및 약 30초 및 약 60초 사이의 기간을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 침전은 약 120초 이하, 약 60초 이하, 약 45초 이하, 약 30초 이하의 기간을 가질 수 있다.
깨진 피각을 제거하기 위한 분리 공정은 초원심분리 단계를 포함하여, 밀도를 기준으로 물리적 분리를 위한 고속 원심분리 기술의 사용을 포함할 수 있다. 예를 들어 분리 공정은 피각-유체 시료의 현탁된 상의 초원심분리를 포함할 수 있다. 각속도(angular velocity), 기간 등과 같은 초원심분리 매개변수는 현탁된 상의 조성(예를 들어 피각의 밀도) 및/또는 사용된 장치의 특징에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들어 현탁된 상은 약 10,000 RPM(rotations per minute) 및 약 40,000 RPM 사이, 약 10,000 RPM 및 약 30,000 RPM 사이, 약 10,000 RPM 및 약 20,000 RPM 사이, 및 약 10,000 RPM 및 약 15,000 RPM 사이의 각속도에서 초원심분리될 수 있다. 현탁된 상은 약 1분 및 약 5분 사이, 약 1분 및 약 3분 사이, 및 약 1분 및 약 2분 사이의 기간 동안 초원심분리될 수 있다. 예를 들어 피각-유체 시료의 현탁된 상은 약 1분 동안 약 13,000 RPM의 각속도에서 초원심분리될 수 있다.
도 4a 및 4b는 피각 분리 공정(20)의 단계의 흐름도이다. 공정(20)은 깨진 및 깨지지 않은 규조류 피각을 포함하는 고체 혼합물로부터 깨진 및/또는 깨지지 않은 규조류 피각의 분리를 가능하게 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리 공정(20)은 대규모 피각 분류를 가능하게 한다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 나노구조체 물질 및/또는 나노소자(nanodevices)에 대해 규조류 피각의 두 가지 공급원이 있을 수 있다: 살아있는 규조류 및 규조토. 규조류는 천연 또는 배양된 것으로부터 직접 얻어질 수 있다. 인공적으로, 다수의 동일한 실리카 피각은 수일 내에 배양될 수 있다. 나노구조체 물질 및/또는 나노소자에 대해 천연 규조류를 사용하기 위해, 분리 공정을 수행하여 다른 유기물질(organic materials) 및/또는 물질(substances)로부터 규조류를 분리할 수 있다. 다른 방법은 규조토를 사용하는 것이다. 침전물은 풍부하고, 물질은 저가이다.
규조토는(예를 들어 몇몇 담수 침전물을 포함하여) 다른 규조류 종들의 혼합물로부터 단일의 규조류 종들에 이르는 피각을 가질 수 있다. 규조토는 다른 근원의 오염 물질과 함께 깨진 및/또는 온전한 규조류 피각을 포함할 수 있다. 적용에 따라, 하나는 유일한 온전한 규조류 피각, 유일한 깨진 피각, 또는 둘의 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어 온전한 피각을 분리하는 경우, 한 종류의 피각을 갖는 규조토를 사용할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리 방법은 깨진 조각의 규조류 피각으로부터 온전한 규조류 피각을 분리하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 공통적인 피각 특징(예를 들어 길이 또는 직경을 포함하는 크기, 모양, 및/또는 물질)에 따라 온전한 규조류 피각을 분류하는 단계 및/또는 공통적인 피각 특징(예를 들어 길이 또는 직경을 포함하는 크기, 모양, 깨짐 정도, 및/또는 물질)을 기준으로 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 포함한다. 예를 들어 분리 공정은 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 또는 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 가능하게 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 규조류 피각 및/또는 규조류 피각 부분으로부터 다른 화학적 근원을 갖는 오염성 물질을 제거하는 단계를 포함한다.
오랜 기간 동안 변동이 없는 규조류 및 규조류 피각은 때때로 생물학적, 생태학적, 및 관련 지구과학 연구에서 사용된다. 물 또는 침전물로부터 피각의 작은 시료를 추출하기 위해 많은 방법이 개발되었다. 침전물(규조토)은 카보네이트, 운모(mica), 점토, 유기물 및 다른 침전 입자와 함께 (깨진 및 깨지지 않은) 규조류 피각을 함유한다. 깨지지 않은 규조류 피각의 분리는 세 가지 주요 단계를 포함할 수 있다: 유기 잔류물의 제거, 다른 화학적 근원을 가진 입자의 제거, 및 깨진 조각의 제거. 유기 물질의 제거는 표백제(예를 들어 과산화수소 및/또는 질산)에서 시료의 가열, 및/또는 고온에서 어닐링으로 달성될 수 있다. 카보네이트, 점토, 및 다른 가용성 비-실리카 물질은 염산 및/또는 황산으로 제거될 수 있다. 깨진 및 깨지지 않은 피각의 분리의 경우, 여러 기법이 적용될 수 있다: 체질, 침전 및 원심분리, 중액(heavy liquid)으로 원심분리, 및 분류 측면-수송 얇은 분리 전지(split-flow lateral-transport thin separation cells), 및 이의 조합. 모든 이러한 방법들에 대한 문제점은 종종 분리의 품질을 감소시킬 수 있고, 및/또는 실험실 규모 시료에 대해서만 적합한 분리 공정을 제공할 수 있는 깨진 및 깨지지 않은 피각의 응집일 수 있다.
분리 과정의 규모 확장은 규조류 피각을 산업용 나노물질로서 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류의 산업용 규모 분리에 이용될 수 있는 분리 과정은 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분의 분리를 포함한다. 예를 들어 공통적인 특징은 깨지지 않은 규조류 피각 또는 깨진 규조류 피각일 수 있다. 도 4a 및 4b에 나타난 바와 같이, 분리 공정(20)은 규조류의 산업용 규모 분리를 가능하게 하는 분리 과정이다. 일 구현예에 있어서, 규조류의 대규모 분리를 가능하게 하는 분리 과정은 계면활성제 및/또는 원판형 스택 원심분리부를 이용하여 피각의 응집의 감소를 가능하게 한다. 일 구현예에 있어서, 계면활성제의 사용은 대규모 분리를 가능하게 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원판형 스택 원심분리부의 이용(예를 들어 우유 분리부 유형 원심분리 공정)은 대규모 분리를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어 피각 특징을 기준으로 피각을 분류하기 위한 원판형 스택 원심분리부와 함께 규조류 피각을 분산하기 위한 계면활성제의 사용은 규조류 피각의 감소된 응집을 가능하게 함으로써 규조류의 대규모 분리를 용이하게 할 수 있다. 종래의 비-원판형 스택 원심분리 공정은 피각의 침전을 야기할 것이다. 상청액은 버리고, 원심분리부로 다시 피각의 침전을 야기시킨 후 침전된 피각을 용매에 재분산시킨다. 이 공정은 원하는 분리가 달성될 때까지 반복한다. 원판형 스택 원심분리 공정은 침전된 피각을 계속해서 재분산시키고 분리할 수 있다. 예를 들어 온전한 규조류로 풍부해진 상은 원판형 스택 원심분리부를 통해 계속해서 순환되어 더욱더 풍부해질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원판형 스택 원심분리부는 깨지지 않은 규조류 피각으로부터 깨진 규조류 피각의 분리를 가능하게 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원판형 스택 원심분리부는 규조류 피각 특징에 따라 규조류 피각의 분류를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어 원판형 스택 원심분리부는 적어도 하나의 공통적인 특징(예를 들어 크기, 모양, 깨짐 정도 및/또는 물질)을 갖는 피각의 추출을 가능하게 할 수 있다.
도 4a 및 4b에 나타낸 분리 공정(20)과 같은 규조류의 산업용 규모 분리를 가능하게 하는 분리 과정은, 하기 단계를 포함할 수 있다:
1. 규조류 피각 및/또는 규조류 피각 부분을 포함하는 고체 혼합물(예를 들어 규조토)의 입자는 암석일 수 있으며, 더 작은 입자로 부서질 수 있다. 예를 들어 고체 혼합물의 입자 크기는 분리 공정(20)을 용이하게 하기 위해 감소될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분말을 얻기 위해, 규조토를 막자사발 및 막자, 쟈밀, 암석 분쇄기, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 이용하여 부드럽게 분쇄하거나 또는 빻을 수 있다.
2. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 또는 규조류 피각 부분보다 큰 규조토의 성분은 체질 단계를 통해 제거될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 체질 단계는 규조토를 분쇄한 후 수행된다. 예를 들어 규조토 분말을 체질하여 피각보다 큰 분말의 입자를 제거할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 체질은 액체 용매에 고체 혼합물(예를 들어 분쇄된 규조토)을 분산시킴으로써 용이하게 할 수 있다. 용매는 물, 및/또는 다른 적당한 액체 용매일 수 있다. 용매에 고체 혼합물의 분산은 고체 혼합물과 용매를 포함하는 혼합물을 초음파 처리함으로써 용이하게 할 수 있다. 분산을 돕는 다른 방법도 적합할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분산물은 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 약 15 중량%, 또는 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 범위 내의 규조류의 중량%를 포함한다. 분산물 내 고체 혼합물의 농도를 감소시켜 체질 단계를 용이하게 하여 규조류보다 큰 분산물의 입자를 제거할 수 있다. 체 개구부는 시료 내 규조류의 크기에 의존한다. 예를 들어 적당한 체는 약 20 마이크론의 메쉬 크기, 또는 규조류보다 큰 고체 혼합물의 분산물 입자로부터 제거할 수 있는 임의의 다른 메쉬 크기를 포함할 수 있다(예를 들어 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론, 또는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체). 세이커 체(shaker sieve)는 체를 통해 흐름을 효과적으로 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
3. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 규조류로부터 유기 오염물질(예를 들어 규조류 피각 또는 규조류 피각 부분)을 제거하기 위해 정제 단계를 포함한다. 유기 오염물질의 적당한 제거방법은 표백제(예를 들어 질산 및/또는 과산화수소)에 규조류를 담그는 단계 및/또는 가열하는 단계, 및/또는 고온에서 규조류를 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 규조류의 시료는 약 1분 내지 약 15분(예를 들어 10분) 동안 약 10 부피% 내지 약 50 부피%(예를 들어 30 부피%)의 과산화수소를 포함하는 다량의 용액에서 가열될 수 있다. 다른 조성, 농도 및/또는 기간이 적당할 수 있다. 예를 들어 사용된 용액의 조성, 용액의 농도, 및/또는 가열 기간은 정제되는 시료의 조성(예를 들어 유기 오염물질 및/또는 규조류의 유형)에 의존할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류는 용액이 버블링(예를 들어 유기 오염물질의 제거가 완전한 또는 실질적으로 완전한 것을 나타냄)으로 중단 또는 실질적으로 중단할 때까지 용액에서 가열하여 유기 오염물질의 충분한 제거를 용이하게 할 수 있다. 용액에 규조류를 담그는 단계 및/또는 가열하는 단계는 유기 오염물질이 제거 또는 실질적으로 제거될 때까지 반복될 수 있다.
유기 오염물질로부터 규조류의 정제에 이어 물로 세척할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류는 액체 용매(예를 들어 물)로 세척될 수 있다. 규조류는 원심분리 단계를 포함하여, 침전 공정을 통해 용매로부터 분리될 수 있다. 적당한 원심분리 기술은 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 원통형 원심분리부(tubular bowl centrifuge), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
4. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 무기 오염물질을 제거하기 위해 정제 단계를 포함한다. 무기 오염물질은 규조류와 염산 및/또는 황산을 혼합하여 제거될 수 있다. 무기 오염물질은 카보네이트, 점토, 및 다른 가용성 비-실리카 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 규조류의 시료는 약 20분 내지 약 40분(예를 들어 약 30분) 동안 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산(예를 들어 약 20 부피%의 염산)을 포함하는 다량의 용액과 혼합될 수 있다. 다른 조성, 농도 및/또는 기간이 적당할 수 있다. 예를 들어 사용된 용액의 조성, 용액의 농도, 및/또는 혼합 기간은 정제되는 시료의 조성(예를 들어 무기 오염물질 및/또는 규조류의 유형)에 의존할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류는 용액이 버블링(예를 들어 무기 오염물질의 제거가 완전한 또는 실질적으로 완전한 것을 나타냄)으로 중단 또는 실질적으로 중단할 때까지 용액에서 혼합하여 무기 오염물질의 충분한 제거를 용이하게 할 수 있다. 규조류와 용액을 혼합하는 단계는 무기 오염물질이 제거 또는 실질적으로 제거될 때까지 반복될 수 있다.
가용성 무기 오염물질로부터 규조류의 정제에 이어 물로 세척할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류는 액체 용매(예를 들어 물)로 세척될 수 있다. 규조류는 원심분리 단계를 포함하여, 침전 공정을 통해 용매로부터 분리될 수 있다. 적당한 원심분리 기술은 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 원통형 원심분리부, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
5. 일 구현예에 있어서, 분리 공정은 계면활성제에 피각을 분산하는 단계를 포함한다. 계면활성제는 서로 피각 및/또는 피각 부분의 분리를 용이하게 할 수 있으며, 피각 및/또는 피각 부분의 응집을 감소시킨다. 일 구현예에 있어서, 첨가제는 규조류의 응집을 감소시키는데 사용된다. 예를 들어 규조류는 계면활성제 및 첨가제에서 분산될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 계면활성제 및/또는 첨가제에서 규조류의 분산 단계는 규조류, 계면활성제 및/또는 첨가제를 포함하는 혼합물을 초음파 처리함으로써 용이하게 될 수 있다.
6. 일 구현예에 있어서, 깨진 피각 조각은 습식 체질 공정에 의해 추출될 수 있다. 예를 들어 여과 공정이 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 여과 공정은 깨진 피각의 더 작은 조각을 제거하기 위해 체를 이용하는 단계를 포함한다. 체는 깨진 피각의 더 작은 조각을 제거하는데 적합한 메쉬 크기(예를 들어 7 마이크론 체)를 포함할 수 있다. 습식 체 공정은 침전물의 응집을 방해함으로써, 작은 침전물이 체의 공극에 축적되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고 및/또는 작은 입자들이 체의 공극을 통과하게 할 수 있다. 응집의 방해 단계는 체 메쉬(sieve mesh) 위에 침전하는 물질의 교반, 버블링, 흔들기, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 여과 공정은(예를 들어 점점 더 작은 공극 또는 메쉬 크기를 갖는) 일련의 체들(예를 들어 단일 입력 및 출력을 갖는 기계에서 다수의 체들)을 통해 지속될 수 있다.
7. 일 구현예에 있어서, 액체 내 피각의 지속적인 원심분리(우유 분리부-유형 기계)가 사용될 수 있다. 예를 들어 원판형 스택 원심분리부가 사용될 수 있다. 이 공정은 깨지지 않은 피각으로부터 깨진 피각 조각을 분리하는 단계를 더 포함하여, 공통적인 특징에 따라 규조류를 분리하는데 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원판형 스택 원심분리 단계는 원하는 분리(예를 들어 깨지지 않은 피각으로부터 깨진 피각의 분리의 원하는 수준)를 달성하기 위해 반복될 수 있다.
8. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 피각을 용매에서 세척한 다음, 용매로부터 피각을 추출하기 위해 침전 공정(예를 들어 원심분리)이 따를 수 있다. 예를 들어 각 세척 단계 후 및/또는 최종 사용 전에 피각 또는 피각 부분을 침전시키기 위해 원심분리가 사용될 수 있다. 세척 단계 후 피각을 침전시키기 위한 적당한 원심분리 기술은 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 및/또는 원통형 원심분리부를 포함하나 이에 한정되지 않는 지속적인 원심분리부를 포함할 수 있다.
분리 과정은 Mount Silvia Pty, Ltd. Diatomite mining company, Queensland, Australia로부터 담수 규조류로 시험하였다. 시료의 대부분의 피각은 한 종류의 규조류 Aulacoseira sp.를 가진다. 피각은 약 5 마이크론의 직경 및 10 내지 20 마이크론의 길이를 갖는 원통형 모양을 가진다.
도 4a 및 4b에 제시된 분리 공정(20)인, 분리 과정의 흐름도는 단지 예로서 작용한다. 흐름도에서 매개변수의 양은(예를 들어 단지 선택된 시료에 적합한) 예제로 제공된다. 예를 들어 양은 다른 유형의 규조류에 대해 다를 수 있다.
규조류의 표면은 비정질 실리카를 포함할 수 있으며, 음전하의 실란올 기를 포함할 수 있다. 제타 전위 측정으로부터 확인된 등전점(Isoelectric point)은 종종 규조류에 대해 약 pH 2일 수 있다(예를 들어 비정질 실리카의 것과 유사).
일 구현예에 있어서, 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함할 수 있다. 적당한 양이온성 계면활성제는 벤즈알코늄 클로라이드, 세리토리늄 브로마이드, 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 브로니독스, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 계면활성제는 비-이온성 계면활성제일 수 있다. 적당한 비-이온성 계면활성제는 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 트리톤 X-100, 노녹시놀-9, 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 폴록사머, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 하나 이상의 첨가제는 응집을 감소시키기 위해 가해질 수 있다. 적당한 첨가제는 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 수산화 나트륨, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
피각은 피각의 표면에 적용된 하나 이상의 변형을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각은 하나 이상의 피각의 표면에 하나 이상의 구조체를 형성하기 위해 기판으로서 사용될 수 있다. 도 5a는 구조체(52)를 포함하는 피각(50)을 나타낸다. 예를 들어 피각(50)은 비어있는 원통형 또는 실질적으로 원통형 모양을 가질 수 있으며, 원기둥의 외부 및 내부 표면 위에 구조체(52)를 포함할 수 있다. 구조체(52)는 피각(50)의 전도도를 포함하여, 피각(50)의 특징 또는 속성을 변형 또는 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 전기 절연 피각(50)은 하나 이상의 피각(50)의 표면에 전기 전도성 구조체(52)를 형성함으로써 전기 전도성을 만들 수 있다. 피각(50)은 은, 알루미늄, 탄탈룸, 놋쇠, 구리, 리튬, 마그네슘, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하는 구조체(52)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 ZnO를 포함하는 구조체(52)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 망간의 산화물, 예를 들어 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3), 및/또는 망간 옥시하이드록사이드(MnOOH)을 포함하는 구조체(52)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 다른 금속-함유 화합물 또는 산화물을 포함하는 구조체(52)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하여, 반도체 물질을 포함하는 구조체(52)를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 모든 또는 실질적으로 모든 피각(50)의 표면 위에 표면 개질 구조체(52)를 포함한다.
피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 구조체(52)는 다양한 모양, 크기, 및/또는 다른 속성을 포함할 수 있다. 피각(50)은 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 및/또는 다른 구조체(52) 속성을 갖는 구조체(52)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 나노와이어, 나노튜브, 나노시트, 나노박편, 나노구, 나노입자, 장미 모양을 갖는 구조체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하는 구조체(52)를 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 약 0.1 나노미터(nm) 내지 약 1000 nm의 길이를 갖는 크기를 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 크기는 나노구조체의 직경이다. 일 구현예에 있어서, 크기는 나노구조체의 가장 긴 크기이다. 일 구현예에 있어서, 크기는 나노구조체의 길이 및/또는 너비이다. 피각의 표면 위의 나노구조체는 전기화학적 반응이 발생할 수 있는 증가된 표면적을 갖는 물질을 유리하게 제공하는, 증가된 표면적을 갖는 물질을 용이하게 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각은 제조 공정 및/또는 제조 공정에 의해 제조된 생산물에서(예를 들어 규조류 피각을 이용하여 제조된 전극, 이러한 전극을 포함하는 장치에서) 나노구조체의 응집을 감소, 방지, 또는 실질적으로 방지할 수 있다. 나노구조체의 응집의 감소는 전해질의 증가된 활성 표면적을 제공하여 접근을 용이하게 할 수 있다(예를 들어 전극의 활성 표면적을 증가시키고, 이러한 전극을 포함하는 장치의 전기 성능을 더 우수하게 함). 일 구현예에 있어서, 규조류 피각의 표면의 기공은 전극의 활성 표면적에 전해질 이온의 확산을 용이하게 하는 것과 같이, 전해질을 활성 표면적에 접근하는 것을 용이하게 할 수 있다(예를 들어 규조류 피각은 약 1 나노미터(nm) 내지 약 500 nm의 공극 크기를 가질 수 있다.).
일 구현예에 있어서, 상기 피각(50)은 상기 나노구조체(52)에 의해 두껍게 덮일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 나노구조체(52)의 중량과 상기 피각(50)의 중량 비율은 약 1.1 내지 약 20:1 사이, 약 5:1 내지 약 20:1 사이, 또는 약 1:1 내지 약 10:1 사이일 수 있다. 상기 나노구조체(52)는 코팅되기 전 피각 중량보다 큰 중량을 갖는 것이 바람직하다. 상기 나노구조체(52)의 중량은 코팅 전과 후 상기 피각(50)의 중량을 칭량해서 그 차이가 나노구조체(52)의 중량으로 결정될 수 있다.
구조체(52)는 피각(50)과, 피각(50)의 표면 위에 구조체(52)의 코팅 또는 씨딩을 허여하는 원하는 물질을 포함하는 제형을 혼합함으로써 적어도 부분적으로 피각(50)의 표면 위에 형성 또는 증착될 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 피각(50)의 표면 위의 구조체(52)는 산화아연 나노와이어와 같은 산화아연을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 산화아연 나노와이어는 피각(50)과, 아세트산 아연 이수화물(Zn(CH3C02)2·2H20) 및 에탄올을 포함하는 용액을 혼합함으로써 피각(50)의 표면 위에 형성될 수 있다. 예를 들어 에탄올 내 0.005 mol/L(M) 아세트산 아연 이수화물의 농도를 갖는 용액은 피각(50)의 표면을 코팅하기 위해 피각(50)과 혼합될 수 있다. 코팅된 피각(50)을 공기 건조시킨 다음 에탄올로 헹굴 수 있다. 일 구현예에 있어서, 건조된 피각(50)을(예를 들어 약 350℃의 온도에서) 어닐링시킬 수 있다. 그 다음, 산화아연 나노와이어를 피각(50)의 코팅된 표면 위에서 성장시킬 수 있다. 일 구현예에 있어서, 어닐링된 피각(50)은 산화아연 나노와이어의 형성을 용이하게 하기 위하여 실온 이상의 온도에서 유지시킨다(예를 들어 약 95℃의 온도 주위에서 유지시킨다).
또한, 피각(50)은 피각(50)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(50)의 표면 위에 형성된 또는 증착된 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 전기 절연 피각(50)은 하나 이상의 피각(50)의 표면에 전기 전도성 물질을 형성 또는 적용함으로써 전기 전도성을 만들 수 있다. 피각(50)은 은, 알루미늄, 탄탈룸, 놋쇠, 구리, 리튬, 마그네슘, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하는 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 ZnO를 포함하는 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 망간의 산화물을 포함하는 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하여, 반도체 물질을 포함하는 물질을 포함한다. 표면 개질 물질은 피각(50)의 외부 표면 및/또는 내부 표면 위에 있을 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(50)은 모든 또는 실질적으로 모든 피각(50)의 표면 위에 표면 개질 물질을 포함한다.
물질은 피각(50)과, 피각(50)의 표면 위에 물질의 코팅 또는 씨딩을 허여하는 원하는 물질을 포함하는 제형을 혼합함으로써 부분적으로 피각(50)의 표면 위에 형성 또는 증착될 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 물질은 피각(50)의 표면 위에 증착될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 물질은 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠와 같은 전도성 금속을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 은을 포함하는 물질로 피각(50)의 표면을 코팅하는 단계는, 적어도 부분적으로, 피각(50)과 암모니아(NH3) 및 은 니트레이트(AgN03)을 포함하는 용액을 혼합하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 용액은 톨렌스 시약(Tollens' reagent)의 제조에 종종 사용된 공정과 유사한 공정으로 제조될 수 있다. 예를 들어 용액의 제조는 수성 은 니트레이트에 암모니아를 첨가하여 침전물을 형성한 다음, 침전물이 용해될 때까지 암모니아를 더 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 그 다음, 용액을 피각(50)과 혼합시킬 수 있다. 예로서, 침전물이 형성되도록 교반하면서 5 밀리리터(mL)의 암모니아를 150 mL의 수성 은 니트레이트에 가한 다음, 침전물이 용해될 때까지 다른 5 mL의 암모니아를 가할 수 있다. 그 다음, 용액을 0.5 그램(g)의 피각(50) 및 글루코오스 수용액(예를 들어 10 mL의 증류수에 용해된 4 g의 글루코오스)과 혼합하여 혼합물을 형성할 수 있다. 그 다음, 피각(50)의 코팅을 용이하게 하기 위해, 혼합물을 소정의 온도로 유지된 수조(예를 들어 약 70℃의 온도로 유지된 따뜻한 수조)에 담궈진 용기에 놓을 수 있다.
규조류 피각 또는 규조류 피각 부분 위에 나노구조체의 성장
본 명세서에 기재된 바와 같이, 규조토는 규조류라는 화석화된 미생물(fossilized microscopic organisms)로부터 자연적으로 발생하는 침전물이다. 화석화된 미생물은 종종 약 1 마이크론 및 약 200 마이크론 사이의 크기를 갖는 고도로 구조화된 실리카로부터 제조된 단단한 피각을 포함한다. 다른 종의 규조류는 다른 3D 모양 및 특징을 가지며, 공급원에 따라 변한다.
규조토는 고도의 다공성, 마모성, 및/또는 열 저항 물질을 포함할 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 규조토는 세라믹 첨가제, 온화한 연마재, 세정제, 식품 첨가제, 화장품 등으로서, 여과, 액체 흡수, 열 분리를 포함하여 광범위한 적용을 발견하였다.
규조류 피각은 나노과학 및 나노기술에 대해 매력적인 특징을 가진다. - 이들은 자연적으로 발생하는 나노구조체를 가진다: 나노공극, 나노공동(nanocavities) 및 나노범프(nanobumps)(예를 들어 도 1 내지 3에 나타난 바와 같음). 규조류 종에 따라 피각 모양의 풍부(예를 들어 105 이상)는 다른 매력적인 특성이다. 규조류 피각이 만들어진 것으로부터의 이산화 실리콘은, 규조류 나노구조체를 보존하는 동안 유용한 물질로 코팅 또는 대체될 수 있다. 규조류 나노구조체는 많은 공정 및 장치에 대해 유용한 나노물질로서 역할을 할 수 있다: 염료-감응 태양전지(dye-sensitized solar cells), 약물 전달, 전계발광 디스플레이(electroluminescent displays), Li-이온 배터리에 대해 아노드(anode), 기체 센서(gas sensors), 바이오센서(biosensors) 등. MgO, Zr02, Ti02, BaTi03, SiC, SiN, 및 Si의 형성은 Si02의 고온 기체 이동을 이용하여 수행될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각은 3D 나노구조체로 코팅될 수 있다. 규조류는 규조류의 내부 나노공극을 포함하여, 내부 및/또는 외부 표면에 코팅될 수 있다. 코팅은 정확히 규조류 나노구조체를 보존할 수 없다. 그러나, 코팅은 자체의 나노공극 및 나노범프를 가질 수 있다. 이러한 실리카 피각/나노구조체 복합체는 피각을 지지체로서 사용한다. 나노구조 물질은 나노와이어, 나노구(nanospheres), 밀집 어레이의 나노입자, 나노디스크, 및/또는 나노벨트와 함께 밀집하게 결합된 작은 나노입자를 가질 수 있다. 종합적으로, 복합체는 매우 높은 표면적을 가질 수 있다.
다양한 물질을 포함하는 나노구조체가 피각의 표면에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 금속 물질을 포함한다. 예를 들어 피각의 하나 이상의 표면에 형성된 나노구조체는 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 철(Fe), 납(Pb), 니켈(Ni), 은(Ag), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 산화 금속을 포함한다. 예를 들어 피각 표면에 형성된 나노구조체는 산화아연(ZnO), 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3), 산화수은(HgO), 산화카드뮴(CdO), 은(I, III) 산화물(AgO), 은(I) 산화물(Ag2O), 산화니켈(NiO), 납(II) 산화물(PbO), 납(II, IV) 산화물(Pb2O3), 이산화납(PbO2), 바나듐(V) 산화물(V2O5), 산화구리(CuO), 삼산화몰리브덴(MoO3), 철(III) 산화물(Fe2O3), 철(II) 산화물(FeO), 철(II, III) 산화물(Fe3O4), 루비듐(IV) 산화물(RuO2), 이산화티타늄(TiO2), 이리듐(IV) 산화물(IrO2), 코발트(II, III) 산화물(Co3O4), 이산화주석(SnO2), 이들의 조합물 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 망간(III) 옥시하이드록사이드(MnOOH), 니켈 옥시하이드록사이드(NiOOH), 산화 은 니켈(AgNiO2), 납(II) 설파이드(PbS), 은 납 옥사이드(Ag5Pb2O6), 비스무트(III) 산화물(Bi2O3), 은 비스무트 옥사이드(AgBiO3), 은 바나듐 옥사이드(AgV2O5), 구리(I) 설파이드(CuS), 철 디설파이드(FeS2), 황화철(FeS), 요오드화 납(II)(PbI2), 황화 니켈(Ni3S2), 염화은(AgCl), 은 크롬 옥사이드 또는 크롬산 은(Ag2CrO4), 구리(II) 옥사이드 포스페이트(Cu4O(PO4)2), 산화 리튬 코발트(LiCoO2), 금속 하이드라이드 합금(예를 들어 LaCePrNdNiCoMnAl), 인산 리튬 철(LiFePO4 또는 LFP), 리튬 퍼망가네이트(LiMn2O4), 리튬 망간 디옥사이드(LiMnO2), Li(NiMnCo)O2, Li(NiCoAl)O2, 코발트 옥시하이드록사이드(CoOOH), 질화티탄(TiN), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하여, 다른 금속-함유 화합물을 포함한다.
일 구현예에 있어서, 피각의 표면에 형성된 나노구조체는 비-금속 또는 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어 나노구조체는 다중벽 및/또는 단일벽 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 탄소 나노-이온, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체는 탄화불소(예를 들어 CFx), 황(S), 전도성 n/p-형 도핑된 고분자(예를 들어 전도성 n/p-형 도핑된 폴리(플루오렌), 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리(피롤), 폴리카바졸, 폴리인돌, 폴리아제핀, 폴리아닐린, 폴리(티오펜), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 및/또는 폴리(황화 p-페닐렌)), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
규조류 피각의 표면에 형성된 나노구조체는 1) 은(Ag) 나노구조체; 2) 산화아연(ZnO) 나노구조체; 3) 탄소 나노튜브 "숲(forest)"; 및/또는 4) 망간-함유 나노구조체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 하나 이상의 이들의 표면에 형성된 나노구조체를 갖는 규조류 피각은 배터리 및 슈퍼커패시터, 태양전지, 및/또는 기체 센서와 같은 에너지 저장 장치에 사용될 수 있다. 나노구조체는 하나 이상의 깨지지 않은 피각 및/또는 깨진 피각의 표면에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체 형성 공정에서 사용된 피각 또는 피각 부분은 본 명세서에 기재된 분리 단계(예를 들어 도 4a 및 4b에 나타낸 분리 공정(20))를 포함하는 분리 과정을 통해 추출될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조 활성 물질의 성장 전에, 피각은 하나 이상의 기능화된 화학물질(예를 들어 실록산, 플루오로실록산, 단백질, 및/또는 계면활성제)로 전처리될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조 활성 물질의 성장 전에, 피각은 전도성 물질(예를 들어 금속, 및/또는 전도성 탄소), 및/또는 반도체 물질로 미리-코팅될 수 있다. 예를 들어 피각은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 그래핀, 흑연, 탄소 나노튜브, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)), 반도체-함유 합금(예를 들어 알루미늄-실리콘(AlSi) 합금), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것으로 미리-코팅될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체는 2 단계 방법을 이용하여 성장된다. 제 1 단계는 일반적으로 규조류 피각의 표면에 시드의 성장을 포함한다. 시드는 규조류 피각의 표면에 직접 결합된(예를 들어 화학 결합된) 나노구조체이고, 특정 입도(grain size) 및/또는 균일성을 가질 수 있다. 에너지는 이러한 결합을 야기하기 위해 제공될 수 있다. 씨딩 공정은 고온 하에서 수행될 수 있고, 및/또는 열 또는 에너지 획득(energy gain)의 몇몇 다른 형태를 야기할 수 있는 다른 기술을 포함할 수 있다.
나노구조체를 형성하는 제 2 단계는 일반적으로 시드로부터 최종 나노구조체의 성장을 포함한다. 시드로 미리-코팅된 피각은 특정 조건 하에 초기 물질의 환경에 담글 수 있다. 나노구조체는 하나 이상의 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 나노입자, 나노벨트, 나노디스크, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 형태 인자는 나노구조체의 성장의 조건에 의존할 수 있다(예를 들어 나노구조체의 형태학은 성장 온도, 가열의 패턴, 나노구조체 성장 동안 화학 첨가제의 포함, 및/또는 이의 조합을 포함하여, 시드 층 위에 나노구조체의 형성 동안 하나 이상의 성장 조건에 의존할 수 있다.).
규조류 피각의 표면에 Ag 나노구조체의 형성 방법의 예
은(또는 씨딩)으로 실리카의 초기 코팅은 마이크로파, 초음파 처리, 표면 개질, 및/또는 환원제로 은 니트레이트(AgN03)의 환원을 이용하여 Ag+ 염의 환원에 의해 달성될 수 있다.
시드 성장 단계는 용매에 은염 및 환원제의 용해(예를 들어 환원제 및 용매는 동일한 물질일 수 있음) 및 혼합물에 정제된 규조류의 분산을 포함할 수 있다. 용해 동안 및/또는 후에, 혼합, 교반, 가열, 초음파 처리, 마이크로파, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것과 같은 물리적인 힘이 적용될 수 있다. 시드 층 성장 공정은 다양한 양의 시간 동안 발생할 수 있다.
규조류 피각의 표면에 Ag 시드의 성장의 예
구현예 1은 하기 단계를 포함한다: 0.234 g의 정제된 규조류, 0.1 g의 AgNO3, 및 50 mL의 60에서의 용융 PEG 600(폴리에틸렌 글리콜)을 비이커에서 혼합한다. 일 구현예에 있어서, 깨끗한 규조류, 은 기여 성분(예를 들어 은 니트레이트), 및 환원제를 포함하는 혼합물은 고리형 가열 방법에 의해 가열될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 환원제 및 용매는 동일한 물질일 수 있다. 예를 들어 혼합물은 매분 약 100 Watt 내지 500 Watt의 열을 교류하는, 약 20분 내지 약 40분 동안 가열될 수 있다. 예를 들어 깨끗한 규조류, 은 니트레이트, 및 용융 PEG를 포함하는 혼합물은 약 30분 동안 마이크로파에 의해 가열되었다. 마이크로파 파워를 매분 100 Watt 내지 500 Watt로 변경하여 혼합물의 과열을 방지하였다. 몇몇 상업적 마이크로파는 마이크로파가 그 결과를 이루기 위하여 파워를 조절하는 동안, 사용자가 특정 기간 후에 내용물의 온도를 결정하도록 또는 다양한 기간 후에 다수의 온도를 결정하도록(예를 들어 온도 램프를 규정짓도록) 허여한다. 예를 들어 마이크로파는 낮은 파워가 50 mL의 물을 1분 내에 85℃로 가열하는 것보다 50 mL의 물을 2분 내에 85℃로 가열하는데 필요하다는 것을 결정할 수 있고, 이 조정은 온도 센서를 기준으로 가열 공정 동안 만들어질 수 있다. 다른 예의 경우, 마이크로파는 낮은 파워가 100 mL의 물을 2분 내에 85℃로 가열하는 것보다 50 mL의 물을 2분 내에 85℃로 가열하는데 필요하다는 것을 결정할 수 있고, 이 조정은 온도 센서를 기준으로 가열 공정 동안 만들어질 수 있다. 규조류를 원심분리하고, 에탄올로 세척하였다. 시드는 도 5b 및 5C에 예시하였다.
구현예 2는 하기 단계를 포함한다: 45 mL의 N,N-디메틸포름아미드, 0.194 g의 6,000 MW PVP(폴리비닐피롤리돈), 5 mL의 물 내 0.8 mM AgNO3, 및 0.1 g의 여과 및 정제된 규조류를 비이커에서 혼합한다. 초음파 처리기의 끝(tip)(예를 들어 13 mm 직경, 20 kHz, 500 Watt)을 혼합물에 놓고, 혼합물이 있는 비이커를 얼음 욕조에 놓았다. 끝 진폭(Tip amplitude)을 100%로 설정한다. 초음파 처리를 30분 지속한다. 5분 동안 3,000 RPM에서 초음파 처리 및 원심분리를 이용하여 에탄올에서 2회 과정 후 규조류를 세정한다. 그 다음, 시드가 규조류 위에서 보일 때까지 공정을 2회 이상 반복한다.
도 5b는 규조류 피각(60)의 표면에 형성된 은 시드(62)의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5c는 규조류 피각(60)의 표면에 형성된 은 시드(62)의 250k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
은 씨딩된 규조류 피각 표면에 은 나노구조체의 형성의 예
은과 함께 씨딩된 피각의 추가 코팅을 아르곤(Ar) 대기 하에 수행하여 산화은의 형성을 억제할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분은 소결시켜(예를 들어 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도로 가열시킴), 씨딩된 규조류 피각 부분을 은으로 더 코팅하는 공정 동안 형성된 산화은을 포함하여, 규조류 피각 부분의 하나 이상의 표면에 형성될 수 있는 산화은으로부터 은을 얻을 수 있다. 예를 들어 규조류 피각 부분의 소결은 전도성 은 잉크(예를 들어 본 명세서에 기재된 바와 같은 UV-경화성 전도성 은 잉크)의 제조에 사용된 규조류 피각 부분에서 수행될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 소결은 은으로 산화은의 환원을 촉진시키기 위해 대기 하에서 형성될 수 있다(예를 들어 수소 기체). 산화은으로부터 은을 얻기 위해 전도성 은 잉크가 포함하는 규조류 피각 부분의 소결은, 은이 산화은보다 더 전도성이기 때문에 및/또는 은-은 접촉(예를 들어 은-산화은 접촉 및/또는 산화은-산화은 접촉과는 대조적으로)이 증가할 수 있기 때문에, 전도성 은 잉크의 전도도를 향상시킬 수 있다. 산화은으로부터 은을 얻는 다른 방법은 화학 반응을 포함하는 공정을 포함하여, 소결 대신에 또는 조합에도 적합할 수 있다.
시드 층 위에 나노구조체의 형성은 은염, 환원제, 및 용매를 포함할 수 있다. (예를 들어 나노구조체 성장 공정의 성분들의 상호작용을 용이하게 하기 위해) 혼합 단계, 가열 단계, 및/또는 적정 단계를 적용하여 시드 층 위에 나노구조체를 형성할 수 있다.
시드 층 위에 나노구조체의 형성(예를 들어 두꺼운 은 코팅의 형성) 방법의 예는 하기 공정을 포함한다:
5 mL의 물 내 0.0375 M PVP(6,000 MW) 용액은 하나의 주사기에 놓고, 5 mL의 물 내 0.094 M AgN03 용액은 다른 주사기에 놓는다. 0.02 g의 씨딩된 세척 및 건조된 규조류를 약 140로 가열된 5 mL의 에틸렌 글리콜과 함께 혼합하였다. 규조류를 주사기 펌프를 이용하여 약 0.1 mL/min의 속도로 은염(예를 들어 AgN03) 및 PVP 용액으로 적정한다. 적정을 완료한 후, 혼합물을 약 30분 동안 교반한다. 그 다음, 규조류를 에탄올, 욕조 초음파 처리, 및 원심분리를 이용하여 세척한다(예를 들어 2회 세척).
도 5d 및 5E는 은 나노구조체(64)가 규조류 피각(60)의 표면에 형성된 예의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5d 및 5E는 높은 표면적과 함께 두꺼운 나노구조 코팅을 갖는 피각(60)을 나타낸다. 도 5d는 20k× 배율에서 피각 표면의 SEM 영상이고, 도 5e는 150k× 배율에서 피각 표면의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5l은 표면에 은 나노구조체(64)를 갖는 규조류 피각(60)의 50k× 배율의 다른 SEM 영상이다. 규조류 피각(60)의 두꺼운 나노구조 코팅은 도 5l에서 볼 수 있다.
Ag 성장에 대해 적당한 환원제의 예는 은 무전해 증착(silver electroless deposition)에 사용된 통상의 환원제를 포함한다. 은 무전해 증착에 적합한 몇몇 환원제는 히드라진, 포름알데히드, 글루코오스, 나트륨 타르트레이트, 옥살산, 포름산, 아스코르브산, 에틸렌 글리콜, 이들의 조합 등을 포함한다.
적당한 Ag+ 염 및 산화물의 예는 은염을 포함한다. 가장 통상적으로 사용된 은염은 물에 가용성이다(예를 들어 AgN03). 적당한 은염은 AgN03의 암모늄 용액(예를 들어 Ag(NH3)2N03)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 임의의 은(I) 염 또는 산화물이 사용될 수 있다(예를 들어 물에 가용성 및/또는 불용성). 예를 들어 산화은(Ag20), 염화 은(AgCl), 시안화 은(AgCN), 은 테트라플루오로보레이트, 은 헥사플루오로포스페이트, 은 에틸설페이트, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것도 적당할 수 있다.
적당한 용매는 물, 메탄올, 에탄올, N-프로판올(1-프로판올, 2-프로판올(이소프로판올 또는 IPA), l-메톡시-2-프로판올 포함), 부탄올(1-부탄올, 2-부탄올(이소부탄올) 포함), 펜탄올(1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올 포함), 헥산올(1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올 포함), 옥탄올, N-옥탄올(1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올 포함), 테트라히드로퓨르퓨릴 알콜(THFA), 시클로헥산올, 시클로펜탄올, 테르피네올과 같은 알콜류; 부틸 락톤과 같은 락톤류; 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르, 및 폴리에테르와 같은 에테르류; 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로헵탄온, 시클로옥탄온, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 시클로프로판온, 이소포론, 메틸 에틸 케톤과 같은 디케톤류 및 고리형 케톤류를 포함하는 케톤류; 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트와 같은 에스터류; 프로필렌 카보네이트와 같은 카보네이트류; 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올과 같은 폴리올(또는 액체 폴리올), 글리세롤 및 다른 고분자 폴리올 또는 글리콜; 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸 설폭시드(DMSO); 염화 티오닐; 염화 설퓨릴, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 용매는 환원제로도 작용할 수 있다.
저비용 UV-경화성 은-규조류 전도성 잉크의 제조 방법의 예
열 경화성 은 박편 및 은 나노입자 전도성 잉크는 Henkel Corp., Spraylat Corp., Conductive Compounds, Inc., DuPont, Inc., Creative Materials Corp., 등과 같은 다양한 제조업체로부터 이용할 수 있다. 훨씬 덜 일반적인 제품은 자외선(UV)과 함께 경화할 수 있는 은 전도성 잉크이다. 다만 몇 안되는 공급업체(예를 들어 Henkel Corp.)는 그들의 취급제품으로 이러한 잉크를 가진다. UV-경화성 은 전도성 잉크는 전도도에 비해 높은 은 추가부담금(loading) 및 제곱미터 당 고비용 때문에 종종 매우 비싸다. 전도도는 동일한 습식 필름 두께로 적용된 열 경화된 은 전도성 잉크보다 5 내지 10배 정도 적을 수 있다.
현재 이용할 수 있는 UV-경화성 잉크보다 우수한 또는 적어도 동일한 저비용 UV-경화성 은에 대한 필요성이 명백히 있다. 몇몇 UV-경화성 은은 잉크에 존재하는 은의 용량을 충분히 이용할 수 없으므로, 현재의 UV-경화성 은 잉크보다 우수하거나 또는 유사한 전도도 및/또는 경화도를 가지는 훨씬 적은 은을 이용하여 은 잉크를 개발하는 것이 필요하다.
UV-경화성 은의 개발과 함께 어려움은 은의 UV 흡수 특성에 기인할 수 있다. 열-경화된 은 잉크에서, 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 은 박편은 박편 사이의 접촉 면적을 극대화시킴으로써 가장 높은 전도도를 야기하는데 사용될 수 있다. 만일 이런 유형의 은 박편이 인쇄 또는 다른 코팅 공정을 이용하여 표면에 적용된 다음 UV 빛에 노출시킨 전도성 잉크에 대해 적당한 UV-경화성 수지 시스템과 함께 혼합된다면, 대부분의 UV 빛은 은 잉크의 습식 층을 통해 UV 빛을 산란시키기 전에 은에 의해 흡수될 수 있다. 은 박편에 의한 UV 흡수는 습식 잉크 필름에서 발생하는(예를 들어 특정 깊이를 넘어 습식 잉크의 UV 빛-개시 중합의 방해 또는 방지하는) 것으로부터 UV 빛-개시 중합을 방해 또는 방지할 수 있다. 잉크 필름의 감소된 중합은 경화되지 않고 습식인 은 잉크 층의 최하 부분(bottom-most portions)으로 인해, 기판에 부착할 수 없는 은 잉크의 불완전하게 경화된 층을 야기할 수 있다. 낮은 종횡비의 은 입자는 UV-경화성 은 잉크에 사용되어, 은 잉크의 적용된 층을 통해 가능한 빛 산란 통로의 수를 증가시킴으로써 은 잉크의 적용된 층을 통해 적당히 경화된 것을 얻을 수 있다. 낮은 종횡비 입자는 표면적을 감소시키고, 박편 사이의 접촉 면적을 감소시킬 수 있으며, 교대로 높은 종횡비 박편이 사용되면 가능한 어떤 것에 비해 경화된 필름의 전도도를 감소시킬 수 있다. 만일 이러한 경화 문제가 해결될 수 있다면, 높은 전도도를 갖는 더 큰 종횡비의 은 박편은 은 잉크에 사용될 수 있으며, 결과의 은 필름의 전도도를 향상시킬 수 있고 및/또는 높은 전도도를 달성하는데 사용된 은의 양을 감소시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 비-전도성 기판(예를 들어 규조류 피각 박편과 같은 규조류 피각 부분)은 은으로 도금될 수 있다. UV 빛은 규조류 피각 박편의 몸체의 하나 이상의 표면 위의 구멍을 통과할 수 있다. 은 잉크 내 은 도금한 규조류 박편을 이용하여 은 잉크의 경화를 용이하게 할 수 있으며, 은 잉크 내 높은 종횡비 박편의 사용을 가능하게 한다. 일 구현예에 있어서, 은 도금한 규조류 피각을 포함하는 은 잉크는 경화된 은 잉크의 전도도를 증가시킬 수 있으며, 동시에, 잉크의 비용을 감소시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 은 잉크에 사용된 규조류 피각(예를 들어 깨진 규조류 피각)의 부분은 온전한 규조류 입자로부터 정제 및 분리시킬 수 있으며, 규조류 피각 부분의 하나 이상의 표면은 본 명세서에 기재된 방법에 따라 은으로 무전해 코팅될 수 있다.
규조류 표면은 은으로 코팅되는 경우, 정공 또는 개구부(예를 들어 약 300 nm의 직경의 정공 포함)의 규칙적인 패턴에 의해 구멍을 뚫을 수 있다. 개구부는 은 코팅된 규조류 입자를 통해 UV 파장을 산란시킬 정도로 충분히 클 수 있다. 은으로 코팅된 깨진 규조류는 높은 종횡비의 구멍 뚫린 박편 형태의 파편(shards)을 포함할 수 있다. 도 5f는 Ag 나노구조체(예를 들어 은 나노구조체(64))로 코팅된 규조류 피각의 깨진 조각(예를 들어 규조류 피각 박편(60A))의 SEM 영상을 나타낸다.
일 구현예에 있어서, 비록 전도성 입자가 높은 종횡비 및 큰 표면적을 가질지라도, 은 코팅된 구멍 뚫린 규조류 박편은 적당히 두꺼운 잉크(예를 들어 약 5 ㎛ 내지 약 15 ㎛의 두께를 갖는 은 잉크)가 사용될 때, 경화될 수 있는 UV-은 잉크를 제조하는데 사용될 수 있다. 피각 박편의 큰 표면적은 박편 사이의 전기 접촉의 수를 증가시킴으로써 우수한 박편 사이의 전도도를 야기할 수 있으며, 저렴한 규조류 충전제 물질 및 UV 바인더 수지에 의해 흡수된 용량의 나머지와 함께, 원하는 쉬트 전도도를 달성하는데 필요한 만큼만 실질적으로 은을 사용하는 고도의 전도성 잉크를 야기한다.
은 나노구조체는 피각 구멍의 내부 표면을 포함하나 구멍을 차단하지 않은, 피각의 실질적으로 모든 표면을 덮을 수 있다(예를 들어 하나 이상의 구멍의 표면 및 피각 표면은 은 나노구조체 및/또는 은 시드 층으로 도금될 수 있다). Ag 코팅된 규조류 박편에서 구멍은 UV 조사가 규조류 박편을 통과하도록 허여할 수 있고, 적용된 은 잉크 필름 내에 깊은 깊이까지 경화를 용이하게 하고, 전류가 구멍을 통해 박편의 한쪽 면에서 다른 쪽으로 직접 수행되는 것을 허여한다. 박편을 통해 전도 경로의 길이의 감소는 은 잉크로부터 제조된 경화된 필름의 전체 저항을 감소시킬 수 있다.
UV 빛-유도된 중합성 잉크 제형의 예는 하기 목록의 성분을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 규조류 피각 박편을 갖는 은 잉크는 하나 이상의 표면에 형성된 은 나노구조체를 갖는 다수의 피각 부분(예를 들어 피각 박편)과 하기에 열거된 하나 이상의 다른 은 잉크 성분의 조합을 포함하여, 하기에 열거된 성분들의 조합에 의해 제조될 수 있다. 은 필름은 UV 광원으로 은 잉크를 경화함으로써 제조될 수 있다.
1) 약 10 nm 및 약 500 nm 사이의 두께의 Ag 코팅으로 도금한(예를 들어 그 위에 형성된 나노구조체를 갖는), 임의의 다양한 종의 규조류. Ag 코팅의 두께는 규조류 구멍의 공극 크기에 의존할 수 있다. 제형의 비율은 약 50 중량% 및 약 80 중량% 사이일 수 있다. 단편(fragment)이 사용될 수 있는 규조류 종의 예는 Aulacoseira sp. 1 이다.
2) n-비닐-피롤리돈 또는 n-비닐카프로락탐과 같은, 은에 대해 우수한 친화도를 갖는 극성 비닐 단량체.
3) 경화된 필름에서 유연성을 향상시키기 위한 유동개질제(rheology modifier)로서 우수한 연신 특성(elongation properties)을 갖는 아크릴레이트 올리고머.
4) 증가된 가교를 통해 더 강하고, 더 용매 저항적인 경화된 필름을 생산하기 위해 가교제로서 하나 이상의 이작용성 또는 삼작용성 아크릴레이트 단량체 또는 올리고머. 이러한 물질은 광개시 상승제로서 작용하는 것을 선택할 수 있으며, 표면 경화를 향상시킬 수 있다. 예로는 Sartomer CD560®와 같은 에톡실화된 또는 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 제품 코드 SR454® 하의 Sartomer로부터 이용할 수 있는 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 또는 제품 코드 SR507A® 하의 Sartomer로부터 이용할 수 있는 트리알릴 시아누레이트를 포함할 수 있다. 아크릴화된 아민 상승제는 선택일 수 있으며, 예로는 Sartomer CN371® 및 Sartomer CN373®을 포함할 수 있다.
5) 버블링을 감소시키고 습식 잉크 품질을 향상시키기 위한 아크릴레이트-계 흐름 및 수준제.(예를 들어 적당한 흐름 및 수준제는 Modaflow 2100®, Modaflow 9200®를 포함할 수 있다). 향상된 습식 잉크 품질은, 차례로, 경화된 은 잉크 막 품질을 향상시킬 수 있다.
6) 안료 적재된 잉크 시스템에 대해 적당한 하나 이상의 광개시제. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 광개시제는 은 도금한 규조류 박편의 평균 공극 크기보다 작거나 가까운 파장에 민감하므로, UV 광자는 박편 아래에 중합을 개시하기 위하여 또는 거기에 중합을 개시하기 위해 경화되지 않은 필름으로 더 깊게 통과하도록 다른 은 도금한 규조류 박편에 있는 구멍을 통해 산란하기 위하여 공극을 통과할 수 있다. 광개시제의 예는 Ciba Irgacure 907® 및 이소프로필 티옥소탄온(Speedcure ITX®라는 상품명으로 Lambson, UK로부터 이용할 수 있는 ITX)을 포함할 수 있다.
7) 임의의 접착 촉진 아크릴레이트(예를 들어 2-카복시에틸 아크릴레이트).
8) 표면 장력을 낮추고 박편 습윤을 향상시키는 임의의 습윤제(예를 들어 DuPont Capstone FS-30® 및 DuPont Capstone FS-31®).
9) 은 금속의 존재에 의해 유발된 조기 중합을 억제하기 위한 임의의 UV 안정화제(예를 들어 히드로퀴논 및 메틸 에틸 히드로퀴논(MEHQ)).
10) 플렉소 인쇄(flexographic printing), 그라비어 인쇄(gravure printing), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것과 같은 공정을 포함하여, 고속 코팅 공정에서 사용되는 은 잉크 제형을 용이하게 하기 위해 점도를 낮추는 임의의 낮은 끓는점 용매.
일 구현예에 있어서, 규조류 피각 부분을 포함하는 은 잉크는 열경화될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 잉크는 열 공급원에 노출될 수 있다. 예를 들어 은 잉크는 은 잉크의 고분자 성분 사이의 중합 반응을 용이하게 하기 위해 가열될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 은 잉크의 열경화는 용매 성분의 제거를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어 은 잉크는 용매 성분의 제거를 용이하게 하기 위해 은 잉크의 온도를 은 잉크 용매 성분의 끓는점 이상으로 올려 열 공급원에 노출시킬 수 있다.
규조류 피각의 표면에 산화아연(ZnO) 나노구조체의 형성 방법의 예
일반적으로, 기판상에 ZnO 시드는 콜로이드 ZnO의 스프레이 또는 스핀 코팅을 이용하여 또는 아연 염 용액의 열 분해와 함께 증착될 수 있다. 예를 들어 아세트산 아연 전구체의 열 분해는 수직으로 잘-정렬된 ZnO 나노와이어를 제공할 수 있다.
시드로부터 ZnO 나노구조체의 성장은 염기성 용액에서 Zn 염의 가수분해에 의해 달성될 수 있다. 공정은 실온에서 또는 고온에서 수행될 수 있다. 마이크로파 가열은 나노구조체의 성장을 상당히 촉진시킬 수 있다. 성장 매개변수에 따라, 다른 나노구조체가 관찰되었다(예를 들어 나노구조체의 형태학은 성장 온도, 가열의 패턴, 나노구조체 성장 동안 화학 첨가제의 포함, 및/또는 이의 조합을 포함하여, 시드 층 위에 나노구조체의 형성 동안 하나 이상의 성장 조건에 의존할 수 있다.). 예를 들어 화학 첨가제는 원하는 나노구조체의 형태학을 달성하기 위해 사용될 수 있다. ZnO 나노구조체도 그들의 반도체 특성을 조절하기 위해 도핑될 수 있다.
규조류 피각의 표면에 ZnO 시드의 성장 방법의 예
1. ZnO의 시드의 제조는 0.1 g의 정제된 규조류 및 10 mL의 에탄올 내 0.005 M 아세트산아연(Zn(CH3COO)2)(예를 들어 아연 기여 성분)의 혼합물을 건조할 때까지 약 200(예를 들어 약 175 내지 약 225 포함)로 가열함으로써 달성될 수 있다. ZnO로 씨딩된 피각 표면의 100k× 배율의 각 SEM 영상을 도 5g 및 5H에 나타낸다. 도 5g 및 5H는 피각(70)의 표면에 형성된 ZnO를 포함하는 시드(72)의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5g는 산화아연을 포함하는 시드(72)를 갖는 피각 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5h는 산화아연을 포함하는 시드(72)를 갖는 피각 표면의 100k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다.
일 구현예에 있어서, 산화아연으로 피각 표면에 씨딩하는 단계는 약 2중량% 내지 약 5중량%이 피각, 약 0.1중량% 내지 0.5중량%의 산화아연염(예를 들어 Zn(CH3COO)2), 및 약 94.5중량% 내지 약 97.9 중량%이 알콜(예를 들어 에탄올)과 같은 조성을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 일 구현예에 의하면, 상기 피각의 표면 상에 산화아연 씨드를 형성시키는 단계는 상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함한다. 상기 혼합물은 상기 피각의 표면 상에 산화아연 씨드가 용이하게 형성되고, 상기 혼합물로부터 액체를 제거하기 위하여 소정의 온도로 일정시간 동안 가열될 수 있다. 가열은 소정의 온도로 소정의 시간동안 상기 혼합물을 가열시킬 수 있는, 예를 들어 핫플레이트와 같은 임의의 가열기구를 사용할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물은 상기 피각의 표면 상에 산화아연 씨드의 형성을 용이하게 하고, 산화아연이 씨드된 피각을 건조시키기 위하여 약 80℃ 초과의 온도로 가열될 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 가열된 혼합물은 액체를 더 제거 하기 위하여 진공오븐에서 더 가열될 수 있다. 예를 들어 상기 혼합물은 약 1밀리바(mbar)의 압력에서 약 50℃ 내지 약 100℃의 온도로 진공오븐에서 가열될 수 있다.
일 구현예에 의하면, 상기 건조된 피각은 어닐링 공정을 수행할 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 어닐링 공정은 예를 들어 아연염의 분해를 촉진시켜 산화아연을 형성시키는 것과 같이 산화아연의 원하는 형성(desired formation)을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 어닐링 공정의 조건은 피각으로부터 어떠한 잔존하는 액체의 증발에 의한 것과 같이 피각의 추가 건조를 달성할 수 있도록 구성될 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 어닐링 공정은 불활성 대기분위기 하에서 약 200℃ 내지 약 500℃의 온도로 건조된 피각들을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 어닐링 공정은 아르곤 및/또는 질소가스를 포함하는 대기분위기 하에서 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
규조류 피각의 ZnO 씨딩된 표면에 ZnO 나노구조체의 성장 방법의 예
2. 본 명세서에서 기재된 것과 같이, ZnO 나노구조체는 피각 표면상에 형성된 상기 산화아연 씨드에서 성장될 수 있다. 산화아연 나노구조체 성장은 0.1 g의 씨딩된 피각과 10 mL의 물 내 0.025 M ZnN03(예를 들어 아연 기여 성분) 및 0.025 M 헥사메틸렌테트라민 용액(예를 들어 염기성 용액)의 혼합물에서 수행될 수 있다. 상기 혼합물은 교반 플레이트에서 약 2시간(예를 들어 약 1시간 내지 약 3시간 포함) 동안, 또는 약 10분(예를 들어 약 5분 내지 약 30분 포함) 동안 고리형 가열 방법(예를 들어 마이크로파 가열)을 이용하여 약 90(예를 들어 약 80 내지 약 100 포함)로 가열될 수 있고 상기 샘플은 약 2분(예를 들어 약 30초 내지 약 5분, 약 1분 내지 약 5분, 약 5분 내지 약 20분 포함) 동안 500 Watt의 파워(예를 들어 약 480 Watt 내지 약 520 Watt 포함)으로 가열시킨 다음, 500 Watt에서 가열을 반복하기 전에 약 1분(예를 들어 약 30초 내지 약 5분 포함) 동안 가열을 중단할 수 있다.
상술된 공정을 이용해 피각(70)의 내부 및 외부 표면에 결과의 나노와이어(74)는 도 5i 및 5J에 나타낸다. 도 5i는 규조류 피각(70)의 내부 표면 및 외부 표면에 형성된 ZnO 나노와이어(74)의 50k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다. 일 구현예에 있어서, ZnO 나노와이어(74)는 규조류 피각(70)의 내부 표면의 부분에 형성될 수 있다. 예를 들어 ZnO 나노와이어(74)는 규조류 피각(70)의 내부의 모든 또는 실질적으로 모든 표면에 형성될 수 있다. ZnO 나노와이어(74)는 규조류 피각(70)의 모든 또는 실질적으로 모든 내부 및 외부 표면에 형성될 수 있다. 이 출원의 도면은 규조류 피각의 내부에 나노구조체(예를 들어 ZnO 나노와이어)의 성장을 포함하여, 규조류 피각에 나노구조체(예를 들어 ZnO 나노와이어)의 성장이 가능하다는 증거를 제공한다. ZnO 나노구조체로 규조류 피각의 모든 또는 실질적으로 모든 면의 코팅은, 기판의 외부에만 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 물질(예를 들어 그것으로부터 인쇄된 잉크 또는 층)에 비해, ZnO 나노구조체-코팅된 규조류 피각(예를 들어 증가된 벌크 전도도 및/또는 쉬트 전도도)을 포함하는 물질(예를 들어 그것으로부터 인쇄된 잉크 또는 층)의 증가된 전도도를 제공할 수 있다. 도 5j는 규조류 피각(70)의 표면에 형성된 ZnO 나노와이어(74)의 25k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5m 및 5N은 하나 이상의 표면에 ZnO 나노와이어(74)를 갖는 규조류 피각(70)의 추가 SEM 영상이다. 도 5m은 10k× 배율의 규조류 피각(70)의 SEM 영상이다. 도 5n은 100k× 배율의 규조류 피각(70)의 SEM 영상이다. ZnO 나노와이어(74)의 다면체, 다각형 횡단면도, 및 막대 같은 구조체 및 피각(70)의 표면에 이들의 부착은 도 5n에서 더욱 명백하게 볼 수 있다. 상기 가열이 100 Watt의 마이크로파에서 수행된 경우(예를 들어 약 80 Watt 내지 약 120 Watt 포함; 및 약 2분 켠 다음, 약 1분 끄고, 총 약 10분 동안 반복됨), 나노플레이트(76)는(예를 들어 도 5k에 나타난 바와 같이) 피각(70)의 표면에 형성될 수 있다.
일 구현예에 있어서, ZnO로 씨딩된 피각들의 하나 이상의 표면 상에 ZnO 나노구조체를 형성하는 방법은 약 1중량% 내지 약 5중량%의 씨드된 피각들, 약 6중량% 내지 약 10중량%의 아연 염(예를 들어 약 1중량% 내지 약 2중량%의 염기(예컨대, 수산화 암모늄(NH4OH)), 약 1중량% 내지 약 5중량%의 첨가제(예를 들어 헥사메틸렌테트라 민(HMTA)), 및 약 78중량% 내지 약 91중량%의 정제수와 같은 조성을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, ZnO 나노구조체를 형성하는 단계는 상기 혼합물을 가열하는 단계를 포함한다. 상기 혼합물은 마이크로파를 사용하여 가열될 수 있다. 예를 들어 상기 혼합물은 마이크로파 장치에서 약 30분 내지 약 60분 동안 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열될 수 있다(예를 들어 약 10 mL 내지 약 30mL의 혼합물과 같이 소규모 합성을 위한 Monowave 300, 또는 약 1L 혼합물과 같은 보다 큰 규모의 합성을 위한 마스터 웨이브 BTR(Masterwave BTR), 모두 Anton Paar® GmbH로부터 상업적으로 입수 가능함). 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물은 마이크로파에 의해 가열되는 동안 교반될 수 있다. 예를 들어 상기 혼합물은 가열하는 동안 약 200 분당 회전수(RPM)에서 약 1000RPM으로 자기 교반기로 교반될 수 있다. 마이크로 웨이브 가열의 사용은 가열시간의 감소를 유리하게 촉진시키고, 보다 효율적인 제조 공정을 제공할 수있다.
일 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 피각은 약 10중량% 내지 약 95중량%, 약 20중량% 내지 약 95중량%, 약 30중량% 내지 약 95중량%, 약 40중량% 내지 약 95중량%, 또는 약 50중량% 내지 약 95 중량%을 포함하여, 약 5중량% 내지 약 95중량%의 ZnO과, 잔여중량을 차지하는 상기 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 피각은 약 5 중량% 내지 약 95 중량%의 피각과 잔여중량을 차지하는 ZnO을 포함한다. 일부 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 피각은 약 40 중량% 내지 약 50 중량%의 피각과, 잔여중량을 차지하는 ZnO을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 피각은 약 50 중량% 내지 약 60 중량%의 ZnO과, 잔여중량을 차지하는 ZnO를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 피각의 중량에 대한 ZnO의 중량(a mass of the ZnO to a mass of the frustule)은 약 1:15 내지 약 20:1, 약 1:10 내지 약 20:1, 약 1:1 내지 20:1, 2:1 내지 10:1, 또는 2:1 내지 9:1을 포함하여 약 1:20 내지 약 20:1일 수 있다. 상기 ZnO 나노구조체는 바람직하게는 코팅 전에 피각들의 중량보다 큰 중량을 갖는다. 일 구현예에 있어서, 상기 피각의 중량에 대한 상기 ZnO 나노구조체의 중량은 약 1:1, 약 10:1 또는 약 20:1보다 클 수 있다. 특정의 그러한 구현예에서, 상한치는 예를 들어 상기 피각들(예를들어 공극을 완전히 폐색하지 않는 ZnO 나노구조체)의 기공도(openness of pores)에 기초 할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피각의 중량 대한 ZnO의 중량은 약 1 : 1 내지 약 100 : 1, 약 10 : 1 내지 약 100 : 1, 약 20 : 1 내지 100 : 1, 40 : 1 내지 100 : 1, 60 : 1 내지 100 : 1 또는 80 : 1 내지 100 : 1을 포함하는, 약 1:20 내지 약 100:1 일 수 있다. 일부 실시예에서, 피각의 중량에 대한 ZnO 나노구조체의 중량은 약 30 : 1, 약 40 : 1, 약 50 : 1, 약 60 : 1, 약 70 : 1, 약 80 : 1 또는 약 80 : 약 90 : 1보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 피각이 중량에 대한 ZnO 나노구조체의 중량은 원하는 디바이스 성능을 제공하도록 선택될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피각들의 공극(pores)은 나노구조체에 의해 폐색될 수 있다. 예를 들어 ZnO 나노구조체는 상기 피각들의 기공 내의 표면을 포함하여 상기 피각들의 표면 상에 형성될 수 있고, 이에 의해 상기 ZnO 나노구조체는 상기 피각의 기공 중 일부 또는 전부를 폐색하거나 실질적으로 폐색할 수 있다.
ZnO 나노구조체의 중량은 코팅 전과 후의 상기 피각들의 중량을 칭량해서 그 차이가 ZnO 나노구조체의 중량인 것으로 결정될 수 있다. 일 구현예에 있어서, ZnO 나노구조체를 형성하기 위한 혼합물의 조성은 목적하는 ZnO 중량%를 포함하는 ZnO 코팅된 피각들이 형성 될 수 있도록 선택될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각 표면 상의 ZnO의 중량%는 대향하는 에너지 저장 장치 전극상의 전극 활물질의 원하는 질량에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어 ZnO 나노구조체를 형성하기 위한 혼합물의 조성은 대향하는 에너지 저장 전극(opposing energy storage electrode)에서 MnO, Mn2O3, Mn3O4 및 MnOOH 중 하나 이상의 질량과 같은 망간 산화물의 질량에 기초하여 선택 될 수 있다. 예를 들어 화학량적 계산에 기초하여, 일 에너지 저장 장치 전극에서의 Mn2O3의 질량은 대향 전극에서의 ZnO의 질량의 적어도 약 2.5배일 수 있다.
도 5o를 참조하면, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 갖는 다수의 피각들(70)에 대한 500배 배율에서의 SEM 이미지가 도시된다. ZnO 나노구조체로 코팅된 피각들(70)은 약 2 중량% 내지 약 5 중량%의 피각들, 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 Zn(CH3COO)2 및 약 94.5 중량% 내지 약 97.9 중량% 에탄올로 본질적으로 이루어진 혼합물을 사용하여 1차로 씨드(seed)되었다. 피각들에 씨드된 ZnO를 형성하기 위한 혼합물은 ZnO 씨드된 피각들을 형성하고 ZnO 씨드된 피각들의 원하는 건조를 달성할 수 있을 동안 80℃를 초과하는 온도로 가열되었다. 이어서, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 ZnO 씨드된 피각들, 약 6 중량% 내지 약 10 중량%의 Zn(NO3)2, 약 1 중량% 내지 20 중량%의 ZnO, 약 2 중량%의 수산화암모늄(NH4OH), 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 헥사메틸렌테트라민(HMTA), 및 약 78 중량% 내지 약 91 중량%의 정제수로 본질적으로 이루어진 혼합물을 사용하여 ZnO 씨드된 피각들 상에 ZnO 나노구조체를 형성시켰다. ZnO 나노구조체의 형성 및 피각들의 건조를 촉진시키기 위하여 상기 혼합물을 마이크로파를 사용하여 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 약 30분 내지 약 60분 동안 가열하였다. 도 5o에 도시된 바와 같이, 예기치 않게, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 갖는 복수의 피각들(70)은 응집되지 않았거나 실질적으로 응집되지 않았다. 각 피각(70)은 ZnO 나노구조체에 의해 개별적으로 덮이거나 실질적으로 개별적으로 덮여있다. 도 5o에 도시된 바와 같이 그 위에 ZnO 나노구조체가 형성된 피각들(70) 각각은 ZnO가 약 50 중량% 내지 약 60 중량% 포함되어 있다. 도 5p는 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 갖는 개별 피각(70)의 5k 배율에서의 SEM 이미지를 보여준다. 도 5p의 피각(70) 상의 ZnO 나노구조체는 도 5o를 참조하여 기술된 공정을 사용하여 형성되었다. 도 5p에 도시 된 바와 같이, 그 위에 ZnO 나노플레이크(78)가 형성된 피각(70)은 다공성이다. 예를 들어 ZnO 나노플레이크(78)는 피각들(70)의 기공을 가리지 않아서, 그 위에 형성된 ZnO 나노플레이크(78)를 갖는 피각들(70)을 포함하는 전극을 통해 전해액의 이송을 유리하게 촉진한다
ZnO 씨딩 및 나노구조체 성장에 사용될 수 있는 적당한 Zn 염의 예는 아세트산 아연 수화물, 질산 아연 육수화물, 염화 아연, 황산 아연, 아연산 나트륨, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함한다.
ZnO 나노구조체 성장에 적당한 염기의 예는 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 수산화리튬, 헥사메틸렌테트라민, 암모니아 용액, 탄산 나트륨, 에틸렌디아민, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
ZnO 나노구조체의 형성에 적합한 용매의 예는 하나 이상의 알콜류를 포함한다. 본 명세서에 기재된 용매는 Ag 나노구조체 성장에 적합한 것으로 ZnO 나노구조체 형성에도 적합할 수 있다.
나노구조체 형태학 조절에 사용될 수 있는 첨가제의 예는 트리부틸아민, 트리에틸아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필아민, 암모늄 포스페이트, 1,6-헥사디안올, 트리에틸디에틸놀, 이소프로필아민, 시클로헥실아민, n-부틸아민, 염화 암모늄, 헥사메틸렌테트라민, 에틸렌 글리콜, 에탄올아민, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 도데실 설페이트, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 카바마이드, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
규조류 피각의 표면에 탄소 나노튜브의 형성 방법의 예
탄소 나노튜브(예를 들어 다중벽 및/또는 단일벽)는 화학 증기 증착 기법 및 이의 다양성에 의해 규조류 표면(예를 들어 내부 및/또는 외부)에 성장될 수 있다. 이 기법에서, 규조류는 먼저 촉매 시드로 코팅된 다음 기체의 혼합물을 도입시킨다. 기체 중 하나는 환원 기체일 수 있고, 다른 기체는 탄소의 공급원일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 기체의 혼합물이 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 중성 기체는 농도 조절을 위해 포함될 수 있다(예를 들어 아르곤). 또한, 아르곤은 액체 탄소질(carbonaceous) 물질(예를 들어 에탄올)을 운반하기 위해 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브의 형성을 위한 시드는 스프레이 코팅과 같은 기법에 의해 금속으로 증착될 수 있고, 및/또는 액체, 기체, 및/또는 고체로부터 도입될 수 있으며, 열분해에 의해 상승된 온도 아래로 나중에 감소될 수 있다. 탄소질 기체의 감소는 약 600 내지 약 1100의 범위의 고온에서 발생할 수 있다.
시드(seed) 코팅 공정 및 기체 반응은 나노기공으로 인해 피각 표면에서 달성될 수 있다. 기법은 실리콘, 알루미나, 산화 마그네슘, 석영, 흑연, 실리콘 카바이드, 제올라이트, 금속, 및 실리카를 포함하는 다른 기판에서 탄소 나노튜브 "숲" 성장으로 개발되어 왔다.
촉매 시드의 성장에 적합한 금속 화합물의 예는 니켈, 철, 코발트, 코발트-몰리브데늄 두금속(bimetallic), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 안티몬(Sn), 알루미늄-철-몰리브덴(Al/Fe/Mo), 철 펜타카보닐(Fe(CO)5)), 철(III) 니트레이트 헥사하이드레이트((Fe(N03)3·6H20), 코발트(II) 클로라이드 헥사하이드레이트(CoCl2·6H20), 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트((NH4)6Mo7024·4H20), 몰리브덴(VI) 디클로라이드 디옥사이드(Mo02Cl2), 알루미나 나노분말, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
적당한 환원제의 예는 암모니아, 질소, 수소, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
탄소의 공급원(예를 들어 탄소질 기체)으로 작용할 수 있는 적당한 기체의 예는 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 산화탄소, 벤젠, 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
규조류 피각의 표면에 망간-함유 나노구조체의 형성 방법의 예
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 하나 이상의 표면에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 망간의 산화물은 피각의 하나 이상의 표면에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 화학식 MnxOy(여기서, x는 약 1 내지 약 3이고 y는 약 1 내지 약 4임)를 갖는 망간 산화물을 포함하는 나노구조체는 피각의 하나 이상의 표면 상에 형성 될 수 있다. 예를 들어 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3), 및/또는 망간 옥시하이드록사이드(MnOOH)을 포함하는 나노구조체는 피각의 하나 이상의 표면에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치의 멤브레인은 망간-함유 나노구조체를 갖는 피각을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치(예를 들어 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터, 및/또는 연료전지)는 망간-함유 나노구조체를 함유하는 다수의 피각을 갖는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 필름을 인쇄하는데 사용된 잉크는 망간-함유 나노구조체를 포함하는 피각이 분산된 용액을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 배터리의 하나 이상의 전극은 하나 이상의 표면에 망간-함유 나노구조체를 포함하는 피각을 포함할 수 있다(예를 들어 아연-망간 배터리의 전극). 충전 배터리는 이산화망간(MnO2)을 포함하는 나노구조체를 포함하는 피각을 포함하는 제 1 전극 및 아연(예를 들어 아연 코팅을 포함하는 피각)을 포함하는 제 2 전극을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극은 다른 물질을 포함할 수 있다. 방전 배터리는 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3), 및/또는 망간 옥시하이드록사이드(MnOOH)을 포함하는 나노구조체를 포함하는 피각을 포함하는 제 1 전극 및 산화아연(ZnO)(예를 들어 산화아연을 포함하는 나노구조체를 포함하는 피각)을 포함하는 제 2 전극을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 방전 배터리의 제 2 전극은 다른 물질을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 충전된 배터리는 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3) 및/또는 망간옥시수산화물(MnOOH) 나노 구조체가 그 위에 형성된 제 1 전극과, ZnO 나노구조체가 그 위에 형성된 제 2 대향 전극을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 배터리는 재충전 가능한 배터리(rechargeable battery) 일 수 있다.
규조류 피각 부분에 망간-함유 나노구조체의 형성 방법은 산소화된(oxygenated) 아세트산 망간 용액에 피각을 가하는 단계, 및 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 피각의 하나 이상의 표면에 Mn3O4를 형성하는 방법의 예가 제공된다. 예를 들어 깨끗한 물(예를 들어 Billerica, MA의 EMD Millipore Corporation로부터 시판되는 깨끗한 물)을 약 10분 내지 약 60분 동안 산소 기체(O2)로 버블링시켜(예를 들어 O2 퍼징) 산소화된 물을 형성할 수 있다. 그 다음, 아세트산 망간(II)(Mn(CH3COO)2)을 약 0.05 moles/liter(M) 내지 약 1.2 M의 농도에서 산소화된 물에 용해시켜 산소화된 아세트산 망간 용액을 형성할 수 있다.
피각을 산소화된 아세트산 망간 용액에 가할 수 있다. 산소화된 아세트산 망간 용액에 가해진 피각은 피각 표면에 임의의 미리 형성된 나노구조체 및/또는 코팅을 가질 수 없다. 일 구현예에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액에 가해진 피각은 피각 표면에 하나 이상의 나노구조체 및/또는 코팅을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액에 가해진 피각은 피각 표면의 적어도 몇몇 부분에 하나 이상의 나노구조체 및/또는 코팅을 가질 수 있다. 예를 들어 피각은 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 공정에 따라 형성된 망간-함유 나노구조체가 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치될 수 있도록, 피각 표면의 부분에 탄소-함유 나노구조체를 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 환원된 산화 그래핀, 탄소 나노튜브(예를 들어 단일벽 및/또는 다중벽), 및/또는 탄소 나노이온을 포함할 수 있다. 탄소-함유 나노구조체는 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 공정 또는 다른 공정에 따라 피각 표면에 형성될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 피각은 용액이 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%의 피각을 포함하도록 산소화된 아세트산 망간 용액에 가해질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다른 Mn2+ 염이 적당할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다른 산화제(예를 들어 과산화수소)가 적당할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 망간-함유 나노구조체의 성장은 열 기법 및/또는 마이크로파 기법을 이용하여 수행될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체의 바람직한 성장은 열 방법을 이용하는 경우 장기간을 수반할 수 있다. 예를 들어 열 기법은 나노구조체 성장 공정에서 열 가열을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 나노구조체를 성장시키는 열 방법의 예는 약 15시간 내지 약 40시간(예를 들어 약 24시간) 동안 산소화된 아세트산 망간 용액에 피각을(예를 들어 많은 적당한 기법을 이용하여 교반함으로써) 혼합하는 단계, 및 약 50℃ 내지 약 90℃(예를 들어 약 60℃)의 온도에서 혼합물을 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 혼합물의 온도는 혼합물을 열로 가열시킴으로써 유지될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 나노구조체를 성장시키는 마이크로파 방법은 짧은 나노구조체 성장 공정을 용이하게 할 수 있고 및/또는 확장가능한 나노구조체 성장 공정을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어 나노구조체 성장의 마이크로파 방법은 나노구조체 성장 공정에서 마이크로파 가열을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 마이크로파 기법을 이용한 나노구조체 성장 공정의 예는 산소화된 아세트산 망간 용액에 피각을 가하는 단계, 및 약 10분 내지 약 120분 동안 약 50℃ 내지 약 150℃의 온도에서 혼합물을 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 혼합물은 온도를 유지시키면서 교반될 수 있다.
일 구현예에 있어서,(예를 들어 세척 및 건조 후) 적갈색을 갖는 망간-함유 나노구조체는 본 명세서에 기재된 하나 이상의 공정을 이용하여 피각의 하나 이상의 표면에 형성할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 산화망간 구조체는 사면체 모양을 가질 수 있다. 적갈색은 망간(II, III) 산화물(Mn3O4)의 존재를 나타낼 수 있다. 일 구현예에 있어서, 사면체 나노결정의 형성은 망간(II, III) 산화물(Mn3O4)의 존재를 나타낼 수 있다.
도 5q는 나노구조체(82)가 나노구조체 성장의 마이크로파 방법을 이용하여 형성된 경우, 하나 이상의 이의 표면에 망간(II, III) 산화물(Mn3O4)를 포함하는 나노구조체(82)를 갖는 피각(80)의 예의 20k× 배율의 SEM 영상을 나타낸다. 도 5r은 도 5q에 나타낸 피각(80)의 50k× 배율의 SEM 영상이다. 도 5q 및 5R에 나타낸 망간(II, III) 산화물(Mn3O4)을 포함하는 나노구조체(82)는 약 30분 동안 깨끗한 물을 통해 산소 기체(O2)를 버블링하여 제조된 약 0.15 M 아세트산 망간의 농도를 갖는 산소화된 용액을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어 상용등급 산소 기체(예를 들어 95% 이상의 순도 수준, 예를 들어 적어도 약 97% 순도, 또는 적어도 약 99% 순도)가 사용될 수 있다. 예를 들어 적어도 약 97%의 순도를 갖는 산소 기체는 실온(예를 들어 약 25℃)에서 약 30분 동안 약 15 mL의 깨끗한 물을 함유하는 바이알(예를 들어 20 밀리리터(mL)의 용적을 갖는 바이알)에 유리 프릿(glass frit)을 통해 버블링시킬 수 있다. 0.55 그램(g)의 아세트산 망간 사수화물(예를 들어 Sigma-Aldrich Corp.로부터 시판됨)을 산소화된 깨끗한 물에 용해시킬 수 있다. 0.005 그램(g)의 규조류를 산소화된 망간-함유 용액에 가할 수 있다. 그 다음, 가해진 피각을 포함하는 혼합물을 함유하는 바이알을 파이크로파에 놓고(예를 들어 모노파동(Monowave) 300 마이크로파, Anton Paar® GmbH로부터 시판됨), 원하는 시간 동안 원하는 온도에서 합성이 수행될 수 있다. 용액과 피각을 포함하는 혼합물은(예를 들어 약 600 rpm의 회전 속도로 자석 교반 바와 함께) 계속 교반하면서, 약 60℃의 온도에서 약 30분 동안 유지시킬 수 있다. 일 구현예에 있어서, 혼합물을 물로 희석시킨 다음,(예를 들어 약 5분 동안 5000 rpm에서) 원심분리하여 상청액을 버릴 수 있다. 일 구현예에 있어서, 침전물을 다시 물로 희석시킨 다음, 분산시키고(예를 들어 흔들기, 및/또는 볼텍싱(vortexing)), 다시 원심분리하여 상청액을 버릴 수 있다. 그 다음, 침전물을 진공 오븐에서 약 70℃ 내지 약 80℃에서 건조시킬 수 있다.
도 5r을 참조하면, 나노구조체(82)는 사면체 모양을 가질 수 있다. 산화망간(II, III)(Mn3O4) 구조체는 놀랍게도 피각으로부터 분리된 용액에서 형성되기 보다는 피각의 표면에서 성장함을 관찰하였다.
도 5s는 도 5q 및 5R에 나타낸 피각의 표면에 형성된 나노구조체(82)의 투과 전자 현미경(TEM) 영상이다. 나노구조체(82)의 하나 이상의 개개의 원자를 볼 수 있으며, 규모는 크기 비교로 제공된다. 도 5t는 망간(II, III) 산화물(Mn3O4) 입자의 전자 회절 영상을 나타낸다.
일 구현예에 있어서, 피각 표면에 형성된 나노구조체의 모양 및/또는 크기는 나노구조체 형성 공정의 매개변수에 의존할 수 있다. 예를 들어 나노구조체의 형태학은 용액 농도 및/또는 용액의 산소화 수준에 의존할 수 있다. 도 5u는 망간-함유 나노구조체(92)가 도 5q 및 5R에 나타낸 나노구조체(82)의 형성에 사용된 공정에 비해 높은 산소 농도(예를 들어 약 40분 동안 물의 산소 퍼징) 및 높은 망간 농도(예를 들어 약 1 M의 아세트산 망간 농도)를 갖는 용액을 이용하여 형성되는 경우, 이의 표면에 형성된 망간-함유 나노구조체(92)를 포함하는 피각(90)의 10k× 배율의 SEM 영상이다. 예를 들어 나노구조체(92)는 하기의 차이를 제외하고는,(예를 들어 도 5q 및 5R의) 나노구조체(82)의 형성에 관하여 기재된 바와 같은 공정에 따라 피각(90) 위에 형성될 수 있다: 깨끗한 물의 산소 기체 버블링은 산소화된 깨끗한 물에 약 0.9 그램(g)의 아세트산 망간의 첨가와 함께 약 40분 동안 수행될 수 있고, 약 0.01 그램(g)의 규조류는 망간-함유 용액에 가해질 수 있으며, 규조류와 망간-함유 용액을 포함하는 혼합물은 약 150℃의 온도에서 마이크로파로 데울 수 있다.
도 5u에 나타난 바와 같이, 나노구조체(92)는 가늘고 긴 섬유 같은 모양을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 나노구조체(92)는 얇은 가늘고 긴 모양(예를 들어 얇은 수염 같은 구조체)을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 섬유 같은 구조체의 형성은 망간 옥시하이드록사이드(MnOOH)의 존재를 나타낼 수 있다.
일 구현예에 있어서, 피각의 하나 이상의 표면 상에 화학식 MnxOy(여기서, x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4 임)를 갖는 망간 산화물을 하나 이상으로 포함하는 나노구조체를 형성시키는 단계는 예를 들어 망간 염((예를 들어 망간 아세테이트(Mn(CH3COO)2)) 및 염기(예를 들어 수산화암모늄(NH4OH))가 함유된 산소화된 물(oxygenated water)와 같은 망간원료에 피각을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각의 하나 이상의 표면상에 MnxOy 나노구조체를 형성하는 단계는 다음 조성을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함 할 수 있다: 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%의 피각, 약 7 중량% 내지 약 10 중량%의 Mn(CH3COO)2, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 NH4OH 및 약 78 중량% 내지 약 87.5 중량%의 산소화 된 정제수(oxygenated purified water). 일 구현예에 있어서, 혼합물을 위한 산소화된 정제수는 약 10분 내지 약 30분 동안 정제수를 통해 산소를 버블링시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 혼합물은 MnxOy 나노구조체의 형성을 용이하게 하기 위해 마이크로 웨이브를 사용하여 가열 될 수 있다(예를 들어 약 10 mL 내지 약 30mL의 혼합물과 같이 소규모 합성을 위한 Monowave 300, 또는 약 1L 혼합물과 같은 보다 큰 규모의 합성을 위한 마스터 웨이브 BTR(Masterwave BTR), 모두 Anton Paar® GmbH로부터 상업적으로 입수 가능함). 예를 들어 상기 혼합물은 마이크로파를 사용하여 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 약 30분 내지 약 60분 동안 가열될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 예를 들어 상기 혼합물은 가열하는 동안 약 200 분당 회전수(RPM)에서 약 1000RPM으로 자기 교반기로 교반될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 망간 산화물(예를 들어 화학식 MnxOy(여기서, x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4 임)를 갖는 산화물) 나노구조체를 포함하는 피각은 약 30중량% 내지 약 95중량%, 약 40중량% 내지 약 95중량%, 약 40중량% 내지 약 85중량%, 약 50중량% 내지 약 85중량%, 약 55중량% 내지 약 95중량%, 또는 약 75중량% 내지 약 95중량%를 포함하는, 약 5중량% 내지 약 95 중량%의 망간 산화물과, 잔여중량을 차지하는 상기 피각을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 그 위에 형성된 망간 산화물(예를 들어 화학식 MnxOy(여기서, x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4 임)를 갖는 산화물) 나노구조체를 포함하는 피각은 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 피각과, 잔여중량의 망간 산화물 나노구조체를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각의 중량에 대한 망간 산화물 나노구조체의 중량은 약 1:15 내지 약 20:1, 약 1:10 내지 약 20:1, 약 1:1 내지 약 20:1, 약 5:1 내지 약 20:1, 약 1:1 내지 약 10:1 또는 약 2:1 내지 약 9:1을 포함하여, 약 1:20 내지 약 20:1 일 수 있다. 망간 산화물 나노구조체는 바람직하게는 코팅 전에 피각들의 중량보다 큰 중량을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 망간 산화물 나노구조체의 증량 대 피각의 중량비는 약 1:1, 약 10:1 또는 약 20:1 보다 클 수 있다. 특정의 그러한 구현예에서, 상한치는 예를 들어 상기 피각들(예를 들어 공극(pores)을 완전히 폐색하지 않는 망간 산화물 나노구조체)의 기공도(openness of pores)에 기초 할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피각들의 공극(pores)은 나노구조체에 의해 폐색될 수 있다. 예를 들어 망간 산화물 나노구조체는 상기 피각들의 기공 내의 표면을 포함하여 상기 피각들의 표면 상에 형성될 수 있고, 이에 의해 상기 망간 산화물 나노구조체는 상기 피각의 기공 중 일부 또는 전부를 폐색하거나 실질적으로 폐색할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피각의 중량 대한 망간 산화물 나노구조체의 중량은 약 1 : 1 내지 약 100 : 1, 약 10 : 1 내지 약 100 : 1, 약 20 : 1 내지 100 : 1, 40 : 1 내지 100 : 1, 60 : 1 내지 100 : 1 또는 80 : 1 내지 100 : 1을 포함하는, 약 1:20 내지 약 100:1 일 수 있다. 일부 실시예에서, 피각의 중량에 대한 망간 산화물 나노구조체의 중량은 약 30 : 1, 약 40 : 1, 약 50 : 1, 약 60 : 1, 약 70 : 1, 약 80 : 1 또는 약 80 : 약 90 : 1보다 클 수 있다. 일부 실시예에서, 피각이 중량에 대한 망간 산화물 나노구조체의 중량은 원하는 디바이스 성능을 제공하도록 선택될 수 있다.
망간 산화물 나노구조체의 중량은 코팅 전과 후의 상기 피각들의 중량을 칭량해서 그 차이가 망간 산화물 나노구조체의 중량인 것으로 결정될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 망간 산화물 나노구조체를 형성하기 위한 혼합물의 조성은 목적하는 망간 산화물 중량%를 포함하는 망간 산화물이 코팅된 피각들이 형성될 수 있도록 선택될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각 표면 상의 망간 산화물의 중량%는 대향하는 에너지 저장 장치 전극상의 전극 활물질의 원하는 질량에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어 망간 산화물 나노구조체를 형성하기 위한 혼합물의 조성은 대향하는 에너지 저장 전극(opposing energy storage electrode)에서 ZnO의 질량에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어 화학량적 계산에 기초하여, 일 에너지 저장 장치 전극에서의 Mn2O3의 질량은 대향 전극에서의 ZnO의 질량의 적어도 약 2.5배일 수 있다.
도 5v는 그 위에 형성된 망간 산화물의 나노구조체(96)를 포함하는 피각(94)에 대한 20k 배율의 SEM 이미지이다. 상기 나노구조체(96)는 상이한 망간의 산화물들의 혼합물을 포함하는데, 상기 산화물들은 화학식 MnxOy(x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4 임)를 갖는다. 도 5v에 도시된 바와 같이, 피각(94)은 망간 산화물 나노구조체(96)로 두껍게 코팅된다. 도 5w는 그 위에 형성된 망간 산화물)(예를 들어 x가 약 1 내지 약 3이고 y가 약 1 내지 약 4인 화학식 MnxOy를 갖는 산화물) 나노구조체(96)를 포함하는 피각(94)의 단면에 대한 50k 배율의 SEM 이미지이다. 상기 피각(94)은 집속이온 빔(FIB)기술을 사용하여 절단되었고, 절단된 피각(94)의 단면도는 도 5w에 도시되어있다. 도 5w에 도시된 바와 같이, 망간 산화물 나노구조체(96)는 피각(94)의 내부 및 외부 표면 상에 형성 될 수 있고, 나노구조체(96)의 부피는 피각(94)의 부피보다 클 수 있다. 도 5x는 그 위에 형성된 망간 산화물(예를 들어 x가 약 1 내지 약 3이고 y가 약 1 내지 약 4인 화학식 MnxOy를 갖는 산화물) 나노구조체(96)를 포함하는 피각(94) 측벽에 대한 100k 배율에서의 SEM 이미지이다. 도 5x에 도시된 바와 같이, 피각(94)의 측벽은 망간 산화물 나노구조체(96)에 의해 코팅될 수 있는 반면에, 측벽상의 공극은 폐색되지 않는다. 피각 공극의 폐색이 없거나 실질적으로 없이 그 위에 형성된 망간 산화물 나노구조체를 갖는 피각은 망간 산화물 나노구조체에 의해 코팅된 피각을 포함하는 전극을 통해 전해액의 이송을 용이하게 하는데 이점이 있다.
도 5v 내지 5X에 도시된, 그 위에 형성된 망간 산화물 나노구조체(96)를 포함하는 피각들(94)은 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%의 피각들, 약 7 중량% 내지 약 10 중량%의 Mn(CH3COO)2, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 NH4OH 및 약 78 중량% 내지 약 87.5 중량%의 산소화된 정제수로 본질적으로 이루어진 혼합물을 사용하여 형성되었다. 상기 혼합물을 마이크로파를 사용하여 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 약 30분 내지 약 60분 동안 가열하였다. 도 5v 내지도 5x에 도시된 바와 같이, 피각들(94)은 망간 산화물 나노구조체(96)에 의해 두껍게 코팅되었다. 예를 들어 망간 산화물 나노구조체로 코팅된 피각의 약 75 중량% 내지 약 95 중량%는 나노 구조체이고, 나머지 중량은 피각의 중량이었다.
코팅의 조합(319)
일 구현예에 있어서, 코팅의 조합도 가능할 수 있다. 예를 들어 피각의 표면은 니켈 코팅 및 탄소 나노튜브의 코팅을 포함할 수 있다(예를 들어 이러한 피각은 슈퍼커패시터를 포함하여, 에너지 저장 장치에 사용될 수 있다).
도 6은 에너지 저장 장치(100)의 구현예를 도식적으로 나타낸다. 도 6은 에너지 저장 장치(100)의 횡단면도 또는 정면도일 수 있다. 에너지 저장 장치(100)는 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150), 예를 들어 각각 또는 관계없이 캐소드 및 아노드를 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(140, 150)은 분리부(130)에 의해 분리된다. 에너지 저장 장치(100)는 임의로 전극들(140, 150) 중 하나 또는 둘 다에 전기적으로 결합된 하나 이상의 집전체들(110, 120)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)는 제 1 전극(140), 제 2 전극(150), 및/또는 분리부(130)를 포함하고, 이들 중 어느 것은 증착된 멤브레인 또는 층을 포함하여 멤브레인 또는 층일 수 있다.
집전체(110, 120)는 외부 배선(external wiring)에 전자의 통로를 제공하는 임의의 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어 집전체(110, 120)는 제 1 및 제 2 전극(140, 150)의 표면에 인접하게 배치되어 전극들(140, 150) 사이에서 전기 장치로 전달될 에너지 흐름을 허여할 수 있다. 도 6에 나타낸 구현예에서, 제 1 집전체 층(110) 및 제 2 집전체 층(120)은 각각 제 1 전극(140)의 표면 및 제 2 전극(150)의 표면에 인접해 있다. 집전체(110, 120)는 각각 전극(140, 150)의 표면에 반대되는 표면에 인접해 있으며, 분리부 층(130)에 인접해 있다.
일 구현예에 있어서, 집전체(110, 120)는 전기 전도성 호일(예를 들어 흑연 종이와 같은 흑연, 그래핀 종이와 같은 그래핀, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인레스 강(stainless steel, SS), 탄소폼)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 집전체(110, 120)는 기판상에 증착된 전기 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어 집전체(110, 120)는 기판상에 인쇄된 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적당한 기판은 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로스(예를 들어 플라스틱 코팅된 종이, 및/또는 섬유 종이와 같은 코팅된 종이를 포함하여, 판지(cardboard), 종이)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전도성 물질은 은(Ag), 구리(Cu), 탄소(C)(예를 들어 탄소 나노튜브, 그래핀, 및/또는 흑연), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 집전체에 적합한 니켈을 포함하는 전도성 물질의 예는 2013년 12월 27일에 출원된 PCT 특허 출원 번호 제PCT/US2013/078059호(명칭: 니켈 잉크 및 산화 저항 및 전도성 코팅)에 제공되며, 이들은 전체 참조로 본 명세서에 포함된다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)는 적어도 하나의 피각을 포함하는 층 또는 멤브레인을 포함한다. 예를 들어 에너지 저장 장치(100)는 피각을 포함하는 분산물을 포함하는 층 또는 멤브레인을 포함할 수 있다. 피각을 포함하는 층 또는 멤브레인은 제 1 전극(140), 제 2 전극(150), 분리부(130), 제 1 집전체 층(110), 제 2 집전체 층(120), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)는 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기(예를 들어 직경, 길이), 물질, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 임의의 다른 적당한 특징 또는 속성, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함한다. 에너지 저장 장치(100)의 다수의 층이 피각을 포함하는 구현예에서, 피각은 동일한 또는 실질적으로 동일할 수 있고(예를 들어 유사한 크기를 가짐) 또는 다를 수 있다(예를 들어 분리부(130)에서 절연 및 전극(140, 150)에서 전도성으로 코팅됨).
에너지 저장 장치(100)는 약 0.5㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 40㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 5㎛ 내지 약 50㎛, 약 5㎛ 내지 약 40㎛, 약 5㎛ 내지 약 30㎛, 약 5㎛ 내지 약 20㎛, 및 약 5㎛ 내지 약 10㎛ 범위의 길이를 갖는 피각을 포함하는 하나 이상의 층 또는 멤브레인을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원통형 모양의 피각은 약 50㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하, 또는 약 5㎛ 이하의 길이를 가진다. 다른 피각 길이도 가능하다.
에너지 저장 장치(100)는 약 0.5㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 50㎛, 약 1㎛ 내지 약 40㎛, 약 1㎛ 내지 약 30㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 5㎛ 내지 약 50㎛, 약 5㎛ 내지 약 40㎛, 약 5㎛ 내지 약 30㎛, 약 5㎛ 내지 약 20㎛, 및 약 5㎛ 내지 약 10㎛ 범위 내의 직경을 갖는 피각을 포함하는 하나 이상의 층 또는 멤브레인을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 원통형 모양의 피각은 약 50㎛ 이하, 약 40㎛ 이하, 약 30㎛ 이하, 약 20㎛ 이하, 약 15㎛ 이하, 약 10㎛ 이하, 약 5㎛ 이하, 약 2㎛ 이하, 또는 약 1㎛ 이하의 직경을 가진다. 다른 피각 직경도 가능하다.
에너지 저장 장치(100)는 균일한 또는 실질적으로 균일한 피각 내의 기공 및/또는 피각-대-피각 기공을 갖는 피각, 및/또는 특정 범위 내의 기공을 갖는 피각을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)는 약 10% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 45%, 및 약 20% 내지 약 40%의 범위의 기공을 갖는 피각을 포함하는 하나 이상의 층 또는 멤브레인을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 피각 표면 위의 공극은 약 1 나노미터(nm) 내지 약 500 nm의 크기(예를 들어 길이, 너비, 직경, 및/또는 가장 긴 크기)를 가질 수 있다. 예를 들어 피각 표면 위의 공극은 바람직한 에너지 저장 장치 성능을 용이하게 할 수 있는 크기를 가질 수 있다(예를 들어 장치의 바람직한 전기적 성능을 용이하게 하기 위한 에너지 저장 장치의 전해질 이온의 확산). 다른 피각 기공도 가능하다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 에너지 저장 장치(100)는 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체(52)를 포함하는 피각(50), 및/또는 피각(50)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체(52)를 포함하는 피각(50)을 포함하는 하나 이상의 층 또는 멤브레인을 포함할 수 있다. 예를 들어 분리부(130)는 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체(52)를 포함하는 피각(50)을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 전극(140, 150)은 피각(50)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체(52)를 포함하는 피각(50)을 포함할 수 있다. 다른 예의 경우, 분리부(130)는 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체(52)를 포함하는 몇몇 피각(50), 및 피각(50)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(50)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체(52)를 포함하는 몇몇 피각(50)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)는 비-균일한 또는 실질적으로 비-균일한 모양, 크기, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 다른 적당한 속성, 및/또는 이의 조합을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)의 하나 이상의 층 또는 멤브레인은 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(100)의 하나 이상의 층 또는 멤브레인은 잉크를 통해 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 잉크는 스텐실링(stensiling), 스크린 인쇄, 회전인쇄(rotary printing), 다이 코팅, 윤전 그라비어 인쇄(rotogravure printing), 플렉소(flexo) 및 패드 인쇄, 이들의 조합 및/또는 이와 유사한 것을 포함하는 본 명세서에 기재된 다양한 기술을 이용하여 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 잉크의 점도는 적용된 프린팅 기술에 기초하여 조정될 수 있다(예를 들어 일예로 잉크에 사용되는 용매의 양을 조정함으로써 원하는 점도가 달성 될 수 있다.).
일 구현예에 있어서, 집전체는 전도성 잉크를 사용하여 인쇄될 수 있다. 예를 들어 집전체는 기판 상에 인쇄된 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 적절한 기판은 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로스(예를 들어 판지, 플라스틱 코팅지와 같은 코팅지를 포함하는 종이, 및/또는 섬유종이)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 잉크는 알루미늄, 은, 구리, 니켈, 비스무트, 전도성 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연, 이들의 조합 및/또는 이와 유사한 것들을 포함 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질은 은(Ag), 구리(Cu), 탄소(C)(예를 들어 탄소나노튜브, 그래핀 및/또는 그래파이트), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 이들의 조합, 및/또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 집전체에 적합한 니켈을 포함하는 전도성 물질의 예시는 2013년 12월 27일자 PCT 특허출원 PCT/US2013/078059 호의 "니켈 잉크 및 산화 저항성 및 전도성 코팅" 에 의해 참조될 수 있고, 그 전체가 본 발명의 참조로서 삽입될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 잉크는 다수의 피각들을 사용하여 준비될 수 있다. 상기 피각들을 포함하는 상기 잉크는 에너지 저장 장치의 전극 또는 분리부와 같은 에너지 저장 장치의 일 구성을 형성하도록 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 잉크는 그 위에 형성된 본 명세서에서 기재된 하나 이상의 나노구조체를 포함하는 피각들을 포함할 수 있다. 예를 들어 에너지 저장 장치(100)의 전극을 형성하기 위해 나노구조체로 코팅된 피각들을 포함하는 잉크가 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 잉크는 그 위에 형성된 나노 구조체가 전혀 없거나 실질적으로 없는 피각을 포함 할 수 있다. 예를 들어 표면개질(surface modification)이 없거나 실질적으로 없는 피각을 포함하는 잉크가 에너지 저장 장치(100)의 분리부(130)을 형성하기 위해 인쇄될 수 있다.
도 7a 내지도 7e는 에너지 저장 장치의 예시에 대한 단면도를 도시한 개략도이다. 일 구현예에 있어서, 도 7a 내지도 7e의 에너지 저장 장치는 인쇄된 에너지 저장 장치이다. 예를 들어 도 7a 내지 도 7e의 에너지 저장 장치는 모두 인쇄된 것인, 제 1 집 전장치(110), 제 2 집전체(120), 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및 분리부(130)을 포함할 수 있다. 예를 들어 도 7a 내지 도 7c의 인쇄된 에너지 저장 장치의 하나 이상의 층은 별도의 기판 상에 인쇄 될 수 있고, 상기 별도의 기판은 에너지 저장 장치를 형성하도록 함께 조립될 수 있는 반면에, 도 7d와 도 7e의 에너지 저장 장치의 층은 하나의 기판 상에 인쇄 될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 각각의 제조공정의 다양한 단계들 동안, 도 7a 내지 도 7c는 부분적으로 인쇄된 에너지 저장장치의 예시에 대한 단면도를 나타내는 개략도이고, 도 7d 및 도 7e는 완전히 인쇄된 에너지 저장 장치의 단면도를 도시하는 개략도이다. 도 7a 내지 도 7c에 도시된 에너지 저장 장치는 인쇄되거나(예를 들어 별도의 기판 위에) 및/또는 인쇄되지 않은(예를 들어 다른 층들이 인쇄되는 기판으로써 작용하는) 집전체(110,120)를 포함 할 수 있다.
도 7d 및 도 7e는 인쇄될 수 있는(예를 들어 기판 위에 각각) 또는 인쇄되지 않은(예를 들어 다른층들이 인쇄되는 기판으로써 작용하는 도 7d의 제 1 집전체(110), 도 7e에서 다른층들이 인쇄되는 기판으로써 작용하는 제 1 및 제 2 집전체(110,120)) 집전체(110,120)를 포함하는 에너지 저장 장치의 단면도를 나타낸다.
일 구현예에 있어서, 도 7a 내지 도 7e의 제 1 집전체(110), 제 2 집전체(120), 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및/또는 분리부(130)은 하나 이상의 특성을 가질 수 있고, 및/또는 본 명세서에서 기재된 것처럼 제조될 수 있다. 예를 들어 제 1 집전체(110), 제 2 집전체(120), 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및/또는 분리부(130)은 본 명세서에 기재된 바와 같이 하나 이상의 기술 및/또는 잉크 조성물을 사용하여 인쇄될 수 있다. 예를 들어 전극들(140,150) 중 어느 하나는 망간 산화물(예를 들어 x가 약 1 내지 약 3이고, y가 약 1 내지 약 4인 화학식 MnxOy를 갖는 산화물)을 포함하는 나노구조체를 구비한 피각들을 포함하고, 전극들(140,150) 중 다른 전극은 아연(예: ZnO)을 포함하는 나노구조체를 구비한 피각을 포함할 수 있으며, 그 중 하나 또는 둘 모두는 잉크로부터 인쇄 될 수 있다. 다른 예로서, 분리부(130)은 표면 개질되지 않거나 실질적으로 표면개질되지 않은 피각들을 포함할 수 있고, 그것은 잉크로부터 인쇄된 것일 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 비 - 인쇄 집전체는 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인레스 스틸, 흑연(예: 흑연 종이), 그래핀(예: 그래핀 종이), 탄소나노튜브, 카본폼, 이들의 조합 및 유사한 것을 포함하는 호일과 같은 전기전도성 호일을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전도성 호일은 라미네이트될 수 있고, 그 두 개의 대향 표면 중 하나 상에 폴리머층을 갖는다.
도 7a에서, 에너지 저장 장치(200)는 제 1 구조체(202) 및 제 2 구조체(204)를 포함한다. 제 1 구조체(202)는 제 1 집전체(110) 상에 제 1 전극(140)과, 상기 제 1 전극(140) 상에 분리부(130)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 제 2 구조체(204)는 제 2 집전체(120) 상에 제 2 전극(150)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 위에 인쇄 될 수 있다. 예를 들어 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 상에 직접 인쇄되고, 접촉할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 제 1 전극(140) 위에 인쇄될 수있다. 예를들어 상기 분리부(130)은 제 1 전극(140) 상에 직접 인쇄되고 접촉할 수 있다. 일 실시에에 있어서, 상기 분리부(130)은 분리부(130) 및 제 1 집전체(110)가 제 1 전극(140)을 봉입하거나 실질적으로 봉입할 수 있을 정도로 제 1 전극(140) 위에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극(150)은 제 2 집전체(120) 위에, 예를 들어 제 2 집전체(120) 상에 직접 인쇄되고, 접촉할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(200)를 제조하는 프로세스는 제 1 구조체(202)와 제 2 구조체(204)를 함께 조립하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어 도 7a에 도시된 에너지 저장 장치(200)를 제조하는 단계는 분리부(130)이 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 사이에 위치할 수 있도록 제 1 구조체(202)의 분리부(130)과 접촉되게 제 2 구조체(204)의 제 2 전극(150)을 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7b는 제 1 집전체(110) 위의 제 1 전극(140)과, 상기 제 1 전극(140) 위의 분리부(130)의 제 1 부분을 포함하는 제 1 구조체(212)를 포함하는 에너지 저장 장치(210)를 도시한다. 상기 에너지 저장 장치(210)는 제 2 집전체(120) 위의 제 1 전극(150)과, 상기 제 2 전극(150) 위의 분리부(130)의 제 2 부분을 포함하는 제 2 구조체(214)를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 제 2 전극(150)은 제 2 집전체(120) 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 2 전극(150)은 제 2 집전체(120) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)의 제 2 부분은 제 2 전극(150) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다. 예를 들어 분리부(130)의 제 2 부분은 제 2 전극(150) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 위에 인쇄 될 수 있다. 예를 들어 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)의 제 1 부분은 제 1 전극(140) 위에 인쇄 될 수 있다. 예를 들어 분리부(130)의 제 1 부분은 제 1 전극(140) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리부(130)의 제 1 부분과 제 2 부분은 분리부(130)의 제 1부분과 제 1 집전체(110)가 제 1 전극(140)을 봉입하거나 실질적으로 봉입할 정도로, 및/또는 분리부(130)의 제 2 부분과 제 2 집전체(120)가 제 2 전극(150)을 봉입하거나 실질적으로 봉입할 정도로 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(210)를 제조하는 공정은 에너지 저장 장치(210)를 형성하기 위해 제 1 구조체(212)와 제 2 구조체(214)를 함께 조립(예를 들어 결합(coupling))하는 단계를 포함 할 수 있다. 제 1 구조체(212)와 제 2 구조체(214)를 조립하는 단계는 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 사이에 분리부(130)의 제 1 부분과 제 2 부분을 제공하는 단계를 포함 할 수 있다. 예를 들어 도 7b에 도시된 에너지 저장 장치(210)를 제조하는 단계는 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 사이에 분리부(130)의 두 부분이 위치하도록 제 1 구조체(212)의 분리부(130)의 제 1 부분과 접촉될 수 있게 제 2 구조체(214)의 분리부(130)의 제 2 부분 도입하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(220)는 제 1 집전체(110) 위의 제 1 전극(140), 상기 제 1 전극(140) 위의 분리부(130) 및 상기 분리부(130) 위의 제 2 전극(150)을 포함하는 제 1 구조체(222)를 포함할 수 있다. 상기 에너지 저장 장치(220)는 제 2 집전체(120)를 포함하는 제 2 구조체(224)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 위에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 제 1 전극(140) 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 분리부(130)은 제 1 전극(140) 상에 인쇄되고 직접 접촉될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 분리부(130)과 제 1 집전체(110)가 제 1 전극(140)을 봉입하거나 실질적으로 봉일할 수 있을 정도록 제 1 전극(140) 위에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극(150)은 분리부(130) 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 2 전극(150)은 분리부(130) 상에 인쇄되고 직접 접촉될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치(220)를 조립(assembling)하는 단계는 에너지 저장 장치(220)를 형성하기 위하여 제 1 구조체(222) 및 제 2 구조체(224)를 커플링시키는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 구조체(222) 및 제 2 구조체(224)를 커플링시키는 단계는 제 2 집전체(120)와 분리부(130) 사이에 제 2 전극(105)이 위치하도록 제 2 전극(150)에 접촉할 수 있게 제 2 집전체(120)를 도입시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술 된 바와 같이, 도 7d 및 도 7e는 완전히 인쇄된 에너지 저장 장치의 개략도이다. 도 7d는 인쇄된 집전체(110,120), 전극(140,150) 및 분리부(130)을 포함하여 수직으로 적층된 에너지 저장 장치(230)의 일례를 도시한다. 도 7d를 참조하면, 일 실시예에 있어서, 에너지 저장 장치(230)의 제 1 집전체(110)은 기재 상(on)에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 위에(over) 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 1전극(140)은 제 1 집전체(110) 상(on)에 직접 접촉하게 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 제 1 전극(140) 위에(over) 인쇄될 수 있다. 예를 들어 상기 분리부(130)은 제 1 전극(140) 상에 직접 접촉하게 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 전극(150)은 분리부 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 2 전극(150)은 분리부(130) 상에 직접 접촉하게 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 집전체(120)는 그 후 제 2 전극(150) 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 상기 제 2 집전체(120)는 제 2 전극(150) 상에 직접 접촉하게 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 2 집전체(120)는 제 2 집전체(120)와 분리부(130)이 제 2 전극(150)을 봉입하거나 실질적으로 봉입할 정도로 제 2 전극(150) 위에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 분리부(130)과 제 1 집전체(110)가 제 전극(140)을 봉입하거나(encapsulate) 실질적으로 봉입할 정도로 제 1 전극(140) 위에 인쇄될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 측 방향으로(laterlly) 이격된 전극(140,150)을 갖는 에너지 저장 장치(240)가 도시되어 있다. 상기 에너지 저장 장치(240) 제 2 집전체(120)로부터 측 방향으로 이격된 제 1 집전체(110)와, 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120) 각각의 위에 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150)을 포함할 수 있다. 분리부(130)은 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 위에 위치할 수 있다. 예를 들어 상기 분리부(130)은 전극(140,150)이 서로 전기적으로 절연되도록 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 사이에 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 분리부(130)은 제 1 집전체(110)와 제 2 집전체(120) 사이의 전기 절연을 용이하게 한다. 일 구현예에 있어서, 제 1 집전체(110), 제 2 집전체(120), 제 1 전극(140), 제 2 전극(150) 및 분리부(130) 각각은 인쇄된 것일 수 있다. 예를 들어 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)는 기판 상에 인쇄될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 상에 직접 접촉하여 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 1 전극(140)은 제 1 집전체(110) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 제 2 전극(150)은 제 2 집전체(120) 위에 인쇄될 수 있다. 예를 들어 제 2 전극(150)은 제 2 집전체(120) 상에 직접 접촉하여 인쇄 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 위에 인쇄 될 수 있으며, 일예로 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 둘 다와 직접 접촉할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(130)은 분리부(130)과 제 1 집전체(110) 및 제 2 집전체(120)가 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150)을 봉입하거나 실질적으로 봉입하도록 제 1 전극(140)과 제 2 전극(150) 위에 인쇄될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 각각이 도 7a의 제 1 구조체(202) 및 제 2 구조체(204)와 유사한 제 1 및 제 2 구조체(예를 들어 집전체 및 전극 및 선택적으로 분리부를 포함함)는 상이한 전극 활물질(예를 들어 하나 이상의 망간 산화물 및 ZnO)로 형성될 수 있고, 측 방향으로 결합(coupled)된다
도 8은 에너지 저장 장치의 일부를 형성할 수 있는 분리부 층 또는 멤브레인(300)의 구현예를 나타낸다(예를 들어 도 6, 도 7a 내지 7E를 참조하여 기술된 임의의 에너지 저장 장치의 분리부(130)). 분리부(300)은 피각(320)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치는 피각(320)을 포함하는 분리부 층 또는 멤브레인(300)을 포함한다. 예를 들어 에너지 저장 장치는 피각(320)을 포함하는 분산물을 포함하는 분리부(300)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 분리부(300)가 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기(예를 들어 길이, 직경), 기공, 물질, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 갖는 피각(320)을 포함하도록, 피각(320)은 모양, 크기, 물질, 기공, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어 분리부(300)는 원통형 또는 실질적으로 원통형 모양(예를 들어 도 8에 나타난 바와 같음), 구형 또는 실질적으로 구형 모양, 다른 모양, 및/또는 이의 조합을 갖는 피각(320)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 피각(320)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 갖는 피각(320)을 포함한다. 분리부(300)는 피각(320)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체를 포함하는 피각(320)을 포함할 수 있다(예를 들어 도 8에 나타난 바와 같음). 분리부(300)는 피각(320)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(320)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 포함하는 피각(320)을 포함할 수 있다. 분리부(300)는 피각(320)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체를 포함하는 몇몇 피각(320), 및 피각(320)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(320)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 포함하는 몇몇 피각(320)을 포함할 수 있다.
분리부(300)는 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이에 안정한 또는 실질적으로 안정한 분리를 가능하게 하기에 충분한 기계적 강도를 갖는 피각(320)을 포함할 수 있다(예를 들어 도 6, 도 7a 내지 7E에서 임의의 제 1전극(140) 및 제 2 전극(150)). 일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이의 감소된 분리 거리를 가능하게 함으로써 및/또는 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이에 이온성 종의 흐름을 용이하게 함으로써 에너지 저장 장치의 효율성을 증가시키기 위해 배열된 피각(320)을 포함한다. 예를 들어 피각(320)은 에너지 저장 장치 효율성 및/또는 기계적 강도를 향상시키기 위해 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 가질 수 있다. 에너지 저장 장치의 분리부(300)는 원하는 기공, 크기, 및/또는 표면 개질 물질 및/또는 구조체를 갖는 벽을 포함하는 원통형 또는 실질적으로 원통형 피각(320)을 포함할 수 있다.
분리부(300)는 피각(320)의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 피각(320)을 포함하는 분리부(300)는 균일한 또는 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(320)을 포함하는 분리부(300)의 두께는 가능한 얇다. 일 구현예에 있어서, 피각(320)을 포함하는 분리부(300)의 두께는 약 1㎛ 내지 약 80㎛, 약 1㎛ 내지 약 60㎛, 약 1㎛ 내지 약 40㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 5㎛ 내지 약 60㎛, 약 5㎛ 내지 약 40㎛, 약 5㎛ 내지 약 20㎛, 약 5㎛ 내지 약 15㎛, 약 5㎛ 내지 약 10㎛, 약 10㎛ 내지 약 60㎛, 약 10㎛ 내지 약 40㎛, 약 10㎛ 내지 약 20㎛, 약 10㎛ 내지 약 15㎛, 및 약 15㎛ 내지 약 30㎛을 포함하여, 약 1㎛ 내지 약 100㎛ 이다. 일 구현예에 있어서, 분리부는 약 100㎛ 미만, 약 90㎛ 미만, 약 80㎛ 미만, 약 70㎛ 미만, 약 60㎛ 미만, 약 50㎛ 미만, 약 40㎛ 미만, 약 30㎛ 미만, 약 20㎛ 미만, 약 15㎛ 미만, 약 10㎛ 미만, 약 5㎛ 미만, 약 2㎛ 미만, 약 1㎛ 미만, 및 범위 경계 및 앞의 값을 포함하는 두께를 포함한다. 분리부(300)의 다른 두께도 가능하다. 예를 들어 분리부(300)의 두께가 피각(320)의 크기(예를 들어 장축, 길이 또는 직경)에 적어도 부분적으로 의존할 수 있도록, 분리부(300)는 피각(320)의 단일층을 포함할 수 있다.
분리부(300)는 비-균일한 또는 실질적으로 비-균일한 모양, 크기, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 갖는 피각(320)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 비-전기 전도성 물질로부터 제조된 비어있는 및/또는 속이 꽉 찬 미세구(microspheres)를 포함할 수 있다. 예를 들어 분리부(300)는 유리, 알루미나, 실리카, 폴리스티렌, 멜라민, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것으로부터 제조된 비어있는 및/또는 속이 꽉 찬 미세구를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 미세구는 분리부(300)의 인쇄를 용이하게 하기 위한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어 분리부(300)는 약 0.1 마이크론(㎛) 내지 약 50 ㎛의 직경을 갖는 미세구를 포함할 수 있다. 비어있는 및/또는 속이 꽉 찬 미세구를 포함하는 분리부의 예는 2012년 8월 9일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 13/223,279호(명칭: 에너지 저장 장치용 인쇄할 수 있는 이온성 겔 분리층)에 제공되며, 이들은 전체 참조로 본 명세서에 포함된다.
일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이에 전기 저항을 감소시키기 위해 배열된 물질을 포함한다. 예를 들어 도 7에 대해 다시 언급하면, 일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 전해질(340)을 포함한다. 전해질(340)은 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150) 사이에 이동할 수 있는 이동성 이온성 종을 포함하는 물질을 포함하여, 이온성 종의 전도도를 용이하게 하는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 전해질(340)은 황산 나트륨(Na2SO4), 염화 리튬(LiCl), 및/또는 황산 칼륨(K2SO4)을 포함하나 이에 한정되지 않는 이온성 종을 형성할 수 있는 임의의 화합물을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)은 산, 염기, 또는 염을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)은 황산(H2SO4) 및/또는 인산(H3PO4)을 포함하나 이에 한정되지 않는 강산, 또는 수산화 나트륨(NaOH) 및/또는 수산화 칼륨(KOH)을 포함하나 이에 한정되지 않는 강염기를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)은 하나 이상의 용해된 이온성 종을 갖는 용매를 포함한다. 예를 들어 전해질(340)은 유기 용매를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)은 이온성 액체 또는 유기 액체 염을 포함한다. 전해질(340)은 이온성 액체를 갖는 수성 용액을 포함할 수 있다. 전해질(340)은 이온성 액체를 갖는 염 용액을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 이온성 액체를 포함하는 전해질(340)은 프로필렌 글리콜 및/또는 아세토니트릴을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 이온성 액체를 포함하는 전해질(340)은 산 또는 염기를 포함한다. 예를 들어 전해질(340)은 수산화 칼륨과 혼합한 이온성 액체를 포함할 수 있다(예를 들어 KOH의 0.1 M 용액의 첨가).
일 구현예에 있어서, 전해질(340)은 2014년 4월 9일자로 출원된 "PRINTED ENERGY STORAGE DEVICE"라는 명칭의 미국 특허출원 제 14/249,316호에 기술 된 하나 이상의 이온성 액체 및/또는 하나 이상의 염을 포함할 수 있고, 이들은 전체 참조로 본 명세서에 포함된다.
일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 고분자 겔과 같은 고분자(360)를 포함한다. 고분자(360)는 전해질(340)과 혼합될 수 있다. 적당한 고분자(360)는 전기화학 반응 동안 전해질(340)과 혼합하고, 및/또는 전기 전위(예를 들어 에너지 저장 장치의 전극들(140, 150) 사이에 존재하는 전기 전위)를 받을 때 일체성 및/또는 작용성을 유지하는 전기적 및 전기화학적 안정성을 나타낼 수 있다. 일 구현예에 있어서, 고분자(360)는 무기 고분자일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 고분자(360)는 합성 고분자일 수 있다. 분리부(300)는 셀룰로스(예를 들어 셀로판), 폴리아미드(예를 들어 나일론), 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 폴리에틸렌(예를 들어 방사선-그래프트된 폴리에틸렌), 폴리(불화 비닐리덴), 폴리(산화 에틸렌), 폴리(아크릴로니트릴), 폴리(비닐 알콜), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(염화 비닐), 폴리[비스(메톡시 에톡시 에톡시포스파젠)], 폴리(비닐 설폰), 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리(산화 프로필렌), 이의 공중합체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함하는 고분자(360)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 고분자(360)는 물 내 PTFE의 분산물(예를 들어 Teflon® 수성 현탁액)을 포함하는 수성 용액을 포함하여, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 석면(asbestos), 티탄산 칼륨 섬유, 섬유질 소시지 포장(fibrous sausage casing), 붕규산 유리(borosilicate glass), 산화 지르코늄(zirconium oxide), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)을 고분자(360) 내에 또는 위에 고정시켜 고체 또는 반-고체 물질을 형성한다. 일 구현예에 있어서, 전해질(340)을 고분자 겔 내에 또는 위에 고정시켜 전해질 겔을 형성한다.
일 구현예에 있어서, 분리부(300)는 임의로 분리부(300) 내에 및/또는 분리부(300)와 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및/또는 제 2 전극(150) 사이에 피각(320)의 접착을 향상시킬 수 있는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 접착 물질은 고분자(360)를 포함한다. 예를 들어 접착 물질은 전기적 및 전기화학적 안정성을 나타내고, 분리부(300) 내에 및/또는 분리부(300)와 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및/또는 제 2 전극(150) 사이에 충분한 접착을 제공하는 고분자(360)를 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치의 분리부를 인쇄하기 위한 잉크는 표면 개질되지 않거나 실질적으로 표면 개질되지 않은 복수의 피각들, 중합체, 이온성 액체, 전해질 염 및/또는 용매를 포함한다. 적합한 용매의 예시는 그 전체가 본원에 참고로 인용된 2014년 4월 9일자로 출원된 "PRINTED ENERGY STORAGE DEVICE"라는 명칭의 미국 특허출원 제 14/249,316 호로 제공된다.
일 구현예에 있어서, 분리부 인쇄에 사용되는 잉크용 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAC), 테트라메틸 우레아, 디메틸 술폭사이드(DMSO), 인산 트리에틸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 이들의 조합 및/또는 이와 유사한 것을 포함 할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부를 인쇄하기 위한 잉크는 하기 조성을 포함한다: 표면 개질되지 않은 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 피각들(예를 들어 정제된(purified) 피각들), 약 3 중량% 내지 약 10 중량%의 중합체 성분(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 일예로 Pennsylvania King of Prussia의 Arkema Inc.로부터 상업적으로 입수 할 수 있는 Kynar® ADX), 약 15 중량% 내지 약 40 중량%의 이온성 액체(예를 들어 1-에틸-3-에틸이미다졸륨 테트라 플루오로보레이트) 약 5 중량%의 염(예를 들어 아연 테트라플루오로보레이트), 약 25 중량% 내지 약 76 중량%의 용매(예를 들어. N-메틸-2-피롤리돈). 일 구현예에 있어서, 다른 중합체, 이온성 액체, 염(예컨대, 다른 아연 염) 및/또는 용매 또한 적합할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 분리부 용도의 잉크를 제조하는 방법은 바인더를 용매에 용해시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 용매에 바인더를 용해시키는 단계는 바인더 및 용매를 포함하는 혼합물을 약 80℃ 내지 약 180℃의 온도에서 약 5분 내지 약 30분 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 가열은 핫 플레이트를 사용하여 수행될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 이온성 액체 및 전해질 염은 혼합물이 가열된 후 열기(warm)가 있는 동안 tkdrl 혼합물에 첨가될 수 있다. 상기 바인더, 용매, 이온성 액체 및 전해질 염은 원하는 혼합을 용이하게 하기 위해 약 5분 내지 약 10분 동안 교반될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 피각들은 연속적으로 첨가될 수 있다. 상기 피각들의 첨가는 예를 들어 유성 원심 믹서(a planetary centrifugal mixer)를 사용하는 것에 의해 혼합됨으로써 촉진될 수 있다. 혼합은 유성 원심 분리부를 사용하여 약 1분 내지 약 15분 동안 수행 될 수 있다.
도 9는 에너지 저장 장치(예를 들어 도 6, 도 7a 내지 7E을 참조하여 기술된 임의의 에너지 저장 장치)의 일부를 형성할 수 있는 전극 층 또는 멤브레인(400)의 예를 나타낸다. 전극(400)은 피각(420)을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치는 피각(420)을 포함하는 하나 이상의 전극 층 또는 멤브레인(400)을 포함한다(예를 들어 도 6, 도 7a 내지 7E에서 참조되어 기술된 임의의 에너지 저장 장치의 제 1 전극(140) 및 제 2 전극(150)). 예를 들어 에너지 저장 장치는 피각(420)을 포함하는 분산물을 포함하는 전극 층 또는 멤브레인(400)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 전극(400)이 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기(예를 들어 길이, 직경), 기공, 물질, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 갖는 피각(420)을 포함하도록, 피각(420)은 모양, 크기, 물질, 기공, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어 전극(400)은 원통형 또는 실질적으로 원통형 모양(예를 들어 도 9에 나타난 바와 같음), 구형 또는 실질적으로 구형 모양, 다른 모양, 및/또는 이의 조합을 갖는 피각(420)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 피각(420)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 갖는 피각(420)을 포함한다. 전극(400)은 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질을 포함하는 피각(420)을 포함할 수 있으며, 절연일 수 있고, 및/또는 피각(420)의 표면에 적용된 또는 형성된 표면 개질 구조체를 가질 수 있다. 전극(400)은 피각(420)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(420)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 포함하는 피각(420)을 포함할 수 있다(예를 들어 피각(420)의 표면에 닭 발 모양의 특징에 의해 도 9에 도식적으로 나타난 바와 같음). 전극(400)은 피각(420)의 표면에 적용된 또는 형성된 없는 또는 실질적으로 없는 표면 개질 물질 및/또는 표면 개질 구조체를 포함하는 몇몇 피각(420), 및 피각(420)의 특징 또는 속성을 변형시키기 위해 피각(420)의 표면에 적용된 또는 형성된 물질 및/또는 구조체를 포함하는 몇몇 피각(420)을 포함할 수 있다.
상기 전극(400)은, 전극(400)을 포함하는 에너지 저장 장치가 압축력 및/또는 모양 개질 변형(shape modifying deformation)을 견딜 수 있도록, 기계적 강도에 대해 선택된 피각(420)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 전극(400) 내에 및/또는 전극(400)과 에너지 저장 장치의 다른 부분 사이에 이온성 종의 흐름을 용이하게 함으로써, 에너지 저장 장치의 효율성을 증가시키기 위해 배열된 피각(420)을 포함한다. 예를 들어 피각(420)은 향상된 에너지 저장 장치 효율성 및/또는 기계적 강도를 위해 균일한 또는 실질적으로 균일한 모양, 크기, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 가질 수 있다. 에너지 저장 장치의 전극(400)은 원하는 기공, 크기, 및/또는 표면 개질 물질 및/또는 구조체를 갖는 벽을 포함하는 원통형 또는 실질적으로 원통형 피각(420)을 포함할 수 있다.
전극(400)은 피각(420)의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 피각(420)을 포함하는 전극(400)은 균일한 또는 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 피각(420)을 포함하는 전극(400)의 두께는 적어도 부분적으로 저항, 이용가능한 물질의 양, 원하는 에너지 장치 두께 등에 의존한다. 일 구현예에 있어서, 피각(420)을 포함하는 전극(400)의 두께는 약 1㎛ 내지 약 80㎛, 약 1㎛ 내지 약 60㎛, 약 1㎛ 내지 약 40㎛, 약 1㎛ 내지 약 20㎛, 약 1㎛ 내지 약 10㎛, 약 5㎛ 내지 약 100㎛, 약 5㎛ 내지 약 80㎛, 약 5㎛ 내지 약 60㎛, 약 5㎛ 내지 약 40㎛, 약 5㎛ 내지 약 20㎛, 약 5㎛ 내지 약 10㎛, 약 10㎛ 내지 약 60㎛, 약 10㎛ 내지 약 40㎛, 약 10㎛ 내지 약 20㎛, 약 10㎛ 내지 약 15㎛, 및 약 15㎛ 내지 약 30㎛를 포함하여, 약 1㎛ 내지 약 100㎛ 이다. 일 구현예에 있어서, 피각(420)을 포함하는 전극(400)의 두께는 약 100㎛ 미만, 약 90㎛ 미만, 약 80㎛ 미만, 약 70㎛ 미만, 약 60㎛ 미만, 약 50㎛ 미만, 약 40㎛ 미만, 약 30㎛ 미만, 약 20㎛ 미만, 약 10㎛ 미만, 약 5㎛ 미만, 약 2㎛ 미만, 또는 약 1㎛ 미만, 및 범위 경계 및 앞의 값을 포함한다.
전극(400)은 비-균일한 또는 실질적으로 비-균일한 모양, 크기, 기공, 표면 개질 물질 및/또는 구조체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 갖는 피각(420)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전극(400)은 임의로 전극(400) 내에 전자의 전도성을 향상시키는 물질을 포함한다. 예를 들어 도 9에 대해 다시 언급하면, 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 전극(400) 내에 전기 전도성을 향상시키기 위해 전기 전도성 충전제(460)를 포함한다. 전기 전도성 충전제(460)는 전도성 탄소 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 전기 전도성 충전제(460)는 흑연 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브(예를 들어 단일벽 및/또는 다중벽), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전기 전도성 충전제(460)는 금속 물질(예를 들어 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및/또는 백금(Pt))을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전기 전도성 충전제(460)는 반도체 물질(예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)), 및/또는 반도체-함유 합금(예를 들어 알루미늄-실리콘(AlSi) 합금)을 포함할 수 있다. 다수의 전극(400)을 포함하는 에너지 저장 장치(100)에서, 전극(400)은 다른 이온 및/또는 이온-생성 종을 포함하여, 다른 피각 및/또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 전해질, 예를 들어 도 8의 분리부(300)에 대하여 본 명세서에 기재된 전해질(340)을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 고분자, 예를 들어 도 8의 분리부(300)에 대하여 본 명세서에 기재된 고분자(360)를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극(400)은 하나 이상의 활성 물질(예를 들어 규조류 피각의 하나 이상의 표면에 나노구조 활성 물질 이외의 활성 물질과 같은 유리 활성 물질)을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전극(400)은 바인더를 포함할 수 있다. 바인더는 고분자를 포함할 수 있다. 전극 바인더에 적합한 고분자, 고분자 전구체 및/또는 중합성 전구체는, 폴리비닐 피롤리돈(PVP), 폴리비닐 알콜(PVA), 불화 폴리비닐리덴, 불화 폴리비닐리덴-트리플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 산화 폴리에틸렌, 산화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 글리코헥사플루오로프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral), 폴리비닐카프로락탐, 염화 폴리비닐; 폴리이미드 고분자 및 공중합체(예를 들어 지방족, 방향족 및/또는 반-방향족 폴리이미드), 폴리아미드, 폴리아크릴아미드, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 아크릴레이트 및(메트)아크릴레이트 고분자 및 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 알릴메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리부타디엔, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리클로로프렌, 폴리에테르설폰, 나일론, 스티렌-아크릴로니트릴 수지; 폴리에틸렌 글리콜, 헥토라이트 점토(hectorite clays), 가라마이트 점토(garamite clays), 유기변형 점토(organomodified clays)와 같은 점토; 구아검, 잔탄검, 전분, 부틸 고무, 아가로오스, 펙틴과 같은 당류 및 다당류; 하이드록실 메틸셀룰로스, 메틸셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 프로필 메틸셀룰로스, 메톡시 셀룰로스, 메톡시 메틸셀룰로스, 메톡시 프로필 메틸셀룰로스, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로스, 카복시 메틸셀룰로스, 하이드록시 에틸셀룰로스, 에틸 하이드록실 에틸셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 셀룰로스 에틸 에테르, 키토산과 같은 셀룰로스 및 변형된 셀룰로스, 이의 공중합체, 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전극(400)은 부식 억제제(corrosion inhibitor) 및/또는 하나 이상의 다른 기능성 첨가제를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 부식 억제제는 하나 이상의 표면 활성 유기 화합물을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 부식 억제제는 글리콜, 실리케이트, 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sn), 비스무트(Bi), 그들의 조합물, 및/또는 그밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 전극(400)은 임의로 전극(400) 내에 및/또는 전극(400)과 분리부(130) 및/또는 집전체(110, 120)와 같은 에너지 저장 장치(100)의 다른 성분 사이에 피각(420)의 접착을 향상시킬 수 있는 접착 물질을 포함한다. 일 구현예에 있어서, 전극(400) 내 접착 물질은 고분자, 예를 들어 본 명세서에 기재된 고분자(360)를 포함한다.
일 구현예에 있어서, 에너지 저장 장치의 전극을 인쇄하기 위한 잉크는 하나 이상의 표면 상에 형성된 나노구조체를 포함하는 다수의 피각들, 전도성 충전제(예컨데, 탄소나노튜브, 흑연), 바인더 성분, 전해질(예컨데, 이온성 액체, 전해질 염) 및/또는 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어 전해질은 본 명세서에 기재된 바와 같은 조성을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 분리부 잉크에 참조하여 기술된 하나 이상의 용매가 또한 전극 인쇄용 잉크에 적합할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전극 인쇄에 사용되는 잉크용 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 아세트아미드(DMAC), 테트라메틸 우레아, 디메틸술폭사이드(DMSO), 인산 트리 에틸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 이들의 조합 및/또는 유사한 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극을 인쇄하기 위한 상기 잉크는 하나 이상의 표면 상에 형성된 망간 산화물 나노구조체를 갖는 피각들을 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전극을 인쇄하기 위한 상기 잉크는 하나 이상의 표면 상에 형성된 ZnO 나노구조체를 갖는 피각들을 포함한다.
일 구현예에서, 망간 산화물을 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 인쇄용 잉크는 다음과 같은 조성을 가질 수 있다: 하나 이상의 면에 망간 산화물이 코팅된, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 피각들, 약 0.2 중량% 내지 약 2 중량%의 탄소나노튜브(예를 들어 다중-벽 탄소나노튜브, 일예로 Oklahoma, Norman의 SouthWest NanoTechnologies로부터 상업적으로 입수 가능함), 약 10 중량% 이하의 흑연(예를 들어 스위스 Timcal Graphite and Carbon으로부터 상업적으로 입수 가능한 C65), 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 바인더(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 일예로 펜실베니아주 킹 오브 프로이센(King of Prussia)의 아르 케마 인크.(Arkema Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능한 HSV 900 Kynar®), 약 2 중량% 내지 약 15 중량%의 이온성 액체(예컨데, 1-에틸-3-에틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트), 및 약 48 중량% 내지 약 86.8 중량%의 용매(예컨데, N-메틸-2-피롤리돈). 일 구현예에 있어서, 상기 망간 산화물은 화학식 MnxOy를 가지며, 여기서 x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4이다. 예를 들어 상기 잉크는 전지의 캐쏘드를 형성하도록 인쇄될 수 있다.
일 구현예에 있어서, ZnO를 포함하는 에너지 저장 장치의 전극 인쇄용 잉크는 다음 조성을 가질 수 있다: 이의 상에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 피각들, 약 0.2 중량% 내지 약 2 중량%의 탄소나노튜브(예를 들어 다중-벽 탄소나노튜브, 일예로 Oklahoma, Norman의 SouthWest NanoTechnologies로부터 상업적으로 입수 가능함), 약 10 중량% 이하의 흑연(예를 들어 스위스 Timcal Graphite and Carbon으로부터 상업적으로 입수 가능한 C65), 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 바인더(예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 일예로 펜실베니아주 킹 오브 프로이센(King of Prussia)의 아르 케마 인크.(Arkema Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능한 HSV 900 Kynar®), 약 2 중량% 내지 약 15 중량%의 이온성 액체(예컨데, 1-에틸-3-에틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트), 약 0.3 중량% 내지 약 1 중량%의 전해질 염(예컨데, 아연 테트라플로오로보로에이트)및 약 47 중량% 내지 약 86.5중량%의 용매(예컨데, N-메틸-2-피롤리돈). 예를 들어 상기 잉크는 전지의 애노드를 형성하도록 인쇄될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 탄소나노튜브는 다중 벽 및/또는 단일 벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 다른 유형의 그래파이트, 중합체, 바인더, 이온성 액체 및/또는 용매가 또한 적합할 수 있다.
일부 실시예에서, 전극 인쇄용 잉크를 제조하는 방법은 잉크에 탄소 나노튜브의 원하는 분산을 제공, 이온성 액체로 상기 피각들을 포화(예컨데, 피각들의 내부 공간, 외부 표면, 및/또는 공극 내에, 이온성 액체를 공급) 및/또는 잉크의 성분들이 완전히 혼합되도록 구성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 잉크를 제조하는 공정은 탄소나노튜브를 이온성 액체에 분산시키는 단계를 포함한다. 일 구현예에 있어서, 탄소나노튜브는 자동화된 막자사발과 막자를 사용하여 이온성 액체에 분산될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 및 이온성 액체는 용매 중에 분산될 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 및 이온성 액체는 초음파 팁을 사용하여 용매에 분산될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 그 위에(thereon) 형성된 나노구조체(예를 들어 망간 산화물 또는 ZnO 나노구조체)를 포함하는 상기 피각들과 그래파이트는 탄소나노튜브, 이온성 액체 및 용매에 첨가되고, 원심믹서를 사용하여 교반될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 전해질 염은 또한 피각들 및 그래파이트와 함께 탄소나노튜브, 이온성 액체 및 용매에 첨가될 수 있고, 원심믹서를 사용하여 교반 될 수 있다. 예를 들어 피각들, 그래파이트, 탄소나노튜브, 이온성 액체, 용매 및/또는 전해질 염은 유성 원심 믹서를 사용하여 약 1분 내지 약 10분 동안 혼합될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 용매에 중합체(polymer) 바인더를 포함하는 용액을 피각들, 그래파이트, 탄소나노튜브, 이온성 액체, 용매 및/또는 전해질 염을 포함하는 상기 혼합물에 첨가하고, 가열할 수 있다. 상기 중합체 바인더 및 용매를 포함하는 용액은 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 중합체 바인더를 가질 수 있다. 중합체 바인더, 피각들, 흑연(graphite), 탄소나노튜브, 이온성 액체, 용매 및/또는 전해질 염을 포함하는 상기 혼합물은 약 80℃ 내지 약 180℃의 온도로 가열될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 가열은 약 10분 내지 약 30분 동안 수행 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 가열을 위해 핫 플레이트가 사용될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 교반은 가열하면서 수행 될 수 있다(예를 들어 혼합로드를 사용하여).
도 10 내지 도 13은 본 명세서에 기재된 공정을 통해 구현된 망간 산화물(예를 들어 화학식 MnxOy, 여기서 x는 약 1 내지 약 3이고, y는 약 1 내지 약 4인 산화물) 캐쏘드와 ZaO 애노드를 포함하는 인쇄된 배터리 구현예의 전기성능을 나타낸다. 도 10은 그 위에 형성된 망간 산화물 나노구조체를 포함하는 복수의 피각들이 포함된 캐쏘드와, 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 복수의 피각들이 포함된 애노드를인, 인쇄된 MnxOy 및 ZnO 배터리에 대한 방전 곡선 그래프이다. 상기 배터리 전위는 y축 상에 전압(V)으로 표시되었고, 방전시간은 x축 상에 시간(hrs)으로 표시되었다. 상기 배터리는 1.27cm × 1.27cm 사각형(즉, 0.5 인치 × 0.5 인치 사각형)으로 스크린 인쇄되었다. 상기 배터리에는 인쇄된 집전체, 애노드를, 캐쏘드 및 분리부가 포함되었다. 상기 애노드를 및 캐쏘드는 각각 약 40 마이크론(㎛)의 평균 두께를 가졌다. 상기 캐쏘드는 총 중량이 약 0.023g이었고, 망간 산화물의 중량은 약 0.01g이었다. 상기 애노드를 내의 활성 물질인 ZnO의 중량은 과량이었다.
도 10에서, 배터리는 완전히 또는 실질적으로 완전히 충전된 상태로부터 약 0.8V의 컷 - 오프 전압까지 방전되었다. 상기 배터리는 약 0.01 암페어/ 그램(A/g)으로 방전되었다. 상기 배터리는 약 1.28 밀리-암페어 시간(mAh)의 용량, 및 캐쏘드 활성 물질의 중량을 기준으로 약 128 밀리-암페어 시간/그램(mAh/g)의 용량을 나타냈다. 도 11은 다수의 충-방전 사이클 후에 도 10의 인쇄된 배터리의 커패시턴스 성능(capacitance performance)을 도시한다. 상기 배터리를 40번 사이클링하고 각 사이클의 커패시턴스 성능을 초기 커패시턴스 값의 %로써, y 축에 표시했다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 커패시턴스 성능은 여러 번의 충-방전 사이클 후에 향상 될 수 있다.
도 12는 3개의 충- 방전 사이클 동안 시간의 함수로서 각각의 충- 방전 사이클의 잠재적인 성능을 보여주는, 인쇄된 MnxOy 및 ZnO 배터리의 또 다른 구현예의 충- 방전 곡선이다. 전위는 전압(V)으로 y축에 표시되며, 시간은 시간(hrs)으로 x 축에 표시된다. 상기 인쇄된 배터리는 1.27cm × 1.27cm 사각형(즉, 0.5 인치 × 0.5 인치 사각형)으로 스크린 인쇄되었다.
상기 배터리의 캐쏘드는 그 위에 형성되는 망간 산화물 나노구조체를 포함하는 다수의 피각을 포함하고, 애노드는 그 위에 형성된 ZnO 나노구조체를 포함하는 다수의 피각을 포함한다. 상기 배터리에는 인쇄된 집전체, 애노드를, 캐쏘드 및 분리부가 포함되었다. 상기 애노드를과 캐쏘드 각각은 약 40 마이크론(㎛)의 평균 두께를 가졌다. 상기 캐쏘드는 약 0.021g의 총 중량을 가지며, 망간 산화물의 중량은 약 0.01g이었다. 상기 애노드를 내의 활성 물질(예를 들어 ZnO)의 중량은 과량이었다. 도 12의 인쇄된 배터리는 캐쏘드의 활성물질의 중량을 기준으로 약 0.01 암페어/그램(A/g)으로 충전 및 방전되었다. 도 13은 충전 및 방전이 약 0.04 A/g에서 수행된 도 12의 인쇄된 MnxOy 및 ZnO 배터리의 충전-방전 곡선이다. 두 곡선 세트 모두 충전 및 방전 모두에 대해 우수한 반복성을 나타내며, 인쇄된 MnxOy/ZnO 배터리가 효과적인 충전식 배터리일 수 있음을 나타낸다.
표면-개질된 규조류를 포함하는 슈퍼커패시터
상기에서, 규조류의 피각(diatomaceous frustule)으로부터 발생하는 다양한 이점을 유도하는 에너지 저장장치가 기술되었다. 하기에서는, 본원에서 그리고 당해 산업에서 슈퍼커패시터로 불리우는 그러한 에너지 저장장치의 하나의 특정 유형이 상세히 기술된다. 울트라커패시터(ultracapacitor), 전기 이중층 커패시터(EDLC) 또는 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor)로도 불리우는 슈퍼커패시터는 그 특성이 종종 일부 양상에서 유리하게는 전통적인 정전 커패시터(electrostatic capacitor)와 유사한 반면, 일부 다른 양상에서는 전통적인 배터리, 예를 들어 이차전지(secondary battery)와 유사한 비교적 새로운 에너지 저장장치이다.
특정 배터리와 유사하게, 슈퍼커패시터는 다공성 분리부 및 전해질로 분리되는, 캐쏘드 또는 양의 전극 및 애노드 또는 음의 전극을 갖는다. 예를 들어 상기 분리부는 이온 투과성이고 상기 전해질에 침지된 유전 물질(dielectric material)을 포함할 수 있다. 배터리의 충전 또는 방전동안 전기화학 반응의 일부로서 하나의 전극에서 다른 것으로 발생하는 이온 수송은 슈퍼커패시터에서는 일어나지 않는다.
슈퍼커패시터는 일부 양상에서, 예를 들어 비교적 빠른 충전능력에서 종래의 정전 커패시터(electrostatic capacitor)와 유사하지만, 그들은 종래의 정전 커패시터에 비해 훨씬 높은 커패시턴스를 갖는다. 유전체에 의해서 분리된 전극에서 에너지를 저장하는 종래의 정전 커패시터와는 다르게, 슈퍼커패시터는 캐쏘드와 전해질 그리고 애노드와 전해질 사이의 계면(interface) 중의 하나 또는 둘 다에 에너지를 저장한다.
슈퍼커패시터의 커패시턴스 값은 종래의 정전 커패시터보다 훨씬 높을 수 있다. 일부 슈퍼커패시터는 종래의 정전 커패시터에 비해 낮은 전압 한계를 갖는다. 예를 들어 일부 슈퍼커패시터는 약 2.5 - 2.8 V로 조작가능하게 제한된다. 일부 슈퍼커패시터는 2.8 V 이상의 전압에서 조작할 수 있다. 이러한 특정 슈퍼커패시터는 감소된 수명을 나타낼 수 있다.
슈퍼커패시터는 배터리보다 훨씬 빠르게 전하를 수송할 수 있기 때문에 일반적으로 배터리보다 훨씬 높은 파워 밀도(power density)를 갖는다. 슈퍼커패시터는 배터리와 비교하여 훨씬 낮은 내부 저항을 가지며, 결과적으로 신속한 충전/방전동안 열이 많이 발생하지 않는다. 일부 커패시터는 수백만번 충전 및 방전될 수 있는 반면, 다수의 이차전지는 수명 주기가 500 내지 1000배로 훨씬 더 짧을 수 있다. 일부 슈퍼커패시터는 배터리와 비교하여 훨씬 낮은 에너지 밀도를 갖는다. 일부 상업적 슈퍼커패시터는 상업적 배터리보다 더 비싸다(와트당 비용이 높음).
이들 및 다른 특성들 때문에, 슈퍼커패시터는 장기간 에너지 저장 보다는 다수의 신속한 충전/방전 사이클을 필요로 할 수 있는 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어 보다 큰 단위의 슈퍼커패시터의 응용은 자동차, 버스, 크레인 및 엘리베이터를 포함하며, 예를 들어 회생 제동(regenerative braking), 단기간 에너지 저장, 또는 버스트-모드 파워 공급에 사용된다. 보다 작은 단위의 슈퍼커패시터의 응용은 정적 랜덤-액세스 메모리(static random-access memory; SRAM)를 포함한다. 슈퍼커패시터의 현재 또는 미래의 다른 응용은 휴대폰, 노트북(laptop), 전기 자동차 및 배터리가 사용되는 다양한 기타 장치를 포함한 다양한 가전 제품을 포함한다. 이들은 배터리에 비해서 훨씬 빠르게 재충전될 수 있기 때문에, 예를 들어 현재의 전기 자동차 또는 휴대폰이 충전하는데 소요되는 수시간 대신에 수분과 같은 더 빠른 충전 속도에서 유리할 수 있는 장치에 특히 매력적이다.
일부 장치에서, 슈퍼커패시터는 두가지 유리한 특성을 이용할 수 있는 배터리와 함께 사용된다. 일부 응용에서, 슈퍼커패시터는 단기간 파워 수요를 충족하기 위해 빠른 충전이 필요할 때 사용되는 반면, 배터리는 장기간 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 이 두가지를 하이브리드 에너지 저장 장치로 결합하면 배터리 스트레스를 감소시키면서 두가지 요구를 모두 충족시킬 수 있으며, 이것은 결과적으로 배터리와 슈퍼커패시터의 장기간 수명을 가능하게 할 수 있다.
슈퍼커패시터의 커패시턴스는 전극의 유효 표면적에 정비례하기 때문에, 슈퍼 커패시터의 전극은 상대적으로 큰 유효 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 상대적으로 큰 유효 표면적은 표면 대 부피 비율이 높은 전극 재료를 사용하여 실현할 수 있다. 전술한 바와 같이, 그들의 나노다공성 구조로 인해, 피각은 유리하게는 슈퍼커패시터의 표면 활물질이 형성되는 기판으로서 기능하는 매우 큰 유효 표면적을 제공할 수 있다. 슈퍼커패시터와 관련하여 본원에서 기술한 바와 같이, 표면 활물질은 하기에서 보다 구체적으로 기술하는 바와 같이 전기 이중층 커패시턴스 및/또는 슈도커패시턴스와 같은 적어도 하나의 슈퍼커패시턴스 메카니즘에 의해서 생성된 커패시턴스를 실질적으로 생성하는 전해질과 계면을 형성하는 전극의 일부분을 지칭한다. 나노구조체, 예를 들어 나노입자 또는 나노튜브는 추가로 또는 대안으로 예를 들어 동일 물질로 형성된 박막과 비교하여 주어진 부피의 표면 활물질에 매우 넓은 표면적을 제공한다. 슈퍼커패시터와 관련하여 본원에서 기술하는 바와 같이, 나노구조체는 수 마이크론, 예를 들어 약 1000 nm, 500 nm, 200 nm, 100 nm 보다 작은 하나 이상의 축방향 치수(axial dimension) 또는 이들 값 중의 임의의 것에 의해서 정의된 범위 내의 치수를 갖는 고체 물질을 지칭한다.
나노구조체는 위에서 기술한 임의의 형상, 예를 들어 나노와이어, 나노시트, 나노튜브, 나노플레이트, 나노입자, 나노벨트, 나노디스크 및 로제트(rosette) 형상의 나노구조체를 가질 수 있다. 상기 나노구조체는 또한 임의의 3차원 기하 형상, 예를 들어 구, 원통, 원뿔, 구형, 타원, 사면체, 피라미드, 프리즘, 입방체, 입방체형, 플레이트, 원판 및 봉형을 가질 수 있다. 일부 실행에에서, 상기 나노구조체는 상기 나노구조체의 결정 구조에 기초하여 특정 형상을 갖도록 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명자들은 다양한 표면 활물질로 피각의 표면을 개질시키는 독창적인 방법을 찾아냈다. 본 발명자들은 피각의 매우 높은 유효 표면적과 나노구조화된 표면 활물질의 매우 높은 표면 대 부피 비율(surface-to-volume ratio)을 상승시킴으로써 기존 슈퍼커패시터보다 더 높은 파워 및 에너지 밀도를 갖는 슈퍼커패시터가 실현될 수 있다는 것을 인식하였다. 본 발명자들은 예를 들어 넓은 표면 대 부피 비율을 갖는 나노구조화된 표면 활물질로 피각의 표면을 개질시킴으로써 피각과 나노구조화된 표면 활물질의 상승 효과에서 유리한 슈퍼커패시터를 실현하였다.
다양한 구현예에 따르면, 슈퍼커패시터는 전해질과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 전극은 상기 전해질에 의해서 개재될 수 있으며 예를 들어 상기 전해질에 침지된 분리부를 더 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 상기 전극의 하나 또는 2개는 복수의 피각들 및 표면 활물질을 포함한다. 상기 표면 활물질은 상기 전해질과 접촉하여 하기 하나 이상의 슈퍼커패시턴스 메카니즘을 생성한다. 일부 구현예에서, 각각의 피각은 그 위에 상기 표면 활물질을 형성하였다. 상기 표면 활물질은 상기 피각의 고표면적을 이용하고/하거나 상기 표면 활물질의 높은 표면 대 부피 비율을 이용하기 위해서 나노구조화될 수 있으며, 그에 의해서 보다 높은 파워 및/또는 에너지 밀도를 포함한 개선된 슈퍼커패시턴스 성능을 제공할 수 있다. 예를 들어 상기 표면 활물질은 상기 피각의 표면을 덮는 복수의 나노구조체 형태일 수 있다. 상기 나노구조체는 하나 이상의 산화아연 나노구조체, 산화망간 나노구조체 또는 탄소 나노구조체를 포함할 수 있다. 상기 개시된 슈퍼커패시터의 성능은 규조류 피각 구조의 나노다공성에 의해서 제공된 고 표면적과 상기 표면 활물질의 높은 표면적 대 부피 비율의 상승 효과로부터 이익을 얻는다. 상기 표면 활물질, 예를 들어 나노구조체는 규조류 피각에서 성장하기 때문에, 응집되지 않으며 상대적으로 더 큰 부분의 표면적이 전해질에 접근할 수 있다. 상기 규조류 피각은 나노다공성이기 때문에, 상기 전해질은 상기 나노구조체에 직접 접근할 수 있으며 상기 장치 전체에서 쉽게 이동할 수 있다. 상기 개시된 슈퍼커패시터는 인쇄(printing)와 같은 확장가능한 기법(scalable technique)을 이용하여 유리하게 제조될 수 있다. 제조된 슈퍼커패시터는 소형 장치로서, 예를 들어 인쇄된 전자제품에서 사용될 수 있고/있거나, 대량으로 생산되고 보다 강력한 응용을 위한 형상으로 접혀질 수 있다.
이론에 구애됨이 없이, 슈퍼커패시터는 전기 이중층 커패시턴스 및/또는 슈도커패시턴스를 포함하는 상이한 메카니즘에 의해서 에너지를 저장할 수 있다. 이중층 커패시턴스는 정전 특성을 갖는 반면, 슈도커패시턴스는 전기화학 특성을 갖는다. 상기 상이한 메카니즘은 하기에서 보다 구체적으로 기술된다. 상기 저장 메카니즘이 이중층 커패시턴스 특성 및/또는 슈도커패시턴스 특성을 갖는지에 따라, 그리고 상기 슈퍼커패시터가 2개의 동일하거나 대칭적인 전극 또는 2개의 상이하거나 대칭적인 전극을 갖는지에 따라, 나노구조화된 표면 활물질로 코팅된 복수의 피각을 갖는 1개 또는 2개의 전극을 포함하는 슈퍼커패시터는 3개의 별개의 슈퍼커패시터 그룹 중의 하나로 구성될 수 있다.
제 1 그룹의 슈퍼커패시터는 슈도 커패시터로 구성된 2개의 전극을 가지되, 상기 전극 각각은 피각 및 전이금속 산화물(예를 들어 산화망간 또는 산화아연)을 포함하고 슈도커패시턴스를 생성하도록 구성된다. 예를 들어 상기 피각은 그 위에 나노구조체의 형태로 형성된 전이금속 산화물을 가질 수 있다. 제 2 그룹의 슈퍼커패시터는 EDLC로 구성된 2개의 전극을 가지되, 상기 전극 각각은 피각 및 탄소(예를 들어 탄소 나노튜브)를 포함하고 이중층 커패시턴스를 생성하도록 구성된다. 예를 들어 상기 피각은 그 위에 나노구조체의 형태로 형성된 탄소를 가질 수 있다. 하이브리드 슈퍼커패시터로 불려질 수 있는 제 3 그룹의 슈퍼커패시터는 EDLC로 구성되는 하나의 전극과 슈도 커패시터로 구성되는 다른 전극을 갖는다. 하이브리드 커패시터의 일부로서 포함되는 경우, 상기 슈도 커패시터로 구성되는 전극은 캐쏘드 또는 양으로 하전된 전극으로 기능할 수 있으며, 상기 EDLC로 구성된 전극은 애노드 또는 음으로 하전된 전극으로 기능할 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 상기 3개의 그룹의 슈퍼커패시터의 작동원리가 본원에서 기술된다.
도 14a는 이중층 커패시터로 구성된 2개의 전극을 갖는 슈퍼커패시터(1400)의 횡단면도를 도시한다. 도 14b는 전압이 전극에 인가되어 있는 작동시 도 14a의 슈퍼커패시터의 횡단면도를 도시한다. 도 14a 및 14b는 각각 방전 상태 및 충전 상태에서 슈퍼커패시터(1400)를 도시한다. 슈퍼커패시터(1400)는 작동시 양으로 하전될 수 있는 제 1 전극(1440), 및 작동시 음으로 하전될 있는 제 2 전극(1450)을 포함한다. 슈퍼커패시터(1400)는 각각 전극(1440, 1450)에 전기적으로 결합된 제 1 및 제 2 집전체(1410, 1420)을 선택적으로 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(1440, 1450)은 분리부(1430)에 의해서 개재되며 상기 제 1 및 제 2 전극(1440, 1450) 사이의 갭(gap)을 충전시키는 전해질(1460)을 통해서 서로 이온적으로 연결된다. 전해질(1460)은 용매 중에 용해된 양이온 및 음이온(1470, 1480)의 혼합물을 포함한다. 2개의 전극(1440, 1450) 각각의 표면은 전해질(1460)과 접촉하여 활성 계면을 형성한다. 상기 전극(1440, 1450)과 전해질(1460) 사이의 활성 계면에서, 이중층 커패시턴스 효과가 발생한다.
도 14a와 관련하여, 방전 상태에서, 양이온(1470) 및 음이온(1480)은 랜덤하게 분산될 수 있다. 작동시, 도 14b와 관련하여, 예를 들어 제 1 집전체(1410)에 대해 제 2 집전체(1420)를 음으로 충전시키고/시키거나 제 2 집전체(1420)에 대해 제 1 집전체(1410)을 양으로 충전시킴으로써 제 1 및 제 2 전극(1440, 1450)에 전압을 인가하여 상기 2개의 전극이 전기 이중층을 생성하게 된다. 각각의 상기 전기 이중층은 도 14b에 도시된 바와 같이 2개의 전하층을 포함한다. 이론에 구애됨이 없이, 예를 들어 정전기 전하층, 예를 들어 음전하의 시트가 제 2 전극(1450)의 표면에, 예를 들어 표면 활물질의 표면에 형성될 수 있으며, 정전기 전하의 반대층, 예를 들어 양이온 전하의 시트가 전해질(1460)에서 전극(1450)의 표면에 인접하게 형성될 수 있다. 2개의 전하 시트는 때때로 내부 헬름홀츠 평면(IHP)으로 지칭되는 전해질(1460)의 용매 분자의 층(1490), 예를 들어 단일층에 의해 분리된다. 이러한 용매 분자의 층(1490)은 제 2 전극(1450) 측에서 제 1 커패시턴스 Cd1을 발생시키는 유전체 층으로서 기능한다. 유사한 방식으로, 용매 분자의 층(1500)은 정전하의 층, 예를 들어 제 1 전극(1440)의 표면, 예를 들어 표면 활물질의 표면에서의 양의 전자 전하 층과, 정전하의 반대층 사이에 형성되고, 예를 들어 음이온 전하가 전해질(1460) 중의 제 1 전극(1440)의 표면에 인접하게 형성될 수 있다. 용매 분자의 층(1500)은 제 1 전극(1440)의 측면에서 제 2 커패시턴스 Cd2를 발생시키는 또 다른 유전체 층으로서 기능을 한다.
본원에서 기술된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전극(1450, 1440)에 각각 인접하여 형성된 용매 분자의 각각의 층(1490, 1500)은 커패시턴스 Cd1 및 Cd2를 발생시키는 유전층으로 기능한다. 제 2 전극(1450)과 제 1 전극(1440)에 형성된 커패시터는 전해질(1460)에 의해 전기적으로 직렬로 연결되어 하기 수학식 1로 나타낼 수 있는 직렬 슈퍼커패시턴스 Cs를 제공한다:
[수학식 1]
Figure pct00001
전해질(1460)의 주어진 용매에 대해, EDLC에서 단위 전압당 저장된 전하량은 전극 크기의 함수이다. 전형적인 커패시턴스과 유사하게, 제 2 전극(1450)의 측면상의 제 1 이중층 커패시터에서 발생하는 Cd1의 커패시턴스는 하기 수학식 2에 의해서 근사될 수 있다:
[수학식 2]
Figure pct00002
상기 식에서, ε1은 전해질(1460)의 용매의 투과도이고 d1은 제 2 전극(1450)에 인접하여 형성된 용매 분자의 층(1490)의 유효 두께이다. 유사하게, 제 1 전극(1440)의 측면상의 제 2 이중층에서 발생하는 커패시턴스(Cd2)는 하기 수학식 3에 의해서 근사될 수 있다:
[수학식 3]
Figure pct00003
상기 식에서, ε2는 투과도이고 d2는 제 2 전극(1440)에 인접하여 형성된 전해질(1460)의 용매 분자의 층(1500)의 유효 두께이다. 각각의 이중층에 저장된 에너지는 커패시턴스에 대해 거의 선형이며 흡착된 이온의 농도에 대응한다. 슈퍼커패시터에 저장된 에너지 E는 하기 수학식 4로 나타낼 수 있다:
[수학식 4]
Figure pct00004
상기 식에서, Cs는 위에서 기술한 슈퍼커패시터 커패시턴스이고, A는 전극의 유효 표면적이고, V는 전압이다. 슈퍼커패시터의 파워는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다:
Figure pct00005
상기 식에서, R은 슈퍼커패시터의 등가 직렬 저항(equivalent series resistance)이다. 상기 커패시턴스, 에너지 및 파워의 표현에 따르면, 슈퍼커패시터의 보다 높은 파워 및 에너지는 주어진 전해질에 대해서, 전극(1450, 1440)의 표면적(A)을 증가시키고, 슈퍼커패시터의 전압(V)을 증가시키고 전극, 전해질, 및 전극 재료와 슈퍼커패시터 층 사이의 계면에 기인하는 등가 저항(R)을 감소시킴으로써 달성된다. 전기 이중층 커패시턴스 값은 유사한 거시적 전극 크기를 가진 기존의 정전 커패시터에 비해 매우 높으며, 부분적으로는 용매 분자의 극히 얇은 층(1490, 1500)으로부터 발생하고, 이것은 예를 들어 수 Å(0.3 내지 0.8nm) 정도의 단일층 두께만큼 얇을 수 있으며, 이것은 디바이 길이(Debye length) 정도일 수 있다. 전극의 활성 영역은 또한 전술한 바와 같이 극히 크며, 이것은 피각의 넓은 표면적으로부터 발생하고, 그의 유효 표면적은 그 위에 형성된 나노구조화된 활물질에 의해서 추가로 강화된다.
상기 EDLC의 메커니즘을 기반으로, 배터리에서의 에너지 저장과 달리 전기 이중층 커패시턴스를 생성하는 과정은 전해질을 사용한 전극 사이의 전하의 수송을 포함하지 않는다. 종래 커패시터에서의 전하는 전자를 통해 수송되는 반면, 이중층 커패시터에서 커패시턴스는 전해질을 통한 그리고 피각의 저항성 다공성 구조를 통한 이온의 이동 속도와 관련된다. 전극이나 전해질 내에서는 화학적 변화가 일어나지 않기 때문에, EDLC는 배터리와 비교하여 훨씬 긴 사이클링 수명을 가질 수 있다.
도 15는 슈도 커패시터로 구성되는 전극을 포함하는 슈퍼커패시터(1500)의 단면도를 예시한다. 슈퍼커패시터(1500)는 전극의 구조 및 구성을 제외하고는 상기 슈퍼커패시터(1400)와 유사하게 구성 될 수 있다. 슈퍼커패시터(1500)는 작동시 양으로 하전될 수 있는 제 1 전극(미도시), 및 작동시 음으로 하전될 수 있는 제 2 전극(1550)을 포함하지만, 슈도 커패시터로서 설명된 제 2 전극(1550)만이 예시를 위해 도시되었다. 제 1 전극은 또다른 슈도 커패시터로 구성되거나 위에서 설명한 EDLC로 구성될 수 있다. 제 1 전극 및 제 2 전극(1550) 각각의 표면은 전해질(1460)과 접촉한다. 제 1 전극과 제 2 전극(1550)과 전해질(1460) 사이의 접촉 계면에서 슈도 커패시턴스 효과가 발생한다.
이론에 구애됨이 없이, 작동시, 제 1 전극 및 제 2 전극(1550)에 전압을 인가하면 전해질(1460) 중의 양이온 및 음이온이 제 1 전극 및 제 2 전극(1550)을 향해 반대 방향으로 이동하고, 여기서 전기 이중층 커패시터가 예를 들어 도 14a, 도 14b와 관련하여 위에서 기술한 방식으로 형성될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이 이온이 전기 이중층에 침투하여 전극 표면에 흡착되면 슈토커패시턴스가 발생할 수 있다. 이러한 슈토커패시턴스는 위에서 설명한 전기 이중층을 형성하는 슈퍼 커패시터의 전극 표면에 가역적 패러데이 산화 환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장한다. 전기 이중층 커패시턴스 효과와 달리 슈도커패시턴스는 전해질(1460)과 흡착된 이온 사이의 전자 전하-수송을 동반한다. 이러한 패러데이 전하 수송은 가역적 산화 환원, 삽입 또는 전기 흡착 공정의 매우 빠른 시퀀스에 의해 발생한다. 슈도커패시턴스를 나타내는 전극의 능력은 전극 표면에 흡착된 이온에 대한 전극 재료의 화학적 친화력과 구조뿐만 아니라 전극의 구조에 따라 달라진다. 슈도커패시터에서 전극으로 사용하기 위한 산화 환원 거동을 나타내는 물질은 전이 금속 산화물을 포함한다. 상기 슈도 커패시턴스는 인가된 전위(V) 당 저장된 전하량(q), 또는 하기 수학식 6으로 나타낼 수 있다:
[수학식 6]
Figure pct00006
이중층 커패시턴스와 유사하게, 슈도 커패시턴스 또는 전기 화학적 커패시턴스는 전극의 표면, 예를 들어 피각에 형성된 표면 활물질의 표면에서 발생한다. 결과적으로, 비표면적은 산화 환원 반응의 활성 부위의 수, 및 그에 따른 슈도커패시턴스의 크기에 정비례한다. 산화 환원 반응이 빠른 이러한 패러데이 에너지 저장 장치는 배터리보다 훨씬 빠르게 충전 및 방전한다.
패러데이 슈도 커패시턴스는 정적 이중층 커패시턴스와 함께 발생한다. 상황에 따라, 그 크기는 전극의 특성과 구조에 따라 동일한 표면적에 대한 이중층 커패시턴스 값을 몇 배로 초과할 수 있다.
하기에서, 슈퍼커패시터의 다양한 양상이 개시된다. 상세하게 설명되지 않을 수 있지만, 다양한 구현예에 따른 피각은 임의의 구조를 가질 수 있으며, 제한되지는 않지만 도 1-5x 및 관련 텍스트를 포함한 본원 명세서 전반에 걸쳐서 설명된 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 다양한 구현예에 따른 산화아연, 산화망간 및 탄소 나노구조물을 포함한 다양한 나노구조체는 예를 들어 도 5를 포함한 임의의 구조를 가질 수 있으며, 도 1-5x 및 관련 텍스트를 포함한 본원 명세서 전반에 걸쳐서 설명된 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
활물질이 형성된 피각을 포함하는 슈퍼커패시터 전극
전술한 바와 같이, 상기 전극의 표면 활물질과 상기 전해질 사이의 계면은 에너지 저장을 위한 부위를 제공한다. 하기에서, 슈도 커패시턴스를 생성하도록 구성된 다양한 표면 활물질이 기술된다. 기술된 바와 같이, 상기 표면 활물질은 피각 위에, 예를 들어 피각의 표면 위에 코팅을 형성할 수 있다. 상기 코팅은 나노구조화된 표면 활물질의 형태일 수 있으며, 이것은 예를 들어 본원에서 기술된 임의의 관련 방법에 따라 슈퍼커패시터의 하나 이상의 전극의 일부로서 형성될 수 있다. 상기 코팅은 나노구조화된 표면 활물질의 형태일 수 있으며, 이것은 예를 들어 본원에서 기술된 임의의 관련 방법에 따라 슈퍼커패시터의 하나 이상의 전극의 일부로서 형성될 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 피각 표면 위에 형성된 나노구조화된 표면 활물질은 예를 들어 산화아연(ZnO), 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3), 산화수은(HgO), 산화카드뮴(CdO), 은(I,III) 산화물(AgO), 은(I) 산화물(Ag2O), 산화니켈(NiO), 납(II) 산화물(PbO), 납(II, IV) 산화물(Pb2O3), 이산화납(PbO2), 바나듐(V) 산화물(V2O5), 구리 산화물(CuO), 삼산화몰리브덴(MoO3), 철(III) 산화물(Fe2O3), 철(II) 산화물(FeO), 철(II, III) 산화물(Fe3O4), 루비듐(IV) 산화물(RuO2), 이산화티탄(TiO2), 이리듐(IV) 산화물(IrO2), 코발트(II, III) 산화물(Co3O4), 이산화주석(SnO2), 산화니오븀(Nb2O5), 그들의 조합물 등을 포함한 하나 이상의 금속 산화물을 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 피각 표면 위에 형성된 나노구조화된 표면 활물질은 예를 들어 망간(III) 옥소하이드록사이드(MnOOH), 니켈 옥시하이드록사이드(NiOOH), 은 니켈 옥사이드(AgNiO2), 납(II) 설파이드(PbS), 은 납 옥사이드(Ag5Pb2O6), 비스무트(III) 옥사이드(Bi2O3), 은 비스무트 옥사이드(AgBiO3), 은 바나듐 옥사이드(AgV2O5), 구리(I) 설파이드(CuS), 이황화철(FeS2), 황화철(FeS), 납(II) 요오다이드(PbI2), 황화니켈(Ni3S2), 염화은(AgCl), 은 크롬 옥사이드 또는 은 크로메이트(Ag2CrO4), 구리(II) 옥사이드 포스페이트(Cu4O(PO4)2), 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 금속 하이드라이드 합금(예를 들어 LaCePrNdNiCoMnAl), 리튬 철 포스페이트(LiFePO4 또는 LFP), 리튬 퍼망가네이트(LiMn2O4), 리튬 망간 디옥사이드(LiMnO2), Li(NiMnCo)O2, Li(NiCoAl)O2, 코발트 옥시하이드록사이드(CoOOH), 질화티탄(TiN), 그들의 조합물 등을 포함한 하나 이상의 금속-함유 화합물을 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 피각 표면 위에 형성된 나노구조화된 표면 활물질은 예를 들어 MnFe2O4, NiCo2O4, CuCo2O4, ZnCo2O4, Zn2SNO4, NiMoO4, 그들의 조합물 등을 포함한 혼합된 전이 금속 스피넬(mixed transition metal spinel) 및 이원 금속 산화물(binary metal oxide)을 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 피각 표면 위에 형성된 나노구조화된 표면 활물질은 예를 들어 Ni(OH)2, Co(OH)2, H2Ti3O7, 그들의 조합물 등을 포함한 금속 하이드록사이드를 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 피각 표면 위에 형성된 나노구조화된 표면 활물질은 예를 들어 임의의 상기 물질들의 혼합물을 포함한다. 예를 들어 상기 피각을 코팅할 수 있는 물질의 조합물은 예를 들어 MnxOy-CoxOy, MnO2-NiO/Ni(OH)2, MnxOy-TiO2 및 MnxOy-ZnO을 포함한다.
전해질과 계면을 형성하여 에너지 저장을 위한 부위를 제공하는 표면 활물질 이외에, 슈퍼커패시터의 전극은 또한 전기 전도 물질을 포함한다. 상기 전기적 이중층 커패시턴스 또는 슈도 커패시턴스를 가능하게 하기 위해 전기적으로 절연될 수 있는 피각에 전기 전도성을 제공하는 것 이외에도, 전기 전도성 물질은 위에서 설명한 바와 같이 보다 높은 파워를 위해 내부 저항을 낮출 수있다. 상기 화합물 중 하나 이상은 하나 이상의 전기 전도성 물질로 피각 위에 코팅될 수 있다. 전기 전도성 물질은 일부 실행에서 탄소계일 수 있다. 예를 들어 상기 전기 전도성 물질은 하나 이상의 다양한 탄소 화합물, 예를 들어 그래핀, 흑연, 탄소 나노튜브(CNT), 풀러렌, 탄소 나노섬유 및/또는 탄소 에어로겔을 포함할 수 있다.
상기 전기 전도성 물질은 일부 실행에서 금속계일 수 있다. 예를 들어 상기 전기 전도성 물질은 금속 원소 또는 화합물, 예를 들어 Ag, Au, 스테인레스강, Mn, Cu, Ni 및/또는 Al을 포함할 수 있다. 일부 실행에서, 상기 전기 전도성 물질은 전도성 중합체, 예를 들어 폴리아닐린(PANI), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리피롤 및/또는 관련 중합체 등을 포함할 수 있다.
표면 활물질 및 전기 전도성 물질이 각각의 피각의 표면에 형성될 수 있는 다양한 구현예가 설명되었지만, 모든 구현예가 반드시 그러한 특징을 포함하는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 본원에서 및 본원 명세서 전반에 걸쳐서, 표면 활물질 및 전기 전도성 물질은 각 피각의 표면 상에, 피각의 층 위에 또는 위로 또는 피각의 층 내의 피각 사이에 형성되는 것에 추가하여 또는 그 대신에 형성 될 수 있다.
상기 활물질이 나노구조화된 다양한 구현예가 설명되었지만, 모든 구현예가 반드시 그러한 특징을 포함하는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 본원 및 본원 명세서 전반에에 걸쳐서, 표면 활물질은 상기 표면 활물질의 박막의 연속적(continuous) 또는 인접하는(contiguous) 네트워크를 형성할 수 있다.
표면 활물질로서 산화망간이 형성된 피각을 포함하는 슈퍼커패시터 전극
슈퍼커패시터 전극, 예를 들어 슈도 커패시턴스를 발생하도록 구성된 전극을 위한 표면 활물질은 하나 이상의 망간-함유 화합물, 예를 들어 전술한 이산화망간을 포함할 수 있다. 상기 망간-함유 화합물은 특정 조성(composition)을 가질 수 있으며 예를 들어 전술한 바와 같은 임의의 관련 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 하나 이상의 전극은 표면 활물질로서 산화망간(MnxOy), 예를 들어 산화망간 나노구조체가 형성된 피각을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 피각은 본원에 기술된 임의의 방식으로 산화망간 나노구조체로 코팅된 표면을 갖는다. 산화망간, 예를 들어 산화망간 나노구조체로 코팅된 피각은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 50-95 중량%, 55-85 중량%, 60-80 중량%, 65-75 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 70 중량%를 구성할 수 있다.
산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 전술한 전기 전도성 물질을 더 포함한다. 상기 전기 전도성 물질은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 예를 들어 전도성 탄소를 약 0.1-15 중량%, 1-13 중량%, 3-11 중량%, 5-9 중량%, 6-8 중량%, 예를 들어 약 7 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 전술한 전기 전도성을 제공하는 전극의 일부를 형성한다. 상기 전도성 탄소는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 전도성 탄소는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 전도성 탄소의 일례는 Timcal Super 65
Figure pct00007
[Timcal Graphite & Carbon(Switzerland)에 의해 시판됨]이다.
산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 탄소 나노튜브를 0.1-15 중량%, 1-13 중량%, 3-11 중량%, 5-9 중량%, 6-8 중량%, 예를 들어 약 7 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 전기 전도성을 제공하는 전극의 일부로서 기능한다. 상기 탄소 나노튜브는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 탄소 나노튜브의 일례는 다중벽 탄소 나노튜브(multiwalled carbon nanotubes)[Cheap Tubes Inc. (United States)에 의해서 시판됨]이다.
산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 중합체 결합제(polymer binder)를 0.1-15 중량%, 0.5-12 중량%, 1-9 중량%, 2-6 중량%, 3-5 중량%, 예를 들어 약 4 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 중합체 결합제는 기판 및 다른 층들에 대한 접착성 및 그 층들의 일체성(예를 들어 입자들의 상호 고정)을 촉진시킨다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 중합체 결합제의 일례는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)[Solef 5130 (Belgium)에 의해서 시판됨]이다.
산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 이온성 액체를 포함하는 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 5-30 중량%, 8-27 중량%, 11-24 중량%, 14-21 중량%, 17-20 중량%, 예를 들어 약 18 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 이온성 액체는 전해질로서 기능하거나 전해질의 일부일 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다.
산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 염을 더 포함할 수 있으며, 상기 염은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 0.1-5 중량%, 1-5 중량%, 1.5-4.5 중량%, 2.0-4.0 중량%, 2.5-3.5 중량%, 예를 들어 약 3 중량%의 양으로 용매 또는 이온성 액체 중에 용해될 수 있다. 상기 염은 이온성 전도도를 개선시키는 첨가제로서 기능한다. 상기 염은 계면 구조에 기여함으로써 보다 높은 커패시턴스를 촉진할 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다. 상기 염 및 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체는 본원에서 기술된 임의의 염 또는 임의의 이온성 액체일 수 있다.
일부 구현예에서, 이온성 액체 또는 이온성 액체 및 염의 조합물 이외에, 산화망간을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 건조후 잔류할 수 있는 전해질의 용매를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 하나 이상의 전극은 이온 수송용 매질로서 기능하는 겔을 포함한다. 상기 겔은 전해질을 포함할 수 있으며, 이것은, 전술한 바와 같은, 하나 이상의 용매, 염 및 이온성 액체, 및 적당한 겔-형성 또는 겔화 중합체를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 겔은 피각 중의 포어들의 네트워크를 적어도 부분적으로 채울 수 있다. 상기 겔이 포어들의 네트워크를 실질적으로 전부 채우는 경우 생성되는 전극은 공극을 포함한느 포어가 실질적으로 부재할 수 있다. 한편, 상기 겔이 포어들의 네트워크를 부분적으로 채우는 경우 생성되는 분리부는 공극을 포함하는 일부 포어들을 여전히 포함할 수 있다. 존재하는 경우 공극은 전해질로 채울 수 있다.
일부 구성에서, 일단 피각 중의 포어의 네트워크를 채우는 경우 상기 전해질을 포함하는 겔은 상기 피각 중의 포어들의 네트워크를 통해서 자유롭게 이동하지 않고 비교적 국부화된 상태를 유지할 수 있다.
피각 및 표면 활물질로서 산화아연을 포함하는 슈퍼커패시터 전극
슈퍼커패시터 전극, 예를 들어 슈도 커패시턴스를 발생시키도록 구성된 전극을 위한 활물질은 전술한 바와 같은 하나 이상의 아연-함유 화합물, 예를 들어 산화아연을 포함한다. 상기 아연-함유 화합물은 특정 조성을 가질 수 있으며 본원에서 기술된 임의의 관련 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 하나 이상의 전극은 표면 활물질로서 산화아연(ZnxOy, 예를 들어 ZnO), 예를 들어 산화아연 나노구조체가 형성된 피각을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 피각은 본원에서 기술된 임의의 방식으로 산화아연 나노구조체로 코팅된 표면을 갖는다. 산화아연, 예를 들어 산화아연 나노구조체로 코팅된 피각은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 25-90 중량%, 30-80 중량%, 35-70 중량%, 40-60 중량%, 45-50 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 46 중량%를 구성할 수 있다.
산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 전술한 전기 전도성 물질을 더 포함한다. 상기 전기 전도성 물질은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 예를 들어 전도성 탄소를 약 0.1-15 중량%, 2-14 중량%, 4-13 중량%, 6-12 중량%, 8-11 중량%, 예를 들어 약 10 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 전기 전도성을 제공하는 전극의 일부를 형성할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 전도성 탄소는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 전도성 탄소는 전술한 바와 같은 전기 전도성을 제공하는 전극의 일부를 형성할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 전도성 탄소는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 전도성 탄소의 일례는 Timcal Super 65
Figure pct00008
[Timcal Graphite & Carbon (Switzerland)에 의해 시판됨]이다.
산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 탄소 나노튜브를 0.1-15 중량%, 0.1-11 중량%, 0.1-7 중량%, 0.1-5 중량%, 1-3 중량%, 예를 들어 약 2 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 전기 전도성을 제공하는 전극의 일부로서 기능할 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 탄소 나노튜브의 일례는 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes)[Cheap Tubes Inc. (United States)에 의해서 시판됨]이다.
산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 중합체 결합제(polymer binder)를 0.1-15 중량%, 0.5-13 중량%, 1-11 중량%, 2-9 중량%, 3-7 중량%, 예를 들어 약 5 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 중합체 결합제는 기판 및 다른 층들에 대한 접착성 및 그 층들의 일체성(예를 들어 입자들의 상호 고정)을 촉진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 중합체 결합제의 일례는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)[Solef 5130 (Belgium)에 의해서 시판됨]이다.
산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 이온성 액체를 포함하는 전해질을 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 10-50 중량%, 15-50 중량%, 20-45 중량%, 25-40 중량%, 30-35 중량%, 예를 들어 약 34 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 이온성 액체는 전해질로서 기능하거나 전해질의 일부일 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다.
산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 염을 더 포함할 수 있으며, 상기 염은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 0.1-5 중량%, 1-5 중량%, 1.5-4.5 중량%, 2.0-4.0 중량%, 2.5-3.5 중량%, 예를 들어 약 3 중량%의 양으로 이온성 액체 중에 용해될 수 있다. 상기 염은 이온성 전도도를 개선시키는 첨가제로서 기능할 수 있다. 상기 염은 계면 구조에 기여함으로써 보다 높은 커패시턴스를 촉진할 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다.
일부 구현예에서, 이온성 액체 또는 이온성 액체 및 염의 조합물 이외에, 산화아연을 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 건조후 잔류할 수 있는 전해질의 용매를 포함할 수 있다.
표면 활물질로서 탄소 나노구조체가 형성된 피각을 포함하는 슈퍼커패시터 전극
슈퍼커패시터 전극, 예를 들어 EDCL를 발생하도록 구성된 전극을 위한 활물질은 하나 이상의 탄소 나노구조체, 예를 들어 전술한 바와 같은 CNT를 포함할 수 있다. 상기 탄소 나노구조체는 특정 조성을 가질 수 있으며 본원에서 기술된 임의의 관련 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 하나 이상의 전극은 표면 활물질로서 탄소 구조체, 예를 들어 탄소 나노구조체가 형성된 피각을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 피각은 본원에 기술된 임의의 방식으로 탄소 나노구조체, 예를 들어 CNT로 코팅된 표면을 갖는다. 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 1-50 중량%, 1-40 중량%, 1-30 중량%, 1-20 중량%, 5-15 중량%, 예를 들어 약 11 중량%의 양으로 CNT를 포함한다. 상기 탄소 나노튜브는 잉크의 인쇄성을 개선시킬 수 있다. 상기 탄소 나노튜브는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 탄소 나노튜브의 일례는 다중벽 탄소 나노튜브[Cheap Tubes Inc. (United States)에 의해 시판됨]이다.
탄소를 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 전술한 전기 전도성 물질을 더 포함한다. 상기 전기 전도성 물질은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 예를 들어 전도성 탄소를 약 1-50 중량%, 1-40 중량%, 1-30 중량%, 1-20 중량%, 5-15 중량%, 예를 들어 약 11 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 상기 표면 활물질의 일부를 형성할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 잉크의 인쇄성을 제공할 수 있다. 상기 전도성 탄소는 생성되는 슈퍼커패시터의 유연성을 증진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 전도성 탄소의 일례는 Timcal Super 65
Figure pct00009
[Timcal Graphite & Carbon (Switzerland)에 의해 시판됨]이다.
CNT를 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 중합체 결합제를 0.1-15 중량%, 1-13 중량%, 3-11 중량%, 5-9 중량%, 예를 들어 약 7 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 중합체 결합제는 기판 및 다른 층들에 대한 접착성 및 그 층들의 일체성(예를 들어 입자들의 상호 고정)을 촉진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 중합체 결합제의 일례는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)[Solef 5130 (Belgium)에 의해서 시판됨]이다.
CNT를 포함하는 상기 하나 이상의 전극은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 10-90 중량%, 30-85 중량%, 50-80 중량%, 70-75 중량%, 예를 들어 약 71 중량%의 양으로 이온성 액체를 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는 전해질로서 기능하거나 전해질의 일부일 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다.
CNT를 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 염을 더 포함할 수 있으며, 상기 염은, 예를 들어 인쇄되고 건조된 전극의 총중량을 기준으로, 약 0.1-5 중량%, 1-5 중량%, 1.5-4.5 중량%, 2.0-4.0 중량%, 2.5-3.5 중량%, 예를 들어 약 3 중량%의 양으로 이온성 액체 중에 용해될 수 있다. 상기 염은 이온성 전도도를 개선시키는 첨가제로서 기능할 수 있다. 상기 염은 계면 구조에 기여함으로써 보다 높은 커패시턴스를 촉진할 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다. 상기 염 및 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체는 본원에서 기술된 임의의 염 또는 임의의 이온성 액체일 수 있다.
일부 구현예에서, 이온성 액체 또는 이온성 액체 및 염의 조합물 이외에, CNT를 포함하는 상기 하나 이상의 전극은 건조후 잔류할 수 있는 전해질의 용매를 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터 분리부
다양한 구현예에 따르면, 슈퍼커패시터는 분리부를 더 포함한다. 전극들 사이에 개재될 수 있는 분리부는 전극들 사이의 직접 접촉으로 인해 발생할 수 있는 전기적 단락을 억제하거나 방지할 수 있다. 상기 분리부는 피각을 포함할 수 있다. 상기 분리부는 이온 수송을 위한 투과 멤브레인으로 기능하도록 구성될 수 있다. 피각-함유 분리부는 낮은 전기 저항, 화학적 안정성 및/또는 비교적 작은 두께를 제공할 수 있다. 상기 피각은 분리부 충전 물질로서 기능하고 예를 들어 인쇄동안 구멍(hole)이 형성되는 것을 억제하거나 방지하여 전극을 단락시킴으로써 인쇄성을 향상시킨다.
피각-함유 분리부는 임의의 구조 및 조성을 가질 수 있으며, 본원에 기술된 임의의 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
도 14a, 14b 및 15와 관련하여, 각각의 분리부(1400, 1500)는 피각, 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 0-70 중량%, 13-55 중량%, 16-45 중량%, 19-35 중량%, 20-25 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 22 중량%를 구성하는 정제된 피각(purified frustule)을 포함하는 분리부(1430)을 포함한다.
상기 분리부(1430)는 열 전도성 첨가제(thermally conductive additive)를 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 0.1-5 중량%, 0.5-4 중량%, 1-3 중량%, 1.5-2.5 중량%, 예를 들어 약 2 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 열 전도성 첨가제는 분리부 충전제(separator filler)로서 기능할 수 있다. 상기 열 전도성 첨가제는 열 흡수 및/또는 전도제, 예를 들어 근적외선(NIR) 흡수제로서 기능할 수 있다. 본원에서 기술되는 바와 같이, NIR 방사선은 0.7 ㎛ 내지 2.5 mm의 파장을 가질 수 있다. 상기 열 전도성 첨가제는 제작도중에, 예를 들어 근적외선(NIR)을 사용하는 건조 공정도중에 열을 효율적으로 흡수 및/또는 전도할 수 있다. 상기 열 전도성 첨가제는 슈퍼커패시터의 내부 저항을 감소시킴으로써 파워를 향상시킬 수 있다. 상기 열 전도성 첨가제는 예를 들어 양호한 열 흡수제, 양호한 열 전도체 및 비교적 양호한 전기 절연체일 수 있다. 상기 분리부의 일부로서 포함될 수 있는 상기 열 전도성 첨가제의 일례는 그래핀 산화물(GO)[Cheap Tubes Inc. (U.S.A)에 의해서 시판됨]이다. 본 발명자들은, 모든 이점이 필요한 것은 아니지만, 그래핀 산화물이 상기 분리부를 인쇄하기 위한 잉크에 첨가될 때, 생성되는 잉크는 개선된 인쇄성, 건조도중 (건조시간을 감소시키는) 우수한 열 전도도 및 슈퍼커패시터의 비교적 낮은 내부 저항을 나타낸다는 것을 밝혀냈다. 또한, 상기 열 전도성 첨가제 예를 들어 GO는 양호한 전기 절연체일 수 있기 때문에, 상기 분리부는 전기 절연 특성을 유리하게 유지한다. 일부 구현예에서, GO는 서로 접촉하여 인접하는 GO 시트의 네트워크를 형성하는 GO의 시트를 포함한다. 본 발명자들은 인쇄된 층 예를 들어 인쇄된 분리부 층의 일부로서 포함될 때 GO는 최대 1배까지, 예를 들어 수십분 내지 수십초 감소시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다.
피각을 포함하는 상기 분리부는 중합체 결합제를 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 5-20 중량%, 5-15 중량%, 5-10 중량%, 6-8 중량%, 예를 들어 약 7 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 중합체 결합제는 기판 및 다른 층들에 대한 접착성 및 그 층들의 일체성(예를 들어 입자들의 상호 고정)을 촉진시킬 수 있다. 상기 분리부의 일부로서 포함될 수 있는 중합체 결합제의 일례는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)[Solef 5130 (Belgium)에 의해서 시판됨]이다.
피각을 포함하는 상기 분리부는 겔화 중합체(gelling polymer)를 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 0.5-10 중량%, 1.0-7.0 중량%, 1.5-5.0 중량%, 2.0-4.0 중량%, 예를 들어 약 3 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 겔화 중합체는 이온성 액체와 겔을 형성할 수 있다. 상기 분리부의 일부로서 포함될 수 있는 겔화 중합체의 일례는 폴리에틸렌 글리콜[Sigma Aldrich (U.S.A.)에 의해서 시판됨]이다.
일부 구현예에서, 상기 겔화 중합체는 이온 수송을 위한 매질로서 기능하는 겔을 형성한다. 상기 겔은 상기 피각 중의 포어의 네트워크를 충전시킬 수 있다. 상기 겔은 전해질을 포함할 수 있으며, 이것은 하나 이상의 용매, 염 및 이온성 액체, 및 본원에서 기술된, 적당한 겔-형성 또는 겔화 중합체를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 겔은 피각 중의 포어의 네트워크를 적어도 부분적으로 충전시킬 수 있다. 상기 겔이 실질적으로 포어의 네트워크를 전부 충전하는 경우, 생성되는 분리부는 공극을 포함하는 포어가 실질적으로 부재할 수 있다. 유리하게는, 포어가 실질적으로 부재하는 상기 분리부는 그를 통한 입자들의 바람직하지 않은 이동을 방지하는데 효과적일 수 있으며, 이것은 다양한 구성요소, 예를 들어 느슨해지거나 분리될 수 있는 피각 및/또는 나노구조체를 갖는 인쇄된 층들과 관련하여 특히 유리할 수 있다.
한편, 상기 겔이 포어의 네트워크를 부분적으로 충전하는 경우 생성되는 분리부는 여전히 공극을 포함하는 일부 포어를 포함할 수 있으며, 이것은 전해질로 충전될 수 있다. 유리하게는, 이러한 구성은 보다 높은 파워를 위한 이온 전도성을 증가시킬 수 있다.
일부 구성에서, 일단 그것이 피각 중의 포어의 네트워크를 충전하는 경우, 전해질을 포함하는 상기 겔은 상기 피각 중의 포어의 네트워크를 통한 자유로운 이동없이 비교적 국부화된 상태를 유지할 수 있다.
피각을 포함하는 상기 분리부는 전해질을 더 포함할 수 있으며, 이것은 이온성 액체를 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 10-80 중량%, 30-75 중량%, 50-70 중량%, 55-65 중량%, 예를 들어 약 60 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 이온성 액체는 전해질로서 기능할 수 있거나 전해질의 일부일 수 있다. 상기 분리부의 일부로서 포함될 수 있는 이온성 액체의 일례는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)[IoLitec (Germany)에 의해서 시판됨]이다.
피각을 포함하는 상기 분리부는, 전해질에 용해될 수 있는 염을 예를 들어 인쇄되고 건조된 분리부의 총중량을 기준으로, 약 0.1-8 중량%, 1-7.5 중량%, 3.0-7.0 중량%, 5.0-6.5 중량%, 5.5-6.5 중량%, 예를 들어 약 6 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다. 상기 염은 이온성 전도도를 개선시키는 첨가제로서 기능할 수 있다. 상기 염은 계면 구조에 기여함으로써 보다 높은 커패시턴스를 촉진시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 전극의 일부로서 포함될 수 있는 상기 염의 일례는 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2[Sigma Aldrich (U.S.A)에 의해서 시판됨]이다.
위에서 기술한 바와 같이, 하나 이상의 전극 및 슈퍼커패시터의 분리부를 포함한 다양한 구성요소들이 잉크를 사용하여 인쇄될 수 있다. 하기에서는 상기 하나 이상의 전극 및 분리부를 인쇄하는데 사용될 수 있는 잉크의 조성물이 기술된다.
유리하게는, 인쇄될 때, 각각의 상기 전극 및 상기 분리부는 10-50 마이크론, 50-100 마이크론, 100-200 마이크론, 200-300 마이크론, 300-400 마이크론, 400-500 마이크론의 두께 또는 이들 값의 임의의 것으로 정의된 범위의 두께를 가질 수 있다.
슈퍼커패시터 전극을 위한 인쇄가능한 산화망간-함유 잉크를 제조하는 조성물 및 방법
전술한 바와 같이, 본원에서 기술된 슈퍼커패시터의 가능한 이점 중의 하나는 전극을 포함하여 슈퍼 커패시터의 하나 이상의 층의 인쇄 가능성으로 인해 발생하는 제조의 상대적 용이성 및 낮은 제조 단가를 포함한다. 다양한 구현예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 전극을 형성하는데 사용될 수 있는 산화망간-함유 잉크는 임의의 성분 또는 조성물을 포함할 수 있으며, 본원에서 기술된 MnxOy-계 잉크의 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 인쇄 및 건조 전에, 상기 산화망간-함유 잉크는 위에서 기술한 산화망간-함유 전극의 다양한 성분들을, 산화망간-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 20-70 중량%, 25-60 중량%, 30-50 중량%, 30-40 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 34 중량%의 양으로 더 포함한다.
인쇄 및 건조 전에, 상기 산화망간-함유 잉크는 용매를 포함하며, 이것은 상기 산화망간-함유 잉크의 밸런스를 구성할 수 있다. 상기 산화망간-함유 잉크는 용매를, 산화망간-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 30-80 중량%, 40-75 중량%, 50-70 중량%, 60-70 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 66 중량%의 양으로 포함한다. 용매의 일례는 n-메틸피롤리돈이다.
상기 산화망간-함유 잉크는 하기 실시예의 방법에 따라 제조될 수 있다. 용매, 이온성 액체 및 탄소 나노튜브(CNT)가 예를 들어 바이알(vial)에서 혼합되고 생성되는 혼합물은 예를 들어 1-15분동안 초음파 처리되어 상기 CNT를 분산시킬 수 있다. 상기 산화망간-코팅된 피각이 첨가되고, 상기 혼합물을 핫 플레이트(hot plate) 상에서 50 내지 150℃에서 예를 들어 5-30분동안 교반할 수 있다. 상기 혼합물을 행성형 원심 혼합기(planetary centrifugal mixer)(예를 들어 THINKY, USA)에서 1 내지 10분동안 500-2000 rpm으로 더 혼합할 수 있다. 전도성 탄소를 첨가하고 혼합한 다음, 150℃에서 1 내지 15분동안 실험실 에그 혼합(lab egg mixing)을 수행할 수 있다. 이어서, 용해될 수 있거나 또는 용매와 혼합될 수 있는 중합체를 첨가하고, 그 혼합물을 예를 들어 50 내지 150℃에서 핫 플레이트 상에서 5 내지 30분동안 가열하면서 실험실 에그 교반기(lab egg stirrer)로 교반할 수 있다. 상기 혼합물을 예를 들어 핫 플레이트 및/또는 행성형 원심 혼합기 상에서 1 내지 15분동안 500-2000 rpm에서 추가로 혼합할 수 있다.
슈퍼커패시터 전극을 위한 인쇄가능한 산화아연-함유 잉크를 제조하는 조성물 및 방법
다양한 구현예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 전극을 형성하는데 사용될 수 있는 산화아연-함유 잉크는 임의의 성분 또는 조성물을 포함할 수 있으며, 본원에서 기술된 ZnO-계 잉크의 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 인쇄 및 건조 전에, 상기 산화아연-함유 잉크는 위에서 기술한 산화아연-함유 전극의 다양한 성분들을, 산화아연-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 20-70 중량%, 25-60 중량%, 25-50 중량%, 25-40 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 29 중량%의 양으로 더 포함한다.
인쇄 및 건조 전에, 상기 산화아연-함유 잉크는 용매를 포함하며, 이것은 상기 산화아연-함유 잉크의 밸런스를 구성할 수 있다. 상기 산화아연-함유 잉크는 용매를, 산화아연-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 30-80 중량%, 40-75 중량%, 50-75 중량%, 60-75 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 71 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 용매의 일례는 n-메틸피롤리돈을 포함한다.
상기 산화아연-함유 잉크는 하기 실시예의 방법에 따라 제조될 수 있다. 용매, 이온성 액체 및 탄소 나노튜브(CNT)가 예를 들어 바이알(vial)에서 혼합되고 생성되는 혼합물은 예를 들어 1-15분동안 초음파 처리되어 상기 CNT를 분산시킬 수 있다. 상기 산화아연-코팅된 규조류가 첨가되고, 상기 혼합물을 핫 플레이트(hot plate) 상에서 50 내지 150℃에서 예를 들어 1-15분동안 교반하고, 예를 들어 행성형 원심 혼합기 상에서 1 내지 15분동안 500-2000 rpm으로 혼합한다. 핫 플레이트 상에서 50 내지 150℃에서 1 내지 15분동안 전도성 탄소를 첨가한 다음 혼합한다. 이어서, 용해될 수 있거나 또는 용매와 혼합될 수 있는 중합체를 첨가하고, 그 혼합물을 예를 들어 50 내지 150℃에서 1 내지 15분동안 교반할 수 있다. 상기 혼합물을 예를 들어 핫 플레이트 및/또는 행성형 원심 혼합기 상에서 1 내지 15분동안 500-2000 rpm에서 추가로 혼합할 수 있다.
슈퍼커패시터 전극을 위한 인쇄가능한 탄소 나노튜브-함유 잉크를 제조하는 조성물 및 방법
다양한 구현예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 전극을 형성하는데 사용될 수 있는 탄소 나노튜브(CNT)-함유 잉크는 임의의 성분 또는 조성물을 포함할 수 있으며, 본원에서 기술된 CNT-계 잉크의 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 인쇄 및 건조 전에, 상기 CNT-함유 잉크는 위에서 기술한 CNT-함유 전극의 다양한 성분들을, CNT-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 10-80 중량%, 10-60 중량%, 10-40 중량%, 10-30 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 18 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다.
인쇄 및 건조 전에, 상기 CNT-함유 잉크는 용매를 포함하며, 이것은 상기 CNT-함유 잉크의 밸런스를 구성할 수 있다. 상기 CNT-함유 잉크는 용매를, CNT-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 10-80 중량%, 10-60 중량%, 10-40 중량%, 10-30 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 18 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 용매의 일례는 n-메틸피롤리돈을 포함한다.
상기 CNT-함유 잉크는 하기 하나의 실시예의 방법에 따라 제조될 수 있다. 용매, 이온성 액체 및 CNT가 예를 들어 바이알에서 함께 혼합된다. 생성되는 혼합물은 1-15분동안 초음파 처리되어 상기 CNT를 분산시킬 수 있다. 핫 플레이트 상에서 50 내지 150℃에서 예를 들어 1 내지 15분동안 전도성 탄소를 후속적으로 첨가하고 혼합한다. 이어서, 용해될 수 있거나 또는 용매와 혼합될 수 있는 중합체를 첨가하고, 그 혼합물을 핫 플레이트 상에서 예를 들어 50 내지 150℃에서 1 내지 15분동안 교반할 수 있다. 상기 혼합물을 행성형 원심 혼합기 상에서 1 내지 15분동안 500-2000 rpm에서 추가로 혼합할 수 있다.
슈퍼커패시터 분리부를 위한 인쇄가능한 피각-함유 잉크를 제조하는 조성물 및 방법
다양한 구현예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 분리부를 형성하는데 사용될 수 있는 피각-함유 잉크는 임의의 성분 또는 조성물을 포함할 수 있으며, 본원에서 기술된 피각-계 잉크의 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 인쇄 및 건조 전에, 상기 피각-함유 잉크는 위에서 기술한 피각-함유 전극의 다양한 성분들을, 피각-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 20-80 중량%, 30-70 중량%, 40-60 중량%, 50-60 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 54 중량%의 양으로 더 포함할 수 있다.
인쇄 및 건조 전에, 상기 피각-함유 잉크는 용매를 포함하며, 이것은 상기 피각-함유 잉크의 밸런스를 구성할 수 있다. 상기 피각-함유 잉크는 용매를, 피각-함유 잉크의 총중량을 기준으로, 약 20-80 중량%, 30-70 중량%, 40-60 중량%, 40-50 중량%, 또는 이들 값 중 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값, 예를 들어 약 46 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 용매의 일례는 테트라메틸 우레아이다.
상기 피각-함유 잉크는 하기 실시예의 방법에 따라 제조될 수 있다. 겔화 중합체 및 결합제 중합체를, 핫 플레이트 상에서 예를 들어 50 내지 150℃에서 용매 중에 용해시킨다. 그래핀 산화물을 전해질 및 용매와 혼합시킬 수 있다. 상기 그래핀 산화물 혼합물을 1 내지 15분동안 초음파 처리하고, 상기 용해된 중합체와 혼합한다. 이어서, 상기 정제된 규조류를 첨가하고 상기 혼합물을 5 내지 50분동안 핫 플레이트 상에서 50 내지 150℃에서 교반시킬 수 있다.
슈퍼커패시터 전극 및/또는 분리부를 위한 인쇄가능한 잉크의 예시적 구성성분
슈퍼커패시터의 하나 이상의 층, 예를 들어 전극 및/또는 층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 정제된 규조류 피각을 포함할 수 있고, 이것은 임의의 구조 및 조성을 가질 수 있으며 본원에 기술된 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 상기 정제된 규조류 피각은 실질적으로 변형될 수 없다(예를 들어 정제된 규조류 피각의 화학적 조성은 천연 형태의 피각과 실질적으로 동일한 조성을 가질 수 있다).
하나 이상의 전극층, 예를 들어 슈도 커패시터로 구성된 전극층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 산화아연(ZnO)으로 코팅된 규조류 피각, 산화망간(예를 들어 MnO, Mn2O3, Mn3O4, MnOOH 및 MnO2 및 그들의 혼합물을 포함한 MnxOy)으로 코팅된 규조류 피각을 포함할 수 있으며, 이것은 임의의 성분, 조성을 가질 수 있으며 본원에서 기술된 임의의 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
하나 이상의 전극 층, 예를 들어 슈도 커패시터 또는 EDLC로 구성된 전극층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 탄소 나노튜브(CNT)로 코팅된 규조류 피각을 포함할 수 있으며, 이것은 임의의 성분 또는 조성을 포함할 수 있고 본원에서 기술된 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어 상기 잉크에 포함된 CNT는 다른 형태의 CNT 중에서 다중 벽, 단일 벽, 이중 벽, 금속 및 반도체를 포함한 다양한 형태의 CNT의 임의의 것 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나 이상의 전극 층, 예를 들어 슈도 커패시터 또는 EDLC로 구성된 전극층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 탄소 전도성 탄소를 포함할 수 있으며, 이것은 임의의 성분 또는 조성을 포함할 수 있고 본원에서 기술된 임의의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어 상기 잉크에 포함된 전도성 탄소는 다른 형태의 전도성 탄소 중에서 그래핀, 그래파이트(graphite), 탄소 나노-오니온(carbon nano-onion), 카본 블랙, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 무정형 탄소(amorphous carbon), 활성탄, 목탄(charcoal), 탄소 버키볼(carbon buckyball), 탄소 나노버드(carbon nanobud) 및 열분해 탄소(pyrolytic carbon) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
분리부를 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 하나 이상의 열 전도성 첨가제, 예를 들어 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 그래파이트는 관련 산업에서 이해되는 바와 같이 수백만개의 그래핀의 층으로 구성된 3차원 탄소 기반 물질이다. 그래파이트 산화물은 강력한 산화제를 이용하여 그래파이트를 산화시켜서 그래파이트에 산소화된 작용성을 도입시켜서 형성된 물질을 지칭한다. 예를 들어 그래파이트 산화물은 층 분리를 확대시키거나 그 물질을 친수성으로 만들 수 있다. 그래파이트 산화물은 예를 들어 초음파 처리를 이용하여 물 속에서 각질을 제거함으로써, 단일 층 또는 수개의 층의 그래파이트 산화물을 포함하는 2차원 물질을 생성하는 것으로, 이것은 산업분야에서 그리고 본원에서 그래파이트 산화물(GO)로 지칭된다. 본원에서 기술된 다양한 구현예에 따르면, GO는 하나 이상의 층을 가지고 있지만 약 100, 50, 20, 10 또는 5개 미만의 시트, 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위 내의 임의의 수의 시트를 갖는 구조체를 나타낸다.
다양한 구현예에 따르면, GO는 1 내지 100, 1 내지 2, 2 내지 5, 5 내지 10, 10 내지 15, 15 내지 20, 20 내지 25, 25 내지 30, 30 내지 35, 35 내지 40, 40 내지 45, 45 내지 50, 50 내지 55, 55 내지 60, 60 내지 65, 65 내지 70, 70 내지 75, 75 내지 80, 80 내지 85, 85 내지 90, 90 내지 95, 95 내지 100의 탄소 대 산화물 비율, 또는 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위 내의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어 일부 구현예에 따르면, GO는 약 2:1 내지 약 20:1 또는 약 5:1 내지 약 20:1의 평균 탄소 대 산소 비율을 갖는다.
열 전도성 첨가제의 다른 구현예가 가능하다. 예를 들어 상기 전도성 첨가제는 하나 이상의 질화붕소, 산화베릴륨 및 다른 열 전도성 유전체 물질을 포함할 수 있다.
코팅된 규조류, CNT, 전도성 탄소, 열 전도성 첨가제를 포함한, 슈퍼커패시터의 층들을 형성하기 위한 잉크에 포함된 다양한 물질들은 1nm 내지 100 마이크론 범위의 입자 크기를 가질 수 있다.
슈퍼커패시터의 하나 이상의 층, 예를 들어 전극 및/또는 분리부 층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 결합제를 포함할 수 있다. 상기 결합제는 본원에서 기술된 잉크 및 전극 중의 결합제의 임의의 성분 및 조성을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 결합제의 예는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐 피롤리돈(PVP), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오에틸렌, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜헥사플루오로프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐카프로락탐, 폴리비닐 클로라이드; 폴리이미드 중합체 및 공중합체(지방족, 방향족 및 세미-방향족 폴리이미드를 포함), 폴리아미드, 폴리아크릴아미드, 아크릴레이트 및 (메트)아크릴레이트 중합체 및 공중합체 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 알릴메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리부타디엔, 폴리 부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리클로로프렌, 폴리에테르설폰, 나일론, 스티렌-아크릴로니트릴 수지; 폴리에틸렌 글리콜, 점토 예를 들어 헥토라이트 점토(hectorite clay), 가라마이트 점토(garamite clay), 오가노개질 점토(organomodified clay); 사카라이드 및 폴리사카라이드 예를 들어 구아검, 크산탄검, 전분, 부틸 고무, 아가로스(agarose), 펙틴; 셀룰로스 및 개질된 셀룰로스 예를 들어 하이드록실 메틸셀룰로스, 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 프로필 메틸 셀룰로스, 메톡시 셀룰로스, 메톡시 메틸 셀룰로스, 메톡시 프로필 메틸셀룰로스, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로스, 카복시 메틸셀룰로스, 하이드록시 에틸 셀룰로스, 에틸 하이드록실 에틸셀룰로스, 셀룰로스 에테르, 셀룰로스 에틸 에테르, 키토산 및 이들의 중합체성 전구체 또는 중합가능한 전구체를 포함한다.
하나 이상의 층의 슈퍼커패시터, 예를 들어 전극 및/또는 분리부 층을 인쇄하기 위한 인쇄가능한 잉크는 겔화 중합체를 포함할 수 있다. 상기 겔화 중합체는 상기 잉크 중의 임의의 성분 및 조성의 겔화 중합체를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 겔화 중합체의 예는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 알콜을 포함한다.
다양한 구현예에 따르면, 상기 잉크 중에 포함된 모든 중합체는 인쇄된 층으로 형성될 수 있도록 적당한 화학적, 열적 및 전기화학적 안정성을 가질 수 있다.
슈퍼커패시터용 전해질
슈퍼커패시터의 에너지 밀도(E)는 하기 수학식 7로 표시될 수 있다:
[수학식 7]
Figure pct00010
상기 식에서, C는 커패시턴스이고 V는 전압이다. 슈퍼커패시터가 충전될 수 있는 전압은 무엇보다도 전해질의 전기 화학적 전위창에 의존한다. 전압에 대한 에너지 밀도의 강한 의존성(전압의 제곱근(square root)에 비례함) 때문에, 전해질의 전기화학적 전위창은 에너지 밀도에 실질적인 영향을 미칠 수 있으며 때로는 커패시턴스보다 에너지 밀도에 더 큰 영향을 미칠 수 있다.
통상적인 수성 전해질의 작동 전기화학적 전위창은 1-1.3V(이 전압을 초과하면 수소/산소가 발생함)이다. 현저히 높은 전위창, 예를 들어 3.5-4.5V 또는 그 보다 훨씬 높은 전위창을 얻기 위해서, 일부 구현예에 따른 전해질은 이온성 액체를 포함한다.
다양한 구현예에 따르면, 다른 가능한 장점 중에서, 슈퍼커패시터에 포함된 전해질은 폭넓은 전기화학적 전위창(보다 높은 에너지 밀도에 대해)을 가지며, 보다 높은 이온 전도도(낮은 저항 및 보다 높은 파워)를 갖고, 다른 성분들에 대한 보다 높은 화학적 안정성을 가지며, 폭넓은 온도 작동 범위를 가지며, 저 휘발성 및 가연성을 갖고, 환경 친화적이고/이거나 비용이 저렴하다.
본원에서 기술된 바와 같이, 전해질은 전해질 염(또는 산, 염기) 및 용매를 포함한다. 상기 용매는 수성이거나 또는 유기물일 수 있다. 유리하게는, 용매는 비교적 높은 비점(80℃ 이상)을 가질 수 있다. 구현예에 따른 상기 용매는 또한 비교적 느린 증발 속도를 가져서 잉크 혼합 및 인쇄 동안 용매 손실을 감소시킬뿐만 아니라 잉크 저장 수명에 영향을 미친다. 느린 증발 속도는 또한 슈퍼커패시터의 수명을 증가시킨다. 상기 용매는 위에서 기술된 다양한 중합체를 용해하거나, 또는 잉크의 일부로서 중합체 현탁액을 형성하기 위한 매질로서 기능하도록 선택될 수 있다. 상기 용매는 잉크의 레올로지(rheology)를 향상시키도록 선택될 수 있다. 건조된 층들에서 일부 용매의 잔여물은 슈퍼커패시터의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 이점 및/또는 다른 이점을 얻기 위해서, 용매는 하나 이상의 물 및 알콜 예를 들어 메탄올, 에탄올, N-프로판올(1-프로판올, 2-프로판올(이소프로판올 또는 IPA), 1-메톡시-2-프로판올을 포함함), 부탄올(1-부탄올, 2-부탄올(이소부탄올)을 포함함), 펜탄올(1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올), 헥산올(1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올을 포함함), 옥탄올, N-옥탄올(1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올을 포함함), 테트라하이드로푸르푸릴 알콜(THFA), 사이클로헥산올, 사이클로펜탄올, 터피네올; 락톤 예를 들어 부틸 락톤; 에테르 예를 들어 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르 및 폴리에테르; 디케톤 및 사이클릭 케톤을 포함한 케톤, 예를 들어 사이클로헥사논, 사이클로펜타논, 사이클로헵타논, 사이클로옥타논, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 사이클로프로파논, 이소포론, 메틸 에틸 케톤; 에스테르 예를 들어 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트; 카보네이트 예를 들어 폴리프로필렌 카보네이트; 폴리올(또는 액체 폴리올), 글리세롤 및 다른 중합체성 폴리올 또는 글리콜 예를 들어 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올; 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라하이드로푸란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸설폭사이드(DMSO); 티오닐 클로라이드; 설퍼릴 클로라이드; 이염기성 에스테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 그들의 조합물 등을 포함할 수 있다.
유기 용매는 하나 이상의 아세토니트릴, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 에틸 아세테이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로프로판-2-올, 아디포니트릴, 1,3-프로필렌 설파이트, 부틸렌 카보네이트, γ-부티롤락톤, γ-발레롤락톤, 프로 피오니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로 피오니트릴, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리디논, N-메틸옥사졸리디논, N,N"-디메틸이미다졸리니논, 니트로메탄, 3-메틸설포네이트, 니트로메탄, 니트로에탄, 디메틸설폭사이드, 트리메틸 포스페이트, 그들의 조합물 등을 포함할 수 있다.
일부 구현예에 따르는 전해질은 이온성 액체(IL)를 포함한다. 본원에서 기술되는 바와 같이, IL은 슈퍼커패시터의 작동 온도에서 액체 상태인 염을 지칭한다. 예를 들어 제한됨이 없이, IL은 100℃ 미만의 온도에서 액체 용융된 형태일 수 있다. 일부 IL은 본질적으로 양이온 및 음이온을 포함한 이온으로 구성될 수 있다. 상기 IL은 하기 예시된 양이온 및 음이온의 조합물을 포함할 수 있다.
슈퍼커패시터용 IL에 포함될 수 있는 양이온의 예는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린(choline), 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄, 그들의 조합물 등을 포함한다.
슈퍼커패시터용 IL에 포함될 수 있는 음이온의 예는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트, 그들의 조합물 등을 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 전해질 또는 IL은 존재하는 경우 상기 전해질 중에 용해되거나 또는 상기 IL 중에 용해된 하나 이상의 염을 더 포함한다. 상기 전해질 중의 염은 양이온 및 음이온의 조합물을 포함한다.
상기 염의 양이온은 하나 이상의 아연, 나트륨, 칼륨, 망간 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨, 그들의 조합물 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 염의 음이온은 하나 이상의 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트, 그들의 조합물 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 전해질은 유기 염, 무기 염, 산, 또는 염기를 포함할 수 있다.
유기 용매의 예는 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트, 그들의 조합물 등을 포함한다.
산의 예는 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4, 그들의 조합물 등을 포함한다.
염기의 예는 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH, 그들의 조합물 등을 포함한다.
무기 염의 예는 LiCl, Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4, 그들의 조합물 등을 포함한다.
본원에서 개시된 임의의 다른 염, 전해질 또는 이온성 액체가 가능하다.
이온성 액체는 전해질로서 기능할 수 있고/있거나 염의 존재 또는 부재하에 상기 전해질의 일부로 포함될 수 있다. 이온성 액체는 비-수성 전해질 및/또는 물과 함께 사용될 수 있다.
다양한 구현예에 따르면, 특정 전해질은 중합체 또는 다른 매트리스(matrices)와 혼합하여 겔 전해질을 형성하도록 선택될 수 있다.
슈퍼커패시터 구성
다양한 구현예에 따르는 슈퍼커패시터의 전극 및 분리부의 기하학적 배열은 도 7에 도시된 구성 중의 어느 하나를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 슈퍼커패시터의 전극은 대칭으로 또는 비대칭으로 배열될 수 있다. 본원에서 기술되는 바와 같이, 반대 극성을 갖는 전극(예를 들어 캐쏘드 및 애노드 또는 양의 전극 및 음의 전극)이 대칭으로 구성되는 경우, 상기 두 유형 전극은 둘 다 주로 EDLC로 또는 주로 슈도 커패시터로 전하를 저장하도록 구성된다.
본원에서 기술된 바와 같이, 주로 2가지 유형의 저장 메카니즘 중의 하나를 통해서 전하를 저장하도록 구성되는 전극은 다른 유형에 비해 그 유형의 저장 메카니즘에서 주로 발생하는 커패시턴스 값을 나타낸다. 에를 들어 전극이 주로 전기 이중층 커패시턴스 또는 슈도 커패시턴스 메카니즘 중의 하나를 통해서 에너지를 저장하도록 구성되는 경우 순 커패시턴스 값의 적어도 80%, 90%, 95%, 99%, 또는 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값이 상기 이중층 커패시턴스 또는 슈도 커패시턴스 중의 하나로부터 발생할 수 있다. 예를 들어 표면 활물질이 (1) CNT 또는 (2) 산화망간 및/또는 산화아연 중의 하나를 포함하지만 다른 하나는 포함하지 않는 경우, 전극은 주로 EDLC 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 구성되지 않고 다른 하나로 구성될 수 있다. 그리고 표면 활물질이 (1) CNT 및 (2) 산화망간 및/또는 산화아연을 둘 다 포함하는 경우, 상기 전극은 산화망간 및/또는 산화아연의 상대적인 양이 CNT의 상대적인 양에 비해 낮을 때 주로 EDLC로 구성될 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지다.
전극이 상기 전기 이중층 커패시턴스 및 슈도 커패시턴스 메카니즘 둘 다를 통해서 실질적으로 에너지를 저장하도록 구성되는 경우, 순 커패시턴스 값의 20-80%, 30-70%, 40-60%, 또는 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 값이 상기 전기 이중층 커패시턴스 또는 슈도 커패시턴스 메카니즘 중의 하나에서 발생할 수 있는 반면, 그 밸런스는 실질적으로 상기 전기 이중층 커패시턴스 또는 슈도 커패시턴스 메카니즘 중의 다른 것에 기인할 수 있다. 예를 들어 상기 표면 활물질이 (1) CNT 및 (2) 산화망간 및/또는 산화아연을 둘 다 포함하는 경우, 상기 전극은 (1) CNT 및 (2) 산화망간 및/또는 산화아연을 둘 다의 상대적인 양이 상기 메카니즘 각각에 기인할 수 있는 커패시턴스 값의 상기 백분율 값을 발생시키는데 실질적이거나 효과적일 때 실질적으로 EDLC로서 및 슈도 커패시터로 구성될 수 있다.
반대 유형 극성을 갖는 전극(예를 들어 캐쏘드 및 애노드 또는 양의 전극 및 음의 전극)이 비대칭으로 구성되는 경우, 상기 두가지 유형의 전극 중의 하나는 주로 EDLC 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 전하를 저장하도록 구성되는 반면, 상기 두 유형의 전극 중의 다른 하나는 주로 EDLC 또는 슈도 커패시터 중의 다른 하나로 전하를 저장하도록 구성된다.
반대 전하 유형의 전극이 대칭으로 구성되는 경우, 두 유형의 전하의 전극은 동일한 유형의 나노구조체를 갖는 피각을 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 두 유형의 전극은 아연-산화물, 예를 들어 산화아연(ZnxOy, 예를 들어 ZnO) 나노구조체가 형성된 피각, 망간-산화물, 예를 들어 산화망간(MnxOy) 나노구조체가 형성된 피각, 및/또는 탄소, 예를 들어 탄소 나노구조체, 예를 들어 탄소 나노튜브(CNT)가 형성된 피각을 포함할 수 있다. 반대 전하 유형의 전극이 비대칭으로 구성되는 경우, 서로 다른 전하 유형의 전극은 이들 나노구조체 중의 서로 다른 것을 갖는 피각을 포함할 수 있다. 피각 상에 동일한 금속 산화물, 예를 들어 ZnxOy 또는 MnxOy를 포함하는 두 전하 유형의 전극을 갖는 대칭적 슈퍼커패시터는 주로 슈도 커패시터이다. 피각 상에 탄소 나노구조체, 예를 들어 CNT를 포함하는 두 전하 유형의 전극을 갖는 대칭적 슈퍼커패시터는 주로 EDLC이다. 전이금속 산화물 중의 하나를 포함하는 제 1 전하 유형의 전극 및 전이금속 산화물 없이 피각 상에 CNT를 포함하는 제 2 유형의 전극, 예를 들어 각각 MnxOy 및 CNT를, 그리고 각각 ZnxOy 및 CNT를 포함하는 제 1 및 제 2 표면 활물질은 하나의 전극 상의 슈도 커패시터 및 다른 전극 상의 EDLC 둘 다의 특징들을 결합시킨 하이브리드 커패시터이다.
슈퍼커패시터는 상업적으로 구입가능한 적당한 분리부 또는 인쇄된 분리부, 예를 들어 피각 및/또는 그래핀 산화물을 포함하는 인쇄된 분리부를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 슈퍼커패시터는 전해질로서 기능하는 이온성 액체를 포함한다. 일부 구현예에서, 슈퍼커패시터는 이온성 액체와, 전해질로서 기능하는 염 및 용매 중의 하나의 조합물을 포함한다.
집전체는 적당한 전기 전도성 물질, 예를 들어 Al, Cu, Ni, 스테인레스강, 그래파이트/그래핀/CNT, 호일(foil) 등을 포함할 수 있다. 상기 박은 한쪽에서 중합체로 적층될 수 있다. 집전체는 인쇄된 전도성 잉크로부터 형성될 수 있다. 상기 잉크는 Al, Ni, Ag, Cu, Bi, 탄소, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그래파이트 및 다른 전도성 물질 및 그들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상이한 층들이 인쇄되는 기판은 전도성 또는 비-전도성일 수 있다. 유리하게는, 본원에 개시된 슈퍼커패시터의 다양한 층들은 예를 들어 천(cloth)에 필적할만한 유연성을 갖는 유연성 기판 상에 인쇄될 수 있다. 상기 기판은 그래파이트 페이퍼, 그래핀 페이퍼, 폴리에스테르 필름, Al 호일, Cu 호일, 스테인레스 호일, 탄소 포움(carbon foam), 폴리카보네이트 필름, 페이퍼, 코팅된 페이퍼, 플라스틱 코팅된 페이퍼, 섬유 페이퍼 및/또는 카드보드 등을 포함할 수 있다.
상기 다양한 층들을 인쇄한 후, 슈퍼커패시터는 적층에 의해서, 예를 들어 보호층을 인쇄/증착함으로써 캡슐화될 수 있다.
상기 슈퍼커패시터는 임의의 적당한 형상으로 인쇄될 수 있다. 슈퍼커패시터는 전기적으로 병렬 연결되고/되거나 전기적으로 직렬 연결되도록 인쇄될 수 있다. 슈퍼커패시터는 인쇄된 배터리와 전기적으로 병렬 및/또는 직렬 연결되도록 인쇄될 수 있다.
유리하게는, 슈퍼커패시터의 전체 두께는 극히 얇게 만들 수 있다. 상기 기판을 포함한, 전체 슈퍼커패시터는 10-50 마이크론, 50-100 마이크론, 100-200 마이크론, 200-300 마이크론, 300-400 마이크론, 400-500 마이크론, 500-600 마이크론, 600-700 마이크론, 700-800 마이크론 800-900 마이크론, 900-1000 마이크론, 1000-1200 마이크론, 1200-1400 마이크론, 1400-1600 마이크론, 1600-1800 마이크론, 1800-2000 마이크론의 두께, 또는 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 두께를 갖는다.
슈퍼커패시터 제조방법
유리하게는, 위에서 기술된 잉크를 사용하여, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 층 또는 모든 층들이 인쇄될 수 있다. 상기 하나 이상의 층 또는 전체 슈퍼커패시터는 본원에서 기술된 인쇄 기법 중의 임의의 것을 이용하여 인쇄될 수 있다. 상기 하나 이상의 층을 인쇄하는데 사용될 수 있다는 예시적인 인쇄 공정은, 다른 적당한 인쇄기법 중에서, 코팅, 롤링, 스프레이, 레이어링(layering), 스핀 코팅, 적층(lamination) 및/또는 부착(affixing) 공정, 예를 들어 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 전기-광학 인쇄(electro-optical printing), 전자-잉크 인쇄(electroink printing), 포토레지스트 및 기타 레지스트 인쇄(resist printing), 열 인쇄(thermal printing), 레이저 제트 인쇄(laser jet printing), 자기 인쇄(magnetic printing), 패드 인쇄(pad printing), 플렉쏘그래픽 인쇄(flexographic printing), 하이브리드 오프셋 리쏘그래피(hybrid offset lithography), 그라비아(gravure) 및 기타 요판 인쇄(intaglio printing), 다이 슬롯 증착(die slot deposition)을 포함한다.
상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 층을 인쇄하기 위한 잉크는, 교반 바(stir bar)로 혼합하는 것, 자기 교반기(magnetic stirrer)로 혼합하는 것, (보텍스 기계(vortex machine)를 사용한) 보텍싱(vortexing), (진탕기를 사용한) 진탕, 회전, 행성형 원심 혼합, 회전에 의해서, 3가지 롤 밀링, 볼 밀링, 초음파 처리 및 모르타르(motar) 및 페슬(pestle) 등을 사용한 혼합을 포함한, 본원에서 기술된 잉크 혼합 기법 중의 임의의 것을 사용하여, 위에서 기술한 다양한 잉크 성분들을 혼합함으로써 제조될 수 있다.
전극 및/또는 분리부를 포함한, 위에서 기술된 잉크를 사용하여 인쇄된 하나 이상의 층들은, 다른 기법들 중에서, 단파장 적외선(IR) 방사, 중파장 IR-방사, 고온 공기 종래 오븐, 전자 비임 경화 및 근적외선 방사를 비롯한 건조/경화 기법을 포함한, 위에서 기술된 다양한 공정으로 이용하여 처리될 수 있다. 종래 및 IR 오븐을 사용하여 경화시킨 경우, 상기 층들은 1 내지 60분, 2 내지 40분, 3 내지 15분의 기간, 또는 이들 값 중의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 기간동안, 50 내지 200℃, 75 내지 175℃, 100 내지 150℃ 또는 이들 값 중의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 임의의 온도에 적용시킨다.
상기 전극 및/또는 상기 분리부를 포함한, 위에서 기술된 잉크를 사용하여 인쇄된 상기 하나 이상의 층들은 그러한 광원을 발생시키도록 구성된 적당한 장비를 사용한, 근적외선(NIR) 광 에너지를 사용하여 경화/건조될 수 있다. 사용될 수 있는 하나의 예시적 장비는 Adphos Group에서 구입할 수 있다. 상기 인쇄된 층들을 건조/경화시키기 위해 NIR 광 에너지를 사용하는 것은 유리하게는, 예를 들어 IR 또는 종래 오븐을 사용할 때의 건조 시간 보다 짧은 건조시간(예를 들어 수 분 보다는 수 초)와 같은 짧은 건조시간을 포함할 수 있다. 본 발명자들은 NIR 방사선이 더 효과적이고 빠르게 인쇄된 인쇄된 층으로 더 깊이 침투하여 인쇄된 층의 전체 두께에서 용매를 더 효과적이고 빠르게 제거한다는 것을 발견했다. 인쇄된 층의 더 빠른 건조를 촉진하게 하기 위해서, NIR 방사선이 사용될 때 열 흡수 입자가 인쇄된 층의 잉크에 포함될 수 있어서 건조 공정의 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다. 전극과 같은 일부 인쇄된 층에서, CNT, MnxOy 또는 ZnxOy와 같은 표면 활물질뿐만 아니라 인쇄된 전극 층에 포함된 다른 전기 전도성 탄소는 인쇄된 층의 건조를 촉진하는 열 흡수 입자로서 작용할 수 있다. 일부 인쇄된 층, 예를 들어 분리막에서, 열 전도성 첨가제, 그래핀 산화물(GO)이 인쇄된 층의 건조를 촉진하기 위해 열-흡수 입자로서 기능하도록 첨가될 수 있다. 본원에서 기술된 바와 같이, GO와 같은 열 전도성 첨가제는 우수한 전기 절연체가 될 수 있기 때문에, 분리부는 유리하게는 열 흡수 재료로서 기능하면서 전기 절연 특성을 유지한다. 본 발명자들은 인쇄된 층, 예를 들어 인쇄된 분리부 처ㅡㅇ의 일부로서 포함되는 경우 GO는 건조 시간을 예를 들어 수십 분 내지 수십 초 크기로 감소시킬 수 있다. NIR 방사선이 사용되는 경우 상기 층들은 1 내지 60초, 1 내지 45초, 1 내지 30초의 기간, 또는 이들 값의 임의의 것에 의해서 정의된 범위의 기간동안 건조/경화될 수 있으며, 이것은 예를 들어 IR 광원과 같은 다른 광원을 이용하여 사용될 수 있는 건조/경화 시간 보다 현저히 짧은 기간이다.
슈퍼커패시터의 실험적 성능
도 16a 및 도 16b는 대칭적으로 인쇄된 전극을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 측적을 도시한 것으로, 여기서 반대 극성을 갖는 각각의 전극은 그 위에 산화아연(ZnxOy, 예를 들어 ZnO) 나노구조체가 형성된 피각을 가져서 상기 슈퍼커패시터는 슈도 커패시터로 구성된다. 도 16a는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 1 mA에서 충전/방전되었으며, 충전 시간은 500초이었다. 측정된 커패시턴스는 약 0.06F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다. 도 16b는 도 16a에 도시된 것과 유사한 커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 도시한 것으로, 여기서 슈퍼커패시터는 보다 높은 전류 10 mA에서 충전/방전되었다. 충전을 위한 컷-오프 전압은 3V이었다. 측정된 커패시턴스는 약 0.04F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 17a 내지 도 17d는 대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 측정을 도시한 것으로, 여기서 반대 극성을 갖는 각각의 전극은 그 위에 산화망간(MnxOy) 나노구조체가 형성된 피각을 포함하여, 슈퍼커패시터는 슈도 커패시터로 구성된다. 도 17a는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 2 mA에서 충전/방전되었으며, 충전 시간은 500초이었다. 측정된 커패시턴스는 약 0.14F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 17b는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 40 mA에서 3초동안 충전되고, 0.4 mA에서 방전되었다. 측정된 평균 커패시턴스는 약 0.06F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다. 커패시턴스 값은 사이클링에 따라 증가하는 것으로 관측되었다. 몇번의 사이클만 표시되지만 커패시터는 성능 저하없이 1000번동안 성공적으로 사이클링되었다. 도시된 바와 같이, 커패시터는 비교적 빠르게 충전되는 것으로 입증되었으며, 이것은 전술한 바와 같이 배터리에 비해 슈퍼커패시터의 유리한 특성이다.
도 17c는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 40 mA에서 3초동안 충전되고, 0.4 mA에서 방전되었다. 측정된 평균 커패시턴스는 약 0.055F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다. 단지 1회 사이클(330번째 사이클)이 설명을 위해 도시되지만, 상기 커패시터는 실질적 저하없이 1000번 이상 성공적으로 사이클링되었다.
도 17d는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 40 mA에서 3초동안 충전되고, 0.4 mA에서 방전되었다. 측정된 평균 커패시턴스는 약 0.061F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다. 단지 1회 사이클(1000번째 사이클)이 설명을 위해 도시되지만, 상기 커패시터는 실질적 저하없이 1000번 이상 성공적으로 사이클링되었다.
도 18a 내지 도 18e는 비대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 측정을 도시한 것으로, 여기서 반대 극성을 갖는 전극들 중의 하나는 그 위에 산화망간(MnxOy) 나노구조체가 형성된 피각을 포함하는 반면, 상기 전극들 중의 다른 하나는 그 위에 CNT가 형성된 피각을 포함하여, 슈퍼커패시터는 하이브리드 슈퍼커패시터로 구성된다. 측정된 커패시턴스에 비표면적을 곱해서 정의될 수 있는, 0.01-1A/g의 비전류(specific current)에서 100-340F/g의 비커패시턴스(specific capacitance)(Csp)는 표면 활물질의 양에 기초하여 얻었다.
도 18a는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 2V의 일정한 전압에서 30분동안 충전되었고 2 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 2.21F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 18b는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 2V의 일정한 전압에서 30분동안 충전되었고 2 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 3.26F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 18c는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 3V의 일정한 전압에서 30분동안 충전되었고 2 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 3.86F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 18d는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 0.1 A에서 2초동안 충전되었고, 1 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 1.36F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다. 도시된 바와 같이, 커패시터는 비교적 빠르게 충전되는 것으로 입증되었으며, 이것은 전술한 바와 같이 배터리에 비해 슈퍼커패시터의 유리한 특성이다.
도 18e는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 2 mA에서 4.5V로 2초동안 충전되었고, 1 mA에서 방전되었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 2V이었다. 도시된 바와 같이, 커패시터는 비교적 빠르게 충전되는 것으로 입증되었으며, 이것은 전술한 바와 같이 배터리에 비해 슈퍼커패시터의 유리한 특성이다.
도 19a 내지 도 19b는 대칭적으로 인쇄된 전극들을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 수행된 실험적 측정을 도시한 것으로, 여기서 반대 극성을 갖는 전극들 각각은 그 위에 그 위에 CNT가 형성된 피각을 포함하여, 슈퍼커패시터는 이중층 슈퍼커패시터로 구성된다. 비커패시턴스(Csp)는 표면 활물질의 양에 기초하여 0.01-1A/g의 비전류에서 50-100F/g이었다.
도 19a는 사각형 전극들(1.6 cm x 1.6 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 충전/방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 1 mA에서 500초동안 충전되었고, 1 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 0.06F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
도 19b는 사각형 전극들(2.54. cm x 2.54 cm)을 갖는 슈퍼커패시터 상에서 측정된 방전 곡선을 나타낸다. 상기 커패시터는 5 mA에서 3V로 충전되었고, 5 mA에서 방전되었다. 측정된 커패시턴스는 약 0.06F이었다. 계산을 위한 컷-오프 전압은 1V이었다.
구현예
하기 구현예는 본 명세서에 기술된 특징의 조합의 몇몇 가능한 변경을 확인한 것이지만, 특징의 조합의 다른 변경도 가능하다.
1. 제 1 전극;
제 2 전극; 및
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치로서, 적어도 하나의 제 1 전극, 제 2 전극, 및 분리부는 피각을 포함하는, 인쇄 에너지 저장 장치.
2. 구현예 1에 있어서, 분리부는 피각을 포함하는, 장치.
3. 구현예 1 또는 2에 있어서, 제 1 전극은 피각을 포함하는, 장치.
4. 구현예 1-3 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 전극은 피각을 포함하는, 장치.
5. 구현예 1-4 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 장치.
6. 구현예 5에 있어서, 특성은 모양을 포함하는, 장치.
7. 구현예 6에 있어서, 모양은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는, 장치.
8. 구현예 5-7 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 크기를 포함하는, 장치.
9. 구현예 8에 있어서, 크기는 직경을 포함하는, 장치.
10. 구현예 9에 있어서, 직경은 약 2㎛ 내지 약 10㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 장치.
11. 구현예 8에 있어서, 크기는 길이를 포함하는, 장치.
12. 구현예 11에 있어서, 길이는 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 장치.
13. 구현예 8에 있어서, 크기는 장축(longest axis)을 포함하는, 장치.
14. 구현예 13에 있어서, 장축은 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 장치.
15. 구현예 5-14 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기공을 포함하는, 장치.
16. 구현예 15에 있어서, 기공은 약 20% 내지 약 50%의 범위인 것을 특징으로 하는, 장치.
17. 구현예 5-16 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함하는, 장치.
18. 구현예 1-17 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함하는, 장치.
19. 구현예 18에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함하는, 장치.
20. 구현예 19에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 장치.
21. 구현예 18-20 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함하는, 장치.
22. 구현예 18-21 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함하는, 장치.
23. 구현예 22에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 장치.
24. 구현예 18-23 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양을 갖는 구조체를 포함하는, 장치.
25. 구현예 18-24 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
26. 구현예 18-25 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
27. 구현예 1-26 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함하는, 장치.
28. 구현예 27에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함하는, 장치.
29. 구현예 28에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 장치.
30. 구현예 27-29 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 산화 아연(ZnO)을 포함하는, 장치.
31. 구현예 27-30 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함하는, 장치.
32. 구현예 31에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 장치.
33. 구현예 27-32 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
34. 구현예 27-33 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
35. 구현예 1-34 중의 어느 하나에 있어서, 제 1 전극은 전도성 충전제를 포함하는, 장치.
36. 구현예 1-35 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 전극은 전도성 충전제를 포함하는, 장치.
37. 구현예 35 또는 36에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함하는, 장치.
38. 구현예 35-37 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀을 포함하는, 장치.
39. 구현예 1-38 중의 어느 하나에 있어서, 제 1 전극은 접착 물질을 포함하는, 장치.
40. 구현예 1-39 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 전극은 접착 물질을 포함하는, 장치.
41. 구현예 1-40 중의 어느 하나에 있어서, 분리부는 접착 물질을 포함하는, 장치.
42. 구현예 39-41 중의 어느 하나에 있어서, 접착 물질은 고분자를 포함하는, 장치.
43. 구현예 1-42 중의 어느 하나에 있어서, 분리부는 전해질을 포함하는, 장치.
44. 구현예 43에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함하는, 장치.
45. 구현예 43 또는 44에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함하는, 장치.
46. 구현예 1-45 중의 어느 하나에 있어서, 제 1 전극과 함께 전기통신의 제 1 집전체를 더 포함하는, 장치.
47. 구현예 1-46 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 전극과 함께 전기통신의 제 2 집전체를 더 포함하는, 장치.
48. 구현예 1-47 중의 어느 하나에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함하는, 장치.
49. 구현예 1-47 중의 어느 하나에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함하는, 장치.
50. 구현예 1-47 중의 어느 하나에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함하는, 장치.
51. 서로의 상부에 적층된 구현예 1-50 중 어느 하나의 다수의 장치를 포함하는 시스템.
52. 구현예 1-50 중 어느 하나의 장치 또는 구현예 51의 시스템을 포함하는 전기 장치.
53. 피각을 포함하는 멤브레인인, 인쇄 에너지 저장 장치의 멤브레인.
54. 구현예 53에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
55. 구현예 54에 있어서, 특성은 모양을 포함하는, 멤브레인.
56. 구현예 55에 있어서, 모양은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는, 멤브레인.
57. 구현예 54-56 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 크기를 포함하는, 멤브레인.
58. 구현예 57에 있어서, 크기는 직경을 포함하는, 멤브레인.
59. 구현예 58에 있어서, 직경은 약 2㎛ 내지 약 10㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
60. 구현예 54-59 중의 어느 하나에 있어서, 크기는 길이를 포함하는, 멤브레인.
61. 구현예 60에 있어서, 길이는 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
62. 구현예 54-61 중의 어느 하나에 있어서, 크기는 장축을 포함하는, 멤브레인.
63. 구현예 62에 있어서, 장축은 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
64. 구현예 54-63 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기공을 포함하는, 멤브레인.
65. 구현예 64에 있어서, 기공은 약 20% 내지 약 50%의 범위인 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
66. 구현예 54-65 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함하는, 멤브레인.
67. 구현예 53-66 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함하는, 멤브레인.
68. 구현예 67에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함하는, 멤브레인.
69. 구현예 68에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 멤브레인.
70. 구현예 67-69 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함하는, 멤브레인.
71. 구현예 67-70 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함하는, 멤브레인.
72. 구현예 71에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 멤브레인.
73. 구현예 67-72 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양을 갖는 구조체를 포함하는, 멤브레인.
74. 구현예 67-73 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
75. 구현예 67-74 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
76. 구현예 53-75 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함하는, 멤브레인.
77. 구현예 76에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함하는, 멤브레인.
78. 구현예 77에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 멤브레인.
79. 구현예 76-78 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 산화 아연(ZnO)을 포함하는, 멤브레인.
80. 구현예 76-79 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함하는, 멤브레인.
81. 구현예 80에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 멤브레인.
82. 구현예 76-81 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
83. 구현예 76-82 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
84. 구현예 53-83 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 충전제를 더 포함하는, 멤브레인.
85. 구현예 84에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함하는, 멤브레인.
86. 구현예 84 또는 85에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀을 포함하는, 멤브레인.
87. 구현예 53-86 중의 어느 하나에 있어서, 접착 물질을 더 포함하는, 멤브레인.
88. 구현예 87에 있어서, 접착 물질은 고분자를 포함하는, 멤브레인.
89. 구현예 53-88 중의 어느 하나에 있어서, 전해질을 더 포함하는, 멤브레인.
90. 구현예 89에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함하는, 멤브레인.
91. 구현예 89 또는 90에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함하는, 멤브레인.
92. 구현예 53-91 중 어느 하나의 멤브레인을 포함하는 에너지 저장 장치.
93. 구현예 92에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함하는, 장치.
94. 구현예 92에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함하는, 장치.
95. 구현예 92에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함하는, 장치.
96. 서로의 상부에 적층된 구현예 92-95 중 어느 하나의 다수의 장치를 포함하는 시스템.
97. 구현예 92-95 중 어느 하나의 장치 또는 구현예 96의 시스템을 포함하는 전기 장치.
98. 제 1 전극을 형성하는 단계;
제 2 전극을 형성하는 단계; 및
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 형성하는 단계를 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치의 제조 방법으로서,
적어도 하나의 제 1 전극, 제 2 전극, 및 분리부는 피각을 포함하는, 인쇄 에너지 저장 장치의 제조 방법.
99. 구현예 98에 있어서, 분리부는 피각을 포함하는, 방법.
100. 구현예 99에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 피각을 포함하는 분산물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
101. 구현예 99 또는 100에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 분리부를 스크린 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
102. 구현예 99에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 피각을 포함하는 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
103. 구현예 102에 있어서, 분리부를 형성하는 단계는 분리부를 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
104. 구현예 98-103 중의 어느 하나에 있어서, 제 1 전극은 피각을 포함하는, 방법.
105. 구현예 104에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 피각을 포함하는 분산물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
106. 구현예 104 또는 105에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 제 1 전극을 스크린 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
107. 구현예 104에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 피각을 포함하는 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
108. 구현예 107에 있어서, 제 1 전극을 형성하는 단계는 제 1 전극을 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
109. 구현예 98-108 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 전극은 피각을 포함하는, 방법.
110. 구현예 109에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 피각을 포함하는 분산물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
111. 구현예 109 또는 110에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 제 2 전극을 스크린 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
112. 구현예 109에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 피각을 포함하는 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
113. 구현예 112에 있어서, 제 2 전극을 형성하는 단계는 제 2 전극을 포함하는 멤브레인을 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
114. 구현예 98-113 중의 어느 하나에 있어서, 특성에 따라 피각을 분류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
115. 구현예 114에 있어서, 특성은 적어도 하나의 모양, 크기, 물질, 및 기공을 포함하는, 방법.
116. 용액; 및
용액에 분산된 피각을 포함하는, 잉크.
117. 구현예 116에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는, 잉크.
118. 구현예 117에 있어서, 특성은 모양을 포함하는, 잉크.
119. 구현예 118에 있어서, 모양은 원통형, 구형, 원판형, 또는 각기둥형을 포함하는, 잉크.
120. 구현예 117-119 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 크기를 포함하는, 잉크.
121. 구현예 120에 있어서, 크기는 직경을 포함하는, 잉크.
122. 구현예 121에 있어서, 직경은 약 2㎛ 내지 약 10㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 잉크.
123. 구현예 117-122 중의 어느 하나에 있어서, 크기는 길이를 포함하는, 잉크.
124. 구현예 123에 있어서, 길이는 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 잉크.
125. 구현예 117-124 중의 어느 하나에 있어서, 크기는 장축을 포함하는, 잉크.
126. 구현예 125에 있어서, 장축은 약 5㎛ 내지 약 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는, 잉크.
127. 구현예 117-126 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기공을 포함하는, 잉크.
128. 구현예 127에 있어서, 기공은 약 20% 내지 약 50%의 범위인 것을 특징으로 하는, 잉크.
129. 구현예 117-128 중의 어느 하나에 있어서, 특성은 기계적 강도를 포함하는, 잉크.
130. 구현예 116-129 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 구조체를 포함하는, 잉크.
131. 구현예 130에 있어서, 표면 개질 구조체는 전도성 물질을 포함하는, 잉크.
132. 구현예 131에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 잉크.
133. 구현예 130-132 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 산화 아연(ZnO)을 포함하는, 잉크.
134. 구현예 130-133 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 반도체를 포함하는, 잉크.
135. 구현예 134에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 잉크.
136. 구현예 130-135 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노입자, 및 장미 모양을 갖는 구조체를 포함하는, 잉크.
137. 구현예 130-136 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 잉크.
138. 구현예 130-137 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 구조체는 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 잉크.
139. 구현예 116-138 중의 어느 하나에 있어서, 피각은 표면 개질 물질을 포함하는, 잉크.
140. 구현예 139에 있어서, 표면 개질 물질은 전도성 물질을 포함하는, 잉크.
141. 구현예 140에 있어서, 전도성 물질은 적어도 하나의 은, 알루미늄, 탄탈룸, 구리, 리튬, 마그네슘, 및 놋쇠를 포함하는, 잉크.
142. 구현예 139-141 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 산화아연(ZnO)을 포함하는, 잉크.
143. 구현예 139-142 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 반도체를 포함하는, 잉크.
144. 구현예 143에 있어서, 반도체는 적어도 하나의 실리콘, 게르마늄, 실리콘 게르마늄, 및 갈륨 비소를 포함하는, 잉크.
145. 구현예 139-144 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 외부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 잉크.
146 구현예 139-145 중의 어느 하나에 있어서, 표면 개질 물질은 피각의 내부 표면에 있는 것을 특징으로 하는, 잉크.
147. 구현예 116-146 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 충전제를 더 포함하는, 잉크.
148. 구현예 147에 있어서, 전도성 충전제는 흑연 탄소를 포함하는, 잉크.
149. 구현예 147 또는 148에 있어서, 전도성 충전제는 그래핀을 포함하는, 잉크.
150. 구현예 116-149 중의 어느 하나에 있어서, 접착 물질을 더 포함하는, 잉크.
151. 구현예 150에 있어서, 접착 물질은 고분자를 포함하는, 잉크.
152. 구현예 116-151 중의 어느 하나에 있어서, 전해질을 더 포함하는, 잉크.
153. 구현예 152에 있어서, 전해질은 적어도 하나의 이온성 액체, 산, 염기, 및 염을 포함하는, 잉크.
154. 구현예 152 또는 153에 있어서, 전해질은 전해질 겔을 포함하는, 잉크.
155. 구현예 116-154 중 어느 하나의 잉크를 포함하는, 장치.
156. 구현예 155에 있어서, 장치는 인쇄 에너지 저장 장치를 포함하는, 장치.
157. 구현예 156에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 커패시터를 포함하는, 장치.
158. 구현예 156에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 슈퍼커패시터를 포함하는, 장치.
159. 구현예 156에 있어서, 인쇄 에너지 저장 장치는 배터리를 포함하는, 장치.
160. 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계;
적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거하는 단계;
다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키는 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계; 및
원판형 스택 원심분리부를 이용한 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 포함하는,
규조류 피각 부분의 추출 방법.
161. 구현예 160에 있어서, 적어도 하나의 공통적인 특징은 적어도 하나의 크기, 모양, 물질, 및 깨짐 정도를 포함하는, 방법.
162. 구현예 161에 있어서, 크기는 적어도 하나의 길이 및 직경을 포함하는, 방법.
163. 구현예 160 내지 162 중의 어느 하나에 있어서, 고체 혼합물은 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
164. 구현예 163에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
165. 구현예 164에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계는 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
166. 구현예 164 또는 165에 있어서, 입자 크기를 감소시키는 단계는 고체 혼합물을 분쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
167. 구현예 166에 있어서, 고체 혼합물을 분쇄하는 단계는 적어도 하나의 멤브레인자사발 및 멤브레인자, 쟈밀, 및 암석 분쇄기로 고체 혼합물에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
168. 구현예 163 내지 167 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 가장 긴 피각 부분 크기보다 큰 가장 긴 성분 크기를 갖는 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
169. 구현예 168에 있어서, 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계는 고체 혼합물을 체질하는 단계를 포함하는, 방법.
170. 구현예 169에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
171. 구현예 169에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
172. 구현예 160 내지 171 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분으로부터 더 큰 가장 긴 크기를 갖는 제 1 규조류 피각 부분을 분리하기 위하여 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
173. 구현예 172에 있어서, 제 1 규조류 피각 부분은 다수의 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
174. 구현예 172 또는 173에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
175. 구현예 172 내지 174 중의 어느 하나에 있어서, 분류 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 여과하는 단계를 포함하는, 방법.
176. 구현예 175에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계를 포함하는, 방법.
177. 구현예 176에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 교반하는 단계를 포함하는, 방법.
178. 구현예 176 또는 177에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 흔드는 단계를 포함하는, 방법.
179. 구현예 176 내지 178 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 버블링 단계를 포함하는, 방법.
180. 구현예 175 내지 179 중의 어느 하나에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분에 체를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
181. 구현예 180에 있어서, 체는 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 메쉬 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 방법.
182. 구현예 180에 있어서, 체는 약 7 마이크론의 메쉬 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 방법.
183. 구현예 160 내지 182 중의 어느 하나에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계를 더 포함하는, 방법.
184. 구현예 183에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 세정 용매로 다수의 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
185. 구현예 183 또는 184에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 세정 용매로 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
186. 구현예 184 또는 185에 있어서, 세정 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
187. 구현예 186에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
188. 구현예 186 또는 187에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
189. 구현예 187 또는 188에 있어서, 침전 단계는 원심분리 단계를 포함하는, 방법.
190. 구현예 189에 있어서, 원심분리 단계는 대규모 처리에 적합한 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
191. 구현예 190에 있어서, 원심분리 단계는 적어도 하나의 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 및 원통형 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
192. 구현예 184 내지 191 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매 및 세정 용매는 물을 포함하는, 방법.
193. 구현예 160 내지 192 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 및 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 다수의 규조류 피각을 초음파 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
194. 구현예 160 내지 193 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
195. 구현예 194에 있어서, 양이온성 계면활성제는 적어도 하나의 벤즈알코늄 클로라이드, 세리토리늄 브로마이드, 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 브로니독스, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 포함하는, 방법.
196. 구현예 160 내지 195 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 비-이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
197. 구현예 196에 있어서, 비-이온성 계면활성제는 적어도 하나의 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 옥틸페놀 에톡실레이트(Triton X-100™), 노녹시놀-9, 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 및 폴록사머를 포함하는, 방법.
198. 구현예 160 내지 197 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
199. 구현예 198에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
200. 구현예 198에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이후인 것을 특징으로 하는, 방법.
201. 구현예 198에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계와 적어도 부분적으로 동시인 것을 특징으로 하는, 방법.
202. 구현예 198 내지 201 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분은 적어도 하나의 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 및 수산화 나트륨을 포함하는, 방법.
203. 구현예 160 내지 202 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 분산물을 얻는 단계를 포함하는, 방법.
204. 구현예 160 내지 203 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 표백제의 존재 하에 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
205. 구현예 204에 있어서, 표백제는 적어도 하나의 과산화수소 및 질산을 포함하는, 방법.
206. 구현예 205에 있어서, 가열 단계는 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 범위의 과산화수소의 양을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
207. 구현예 204 내지 206 중의 어느 하나에 있어서, 가열 단계는 약 5분 내지 약 15분 동안 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
208. 구현예 160 내지 207 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 어닐링하는 단계를 포함하는, 방법.
209. 구현예 160 내지 208 중의 어느 하나에 있어서, 무기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
210. 구현예 209에 있어서, 혼합 단계는 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
211. 구현예 210에 있어서, 혼합 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안인 것을 특징으로 하는, 방법.
212. 원판형 스택 원심분리부를 이용한 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 포함하는, 규조류 피각 부분의 추출 방법.
213. 구현예 212에 있어서, 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 더 포함하는 단계.
214. 구현예 212 또는 213에 있어서, 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
215. 구현예 212 내지 214 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키는 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
216. 구현예 212 내지 215 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 공통적인 특징은 적어도 하나의 크기, 모양, 물질, 및 깨짐 정도를 포함하는, 방법.
217. 구현예 216에 있어서, 크기는 적어도 하나의 길이 및 직경을 포함하는, 방법.
218. 구현예 212 내지 217 중의 어느 하나에 있어서, 고체 혼합물은 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
219. 구현예 218에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
220. 구현예 219에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계는 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
221. 구현예 219 또는 220에 있어서, 입자 크기를 감소시키는 단계는 고체 혼합물을 분쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
222. 구현예 221에 있어서, 고체 혼합물을 분쇄하는 단계는 적어도 하나의 멤브레인자사발 및 멤브레인자, 쟈밀, 및 암석 분쇄기로 고체 혼합물에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
223. 구현예 219 내지 222 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 가장 긴 피각 부분 크기보다 큰 가장 긴 성분 크기를 갖는 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
224. 구현예 223에 있어서, 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계는 고체 혼합물을 체질하는 단계를 포함하는, 방법.
225. 구현예 224에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
226. 구현예 224에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
227. 구현예 212 내지 226 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분으로부터 더 큰 가장 긴 크기를 갖는 제 1 규조류 피각 부분을 분리하기 위하여 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
228. 구현예 227에 있어서, 제 1 규조류 피각 부분은 다수의 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
229. 구현예 227 또는 228에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
230. 구현예 227 내지 229 중의 어느 하나에 있어서, 분류 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 여과하는 단계를 포함하는, 방법.
231. 구현예 230에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계를 포함하는, 방법.
232. 구현예 231에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 교반하는 단계를 포함하는, 방법.
233. 구현예 231 또는 232에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 흔드는 단계를 포함하는, 방법.
234. 구현예 231 내지 233 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 버블링 단계를 포함하는, 방법.
235. 구현예 230 내지 234 중의 어느 하나에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분에 체를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
236. 구현예 235에 있어서, 체는 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
237. 구현예 235에 있어서, 체는 약 7 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
238. 구현예 212 내지 237 중의 어느 하나에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계를 더 포함하는, 방법.
239. 구현예 238에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 세정 용매로 다수의 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
240. 구현예 238 또는 239에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 세정 용매로 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
241. 구현예 239 또는 240에 있어서, 세정 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
242. 구현예 241에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
243. 구현예 241 또는 242에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
244. 구현예 242 또는 243에 있어서, 침전 단계는 원심분리 단계를 포함하는, 방법.
245. 구현예 244에 있어서, 원심분리 단계는 대규모 처리에 적합한 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
246. 구현예 245에 있어서, 원심분리 단계는 적어도 하나의 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 및 원통형 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
247. 구현예 240 내지 246 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매 및 세정 용매는 물을 포함하는, 방법.
248. 구현예 215 내지 247 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 및 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 다수의 규조류 피각을 초음파 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
249. 구현예 215 내지 248 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
250. 구현예 249에 있어서, 양이온성 계면활성제는 적어도 하나의 벤즈알코늄 클로라이드, 세리토리늄 브로마이드, 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 브로니독스, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 포함하는, 방법.
251. 구현예 212 내지 250 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 비-이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
252. 구현예 251에 있어서, 비-이온성 계면활성제는 적어도 하나의 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 옥틸페놀 에톡실레이트(Triton X-100™), 노녹시놀-9, 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 및 폴록사머를 포함하는, 방법.
253. 구현예 212 내지 252 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
254. 구현예 253에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
255. 구현예 253에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이후인 것을 특징으로 하는, 방법.
256. 구현예 253에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계와 적어도 부분적으로 동시인 것을 특징으로 하는, 방법.
257. 구현예 253 내지 256 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분은 적어도 하나의 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 및 수산화 나트륨을 포함하는, 방법.
258. 구현예 213 내지 257 중의 어느 하나에 있어서, 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 분산물을 얻는 단계를 포함하는, 방법.
259. 구현예 214 내지 258 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 표백제의 존재 하에 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
260. 구현예 259에 있어서, 표백제는 적어도 하나의 과산화수소 및 질산을 포함하는, 방법.
261. 구현예 260에 있어서, 가열 단계는 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 범위의 과산화수소의 양을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
262. 구현예 259 내지 261 중의 어느 하나에 있어서, 가열 단계는 약 5분 내지 약 15분 동안 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
263. 구현예 214 내지 262 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 어닐링하는 단계를 포함하는, 방법.
264. 구현예 214 내지 263 중의 어느 하나에 있어서, 무기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
265. 구현예 264에 있어서, 혼합 단계는 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
266. 구현예 265에 있어서, 혼합 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안인 것을 특징으로 하는, 방법.
267. 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키는 계면활성제와 함께 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 포함하는, 규조류 피각 부분의 추출 방법.
268. 구현예 267에 있어서, 원판형 스택 원심분리부를 이용한 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
269. 구현예 267 또는 268에 있어서, 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
270. 구현예 267 내지 269 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
271. 구현예 267 내지 270 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 공통적인 특징은 적어도 하나의 크기, 모양, 물질, 및 깨짐 정도를 포함하는, 방법.
272. 구현예 271에 있어서, 크기는 적어도 하나의 길이 및 직경을 포함하는, 방법.
273. 구현예 267 내지 272 중의 어느 하나에 있어서, 고체 혼합물은 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
274. 구현예 273에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
275. 구현예 274에 있어서, 고체 혼합물의 입자 크기를 감소시키는 단계는 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
276. 구현예 274 또는 275에 있어서, 입자 크기를 감소시키는 단계는 고체 혼합물을 분쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
277. 구현예 276에 있어서, 고체 혼합물을 분쇄하는 단계는 적어도 하나의 멤브레인자사발 및 멤브레인자, 쟈밀, 및 암석 분쇄기로 고체 혼합물에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
278. 구현예 273 내지 277 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 가장 긴 피각 부분 크기보다 큰 가장 긴 성분 크기를 갖는 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
279. 구현예 278에 있어서, 고체 혼합물의 성분을 추출하는 단계는 고체 혼합물을 체질하는 단계를 포함하는, 방법.
280. 구현예 279에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 15 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
281. 구현예 279에 있어서, 고체 혼합물을 체질하는 단계는 약 10 마이크론 내지 약 25 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 체로 고체 혼합물을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
282. 구현예 267 내지 281 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분으로부터 더 큰 가장 긴 크기를 갖는 제 1 규조류 피각 부분을 분리하기 위하여 다수의 규조류 피각 부분을 분류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
283. 구현예 282에 있어서, 제 1 규조류 피각 부분은 다수의 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
284. 구현예 282 또는 283에 있어서, 제 2 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
285. 구현예 282 내지 284 중의 어느 하나에 있어서, 분류 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 여과하는 단계를 포함하는, 방법.
286. 구현예 285에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계를 포함하는, 방법.
287. 구현예 286에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 교반하는 단계를 포함하는, 방법.
288. 구현예 286 또는 287에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 흔드는 단계를 포함하는, 방법.
289. 구현예 286 내지 288 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 방해하는 단계는 버블링 단계를 포함하는, 방법.
290. 구현예 285 내지 289 중의 어느 하나에 있어서, 여과 단계는 다수의 규조류 피각 부분에 체를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
291. 구현예 290에 있어서, 체는 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
292. 구현예 290에 있어서, 체는 약 7 마이크론의 메쉬 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 방법.
293. 구현예 267 내지 292 중의 어느 하나에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계를 더 포함하는, 방법.
294. 구현예 293에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 세정 용매로 다수의 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
295. 구현예 293 또는 294에 있어서, 세척된 규조류 피각 부분을 얻는 단계는 세정 용매로 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 규조류 피각 부분을 세척하는 단계를 포함하는, 방법.
296. 구현예 294 또는 295에 있어서, 세정 용매를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
297. 구현예 296에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 유기 오염물질 및 무기 오염물질을 제거한 후 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
298. 구현예 296 또는 297에 있어서, 세정 용매의 제거 단계는 적어도 하나의 공통적인 특징을 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 침전시키는 단계를 포함하는, 방법.
299. 구현예 297 또는 298에 있어서, 침전 단계는 원심분리 단계를 포함하는, 방법.
300. 구현예 299에 있어서, 원심분리 단계는 대규모 처리에 적합한 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
301. 구현예 300에 있어서, 원심분리 단계는 적어도 하나의 원판형 스택 원심분리부, 디캔터 원심분리부, 및 원통형 원심분리부를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
302. 구현예 295 내지 301 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매 및 세정 용매는 물을 포함하는, 방법.
303. 구현예 269 내지 302 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계 및 계면활성제에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 다수의 규조류 피각을 초음파 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
304. 구현예 267 내지 303 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
305. 구현예 304에 있어서, 양이온성 계면활성제는 적어도 하나의 벤즈알코늄 클로라이드, 세리토리늄 브로마이드, 라우릴 메틸 글루세트-10 하이드록시프로필 디모늄 클로라이드, 벤제토늄 클로라이드, 브로니독스, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 및 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 포함하는, 방법.
306. 구현예 267 내지 305 중의 어느 하나에 있어서, 계면활성제는 비-이온성 계면활성제를 포함하는, 방법.
307 구현예 306에 있어서, 비-이온성 계면활성제는 적어도 하나의 세틸 알콜, 스테아릴 알콜, 세토스테아릴 알콜, 올레일 알콜, 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 옥타에틸렌 글리콜 모노도데실 에테르, 글루코시드 알킬 에테르, 데실 글루코시드, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 옥틸페놀 에톡실레이트(Triton X-100™), 노녹시놀-9, 글리세릴 라우레이트, 폴리소르베이트, 및 폴록사머를 포함하는, 방법.
308. 구현예 267 내지 307 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
309. 구현예 308에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이전인 것을 특징으로 하는, 방법.
310. 구현예 308에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계 이후인 것을 특징으로 하는, 방법.
311. 구현예 308에 있어서, 첨가 성분에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계는 계면활성제에 다수의 규조류 피각을 분산하는 단계와 적어도 부분적으로 동시인 것을 특징으로 하는, 방법.
312. 구현예 308 내지 311 중의 어느 하나에 있어서, 첨가 성분은 적어도 하나의 염화 칼륨, 염화 암모늄, 수산화 암모늄, 및 수산화 나트륨을 포함하는, 방법.
313. 구현예 269 내지 312 중의 어느 하나에 있어서, 분산 용매에 다수의 규조류 피각 부분을 분산하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 분산물을 얻는 단계를 포함하는, 방법.
314. 구현예 270 내지 313 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 표백제의 존재 하에 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
315. 구현예 314에 있어서, 표백제는 적어도 하나의 과산화수소 및 질산을 포함하는, 방법.
316. 구현예 315에 있어서, 가열 단계는 약 10 부피% 내지 약 20 부피% 범위의 과산화수소의 양을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
317. 구현예 314 내지 316 중의 어느 하나에 있어서, 가열 단계는 약 5분 내지 약 15분 동안 다수의 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
318. 구현예 270 내지 317 중의 어느 하나에 있어서, 유기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분을 어닐링하는 단계를 포함하는, 방법.
319. 구현예 270 내지 318 중의 어느 하나에 있어서, 무기 오염물질의 제거 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 염산 및 황산을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
320. 구현예 319에 있어서, 혼합 단계는 약 15 부피% 내지 약 25 부피%의 염산을 포함하는 용액에서 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
321. 구현예 320에 있어서, 혼합 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안인 것을 특징으로 하는, 방법.
322. 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계; 및
시드 층 위에 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는,
규조류 피각 부분에 은 나노구조체의 형성 방법.
323. 구현예 322에 있어서, 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 방법.
324. 구현예 322 또는 323에 있어서, 나노구조체는 은을 포함하는, 방법.
325. 구현예 322 내지 324 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층을 형성하는 단계는 제 1 은 기여 성분 및 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
326. 구현예 325에 있어서, 고리형 가열 방법을 적용하는 단계는 고리형 마이크로파 파워를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
327. 구현예 326에 있어서, 고리형 마이크로파 파워를 적용하는 단계는 약 100 Watt 및 500 Watt 사이의 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함하는, 방법.
328. 구현예 327에 있어서, 교류 단계는 매분 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함하는, 방법.
329. 구현예 327 또는 328에 있어서, 교류 단계는 약 30분 동안 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함하는, 방법.
330. 구현예 327 또는 328에 있어서, 교류 단계는 약 20분 내지 약 40분 동안 마이크로파 파워를 교류하는 단계를 포함하는, 방법.
331. 구현예 322 내지 330 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
332. 구현예 331에 있어서, 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함하는, 방법.
333. 구현예 332에 있어서, 시드 층 환원제는 시드 층 용매인 것을 특징으로 하는, 방법.
334. 구현예 333에 있어서, 시드 층 환원제 및 시드 층 용매는 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는, 방법.
335. 구현예 331에 있어서, 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분, 시드 층 환원제 및 시드 층 용매를 포함하는, 방법.
336. 구현예 331 내지 335 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
337. 구현예 336에 있어서, 혼합 단계는 초음파 처리 단계를 포함하는, 방법.
338. 구현예 337에 있어서, 시드 층 환원제는 N,N-디메틸포름아미드를 포함하고, 제 1 은 기여 성분은 은 니트레이트을 포함하며, 시드 층 용매는 적어도 하나의 물 및 폴리비닐피롤리돈을 포함하는, 방법.
339. 구현예 322 내지 338 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
340. 구현예 339에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
341. 구현예 340에 있어서, 가열 단계는 약 120℃ 내지 약 160℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
342. 구현예 340 또는 341에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
343. 구현예 342에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정한 후 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
344. 구현예 339 내지 343 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 시드 층 환원제 및 나노구조체 형성 환원제는 적어도 하나의 히드라진, 포름알데히드, 글루코오스, 나트륨 타르트레이트, 옥살산, 포름산, 아스코르브산, 및 에틸렌 글리콜을 포함하는, 방법.
345. 구현예 342 내지 344 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 제 1 은 기여 성분 및 제 2 은 기여 성분은 적어도 하나의 은염 및 산화은을 포함하는, 방법.
346. 구현예 345에 있어서, 은염은 적어도 하나의 은 니트레이트 및 암모니아성 은 니트레이트, 염화 은(AgCl), 시안화 은(AgCN), 은 테트라플루오로보레이트, 은 헥사플루오로포스페이트, 및 은 에틸설페이트를 포함하는, 방법.
347. 구현예 322 내지 346 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 산화물 형성을 감소시키기 위해 주변(ambient)에 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
348. 구현예 347에 있어서, 주변은 아르곤 대기를 포함하는, 방법.
349. 구현예 342 내지 348 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 시드 층 용매 및 나노구조체 형성 용매는 적어도 하나의 프로필렌 글리콜, 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, l-메톡시-2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 옥탄올, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올, 테트라히드로퓨르퓨릴 알콜(THFA), 시클로헥산올, 시클로펜탄올, 테르피네올, 부틸 락톤, 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르, 폴리에테르, 디케톤, 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로헵탄온, 시클로옥탄온, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 시클로프로판온, 이소포론, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트, 프로필렌 카보네이트, 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸 설폭시드(DMSO), 염화 티오닐 및 염화 설퓨릴을 포함하는, 방법.
350. 구현예 322 내지 349 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
351. 구현예 322 내지 349 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
352. 구현예 322 내지 351 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
353. 구현예 352에 있어서, 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
354. 규조류 피각 부분의 표면에 산화아연 시드 층을 형성하는 단계; 및
산화아연 시드 층 위에 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는,
규조류 피각 부분에 산화아연 나노구조체의 형성 방법.
355. 구현예 354에 있어서, 나노구조체는 적어도 하나의 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 방법.
356. 구현예 354 또는 355에 있어서, 나노구조체는 산화아연을 포함하는, 방법.
357. 구현예 354 내지 356 중의 어느 하나에 있어서, 산화아연 시드 층을 형성하는 단계는 제 1 아연 기여 성분 및 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
358. 구현예 357에 있어서, 제 1 아연 기여 성분 및 규조류 피각 부분을 가열하는 단계는 약 175℃ 내지 약 225℃ 범위의 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
359. 구현예 354 내지 358 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체를 형성하는 단계는 제 2 아연 기여 성분을 포함하는 나노구조체 형성 용액의 존재 하에 산화아연 시드 층을 갖는 규조류 피각 부분에 가열 방법을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
360. 구현예 359에 있어서, 가열 방법은 나노구조체 형성 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
361. 구현예 360에 있어서, 나노구조체 형성 온도는 약 80℃ 내지 약 100℃인 것을 특징으로 하는, 방법.
362. 구현예 360 또는 361에 있어서, 가열 단계는 약 1 내지 3시간 동안인 것을 특징으로 하는, 방법.
363. 구현예 359 내지 362 중의 어느 하나에 있어서, 가열 방법은 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
364. 구현예 363에 있어서, 고리형 가열 방법은 총 고리형 가열 기간 동안, 가열 기간 동안 산화아연 시드 층을 갖는 규조류 피각 부분에 마이크로파 가열을 적용한 다음 냉각 기간 동안 마이크로파 가열을 끄는 단계를 포함하는, 방법.
365. 구현예 364에 있어서, 가열 기간은 약 1분 내지 약 5분인 것을 특징으로 하는, 방법.
366. 구현예 364 또는 365에 있어서, 냉각 기간은 약 30초 내지 약 5분인 것을 특징으로 하는, 방법.
367. 구현예 364 내지 366 중의 어느 하나에 있어서, 총 고리형 가열 기간은 약 5분 내지 약 20분인 것을 특징으로 하는, 방법.
368. 구현예 364 내지 367 중의 어느 하나에 있어서, 마이크로파 가열을 적용하는 단계는 약 480 Watt 내지 약 520 Watt의 마이크로파 파워를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
369. 구현예 364 내지 367 중의 어느 하나에 있어서, 마이크로파 가열을 적용하는 단계는 약 80 Watt 내지 약 120 Watt의 마이크로파 파워를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
370. 구현예 359 내지 369 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 제 1 아연 기여 성분 및 제 2 아연 기여 성분은 적어도 하나의 아세트산 아연, 아세트산 아연 수화물, 질산 아연, 질산 아연 육수화물, 염화 아연, 황산 아연, 및 아연산 나트륨을 포함하는, 방법.
371. 구현예 359 내지 370 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체 형성 용액은 염기를 포함하는, 방법.
372. 구현예 371에 있어서, 염기는 적어도 하나의 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 수산화리튬, 헥사메틸렌테트라민, 암모니아 용액, 탄산 나트륨, 및 에틸렌디아민을 포함하는, 방법.
373. 구현예 354 내지 372 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체의 형성 단계는 첨가 성분을 가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
374. 구현예 373에 있어서, 첨가 성분은 적어도 하나의 트리부틸아민, 트리에틸아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필아민, 암모늄 포스페이트, 1,6-헥사디안올, 트리에틸디에틸놀, 이소프로필아민, 시클로헥실아민, n-부틸아민, 염화 암모늄, 헥사메틸렌테트라민, 에틸렌 글리콜, 에탄올아민, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 나트륨 도데실 설페이트, 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 및 카바마이드를 포함하는, 방법.
375. 구현예 359 내지 374 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 나노구조체 형성 용액 및 산화아연 시드 층 형성 용액은 적어도 하나의 프로필렌 글리콜, 물, 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, l-메톡시-2-프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 옥탄올, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 3-옥탄올, 테트라히드로퓨르퓨릴 알콜(THFA), 시클로헥산올, 시클로펜탄올, 테르피네올, 부틸 락톤, 메틸 에틸 에테르, 디에틸 에테르, 에틸 프로필 에테르, 폴리에테르, 디케톤, 시클로헥산온, 시클로펜탄온, 시클로헵탄온, 시클로옥탄온, 아세톤, 벤조페논, 아세틸아세톤, 아세토페논, 시클로프로판온, 이소포론, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 디메틸 아디페이트, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 디메틸 글루타레이트, 디메틸 석시네이트, 글리세린 아세테이트, 카복실레이트, 프로필렌 카보네이트, 글리세린, 디올, 트리올, 테트라올, 펜탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리콜 에테르, 글리콜 에테르 아세테이트, 1,4-부탄디올, 1,2-부탄디올, 2,3-부탄디올, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,8-옥탄디올, 1,2-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,2-펜탄디올, 에토헥사디올, p-메탄-3,8-디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 테트라메틸 우레아, n-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란(THF), 디메틸 포름아미드(DMF), N-메틸 포름아미드(NMF), 디메틸 설폭시드(DMSO), 염화 티오닐 및 염화 설퓨릴을 포함하는 용매를 포함하는, 방법.
376. 구현예 354 내지 375 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
377. 구현예 354 내지 375 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
378. 구현예 354 내지 375 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
379. 구현예 378에 있어서, 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
380. 규조류 피각 부분의 표면에 금속 시드 층을 형성하는 단계; 및
시드 층 위에 탄소 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는,
규조류 피각 부분에 탄소 나노구조체의 형성 방법.
381. 구현예 380에 있어서, 탄소 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는, 방법.
382. 구현예 381에 있어서, 탄소 나노튜브는 적어도 하나의 단일벽 탄소 나노튜브 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하는, 방법.
383. 구현예 380 내지 382 중의 어느 하나에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분의 표면을 스프레이 코팅하는 단계를 포함하는, 방법.
384. 구현예 380 내지 383 중의 어느 하나에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 금속을 포함하는 액체, 금속을 포함하는 기체 및 금속을 포함하는 고체에 규조류 피각 부분의 표면을 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
385. 구현예 380 내지 384 중의 어느 하나에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 화학 증기 증착(CVD)을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
386. 구현예 380 내지 385 중의 어느 하나에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 탄소 기체에 규조류 피각 부분을 노출시킨 후에 나노구조체 형성 환원성 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
387. 구현예 380 내지 385 중의 어느 하나에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 탄소 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키기 전에 나노구조체 형성 환원성 기체에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
388. 구현예 380 내지 385 중의 어느 하나에 있어서, 탄소 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 환원성 기체 및 나노구조체 형성 탄소 기체를 포함하는 나노구조체 형성 기체 혼합물에 규조류 피각 부분을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
389. 구현예 388에 있어서, 나노구조체 형성 기체 혼합물은 중성 기체를 더 포함하는, 방법.
390. 구현예 389에 있어서, 중성 기체는 아르곤을 포함하는, 방법.
391. 구현예 380 내지 390 중의 어느 하나에 있어서, 금속은 적어도 하나의 니켈, 철, 코발트, 코발트-몰리브데늄 두금속(bimetallic), 구리, 금, 은, 백금, 팔라듐, 망간, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 안티몬, 알루미늄-철-몰리브덴(Al/Fe/Mo), 철 펜타카보닐(Fe(CO)5)), 철(III) 니트레이트 헥사하이드레이트((Fe(N03)3·6H20), 코발트(II) 클로라이드 헥사하이드레이트(CoCl2·6H20), 암모늄 몰리브데이트 테트라하이드레이트((NH4)6Mo7024·4H20), 몰리브덴(VI) 디클로라이드 디옥사이드(Mo02Cl2), 및 알루미나 나노분말을 포함하는, 방법.
392. 구현예 286 내지 391 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체 형성 환원성 기체는 적어도 하나의 암모니아, 질소, 및 수소를 포함하는, 방법.
393. 구현예 286 내지 392 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체 형성 탄소 기체는 적어도 하나의 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올, 메탄, 산화탄소, 및 벤젠을 포함하는, 방법.
394. 구현예 380 내지 393 중의 어느 하나에 있어서, 금속 시드 층을 형성하는 단계는 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
395. 구현예 394에 있어서, 은 시드 층을 형성하는 단계는 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
396. 구현예 380 내지 395 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
397. 구현예 380 내지 395 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 깨지지 않은 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
398. 구현예 380 내지 397 중의 어느 하나에 있어서, 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
399. 구현예 398에 있어서, 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
400. 자외선 민감성 성분과 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 혼합하는 단계를 포함하는, 은 잉크의 제조방법.
401. 구현예 400에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
402. 구현예 400 또는 401에 있어서, 시드 층 위에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
403. 구현예 400 내지 402 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
404. 구현예 400 내지 403 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함하는, 방법.
405. 구현예 400 내지 404 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 경화 후 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
406. 구현예 400 내지 405 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 포함하는, 방법.
407. 구현예 400 내지 406 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함하는, 방법.
408. 구현예 400 내지 407 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함하는, 방법.
409. 구현예 401 내지 408 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 다수의 은 시드 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
410. 구현예 401 내지 409 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
411. 구현예 402 내지 410 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
412. 구현예 402 내지 411 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
413. 구현예 400 내지 412 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감한 것을 특징으로 하는, 방법.
414. 구현예 411 내지 413 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감한 것을 특징으로 하는, 방법.
415. 구현예 400 내지 414 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시 상승제의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
416. 구현예 415에 있어서, 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함하는, 방법.
417. 구현예 400 내지 416 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시제의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
418. 구현예 417에 있어서, 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함하는, 방법.
419. 구현예 400 내지 418 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 극성 비닐 단량체의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
420. 구현예 419에 있어서, 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함하는, 방법.
421. 구현예 400 내지 420 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 유동개질제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
422. 구현예 400 내지 421 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 가교제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
423. 구현예 400 내지 422 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 흐름 및 수준제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
424. 구현예 400 내지 423 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
425. 구현예 400 내지 424 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 방법.
426. 구현예 401 내지 425 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 제 1 은 기여 성분 및 다수의 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
427. 구현예 401 내지 426 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
428. 구현예 427에 있어서, 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함하는, 방법.
429. 구현예 402 내지 428 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
430. 구현예 429에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
431. 구현예 402 내지 430 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
432. 구현예 400 내지 431 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
433. 구현예 432에 있어서, 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
434. 자외선 민감성 성분; 및
다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는, 전도성 은 잉크.
435. 구현예 434에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 전도성 은 잉크.
436. 구현예 434 또는 435에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함하는, 전도성 은 잉크.
437. 구현예 434 내지 436 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 경화 후 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
438. 구현예 434 내지 437 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 포함하는, 전도성 은 잉크.
439. 구현예 434 내지 438 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함하는, 전도성 은 잉크.
440. 구현예 434 내지 439 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함하는, 전도성 은 잉크.
441. 구현예 434 내지 440 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 나노구조체를 갖는 표면을 포함하는, 전도성 은 잉크.
442. 구현예 434 내지 441 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 시드 층을 갖는 표면을 포함하는, 전도성 은 잉크.
443. 구현예 434 내지 442 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면은 은 나노구조체를 포함하는, 전도성 은 잉크.
444. 구현예 434 내지 443 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감한 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
445. 구현예 434 내지 444 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 은 잉크는 자외선 조사에 의해 경화할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
446. 구현예 445에 있어서, 전도성 은 잉크는 경화 후 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착될 때 경화할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
447. 구현예 445 또는 446에 있어서, 다수의 구멍은 자외선 조사가 다수의 규조류 피각 부분을 통과하도록 배열된 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
448. 구현예 434 내지 447 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 은 잉크는 열경화할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전도성 은 잉크.
449. 구현예 434 내지 448 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 광개시 상승제를 포함하는, 전도성 은 잉크.
450. 구현예 449에 있어서, 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함하는, 전도성 은 잉크.
451. 구현예 434 내지 450 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 광개시제를 포함하는, 전도성 은 잉크.
452. 구현예 451에 있어서, 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함하는, 전도성 은 잉크.
453. 구현예 434 내지 452 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 극성 비닐 단량체를 포함하는, 전도성 은 잉크.
454. 구현예 453에 있어서, 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함하는, 전도성 은 잉크.
455. 구현예 434 내지 454 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 유동개질제, 가교제, 흐름 및 수준제, 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제를 더 포함하는, 전도성 은 잉크.
456. 구현예 434 내지 455 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 전도성 은 잉크.
457. 자외선 민감성 성분과 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는 혼합물을 경화시키는 단계를 포함하는, 은 필름의 제조방법.
458. 구현예 457에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
459. 구현예 457 또는 458에 있어서, 시드 층 위에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
460. 구현예 457 내지 459 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크를 형성하기 위해 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분을 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
461. 구현예 457 내지 460 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 방법.
462. 구현예 457 내지 461 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함하는, 방법.
463. 구현예 460 내지 462 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 경화 후 약 5 마이크론 내지 약 15 마이크론의 두께를 갖는 층에서 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
464. 구현예 457 내지 463 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 포함하는, 방법.
465. 구현예 457 내지 464 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함하는, 방법.
466. 구현예 460 내지 465 중의 어느 하나에 있어서, 은 잉크는 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 범위 내의 규조류 피각의 양을 포함하는, 방법.
467. 구현예 458 내지 466 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 방법은 다수의 은 시드 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
468. 구현예 458 내지 467 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 시드 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
469. 구현예 459 내지 468 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍을 형성하기 위하여 다수의 구멍 내의 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
470. 구현예 459 내지 469 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면에 은 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
471. 구현예 457 내지 470 중의 어느 하나에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 자외선에 혼합물을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
472. 구현예 469 내지 471 중의 어느 하나에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 자외선에 혼합물을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
473. 구현예 457 내지 472 중의 어느 하나에 있어서, 혼합물의 경화 단계는 혼합물을 열경화시키는 단계를 포함하는, 방법.
474. 구현예 457 내지 473 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 다수의 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감한 것을 특징으로 하는, 방법.
475. 구현예 469 내지 474 중의 어느 하나에 있어서, 자외선 민감성 성분은 적어도 하나의 다수의 은 시드 도금한 구멍 및 다수의 은 나노구조체 도금한 구멍의 크기보다 짧은 파장을 갖는 광학 방사선에 민감한 것을 특징으로 하는, 방법.
476. 구현예 460 내지 475 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시 상승제의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
477. 구현예 476에 있어서, 광개시 상승제는 적어도 하나의 에톡실화된 헥산디올 아크릴레이트, 프로폭실화된 헥산디올 아크릴레이트, 에톡실화된 트리메틸프로판 트리아크릴레이트, 트리알릴 시아누레이트 및 아크릴화된 아민을 포함하는, 방법.
478. 구현예 460 내지 477 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 광개시제의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
479. 구현예 478에 있어서, 광개시제는 적어도 하나의 2-메틸-l-(4-메틸티오)페닐-2-모폴리닐-l-프로판온 및 이소프로필 티옥소탄온을 포함하는, 방법.
480. 구현예 460 내지 479 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 자외선 민감성 성분의 혼합 단계는 다수의 규조류 피각 부분과 극성 비닐 단량체의 혼합 단계를 포함하는, 방법.
481. 구현예 480에 있어서, 극성 비닐 단량체는 적어도 하나의 n-비닐-피롤리돈 및 n-비닐카프로락탐을 포함하는, 방법.
482. 구현예 457 내지 481 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 유동개질제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
483. 구현예 457 내지 482 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 가교제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
484. 구현예 457 내지 483 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 흐름 및 수준제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
485. 구현예 457 내지 484 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분과 적어도 하나의 접착 촉진제, 습윤제, 및 점도 감소제를 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
486. 구현예 457 내지 485 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 방법.
487. 구현예 458 내지 486 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 제 1 은 기여 성분 및 다수의 규조류 피각 부분에 고리형 가열 방법을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
488. 구현예 458 내지 487 중의 어느 하나에 있어서, 은 시드 층의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 시드 층 용액을 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
489. 구현예 488에 있어서, 시드 층 용액은 제 1 은 기여 성분 및 시드 층 환원제를 포함하는, 방법.
490. 구현예 459 내지 489 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합하는 단계를 포함하는, 방법.
491. 구현예 490에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 규조류 피각 부분과 나노구조체 형성 환원제를 혼합한 후 규조류 피각 부분을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
492. 구현예 459 내지 491 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체의 형성 단계는 나노구조체 형성 용매 및 제 2 은 기여 성분을 포함하는 적정 용액으로 규조류 피각 부분을 적정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
493. 구현예 457 내지 492 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 규조류 피각 부분 분리 공정을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
494. 구현예 493에 있어서, 공정은 다수의 규조류 피각 부분의 응집을 감소시키기 위해 계면활성제를 이용하는 단계 및 원판형 스택 원심분리부를 이용하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
495. 다수의 구멍을 포함하는 표면인 다수의 규조류 피각 부분의 각각의 표면에 은 나노구조체를 갖는 다수의 규조류 피각 부분을 포함하는, 전도성 은 필름.
496. 구현예 495에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 깨진 규조류 피각 부분을 포함하는, 전도성 은 필름.
497. 구현예 495 또는 496에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분은 다수의 규조류 피각 박편을 포함하는, 전도성 은 필름.
498. 구현예 495 내지 497 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터의 직경을 포함하는, 전도성 은 필름.
499. 구현예 495 내지 498 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터의 두께를 포함하는, 전도성 은 필름.
500. 구현예 495 내지 499 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 나노구조체를 갖는 표면을 포함하는, 전도성 은 필름.
501. 구현예 495 내지 500 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 다수의 구멍은 은 시드 층을 갖는 표면을 포함하는, 전도성 은 필름.
502. 구현예 495 내지 501 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 규조류 피각 부분의 실질적으로 모든 표면은 은 나노구조체를 포함하는, 전도성 은 필름.
503. 구현예 495 내지 502 중의 어느 하나에 있어서, 은 나노구조체는 적어도 하나의 코팅, 나노와이어, 나노플레이트, 밀집 어레이의 나노입자, 나노벨트, 및 나노디스크를 포함하는, 전도성 은 필름.
504. 구현예 495 내지 503 중의 어느 하나에 있어서, 바인더 수지를 더 포함하는, 전도성 은 필름.
505. 제 1 전극;
제 2 전극; 및
제 1 전극과 제 2 전극 사이의 분리부를 포함하는 인쇄 에너지 저장 장치로서, 적어도 하나의 제 1 전극 및 제 2 전극은 망간-함유 나노구조체를 함유하는 다수의 피각을 포함하는, 인쇄 에너지 저장 장치.
506. 구현예 505에 있어서, 피각은 실질적으로 균일한 특성을 가지며, 실질적으로 균일한 특성은 적어도 하나의 피각 모양, 피각 크기, 피각 기공, 피각 기계적 강도, 피각 물질, 및 피각의 깨짐 정도를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
507. 구현예 505 또는 506에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함하는, 장치.
508. 구현예 507에 있어서, 망간의 산화물은 망간(II, III) 산화물을 포함하는, 장치.
509. 구현예 507 또는 508에 있어서, 망간의 산화물은 망간 옥시하이드록사이드(manganese oxy하이드록사이드)을 포함하는, 장치.
510. 구현예 505-509 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 제 1 전극 및 제 2 전극은 산화아연 나노구조체를 포함하는 피각을 포함하는, 장치.
511. 구현예 510에 있어서, 산화아연 나노구조체는 적어도 하나의 나노와이어 및 나노플레이트를 포함하는, 장치.
512. 구현예 505-511 중의 어느 하나에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 실질적으로 모든 표면을 덮는 것을 특징으로 하는, 장치.
513. 망간-함유 나노구조체를 함유하는 피각을 포함하는 멤브레인인, 에너지 저장 장치의 멤브레인.
514. 구현예 513에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함하는, 멤브레인.
515. 구현예 514에 있어서, 망간의 산화물은 망간(II, III) 산화물을 포함하는, 멤브레인.
516. 구현예 514 또는 515에 있어서, 망간의 산화물은 망간 옥시하이드록사이드를 포함하는, 멤브레인.
517. 구현예 513-516 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 나노섬유를 포함하는, 멤브레인.
518. 구현예 513-517 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 사면체 모양을 갖는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
519. 구현예 513-518 중의 어느 하나에 있어서, 에너지 저장 장치는 아연-망간 배터리를 포함하는, 멤브레인.
520. 용액; 및
용액에 분산된 망간-함유 나노구조체를 포함하는 피각을 포함하는,
인쇄 필름용 잉크.
521. 구현예 520에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 망간의 산화물을 포함하는, 잉크.
522. 구현예 520 또는 521에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 적어도 하나의 MnO2, MnO, Mn2O3, MnOOH, 및 Mn3O4를 포함하는, 잉크.
523. 구현예 520-522 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 나노섬유를 포함하는, 잉크.
524. 구현예 520-523 중의 어느 하나에 있어서, 적어도 몇몇의 망간-함유 나노구조체는 사면체 모양을 갖는 것을 특징으로 하는, 잉크.
525. 산소화된 아세트산 망간 용액에 피각을 가하는 단계; 및
피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 가열하는 단계를 포함하는,
규조류 피각 부분에 망간-함유 나노구조체의 형성 방법.
526. 구현예 525에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액을 형성하는 단계를 더 포함하고, 산소화된 아세트산 망간 용액을 형성하는 단계는 산소화된 물에 아세트산 망간(II)을 용해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
527. 구현예 526에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액 내 아세트산 망간(II)의 농도는 약 0.05 M 및 약 1.2 M 사이인 것을 특징으로 하는, 방법.
528. 구현예 525-527 중의 어느 하나에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액을 형성하는 단계를 더 포함하고, 산소화된 아세트산 망간 용액을 형성하는 단계는 산소화된 물에 망간 염을 용해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
529. 구현예 528에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액에 산화제를 가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
530. 구현예 529에 있어서, 산화제는 과산화수소를 포함하는, 방법.
531. 구현예 526-530 중의 어느 하나에 있어서, 산소화된 물을 형성하는 단계를 더 포함하고, 산소화된 물을 형성하는 단계는 물에 산소 기체를 버블링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
532. 구현예 531에 있어서, 물에 산소 기체를 버블링하는 단계는 약 10분 내지 약 60분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 방법.
533. 구현예 525-532 중의 어느 하나에 있어서, 산소화된 아세트산 망간 용액 내 피각의 중량%는 약 0.01 wt% 및 약 1 wt% 사이인 것을 특징으로 하는, 방법.
534. 구현예 525-533 중의 어느 하나에 있어서, 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 열로 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
535. 구현예 534에 있어서, 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 열로 처리하는 단계는 열 기법을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
536. 구현예 535에 있어서, 열 기법을 이용하는 단계는 약 15시간 및 약 40시간 사이 동안의 온도에서 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
537. 구현예 536에 있어서, 온도는 약 50℃ 및 약 90℃ 사이인 것을 특징으로 하는, 방법.
538. 구현예 535에 있어서, 열 기법을 이용하는 단계는 약 50℃ 및 약 90℃ 사이의 온도에서 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
539. 구현예 534-538 중의 어느 하나에 있어서, 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 열로 처리하는 단계는 마이크로파 기법을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
540. 구현예 539에 있어서, 열 기법을 이용하는 단계는 약 10분 및 약 120분 사이 동안의 온도에서 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
541. 구현예 540에 있어서, 온도는 약 50℃ 및 약 150℃ 사이인 것을 특징으로 하는, 방법.
542. 구현예 539에 있어서, 열 기법을 이용하는 단계는 약 50℃ 및 약 150℃ 사이의 온도에서 피각과 산소화된 아세트산 망간 용액을 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
543. 구현예 525-542 중의 어느 하나에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮는 것을 특징으로 하는, 방법.
544. 구현예 543에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는, 방법.
545. 구현예 543 또는 544에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노이온을 포함하는, 방법.
546. 구현예 543-545 중의 어느 하나에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 환원된 산화 그래핀을 포함하는, 방법.
547. 구현예 505-512 중의 어느 하나에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
548. 구현예 547에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는, 장치.
549. 구현예 547 또는 548에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노이온을 포함하는, 장치.
550. 구현예 547-549 중의 어느 하나에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 환원된 산화 그래핀을 포함하는, 장치.
551. 구현예 513-519 중의 어느 하나에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 멤브레인.
552. 구현예 551에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는, 멤브레인.
553. 구현예 551 또는 552에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노이온을 포함하는, 멤브레인.
554. 구현예 551-554 중의 어느 하나에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 환원된 산화 그래핀을 포함하는, 멤브레인.
555. 구현예 520-524 중의 어느 하나에 있어서, 망간-함유 나노구조체는 피각의 일부 표면을 덮으며, 탄소-함유 나노구조체는 피각의 다른 표면을 덮고, 망간-함유 나노구조체는 탄소-함유 나노구조체 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 잉크.
556. 구현예 555에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노튜브를 포함하는, 잉크.
557. 구현예 555 또는 556에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 탄소 나노이온을 포함하는, 잉크.
558. 구현예 555-557 중의 어느 하나에 있어서, 탄소-함유 나노구조체는 환원된 산화 그래핀을 포함하는, 잉크.
559. 망간 산화물을 포함하는 나노구조체를 포함하는 제 1 복수의 피각들(a first plurality of frustules)을 포함하는 캐쏘드; 및
산화아연을 포함하는 나노구조체를 포함하는 제 2 복수의 피각들(a second plurality of frustules)을 포함하는 애노드를;을 포함하는 에너지 저장 장치.
560. 구현예 559에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 에너지 저장 장치.
561. 구현예 559 또는 560에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 에너지 저장 장치.
562. 구현예 559 내지 561 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 어느 하나 이상을 포함하는, 에너지 저장 장치.
563. 구현예 559 내지 562 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%의 망간 산화물을 포함하는, 에너지 저장 장치.
564. 구현예 563에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 중 적어도 하나는 75 중량% 내지 95 중량%의 망간 산화물을 포함하는, 에너지 저장 장치.
565. 구현예 559 내지 564 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%의 산화아연을 포함하는, 에너지 저장 장치.
566. 구현예 565에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나는 약 50 중량% 내지 약 60 중량%의 산화아연을 포함하는 에너지 저장 장치.
567. 구현예 559 내지 566 중의 어느 하나에 있어서, 애노드가 전해 질염을 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
568. 구현예 567에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는, 에너지 저장 장치.
569. 구현예 559 내지 568 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 탄소나노튜브를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
570. 구현예 559 내지 569 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 전도성 충전제를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
571. 구현예 570에 있어서, 상기 전도성 충전제는 흑연을 포함하는, 에너지저장 장치.
572. 구현예 559 내지 571 중의 어느 하나에있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 이온성 액체를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
573. 구현예 559 내지 572 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 바인더를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
574. 구현예 559 내지 573 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 사이에 분리부를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
575. 구현예 574에 있어서, 상기 분리부는 제 3 피각들(a third plurality of frustules)을 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
576. 구현예 575에 있어서, 상기 제 3 피각들은 실질적으로 표면 개질되지 않은 것을 포함하는, 에너지 저장 장치.
577. 구현예 574 내지 576 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부는 전해질을 더 포함하는, 에너지 저장장치.
578. 구현예 577에 있어서, 상기 전해질은 상기 이온성 액체를 포함하는, 에너지 저장 장치.
579. 구현예 577 또는 578에 있어서, 상기 전해질은 전해질 염을 포함하는, 에너지 저장 장치.
580. 구현예 574 내지 579 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부는 중합체를 더 포함하는 에너지 저장 장치.
581. 구현예 559 내지 580 중의 어느 하나에 있어서, 상기 캐쏘드에 연결된(coupled) 제 1 집전체 및 상기 애노드에 연결된 제 2 집전체를 더 포함하는, 에너지 저장 장치.
582. 구현예 581에 있어서, 상기 제 1 집전체 및 상기 제 2 집전체 중 적어도 하나는 전도성 호일을 포함하는, 에너지 저장 장치.
583. 구현예 582에 있어서, 상기 전도성 호일은 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인레스 스틸, 그래파이트, 그래핀 및 탄소나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 저장 장치.
584. 구현예 582 또는 583에 있어서, 상기 제 1 집전체 및 제 2 집전체중 적어도 하나는 인쇄된 집전체를 포함하는, 에너지 저장 장치.
585. 구현예 584에 있어서, 상기 인쇄된 집전체는 알루미늄, 구리, 니켈, 은, 비스무트, 전도성 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그래파이트 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 저장 장치.
586. 적어도 하나의 표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하고, 상기 다수의나노구조체는 산화아연을 포함하는, 피각(frustule).
587. 구현예 586에 있어서, 상기 피각은 산화아연을 포함하는 다수의 나노구조체를 약 5중량% 내지 약 95 중량%로 포함하는, 피각.
588. 구현예 587에 있어서, 상기 피각은 산화아연을 포함하는 나노구조체를약 50 중량% 내지 약 60 중량%를 포함하는, 피각.
589. 구현예 586 내지 588 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는, 피각.
590. 적어도 하나의 표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하고, 상기 다수의나노구조체는 망간 산화물을 포함하는, 피각(frustule).
591. 구현예 590에 있어서, 상기 피각은 망간 산화물을 포함하는 다수의 나노구조체를 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 포함하는, 피각.
592. 구현예 591에 있어서, 상기 피각은 망간 산화물을 포함하는 다수의 나노구조체를 약 75 중량% 내지 약 95 중량%로 포함하는, 피각.
593. 구현예 590 내지 592 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 피각.
594. 구현예 590 내지 593 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 피각.
595. 구현예 590 내지 594 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 적어도 하나를 포함하는, 피각.
596. 구현예 590 내지 595 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는, 피각.
597. 구현예 590 내지 596 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노섬유 및 사면체 형태의 나노결정 중 적어도 하나를 포함하는, 피각.
598. 다수개의 피각들을 포함하며, 상기 다수개의 피각들 각각이 적어도 하나의 표면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하는, 에너지 저장 장치의 전극.
599. 구현예 598에 있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 애노드인, 전극.
600. 구현예 599에 있어서, 상기 애노드는 전해질 염을 더 포함하는, 전극.
601. 구현예 600에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는, 전극.
602. 구현예 599 내지 601 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하는, 전극.
603. 구현예 599 내지 602 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는, 전극.
604. 구현예 599 내지 603 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 피각들 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 다수의 나노구조체를 포함하는, 전극.
605. 구현예 604에 있어서, 상기 다수의 피각들 중 적어도 하나는 약 50 중량% 내지 약 60 중량%로 다수의 나노구조체를 포함하는, 전극.
606. 구현예 598에 있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 캐쏘드인, 전극.
607. 구현예 606에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하는, 전극.
608. 구현예 607에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 전극.
609. 구현예 607 또는 608에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 전극.
610. 구현예 607 내지 609 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 적어도 하나를 포함하는, 전극.
611. 구현예 611 내지 610 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는, 전극.
612. 구현예 616 내지 611 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노섬유 및 사면체 형태의 나노결정 중 적어도 하나를 포함하는, 전극.
613. 구현예 606 내지 611 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 피각들 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 다수의 나노구조체를 포함하는, 전극.
614. 구현예 613에 있어서, 상기 다수의 피각들 중 적어도 하나는 75 중량% 내지 95 중량%인 상기 다수의 나노구조체를 포함하는, 전극.
615. 구현예 598 내지 614 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극은 탄소나노튜브를 더 포함하는, 전극.
616. 구현예 598 내지 615 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극은 전도성 충전제를 더 포함하는, 전극.
617. 구현예 616에 있어서, 상기 전도성 충전제는 흑연을 포함하는, 전극.
618. 구현예 598 내지 617 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극은 이온성 액체를 더 포함하는, 전극.
619. 구현예 598 내지 618 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극은 바인더를 더 포함하는, 전극.
620. 다수의 피각 상에 산화아연 나노구조체를 형성하는 방법으로서,
다수의 피각을 공급하는 단계;
산화아연이 씨드된 다수의 피각을 공급하기 위하여 다수의 피각 상에 산화아연을 포함하는 시드(seed) 층을 형성시키는 단계; 및
산화아연이 씨드된 다수의 피각의 시드 층 상에 산화아연을 포함하는 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
621. 구현예 620에 있어서, 상기 시드 층을 형성하는 단계는 약 2중량% 내지 약 5 중량%인 상기 다수의 피각을 포함하는 시드 층 용액을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
622. 구현예 621에 있어서, 상기 시드 층 용액은 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 아연 염을 포함하는, 방법.
623. 구현예 622에 있어서, 상기 아연 염은 Zn(CH3COO)2를 포함하는, 방법.
624. 구현예 621 내지 623 중의 어느 하나에 있어서, 상기 시드 층 용액은 약 94.5 중량% 내지 약 97.9 중량%의 알콜을 포함하는, 방법.
625. 구현예 624에 있어서, 상기 알콜은 에탄올을 포함하는, 방법.
626. 구현예 621 내지 625 중의 어느 하나에 있어서, 시드 층 용액을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
627. 구현예 626에 있어서, 상기 시드 층 용액을 가열하는 단계는 상기 시드 층 용액을 약 80℃를 초과하는 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
628. 구현예 626 또는 627에 있어서, 상기 시드 층 용액을 가열하는 단계는 상기 시드 층 용액을 진공 오븐에서 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
629. 구현예 628에 있어서, 진공 오븐에서 시드 층 용액을 가열하는 단계는 약 1 밀리바의 압력에서 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
630. 구현예 621 내지 629 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 피각을 어닐링 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
631. 구현예 631에 있어서, 상기 어닐링 하는 단계는 약 200℃ 내지 약 500℃의 온도에서 어닐링 하는 단계를 포함하는, 방법.
632. 구현예 620 내지 631 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연 나노구조체를 형성하는 단계는 약 1 중량% 내지 약 5 중량%로 산화아연이 씨드된 다수의 피각을 포함하는 나노구조체 용액을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
633. 구현예 632에 있어서, 상기 나노구조체 용액은 약 6 중량% 내지 약 10중량%로 아연 염을 포함하는, 방법.
634. 구현예 633에 있어서, 상기 아연 염은 Zn(NO3)2를 포함하는, 방법.
635. 구현예 632 내지 634 중의 어느 하나에 있어서, 상기 나노구조체 용액은 약 1 중량% 내지 약 2 중량%로 염기를 포함하는, 방법.
636. 구현예 635에 있어서, 상기 염기는 수산화 암모늄(NH4OH)을 포함하는, 방법.
637. 구현예 632 내지 636 중의 어느 하나에 있어서, 상기 나노구조체 용액은 약 1 중량% 내지 약 5 중량%로 첨가제를 포함하는, 방법.
638. 구현예 637에 있어서, 상기 첨가제는 헥사메틸렌테트라민(HMTA)을 포함하는, 방법.
639. 구현예 632 내지 638 중의 어느 하나에 있어서, 상기 나노구조체 용액은 약 78 중량 내지 약 91 중량%로 정제수를 포함하는, 방법.
640. 구현예 632 내지 638 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연 나노구조체를 형성하는 단계는 상기 나노구조체 용액을 가열하는 단계를 포함하는, 방법
641. 구현예 640에 있어서, 상기 가열하는 단계는 마이크로파로 가열하는 것을 포함하는, 방법.
642. 구현예 640 또는 641에 있어서, 상기 가열하는 단계는 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열하는 것을 포함하는, 방법.
643. 구현예 640 내지 642 중의 어느 하나에 있어서, 가열 중에 교반하는 단계를 더 포함하는, 방법.
644. 구현예 620 내지 643 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 피각 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 산화 아연을 포함하는, 방법.
645. 다수의 피각들 상에 망간 산화물을 포함하는 나노구조체를 형성하는 방법으로서,
다수의 피각을 공급하는 단계; 및
다수의 피각 상에 망간 산화물을 포함하는 나노구조체를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 나노구조체를 형성하는 단계는 망간 산화물을 포함하는 나노구조체를 형성시키기 위하여 망간 공급원(source)을 포함하는 용액을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
646. 구현예 645에 있어서, 상기 망간 공급원은 망간 염을 포함하고, 상기 용액은 약 7 중량 % 내지 약 10 중량%로 망간 염을 포함하는, 방법.
647. 구현예 646에 있어서, 상기 망간 염은 망간 아세테이트(Mn(CH3COO)2)를 포함하는, 방법.
648. 구현예 645 내지 647 중의 어느 하나에 있어서, 상기 용액은 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%로 다수의 피각을 포함하는, 방법.
649. 구현예 645 내지 648 중의 어느 하나에 있어서, 상기 용액은 약 5 중량% 내지 약 10 중량%로 염기를 포함하는, 방법.
650. 구현예 649에 있어서, 상기 염기는 수산화 암모늄(NH4OH)을 포함하는, 방법.
651. 구현예 645 내지 650 중의 어느 하나에 있어서, 상기 용액은 약 78 중량% 내지 약 87.5 중량%의 산소화된 정제수(oxygenated purified water)를 포함하는, 방법.
652. 구현예 645 내지 651 중의 어느 하나에 있어서, 상기 용액을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
653. 구현예 652에 있어서, 상기 가열하는 단계는 마이크로파 가열을 포함하는 것인, 방법.
654. 구현예 652 또는 653에 있어서, 상기 용액을 가열하는 단계는 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도로 가열하는 것인, 방법.
655. 구현예 652 내지 654 중의 어느 하나에 있어서, 가열하면서 교반하는 것 인, 방법.
656. 에너지 저장 장치의 전극용 잉크에 있어서,
일 표면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하는 다수의 피각; 및
중합체 바인더를 포함하는, 잉크.
657. 구현예 656에 있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 애노드인, 잉크.
658. 구현예 657에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하는, 잉크.
659. 구현예 657 또는 658에 있어서, 상기 다수의 피각 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 상기 나노구조체를 포함하는, 잉크.
660. 구현예 657 내지 659 중의 어느 하나에 있어서, 전해질 염을 더 포함하는, 잉크.
661. 구현예 660에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는, 잉크.
662. 구현예 661에 있어서, 상기 아연 염은 아연 테트라플루오로보레이트를 포함하는, 잉크.
663. 구현예 656에 있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 캐쏘드인, 잉크.
664. 구현예 663에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하는, 잉크.
665. 구현예 664에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 잉크.
666. 구현예 664 또는 665에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 잉크.
667. 구현예 663 내지 666 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 적어도 하나를 포함하는, 잉크.
668. 구현예 663 내지 667 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 피각 중 적어도 하나는 약 5 중량% 내지 약 95 중량%로 상기 나노구조체를 포함하는, 잉크.
669. 구현예 656 내지 668 중의 어느 하나에 있어서, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%로 상기 다수의 피각들을 더 포함하는, 잉크.
670. 구현예 656 내지 669 중의 어느 하나에 있어서, 이온성 액체를 더 포함하는, 잉크.
671. 구현예 670에 있어서, 상기 잉크는 약 2 중량% 내지 약 15 중량%로 이온성 액체를 포함하는, 잉크.
672. 구현예 670 또는 671 항에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-에틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 포함하는, 잉크.
673. 구현예 656 내지 672 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 충전제를 더 포함하는, 잉크.
674. 구현예 673에 있어서, 상기 전도성 충전제를 약 10 중량% 이하로 더 포함하는, 잉크.
675. 구현예 673 또는 674에 있어서, 상기 전도성 충전제는 그래파이트를 포함하는, 잉크.
676. 구현예 656 내지 675 중의 어느 하나에 있어서, 탄소나노튜브를 더 포함하는, 잉크.
677. 구현예 676에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 약 0.2 중량% 내지 약 20 중량%로 더 포함하는, 잉크.
678. 구현예 676 또는 677에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 다중-벽 탄소나노 튜브를 포함하는, 잉크.
679. 구현예 656 내지 678 중의 어느 하나에 있어서, 상기 잉크는 중합체 바인더를 약 1 중량% 내지 약 5 중량%로 포함하는, 잉크.
680. 구현예 679에 있어서, 상기 중합체 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함하는, 잉크.
681. 구현예 656 내지 680 중의 어느 하나에 있어서, 용매를 더 포함하는, 잉크.
682. 구현예 681에 있어서, 상기 잉크는 47중량% 내지 86.8 중량%로 용매를 포함하는 것을, 잉크.
683. 구현예 681 또는 682에 있어서, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는, 잉크.
684. 에너지 저장 장치의 전극용 잉크를 제조하는 방법에 있어서,
이온성 액체를 공급하는 단계;
다수의 탄소나노튜브 및 상기 이온성 액체를 포함하는 제 1 분산액을 형성하기 위해 상기 이온성 액체에 다수의 탄소나노튜브를 분산시키는 단계; 및
다수의 피각 각각의 일 표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하는 다수의 피각을 부가하는 단계를 포함하는, 방법.
685. 구현예 684에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하는, 방법.
686. 구현예 684에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하는, 방법.
687. 구현예 686에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 방법.
688. 구현예 686 또는 687에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 방법.
689. 구현예 686 내지 688 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
690. 구현예 684 내지 689 항 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 탄소나노튜브, 이온성 액체 및 용매를 포함하는 제 2 분산액을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
691. 구현예 690에 있어서, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는, 방법.
692. 구현예 690 또는 691에있어서, 상기 다수의 피각들을 부가하는 단계는 제 1 혼합물을 형성하기 위하여 상기 제 2 분산액에 상기 다수의 피각들을 부가하는 단계를 포함하는, 방법.
693. 구현예 692에 있어서, 제 1 혼합물을 형성하기 위해 전도성 충전제를 제 2 분산액에 부가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
694. 구현예 693에 있어서, 상기 전도성 충전제는 흑연을 포함하는, 방법.
695. 구현예 692 또는 693에 있어서, 제 2 혼합물을 형성하기 위하여 전해질 염을 제 1 혼합물에 첨가하는 단계를 더 포함하는 포함하는, 방법.
696. 구현예 695에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는, 방법.
697. 구현예 696에 있어서, 상기 아연 염은 아연테트라플루오로보레이트를 포함하는, 방법.
698. 구현예 695 내지 697 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 피각들, 상기 전도성 충전제, 및 상기 전해질 염을 부가하는 단계 중 적어도 하나는 교반을 포함하는, 방법.
699. 구현예 698에 있어서, 교반하는 단계는 원심분리부를 사용하는 것을 포함하는, 방법.
700. 구현예 695 내지 699 중의 어느 하나에 있어서, 제 3 혼합물을 형성하기 위해 상기 제 2 혼합물에 용액을 부가하는 단계를 더 포함하며, 상기 용액은 용매 및 중합체 바인더를 포함하는, 방법.
701. 구현예 700에 있어서, 상기 중합체 바인더는 상기 용액의 약 10 중량% 내지 약 20 중량%인, 방법.
702. 구현예 700 또는 701에 있어서, 상기 중합체 바인더는 폴리비닐리덴플루오라이드를 포함하는, 방법.
703. 구현예 702 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 3 혼합물을 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
704. 구현예 703에 있어서, 상기 가열하는 단계는 약 80℃ 내지 약 180℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
705. 구현예 703 또는 704에 있어서, 가열하는 동안 교반하는 단계를 더 포함하는, 방법.
706. 에너지 저장 장치를 인쇄하는 방법에 있어서,
제 1 복수의 피각을 포함하는 제 1 전극을 인쇄하되 상기 제 1 복수의 피각들 각각은 일 표면 상에 제 1 다수의 나노구조체를 포함하는 것인, 단계; 및
상기 제 1 전극 위에 분리부를 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
707. 구현예 706에 있어서, 제 1 집전체를 공급하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 전극을 인쇄하는 단계는 상기 제 1 집전체 위에 상기 제 1 전극을 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
708. 구현예 707에 있어서, 상기 제 1 집전체를 공급(provide)하는 단계는 제 1 전도성 호일을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
709. 구현예 706 내지 708 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 집전체를 공급하는 단계를 더 포함하는 방법.
710. 구현예 709에 있어서, 상기 제 2 집전체를 공급하는 단계는 제 2 전도성 호일을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
711. 구현예 710에 있어서, 제 2 전극을 인쇄하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 전극은 제 2 복수의 피각을 포함하고, 상기 제 2 복수의 피각들 각각은 일 표면 상에 제 2 다수의 나노구조체를 포함하는, 방법.
712. 구현예 711에 있어서, 상기 제 2 전극을 인쇄하는 단계는 상기 제 2 전극을 상기 분리부 위에 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
713. 구현예 711에 있어서, 상기 제 2 전극을 인쇄하는 단계는 상기 제 2 전극을 상기 제 2 집전체 위에 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
714. 구현예 713에 있어서, 상기 분리부를 상기 제 2 전극 위에 인쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
715. 구현예 707에 있어서, 상기 제 1 집전체를 공급하는 단계는 상기 제 1 집전체를 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
716. 구현예 715에 있어서, 상기 분리부 위에 제 2 전극을 인쇄하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 전극은 제 2 복수의 피각을 포함하며, 상기 제 2 복수의 피각들 각각은 일 표면 상에 제 2 다수의 나노구조체를 포함하는, 방법.
717. 구현예 716에 있어서, 상기 제 2 전극 위에 제 2 집전체를 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 방법.
718. 구현예 715에 있어서, 상기 제 1 집전체로부터 측방향 거리(lateral distance)에 제 2 집전체를 인쇄하는 단계를 더 포함하는, 방법.
719. 구현예 718에 있어서, 상기 제 1 집전체로부터 상기 측방향 거리에 있는 상기 제 2 집전체 위에 제 2 전극을 인쇄하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 전극은 제 2 복수의 피각을 포함하고, 상기 제 2 복수의 피각들 각각은 일 표면상의 제 2 다수의 나노구조체를 포함하는, 방법.
720. 구현예 711에 있어서, 상기 분리부를 인쇄하는 단계는 상기 분리부를 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 위에 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
721. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
제 1 구조체를 형성하되, 상기 제 1구조체는 제 1 집전체 위에 제 1 전극을 인쇄하는 단계와, 상기 제 1 전극 위에 분리부를 인쇄하는 단계를 포함하는, 단계;
제 2 구조체를 형성하되, 상기 제 2구조체는 제 2 집전체 위에 제 2 전극을 인쇄하는 단계를 포함하는, 단계; 및
에너지 저장 장치를 형성하기 위해 제 1 구조체를 제 2 구조체에 커플링시키는 단계를 포함하고,
상기 커플링 시키는 단계는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 분리부를 공급하는 것을 포함하는, 방법.
722. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
제 1 구조체를 형성하되, 상기 제 1구조체는 제 1 집전체 위에 제 1 전극을 인쇄하는 단계와, 상기 제 1 전극 위에 분리부의 제 1 부분을 인쇄하는 단계를 포함하는, 단계;
제 2 구조체를 형성하되, 상기 제 2구조체는 제 2 집전체 위에 제 2 전극을 인쇄하는 단계와, 상기 제 2 전극 위에 상기 분리부의 제 2 부분을 인쇄하는 단계를 포함하는, 단계; 및
에너지 저장 장치를 형성하기 위해 제 1 구조체를 제 2 구조체에 커플링시키는 단계를 포함하고,
상기 커플링 시키는 단계는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 상기 분리부의 제 1부분과, 상기 분리부의 제 2 부분을 공급하는 것을 포함하는, 방법.
723. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
제 1 구조체를 형성하되, 상기 제 1구조체는 제 1 집전체 위에 제 1 전극을 인쇄하는 단계, 상기 제 1 전극 위에 분리부를 인쇄하는 단계와, 상기 분리부 상에 제 2 전극을 인쇄하는 단계를 포함하는, 단계;
제 2 구조체를 형성하되, 상기 제 2구조체는 제 2 집전체를 공급하는 것을 포함하는, 단계; 및
에너지 저장 장치를 형성하기 위해 제 1 구조체를 제 2 구조체에 커플링시키는 단계를 포함하고,
상기 커플링 시키는 단계는 상기 제 2 집전체와 상기 분리부 사이에 제 2 전극을 공급하는 것을 포함하는, 방법.
724. 구현예 721 내지 723 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 집전체는 전도성 호일을 포함하는, 방법.
725. 구현예 721 내지 723 중의 어느 하나에 있어서, 기판 상에 제 1 집전체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
726. 구현예 725에 있어서, 상기 제 1 집전체를 형성하는 단계는 상기 제 1 집전체를 상기 기판 위에 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
727. 구현예 721 내지 726 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 집전체는 전전성 호일을 포함하는, 방법.
728. 구현예 721 내지 726 중의 어느 하나에 있어서, 제 2 기판 상에 제 2 집 전 장치를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
729. 구현예 728에 있어서, 상기 제 1 집전체를 형성하는 단계는 상기 제 2 기판 상에 상기 제 1 집전체를 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
730. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
제 1 집전체 인쇄하는 단계;
상기 제 1 집전체 위에(over) 제 1 전극을 인쇄하는 단계;
상기 제 1 전극 위에 분리부를 인쇄하는 단계;
상기 분리부 위에 제 2 전극을 인쇄하는 단계; 및
상기 제 2 전극 위에 제 2 집전체를 인쇄하는 단계를 포함하는 방법.
731. 에너지 저장 장치를 제조하는 방법에 있어서,
제 1 집전체를 인쇄하는 단계;
상기 제 1 집전체로부터 측방향 거리에 제 2 집전체를 인쇄하는 단계;
상기 제 1 집전체 위에(over) 제 1 전극을 인쇄하는 단계;
상기 제 2 집전체 위에(over) 제 2 전극을 인쇄하는 단계; 및
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 분리부를 인쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
732. 구현예 721 내지 731 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 전극은 제 1 복수의 피각을 포함하고, 상기 제 1 복수의 피각들 각각은 적어도 하나의 표면 상에 형성된 나노 구조체를 포함하는, 방법.
733. 구현예 732에 있어서, 상기 나노구조체는 망간 산화물을 포함하는, 방법.
734. 구현예 733에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 방법.
735. 구현예 733 또는 734에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4를 포함하는, 방법.
736. 구현예 733 내지 735 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn2O3 및 MnOOH 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
737. 구현예 721 내지 736 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 전극은 제 2 복수의 피각을 포함하고, 상기 제 2 복수의 피각들 각각은 나노구조체를 포함하는, 방법
738. 구현예 737에 있어서, 상기 나노구조체는 산화아연을 포함하는, 방법.
739. 구현예 721 내지 738 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부는 제 3 피각들을 포함하고, 상기 제 3 피각들 각각은 실질적으로 표면 개질되지 않은 것을 포함하는, 방법.
740. 망간 산화물을 포함하는 나노구조체들을 포함하는 제 1 복수의 피각을 포함하는 캐쏘드; 및
산화아연을 포함하는 나노구조체를 포함하는 제 2 복수의 피각을 포함하는 애노드를 포함하는 에너지 저장 장치.
741. 구현예 740에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는, 에너지 저장 장치.
742. 구현예 740 또는 741 에 있어서, 상기 망간 산화물은 Mn3O4, Mn2O3 및 MnOOH 중 하나 이상을 포함하는 에너지 저장 장치.
743. 구현예 740 내지 742 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 중 적어도 하나는 망간 산화물의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비가 약 1:20 내지 약 20:1인, 에너지 저장 장치.
744. 구현예 740 내지 743 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나는 상기 산화아연의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비가 약 1:20 내지 약 20:1인, 에너지 저장 장치
745. 구현예 740 내지 744 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드가 전해질 염을 더 포함하는 에너지 저장 장치.
746. 구현예 745에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는 에너지 저장 장치.
747. 구현예 740 내지 746 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 탄소나노튜브를 더 포함하는 에너지 저장 장치.
748. 구현예 740 내지 747 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드 및 캐쏘드 중 적어도 하나는 전도성 충전제를 더 포함하는 에너지 저장 장치
749. 구현예 748에 있어서, 상기 전도성 충전제는 흑연을 포함하는 에너지저장 장치.
750. 구현예 740 내지 749 중의 어느 하나에 있어서, 상기 애노드와 상기 캐쏘드 사이에 분리부를 더 포함하고, 상기 분리부는 제 3 피각들을 포함하는 에너지 저장 장치.
751. 구현예 750에 있어서, 상기 제 3 피각들은 실질적으로 표면 개질되지 않는 것을 포함하는 에너지 저장 장치.
752. 구현예 750 또는 751에 있어서, 상기 애노드, 상기 캐쏘드 및 상기 분리부 중 적어도 하나는 이온성 액체를 포함하는 에너지 저장 장치.
753. 구현예 740 내지 752 중의 어느 하나에 있어서, 상기 장치는 재충전 가능한 배터리인 에너지 저장 장치.
754. 구현예 740 내지 753 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들은 망간 산화물을 포함하는 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 제 1 다수의 공극(a first plurality of pores)을 포함하고, 상기 제 2 복수의 피각들은 산화아연을 포함하는 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 제 2 다수의 공극(a second plurality of pores)을 포함하는 에너지 저장 장치.
755. 적어도 하나의 표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하고, 상기 다수의 나노구조체의 중량 대 피각의 중량비가 약 1 : 1 내지 약 20 : 1 인 피각.
756. 구현예 755에있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀질된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는 피각.
757. 구현예 755 또는 756에 있엇, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극을 포함하는 피각.
758. 적어도 하나의 표면 상에 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하고, 상기 다수의 나노구조체의 중량 대 피각의 중량비가 약 1 : 1 내지 약 20 : 1 인 피각.
759. 구현예 758에 있어서, 망간 산화물은 MnO를 포함하는 피각.
760. 구현예 758 또는 759에 있어서, 상기 망간 산화물이 Mn3O4를 포함하는 피각.
761. 구현예 758 내지 760 중의 어느 하나에 있어서, 망간 산화물이 Mn2O3 및 MnOOH 중 하나 이상을 포함하는 피각.
762. 구현예 768 내지 761 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀질된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노디스크들 중 적어도 하나를 포함하는 피각.
763. 구현예 758 내지 762 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극을 포함하는 피각.
764. 에너지 저장 장치의 전극으로서, 상기 전극은
다수의 피각(frustules)을 포함하고, 다수의 피각 각각은 적어도 하나의 표면 상에 형성된 다수의 나노구조체를 포함하며, 상기 다수의 피각 중 적어도 하나는 상기 다수의 나노구조체 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비가 1:20 내지 20:1인 전극.
765. 구현예 764에 있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 애노드인 전극.
766. 구현예 765에 있어서, 상기 애노드 전해질 염을 더 포함하는 전극.
767. 구현예 766에 있어서, 상기 전해질 염은 아연 염을 포함하는 전극.
768. 구현예 765 내지 767 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 산화아연을 포함하는 전극.
769. 구현예 766 내지 768 중 어느 하나의 전극에 있어서, 상기 다수의 나노 구조체는 나노와이어들, 나노플레이트들, 밀집된 나노입자들, 나노벨트들 및 나노 디스크들 중 적어도 하나를 포함하는 전극.
770. 구현예 764 또는 769에있어서, 상기 전극은 상기 에너지 저장 장치의 캐쏘드인 전극.
771. 구현예 770에 있어서, 상기 다수의 나노구조체는 망간 산화물을 포함하는 전극.
772. 구현예 771에 있어서, 상기 망간 산화물은 MnO를 포함하는 전극.
773. 구현예 771 또는 772에 있어서, 상기 망간 산화물이 Mn3O4, Mn2O3 및 MnOOH 중 하나 이상을 포함하는 전극.
774. 구현예 764 내지 773 중의 어느 하나에 있어서, 탄소나노튜브를 더 포함하는 전극.
775. 구현예 764 내지 774 중의 어느 하나에 있어서, 전도성 충전제를 더 포함하는 전극.
776. 구현예 775에 있어서, 상기 전도성 충전제는 흑연을 포함하는 전극.
777. 구현예 764 내지 776 중의 어느 하나에 있어서, 이온성 액체를 더 포함하는 전극.
778. 구현예 764 내지 777 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 피각 각각은 상기 다수의 나노구조체에 의해 실질적으로 폐색되지 않은 다수의 공극을 포함하는 전극.
779. 구현예 559 내지 562 및 565 내지 585 중의 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 적어도 하나의 피각의 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비는 약 1: 20 내지 약 100: 1인, 에너지 저장 장치.
780. 구현예 779에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 적어도 하나의 피각의 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비는 약 1: 1 내지 약 100: 1인, 에너지 저장 장치.
781. 구현예 779에 있어서, 상기 제 1 복수의 피각들 적어도 하나의 피각의 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량 대 적어도 하나의 피각 중량비는 약 20: 1 내지 약 100: 1인, 에너지 저장 장치.
782. 구현예 559 내지 564, 567 내지 585, 및 779 내지 781 중의 어느 하나에있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 적어도 하나의 피각의 산화아연의 중량 대 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1: 20 내지 약 100: 1인, 에너지 저장 장치.
783. 구현예 782에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나의 피각의 ZnO의 중량 대 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1: 1 내지 약 100: 1 인 에너지 저장 장치.
784. 구현예 782에 있어서, 상기 제 2 복수의 피각들 적어도 하나의 피각의 산화아연의 중량 대 상기 제 2 복수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 20:1 내지 약 100: 1인, 에너지 저장 장치.
785. 구현예 586 및 589 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 1:20 내지 약 100: 1인 피각.
786. 구현예 785에 있어서, 상기 ZnO의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 1: 1 내지 약 100: 1인 피각.
787. 구현예 785에 있어서, 상기 ZnO의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 20: 1 내지 약 100: 1인 피각.
788. 구현예 590, 및 593 내지 597 중의 어느 하나에 있어서, 상기 망간 산화물을 포함하는 다수의 나노구조체의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 1:20 내지 약 100: 1인 피각.
789. 구현예 788에 있어서, 상기 망간 산화물을 포함하는 다수의 나노구조체의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 1:1 내지 약 100: 1인 피각.
790. 구현예 788에 있어서, 상기 망간 산화물을 포함하는 다수의 나노구조체의 중량 대 상기 피각의 중량은 약 20:1 내지 약 100: 1인 피각.
791. 구현예 598 내지 603, 606 내지 612 및 615 내지 619 중의 어느 하나에 있어서, 다수의 나노구조체 중량 대 다수의 피각 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1:20 내지 약 100: 1인 전극.
792. 구현예 791에 있어서, 상기 다수의 나노구조체 중량 대 적어도 하나의피각 중량은 약 1 : 1 내지 약 100 : 1 인 전극.
793. 제 791 실시예에있어서, 상기 다수의 나노 구조물의 질량은 상기 하나 이상의 돌기의 질량에 대해 약 20 : 1 내지 약 100 : 1 인 것을 특징으로하는 전극.
794. 구현예 620 내지 643 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연의 중량 대다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1: 20 내지 약 100: 1인, 방법.
795. 구현예 794에 있어서, 상기 산화아연의 중량 대다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1: 1 내지 약 100: 1인, 방법.
796. 구현예 794에 있어서, 상기 산화아연의 중량 대다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 20: 1 내지 약 100: 1인, 방법.
797. 구현예 645 내지 655 중의 어느 하나에 있어서, 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량은 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각의 중량에 대해 약 1:20 내지 약 100:1인, 방법.
798. 구현예 797에 있어서, 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량은 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각의 중량에 대해 약 1:1 내지 약 100:1인, 방법.
799. 구현예 797에 있어서, 망간 산화물을 포함하는 나노구조체의 중량은 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각의 중량에 대해 약 20:1 내지 약 100:1인, 방법.
800. 구현예 656 내지 658, 660 내지 667 및 669 내지 683 중의 어느 하나에 있어서, 나노구조체의 중량 대 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1:20 내지 약 100:1인, 잉크.
801. 구현예 800에 있어서, 나노구조체의 중량 대 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 1:1 내지 약 100:1인, 잉크.
802. 구현예 800에 있어서, 나노구조체의 중량 대 다수의 피각들 중 적어도 하나의 피각 중량은 약 20:1 내지 약 100:1인, 잉크.
803. 한 쌍의 전극, 및 이온성 액체(ionic liquid)를 포함하는 전해질을 포함하는 슈퍼커패시터(supercapacitor)로서, 상기 전극의 적어도 하나는 그 위에 표면 활물질이 형성된 복수의 피각들(frustule)을 갖는 것인, 슈퍼커패시터.
804. 구현예 803에 있어서, 각각의 상기 복수의 피각이 상기 표면 활물질로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
805. 구현예 803 또는 804에 있어서, 상기 전극의 제 1의 것이 상기 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
806. 구현예 803 내지 805 중의 어느 하나에 있어서, 각각의 상기 한 쌍의 전극은 상기 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
807. 구현예 803 내지 806 중의 어느 하나에 있어서, 충전 또는 방전동안 전기화학적 반응의 일부로서 하나의 전극에서 다른 전극으로 이온 수송이 일어나지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
808. 구현예 803 내지 807 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 2볼트를 초과하는 전극들 사이의 전압차를 갖도록 충전되도록 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
809. 구현예 803 내지 808 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 용융된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
810. 구현예 803 내지 809 중의 어느 하나에 있어서, 상기 표면 활물질은 상기 피각의 표면 위에 형성된 나노구조체(nanostructure)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
811. 구현예 803 내지 810 중의 어느 하나에 있어서, 상기 표면 활물질은 상기 피각의 모든 표면을 실질적으로 덮는 나노구조체를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
812. 구현예 803 내지 811 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor) 및 슈도 커패시터(pseudo capacitor) 중의 하나 또는 둘 다로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
813. 구현예 803 내지 812 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 구성되지만 실질적으로 상기 전기 이중층 커패시터 또는 상기 슈도 커패시터 중의 다른 것으로 구성되지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
814. 구현예 803 내지 813 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 전기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질의 표면에서의 제 1 극성 형태들의 전하의 제 1 시트, 및 상기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나에 인접한 제 2 극성 형태들의 전하의 제 2 시트는 상기 전해질의 층에 의해서 개재되는 것인, 슈퍼커패시터.
815. 구현예 803 내지 814 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 슈도 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나는 상기 표면 활물질의 표면 위에서 가역성 페러데이 산화환원 반응(reversible Faradaic redox reaction)에 의해서 에너지를 저장하는 것인, 슈퍼커패시터.
816. 구현예 803 내지 815 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질은 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
817. 구현예 816에 있어서, 상기 한 쌍의 상기 전극들 각각의 상기 표면 활물질은 상기 CNT를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
818. 구현예 816 또는 817에 있어서, 상기 표면 활물질은 상기 피각들 각각의 표면 위에 형성된 상기 CNT를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
819. 구현예 816 내지 818 중의 어느 하나에 있어서, 상기 CNT를 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
820. 구현예 803 내지 815 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질은 산화아연 및 산화망간 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
821. 구현예 820에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질은 아연 산화물 나노구조체 및 망간 산화물 나노구조체 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
822. 구현예 820 또는 821에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질은 상기 피각들 각각의 표면 위에 형성된 상기 아연 산화물 나노구조체 및 상기 망간 산화물 나노구조체 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
823. 구현예 820 내지 822 중의 어느 하나에 있어서, 상기 한 쌍의 상기 전극들 각각의 상기 표면 활물질은 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
824. 구현예 820 내지 823 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 슈도 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
825. 구현예 803 내지 815 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질은 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 하나를 포함하지만 다른 것은 포함하지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
826. 구현예 820 내지 825 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화망간은 망간 디옥사이드(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3) 중의 하나 이상을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
827. 구현예 803 내지 826 중의 어느 하나에 있어서, 상기 한 쌍의 전극들 중의 하나의 상기 표면 활물질은 CNT를 포함하고 상기 한 쌍의 전극들 중의 다른 것의 상기 표면 활물질은 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 하나 또는 둘 다를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
828. 구현예 803 내지 827 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린(choline), 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
829. 구현예 803 내지 828 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
830. 구현예 803 내지 829 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
831. 구현예 803 내지 830 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 내부에 용해된 염을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
832. 구현예 831에 있어서, 상기 염은 적어도, 상기 이온성 액체의 양이온과는 상이한 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
833. 구현예 831 또는 832에 있어서, 상기 염은 아연, 나트륨, 칼륨, 망간 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
834. 구현예 831 내지 833 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 적어도, 상기 이온성 액체의 음이온과는 상이한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
835. 구현예 831 내지 834 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
836. 구현예 831 내지 835 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 유기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
837. 구현예 831 내지 836 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
838. 구현예 831 내지 836 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 무기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
839. 구현예 838에 있어서, 상기 무기 염은 LiCl; Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
840. 구현예 803 내지 839 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
841. 구현예 803 내지 839 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염기를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
842. 구현예 831 내지 833 및 835 내지 841 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 음이온과 동일한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
843. 구현예 838에 있어서, 상기 염은 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
844. 구현예 803 내지 843 중의 어느 하나에 있어서, 상기 쌍의 전극들 사이에 개재된 분리부를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
845. 구현예 844에 있어서, 상기 분리부는 복수의 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
846. 구현예 845에 있어서, 상기 분리부는 그래핀 산화물을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
847. 구현예 803 내지 846 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 화학적으로 개질되지 않은 피각(chemically unmodified frustule)을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
848. 전해질과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함하는 슈퍼커패시터로서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 복수의 피각들 및 산화아연을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
849. 구현예 848에 있어서, 각각의 상기 피각은 산화아연으로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
850. 구현예 848 또는 849에 있어서, 각각의 상기 피각은 산화아연을 포함하는 나노구조체로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
851. 구현예 848 내지 850 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 하나 또는 둘 다는 탄소 나노튜브(CNT)를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
852. 구현예 848에 있어서, 상기 전극들 중의 하나는 상기 산화아연을 포함하고 상기 전극들 중의 다른 하나는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
853. 구현예 851 또는 852에 있어서, 각각의 상기 피각은 상기 CNT로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
854. 구현예 848 내지 853 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 수성 전해질을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
855. 구현예 848 내지 853 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 비-수성 전해질을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
856. 구현예 848 내지 855 중의 어느 하나에 있어서, 충전 또는 방전동안 전기화학적 반응의 일부로서 하나의 전극에서 다른 전극으로 이온 수송이 일어나지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
857. 구현예 848 내지 856 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 및 슈도 커패시터 중의 하나 또는 둘 다로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
858. 구현예 848 내지 857 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 구성되지만 실질적으로 상기 전기 이중층 커패시터 또는 상기 슈도 커패시터 중의 다른 것으로 구성되지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
859. 구현예 848 내지 858 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 전기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질의 표면에서의 제 1 극성 형태들의 전하의 제 1 시트, 및 상기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나에 인접한 제 2 극성 형태들의 전하의 제 2 시트는 전해질의 층에 의해서 개재되는 것인, 슈퍼커패시터.
860. 구현예 848 내지 859 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 슈도 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나는 상기 표면 활물질의 표면 위에서 가역성 페러데이 산화환원 반응에 의해서 에너지를 저장하는 것인, 슈퍼커패시터.
861. 구현예 848 내지 860 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연을 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 슈도 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
862. 구현예 848 내지 861 중의 어느 하나에 있어서, 상기 CNT를 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
863. 구현예 848 내지 861 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
864. 구현예 848 내지 863 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
865. 구현예 848 내지 864 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
866. 구현예 848 내지 865 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
867. 구현예 848 내지 866 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 그 안에 용해된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
868. 구현예 867에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 양이온과 상이한 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
869. 구현예 867 또는 868에 있어서, 상기 염은 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
870. 구현예 867 내지 869 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 적어도 상기 이온성 액체의 음이온과는 상이한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
871. 구현예 867 내지 870 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
872. 구현예 867 내지 871 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 유기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
873. 구현예 867 내지 872 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
874. 구현예 867 내지 871 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 무기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
875. 구현예 874에 있어서, 상기 무기 염은 LiCl; Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
876. 구현예 848 내지 874 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
877. 구현예 848 내지 874 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염기를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
878. 구현예 867 내지 869 및 870 내지 877 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 음이온과 동일한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
879. 구현예 878에 있어서, 상기 염은 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
880. 구현예 848 내지 879 중의 어느 하나에 있어서, 상기 쌍의 전극들 사이에 개재된 분리부를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
881. 구현예 880에 있어서, 상기 분리부는 복수의 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
882. 구현예 881에 있어서, 상기 분리부는 그래핀 산화물을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
883. 구현예 848 내지 882 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 화학적으로 개질되지 않은 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
884. 비-수성 전해질과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함하는 슈퍼커패시터로서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 복수의 피각들 및 산화망간을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
885. 구현예 884에 있어서, 각각의 상기 피각은 산화망간으로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
886. 구현예 884 또는 885에 있어서, 각각의 상기 피각은 상기 산화망간을 포함하는 나노구조체로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
887. 구현예 884 내지 886 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 산화아연을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
888. 구현예 884 내지 887 중의 어느 하나에 있어서, 각각의 상기 피각은 상기 산화아연으로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
889. 구현예 884 내지 888 중의 어느 하나에 있어서, 각각의 상기 피각은 상기 산화아연을 포함하는 나노구조체로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
890. 구현예 884 내지 889 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 하나 또는 둘 다는 탄소 나노튜브(CNT)를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
891. 구현예 884에 있어서, 상기 전극들 중의 하나는 상기 산화망간을 포함하고 상기 전극들 중의 다른 하나는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
892. 구현예 890 또는 891에 있어서, 각각의 상기 피각은 상기 CNT로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
893. 구현예 884 내지 892 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화망간은 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3) 중의 하나 이상을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
894. 구현예 884 내지 893 중의 어느 하나에 있어서, 충전 또는 방전동안 전기화학적 반응의 일부로서 하나의 전극에서 다른 전극으로 이온 수송이 일어나지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
895. 구현예 884 내지 894 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 및 슈도 커패시터 중의 하나 또는 둘 다로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
896. 구현예 884 내지 895 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 구성되지만 실질적으로 상기 전기 이중층 커패시터 또는 상기 슈도 커패시터 중의 다른 것으로 구성되지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
897. 구현예 884 내지 896 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 전기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질의 표면에서의 제 1 극성 형태들의 전하의 제 1 시트, 및 상기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나에 인접한 제 2 극성 형태들의 전하의 제 2 시트는 전해질의 층에 의해서 개재되는 것인, 슈퍼커패시터.
898. 구현예 884 내지 897 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 슈도 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나는 상기 표면 활물질의 표면 위에서 가역성 페러데이 산화환원 반응에 의해서 에너지를 저장하는 것인, 슈퍼커패시터.
899. 구현예 884 내지 898 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연을 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 슈도 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
900. 구현예 890 내지 892 중의 어느 하나에 있어서, 상기 CNT를 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
901. 구현예 884 내지 900 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
902. 구현예 884 내지 901 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
903. 구현예 884 내지 902 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
904. 구현예 884 내지 903 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
905. 구현예 884 내지 904 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 그 안에 용해된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
906. 구현예 905에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 양이온과 상이한 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
907. 구현예 905 또는 906에 있어서, 상기 염은 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
908. 구현예 905 내지 907 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 적어도 상기 이온성 액체의 음이온과는 상이한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
909. 구현예 905 내지 908 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
910. 구현예 905 내지 909 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 유기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
911. 구현예 905 내지 910 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
912. 구현예 905 내지 909 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 무기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
913. 구현예 912에 있어서, 상기 무기 염은 LiCl; Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
914. 구현예 884 내지 913 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
915. 구현예 884 내지 913 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염기를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
916. 구현예 905 내지 907 및 909 내지 915 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 음이온과 동일한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
917. 구현예 905에 있어서, 상기 염은 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
918. 구현예 905 내지 917 중의 어느 하나에 있어서, 상기 쌍의 전극들 사이에 개재된 분리부를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
919. 구현예 918에 있어서, 상기 분리부는 복수의 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
920. 구현예 919에 있어서, 상기 분리부는 그래핀 산화물을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
921. 구현예 905 내지 921 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 화학적으로 개질되지 않은 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
922. 전해질과 접촉하는 한 쌍의 전극들을 포함하는 슈퍼커패시터로서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 복수의 피각들 및 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
923. 구현예 922에 있어서, 상기 피각들 각각의 표면은 그 위에 형성된 하나 이상의 상기 CNT를 가지는 것인, 슈퍼커패시터.
924. 구현예 922 또는 923에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나 이상은 산화아연 및 산화망간 중의 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
925. 구현예 922 내지 924 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각들 각각의 상기 표면은 그 위에 형성된 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 적어도 하나의 하나 이상을 가지는 것인, 슈퍼커패시터.
926. 구현예 922 내지 925 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각들 각각의 상기 표면은 그 위에 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 적어도 하나를 포함하는 나노구조체가 형성되는 것인, 슈퍼커패시터.
927. 구현예 924 내지 926 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화망간은 이산화망간(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3) 중의 하나 이상을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
928. 구현예 922 내지 927 중의 어느 하나에 있어서, 충전 또는 방전동안 전기화학적 반응의 일부로서 하나의 전극에서 다른 전극으로 이온 수송이 일어나지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
929. 구현예 922 내지 928 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 및 슈도 커패시터 중의 하나 또는 둘 다로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
930. 구현예 922 내지 929 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 또는 슈도 커패시터 중의 하나로 구성되지만 실질적으로 상기 전기 이중층 커패시터 또는 상기 슈도 커패시터 중의 다른 것으로 구성되지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
931. 구현예 922 내지 930 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 전기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나의 상기 표면 활물질의 표면에서의 제 1 극성 형태들의 전하의 제 1 시트, 및 상기 이중층 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나에 인접한 제 2 극성 형태들의 전하의 제 2 시트는 전해질의 층에 의해서 개재되는 것인, 슈퍼커패시터.
932. 구현예 922 내지 931 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들에 대한 전압의 인가시, 슈도 커패시터로 구성된 상기 전극들 중의 적어도 하나는 상기 표면 활물질의 표면 위에서 가역성 페러데이 산화환원 반응에 의해서 에너지를 저장하는 것인, 슈퍼커패시터.
933. 구현예 922 내지 932 중의 어느 하나에 있어서, 상기 산화아연 및 상기 산화망간 중의 적어도 하나를 포함하는 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 슈도 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
934. 구현예 922 내지 932 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전극들 중의 적어도 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터로 구성되는 것인, 슈퍼커패시터.
935. 구현예 922 내지 934 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
936. 구현예 922 내지 935 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
937. 구현예 922 내지 936 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
938. 구현예 935에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
939. 구현예 922 내지 938 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 그 안에 용해된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
940. 구현예 939에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 양이온과 상이한 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
941. 구현예 939 또는 940에 있어서, 상기 염은 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
942. 구현예 939 내지 941 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 적어도 상기 이온성 액체의 음이온과는 상이한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
943. 구현예 939 내지 942 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
944. 구현예 939 내지 943 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 유기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
945. 구현예 939 내지 944 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
946. 구현예 939 내지 943 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 무기 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
947. 구현예 946에 있어서, 상기 무기 염은 LiCl; Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
948. 구현예 922 내지 947 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
949. 구현예 922 내지 947 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염기를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
950. 구현예 939 내지 941 및 943 내지 949 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 음이온과 동일한 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
951. 구현예 950에 있어서, 상기 염은 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
952. 구현예 922 내지 951 중의 어느 하나에 있어서, 상기 쌍의 전극들 사이에 개재된 분리부를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
953. 구현예 952에 있어서, 상기 분리부는 복수의 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
954. 구현예 953에 있어서, 상기 분리부는 그래핀 산화물을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
955. 구현예 922 내지 954 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 화학적으로 개질되지 않은 피각을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
956. 슈퍼커패시터의 제조방법으로서, 상기 방법은 한 쌍의 전극들 사이에 분리부를 형성하는 것을 포함하되, 상기 분리부는 피각, 전해질 및 열 전도성 첨가제를 포함하고, 상기 열 전도성 첨가제는 상기 분리부에 적용될 때 근적외선(NIR)을 실질적으로 흡수하도록 구성됨으로써 상기 분리부를 가열하여 건조를 촉진시키는 것인, 슈퍼커패시터의 제조방법.
957. 구현예 956에 있어서, 상기 열 전도성 첨가제는 실질적으로 열 전도성이고 실질적으로 전기 절연성인 것인, 방법.
958. 구현예 956 또는 957에 있어서, 상기 열 전도성 첨가제는 그래핀 산화물(GO)를 포함하는 것인, 방법.
959. 구현예 958에 있어서, 상기 GO는 서로 접촉하는 인접하는 시트들의 네트워크를 포함하는 것인, 방법.
960. 구현예 956 내지 959 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부를 형성하는 것은 상기 피각, 겔 및 상기 전해질을 포함하는 혼합물을 형성하는 것을 포함하는 것인, 방법.
961. 구현예 960에 있어서, 상기 전해질은 용매, 염 및 이온성 액체 중의 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
962. 구현예 960 또는 961에 있어서, 상기 겔은 겔화 중합체를 포함하는 것인, 방법.
963. 구현예 962에 있어서, 상기 겔화 중합체는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐 알콜 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
964. 구현예 962 또는 962에 있어서, 상기 겔은 겔화 중합체 및 전해질을 포함하는 것인, 방법.
965. 구현예 960 내지 964 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 포어의 네트워크를 형성하되, 상기 혼합물을 형성하는 것은 상기 겔로 포어의 상기 네트워크를 실질적으로 완전히 충전하는 것을 포함하는 것인, 방법.
966. 구현예 960 내지 964 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 포어의 네트워크를 형성하되, 상기 혼합물을 형성하는 것은 상기 겔로 포어의 상기 네트워크를 부분적으로 충전하는 것을 포함하는 것인, 방법.
967. 구현예 964에 있어서, 상기 혼합물을 형성하는 것은 상기 전해질을 갖는 상기 겔로 미충전된 상기 네트워크를 충전하는 것을 포함하는 것인, 방법.
968. 구현예 956 내지 967 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부를 형성하는 것은 상기 피각 및 상기 열 전도성 첨가제를 포함하는 잉크를 사용하여 인쇄하는 것을 포함하는 것인, 방법.
969. 구현예 956 내지 968 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부는 이온성 액체를 포함하는 전해질을 포함하는 것인, 방법.
970. 구현예 969에 있어서, 상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 방법.
971. 구현예 969 또는 970에 있어서, 상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것인, 방법.
972. 구현예 969 내지 972 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(C2mimBF4)를 포함하는 것인, 방법.
973. 구현예 969 내지 972 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 그 안에 용해된 염을 포함하는 것인, 방법.
974. 구현예 973에 있어서, 상기 염은 아연, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 리튬, 바륨 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 것인, 방법.
975. 구현예 973 또는 974에 있어서, 상기 염은 적어도 상기 이온성 액체와 상이한 음이온을 포함하는 것인, 방법.
976. 구현예 973 내지 975 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 클로라이드, 브로마이드, 플루오라이드, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 설페이트, 비설파이트, 니트레이트, 니트라이트, 카보네이트, 하이드록사이드, 퍼클로라이드, 비카보네이트, 테트라플루오로보레이트, 메탄설포네이트, 아세테이트, 포스페이트, 시트레이트, 헥사플루오로포스페이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 방법.
977. 구현예 973 내지 976 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 유기 염을 포함하는 것인, 방법.
978. 구현예 973 내지 977 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 디플루오로(옥살레이트)보레이트, 메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로보론산 디메틸디에틸암모늄, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필암모늄 테트라플루오로보레이트, 메틸트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라헥실암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라프로필포스포늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸포스포늄, 테트라플루오로보레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 것인, 방법.
979. 구현예 973 내지 978 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 무기 염을 포함하는 것인, 방법.
980. 구현예 979에 있어서, 상기 무기 염은 LiCl, Li2SO4, LiClO4, NaCl, Na2SO4, NaNO3, KCl, K2SO4, KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염을 포함하는 것인, 방법.
981. 구현예 969 내지 980 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 H2SO4, HCl, HNO3, HClO4 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 산을 포함하는 것인, 방법.
982. 구현예 969 내지 980 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전해질은 KOH, NaOH, LiOH, NH4OH 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 염기를 포함하는 것인, 방법.
983. 구현예 973 내지 980 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 상기 이온성 액체의 음이온과 동일한 음이온을 포함하는 것인, 방법.
984. 구현예 973 내지 980 중의 어느 하나에 있어서, 상기 염은 아연 테트라플루오로보레이트 Zn(BF4)2을 포함하는 것인, 방법.
985. 구현예 956 내지 984 중의 어느 하나에 있어서, 상기 분리부를 상기 NIR 조사에 적용시킴으로써 상기 분리부를 건조시키는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
986. 구현예 985에 있어서, 상기 분리부를 건조시키는 것은 1분을 초과하지 않는 기간동안 수행되는 것인, 방법.
987. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 구현예 803 내지 847 중의 어느 하나에 따르는 것인, 방법.
988. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 구현예 848 내지 883 중의 어느 하나에 따르는 것인, 방법.
989. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 구현예 884 내지 955 중의 어느 하나에 따르는 것인, 방법.
990. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 98 내지 115 중의 어느 하나에 따르는 상기 인쇄된 에너지 저장 장치의 제조방법에 따라 제조되는 것인, 방법.
991. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 116 내지 154 중의 어느 하나에 따르는 잉크를 사용하여 인쇄되는 것인, 방법.
992. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각은 구현예 160 내지 321 중의 어느 하나에 따라 추출되는 것인, 방법.
993. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 520 내지 524 중의 어느 하나에 따르는 잉크를 사용하여 인쇄되는 것인, 방법.
994. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각의 적어도 일부는 구현예 525 내지 546 중의 어느 하나에 따라 형성된 망간-함유 나노구조체를 포함하는 표면 활물질을 포함하는 것인, 방법.
995. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각의 적어도 일부는 구현예 620 내지 644 중의 어느 하나에 따라 형성된 아연-함유 나노구조체를 포함하는 표면 활물질을 포함하는 것인, 방법.
996. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 피각의 적어도 일부는 구현예 645 내지 655 중의 어느 하나에 따라 형성된 망간의 산화물을 포함하는 표면 활물질을 포함하는 것인, 방법.
997. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 656 내지 683 중의 어느 하나에 따르는 잉크를 사용하여 인쇄되는 것인, 방법.
998. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 684 내지 705 중의 어느 하나에 따라 제조된 잉크를 사용하여 인쇄되는 것인, 방법.
999. 구현예 956 내지 985 중의 어느 하나에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 하나 이상의 구성요소는 구현예 706 내지 739 중의 어느 하나에 따라 형성되는 것인, 방법.
본 명세서에서 기재된 방법 및 장치는 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능할 수 있지만, 그 특정 예가 도면에 도시되어 있으며 본 명세서에서 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법에 한정되지 않으며, 반대로, 본 발명은 기재된 다양한 형태의 사상 및 범위와 첨부된 청구범위 내에 있는 모든 변형, 등가물, 및 대안을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 구현예의 특별한 특징 및 측면의 다양한 조합 또는 서브-조합이 만들어질 수 있고, 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 수 있다는 것을 고려한다. 개시된 발명의 구현예의 다양한 형태를 형성하기 위하여, 개시된 구현예의 특징 및 측면은 서로 조합되거나 또는 대체될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 실행(implementation) 또는 구현예(embodiments)와 관련된 임의의 특정 특징(particular feature), 양상(aspect), 방법, 특성(property), 특질(characteristic), 품질, 속성(attribute), 요소(element) 등의 본 개시는 본 명세서에 설명 된 모든 다른 구현 예 또는 실시예에서 사용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 방법은 열거된 순으로 수행될 필요가 없다. 본 명세서에 개시된 방법은 종사자(practitioner)에 의해 선택된 특정 조치를 포함할 수 있다; 그러나, 상기 방법은 명백하게 또는 함축적으로 이러한 조치의 임의의 제 3자의 지시도 포함할 수 있다. 예를 들어 "산소화된 아세트산 망간 용액에 피각을 가하는 단계"와 같은 조치는 "산소화된 아세트산 망간 용액에 피각을 가하는 것을 지시하는 단계"를 포함한다.
또한, 본 명세서에 개시된 범위는 임의의 모든 중첩, 부분 범위, 및 이의 조합을 포함한다. "까지", "적어도", "이상", "미만", "사이" 등과 같은 언어는 열거된 수를 포함한다. "약" 또는 "대략"과 같은 용어에 의해 선행된 수는 열거된 수를 포함하고, 상황에 기초하여 해석되어야 할 것이다(예를 들어 상황에 따라 합리적으로 가능한 만큼 정확하게, 예컨데 ±5%, ±10%, ±15% 등). 예를 들어 "약 3.5mm"는 "3.5 mm"를 포함한다. "실질적으로"와 같은 용어 앞에 있는 문구는 인용된 문구를 포함하고, 상황에 기초하여 해석될 것이다(예를 들어 상황 하에서 가능한 만큼 정확하게). 예를 들어 "실질적으로 일정한(substantially constant)"은 "일정한(constant)"을 포함한다.
본 명세서에 제공된 명칭은, 만약에 있다면, 단지 편의를 위해서이고, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법의 범위 또는 의미에 반드시 영향을 미치는 것은 아니다.

Claims (28)

  1. 전해질과 접촉하는 한 쌍의 비대칭적 전극들을 포함하는 슈퍼커패시터(supercapacitor)로서,
    상기 전극들 각각은 복수의 피각들을 포함하고,
    상기 전극들 중의 하나는 산화아연을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나의 상기 피각들 각각은 상기 산화아연으로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나의 상기 피각들 각각은 상기 산화아연을 포함하는 나노구조체(nanostructure)로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 다른 하나는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 다른 하나의 상기 피각들 각각은 상기 CNT로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나는 실질적으로 슈도 커패시터(pseudo capacitor)로 구성되는 반면 실질적으로 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor)로 구성되지는 않는 것인, 슈퍼커패시터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 다른 하나는 실질적으로 전기 이중층 커패시터 중의 하나로 구성되는 반면 실질적으로 슈도 커패시터로 구성되지는 않는 것인, 슈퍼커패시터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 비-수성 전해질(non-aqueous electrolyte)을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    충전 또는 방전동안 전기화학적 반응의 일부로서 상기 전극들 중의 하나와 상기 전극들 중의 다른 하나 사이에서 이온 수송이 일어나지 않는 것인, 슈퍼커패시터.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 이온성 액체(ionic liquid)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  13. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함하는 분리부(separator)를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나는 산화망간을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  15. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 수성 전해질을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  16. 전해질과 접촉하는 한 쌍의 비대칭적 전극들을 포함하는 슈퍼커패시터로서,
    상기 전극들 각각은 복수의 피각들을 포함하고,
    상기 전극들 중의 하나는 산화망간을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나의 상기 피각들 각각은 상기 산화망간으로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나의 상기 피각들 각각은 상기 산화망간을 포함하는 나노구조체로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 산화망간은 망간 디옥사이드(MnO2), 망간(II, III) 산화물(Mn3O4), 망간(II) 산화물(MnO), 망간(III) 산화물(Mn2O3) 중의 하나 이상을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 다른 하나는 탄소 나노튜브(CNT)를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 다른 하나의 상기 피각들 각각은 상기 CNT로 코팅되는 것인, 슈퍼커패시터.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 비-수성 전해질을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  23. 제 16 항 내지 제 21 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 이온성 액체를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 부틸트리메틸암모늄, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움, 콜린, 에틸암모늄, 트리부틸메틸포스포늄, 트리부틸(테트라데실)포스포늄, 트리헥실(테트라데실)포스포늄, 1-에틸-2,3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-1-메틸피페리디늄, 디에틸메틸설포늄, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움, 1-메틸-1-프로필피페리디늄, 1-부틸-2-메틸피리디늄, 1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 디에틸메틸설포늄 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 양이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트, 트리플루오로메탄설포네이트, 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 에틸 설페이트, 디메틸 포스페이트, 메탄설포네이트, 트리플레이트, 트리시아노메타나이드, 디부틸포스페이트, 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 비스-2,4,4-(트리메틸펜틸) 포스피네이트, 요오다이드, 클로라이드, 브로마이드, 니트레이트 및 그들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 전해질은 그 안에 용해된 염을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  27. 제 16 항 내지 제 21 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    그래핀 산화물을 포함하는 분리부를 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
  28. 제 16 항 내지 제 21 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극들 중의 하나는 산화아연을 더 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
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