전자기기는 오랫동안 단단한 형태에서 구부릴 수 있는 형태를 거쳐 최근에는 늘어 날수 있는 전자기기가 연구되고 주목받고 있다. 이를 위해 웨어러블 장치도 시계와 같은 착용형에서 피부 부착형이나 신체 삽입형 형태로 혈당측정기, 전자 피부와 같이 더 신체에 가까워 지며 발전하고 있다. 특히, 사용시 편의성 확보를 위해 신체와 비슷한 물성을 가져야 하며 외부 힘에 의해 변형이 되면 안된다는 것이다. 이를 위한 해결 방안은 피부나 장기의 특성에 비슷하도록 신축 가능한 소자를 제작하는 것이다. 그 중 전자기기의 가장 큰 부피를 차지하는 ...
전자기기는 오랫동안 단단한 형태에서 구부릴 수 있는 형태를 거쳐 최근에는 늘어 날수 있는 전자기기가 연구되고 주목받고 있다. 이를 위해 웨어러블 장치도 시계와 같은 착용형에서 피부 부착형이나 신체 삽입형 형태로 혈당측정기, 전자 피부와 같이 더 신체에 가까워 지며 발전하고 있다. 특히, 사용시 편의성 확보를 위해 신체와 비슷한 물성을 가져야 하며 외부 힘에 의해 변형이 되면 안된다는 것이다. 이를 위한 해결 방안은 피부나 장기의 특성에 비슷하도록 신축 가능한 소자를 제작하는 것이다. 그 중 전자기기의 가장 큰 부피를 차지하는 에너지 저장 장치의 신축성을 확보한다면 웨어러블 장치의 혁신을 일으킬 수 있을 것이다. 에너지 저장 장치의 신축성 부여 연구는 최근에 시작되었다. 에너지 저장 장치 외 다른 신축성 소자는 소형화나 박막화를 통해 신축성을 부여하지만 활성 소재의 양이 에너지 저장 능력과 비례하는 에너지 저장 장치는 그 자체의 연신이 가능해야 한다. 하지만 배터리의 활물질은 대부분 무기물로 이루어져 있어 신축성이 없고 다른 구성요소들 또한, 기계적 변형에 안정적으로 대응하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 배터리의 구성요소 각각의 신축 능력을 구현하고 순차적으로 구성요소들을 쌓아 프린트 가능한 전고체 리튬이온 배터리를 연구하였다. 이런 형태의 경우, 다양한 곳에 적용할 수 있고 쉽게 제작할 수 있는 장점을 가진다. 신축성을 부여하는 것도 중요하지만 서로의 층에 영향을 주지 않으면서도 순차적으로 층을 쌓아야 한다는 점에 집중하였다. 적절한 용매와 재료를 선정하고 층을 형성하여 배터리 성능 구현을 하였다. 신축성을 가지고 소수성인 고분자인 SIBS, 금속 필러, MWCNT를 도입하여 신축성 집전체를 만들었고 전도성과 80% 이상 늘어 날수 있음을 확인하였다. 또한, 소수성인 용매를 사용하여 전극과의 영향을 최소화 하였다. 전극의 경우, 양극활물질은 LFP, 음극 활물질은 흑연을 사용하고 전도성 물질은 신축 시, 기계적 안정성을 가지는 CNT를 사용하였다. 바인더로는 배터리 연구에 자주 사용되는 이온 전달 능력이 뛰어난 바인더인 PVDF에 기능기를 도입하고 물리적으로 가교하는 방법으로 신축특성을 부여하였다. 그 결과, 양극과 음극 모두 40% 이상의 신축 능력을 보였다. 고체 전해질의 경우, 매트릭스로 PVDF를 사용하였다. 그리고 고체 전해질의 문제점인 높은 계면 저항과 낮은 이온 전도도는 UV공정과 이온성 액체를 통하여 성능을 개선하였다. 그 결과, 10-3 S/cm 에 가까운 이온 전도도를 구현하였고 500% 이상의 신축성을 가졌다. 또한 리튬 시메트릭 셀 테스트를 1 mA의 전류밀도로 진행하였을 때, 350시간 이상의 셀 구동을 보였다. 위와 같은 전략을 바탕으로 만든 늘어 날수 있는 적층형 배터리는 다양한 형태의 어플리케이션에 적용될 수 있을 것이다.
전자기기는 오랫동안 단단한 형태에서 구부릴 수 있는 형태를 거쳐 최근에는 늘어 날수 있는 전자기기가 연구되고 주목받고 있다. 이를 위해 웨어러블 장치도 시계와 같은 착용형에서 피부 부착형이나 신체 삽입형 형태로 혈당측정기, 전자 피부와 같이 더 신체에 가까워 지며 발전하고 있다. 특히, 사용시 편의성 확보를 위해 신체와 비슷한 물성을 가져야 하며 외부 힘에 의해 변형이 되면 안된다는 것이다. 이를 위한 해결 방안은 피부나 장기의 특성에 비슷하도록 신축 가능한 소자를 제작하는 것이다. 그 중 전자기기의 가장 큰 부피를 차지하는 에너지 저장 장치의 신축성을 확보한다면 웨어러블 장치의 혁신을 일으킬 수 있을 것이다. 에너지 저장 장치의 신축성 부여 연구는 최근에 시작되었다. 에너지 저장 장치 외 다른 신축성 소자는 소형화나 박막화를 통해 신축성을 부여하지만 활성 소재의 양이 에너지 저장 능력과 비례하는 에너지 저장 장치는 그 자체의 연신이 가능해야 한다. 하지만 배터리의 활물질은 대부분 무기물로 이루어져 있어 신축성이 없고 다른 구성요소들 또한, 기계적 변형에 안정적으로 대응하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 배터리의 구성요소 각각의 신축 능력을 구현하고 순차적으로 구성요소들을 쌓아 프린트 가능한 전고체 리튬이온 배터리를 연구하였다. 이런 형태의 경우, 다양한 곳에 적용할 수 있고 쉽게 제작할 수 있는 장점을 가진다. 신축성을 부여하는 것도 중요하지만 서로의 층에 영향을 주지 않으면서도 순차적으로 층을 쌓아야 한다는 점에 집중하였다. 적절한 용매와 재료를 선정하고 층을 형성하여 배터리 성능 구현을 하였다. 신축성을 가지고 소수성인 고분자인 SIBS, 금속 필러, MWCNT를 도입하여 신축성 집전체를 만들었고 전도성과 80% 이상 늘어 날수 있음을 확인하였다. 또한, 소수성인 용매를 사용하여 전극과의 영향을 최소화 하였다. 전극의 경우, 양극활물질은 LFP, 음극 활물질은 흑연을 사용하고 전도성 물질은 신축 시, 기계적 안정성을 가지는 CNT를 사용하였다. 바인더로는 배터리 연구에 자주 사용되는 이온 전달 능력이 뛰어난 바인더인 PVDF에 기능기를 도입하고 물리적으로 가교하는 방법으로 신축특성을 부여하였다. 그 결과, 양극과 음극 모두 40% 이상의 신축 능력을 보였다. 고체 전해질의 경우, 매트릭스로 PVDF를 사용하였다. 그리고 고체 전해질의 문제점인 높은 계면 저항과 낮은 이온 전도도는 UV공정과 이온성 액체를 통하여 성능을 개선하였다. 그 결과, 10-3 S/cm 에 가까운 이온 전도도를 구현하였고 500% 이상의 신축성을 가졌다. 또한 리튬 시메트릭 셀 테스트를 1 mA의 전류밀도로 진행하였을 때, 350시간 이상의 셀 구동을 보였다. 위와 같은 전략을 바탕으로 만든 늘어 날수 있는 적층형 배터리는 다양한 형태의 어플리케이션에 적용될 수 있을 것이다.
Recently, devices have been researched and attracted attention as electronic devices that can be stretchable from a rigid shape. Wearable devices are also developing closer to the body, such as blood glucose meters and electronic skin, from wearable devices such as watches to skin attachment or body...
Recently, devices have been researched and attracted attention as electronic devices that can be stretchable from a rigid shape. Wearable devices are also developing closer to the body, such as blood glucose meters and electronic skin, from wearable devices such as watches to skin attachment or body insertion types. In particular, the characteristic of such a device is that it should have similar physical properties to the body to ensure convenience when used and should not be deformed by external forces. The solution for this is to manufacture a stretchable device that is similar to the characteristics of the skin or organs. Among them, if the flexibility of the energy storage device, which occupies the largest volume of electronic devices, is secured, it will be possible to innovate wearable devices. Research on the flexibility of energy storage devices has recently begun. Other stretchable devices provide flexibility through miniaturization or thinning, but energy storage devices in which the amount of active material is proportional to the energy storage capacity should be able to stretch themselves. However, since most of the active material is formed of inorganic material, it is not elastic, and it is difficult to stably respond to the mechanical deformation of other components. Thus, this research studied all-solid-state lithium-ion batteries that could be printed by implementing the expansion capability of each battery component and stacking the components sequentially. In this type of case, it has the advantage of being applicable to various places and being easily produced. Flexibility is important, but it focused on the fact that layers must be stacked sequentially without affecting each other's layers. An appropriate solvent and material were selected and a layer was formed to realize battery performance. By introducing SIBS which are stretchable and hydrophobic polymers with elasticity, metal filler, and MWCNT, a stretchable current collector was formed, and it was confirmed that it can be increased by more than 80% without a significant change in resistance. Also, damage to the electrode was minimized by using a hydrophobic solvent. In the case of an electrode, LFP was used as the cathode active material, graphite was used as the anode active material, and CNT having mechanical stability was used as the conductive material when stretching. The binder of the electrode introduced a functional group into PVDF, a binder with excellent ion transfer capability, which is often used in battery research, and gave stretchable properties by physically crosslinking. As a result, both the anode and the cathode showed an elasticity of more than 40%. For a solid electrolyte, PVDF was used as a matrix. And high interfacial resistance and low ion conductivity, which are problems of solid electrolytes, improved performance through UV process and ionic liquid. As a result, ion conductivity close to 10-3 S/cm was realized and had an elasticity of 500% or more. Furthermore, when the lithium symmetric cell test was conducted at a current density of 1 mA, a cell was performed for more than 350 hours. The stretchable stacked batteries made based on the above strategy may be applied to various types of applications.
Recently, devices have been researched and attracted attention as electronic devices that can be stretchable from a rigid shape. Wearable devices are also developing closer to the body, such as blood glucose meters and electronic skin, from wearable devices such as watches to skin attachment or body insertion types. In particular, the characteristic of such a device is that it should have similar physical properties to the body to ensure convenience when used and should not be deformed by external forces. The solution for this is to manufacture a stretchable device that is similar to the characteristics of the skin or organs. Among them, if the flexibility of the energy storage device, which occupies the largest volume of electronic devices, is secured, it will be possible to innovate wearable devices. Research on the flexibility of energy storage devices has recently begun. Other stretchable devices provide flexibility through miniaturization or thinning, but energy storage devices in which the amount of active material is proportional to the energy storage capacity should be able to stretch themselves. However, since most of the active material is formed of inorganic material, it is not elastic, and it is difficult to stably respond to the mechanical deformation of other components. Thus, this research studied all-solid-state lithium-ion batteries that could be printed by implementing the expansion capability of each battery component and stacking the components sequentially. In this type of case, it has the advantage of being applicable to various places and being easily produced. Flexibility is important, but it focused on the fact that layers must be stacked sequentially without affecting each other's layers. An appropriate solvent and material were selected and a layer was formed to realize battery performance. By introducing SIBS which are stretchable and hydrophobic polymers with elasticity, metal filler, and MWCNT, a stretchable current collector was formed, and it was confirmed that it can be increased by more than 80% without a significant change in resistance. Also, damage to the electrode was minimized by using a hydrophobic solvent. In the case of an electrode, LFP was used as the cathode active material, graphite was used as the anode active material, and CNT having mechanical stability was used as the conductive material when stretching. The binder of the electrode introduced a functional group into PVDF, a binder with excellent ion transfer capability, which is often used in battery research, and gave stretchable properties by physically crosslinking. As a result, both the anode and the cathode showed an elasticity of more than 40%. For a solid electrolyte, PVDF was used as a matrix. And high interfacial resistance and low ion conductivity, which are problems of solid electrolytes, improved performance through UV process and ionic liquid. As a result, ion conductivity close to 10-3 S/cm was realized and had an elasticity of 500% or more. Furthermore, when the lithium symmetric cell test was conducted at a current density of 1 mA, a cell was performed for more than 350 hours. The stretchable stacked batteries made based on the above strategy may be applied to various types of applications.
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