[논문]수퍼커패시터 응용을 위한 EGaIn 액체 금속 전극의 전기화학 특성 연구

소주희; 구형준

doi:10.7316/khnes.2016.27.2.176

수퍼커패시터 응용을 위한 EGaIn 액체 금속 전극의 전기화학 특성 연구
Study on the Electrochemical Characteristics of a EGaIn Liquid Metal Electrode for Supercapacitor Applications 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.2, 2016년, pp.176 - 181

소주희 (한국생산기술연구원 융합생산기술연구소) , 구형준 (서울과학기술대학교 화공생명공학과대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent years, supercapacitors have been attracting a growing attention as an efficient energy storage, due to their long-lifetime, device reliability, simple device structure and operation mechanism and, most importantly, high power density. Along with the increasing interest in flexible/stretchable electronics, the supercapacitors with compatible mechanical properties have been also required. A eutectic gallium-indium (EGaIn) liquid metal could be a strong candidate as a soft electrode material of the supercapacitors because of its insulating surface oxide layer for electric double layer formation. Here, we report the electrochemical study on the charging/reaction process at the interface of EGaIn liquid metal and electrolyte. Numerical fitting of the charging current curves provides the capacitance of EGaIn/insulating layer/electrolyte (${\sim}38F/m^2$). This value is two orders of magnitude higher than a capacitance of a general metal electrode/electrolyte interface.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

산화막을 환원시키는 전압을 EGaIn에 가할 경우, 충전 전류와 패러데이 전류가 나타나는데, 충전에 의한 전류 곡선을 수식을 이용해 fitting하여 EGaIn/산화막 전극의 커패시턴스와 전해질의 저항을 구할수 있다. 또한 산화막이 없는 백금 전극의 커패시턴스와 EGaIn 전극의 커패시턴스를 비교하여, EGaIn 표면에 형성되는 산화막이 커패시턴스에 미치는 영향에 대해서 알아본다.
이러한 EGaIn 표면에서의 충,방전 현상을 이용하면 액체 금속 전극과 전해질로 이루어진 초유연성/신축성 수퍼커패시터 개발도 가능할 것이다. 본 논문에서는 EGaIn의 수퍼커패시터 응용 가능성을 살펴보기 위해, EGaIn 전극과 전해질로 이루어진 계면에서의 전압-전류 곡선을 전기화학적으로 분석하여, 이를 통해 EGaIn/산화막 계면의 커패시턴스를 계산해 본다. 산화막을 환원시키는 전압을 EGaIn에 가할 경우, 충전 전류와 패러데이 전류가 나타나는데, 충전에 의한 전류 곡선을 수식을 이용해 fitting하여 EGaIn/산화막 전극의 커패시턴스와 전해질의 저항을 구할수 있다.
2). 이 때, 음 전압은 EGaIn 표면에 형성된 절연 갈륨 산화막을 환원시킬 수 있는 전압 방향이나, 본 연구에서는 산화막이 환원, 제거되기 전 커패시턴스를 분석할 수 있는 전압 영역을 찾고자 한다. 또한 전압의 sweep rate 에 따라서 다르게 나타나는 커패시턴스의 특성을 분석하기 위해 10, 100, 650 mV/s의 세가지 다른 sweet rate를 사용하였다.

가설 설정

1 (a) Cross-section image of the experimental set-up for electrochemical study of EGaIn liquid metal electrodes. (b) Current measured while no electric bias is applied. The oxidation current is continuously observed, which presumably results from the spontaneous formation of oxide layer on the surface of the liquid metal electrode.

제안 방법

이론적으로 C_d와 R_s는 sweep rate와 무관한 값이므로, 다른 sweep rate 에서도 이 값은 적용 가능해야 한다.¹⁷ C_d와 R_s값의 타당성을 증명하기 위해, 100 mV/s 과 650 mV/s의 sweep rate에 대해서도 동일한 C_d와 R_s값을 적용하여 fitting 하였다. Fig.
EGaIn 전극/전해질 계면에서의 커패시턴스 값을 절연막이 없는 일반적인 금속성 전극/전해질 계면에서의 커패시턴스 값과 비교하였다. 본 실험을 위하여 절연막이 없는 금속성 FTO 전극을 이용하였다.
이 때, 음 전압은 EGaIn 표면에 형성된 절연 갈륨 산화막을 환원시킬 수 있는 전압 방향이나, 본 연구에서는 산화막이 환원, 제거되기 전 커패시턴스를 분석할 수 있는 전압 영역을 찾고자 한다. 또한 전압의 sweep rate 에 따라서 다르게 나타나는 커패시턴스의 특성을 분석하기 위해 10, 100, 650 mV/s의 세가지 다른 sweet rate를 사용하였다. Fig.
본 논문에서 EGaIn 액체 금속/전해질 계면에서 얻어진 전압-전류 곡선을 전기화학적 해석을 통해 표면 절연막 형성/제거 현상을 간접적으로 확인하고, 커패시턴스 값을 도출해보았다. EGaIn 표면에 형성된 절연 갈륨 산화막은 V_th = ~2.
산화전류 측정에 이어서, EGaIn 액체 금속 전극에 음 (-) 전압을 sweep 하고 전류를 측정하였다(Fig. 2). 이 때, 음 전압은 EGaIn 표면에 형성된 절연 갈륨 산화막을 환원시킬 수 있는 전압 방향이나, 본 연구에서는 산화막이 환원, 제거되기 전 커패시턴스를 분석할 수 있는 전압 영역을 찾고자 한다.
그 결과, 전압-전류 곡선에서 V_th를 기준으로 “충전 전류”와 “패러데이 전류”가 각각 우세한 두 영역을 관찰할 수 있었다. 전압 sweep 시, 시간에 따른 충전 전류 값은 sweep rate 뿐만 아니라, 전극/전해질 계면의 커패시턴스와 전해질의 저항에 따라 달라지기 때문에 실험 데이터를 fitting함으로써 전극/전해질 계면의 커패시턴스 값을 얻었다. 일반적인 금속/전해질 계면과 비교해본 결과, EGaIn 액체 금속 전극은 전해질과의 계면에서 약 100배 정도 높은 커패시턴스를 가진다.

대상 데이터

결과적으로 본 전기화학시스템은 EGaIn/전해질(agarose 수화젤)/Pt의 계면으로 구성된다. EGaIn과 agarose는 Sigma-aldrich와 Acros organics에서 각각 구매하였으며, 추가적인 처리없이 사용하였다.
%로 이루어져 있으며, 가열되어 액화된 상태로 액체 금속 위에 주입하여 상온 자연 냉각시켜 젤 형태를 가지게 된다^9,15). 반대 전극(counter electrode)으로는 백금 전극(면적: ~20 mm²)을 사용하였으며, Fig. 1(a)와 같이 agarose 수화젤에 꽂아 넣어 접촉시켰다. 결과적으로 본 전기화학시스템은 EGaIn/전해질(agarose 수화젤)/Pt의 계면으로 구성된다.
EGaIn 전극/전해질 계면에서의 커패시턴스 값을 절연막이 없는 일반적인 금속성 전극/전해질 계면에서의 커패시턴스 값과 비교하였다. 본 실험을 위하여 절연막이 없는 금속성 FTO 전극을 이용하였다. Fig.

성능/효과

2 V (시간 = ~12초 지점)에서 패러데이 전류에 의해 급격하게 전류 값이 증가한다. 가장 일치하는 fitting 결과로부터 FTO/수화젤 계면의 커패시턴스가 C_d =0.38 F/m²임을 알 수 있었다. 이는 문헌에서 알려진 일반적인 전극/용액 계면의 커패시턴스 값 영역인 0.
결과에서 보듯이, 약 1시간동안 “+” 값의 산화전류가 지속적으로 흐름을 알 수 있는데, 이는 EGaIn 표면에 산화막이 자발적으로 형성됨을 뜻한다.
그 결과, 전압-전류 곡선에서 Vth를 기준으로 “충전 전류”와 “패러데이 전류”가 각각 우세한 두 영역을 관찰할 수 있었다.
4 (b)와 (c)에서 보듯이 실험 결과와 계산으로부터 얻어진 곡선이 거의 완벽하게 일치함을 알수 있다. 본 결과로부터, EGaIn 전극의 커패시턴스는 약 38 F/m²이며 이 값은 sweep rate와 무관하게 타당한 값임을 확인하였다.
본 실험에서는 먼저 EGaIn 액체 금속 전극에 양 (+) 전압이 가해졌을 때뿐만 아니라 외부전압이 가해지지 않은 단락 전류(short-circuit current) 상태에서도 금속의 산화에 의한 전류가 발생하는 것을 확인하였다. Fig.
2 ohm)에서 ② (C_d = 19 F/m²)과③ (C_d= 38 F/m²)을 비교하면, C_d값이 증가할수록 정상상태 충전 전류 값이 비례해서 증가한다. 이러한 경향을 바탕으로 실험결과와 가장 일치하는 곡선을 fitting 했을 때 C_d = 38 F/m² , R_s = 1.2ohm임을 알 수있었다 (③번 곡선). 이론적으로 C_d와 R_s는 sweep rate와 무관한 값이므로, 다른 sweep rate 에서도 이 값은 적용 가능해야 한다.
전압 sweep 시, 시간에 따른 충전 전류 값은 sweep rate 뿐만 아니라, 전극/전해질 계면의 커패시턴스와 전해질의 저항에 따라 달라지기 때문에 실험 데이터를 fitting함으로써 전극/전해질 계면의 커패시턴스 값을 얻었다. 일반적인 금속/전해질 계면과 비교해본 결과, EGaIn 액체 금속 전극은 전해질과의 계면에서 약 100배 정도 높은 커패시턴스를 가진다. EGaIn 전극이 상대적으로 높은 커패시턴스를 가지는 이유는 표면에 형성된 절연 산화막 덕분에 전기 이중층이 효과적으로 형성되기 때문이다.

후속연구

EGaIn 표면에 자연적으로 형성되는 산화막은 전기적 절연 물질이기 때문에, EGaIn 금속 전극을 전해질에 담근 후 전압을 가하면 전기 이중층을 형성한다. 이러한 EGaIn 표면에서의 충,방전 현상을 이용하면 액체 금속 전극과 전해질로 이루어진 초유연성/신축성 수퍼커패시터 개발도 가능할 것이다. 본 논문에서는 EGaIn의 수퍼커패시터 응용 가능성을 살펴보기 위해, EGaIn 전극과 전해질로 이루어진 계면에서의 전압-전류 곡선을 전기화학적으로 분석하여, 이를 통해 EGaIn/산화막 계면의 커패시턴스를 계산해 본다.
EGaIn 전극이 상대적으로 높은 커패시턴스를 가지는 이유는 표면에 형성된 절연 산화막 덕분에 전기 이중층이 효과적으로 형성되기 때문이다. 추가적인 연구를 통해, 적합한 전해질 선정 및 EGaIn표면의 산화막 형성 최적화 등을 확립한다면, EGaIn 액체 금속을 이용한 초유연성/신축성을 가지는 수퍼커패시터 개발도 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수퍼커패시터 형태의 예는 무엇이 있는가?	특히, 급속 충전이 가능하며, 수 초에서 수 분의 짧은 시간에 높은 에너지를 발산하는 고출력 동력원으로써, 소형 전자기기부터 군사용 장비, 운송 수단의 시동 시스템 및 보조 전원 등다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 지금까지 물리적 전하 흡착을 이용한 전기 이중층 커패시터(Electric double-layer capacitors), 전기화학적 반응을 이용한 의사커패시터(pseudocapacitors), 그리고 두 가지 메커니즘을 모두 활용하는 하이브리드 커패시터 등 다양한 형태의 수퍼커패시터가 연구 보고 되었다1) . 특히 최근에는 휘고 늘어날 수 있는 형태의 전자 소자들이 개발되면서, 이러한 소자들과 동일하게 유연한 기계적 물성을 가지면서 안정적으로 에너지를 공급할 수 있는 수퍼커패시터 개발이 요구되고 있으며, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등을 이용한 초유연성 커패시터가 지속적으로 발표되고 있다2-6).
	갈륨-인듐 공융합금의 특징은 무엇인가?	5℃로 상온에서 액체의 물성을 가지는 금속이다7). 이 액체 금속은 구리 등의 고체 금속과는 달리 외부의 물리적 힘에 의해서 쉽게 모양이 변형되고 회복될 수 있기 때문에 연성 전자 소자 등에서 고체 금속을 대체할 수 있는 물질로 연구 되고 있다. 이 금속은 진공 상에서 수은과 유사한 높은 표면 에너지를 가지기 때문에 구형을 이루지만, 대기 중에서는 산소와 반응하여, 표면에 얇은 갈륨 산화막을 형성하고, 이 산화막이 표면 에너지를 낮추어 구형(spherical shape) 이외의 다른 형태로 조형될 수 있다8) . 이러한 특성 때문에 종횡비가 큰 선(1차원)이나 면(2차원) 모양을 이루어 크게 휘고 늘어날 수 있는 안테나, 랩온어칩(Lab on a chip), 금속 도선, 메모리 소자 등을 개발하는데 이용되었다9-14).
	수퍼 커패시터의 장점은 무엇인가?	다양한 에너지 저장소자 중, 최근 수퍼커패시터(supercapacitor)에 대한 관심이 증가하고 있다. 수퍼 커패시터는 작동 온도 범위가 넓고, 수명이 길며, 비교적 간단한 구성을 가지기 때문에 대형/소형화가 용이하다는 장점을 가진다. 특히, 급속 충전이 가능하며, 수 초에서 수 분의 짧은 시간에 높은 에너지를 발산하는 고출력 동력원으로써, 소형 전자기기부터 군사용 장비, 운송 수단의 시동 시스템 및 보조 전원 등다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.

참고문헌 (17)

G. Wang, L. Zhang and J. Zhang. "A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors", Chem. Soc. Rev., Vol. 41, No. 2, 2012, p. 797-828.

상세보기
Z. Weng, Y. Su, D.-W. Wang, F. Li, J. Du and H.-M. Cheng. "Graphene-Cellulose Paper Flexible Supercapacitors", Adv. Energy Mater., Vol. 1, No. 5, 2011, p. 917-922.

상세보기
T. Chen and L. Dai. "Flexible supercapacitors based on carbon nanomaterials", J. Mater. Chem. A, Vol. 2, No. 28, 2014, p. 10756-10775.

상세보기
M. F. El-Kady, V. Strong, S. Dubin and R. B. Kaner. "Laser Scribing of High-Performance and Flexible Graphene-Based Electrochemical Capacitors", Science, Vol. 335, No. 6074, 2012, p. 1326-1330.

상세보기
V. L. Pushparaj, M. M. Shaijumon, A. Kumar, S. Murugesan, L. Ci, R. Vajtai, R. J. Linhardt, O. Nalamasu and P. M. Ajayan. "Flexible energy storage devices based on nanocomposite paper", PNAS, Vol. 104, No. 34, 2007, p. 13574-13577.

상세보기
I. Shown, A. Ganguly, L.-C. Chen and K.-H. Chen. "Conducting polymer-based flexible supercapacitor", Energy Sci. Eng., Vol. 3, No. 1, 2015, p. 2-26.

상세보기
M. D. Dickey, R. C. Chiechi, R. J. Larsen, E. A. Weiss, D. A. Weitz and G. M. Whitesides. "Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A Liquid Metal Alloy for the Formation of Stable Structures in Microchannels at Room Temperature", Adv. Funct. Mater., Vol. 18, No. 7, 2008, p. 1097-1104.

상세보기
R. C. Chiechi, E. A. Weiss, M. D. Dickey and G. M. Whitesides. "Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A Moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers", Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 47, No. 1, 2008, p. 142-144.

상세보기
H.-J. Koo, J.-H. So, M. D. Dickey and O. D. Velev. "Towards All-Soft Matter Circuits: Prototypes of Quasi-Liquid Devices with Memristor Characteristics", Adv. Mater., Vol. 23, No. 31, 2011, p. 3559-3564.

상세보기
J.-H. So, H.-J. Koo, M. D. Dickey and O. D. Velev. "Ionic Current Rectification in Soft-Matter Diodes with Liquid-Metal Electrodes", Adv. Funct. Mater., Vol. 22, No. 3, 2012, p. 625-631.

상세보기
J.-H. So, J. Thelen, A. Qusba, G. J. Hayes, G. Lazzi and M. D. Dickey. "Reversibly Deformable and Mechanically Tunable Fluidic Antennas", Adv. Funct. Mater., Vol. 19, No. 22, 2009, p. 3632-3637.

상세보기
J.-H. So and M. D. Dickey. "Inherently aligned microfluidic electrodes composed of liquid metal", Lab Chip, Vol. 11, No. 5, 2011, p. 905-911.

상세보기
S. Zhu, J.-H. So, R. Mays, S. Desai, W. R. Barnes, B. Pourdeyhimi and M. D. Dickey. "Ultrastretchable Fibers with Metallic Conductivity Using a Liquid Metal Alloy Core", Adv. Funct. Mater., Vol. 23, No. 18, 2013, p. 2308-2314.

상세보기
E. Palleau, S. Reece, S. C. Desai, M. E. Smith and M. D. Dickey. "Self-Healing Stretchable Wires for Reconfigurable Circuit Wiring and 3D Microfluidics", Adv. Mater., Vol. 25, No. 11, 2013, p. 1589-1592.

상세보기
H.-J. Koo, S. T. Chang and O. D. Velev. "Ion-Current Diode with Aqueous $Gel/SiO_2$ Nanofilm Interfaces", Small, Vol. 6, No. 13, 2010, p. 1393-1397.

상세보기
Y. Lin, C. Cooper, M. Wang, J. J. Adams, J. Genzer and M. D. Dickey. "Handwritten, Soft Circuit Boards and Antennas Using Liquid Metal Nanoparticles", Small, Vol. 11, No. 48, 2015, p. 6397-6403.

상세보기
A. J. Bard and L. R. Faulkner. "Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications". (Wiley, 2000).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증