단일벽 탄소나노튜브를 이용한 플렉시블 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 전극의 제조와 특성 Fabrication and characterization of a Flexible Polyethylene terephthalate (PET) Electrode based on Single-walled carbon nanotubes (SWNTs)원문보기
본 연구에서는 유연성을 갖는 전극 제조를 위해 산 처리된 단일벽 탄소나노튜브 (Acid treated-SWCNTs)를 금이 코팅된 PET 기판 위에 스프레이 코팅하였다. 단일벽 탄소나노튜브가 가지는 단점을 보완하기 위하여 산 처리 공정을 이용하여 나노튜브에 작용기를 도입하여 분산성을 극대화 시켰으며 전기화학적 특성을 향상 시켰다. 스프레이 기술을 이용하여 제조된 유연성을 갖는 단일벽 탄소나노튜브 기반의 전극을 1 M의 황산 전해질에서 순환 전압 전류법, 임피던스 분광법 그리고 충 방전 시험을 통하여 전기화학적 특성을 분석 하였다. 그 결과, 응력을 가하지 않은 전극의 전기 용량값은 $67F{\cdot}g^{-1}$로 측정 되었으며, 1000번의 충 방전 시험 후에는 전기 용량값이 $63F{\cdot}g^{-1}$ (94 % 유지)로 감소하는 결과를 보였다. 이에 반하여, 탄소나노튜브 기반의 플렉시블 전극은 500번의 굽힘 시험 (bending test)과 6000번의 충 방전 시험 후에는 초기의 전기 용량값 ($67F{\cdot}g^{-1}$)이 유지되는 결과를 얻었다.
본 연구에서는 유연성을 갖는 전극 제조를 위해 산 처리된 단일벽 탄소나노튜브 (Acid treated-SWCNTs)를 금이 코팅된 PET 기판 위에 스프레이 코팅하였다. 단일벽 탄소나노튜브가 가지는 단점을 보완하기 위하여 산 처리 공정을 이용하여 나노튜브에 작용기를 도입하여 분산성을 극대화 시켰으며 전기화학적 특성을 향상 시켰다. 스프레이 기술을 이용하여 제조된 유연성을 갖는 단일벽 탄소나노튜브 기반의 전극을 1 M의 황산 전해질에서 순환 전압 전류법, 임피던스 분광법 그리고 충 방전 시험을 통하여 전기화학적 특성을 분석 하였다. 그 결과, 응력을 가하지 않은 전극의 전기 용량값은 $67F{\cdot}g^{-1}$로 측정 되었으며, 1000번의 충 방전 시험 후에는 전기 용량값이 $63F{\cdot}g^{-1}$ (94 % 유지)로 감소하는 결과를 보였다. 이에 반하여, 탄소나노튜브 기반의 플렉시블 전극은 500번의 굽힘 시험 (bending test)과 6000번의 충 방전 시험 후에는 초기의 전기 용량값 ($67F{\cdot}g^{-1}$)이 유지되는 결과를 얻었다.
In this study, flexible acid treated single walled carbon nanotubes (A-SWCNTs) electrodes were fabricated by using gold coated PET substrate and spray coating technique. The acid-treatment method was conducted to introduce functional groups on the SWCNTs wall, which could improve dispersability of t...
In this study, flexible acid treated single walled carbon nanotubes (A-SWCNTs) electrodes were fabricated by using gold coated PET substrate and spray coating technique. The acid-treatment method was conducted to introduce functional groups on the SWCNTs wall, which could improve dispersability of the SWCNTs and its electrochemical property. The electrochemical properties of flexible A-SWCNTs electrode were carried out by cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance were carried out by cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge (GCD) cycles. As a results, The specific capacitance value of the unbent A-SWCNTs electrode was $67F{\cdot}g^{-1}$, which decreased to $63F{\cdot}g^{-1}$ (94% retention) after 1000 GCD cycles. Interestingly, the specific capacitance of the unbent A-SWCNTs electrode with application of the 1000 GCD cycles was retained even after 500 bending to $30^{\circ}$ with 6000 GCD cycles.
In this study, flexible acid treated single walled carbon nanotubes (A-SWCNTs) electrodes were fabricated by using gold coated PET substrate and spray coating technique. The acid-treatment method was conducted to introduce functional groups on the SWCNTs wall, which could improve dispersability of the SWCNTs and its electrochemical property. The electrochemical properties of flexible A-SWCNTs electrode were carried out by cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance were carried out by cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge (GCD) cycles. As a results, The specific capacitance value of the unbent A-SWCNTs electrode was $67F{\cdot}g^{-1}$, which decreased to $63F{\cdot}g^{-1}$ (94% retention) after 1000 GCD cycles. Interestingly, the specific capacitance of the unbent A-SWCNTs electrode with application of the 1000 GCD cycles was retained even after 500 bending to $30^{\circ}$ with 6000 GCD cycles.
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제안 방법
따라서 본 연구에서는 산처리 된 단일벽 탄소나노튜브를 금으로 코팅 된 PET 기판 위에 공업적 스케일로 적용 가능한 스프레이코팅 기술을 이용하여 유연성을 가지는 전극을 제조 하여, 전압 전류법(Cyclic Voltammetry), 임피던스(Electrochemical impedance spectroscopy), 정전류 충방전(Galvanostatic Charge/discharge) 법을 이용하여 전기 화학적 특성을 측정 하였다.
산 처리 방법을 사용하여 단일벽 탄소나노튜브에 포함된 금속산화물을 제거하고 작용기를 도입하여 분산성 및 전기화학적 특성을 확인하기 위하여, 질산(5 mol ℓ-1) 40 ㎖를 단일벽 탄소나노튜브 200 mg가 들어있는 250 ㎖ 플라스크에 넣고 이 혼합물을 130 ℃에서 6시간 동안 환류시켰다. 환류과정이 끝나고 혼합물을 0.
산 처리된 단일벽 탄소나노튜브를 이용하여 금이 코팅된 PET 표면에 스프레이 코팅 방법을 이용하여 유연성을 갖는 단일벽 탄소나노튜브 기반의 전극을 제조하였으며 그 제조 방법을 Fig. 1에 나타내었다.
스프레이 코팅 방법을 이용하여 PET 기판 위에 도포된 산 처리된 단일벽 탄소나노 튜브 필름의 morphology를 필립스 XL30SFEG 전자주사 현미경(SEM)을 이용하여 가속 전압은 5 kV 그리고 방출 전류는 210 μA로 측정하였다. 또한 전기화학적 특성은 ZIVE SP2워크 스테이션을 이용하여 순환전압주사법(Cyclic Voltammetry), 전기 화학 임피던스(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 및 정전류 충방전(Galvanostatic Charge/Discharge)을 포함하여 모든 전기화학적 특성 분석은 반복적인 굽힘 시험(bending test)과 3전극 시스템 하에서 수행하였다.
) 40 ㎖를 단일벽 탄소나노튜브 200 mg가 들어있는 250 ㎖ 플라스크에 넣고 이 혼합물을 130 ℃에서 6시간 동안 환류시켰다. 환류과정이 끝나고 혼합물을 0.2 ㎛ 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE-H)이 코팅된 친수성 여과지를 이용하여 여과하고 중성이 될 때까지 증류수로 세척 하였으며, 정제된 단일벽 탄소나노튜브에 남아 있는 용매를 제거하기 위해서 100 ℃의 오븐에서 24 시간 동안 건조시킨 후, 5 mg의 산 처리된 단일벽 탄소나노튜브와 10 ㎖의 DMF를 바이알에 넣은 후 이 용액을 60분 동안 초음파 처리를 통하여 분산도가 향상된 단일벽 탄소나노튜브 분산액을 제조 하였다.
대상 데이터
전극 재료로 사용된 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)는 한화케미칼에서 구입하였고, N,N-디메틸포름아미드(DMF), 질산과 에탄올은 삼전순약공업(주)에서 구매하여 사용하였으며, 금으로 코팅된 polyethylene terephthalate(PET) (Delta Technology, Inc.)를 플렉시블 기판으로 사용하였다.
이론/모형
스프레이 코팅 방법을 이용하여 PET 기판 위에 도포된 산 처리된 단일벽 탄소나노 튜브 필름의 morphology를 필립스 XL30SFEG 전자주사 현미경(SEM)을 이용하여 가속 전압은 5 kV 그리고 방출 전류는 210 μA로 측정하였다. 또한 전기화학적 특성은 ZIVE SP2워크 스테이션을 이용하여 순환전압주사법(Cyclic Voltammetry), 전기 화학 임피던스(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 및 정전류 충방전(Galvanostatic Charge/Discharge)을 포함하여 모든 전기화학적 특성 분석은 반복적인 굽힘 시험(bending test)과 3전극 시스템 하에서 수행하였다.
성능/효과
1. 본 연구에서는 산업적으로 적용이 가능한 스프레이 코팅 방법을 이용하여 산 처리된 단일벽 탄소나노튜브 전극을 제조하였으며, 순환전압 주사법, 전기 화학 임피던스 및 정전류 충방전법의 여러 가지 전기화학적 기법을 통하여 전극의 유연성과 내구성을 확인한 결과 전극의 초기 용량 값은 67 F g-1이었으며, 이 값은 500번의 굽힘 시험과 6000번의 충방전 시험 후에도 감소되지 않고 유지되는 결과를 확인할 수 있었다.
2. 산 처리된 단일벽 탄소나노 튜브 전극의 반복적인 굽힘 시험후에 전기화학 임피던스와 전극의 면 저항 측정 결과 전극의 초기 용량 값을 유지함을 알 수 있었으며, 높은 유연성과 내구성 그리고 전기화학적 안정성을 갖는 탄소나노튜브 기반의 전극이 미래에 개발 가능한 웨어러블 기기나 유연성을 갖는 소자 및 전자기기에 응용이 가능한 에너지 저장 매체로의 가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 그림 2의 (b)에서 보이는 바와 같이 700회까지의 반복적인 굽힘 시험 후에도 내부저항이 거의 차이가 없이 나타나는 전기화학 임피던스 그래프와도 부합되는 결과를 보여주었다 또한 700회까지의 반복적인 굽힘시험 후에도 전압 강하(IR drop) 없이 대칭적인 그래프의 형상을 보였으며 충방전 시간도 거의 차이가 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 종합적으로 살펴볼 때, 산 처리된 단일벽 탄소나노튜브 전극은 반복적인 굽힘 시험 (bending test) 후에도 전극의 전기화학적 특성을 유지하고 있는 것으로 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNTs 중 단일벽 탄소나노튜브가 가지는 단점은?
또한, 이러한 유연성을 갖는 에너지 저장매체의 개발에 필요한 전극 물질로써 나노탄소 기반의 재료가 각광을 받고 있는 가운데, 탄소나노튜브(CNTs)는 독특한 다공성 구조와 뛰어난 전기적 특성 그리고 높은 기계적, 열적 안정성 때문에 슈퍼커패시터(supercapacitor) 전극 물질로 응용 할 수 있는 신 소재 중에 하나로 높은 관심을 받고 있다[10]. 탄소나노튜브는 높은 유연성 및 전기 전도성과 높은 열적, 화학적 안정성을 갖고 있는 단일벽 탄소나노튜브가 전극 재료로 활용될 수 있는 큰 가능성을 갖고 있으나[11] 단일벽 탄소나노튜브의 경우 정전기적 인력에 의한 뭉침 현상으로 이해 대부분의 용매에서 낮은 분산성의 결과를 보이고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, carboxylic(-COOH)과 hydroxyl(-OH)기를 단일벽 탄소나노튜브의 표면에 도입하는 산 처리 방법을 사용하여 단일벽 탄소나노튜브의 분산성을 향상 시킬 수 있는 연구도 진행되고 있다[12-13].
탄소나노튜브의 특성은?
따라서 차세대 전자기기의 에너지원으로써 유연성을 갖는 슈퍼커패시터의 연구개발의 진행에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다[6-9]. 또한, 이러한 유연성을 갖는 에너지 저장매체의 개발에 필요한 전극 물질로써 나노탄소 기반의 재료가 각광을 받고 있는 가운데, 탄소나노튜브(CNTs)는 독특한 다공성 구조와 뛰어난 전기적 특성 그리고 높은 기계적, 열적 안정성 때문에 슈퍼커패시터(supercapacitor) 전극 물질로 응용 할 수 있는 신 소재 중에 하나로 높은 관심을 받고 있다[10]. 탄소나노튜브는 높은 유연성 및 전기 전도성과 높은 열적, 화학적 안정성을 갖고 있는 단일벽 탄소나노튜브가 전극 재료로 활용될 수 있는 큰 가능성을 갖고 있으나[11] 단일벽 탄소나노튜브의 경우 정전기적 인력에 의한 뭉침 현상으로 이해 대부분의 용매에서 낮은 분산성의 결과를 보이고 있다.
슈퍼커패시터의 장점은?
이러한 차세대 전자기기의 구현을 위해서는 유연성을 갖는 에너지 저장 장치가 동력원으로써 필수적인 구성 요소라고 할 수 있다. 여러 가지 에너지 저장 매체 중 슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 높은 에너지밀도를 갖고 충전 및 방전 과정이 빠르며 긴 수명을 갖고 일반적으로 친 환경적이라는 장점을 가지고 있다. 이러한 주목할 만한 특성 때문에 슈퍼커패시터는 유망한 에너지 저장 장치중 하나로 각광받고 있다[4-5].
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