보고서 정보
주관연구기관 |
인천대학교 University Of Incheon |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-05 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201500003990 |
과제고유번호 |
1345199422 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2015-05-23
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키워드 |
정전기적 자가 조립법.그래핀.박막형 슈퍼커패시터.박막형 광전기 소자.3D 그래핀 모놀리스.나노코팅.전도성 고분자.압력 센서.나노 엘렉트로닉스.Electrostatic Self-Assembly.Graphene.Thin Film Supercapacitor.Thin Film Optoelectronics.3D Graphene Monolith.Nanofabrication.Conducting Polymer.Press Sensor.Nanoelectronics.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500003990 |
초록
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연구의 목적 및 내용
오늘날 그래핀 화학, 물리와 재료들은 그래핀이 지니는 우수한 기계적/전기적 특성 때문에 매우 매혹적이고 흥미로운 연구주제로 새롭게 대두 되었다. 본 연구의 주요 목적은 그래핀 나노복합재료를 기초한 고 성능 에너지 저장과 광전자 나노소자에 활용할수 있는 첨단 복합소재의 개발에 있다. 첫째, 고체 기판을 그래핀 나노복합소재로 코팅할 수 있는 새롭고 편리한 방법을 정전기적 자가조립법을 활용해서 확립하고 자 하였다. 둘째, LBL-자가조립된 그래핀(RGO)과 폴리아닐린(PANi)으로 구성된 다층 필름 전극이 산화
연구의 목적 및 내용
오늘날 그래핀 화학, 물리와 재료들은 그래핀이 지니는 우수한 기계적/전기적 특성 때문에 매우 매혹적이고 흥미로운 연구주제로 새롭게 대두 되었다. 본 연구의 주요 목적은 그래핀 나노복합재료를 기초한 고 성능 에너지 저장과 광전자 나노소자에 활용할수 있는 첨단 복합소재의 개발에 있다. 첫째, 고체 기판을 그래핀 나노복합소재로 코팅할 수 있는 새롭고 편리한 방법을 정전기적 자가조립법을 활용해서 확립하고 자 하였다. 둘째, LBL-자가조립된 그래핀(RGO)과 폴리아닐린(PANi)으로 구성된 다층 필름 전극이 산화 그래핀의 환원방법의 종류에 따라서 슈퍼커패시터의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 플렉시벌 광전자 소자의 개발과정에 중요한 역할을 하는 ‘폴리페닐렌비닐렌(PPV)과 환원 그래핀(RGO)으로 구성된 광전도성을 지닌 필름으로 PET 기판의 코팅’과정을 조사하였다.
연구결과
RGO/PANi로 구성된 다층 필름 MF-전극은 슈퍼커패시터 성능을 결정하는 매우 우수한 용적 충전용량, 우수한 사이클 안정도, 신속한 충/방번 속도 등을 보여주었다. 15 PANi/RGO 이중층 MF-전극은 3.0A/cm3의 전류밀도에서 584 F/cm3의 용적 충전용량을 나타내었다. 이 충전용량은 MF-전극을 전기화학적인 방법을 활용하였을 경우에는 1563F/cm3 의 까지 개선될 수 있었다. 이러한 결과는 전도성 고분자를 활용하는 탄소재료 소자가 보여준 최고값 들 중에 하나에 해당된다(Langmuir 2012).
본 과제의 또 다른 중요한 결과는 전자가 풍부한 두 층상 성분인 PPV와 RGO로 구성된 균일한 다층 초박막으로 온도에 민감한 PET기판을 코팅할 수 있는 LBL-방법을 확립 할 수 있었다. (PPV/RGO)15 필름(d = 23 nm)으로 코팅된 PET 기판은 1.1 mW의 조사빛 강도에서 115 μA의 광 전도도를 나타내었으며, 또한 0.5 mW의 조사빛 강도에서 111.1 mA W-1의 광 감응성을 보여주었다. 이러한 값들은 지금까지 탄소-재료를 활용해서 얻은 결과 값들 중에서 가장 우수한 것에 해당된다(Advanced Functional Materials 2013).
유기 액체 방울을 템플레이트로 활용해서 3D 마크로 기능 그래핀 탄성재료(MGM)를 제조할 수 있는 방법을 확립하였다. 그러한 액체 템플레이트들이 MGM 내부에 밀폐형 찌그러진 구형 기공을 발생시켰다. 이러한 독특산 마이크로 구조는 MGM이 낮은 밀도, 우수한 전기 전도도, 높은 복귀속도를 지닌 우수한 탄성을 보여주었으며, 압력-센서 분야에 중요하게 응용될 가능성이 높다(Advanced Materials 2014).
다음으로 순수 고체형 플렉시벌 평면구조 슈퍼커패시터(EC30)를 PET기판 상에 30 PANi/RGO 이중층과 30 PPV/RGO 이중층으로 구성된 다층 초박막으로 각각 레미네이트 하여 시현하였다. EC30은 매우 뛰어난 용적 충전용량(152 F/cm3, 20 A/cm3), 높은 에너지 밀도 (9.4 mWh/cm3)와 출력밀도(6.5 W/cm3)를 나타내었다 (Langmuir 2014).
연구결과의 활용계획
본 과제의 수행과정에 확립한 결과들은 다양한 응용분야에 활용될 것으로 예상하며 그 구체적인 예는 다음과 같다. 첫째, PANi/RGO 다층 필름으로 구성된 MF-전극들이 보여준 우수한 전기 화학적인 특성은 미니 사이즈의 휴대용 전자기기에 활용될 수 있는 고효율 에너지 저장소자를 지원할 수 있는 새로운 마이크로-공간 디자인 가능성을 제시하였다.
둘째, (PPV/RGO) 필름이 보여준 특별한 광전자적 특성은 유기 초박막을 기초한 휴대 전자 기기의 개발과정에 중요하게 활용될 수 있을 것이다. 셋째, 유기 액체 방울을 활용하여 제조된 MGM는 매우 빠른 회복력을 지닌 우수한 탄성 특성을 보여주었으며, 이는 압력-센서로서 활용될 가능성이 높다. 넷째, 고체형 플렉시벌 평면형 슈퍼커패시터 EC30는 매우 우수한 전기화학적 성능을 보여주었으며, 이는 플렉시벌 일렉트로닉스의 개발과정에 매우 높은 활용 가능성을 시사하였다.
Abstract
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Purpose&contents
Today, graphene-based chemistry, physics, and materials became an attractive research subject, because of the excellent mechanical and electrical properties of the graphene. The purpose of the research was the development of advanced composite materials for high-performance energ
Purpose&contents
Today, graphene-based chemistry, physics, and materials became an attractive research subject, because of the excellent mechanical and electrical properties of the graphene. The purpose of the research was the development of advanced composite materials for high-performance energy storage and optoelectronic nanodevices mainly based on graphene nanocomposites. A new and convenient fabrication method for a solid substrate with graphene nanocomposite films was investigated with employing electrostatic self-assembly technique. The supercapacitor performance of LBL-assembled multilayer films composed of graphene and polyaniline (PANi) was assessed with respect to reduction methods of graphene oxide (GO). The LBL-deposition of a photoconductive films composed of a conjugated polymer poly(phenylenevinylene) PPV and reduced graphene oxide RGO on a PET substrate was explored for the assembly of flexible optoelectronic devices.
Result
The multilayer film(MF)-electrode composed of RGO and PANi exhibited an excellent volumetric capacitance, good cycling stability, and a rapid charge/discharge rate, which are required for supercapacitors. A MF-electrode composed of 15 PANi/RGO bilayers yielded a volumetric capacitance of 584 F/cm3 at a current density of 3.0A/cm3, which was later improved to a specific capacitance of 1563 F/cm3 with combination of electrochemical reduction of the MF-electrode. The MF-electrode achieved one of new record values among carbon-based devices including conducting polymers (Langmuir 2012).
An important result of the project was an establishment of fabrication method of a uniform ultrathin multilayer film comprising the two electron-rich layer components PPV and RGO on the temperature-sensitive PET substrate using a layer-by-layer-deposition technique. The PET sheets coated with (PPV/RGO)15 films (d = 23 nm) exhibited a photocurrent of 115 μA at an illumination intensity of 1.1 mW and a photoresponsivity of 111.1 mA W-1 at an illumination intensity of 0.5 mW; these are among the best values yet achieved in carbon-based materials (Advanced Functional Materials 2013).
A fabrication method for elastomeric 3D macroporous graphene materials (MGMs) was developed using a soft template of organic droplets, which induced closed-cell distorted spherical pores in the MGMs. This unique microstructure makes MGMs have low weight densities, good electrical conductivities and excellent elasticity with high recovery rates, exhibiting a potential in pressure sensing (Advanced Materials 2014).
In addition, an all-solid-state flexible in-plane supercapacitor (EC30) was developed based on a PET substrate, which was laminated with two strata of ultrathin multilayer films composed of 30 PANi/RGO bilayers, and 30 PPV/RGO bilayers, yielding an outstanding volumetric capacitance (152 F/cm3 at 20A/cm3) with a high energy density (9.4 mWh/cm3) and power density (6.5 W/cm3) (Langmuir 2014)
Expected Contribution
The findings achieved from the project will contribute to various application areas, as following. First, the intriguing features of the MF-electrodes composed of PANi/RGO multilayer films offer a new micro-dimensional design for high energy storage devices for use in small portable electronic devices. Second, the extraordinary optoelectronic characteristics of the (PPV/RGO) films exhibited a promising contribution in the development of organic thin film-based portable electronic devices. Third, the MGMs constructed using a soft liquid droplets exhibited excellent elasticity with high-rate of recovery, which could be applicable for sensing pressure deformations. Forth, the superior electrochemical performances of the all-solid-state flexible in-plane supercapacitor EC30 revealed the potential applicability of this system for the development of microsupercapacitors for use in flexible organic electronics.
목차 Contents
- 핵심연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
- 목 차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 10
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11
- 4. 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 49
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 54
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 54
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 55
- 8. 참고문헌 ... 56
- 9. 연구성과 ... 59
- 10. 기타사항 ... 65
- 끝페이지 ... 75
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