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KR102618025B1 - Composite for supercapacitor electrode, supercapacitor using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

Composite for supercapacitor electrode, supercapacitor using the same, and manufacturing method thereof Download PDF

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KR102618025B1
KR102618025B1 KR1020220054790A KR20220054790A KR102618025B1 KR 102618025 B1 KR102618025 B1 KR 102618025B1 KR 1020220054790 A KR1020220054790 A KR 1020220054790A KR 20220054790 A KR20220054790 A KR 20220054790A KR 102618025 B1 KR102618025 B1 KR 102618025B1
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KR
South Korea
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supercapacitor
composite material
electrode
electrolyte
sweat
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임진형
셀밤 사아나야난
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명에 따른 슈퍼커캐시터 전극용 복합재는 아민계화합물; 전도성고분자; 그래핀옥사이드; 및 금속산화물을 포함하고, 상기 아민계화합물, 전도성고분자 및 그래핀옥사이드가 매트릭스를 형성하며, 상기 금속산화물의 금속이 상기 매트릭스와 킬레이트를 형성한다. The composite material for supercapacitor electrodes according to the present invention includes an amine-based compound; conductive polymer; graphene oxide; and a metal oxide, wherein the amine compound, conductive polymer, and graphene oxide form a matrix, and the metal of the metal oxide forms a chelate with the matrix.

Description

슈퍼커패시터 전극용 복합재, 이를 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법{COMPOSITE FOR SUPERCAPACITOR ELECTRODE, SUPERCAPACITOR USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Composites for supercapacitor electrodes, supercapacitors containing the same, and manufacturing method thereof {COMPOSITE FOR SUPERCAPACITOR ELECTRODE, SUPERCAPACITOR USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 슈퍼커패시터 전극용 복합재, 이를 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자가충전 기능으로 충·방전 성능이 증가되고, 에너지 저장 능력을 향상시킬 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 복합재, 이를 이용한 유연성 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite material for supercapacitor electrodes, a supercapacitor containing the same, and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a composite material for supercapacitor electrodes that can increase charge/discharge performance and improve energy storage ability with a self-charging function, a flexible supercapacitor using the same, and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 슈퍼커패시터는 전기 에너지를 빠르게 저장하고 높은 전류를 순간 혹은 연속적으로 공급하는 고출력형 전기 에너지 저장장치이다. In general, a supercapacitor is a high-output electrical energy storage device that quickly stores electrical energy and supplies high current instantaneously or continuously.

최근 스마트 웨어러블 전자장치의 등장으로 작은 크기의 에너지 저장 장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 스마트 웨어러블 전자장치는 뻣뻣하고 부피가 크며 낮은 성능과 높은 유지보수 필요한 비-등각 스마트 기기에서 신뢰성 있게 인체를 모방하고 적용할 수 있는 유연성 기기로 발전되고 있다.With the recent emergence of smart wearable electronic devices, demand for small-sized energy storage devices is increasing. Smart wearable electronics are evolving from non-conformal smart devices that are stiff, bulky, low-performance, and high-maintenance to flexible devices that can reliably mimic and adapt to the human body.

스마트 웨어러블 전자장치는 서로 다른 기능을 가지는 다양한 컴포넌트가 장치를 구성하며, 전력공급 유닛, 디스플레이 설정, 다중 센서 배열, 트랜지스터 배치를 포함하는 복합한 시스템이다. 이 때 전력공급 유닛의 충·방전 유지는 웨어러블 전자장지의 폭넓은 적용을 가로막는 주요 문제이고, 긴 사용 동안 적절한 전력을 공급하는 에너지 공급원의 개발이 필요하다.Smart wearable electronic devices are complex systems in which various components with different functions make up the device, including power supply units, display settings, multiple sensor arrays, and transistor arrangements. At this time, maintaining the charge and discharge of the power supply unit is a major problem that prevents the widespread application of wearable electronic devices, and the development of an energy source that supplies adequate power during long-term use is necessary.

리튬 이온 전지의 경우 화학반응을 수반하여 긴 시간동안 전력을 충·방전하여 저장할 수 있는 에너지가 높아서 에너지 밀도가 높은 장점이 있으나, 부피가 크고 유연성을 부여하기 어려운 구조이므로 웨어러블 전자장치에 본격적으로 적용하기 어렵다. In the case of lithium-ion batteries, they have the advantage of high energy density because they can store energy by charging and discharging power for a long time through chemical reactions, but they are bulky and have a structure that makes it difficult to provide flexibility, so they are widely applied to wearable electronic devices. It's difficult to do.

한편 박막형 슈퍼커패시터는 플렉시블 환경에서 쉽게 손상될 수 있기 때문에 유연성이 필요하고, 태양에너지, 운동에너지, 공기 및 땀과 같은 다양한 공급원을 전해질 활용하여 슈퍼커패시터의 용량을 증가시킬 필요성이 있다. Meanwhile, thin-film supercapacitors require flexibility because they can be easily damaged in flexible environments, and there is a need to increase the capacity of supercapacitors by utilizing various electrolyte sources such as solar energy, kinetic energy, air, and sweat.

따라서 파괴될 수 있는 구조 및 배열을 최소화하여 유연성을 가지며, 전해질을 활용하여 자가충전이 가능하여 충방전 성능을 증가시키고, 전해질의 에너지 저장 능력을 증가시켜 다양한 스마트 웨어러블 전자장치의 에너지 저장 장치로 사용이 가능한 슈퍼커패시터 전극용 복합재 및 이를 이용한 슈퍼커패시터의 개발이 시급한 실정이다. Therefore, it has flexibility by minimizing the structure and arrangement that can be destroyed, and can self-charge using electrolyte, increasing charging and discharging performance. It can also be used as an energy storage device for various smart wearable electronic devices by increasing the energy storage ability of the electrolyte. There is an urgent need to develop composite materials for supercapacitor electrodes and supercapacitors using them.

본 발명의 배경기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0113632호에서 전기이중층 커패시터를 개시한다. As background technology for the present invention, an electric double layer capacitor is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2005-0113632.

본 발명의 목적은 땀을 포함하는 이중 전해질을 이용한 자가충전이 가능하여 충방전 성능이 증가되고, 에너지 저장 능력이 증가된 슈퍼커패시터 전극용 복합재를 제공하기 위한 것이다. The purpose of the present invention is to provide a composite material for supercapacitor electrodes that is capable of self-charging using a dual electrolyte containing sweat, thereby increasing charge/discharge performance and energy storage capacity.

본 발명의 다른 목적은 복합재를 포함하는 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. Another object of the present invention is to provide a supercapacitor containing a composite material and a method for manufacturing the same.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can all be achieved by the present invention described below.

1. 본 발명의 하나의 관점은 슈퍼커패시터 전극용 복합재에 관한 것이다. 1. One aspect of the present invention relates to composite materials for supercapacitor electrodes.

상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 아민계화합물; 전도성고분자; 그래핀옥사이드; 및 금속산화물을 포함하고, 상기 아민계화합물, 전도성고분자 및 그래핀옥사이드가 매트릭스를 형성하며, 상기 금속산화물의 금속이 상기 매트릭스와 킬레이트를 형성한다. The composite material for supercapacitor electrodes includes an amine-based compound; conductive polymer; graphene oxide; and a metal oxide, wherein the amine compound, conductive polymer, and graphene oxide form a matrix, and the metal of the metal oxide forms a chelate with the matrix.

2. 상기 1 구체예에서, 상기 아민계화합물은 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine]을 포함하고, 상기 전도성고분자는 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene)을 포함하며, 상기 금속산화물은 산화구리(CuO)를 포함할 수 있다. 2. In the first embodiment, the amine compound includes tris(2-aminoethyl)amine, and the conductive polymer is 3,4-ethylenedioxythiophene (3,4). -ethylenedioxythiophene), and the metal oxide may include copper oxide (CuO).

3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 공동(cavity)이 형성될 수 있다. 3. In the first or second embodiment, a cavity may be formed in the composite material for supercapacitor electrodes.

4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 변형율이 12% 이상이고, 인장강도가 22 MPa 이상일 수 있다. 4. In any one of embodiments 1 to 3 above, the composite material for supercapacitor electrodes may have a strain rate of 12% or more and a tensile strength of 22 MPa or more.

5. 본 발명의 다른 관점은 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터에 관한 것이다. 상기 슈퍼커패시터는 집전체; 상기 집전체 상에 적어도 1개 이상으로 적층되는 전극; 상기 전극에 임프린팅 되는 전해질; 및 상기 전극 상부에 구비되는 금속와이어;를 포함하고, 상기 전극은 상기 복합재로부터 형성된다. 5. Another aspect of the present invention relates to a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte. The supercapacitor includes a current collector; At least one electrode stacked on the current collector; Electrolyte imprinted on the electrode; and a metal wire provided on an upper portion of the electrode, wherein the electrode is formed from the composite material.

6. 상기 5 구체예에서, 상기 복합재는 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine], 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene), 그래핀옥사이트 및 산화구리(CuO)를 포함하고, 상기 구리가 킬레이트를 형성할 수 있다.6. In the above 5 embodiments, the composite material includes tris(2-aminoethyl)amine, 3,4-ethylenedioxythiophene, graphene oxide, and oxidation. It contains copper (CuO), and the copper can form a chelate.

7. 상기 5 또는 6 구체예에서, 상기 집전체는 직물 또는 ITO/PET를 포함할 수 있다. 7. In embodiment 5 or 6 above, the current collector may include fabric or ITO/PET.

8. 상기 5 내지 7 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전해질은 이온성액체를 포함하고, 인체에서 배출 땀이 혼합될 수 있다. 8. In any one of embodiments 5 to 7 above, the electrolyte includes an ionic liquid, and may be mixed with sweat discharged from the human body.

9. 상기 5 내지 8 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터의 면적정전용량은 0.2 mA·cm-2에서 36 F·cm-2일 수 있다. 9. In any one of embodiments 5 to 8 above, the area capacitance of the supercapacitor may be 36 F·cm -2 at 0.2 mA·cm -2 .

10. 상기 5 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터는 7.0 mm 및 3.5 mm의 굽힘반경에서 200회 굽힘실험 후 초기정전용량의 90% 이상을 보전할 수 있다.10. In any one of the embodiments 5 to 9 above, the supercapacitor can preserve more than 90% of the initial capacitance after 200 bending tests at bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm.

11. 상기 5 내지 10 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터는 이온성액체 및 땀을 포함하는 이중 전해질 조건에서 순환전류전압 측정에 따른 CV 프로파일 전압이 3.5 V로 증가할 수 있다. 11. In any one of the embodiments 5 to 10 above, the supercapacitor may have a CV profile voltage increased to 3.5 V according to a cyclic current voltage measurement under a dual electrolyte condition containing ionic liquid and sweat.

12. 상기 5 내지 11 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터는 이온성액체, 땀 또는 이들의 조합에 의한 전해질 조건에서 자가충전이 가능할 수 있다. 12. In any one of the embodiments 5 to 11 above, the supercapacitor may be capable of self-charging under electrolyte conditions using ionic liquid, sweat, or a combination thereof.

13. 본 발명의 또 다른 관점은 상기 슈퍼커패시터를 전력유닛으로 포함하는 스마트 웨어러블 전자장치를 제공한다. 13. Another aspect of the present invention provides a smart wearable electronic device including the supercapacitor as a power unit.

14. 본 발명의 또 다른 관점은 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터 제조방법에 관한 것이다. 14. Another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte.

상기 슈퍼커패시터 제조방법은 (a) 금속산화물 전구체와 하이드라진을 수열합성하여 금속산화물을 포함하는 분산액을 제조하는 단계;The supercapacitor manufacturing method includes (a) hydrothermal synthesis of a metal oxide precursor and hydrazine to prepare a dispersion containing a metal oxide;

(b) 전도성고분자를 포함하는 용액에 그래핀옥사이드와 상기 분산액을 첨가하고, 이온성액체를 촉매로 첨가하고 교반하여 복합재 조성물을 제조하는 단계; (b) adding graphene oxide and the dispersion to a solution containing a conductive polymer, adding an ionic liquid as a catalyst and stirring to prepare a composite composition;

(c) 상기 복합재 조성물을 건조하여 복합재 필름을 수득하는 단계;(c) drying the composite composition to obtain a composite film;

(d) 상기 복합재 필름을 집전체 상에 부착하는 단계;를 포함한다. (d) attaching the composite film to a current collector.

15. 상기 14 구체예에서, 상기 이온성액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)일 수 있다. 15. In the 14th embodiment above, the ionic liquid may be 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate.

본 발명에 따른 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 높은 기계적 물성을 가지고, 필름 형태의 전극으로 활용될 수 있으며, 이를 포함하는 슈퍼커패시터는 이온성 액체와 인체의 피부에서 발산되는 땀을 통한 이중 전해질에 의하여 자가충전이 이루어지고, 또한 에너지 저장 장치로써 슈퍼커패시터의 충·방전 성능을 증가시키고, 에너지 저장 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있다. The composite material for supercapacitor electrodes according to the present invention has high mechanical properties and can be used as a film-type electrode, and the supercapacitor containing it is self-sustaining by a double electrolyte through ionic liquid and sweat emitted from the human skin. Charging occurs, and as an energy storage device, the charging and discharging performance of the supercapacitor can be increased and the energy storage ability can be dramatically improved.

또한 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터 제조방법은 슈퍼커패시터에 유연성을 부여하여 스마트 웨어러블 전자장치의 전력공급 유닛으로 활용할 수 있으며, 인장강도 등의 물성이 향상될 수 있다. In addition, the method of manufacturing a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte gives flexibility to the supercapacitor, so it can be used as a power supply unit for smart wearable electronic devices, and physical properties such as tensile strength can be improved.

본 발명에 다른 관점에 따른 슈퍼커패시터를 포함하는 스마트 웨어러블 전자장치는 형태의 제약이 감소하여 자유로운 설계가 가능하다. A smart wearable electronic device including a supercapacitor according to another aspect of the present invention can be designed freely with reduced form constraints.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터의 모식도이다.
도 2는 도 1에 따른 ITO-PET 기판 상에서 구리와이어가 설치된 박막형 슈퍼커패시터의 사진이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터의 작동과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터에 있어서 이온성액체 모드와 이온성액체와 땀의 혼합 모드에서 산화환원반응에 따른 전하의 이동을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 관점에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터 제조방법의 공정순서도이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재에서 TREN, PEDOT, GO 혼합액에 황산구리가 첨가되어 구리 킬레이트가 형성되는 과정을 나타내는 것이다.
도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 겔 상태의 복합재 필름의 사진이다.
도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재에서 UTM을 이용한 기계적 내구성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 X선 회절분석 그래프이다.
도 10은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 X선 분광분석 그래프이다.
도 11은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 N1s에 대한 X선 분광분석 그래프이다.
도 12는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 O1s에 대한 X선 분광분석 그래프이다.
도 13은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 Cu2p에 대한 고해상도 X선 분광분석 그래프이다.
도 14는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 S2p에 대한 X선 분광분석 그래프이다.
도 15는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 주사전자현미경 사진이다.
도 16은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 17은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 고해상도 주사전자현미경 사진이다.
도 18은 아민계화합물과 전도성고분자를 포함하는 필름과, 아민계화합물과 전도성고분자에 그래핀옥사이드가 첨가된 필름을 전극으로 하는 슈퍼커패시터의 순환전압전류법에 의한 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 순환전압전류에 따른 CV곡선을 나타낸 것이다.
도 20은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 순환전압전류 측정에서 주사율을 10 mV/s에서 250 mV/s까지 변화시키는 것에 따른 CV곡선을 나타낸 그래프이다.
도 21은 아민계화합물과 전도성고분자에 그래핀옥사이드가 첨가된 필름의 초기 충전 및 방전 후의 전기임피던스분광(EIS) 측정에 따른 나이퀴스트 선도를 나타낸 것이다.
도 22는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 낮은 전류밀도에서의 정전류충방전법에 의한 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 높은 전류밀도에서의 정전류충방전법에 의한 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.
도 24는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 순환전압전류 측정에 따른 CV곡선을 나타낸 그래프이다.
도 25는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 정전류충방전(GCD) 측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 27은 다양한 작용기로 치환된 그래핀옥사이드의 분자구조를 나타낸 것이다.
도 28은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 실험 사진이다.
도 29는 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 CV 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 30은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 31은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 에너지 저장 성능을 나타낸 그래프이다.
도 32는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 실험 사진이다.
도 33은 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 CV 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 34는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.
도 35는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 에너지 저장 성능을 나타낸 그래프이다.
도 36은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터를 인체에 착장 후 배출되는 땀을 전해질에 유입시키는 사진이다.
도 37은 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 미니팬 구동 사진이다.
도 38은 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 LED 구동 사진이다.
도 39는 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 온습도계 구동 사진이다.
도 40은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 CV 곡선의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 41은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정 결과의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 42는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 방전 전류의 DCR 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph of a thin-film supercapacitor with copper wire installed on the ITO-PET substrate according to Figure 1.
Figure 3 is a schematic diagram showing the operation process of a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the movement of charge due to redox reaction in the ionic liquid mode and the mixed mode of ionic liquid and sweat in a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a process flow chart of a method for manufacturing a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to another aspect of the present invention.
Figure 6 shows the process of forming a copper chelate by adding copper sulfate to a mixture of TREN, PEDOT, and GO in a composite material according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a photograph of a gel-state composite film according to one embodiment of the present invention.
Figure 8 is a graph showing mechanical durability using UTM in a composite material according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is an X-ray diffraction analysis graph of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 10 is an X-ray spectroscopic analysis graph of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 11 is an X-ray spectroscopic analysis graph for N 1s of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 12 is an X-ray spectroscopic analysis graph for O 1s of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 13 is a high-resolution X-ray spectroscopic analysis graph of Cu 2p of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 14 is an X-ray spectroscopic analysis graph for S 2p of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 15 is a scanning electron microscope photograph of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 16 is a scanning electron microscope photograph showing a cross section of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 17 is a high-resolution scanning electron microscope photograph of a composite material according to one embodiment of the present invention.
Figure 18 shows the CV curve by cyclic voltammetry of a supercapacitor using a film containing an amine-based compound and a conductive polymer, and a film in which graphene oxide is added to the amine-based compound and the conductive polymer as electrodes.
Figure 19 shows a CV curve according to the circulating voltage current of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 20 is a graph showing the CV curve according to changing the scan rate from 10 mV/s to 250 mV/s in the cyclic voltage-current measurement of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 21 shows a Nyquist diagram according to electrical impedance spectroscopy (EIS) measurement after initial charge and discharge of a film containing graphene oxide added to an amine compound and a conductive polymer.
Figure 22 is a graph showing the charging and discharging results of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention by the constant current charging and discharging method at a low current density.
Figure 23 is a graph showing the charging and discharging results of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention by the constant current charging and discharging method at a high current density.
Figure 24 is a graph showing the CV curve according to cyclic voltage-current measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 25 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 26 is a graph showing the results of galvanostatic charge/discharge (GCD) measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 27 shows the molecular structure of graphene oxide substituted with various functional groups.
Figure 28 is a photograph of a flexibility test of a supercapacitor including a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 29 is a graph showing the CV profile before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 30 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement before and after measuring the flexibility of a supercapacitor containing a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 31 is a graph showing the energy storage performance of a supercapacitor including a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention before and after measuring the flexibility.
Figure 32 is a photograph of a flexibility test of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 33 is a graph showing the CV profile before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 34 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention.
Figure 35 is a graph showing the energy storage performance of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention before and after measuring the flexibility.
Figure 36 is a photograph of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention being worn on the human body and allowing sweat discharged into the electrolyte.
Figure 37 is a photo of a mini-fan operating a supercapacitor including ITO/PET and a composite material on a fabric substrate as electrodes in one embodiment of the present invention.
Figure 38 is a photograph of the LED operation of a supercapacitor including ITO/PET and a composite material on a fabric substrate as electrodes in one embodiment of the present invention.
Figure 39 is a photograph of a thermohygrometer operating a supercapacitor including ITO/PET and a composite material on a fabric substrate as electrodes in one embodiment of the present invention.
Figure 40 is a graph showing the change in CV curve over sweat wetting time of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 41 is a graph showing the change in electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement results over sweat wetting time of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 42 is a graph showing the change in the DCR value of the discharge current over sweat wetting time of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings. However, the following drawings are provided only to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following drawings. In addition, the shape, size, ratio, angle, number, etc. disclosed in the drawings are illustrative and the present invention is not limited to the matters shown.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.When 'includes', 'has', 'consists of', etc. mentioned in this specification are used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, the plural is included unless specifically stated otherwise.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.When interpreting a component, it is interpreted to include the margin of error even if there is no separate explicit description.

~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.When the positional relationship between two parts is described as ‘on’, ‘at the top’, ‘at the bottom’, ‘next to’, etc., unless ‘immediately’ or ‘directly’ is used, there is no difference between the two parts. One or more different parts may be located.

'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다. Positional relationships such as 'upper', 'top', 'lower', 'lower', etc. are only written based on the drawings, and do not represent absolute positional relationships. In other words, depending on the observation position, the positions of 'top' and 'bottom' or 'top' and 'bottom' may change.

이하에서 본 발명을 구체적으로 설명한다.The present invention will be described in detail below.

본 발명자들은 에너지 저장장치로 박막형 슈퍼커패시터의 경우 성능저하 문제로 활용이 제한적이므로, 이온성 액체에 땀을 비효소적 경로의 전해질로 활용하여 고성능을 나타내는 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패피터를 완성하였다. Since the use of thin-film supercapacitors as energy storage devices is limited due to performance degradation issues, the present inventors used sweat as an electrolyte in an ionic liquid and a non-enzymatic path to complete a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte that exhibits high performance. did.

본 발명의 하나의 관점은 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터 전극용 복합재에 관한 것이다. One aspect of the present invention relates to a composite material for self-charging supercapacitor electrodes with dual electrolytes.

상기 전극용 복합재는 아민계화합물; 전도성고분자; 그래핀옥사이드; 및 금속산화물을 포함하고, 상기 아민계화합물, 전도성고분자 및 그래핀옥사이드(이하 'GO')가 매트릭스를 형성하며, 상기 금속산화물의 금속이 상기 매트릭스와 킬레이트(chelate)를 형성한다. The composite material for electrodes includes an amine-based compound; conductive polymer; graphene oxide; and a metal oxide, wherein the amine compound, conductive polymer, and graphene oxide (hereinafter referred to as 'GO') form a matrix, and the metal of the metal oxide forms a chelate with the matrix.

구체적으로, 상기 아민계화합물은 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine; 이하 'TREN']을 포함할 수 있다. Specifically, the amine-based compound is tri(2-aminoethyl)amine [Tris(2-aminoethyl)amine; Hereinafter ‘TREN’] may be included.

상기 전도성고분자는 3,4-에틸렌디옥시티오펜[(3,4-ethylenedioxythiophene); 이하 'EDOT']을 포함할 수 있으며, 예를 들면 중합되어 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜; 이하 'PEDOT')일 수 있다. The conductive polymer is 3,4-ethylenedioxythiophene [(3,4-ethylenedioxythiophene); It may include 'EDOT'], and for example, it may be polymerized to form poly(3,4-ethylenedioxythiophene; hereinafter 'PEDOT').

상기 PEDOT는 이온성액체를 촉매로 하여 중합되어 세그먼트를 형성하고, GO및 TREN과 반응하여 폴리설포네이트-아민 유래 폴리머를 형성할 수 있다. The PEDOT is polymerized using an ionic liquid as a catalyst to form segments, and can react with GO and TREN to form a polysulfonate-amine derived polymer.

상기 금속산화물은 산화구리(CuO)를 포함한다. The metal oxide includes copper oxide (CuO).

상기 TREN, PEDOT는 복수개의 수소결합을 통하여 메트릭스를 형성하고 산화구리 킬레이트와 상호반응하여 서로 결합될 수 있다. The TREN and PEDOT form a matrix through a plurality of hydrogen bonds and can be combined with each other by reacting with the copper oxide chelate.

상기 GO는 카르복실기, 하이드록실기 및 에폭시기를 포함할 수 있으며, 상기 TREN과 결합된 PEDOT와 상호작용으로 메트릭스를 형성하고 복합재를 필름 형태로 제조할 수 있도록 한다. The GO may contain a carboxyl group, a hydroxyl group, and an epoxy group, and interacts with PEDOT combined with the TREN to form a matrix and allow the composite material to be manufactured in the form of a film.

구체적으로 상기 PEDOT의 반응기는 GO 및 산화구리의 구리와 상호작용으로 킬레이트를 형성할 수 있다. Specifically, the reactive group of PEDOT can form a chelate by interacting with GO and copper of copper oxide.

상기 TREN, PEDOT, GO 및 산화구리는 하기 반응식 1 및 2에 의하여 복합재를 형성할 수 있다. The TREN, PEDOT, GO, and copper oxide can form a composite material according to Schemes 1 and 2 below.

[반응식 1][Scheme 1]

[반응식 2][Scheme 2]

상기 반응식 1 및 2를 참조하면, 이온성액체인 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate; 이하 '[BMIN]BF4') 촉매 하에서 EDOT, GO, 및 TREN를 중합하고, 산화구리를 첨가하여 산화구리가 킬레이트된 복합재를 필름 형상으로 제조할 수 있다. Referring to Schemes 1 and 2 above, EDOT, By polymerizing GO and TREN and adding copper oxide, a composite material in which copper oxide is chelated can be manufactured in the form of a film.

한 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 공동(cavity)이 형성될 수 있다. In one embodiment, the composite material for supercapacitor electrodes may have a cavity formed.

상기 복합재는 GO의 표면에서 PEDOT와 상호작용과 금속결합으로 제한되어 공동이 형성되어 비표면적이 증가될 수 있으며, 표면은 거칠고, 필름과 같은 형태일 수 있다. The composite may be limited by metal bonding and interaction with PEDOT on the surface of GO, forming cavities, increasing the specific surface area, and the surface may be rough and have a film-like form.

한 구체예에서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 복합재는 변형율이 12% 이상이고, 인장강도가 22 MPa 이상일 수 있다. In one embodiment, the composite material for supercapacitor electrodes may have a strain rate of 12% or more and a tensile strength of 22 MPa or more.

상기 복합재는 필름 형태로 제조되어 기계적 물성이 증가될 수 있다. The composite material can be manufactured in a film form to increase mechanical properties.

구체적으로 상기 복합재 필름은 TREN, PEDOT와 GO-CuO 킬레이트가 결합되어 형성되기 때문에 기계적 물성이 향상될 수 있다. Specifically, because the composite film is formed by combining TREN, PEDOT, and GO-CuO chelate, mechanical properties can be improved.

상기 복합재 필름이 상기 범위 내의 물성을 갖는 경우 슈퍼커패시터의 전극으로 사용되어 슈퍼커패시터에 유연성을 부여하고, 기계적 물성을 효과적으로 증가시킬 수 있다. If the composite film has physical properties within the above range, it can be used as an electrode for a supercapacitor to provide flexibility to the supercapacitor and effectively increase mechanical properties.

본 발명의 다른 관점은 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터의 모식도이고, 도 2는 도 1에 따른 ITO-PET 기판 상에서 구리와이어가 설치된 박막형 슈퍼커패시터의 사진이다.Figure 1 is a schematic diagram of a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention, and Figure 2 is a photograph of a thin-film supercapacitor with a copper wire installed on an ITO-PET substrate according to Figure 1.

도 1 및 2를 참조하면, 상기 슈퍼커패시터(1000)는 집전체(100), 전극(200), 전해질(300) 및 금속와이어(400)를 포함한다. Referring to Figures 1 and 2, the supercapacitor 1000 includes a current collector 100, an electrode 200, an electrolyte 300, and a metal wire 400.

상기 슈퍼커패시터(1000)는 수직형이 아닌 박막형(planar supercapacitor)으로 상기 집전체(current collector; 100), 전극(200), 전해질(300) 및 금속와이어(400)는 평면 상에 함께 배치될 수 있다. The supercapacitor 1000 is a planar supercapacitor rather than a vertical type, and the current collector 100, electrode 200, electrolyte 300, and metal wire 400 can be placed together on a plane. there is.

상기 집전체(100)는 상기 전극(200)과, 전해질(300)이 배치될 수 있는 공간을 제공한다. The current collector 100 provides a space where the electrode 200 and the electrolyte 300 can be placed.

상기 집전체는(100)은 직물(fabric) 또는 ITO/PET 필름 기판(100)일 수 있다. The current collector 100 may be a fabric or an ITO/PET film substrate 100.

상기 집전체(100)가 상기 직물 또는 ITO/PET 기판인 경우에는 상기 슈퍼커패시터(1000)에 유연성을 부여할 수 있으며, 전기 전도성을 가져서 상기 전극(200)에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 전달하고, 전자가 이동할 수 있는 통로를 제공할 수 있다. When the current collector 100 is the fabric or ITO/PET substrate, flexibility can be provided to the supercapacitor 1000, and it has electrical conductivity to transfer electrons so that an electrochemical reaction occurs in the electrode 200. And, it can provide a path for electrons to move.

상기 집전체(100)가 ITO/PET 기판인 경우에는 금속산화물(ITO) 코팅으로 인하여, 매우 빠르고 안정한 전자 이동이 가능하고, 신속한 충·방전이 가능하다. When the current collector 100 is an ITO/PET substrate, very fast and stable electron movement is possible and rapid charging and discharging are possible due to the metal oxide (ITO) coating.

상기 집전체(100)가 직물(fabric)인 경우에는 땀의 흡수에 따른 이중 전해질 기능화에 있어서, 충·방전 간격을 안정적으로 증가시켜, 장시간 충전 및 방전이 가능하다. When the current collector 100 is a fabric, the charging/discharging interval is stably increased in the dual electrolyte functionalization according to the absorption of sweat, enabling long-time charging and discharging.

상기 전극(200)은 상기 집전체(100) 상부에 형성되며, 1개의 전극셀(200)을 형성할 수 있으며, 적어도 1개 이상의 전극(200)이 상기 기판(100) 상에 배치되어 복수개의 전극셀을 구비한슈퍼커패시터(1000)를 구성할 수 있다. The electrode 200 is formed on the current collector 100 and can form one electrode cell 200, and at least one electrode 200 is disposed on the substrate 100 to form a plurality of A supercapacitor (1000) equipped with an electrode cell can be constructed.

상기 전극(200)이 1개 이상으로 구비되어, 상기 전극(200) 중 일부가 훼손되는 경우에도 각각 독립적으로 전력을 공급할 수 있기 때문에 웨어러블 전자장치용 슈퍼커패시터(1000)로 매우 적합하다. Since the electrode 200 is provided with one or more, power can be supplied independently even if some of the electrodes 200 are damaged, it is very suitable as a supercapacitor 1000 for wearable electronic devices.

상기 전극(200)은 상기 복합재를 포함한다. The electrode 200 includes the composite material.

구체적으로 상기 복합재는 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine], 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene), 그래핀옥사이트 및 산화구리(CuO)를 포함하고, 상기 구리가 킬레이트를 형성하는 것일 수 있다. Specifically, the composite includes tris(2-aminoethyl)amine, 3,4-ethylenedioxythiophene, graphene oxide, and copper oxide (CuO). And, the copper may form a chelate.

상기 복합재에 대한 설명은 반복되는 것이므로 생략하기로 한다. Since the description of the composite material is repetitive, it will be omitted.

상기 전해질(300)은 상기 전극(200)에 임프린팅된다. The electrolyte 300 is imprinted on the electrode 200.

여기서 임프린팅은 상기 전해질(300)이 상기 전극(200)과 복합화되는 것을 의미하며, 전해질(300)이 전극과 별도의 상(phase)으로 존재하는 것을 나타낸다. Here, imprinting means that the electrolyte 300 is complexed with the electrode 200, and indicates that the electrolyte 300 exists in a separate phase from the electrode.

구체적으로 상기 복합재는 공동(cavity)이 형성되어 상기 전해질(300)이 상기 전극(200)에 복합화될 수 있으며, 이에 따라 상기 전극(200)은 복합재 내에 전해질(300)이 함께 포함될 수 있다. Specifically, the composite material has a cavity formed so that the electrolyte 300 can be composited with the electrode 200. Accordingly, the electrode 200 can include the electrolyte 300 within the composite material.

상기 전해질(300)은 이온성액체를 포함할 수 있으며, 예를 들면, [BMIN]BF4이 포함될 수 있다. The electrolyte 300 may include an ionic liquid, for example, [BMIN]BF 4 .

상기 전해질(300)에 상기 [BMIN]BF4가 포함되는 경우 상기 전극(200)은 이온성 액체 모드(ionic liquid mode)를 구현할 수 있으며, 전하를 이동시켜 상기 전극(200)에 저장할 수 있다. When the electrolyte 300 contains the [BMIN]BF 4 , the electrode 200 can implement an ionic liquid mode, and charges can be moved and stored in the electrode 200.

한 구체예에서, 상기 전해질(300)에 상기 [BMIN]BF4와 땀이 혼합되어 이중 전해질에 의한 자가충전으로 에너지 수확 및 저장능력이 증가될 수 있다. In one embodiment, the electrolyte 300 is mixed with the [BMIN]BF 4 and sweat, so that energy harvesting and storage capabilities can be increased through self-recharging by the double electrolyte.

구체적으로 상기 슈퍼커패시터(1000)가 인체 피부 표면에 부착되어 인체로부터 땀이 배출되는 경우 상기 전해질(300)에 땀이 주입되도록 하여 이중 전해질에 의한 자가충전 기능을 발현하도록 할 수 있다. Specifically, when the supercapacitor 1000 is attached to the surface of human skin and sweat is discharged from the human body, sweat can be injected into the electrolyte 300 to exhibit a self-recharging function by double electrolyte.

상기 금속와이어(400)는 상기 전극(200) 상부에 구비된다. The metal wire 400 is provided on the electrode 200.

구체적으로 상기 금속와이어(400)는 구리와이어(Cu wire)인 것이 바람직하다. Specifically, the metal wire 400 is preferably a copper wire (Cu wire).

상기 금속와이어(400)는 슈퍼커패시터(1000)를 포함하는 전체 회로에서 전류의 흐름을 증가시킬 수 있다. The metal wire 400 can increase the flow of current in the entire circuit including the supercapacitor 1000.

상기 슈퍼커패시터(1000)의 면적정전용량은 0.2 mA·cm-2에서 36 F·cm-2일 수 있다. The area capacitance of the supercapacitor 1000 may be 36 F·cm -2 at 0.2 mA·cm -2 .

구체적으로 상기 슈퍼커패시터(1000)는 이중 전해질(300)을 기반으로 하는 정전류 충방전 실험(Galvanic charge·discharge; 이하 'GCD')에 따른 면적정전용량 평가에서 정전용량이 36 F·cm-2까지 증가될 수 있으며, 단일 전해질(300) 대비 증가된 정전용량을 나타낼 수 있다. Specifically, the supercapacitor 1000 had a capacitance of up to 36 F·cm -2 in area capacitance evaluation according to a galvanic charge/discharge (hereinafter referred to as 'GCD') experiment based on the dual electrolyte 300. It can be increased and can exhibit increased capacitance compared to the single electrolyte 300.

한 구체예에서 상기 슈퍼커패시터(1000)는 7.0 mm 및 3.5 mm의 굽힘반경에서 200회 굽힘실험 후 초기정전용량의 90% 이상을 보전할 수 있다. In one embodiment, the supercapacitor 1000 can preserve more than 90% of the initial capacitance after 200 bending tests at bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm.

상기 집전체(100)는 유연성을 가지며, 상기 전극(200)이 상기 복합재를 포함하여 유연성이 부여되기 때문에 상기 슈퍼커패시터(1000) 또한 유연성을 가지고, 기계적 물성이 증가되어 인장강도가 증가될 수 있다. The current collector 100 has flexibility, and since the electrode 200 is provided with flexibility by including the composite material, the supercapacitor 1000 also has flexibility, and mechanical properties can be increased to increase tensile strength. .

예를 들면, 특히 7.0 mm 및 3.5 mm의 굽힘반경에서도 정전용량을 보전할 수 있기 때문에 200회(cycles)의 굽힘 실험 후 초기정전용량과 대비하여 90% 이상의 정전용량을 보전하여 에너지 저장 능력이 획기적으로 향상될 수 있다. For example, since the capacitance can be preserved even at bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm, the energy storage ability is groundbreaking by preserving more than 90% of the capacitance compared to the initial capacitance after 200 cycles of bending tests. can be improved.

상기 슈퍼커패시터(1000)는 이온성액체 및 땀을 포함하는 이중 전해질기능화 조건에서 순환전류전압 측정에 따른 CV 프로파일 전압이 3.5 V로 증가될 수 있다. The supercapacitor 1000 can increase the CV profile voltage to 3.5 V according to the cyclic current voltage measurement under dual electrolyte functionalization conditions containing ionic liquid and sweat.

상기 슈퍼커패시터(1000)는 땀이 전해질(300)에 유입되어 산화환원 반응을 가속하고 전하의 용량과 정전용량을 모두 증가시킬 수 있으며, 순환전류전압 측정에 따른 전압이 3.5 V까지 증가되어 스마트 웨어러블 전자기기의 전력유닛으로 매우 적합하다.The supercapacitor 1000 can accelerate the redox reaction by allowing sweat to flow into the electrolyte 300 and increase both charge capacity and capacitance, and the voltage according to the circulating current voltage measurement increases to 3.5 V, making it a smart wearable. It is very suitable as a power unit for electronic devices.

상기 슈퍼커패시터(1000)의 동작을 설명하면 다음과 같다. The operation of the supercapacitor 1000 is described as follows.

도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터의 작동과정을 나타낸 모식도이고, 도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터(1000)에 있어서 이온성액체 모드와 이온성액체와 땀이 혼합된 이중 전해질 모드에서 산화환원반응에 따른 전하의 이동을 나타낸 모식도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the operation process of a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 is a schematic diagram showing the self-charging supercapacitor (1000) using a dual electrolyte according to an embodiment of the present invention. This is a schematic diagram showing the movement of charge according to the redox reaction in the ionic liquid mode and the dual electrolyte mode where ionic liquid and sweat are mixed.

도 3 및 도 4를 참조하면, [BMIN]BF4에 의해 PEDOT 및 TREN가 결합되어 중간체를 형성하고, GO 및 CuO가 첨가되면 복합재(PEDOT/TREN/GO-CuO chelate)를 형성한다. Referring to Figures 3 and 4, PEDOT and TREN are combined by [BMIN]BF 4 to form an intermediate, and when GO and CuO are added, a composite material (PEDOT/TREN/GO-CuO chelate) is formed.

상기 복합재에 [BMIN]BF4가 임프린팅되어 이온성 액체 모드를 형성할 수 있다. [BMIN]BF 4 may be imprinted on the composite to form an ionic liquid mode.

상기 복합재가 집전체(100) 상에 배치되고, 상기 집전체(100)가 유연성을 가져서 인체의 피부에 부착되면, 상기 인체에서 배출되는 땀이 상기 복합재에 유입되어 이온성액체와 함께 전해질(300)을 형성하는 이중 전해질 모드(sweat@ionic liquid mode)를 형성할 수 있다. When the composite material is placed on the current collector 100 and the current collector 100 is flexible and attached to the skin of the human body, sweat discharged from the human body flows into the composite material and electrolyte (300) together with the ionic liquid. ) can form a dual electrolyte mode (sweat@ionic liquid mode).

상기 전극에서 산화환원에 따른 전하의 이동이 발생되고, 일측의 전극에서 전자가 이동하여 슈퍼커패시너(1000) 외부에 연결되어 있는 전기장치를 작동할 수 있다. The movement of charge due to oxidation and reduction occurs in the electrode, and electrons move from one electrode to operate an electric device connected to the outside of the supercapacitor 1000.

상기 슈퍼커패시터(1000)에 이온성액체만으로 전해질(300)을 구성하는 경우 충분한 정전용량을 확보하기 어려우나, 상기 전해질(300)에 땀이 추가되는 경우 땀에 포함되어 있는 나트륨 이온(Na+)이 이온성액체의 산화환원반응(Redox)을 가속시켜 전하의 이동량을 증가시킬 뿐만 아니라, 슈퍼커패시터(1000)의 정전용량을 효과적으로 증가시킬 수 있다. When the electrolyte 300 is composed of only ionic liquid in the supercapacitor 1000, it is difficult to secure sufficient capacitance, but when sweat is added to the electrolyte 300, the sodium ions (Na + ) contained in the sweat are By accelerating the oxidation-reduction reaction (Redox) of the ionic liquid, not only can the amount of charge transfer be increased, but also the capacitance of the supercapacitor 1000 can be effectively increased.

상기 슈퍼커패시터(1000)는 박막형 구조이나 정전용량의 저하가 없으며, 땀을 전해질(300)로 이용하되, 비효소적 경로에서 땀을 전해질(300)로 이용하여 자가충전이 가능하며, 매우 우수한 에너지 수확 및 저장 시스템을 제공할 수 있다. The supercapacitor (1000) has a thin film structure, but does not have a decrease in capacitance, uses sweat as the electrolyte (300), and is capable of self-charging by using sweat as the electrolyte (300) in a non-enzymatic route, providing excellent energy. Harvesting and storage systems can be provided.

상기 슈퍼커캐시터(1000)는 이중 전해질(300) 모드에서 최대 표면적당 정전용량이 3600mF·cm-2을 나타내며, 에너지 밀도가 450 mWh· cm-2에 달하여 지금까지 알려진 슈퍼커패시터 대비 100 이상의 성능을 나타낼 수 있다.The supercapacitor (1000) exhibits a maximum capacitance per surface area of 3600 mF·cm -2 in the dual electrolyte (300) mode, and an energy density of 450 mWh·cm -2 , which is 100 times higher than that of the supercapacitors known so far. can indicate.

상기 슈퍼커캐시터(1000)는 이온성액체, 땀 또는 이들의 조합에 의한 전해질 조건에서 자가충전이 가능하다. The supercapacitor 1000 is capable of self-charging under electrolyte conditions using ionic liquid, sweat, or a combination thereof.

상기 슈퍼커패시터(1000)가 땀에 의한 전기화학반응으로 전기에너지를 효과적으로 생산할 수 있으며, 전기에너지 생산과 동시에 저장도 가능하다. The supercapacitor 1000 can effectively produce electrical energy through an electrochemical reaction caused by sweat, and can produce and store electrical energy at the same time.

본 발명의 다른 측면은 상기 슈퍼커패시터(1000)를 포함하는 스마트 웨어러블 전자장치에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a smart wearable electronic device including the supercapacitor 1000.

상기 슈퍼커패시터(1000)가 자가충전이 가능하고, 유연성을 가지며, 우수한 에너지 수확과 저장이 가능하기 때문에 스마트 웨어러블 전자장치의 전력유닛으로 활용이 가능하다.Since the supercapacitor 1000 is capable of self-charging, has flexibility, and is capable of excellent energy harvesting and storage, it can be used as a power unit for smart wearable electronic devices.

예를 들면 상기 슈퍼커패시터(1000)는 착용자의 피부과 직접 접촉하는 스마트 워치의 전력 유닛으로 사용되어, 상기 스마트 웨어러블 전자장치의 동작 가능 기간을 획기적으로 증가시킬 수 있다. For example, the supercapacitor 1000 can be used as a power unit of a smart watch that is in direct contact with the wearer's skin, thereby dramatically increasing the operating period of the smart wearable electronic device.

본 발명의 다른 관점은 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터의 제조방법에 관한 것이다. Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte.

도 5는 본 발명의 다른 관점에 따른 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터 제조방법의 공정순서도이다. Figure 5 is a process flow chart of a method for manufacturing a self-charging supercapacitor using a dual electrolyte according to another aspect of the present invention.

도 5를 참조하면, 상기 슈퍼커패시터의 제조방법은 (a) 금속산화물 전구체와 하이드라진을 수열합성하여 금속산화물을 포함하는 분산액을 제조하는 단계;Referring to FIG. 5, the method for manufacturing the supercapacitor includes the steps of (a) hydrothermally synthesizing a metal oxide precursor and hydrazine to prepare a dispersion containing a metal oxide;

(b) 전도성고분자를 포함하는 용액에 그래핀옥사이드와 상기 분산액을 첨가하고, 이온성액체를 촉매로 첨가하고 교반하여 복합재 조성물을 제조하는 단계; (b) adding graphene oxide and the dispersion to a solution containing a conductive polymer, adding an ionic liquid as a catalyst and stirring to prepare a composite composition;

(c) 상기 복합재 조성물을 건조하여 복합재 필름을 수득하는 단계;(c) drying the composite composition to obtain a composite film;

(d) 상기 복합재 필름을 집전체 상에 부착하는 단계;를 포함한다.(d) attaching the composite film to a current collector.

우선, 금속산화물 전구체와 하이드라진을 수열합성하여 금속산화물을 포함하는 분산액을 제조한다(S100).First, a dispersion containing a metal oxide is prepared by hydrothermal synthesis of a metal oxide precursor and hydrazine (S100).

구체적으로 금속산화물 전구체는 황화구리(CuSO4.·5H2O)이고, 하이드라진(N2H4)과 혼합하고 교반하면서 수열합성하여 제조할 수 있다. Specifically, the metal oxide precursor is copper sulfide (CuSO 4.· 5H 2 O), and can be prepared by hydrothermal synthesis while mixing and stirring with hydrazine (N 2 H 4 ).

전도성고분자를 포함하는 용액에 그래핀옥사이드와 상기 분산액을 첨가하고, 이온성액체를 촉매로 첨가하고 교반하여 복합재 조성물을 제조한다(S200).Graphene oxide and the dispersion are added to a solution containing a conductive polymer, and an ionic liquid is added as a catalyst and stirred to prepare a composite composition (S200).

구체적으로 상기 전도성고분자는 PEDOT이고, 아민계화합물은 TREN이며, 이온성액체는 [BMIN]BF4일 수 있다.Specifically, the conductive polymer may be PEDOT, the amine-based compound may be TREN, and the ionic liquid may be [BMIN]BF 4 .

상기 [BMIN]BF4가 첨가되어 상기 PEDOT 와 TREN을 GO와 결합시킬 수 있다. [BMIN]BF 4 can be added to combine PEDOT and TREN with GO.

상기 복합재 조성물을 건조하여 복합재 필름을 수득할 수 있다(S300). A composite film can be obtained by drying the composite composition (S300).

구체적으로 상기 복합재 조성물을 유리플레이트에 캐스팅하고, 50 내지 70 ℃에 건조하는 것이 바람직하다. Specifically, it is preferable to cast the composite composition on a glass plate and dry it at 50 to 70°C.

상기 복합재 필름을 집전체 상에 부착한다(S400).The composite film is attached to the current collector (S400).

제조된 복합재 필름을 직물 또는 ITO/PET 기판 상에 부착하여 박막형 슈퍼커패시터를 제조한다. The prepared composite film is attached to a fabric or ITO/PET substrate to manufacture a thin-film supercapacitor.

상기 복합재 필름은 전극을 구성하며, 복수개로 배치될 수 있고, 상기 복합재 필름이 전극을 구성하는 경우 상기 전극 상부에 금속와이어를 배치할 수 있다. The composite film constitutes an electrode and may be arranged in plural pieces. When the composite film constitutes an electrode, a metal wire may be placed on top of the electrode.

최종적으로 집전체인 기판 상에 복합재를 포함하는 전극을 배치하고, 전극 상에 구리와이어가 구비된 슈퍼커패시터를 회수한다. Finally, an electrode containing a composite material is placed on a substrate that is a current collector, and a supercapacitor with a copper wire on the electrode is recovered.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, but these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.

실시예 1. 슈퍼커패시터 제조Example 1. Supercapacitor manufacturing

(1) 재료준비(1) Material preparation

트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine; TREN], 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene), 황화구리(CuSO4.5H2O), 히이드라진 (N2H4), 이온성 액체: 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 테트라플루오로보레이트[1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate; BMIMBF4), 및 과황산암모늄 [(NH4)2S2O8]은 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)에서 구매하였다. Tris(2-aminoethyl)amine; TREN], 3,4-ethylenedioxythiophene, copper sulfide (CuSO 4 .5H 2 O), hydrazine (N 2 H 4 ), ionic liquid: 1-butyl-3-methyl Imidazolium tetrafluoroborate [1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate; BMIMBF 4 ), and ammonium persulfate [(NH 4 ) 2 S 2 O 8 ] were purchased from Sigma Aldrich.

(2) 산화구리 준비(2) Preparation of copper oxide

산화구리는 산화구리전구체인 황화구리(CuSO4·5H2O)와 하이드라진(N2H-)을 수열합성하고 교반하여 분말을 제조하였다. Copper oxide powder was prepared by hydrothermal synthesis of copper oxide precursor copper sulfide (CuSO 4 ·5H 2 O) and hydrazine (N 2 H-) and stirring.

수득한 분말은 원심분리하여 탈이온수에 10번 세척하고, 에탄올로 3번 세척한 이후에 오븐에서 건조하여 킬레이트를 제조하는데 사용되었다.The obtained powder was centrifuged, washed 10 times in deionized water, washed 3 times with ethanol, and then dried in an oven to prepare a chelate.

(3) 복합재 제조 (3) Composite manufacturing

우선 EDOT(0.1M)는 [BMIM][BF4] 이온성 액체로 처리하고, 2시간 교반 하였다. 산화구리를 포함하는 분산액에 TREN, GO를 단계적으로 천천히 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 혼합물은 1시간동안 더 교반하고, 80 ℃에서 12시간 동안 화학 욕조에 배치하여 겔을 형성하였다. First, EDOT (0.1M) was treated with [BMIM][BF 4 ] ionic liquid and stirred for 2 hours. A mixture was prepared by slowly adding TREN and GO step by step to a dispersion containing copper oxide. The mixture was stirred for another hour and placed in a chemical bath at 80° C. for 12 hours to form a gel.

수득한 겔은 유리플레이트에 캐스팅하여 60 ℃에서 건조하였다. 이후 수득한 필름은 물성을 별도로 평가하고, 박막형 슈퍼커패시터 전극 제조에 사용하였다.The obtained gel was cast on a glass plate and dried at 60°C. Afterwards, the physical properties of the obtained film were evaluated separately and used to manufacture thin-film supercapacitor electrodes.

(4) 이중 전해질 기능성 슈퍼커패시터 제조(4) Manufacturing of dual electrolyte functional supercapacitor

집전체로 직물과 ITO/PET를 기판으로 선택하여 상기 겔 상태의 복합재를 부착시켰다. Fabric as the current collector and ITO/PET were selected as the substrate, and the gel-like composite material was attached.

이 때 전극셀을 일정 간격으로 6 개를 평면에 나열하고, 구리와이어를 전극 상부에 배치한 후 건조하여 슈퍼커패시터를 완성하였다. At this time, six electrode cells were arranged on a flat surface at regular intervals, and copper wire was placed on the top of the electrode and dried to complete the supercapacitor.

전극은 ITO가 코팅된 PET표면 및 편직된 면직물에 형성한 것을 준비하고, 안정적인 슈퍼커패시터를 대칭형 평면 구성으로 설계하였다.Electrodes were prepared on ITO-coated PET surfaces and knitted cotton fabrics, and a stable supercapacitor was designed in a symmetrical planar configuration.

슈퍼커패시터의 전극의 면적은 1.0 × 1.0 cm로 유지되었고, 구리와이어는 평면 배열 측정 및 각 전극셀의 다중 설정을 위해 사용되었다.The electrode area of the supercapacitor was maintained at 1.0 × 1.0 cm, and copper wire was used for planar array measurements and multiple settings of each electrode cell.

평면으로 배열된 슈퍼커패시터는 초기 고정을 위해 스카치 테이프를 이용하여 인체 팔의 피부 및 땀으로 젖은 천에 부착하였다.The supercapacitors arranged in a plane were attached to the skin of the human arm and sweat-soaked cloth using scotch tape for initial fixation.

이후 슈퍼커패시터를 땀으로 젖은 상태로 처리하여 이중 전해질에 따른 슈퍼커패시터의 성능을 측정하였고, 유연성와 반복 충방전 능력을 평가하였다. Afterwards, the supercapacitor was treated in a sweat-soaked state to measure the performance of the supercapacitor according to the dual electrolyte, and its flexibility and repeated charging and discharging ability were evaluated.

실험예 1. 복합재 기계적 강도Experimental Example 1. Composite mechanical strength

도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재에서 TREN, PEDOT, GO 혼합액에 황산구리가 첨가되어 구리 킬레이트가 형성되는 과정을 나타내는 것이고, 도 7은 본 발명의 한 구체예에 따른 겔 상태의 복합재 필름의 사진이다. Figure 6 shows the process of forming a copper chelate by adding copper sulfate to a mixture of TREN, PEDOT, and GO in a composite according to an embodiment of the present invention, and Figure 7 shows a gel-state composite film according to an embodiment of the present invention. It's a photo of

도 6 및 7을 참조하면, 복합재는 중합 이후 화학 욕조에서 도포되어 겔 상태의 필름을 형성하여 기판 상에 부착 가능한 전극으로 사용될 수 있는 것을 확인하였다.Referring to Figures 6 and 7, it was confirmed that the composite material was applied in a chemical bath after polymerization to form a gel-like film, which can be used as an electrode that can be attached to a substrate.

도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재에서 UTM을 이용한 기계적 내구성을 나타낸 그래프이다. Figure 8 is a graph showing mechanical durability using UTM in a composite material according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 제조된 복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)는 UTM 강도측정기를 이용하여 기계적 내구성을 측정하였으며, 복합재의 내구성을 비교하기 위하여 TREN과 PEDOT만 결합된 필름(TREN/PEDOT)과 TREN과 PEDOT가 결합되고 GO가 첨가된 필름(TREN/PEDOT/GO)을 각각 준비하여 내구성을 비교하였다. Referring to Figure 8, the mechanical durability of the manufactured composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) was measured using a UTM strength meter, and in order to compare the durability of the composite, a film combining only TREN and PEDOT (TREN/PEDOT) was used. ) and a film in which TREN and PEDOT were combined and GO was added (TREN/PEDOT/GO) were prepared respectively and their durability was compared.

높은 기계적 강도는 유연성 슈퍼커패시터에 있어서 필름 형태의 전극에 필수적이고, 충분한 인장강도 또한 전극의 우수한 내구성 및 긴 수명 연한을 제공할 수 있다.High mechanical strength is essential for film-type electrodes in flexible supercapacitors, and sufficient tensile strength can also provide excellent durability and long service life of the electrode.

TREN/PEDOT 필름은 9.1%의 변형율에서 7.8 MPa의 인장강도를 나타내었고, TREN/PEDOT/GO 필름은 오직 인장강도가 다소 향상되는 것으로 확인되었다.TREN/PEDOT film showed a tensile strength of 7.8 MPa at a strain rate of 9.1%, and TREN/PEDOT/GO film showed only a slight improvement in tensile strength.

이에 반해 복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)는 높은 인장강도를 나타내었으며, 이는 복합재의 층간 상호작용이 크게 증가되어, 고배향된 폴리머 체인으로 형성된 TREN/PEDOT/GO 폴리머 복합체와 구리 사이의 충분한 수소결합에 기인하는 것이다.On the other hand, the composite material (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) showed high tensile strength, which was due to the greatly increased interlayer interaction of the composite material, which resulted in the interaction between the TREN/PEDOT/GO polymer composite formed of highly oriented polymer chains and copper. This is due to sufficient hydrogen bonding.

제조된 복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)는 필름 형태의 전극으로 활용할 수 있는 것을 확인하였다. It was confirmed that the manufactured composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) can be used as a film-type electrode.

실험예 2. 복합재 조성 및 결정구조 확인 Experimental Example 2. Confirmation of composite composition and crystal structure

도 9는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 X선 회절분석 그래프이다. Figure 9 is an X-ray diffraction analysis graph of a composite material according to one embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, TREN/PEDOT XRD 패턴은 7.83 °의 2θ 각에서 회절 피크를 나타내었으며, 7.83 °은 폴리머 복합재 구조의 분자간 간격을 나타내었다. GO의 회절 피크는 9.8 °의 2θ 각의 주변에서 중첩되었으며, 이는 25.6 ° 에서도 관측되는 전형적인 고분자 복합재의 회절 피크를 나타내는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 9, the TREN/PEDOT The diffraction peaks of GO overlapped around the 2θ angle of 9.8°, which was confirmed to represent the typical diffraction peak of polymer composites observed at 25.6°.

복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)에 대한 XRD 분석결과는 10.3 ° 및 25 °에서 2θ 각의 약한 상호작용에 따른 피크가 관찰되었으며, 이 것은 구리 킬레이트와 TREN/PEDOT/GO 폴리머 복합재의 배위를 나타내는 것이다.XRD analysis results for the composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) showed that peaks due to weak interaction at 2θ angles were observed at 10.3 ° and 25 °, which indicates the coordination of the copper chelate and the TREN/PEDOT/GO polymer composite. It represents.

나머지 날카로운 회절 피크, 특히 2θ = 32.1 °, 35.3 °, 38.7 ° 및 52.7 °는 (110), (111), (200), 및 (202)에서의 피크(JCPDS NO.89-2529)에 대응하였으며, 이는 잘 결정화된 흑동광 구조(tenorite)를 나타내었다. The remaining sharp diffraction peaks, especially 2θ = 32.1°, 35.3°, 38.7°, and 52.7°, corresponded to the peaks at (110), (111), (200), and (202) (JCPDS NO.89-2529). , which showed a well-crystallized black copper mineral structure (tenorite).

XRD 분석결과 구리 킬레이트가 침투된 GO 및 폴리머 복합체가 존재하는 것을 확인하였다.As a result of XRD analysis, it was confirmed that a GO and polymer composite impregnated with copper chelate existed.

도 10은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 X선 분광분석 그래프이고, 도 11은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 N1s에 대한 X선 분광분석 그래프이며, 도 12는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 O1s에 대한 X선 분광분석 그래프이고, 도 13은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 Cu2p에 대한 고해상도 X선 분광분석 그래프이며, 도 14는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 S2p에 대한 X선 분광분석 그래프이다.Figure 10 is an X-ray spectroscopic analysis graph of a composite material according to an embodiment of the present invention, Figure 11 is an Figure 13 is an X-ray spectroscopic analysis graph for O 1s of a composite material according to one embodiment of the present invention, Figure 13 is a high - resolution This is an X-ray spectroscopic analysis graph for S 2p of a composite material according to an embodiment.

도 10 내지 14를 참조하면, XRD는 Cu2p, O1s, N1s, C1s, 및 S2p의 주요 구성 피크를 나타내었다.Referring to Figures 10 to 14, XRD showed the main composition peaks of Cu 2p , O 1s , N 1s , C 1s , and S 2p .

복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)의 C1s 피크는 약 285 eV에서 C-C 및 C=N를 나타내고, TREN/PEDOT 폴리머의 S2p 피크는 397 eV 및 165 eV에서 각각 나타났다. 더욱이 약 935eV에서 관찰된 구리의 위성 피크는 복합재 필름의 구조를 확인하는데 도움을 준다.The C 1s peak of the composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) showed CC and C=N at about 285 eV, and the S 2p peak of the TREN/PEDOT polymer appeared at 397 eV and 165 eV, respectively. Moreover, the satellite peak of copper observed at about 935 eV helps confirm the structure of the composite film.

N1s XPS 스캔은 TREN 및 PEDOT의 아민 유도체에 대응하는 398.5, 398.1 및 400.1 eV의 전형적인 세개의 피크를 각각 나타내었다. 아민은 전자의 비편재화를 통하여 폴리머 체인의 전도도를 향상시킬 수 있다.The N 1s XPS scan showed three typical peaks at 398.5, 398.1, and 400.1 eV corresponding to the amine derivatives of TREN and PEDOT, respectively. Amines can improve the conductivity of polymer chains through electron delocalization.

XPS스펙트럼의 O1s 피크는 약 532 eV에서 에폭시기 및 폴리머와 금속의 상호작용 (Cu-O/C-O/polymer) 피크를 나타내고, 532 eV는 Cu-O인 것으로 판단되며, 복합재 필름의 폴리머 상호결합을 확인하였다. The O 1s peak in the Confirmed.

도 13의 고해상도 Cu2p XPS스캔을 확인하면, 942.8 및 953.8 eV의 피크는 Cu 2p3/2 및 Cu 2p1/2 각각의 스핀 궤도를 나타낸다. 938.1 및 954.7 eV에서 지배적인 피크는 Cu+ 및 Cu2+ 종의 Cu2p3/2 피크에 대응하는 것이다.Checking the high - resolution Cu 2p The dominant peaks at 938.1 and 954.7 eV correspond to the Cu 2p3/2 peaks of Cu + and Cu 2+ species.

도 14에서, 952.3 및 954.3 eV에서 Cu2p1/2에 대응하는 피크를 확인하였으며, 이것은 전형적인 Cu+ 및 Cu2+를 나타내는 것을 확인하였다. S2p의 XPS 스펙트럼은 몇 개의 가능한 피크를 나타내었으며, 예를 들면 160.7 및 163.2 eV 사이에서 관찰되는 두 개의 전형적인 S2p신호 밴드를 나타내었고, 이들 피크는 PEDOT의 황 원자에 할당되는 것을 확인하였다.In Figure 14, peaks corresponding to Cu 2p1/2 were confirmed at 952.3 and 954.3 eV, which were confirmed to represent typical Cu + and Cu 2+ . The XPS spectrum of S 2p showed several possible peaks, for example, two typical S 2p signal bands observed between 160.7 and 163.2 eV, and these peaks were confirmed to be assigned to the sulfur atom of PEDOT.

실험예 3. 복합재 표면 분석Experimental Example 3. Composite surface analysis

도 15는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 주사전자현미경 사진이고, 도 16은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 측단면을 나타내는 주사전자현미경 사진이며, 도 17은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재의 고해상도 주사전자현미경 사진이다. Figure 15 is a scanning electron microscope photograph of a composite material according to an embodiment of the present invention, Figure 16 is a scanning electron microscope photograph showing a side cross-section of a composite material according to an embodiment of the present invention, and Figure 17 is an embodiment of the present invention. This is a high-resolution scanning electron microscope photo of a composite material according to an example.

도 15를 참조하면, 복합재는 매우 거친 표면인 것을 확인하였으며, 이는 필름과 같은 형태가 GO의 표면에서 폴리머와 금속 연결(CuO) 상호작용에 의해 방해받기 때문인 것으로 확인되었다. Referring to Figure 15, it was confirmed that the composite had a very rough surface, which was confirmed to be because the film-like morphology was hindered by the polymer-metal linkage (CuO) interaction on the surface of GO.

TREN/PEDOT 필름의 SEM 사진을 확인하면, 매우 매끄럽고 표면을 가지는 필름과 비교되었으며, TREN/PEDOT 필름의 황, 질소, 산소 및 탄소에 대응하는 함몰도 확인되지 않았다. Checking the SEM image of the TREN/PEDOT film, it was compared to a film with a very smooth surface, and no depressions corresponding to sulfur, nitrogen, oxygen, and carbon in the TREN/PEDOT film were identified.

도 16에서, 복합재의 단면(Cross-section)을 확인하면 공동(cavity)가 형성되어 비표면적이 증가되고, 두껍게 가득 채워진 네트워크가 필름을 형성하지만, 다소 필름 형태가 아닌 것을 확인하였다. In Figure 16, when checking the cross-section of the composite, it was confirmed that a cavity was formed, increasing the specific surface area, and a thickly filled network formed a film, but it was not in the form of a film.

도 17에서 고배율 SEM 사진은 복합재에서 GO, TREN/PEDOT 및 구리가 매우 균질하게 분포되어 있음을 명확하게 나타내었다.The high-magnification SEM image in Figure 17 clearly showed that GO, TREN/PEDOT, and copper were distributed very homogeneously in the composite.

수득한 필름과 같은 형태는 구리와 GO의 상호작용으로 인한 배럴 벽(barrel wall)에 따른 폴리머 마찰의 증가에 기인한다. 이온성액체 환경에 자극받아 입자의 분산 경향이 증가되는 것을 나타내는 것으로 보이며, 이온성 액체 비말은 복합재 필름 내에서 각각을 연결하고, 더 많은 부분을 조절할 수 있게 하였다.The obtained film-like morphology is due to the increase in polymer friction along the barrel wall due to the interaction of copper and GO. It appears that the dispersion tendency of the particles increases when stimulated by the ionic liquid environment, and the ionic liquid droplets connect each individual within the composite film and allow more control of parts.

복합재의 EDX분석 결과 C, O, N, S, 및 Cu의 주요 구성 원소가 복합재 내에 존재하는 것을 확인하였으며, 이는 복합재가 잘 형성되는 것을 뒷받침하였으며, 폴리머 네트워크를 통하여 균질하게 투과되는 것을 나타낸다.As a result of EDX analysis of the composite, it was confirmed that the main constituent elements of C, O, N, S, and Cu were present in the composite, which supported that the composite was well formed and showed that it permeated homogeneously through the polymer network.

관찰된 구리층은 완성된 복합재의 가시성을 제공하였으며, 킬레이트 반응에 대한 풍부한 반응자리를 나타내었다.The observed copper layer provided visibility of the finished composite and revealed abundant reactive sites for chelating reactions.

실험예 4. 슈퍼커패시터 전기화학적 성능 평가 Experimental Example 4. Supercapacitor electrochemical performance evaluation

실시예 1에 따른 복합재를 포함하는 슈퍼커패시터에 대한 전기화학적 성능을 평가하였다. The electrochemical performance of the supercapacitor containing the composite material according to Example 1 was evaluated.

도 18은 아민계화합물과 전도성고분자를 포함하는 필름과, 아민계화합물과 전도성고분자에 그래핀옥사이드가 첨가된 필름을 전극으로 하는 슈퍼커패시터의 순환전류전압법에 의한 CV 곡선을 나타낸 것이고, 도 19는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 순환전류전압에 따른 CV곡선을 나타낸 것이며, 도 20은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 순환전류전압 측정에서 주사율을 10 mV/s에서 250 mV/s까지 변화시키는 것에 따른 CV곡선을 나타낸 그래프이다. Figure 18 shows the CV curve by the cyclic current-voltage method of a supercapacitor using a film containing an amine-based compound and a conductive polymer and a film containing graphene oxide added to the amine-based compound and a conductive polymer as an electrode, and Figure 19 shows the CV curve according to the circulating current voltage of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention, and Figure 20 shows a circulation curve of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the CV curve according to changing the scan rate from 10 mV/s to 250 mV/s in current voltage measurement.

도 18 내지 도 20을 참조하면, 그래프에서 CV 영역에서의 구별되는 증가는 TREN/PEDOT를 그래핀옥사이드로 변화시킨 후 나타난 것이며, 또한 CuO로 변화시킨 것을 확인하였다.Referring to Figures 18 to 20, a distinct increase in the CV area in the graph appeared after TREN/PEDOT was changed to graphene oxide, and it was also confirmed that it was changed to CuO.

복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate)는 슈퍼커패시터의 전체 정전용량에 대하여 폴리머 금속 복합재의 의사정전용량 및 GO의 전기 이중층 정전용량(EDLC)을 증가시켰다.The composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) increased the pseudocapacitance of the polymer-metal composite and the electric double layer capacitance (EDLC) of GO with respect to the total capacitance of the supercapacitor.

복합재의 CV곡선은 TREN/PEDOT 및 TREN/PEDOT/GO 필름보다 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였다. It was confirmed that the CV curve of the composite material showed superior performance than TREN/PEDOT and TREN/PEDOT/GO films.

도 20을 참조하면, 10mV/s에서 250mV/s까지 주사율을 급격하게 증가시키면, 현저한 정전용량 변화 결과를 나타내었으며, 증가된 CV 면적을 나타내는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 20, it was confirmed that when the scan rate was rapidly increased from 10 mV/s to 250 mV/s, a significant change in capacitance was observed and an increased CV area was observed.

슈퍼커패시터의 전기화학적 성능을 확인하기 위하여 전기임피던스분광을 측정하였다. Electrical impedance spectroscopy was measured to confirm the electrochemical performance of the supercapacitor.

도 21은 아민계화합물과 전도성고분자에 그래핀옥사이드가 첨가된 필름의 초기 충전 및 방전 후의 전기임피던스분광(이하 'EIS') 측정에 따른 나이퀴스트 선도를 나타낸 것이다. Figure 21 shows a Nyquist diagram according to electrical impedance spectroscopy (hereinafter 'EIS') measurement after initial charge and discharge of a film containing graphene oxide added to an amine-based compound and a conductive polymer.

도 21을 참조하면, 높은 주파수 영역에서 수직선은 구리 킬레이트 기반 슈퍼커패시터의 구별되는 저항을 나타내었고, 충방전 후에도 성능이 일정하게 유지될 수 있는 것을 나타내었다. 획득한 EIS 값은 또한 "Zview" 프로그램을 이용하여 분석하였다.Referring to Figure 21, the vertical line in the high frequency region represents the distinct resistance of the copper chelate-based supercapacitor, indicating that performance can be maintained constant even after charging and discharging. The obtained EIS values were also analyzed using the “Zview” program.

벌크저항(Rs)은 전극, 전해질 및 집전체의 통합에 의한 저항의 변화를 확인하기 위하여 측정되었고, Rct영역은 전극과 전해질에서 전자 이동에 따른 저항을 나타내었다. 정전용량의 영향은 Rct영역과 함게 이중층 정전용량(Cdl)으로부터 평가되었다. Wr은 워버그 요소(Warburg element)로 이온의 확산 변화를 규명할 수 있다. Bulk resistance (R s ) was measured to confirm the change in resistance due to the integration of the electrode, electrolyte, and current collector, and the R ct area represented the resistance due to electron movement in the electrode and electrolyte. The effect of capacitance was evaluated from the double layer capacitance (C dl ) along with the R ct area. Wr is a Warburg element that can reveal changes in ion diffusion.

실시예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터는 초기 벌크저항이 1.012 Ω·cm2이고, 충전 및 방전 사이클 이후 1.270 Ω·cm2를 나타내었다. 도달된 Rct 값은 최초 EIS에서 0.601 Ω·cm2이고, 충방전 사이클 이후 0.803 Ω·cm2이였다.The supercapacitor containing the composite material according to the example as an electrode had an initial bulk resistance of 1.012 Ω·cm 2 and showed 1.270 Ω·cm 2 after a charge and discharge cycle. The R ct value reached was 0.601 Ω·cm 2 at the initial EIS and 0.803 Ω·cm 2 after the charge/discharge cycle.

Wr은 최초 전기화학임피던스 분광법(EIS) 측정 시 56.07 Ω·cm2이고, 정전류충방전(GCD) 측정 후 28.15 Ω·cm2이 였으며, 이는 연속적인 충전과 방전 과정 동안 전극과 이온성액체 및 땀의 이중 전해질 사이에서 이온성 확산을 나타내는 것이다.Wr was 56.07 Ω·cm 2 when first measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and 28.15 Ω·cm 2 after the galvanostatic charge/discharge (GCD) measurement, which is due to the difference between the electrode, ionic liquid, and sweat during the continuous charging and discharging process. It represents ionic diffusion between the dual electrolytes.

이러한 결과는 전자 이동 저항 변화들은 전극들의 전기화학적 호환성을 나타내며, 이는 복합재 필름 표면 상 또는 내부에서 높은 정전용량 성능을 나타내는 이온성 확산을 나타내는 것이고, 땀과 이온성 액체의 전해질이 복합재 표면 상에 젖음 정도에 따른 이온들 간의 관련성을 확립하여 주었다. These results indicate that the electron transfer resistance changes indicate electrochemical compatibility of the electrodes, indicating ionic diffusion on or within the surface of the composite film, resulting in high capacitance performance, and electrolytes from sweat and ionic liquids wet onto the composite surface. The relationship between ions according to degree was established.

도 22는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 낮은 전류밀도에서의 정전류충방전법에 의한 충방전 결과를 나타낸 그래프이고, 도 23은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 높은 전류밀도에서의 정전류충방전법에 의한 충방전 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 22 is a graph showing the charging and discharging results of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention by the constant current charge and discharge method at a low current density, and Figure 23 is a graph showing the results of charging and discharging according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the charging and discharging results of a supercapacitor containing composite materials as electrodes using the constant current charging and discharging method at high current density.

도 22 및 도 23을 참조하면, GCD 측정은 낮은 전류밀도부터 높은 전류밀도까지 측정하였으며, 0.25 mA·cm-2에서 7.0 mA·cm-2까지 낮은 전류밀도와 10 mA·cm-2에서 100 mA·cm-2까지 높은 전류밀도 성능으로 측정하였다.Referring to Figures 22 and 23, GCD measurements were performed from low to high current densities, with low current densities ranging from 0.25 mA·cm -2 to 7.0 mA·cm -2 and 10 mA·cm -2 to 100 mA. · Measured with high current density performance up to cm -2 .

이온성액체와 땀의 이중 전해질 기능에 따른 슈퍼커패시터의 성능은 전기화학적 가역성과 정전용량과 관련하여 구별되는 낮고 높은 전류밀도 모두에서 삼각 대칭 형태를 나타내었다.The performance of the supercapacitor based on the dual electrolyte function of ionic liquid and sweat showed triangular symmetry at both low and high current densities, with distinctions related to electrochemical reversibility and capacitance.

시간에 대한 GCD 곡선의 변형은 산화 및 환원의 변화를 나타낸다.Transformation of the GCD curve against time indicates changes in oxidation and reduction.

실시예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 면적 정전용량 및 에너지 밀도는 하기 수학식 1 및 2에 따라 측정되었다.The area capacitance and energy density of the supercapacitor including the composite material according to the example as an electrode were measured according to Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

여기서, I는 방전전류(A)이고, Δt는 방전시간(s)이며, 적용된 전위창은 ΔV이고, A는 슈퍼커패시터의 총면적을 의미한다. Here, I is the discharge current (A), Δt is the discharge time (s), the applied potential window is ΔV, and A means the total area of the supercapacitor.

상기 슈퍼커패시터에 대하여 결정된 면적 정전용량 값은 0.2 mA·cm-2에서 36 F·cm-2 이고, 땀과 이온성액체를 포함하는 이중 전해질 기능화 조건 하에서 에너지 밀도가 4.5 Wh·cm-2이였다.The area capacitance value determined for the supercapacitor was 36 F·cm -2 at 0.2 mA·cm -2 , and the energy density was 4.5 Wh·cm -2 under dual electrolyte functionalization conditions containing sweat and ionic liquid.

여기서 면적정전용량 및 전류밀도의 관계는 면적정전용량이 전류 밀도가 증가함에 따라 실질적으로 감소되는 것을 확인하였으며, 낮은 전류 밀도에서는 전해질 이온이 복합재의 전 구역에서 산화환원 반응을 진행하기에 충분한 시간을 가질 수 있었기 때문에, 반응이 진행됨에 따라 높은 전류 밀도 수준에서는 결과적으로 감소되었다.Here, the relationship between area capacitance and current density confirms that the area capacitance substantially decreases as the current density increases, and at low current densities, the electrolyte ions have sufficient time to proceed with the redox reaction in all areas of the composite. As the reaction progressed, it eventually decreased at high current density levels.

한편, 이중 전해질 기능화에 의한 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능을 TREN/PEDOT 필름 및 TREN/PEDOT/GO 필름을 전극으로 하는 슈퍼커패시터와 비교하였다. Meanwhile, the electrochemical performance of the supercapacitor by dual electrolyte functionalization was compared with that of the supercapacitor using TREN/PEDOT film and TREN/PEDOT/GO film as electrodes.

그래핀옥사이드 필름으로 기능화되는 슈퍼커패시터는 단순한 TREN/PEDOT 필름을 포함하는 슈퍼커패시터와 비교하면, 더 상당히 증가된 전위 포텐셜을 가질 수 있는 것을 확인하였다. 측정된 EIS는 또한 그래핀옥사이드가 매개되는 필름에 대하여 좋은 결과를 나타내는 것을 확인하였다. It was confirmed that a supercapacitor functionalized with a graphene oxide film can have a significantly increased dislocation potential compared to a supercapacitor containing a simple TREN/PEDOT film. The measured EIS was also confirmed to show good results for films mediated by graphene oxide.

상응하는 충전-방전 실험은 0.25 mA·cm-2에서 7.0 mA·cm-2까지 다양한 전류밀도에서 수행되었으며, 두 가지 종류의 슈퍼커패시터에서 획득된 정전류식 충전-방전 곡선은 다양한 전류밀도에서 전형적인 GCD의 삼각 대칭 곡선을 나타내었다.Corresponding charge-discharge experiments were performed at various current densities from 0.25 mA·cm -2 to 7.0 mA·cm -2 , and the galvanostatic charge-discharge curves obtained for the two types of supercapacitors showed typical GCD at various current densities. shows a triangular symmetric curve.

계산된 면적 정전용량은 TREN/PEDOT 필름을 포함하는 슈퍼커패시터에 대하여 0.24 F·cm-2이고, 땀과 이온성 액체의 이중 전해질 기능화 조건 하에서 TREN/PEDOT/GO 필름을 포함하는 슈퍼커패시터에 대하여 0.68 F·cm-2이였다.The calculated areal capacitance is 0.24 F·cm -2 for the supercapacitor containing TREN/PEDOT film and 0.68 for the supercapacitor containing TREN/PEDOT/GO film under dual electrolyte functionalization conditions of sweat and ionic liquid. It was F·cm -2 .

한편 슈퍼커패시터에서 이중 전해질의 효율이 땀을 전해질로 하지 않는 이온성 액체 전해질 모드와 비교하였다.Meanwhile, the efficiency of the dual electrolyte in the supercapacitor was compared with the ionic liquid electrolyte mode that does not use sweat as an electrolyte.

도 24는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 순환전압전류 측정에 따른 CV곡선을 나타낸 그래프이고, 도 25는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이며, 도 26은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터에서 전해질에 땀이 포함되는 경우 정전류충방전(GCD) 측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 24 is a graph showing the CV curve according to the cyclic voltage current measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention, and Figure 25 is a graph showing the CV curve according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor containing a composite material as an electrode, and Figure 26 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement for a supercapacitor containing a composite material according to an embodiment of the present invention as an electrode. This graph shows the results of constant current charge/discharge (GCD) measurement when sweat is included in the electrolyte in a supercapacitor.

도 24 내지 26을 참조하면, 이온성 액체 모드에서 측정된 CV곡선은 독특한 사각형의 산화 환원 의사정전용량 성질을 나타내었다. 이러한 성능은 땀과 이중 전해질 기능화에 비해 낮은 것이다.24 to 26, the CV curve measured in ionic liquid mode showed unique square redox pseudocapacitance properties. This performance is lower compared to sweat and dual electrolyte functionalization.

계산된 면적정전용량은 15.2 F·cm-2이고, 에너지 밀도는 2.15 Wh·cm-2이였다. 오직 이온성 액체 조건 하에서 TREN/PEDOT 필름 및 TREN/PEDOT/GO 필름을 전극으로 이용한 슈퍼커패시터의 성능과 측정된 CV프로파일은 CV 그래프에서 대표적인 산화 환원 프로파일을 나타내었으며, EIS결과는 전극 및 전해질 시스템에 상응하는 저항 성능을 내는 것을 확인하였다.The calculated area capacitance was 15.2 F·cm -2 and the energy density was 2.15 Wh·cm -2 . The performance and measured CV profile of the supercapacitor using TREN/PEDOT film and TREN/PEDOT/GO film as electrodes under only ionic liquid conditions showed a representative redox profile in the CV graph, and the EIS results showed that the electrode and electrolyte system It was confirmed that equivalent resistance performance was achieved.

GCD 실험 결과 다양한 전류 밀도의 변화에서 주목할 만한 성능을 가지는 거의 사각형에 가까운 곡선을 나타내었다. The results of the GCD experiment showed an almost square curve with notable performance under various changes in current density.

TREN/PEDOT 필름 및 TREN/PEDOT/GO 필름을 각각 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터 각각에 대한 면적정전용량은 0.045 F·cm-2 및 0.33 F·cm-2 이였다.The area capacitance of each supercapacitor including TREN/PEDOT film and TREN/PEDOT/GO film as electrodes was 0.045 F·cm -2 and 0.33 F·cm -2 .

이러한 성능의 차이에서 이중 전해질 기능화 조건 하에서 슈퍼커패시터의 정전용량의 증가를 확인하였다. From this difference in performance, it was confirmed that the capacitance of the supercapacitor increased under the dual electrolyte functionalization condition.

따라서 전기화학적 실험에서, 실시예 1에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 경우 단순하게 TREN/PEDOT 필름 및 TREN/PEDOT/GO 필름을 각각 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터와 비교하여 이온성액체와 땀을 전해질로 모두 이용하는 이중 전해질 기능 조건에서 특히 박막형 슈퍼커패시터로 매우 우수한 성능을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다. Therefore, in the electrochemical experiment, the supercapacitor containing the composite material according to Example 1 as an electrode was compared to the supercapacitor simply containing TREN/PEDOT film and TREN/PEDOT/GO film as electrodes, respectively, ionic liquid and sweat. It was confirmed that a thin-film supercapacitor can exhibit excellent performance, especially under dual electrolyte function conditions using both as electrolytes.

또한 이러한 결과는 슈퍼커패시터의 층간 간격을 식별하고, 복합재 전극 표면의 고체 및 습식 전해질 조건에서 이온 또는 이온성 확산의 이동을 뒷받침하는 것이다. These results also identify the interlayer spacing of the supercapacitor and support the movement of ions or ionic diffusion in solid and wet electrolyte conditions on the composite electrode surface.

실험예 5. 슈퍼커패시터 충방전 매카니즘 확인 Experimental Example 5. Confirmation of supercapacitor charging and discharging mechanism

실시예 1에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 충전과 방전 매카니즘은 하기 반응식 1 및 2에 따라 수행되었다. The charging and discharging mechanism of the supercapacitor manufactured according to Example 1 was performed according to Schemes 1 and 2 below.

여기서 전극 물질인 복합재에서 전자 충전 메커니즘은 두 개의 반응에 따라 이루어진다. Here, the electron charging mechanism in the composite electrode material occurs through two reactions.

하기 반응식 1에 따라 복합재 전극에서 전해질 매질 내의 이온이 전극의 표면에 흡착되거나 탈착되었다. Ions in the electrolyte medium were adsorbed or desorbed on the surface of the electrode in the composite electrode according to Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

두번째 메커니즘은 하기 반응식 2에 따라, 양이온(C+)이 투과가능한 전극물질로 층간 삽입되는 것이다. The second mechanism is that positive ions (C + ) are intercalated into a permeable electrode material according to Scheme 2 below.

[반응식 2][Scheme 2]

여기서, C+는 전해질(땀과 이온성 액체)로부터 유래되는 양이온이다. 또한 전극표면의 높은 전도성 및 내부 공동(cavity)은 전해질의 순환을 증가시키며, 증가된 활성 표면 사이트를 축적시킬 수 있다.Here, C + is a cation derived from electrolytes (sweat and ionic liquid). Additionally, the high conductivity and internal cavities of the electrode surface can increase electrolyte circulation and accumulate increased active surface sites.

또한 PEDOT에서 산화환원 반응을 고려하면, 구리 킬레이트 및 그래핀옥사이트의 사이트는 에너지 수확 및 저장 과정에서 중요한 역할을 수행할 수 있다.Additionally, considering the redox reactions in PEDOT, the sites of copper chelate and graphene oxide may play an important role in the energy harvesting and storage process.

복합재 내에서 산화환원 과정 및 전자 이동 메커니즘은 하기 반응식 3으로 표현된다.The redox process and electron transfer mechanism within the composite are expressed in Scheme 3 below.

[반응식 3][Scheme 3]

구리 킬레이트의 산화환원반응은 하기 반응식 4에 따라 이루어진다. The oxidation-reduction reaction of copper chelate is carried out according to Scheme 4 below.

[반응식 4][Scheme 4]

여기서 GO의 사이트에서 하기 반응식 5에 따른 반응이 일어났다. Here, a reaction occurred at the site of GO according to Scheme 5 below.

[반응식 5][Scheme 5]

한편 PEDOT에서 전기화학적 전하 저장은 폴리머 체인에서 카운터 이온의 출입에 따른 표면의 도핑 및 탈도핑 과정과 연관되고, 이 것은 PEDOT를 포함하는 전극에서 전기적 전도성, 이온 확산 및 표면 면적과 밀접하게 관련되어 있다.Meanwhile, electrochemical charge storage in PEDOT is associated with surface doping and dedoping processes following the entry and exit of counterions from the polymer chain, which is closely related to electrical conductivity, ion diffusion, and surface area in electrodes containing PEDOT. .

땀과 이온성액체를 포함하는 이중 전해질 기능화 조건 하에서 PEDOT 전극의 정전용량 성능을 향상시키기 위한 다양한 시도를 하였으며, 전도성 고분자 전극인 PEDOT에서 전기 촉매는 산소환원반응에 초점을 맞추었고, 이 것은 전기화학 반응에서 중요한 활용방안이 되었다.Various attempts were made to improve the capacitance performance of the PEDOT electrode under dual electrolyte functionalization conditions including sweat and ionic liquid, and the electrocatalyst in PEDOT, a conductive polymer electrode, focused on the oxygen reduction reaction, which is electrochemical. It has become an important method of use in reactions.

상기 반응식 3은 PEDOT를 중성 배열로 환원시키는 것을 포함하며, 이는 땀과 이온성 액체가 반응하여 역학적으로 유리한 상황을 나타내는 두 개의 전자가 이동하는 전이 상태를 나타낼 수 있다.Scheme 3 above involves reducing PEDOT to a neutral configuration, which can represent a transition state in which two electrons move, representing a dynamically favorable situation when sweat and ionic liquid react.

더욱이, PEDOT는 전도성 폴리머로 자연 상태에서 풍부하게 존재하는 원자를 자체적으로 소유하고 있으며, 활성 전기 촉매 사이트가 특정한 선호 반응 경로를 촉진시킬 수 있기 때문에 슈퍼커패시터의 전극 시스템에 적합하다. 또한, 전극-전해질의 계면을 따라 기본 차폐층이 없으므로 슈퍼커패시터 시스템에서 전하 이동을 위한 활발한 상호작용이 가능하다. PEDOT 고분자와 전해질 상호작용은 이종의 전기 촉매에서 전도성 고분자를 구별하므로, PEDOT가 매개된 복합재는 혼합 전자 이온 전도체를 가지는 중성 및 이온 반응물이 도달할 수 있다.Moreover, PEDOT is a conducting polymer, possessing atoms that are abundant in nature, and its active electrocatalytic sites can promote specific preferred reaction pathways, making it suitable for the electrode system of supercapacitors. Additionally, the absence of an underlying shielding layer along the electrode-electrolyte interface allows for active interactions for charge transfer in the supercapacitor system. Because PEDOT polymer-electrolyte interactions distinguish conductive polymers in heterogeneous electrocatalysts, PEDOT-mediated composites can be reached by neutral and ionic reactants with mixed electron-ion conductors.

PEDOT 상 내부의 양전하 수송체의 높은 밀도는 전기 전도성에 매우 중요하며, 음이온의 전하 축적을 고려할 수 있도록 하였고, 이러한 자체 스타일 1차 도펀트는 복합재 전극 전체에 분산되어 슈퍼커패시터 전극 시스템의 높은 전도성을 부여할 수 있도록 하였다.The high density of positive charge carriers inside the PEDOT phase is very important for electrical conductivity and allows the charge accumulation of negative ions to be taken into account, and these self-styled primary dopants are dispersed throughout the composite electrode, giving the supercapacitor electrode system high conductivity. made it possible to do so.

상기 반응식 4에 따라 복합재의 TREN, PEDOT, 및 GO의 작용기는 Cu 매개 킬레이트의 음전하 및 양전하 활성 부위와 쉽게 상호작용할 수 있으며, 산화환원 과정에서 양쪽성 이온의 형성을 유도할 수 있다.According to Scheme 4 above, the functional groups of TREN, PEDOT, and GO in the composite can easily interact with the negatively and positively charged active sites of the Cu-mediated chelate and induce the formation of zwitterions during the redox process.

따라서 복합재(TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) 전극의 우수한 전기촉매 활성은 뛰어난 전기화학 장치를 뛰어난 산화환원 공정으로 유도할 수 있다.Therefore, the excellent electrocatalytic activity of the composite (TREN/PEDOT/GO-CuO chelate) electrode can lead to an excellent electrochemical device with an excellent redox process.

한편 GO는 전도성 고분자 또는 금속 산화물로 기능화 되어, 이에 따른 복합재 물질이 이들의 전도성 성능을 유지할 수 있도록 하며, 이들의 반응기를 통하여 산화환원 반응을 증가시킬 수 있다.Meanwhile, GO is functionalized with conductive polymers or metal oxides, allowing composite materials to maintain their conductive performance and increase redox reactions through their reactors.

이들의 초기 전기화학적 성능은 CV를 사용하여 조사하였다. CV 프로파일에 따른 산화환원 피크는 슈퍼커패시터 전극 표면에서 발생하는 전기화학 반응과 유사하였다.Their initial electrochemical performance was investigated using CV. The redox peak according to the CV profile was similar to the electrochemical reaction occurring on the surface of the supercapacitor electrode.

탄소기반 복합재의 CV및 EIS 곡선에서 관찰된 전기화학적 프로파일은 특정 위치에서 특정 사이트에서 특정한 반응이 진행되는 것에 대한 완전한 설명 없이도 산화환원 반응으로 규정될 수 있으며, 상기 반응식 5에 따라 준가역 반응인, GO 사이트의 산화환원 반응을 확인하였다.The electrochemical profile observed in the CV and EIS curves of carbon-based composites can be defined as a redox reaction at a specific location without a complete explanation of the specific reaction proceeding at a specific site, and is a semi-reversible reaction according to Scheme 5 above. The redox reaction of the GO site was confirmed.

또한 의사정전용량은 GO의 퀴노이드 및 하이퍼퀴노이드기의 산화환원반응과 관련된다. Additionally, the pseudocapacitance is related to the redox reaction of the quinoid and hyperquinoid groups of GO.

도 27은 다양한 작용기로 치환된 그래핀옥사이드의 분자구조를 나타낸 것이다. Figure 27 shows the molecular structure of graphene oxide substituted with various functional groups.

도 27을 참조하면, GO는 일반적으로 카르복실, 카르보닐, 에폭실, 및 하이드록실과 같은 작용기가 결합되어 조직화된 sp3/sp2-하이브리드 탄소 원자를 포함하는 반-방향족 네트워크이고, 하이드록시기 및 에폭시기의 양은 전기화학공정에서 높은 활성과 더 큰 분자와 반응하여 공유결합을 형성하는 능력 때문에 복합재에 첨가되었으며, 전기화학적 개선을 위해 알파-디케톤, 하이드로퀴노이드, 락톤과 같은 작용기로 GO의 전기화학적 개선이 가능한 것을 확인하였다. Referring to Figure 27, GO is generally a semi-aromatic network containing sp3/sp2-hybrid carbon atoms organized by bonding functional groups such as carboxyl, carbonyl, epoxyl, and hydroxyl, and hydroxyl groups and A large amount of epoxy groups was added to the composites due to their high activity in electrochemical processes and their ability to react with larger molecules to form covalent bonds, and functional groups such as alpha-diketones, hydroquinoids, and lactones were used to improve electrochemical properties of GO. It was confirmed that chemical improvement was possible.

실험예 6. 슈퍼커패시터 기계적 물성 확인Experimental Example 6. Confirmation of supercapacitor mechanical properties

실시예에 따라 집전체로 구리 와이어 연결선과 ITO/PET 기판에 복합재를 포함하는 전극을 배열하여 완성된 슈퍼커패시터에 대한 기계적 물성을 확인하였다. According to the example, the mechanical properties of the completed supercapacitor were confirmed by arranging a copper wire connection line as a current collector and an electrode containing a composite material on an ITO/PET substrate.

도 28은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 실험 사진이다. Figure 28 is a photograph of a flexibility test of a supercapacitor including a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention.

도 28을 참조하면, 제조된 슈퍼커패시터의 기계적 유연성을 테스트하였으며, 물리적 외관의 변화를 확인하였다. 굽힘 시험기 안에 슈퍼커패시터를 배치하고, 성능을 기록하면서 워크스테이션을 통해 문서화했다.Referring to Figure 28, the mechanical flexibility of the manufactured supercapacitor was tested, and changes in physical appearance were confirmed. The supercapacitor was placed in a bending tester, and its performance was recorded and documented through a workstation.

유연성 성능은 수평 위치, 굽힘 반경 7.0 mm 및 3.5 mm에서 측정되었다.Flexibility performance was measured in horizontal position, bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm.

기계적 유연성 테스트결과 굽힘 실험에 따른 외관의 변화가 없는 것을 확인하였다. As a result of the mechanical flexibility test, it was confirmed that there was no change in appearance due to the bending test.

도 29는 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 CV 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 30은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이며, 도 31은 본 발명의 한 구체예에 따른 ITO/PET 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 에너지 저장 성능을 나타낸 그래프이다. Figure 29 is a graph showing the CV profile before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including a composite material as an electrode on an ITO/PET substrate according to an embodiment of the present invention, and Figure 30 is a graph showing the ITO/PET according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement before and after measuring the flexibility of a supercapacitor containing a composite material as an electrode on a substrate, and Figure 31 is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement of a supercapacitor containing a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the energy storage performance of the supercapacitor including before and after measuring the flexibility.

도 29 내지 도 31을 참조하면, 기계적 유연성 측정 전후 CV프로파일은 매우 낮은 전류의 변동을 나타내었으며, 굽힘 실험에 따른 전류 전압의 변화가 크지 않은 것을 확인하였다. Referring to Figures 29 to 31, the CV profile before and after measuring mechanical flexibility showed very low current fluctuations, and it was confirmed that the change in current and voltage according to the bending test was not significant.

서로 상이한 굽힘 조건에서 EIS측정결과 또한 최소한의 차이만을 나타내었으며, 굽힘 반경이 3.5 mm인 경우에만 낮은 주파수에서 약한 분열이 나타났다.The EIS measurement results under different bending conditions also showed minimal differences, with weak fragmentation appearing at low frequencies only when the bending radius was 3.5 mm.

1000 번(cycle)의 굽힘 시험 후 에너지 저장 성능을 평가하였으며, 슈퍼커패시터 소자는 7.0 mm 및 3.5 mm의 굽힘 반경에서 200번의 굽힘 시험 후에도 초기 정전용량의 98%를 보전할 수 있는 것을 확인하였다. Energy storage performance was evaluated after 1000 cycles of bending tests, and it was confirmed that the supercapacitor device was able to preserve 98% of its initial capacitance even after 200 bending tests at bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm.

1000 번의 반복 굽힘 이후 결과는 90 내지 95% 수준으로 피부에 착장하는 스마트 전자장치의 실제 활용에 있어서 탁월하게 적합한 유연성을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.After 1,000 repeated bending results, it was confirmed that the flexibility was at a level of 90 to 95%, which is excellently suitable for actual use of smart electronic devices worn on the skin.

도 32는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 실험 사진이다.Figure 32 is a photograph of a flexibility test of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention.

직물을 기판으로 하는 경우에도 굽힘 시험 후 외관의 변화나 전극의 손상이 없는 것을 확인하였다. Even when fabric was used as a substrate, it was confirmed that there was no change in appearance or damage to the electrode after the bending test.

도 33은 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 CV 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 34는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정에 따른 결과를 나타낸 그래프이며, 도 35는 본 발명의 한 구체예에 따른 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 유연성 측정 전후의 에너지 저장 성능을 나타낸 그래프이다. Figure 33 is a graph showing the CV profile before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention, and Figure 34 is a graph showing a composite material on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement before and after measuring the flexibility of a supercapacitor including an electrode, and Figure 35 is a graph showing the results of a supercapacitor including a composite material as an electrode on a fabric substrate according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing energy storage performance before and after flexibility measurement.

도 33 내지 도 35를 참조하면, 굽힘이 있는 경우의 CV 및 EIS 결과는 전기화학적 산화환원 반응 성능이 다소 감소된 성능을 나타내었다.Referring to Figures 33 to 35, the CV and EIS results in the case of bending showed somewhat reduced electrochemical redox reaction performance.

굽힘 실험에서 500 번 굽힘 사이클 후 최대 98%, 1000 번 굽힘 사이클 후 93%의 정전용량이 매우 우수하게 유지되는 것을 확인하였다.In the bending experiment, it was confirmed that the capacitance was maintained very well at a maximum of 98% after 500 bending cycles and 93% after 1000 bending cycles.

ITO/PET 기판에 집전체가 적용된 슈퍼커패시터와 비교하면, 직물 소자보다 우수한 CV 및 EIS 프로파일을 나타내었으며, 이는 ITO/PET 상의 연속적인 전도성 반응에 기인하는 것으로 확인되었다. Compared to a supercapacitor with a current collector applied to an ITO/PET substrate, it showed superior CV and EIS profiles than the fabric device, and this was confirmed to be due to the continuous conductive reaction on the ITO/PET phase.

다만 굽힘 안정성의 경우 직물 기판의 슈퍼커패시터가 ITO/PET 소자보다 우수한 성능을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다. However, in the case of bending stability, it was confirmed that supercapacitors made of fabric substrates can exhibit superior performance than ITO/PET devices.

실험예 7. 슈퍼커패시터의 이중 전해질 기능화 확인Experimental Example 7. Confirmation of dual electrolyte functionalization of supercapacitor

박막형 슈퍼커패시터는 직물과 ITO/PET 기판 상에 제조되어 땀과 이온성액체의 이중 전해질의 기능성을 조사하였다.Thin-film supercapacitors were fabricated on fabric and ITO/PET substrates to investigate the functionality of dual electrolytes of sweat and ionic liquid.

초기 작업 땀 없이 이온성액체만을 포함하는 조건에서 성능을 평가하였으며, 슈퍼커패시터의 성능은 미니팬을 구동하기 어려웠다.Initial work The performance was evaluated under conditions containing only ionic liquid without sweat, and the performance of the supercapacitor was difficult to drive a mini fan.

도 36은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터를 인체에 착장 후 배출되는 땀을 전해질에 유입시키는 사진이다. Figure 36 is a photograph of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention being worn on the human body and allowing sweat discharged into the electrolyte.

슈퍼커패시터 소자는 인체의 팔에 고정되어 있으며, 착용자가 운동 기기에서 땀을 내는 동안 땀과 이온성 액체의 이중 전해질의 성능을 확인하였다.The supercapacitor element was fixed to the arm of the human body, and the performance of the dual electrolyte of sweat and ionic liquid was confirmed while the wearer sweated in an exercise device.

땀이 배출되는 운동 이후에 슈퍼커패시터 충방전 내역을 동시에 기록하였다.After exercising and sweating, the supercapacitor charging and discharging details were simultaneously recorded.

도 37은 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 미니팬 구동 사진이고, 도 38은 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 LED 구동 사진이며, 도 39는 본 발명의 한 구체예에 ITO/PET 및 직물 기판에 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 온습도계 구동 사진이다.Figure 37 is a photograph of a mini-fan operating a supercapacitor including ITO/PET and a composite material on a fabric substrate as electrodes in one embodiment of the present invention, and Figure 38 is a photograph of a supercapacitor including a composite material on ITO/PET and a fabric substrate in one embodiment of the present invention. This is a photo of the LED operation of a supercapacitor including as an electrode, and Figure 39 is a photo of a thermo-hygrometer operation of a supercapacitor including ITO/PET and a composite material on a fabric substrate as electrodes in one embodiment of the present invention.

도 37 내지 39를 참조하면, 땀에 의한 이중 전해질 자가충전 후의 슈퍼커패시터의 성능을 보여주며, ITO/PET 필름 및 직물 기판 상에 제조된 복합재를 포함하는 슈퍼커패시터의 미니 팬 작업 모델에 대한 구동능력이 개선된 것을 확인하였다.37 to 39, the performance of the supercapacitor after dual electrolyte self-recharging by sweat is shown, and the driving capacity of the mini-fan working model of the supercapacitor comprising the composite fabricated on ITO/PET film and fabric substrate. This improvement was confirmed.

추가적으로 소형 LED를 설치하고, 슈퍼커패시터의 땀의 재충전에 따른 온도 센서 및 습도 센서 소자의 성능을 실험한 결과 이중 전해질에서 땀의 첨가에 의한 자가충전 효율은 ITO/PET 필름과 직물 기판이 땀과 이온성액체의 이중 전해질 조건에서 자가충전이 매우 효율적으로 이루어져, 슈퍼커패시터에 매우 적합한 것을 확인하였다. Additionally, we installed a small LED and tested the performance of the temperature sensor and humidity sensor elements according to the recharge of sweat in the supercapacitor. As a result, the self-recharge efficiency by the addition of sweat in the double electrolyte was confirmed by the ITO/PET film and the fabric substrate. It was confirmed that self-charging was very efficient under the dual electrolyte conditions of the liquid liquid, making it very suitable for supercapacitors.

한편 직물 상에 슈퍼커패시터가 얹어진 작업 모델에서 이온성액체 모드에는 소자를 즉시 작동시키는데 거의 노력이 필요하지 않았으나, 이는 습기가 없는 완전한 고체 전극 및 전해질 시스템에 기인하는 것으로 판단된다. Meanwhile, in a working model with a supercapacitor on fabric, the ionic liquid mode required very little effort to immediately start the device, which is believed to be due to the moisture-free, completely solid electrode and electrolyte system.

땀으로 처리한 후 이중 전해질 모드에서 모든 슈퍼커패시터의 작업 모델의 잘 작동하였다. After processing with sweat, all models of supercapacitors worked well in dual electrolyte mode.

이러한 결과는 ITO/PET 기판이 집전체로 박막형 슈퍼커패시터 배열에서 우수한 전도성 층으로 작동할 수 있는 것을 나타내며, 직물 상의 슈퍼커패시터의 배열이 직물 상에 직접 적용하거나 고정하는 것 또한 효과가 있는 것을 나타내는 것이다. These results indicate that the ITO/PET substrate can act as an excellent conductive layer in an array of thin-film supercapacitors as a current collector, and that the array of supercapacitors on fabric is also effective when applied or fixed directly on the fabric. .

슈퍼커패시터 시스템은 부스터 회로 또는 증폭된 PCP 회로 시스템과 연결되어 스마트 전자기기의 에너지 저장에 유용하고 적합한 것을 확인하였다.The supercapacitor system was confirmed to be useful and suitable for energy storage in smart electronic devices when connected to a booster circuit or an amplified PCP circuit system.

주목할만한 장점은 전형적인 박막형 소자의 평면 설정 배열이 슈퍼커패시터 전극의 손상을 최소화하고, 이온성 액체 모드가 땀이 존재하지 않아도 전하 저장 반응을 진행할 수 있는 것으로, 복합재를 포함하는 슈퍼커패시터의 활용성을 증가시키는 것이다.Notable advantages are that the planar arrangement of a typical thin film device minimizes damage to the supercapacitor electrodes, and the ionic liquid mode allows the charge storage reaction to proceed even in the absence of sweat, which increases the usability of supercapacitors containing composites. It is to increase.

실험예 8. 슈퍼커패시터의 자가충전 및 충·방전 성능 확인Experimental Example 8. Confirmation of self-charging and charging/discharging performance of supercapacitor

이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터에서 땀의 성능 증가 효과, 땀 농도에 대한 성능을 평가하였다. The performance increase effect of sweat and the performance of sweat concentration were evaluated in a self-charging supercapacitor using dual electrolytes.

땀을 기반으로 하는 슈퍼커패시터의 방전 능력에 대한 성능 평가를 0시간(초기), 1, 2, 5, 10, 12, 24 및 72시간의 노출시간에 따라 평가하였다. The performance evaluation of the discharge ability of the sweat-based supercapacitor was evaluated according to the exposure times of 0 hours (initial), 1, 2, 5, 10, 12, 24, and 72 hours.

직물과 ITO/PET 필름 기판 상에 형성된 각각 두 가지 타입으로 제조된 슈퍼커패시터는 밀폐된 유리 챔버 내에 배치하였으며, 외부의 연결선과 연결되었다.Two types of supercapacitors, formed on fabric and ITO/PET film substrates, were placed in a sealed glass chamber and connected to an external connection line.

습윤 상태가 될 때까지 땀을 스프레이하였으며, 챔버를 밀폐하였고, 온도를 25℃로 유지하였다. 에너지 성능은 Biologic 워크스테이션을 사용하여 기록되었으며, 방전 전류는 LCR-6100설정을 통해 1 시간 동안 DCR Ohm 판독을 통해 측정되었다.Sweat was sprayed until wet, the chamber was sealed, and the temperature was maintained at 25°C. Energy performance was recorded using a Biologic workstation, and discharge current was measured via DCR Ohm readings over 1 hour using the LCR-6100 settings.

이후 슈퍼커패시터는 6개 유닛을 직열로 연결하고 대기조건에서 직물과 ITO/PET 필름 기판 상에서 전력원으로 가용 가능성을 조사하였다.Afterwards, six units of the supercapacitor were connected in series and its usability as a power source was investigated on fabric and ITO/PET film substrates under atmospheric conditions.

도 40은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 CV 곡선의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 41은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 전기화학임피던스 분광법(EIS)측정 결과의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 42는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합재를 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터의 땀의 젖음 시간 경과에 따른 방전 전류의 DCR 값의 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 40 is a graph showing the change in CV curve over sweat wetting time of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention, and Figure 41 is a graph showing a change in the CV curve of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the change in electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement results over time of sweat wetting of a supercapacitor including , and Figure 42 is a graph showing the change in sweat wetting of a supercapacitor including a composite material as an electrode according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the change in DCR value of discharge current over wetting time.

도 40에서, 25 mV/s 주사율에서 대칭 소자의 CV 프로파일을 나타내었다. In Figure 40, the CV profile of the symmetrical device at a scanning rate of 25 mV/s is shown.

측정된 모든 CV 프로파일은 슈퍼커패시터의 동작과 배터리의 산화환원 특성이 결합된 효과를 나타내는 거의 사각형의 산화환원 피크를 나타내었다.All measured CV profiles showed nearly square redox peaks, indicating the combined effect of the operation of the supercapacitor and the redox characteristics of the battery.

수득한 CV 프로파일 전위창(potential window)은 땀으로 젖은 조건에서 시간이 경과될수록 증가하였으며, 땀의 처리 후 10시간 경과 후에는 전류가 증가하여 전위창이 거의 2.5 V까지 확장되었고, 72시간 처리 후 두 종류의 슈퍼커패시터는 3.5 V의 증가된 전위와 40 mA의 고전류를 나타내었다.The potential window of the obtained CV profile increased with time under sweaty conditions, and after 10 hours of sweat treatment, the current increased and the potential window expanded to almost 2.5 V, and after 72 hours of treatment, the potential window increased. This type of supercapacitor exhibited an increased potential of 3.5 V and a high current of 40 mA.

전체 전압 범위에서 정상적인 정전 용량 동작을 나타내었으며, 이와 함께 장치 전류 및 전위 전압의 성능이 단계적으로 증가되는 것을 확인하였다.Normal capacitance operation was observed over the entire voltage range, and it was confirmed that the performance of device current and potential voltage increased step by step.

3.0 V에서 3.5 V까지의 이러한 특징적인 전압은 해당 구역에서 비정상적인 작동 전압에 해당하는 것이며, 이중 전해질 기능 슈퍼커패시터에서 이러한 높은 작동 전압은 아직까지 지금까지 보고된 어느 슈퍼커패시터 보다 높은 작동전압인 것이다.These characteristic voltages of 3.0 V to 3.5 V correspond to unusual operating voltages in this region, and these high operating voltages for the dual electrolyte functional supercapacitor are still higher than those of any other supercapacitor reported to date.

도 41을 참조하면, 직물과 ITO/PET 필름 기판 표면에서 장시간 땀에 노출된 이중 전해질 기능화 기반 방전 성능을 EIS로 분석한 결과를 나타내었다. Referring to Figure 41, the results of EIS analysis of the discharge performance based on dual electrolyte functionalization on the surfaces of fabric and ITO/PET film substrates exposed to sweat for a long time are shown.

기록된 EIS 세부정보는 또한 슈퍼커패시터의 고 전도성과 우수한 전기적 연결을 나타내었으며, 직물과 필름 상에 제조된 소자의 EIS 결과는 땀을 흡수하는 시간의 증가에 따라 놀라울 정도 전기 전도도가 증가되는 것을 나타내었다. The recorded EIS details also revealed the high conductivity and excellent electrical connection of the supercapacitor, while the EIS results of devices fabricated on fabrics and films showed a surprising increase in electrical conductivity with increasing sweat absorption time. indicated.

직물과 ITO/PET 필름 모두에서 슈퍼커패시터는 전형적인 등가 저항을 나타내었다. The supercapacitors in both fabric and ITO/PET film exhibited typical equivalent resistances.

지속 시간 실험 동안 소자의 주파수에 대한 직선(90°)으로서 위상각의 의존도를 확인하였다.The dependence of the phase angle as a straight line (90°) on the frequency of the device was confirmed during the duration experiment.

땀의 흡수시간의 증가에 따라 직선이 증가되었으며, 예를 들면 EIS 주파수에서 위상각은 65 °를 초과하여 증가되었고, 이 것은 슈퍼커패시터의 충전 반응 및 이의 증가를 나타내며, 이 반응은 두 종류의 수퍼커패시터 모두에서 10 시간 이후 최적화되었다.With the increase of sweat absorption time, the straight line increased, for example, at the EIS frequency, the phase angle increased beyond 65°, which indicates the charging response of the supercapacitor and its increase, which is reflected in the two types of supercapacitors. Both capacitors were optimized after 10 hours.

위상각에 대한 특성 주파수 범위는 직물과 ITO/PET 필름 모두 약간 유사하였으며, 이 것은 10 시간 동안 땀을 흘린 후 두 종류의 장치가 최적의 에너지 저장 성능 수준에 도달한 것을 의미한다.The characteristic frequency range for phase angle was somewhat similar for both fabric and ITO/PET films, meaning that both types of devices reached their optimal energy storage performance level after 10 hours of sweating.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼커패시터는 땀이 배출되는 환경에서의 유연성 슈퍼커패시터의 실제적인 어플리케이션을 제공할 수 있다.Therefore, the supercapacitor according to an embodiment of the present invention can provide practical application of a flexible supercapacitor in an environment where sweat is emitted.

도 42를 참조하면, 종래에는 슈퍼커패시터의 자체 방전 특성을 무시하였으나, 땀을 포함하여 이중 전해질 기능화 처리 후 제작된 슈퍼커패시터 소자의 자체 방전 특성을 확인하였다. Referring to FIG. 42, the self-discharge characteristics of a supercapacitor were previously ignored, but the self-discharge characteristics of a supercapacitor device manufactured after dual electrolyte functionalization treatment including sweat were confirmed.

DCR 프로파일은 처음 5분 동안 작고 빠른 자체 방전 특성을 나타내고, 그후 충전 성능이 다른 60분 동안 유지되는 것을 나타낸다. DCR 변형은 또한 시간 경과에 따른 슈퍼커패시터의 충전 성능을 나타낸다.The DCR profile shows small and fast self-discharge characteristics for the first 5 minutes, and then the charging performance is maintained for another 60 minutes. DCR variation also indicates the charging performance of the supercapacitor over time.

10시간의 땀 처리 후 이들 슈퍼커패시터의 성능은 최적화되거나 최고점을 나타내었다.After 10 hours of sweat treatment, the performance of these supercapacitors was optimized or peaked.

DCR의 세부정보는 제조된 슈퍼커패시터가 낮은 자가 방전 특성을 가지는 것을 나타내며, 이는 웨어러블 전자장치 어플리케이션에 대한 적합성을 나타내는 것이다.Details of the DCR indicate that the fabricated supercapacitor has low self-discharge characteristics, indicating its suitability for wearable electronics applications.

한편, 직물 및 ITO/PET 필름 상에 제조된 슈퍼커패시터의 땀의 농도에 따른 성능은 100%(순수 땀), 물로 희석되어 75%, 50%, 25%, 10% 인 농도를 사용하여 확인하였다.Meanwhile, the performance of supercapacitors manufactured on fabric and ITO/PET film according to sweat concentration was confirmed using 100% (pure sweat), 75%, 50%, 25%, and 10% diluted with water. .

땀으로 희석된 경우의 순환전류전압 측정 결과는 직물과 ITO/PET 필름 기반 슈퍼커퍼시터 모두에서 순수한 땀과 74% 희석된 경우에서 큰 차이를 나타내지 않았다. 다만 50% 농도에서 전류 밀도가 약간 증가하였고, 25% 및 10%에서 전류 밀도가 감소하였다. The cyclic current voltage measurement results in the case diluted with sweat showed no significant difference between pure sweat and 74% diluted case for both fabric and ITO/PET film-based supercapacitors. However, the current density slightly increased at 50% concentration, and decreased at 25% and 10%.

지속 충전 성능과 전체적으로 비교하면, 서로 다른 희석 농도 인자는 전류 밀도의 편차에 큰 영향을 미치지 못하는 것을 확인하였다. When compared overall with the continuous charging performance, it was confirmed that different dilution concentration factors did not have a significant effect on the deviation of current density.

따라서 전기적 용량 및 최적화된 충·방전 성능을 유지하기 위하여 최대 10 시간 동안 충전이 성능에 중요한 요소임을 확인하였다. Therefore, it was confirmed that charging for up to 10 hours is an important factor in performance in order to maintain electrical capacity and optimized charge/discharge performance.

실험예 9. 슈퍼커패시터의 생체적합성 확인Experimental Example 9. Confirmation of biocompatibility of supercapacitor

실시예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 생체적합성을 확인하였다. The biocompatibility of the supercapacitor manufactured according to the example was confirmed.

이온성 액체 모드 및 땀 모드에서 HT-29 세포와 TREN/PEDOT/GO-Cu 킬레이트 복합재의 처리는 SW100%(순수 땀) 및 각각 SW75%, SW50%, SW25% 및 SW10%로 땀을 희석하여 사용하였다.Treatment of HT-29 cells with TREN/PEDOT/GO-Cu chelate composite in ionic liquid mode and sweat mode using SW100% (pure sweat) and sweat diluted to SW75%, SW50%, SW25% and SW10%, respectively. did.

모든 샘플은 HT-29 세포로 간단히 조사하였으며, 세포 배양((5 Х 103 세포 mL-1)은 24웰 플레이트에서 배양하고 IC50(22.62μg mL-1)을 통해 보존하였다.All samples were briefly probed with HT-29 cells, cell cultures (5 Х 103 cells mL-1) were grown in 24-well plates and preserved through IC50 (22.62 μg mL-1).

세포의 생존력 변화는 24시간 성장 후 광학 현미경(역광, Nikon, Eclipse TS 100).)으로 관찰하였다.Changes in cell viability were observed under a light microscope (backlight, Nikon, Eclipse TS 100) after 24 hours of growth.

HT-19 세포주에 대한 MTT 어세이 실험 및 세포 생존력 변화는 TREN/PEDOT/GO-Cu 킬레이트 복합재의 우수한 생체 적합성을 나타내었으며, 땀의 농도에 따른 인자 또한 세포의 생존력에 그다지 영향을 미치지 못하는 것을 확인하였다.MTT assay experiments and changes in cell viability for the HT-19 cell line showed excellent biocompatibility of the TREN/PEDOT/GO-Cu chelate composite, and it was confirmed that factors depending on sweat concentration did not significantly affect cell viability. did.

제조된 이중 전해질에 의한 자가충전 슈퍼커패시터는 생체적합성이 있는 것으로 확인되었다.The self-charging supercapacitor using the prepared dual electrolyte was confirmed to be biocompatible.

실험예 10. 반복 성능 및 pH 영향 확인Experimental Example 10. Confirmation of repeatability and pH effect

실시예에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 반복 사용에 따른 장시간 주기적 안정성을 평가하였다. The long-term cyclical stability of the supercapacitor manufactured according to the example was evaluated following repeated use.

초기 면적 정전용량은 땀과 이온성액체의 이중 전해질에 의한 자가충전 조건에서 50,000 번 반복의 96% 이상으로 유지되었고, TREN/PEDOT 및 TREN/PEDOT/GO 필름을 전극으로 포함하는 슈퍼커패시터는 65% 이상의 전정용량을 유지하였다.The initial area capacitance was maintained at more than 96% for 50,000 repetitions under self-charging conditions with dual electrolytes of sweat and ionic liquid, and 65% for supercapacitors containing TREN/PEDOT and TREN/PEDOT/GO films as electrodes. The above vestibular capacity was maintained.

실시예 따른 슈퍼커패시터는 우수한 반복 성능을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다. It was confirmed that the supercapacitor according to the example can exhibit excellent repeatability.

이온성 액체가 포함된 복합재(TREN/PEDOT/GO-Cu)를 전극으로 사용하는 슈퍼커패시터 또한 높은 성능을 나타내었으며, 50,00사이클 까지의 실험에서 80% 이상의 전정용량 보유율을 나타내었다.Supercapacitors using ionic liquid-containing composites (TREN/PEDOT/GO-Cu) as electrodes also showed high performance, showing a capacitance retention rate of more than 80% in experiments up to 50,00 cycles.

한편 슈퍼커패시터의 성능을 pH 1, 3, 5, 6, 7, 10, 12 과 같은 다양한 pH 조건에서 실험하였다. Meanwhile, the performance of the supercapacitor was tested at various pH conditions such as pH 1, 3, 5, 6, 7, 10, and 12.

두 가지의 다른 이온성액체 및 이온성액체와 땀의 이중 전해질 모드에서 직물과 ITO/PET 필름 기판 상에 제조된 슈퍼커패시터는 완충 용액을 이용하여 전해질의 pH를 조절하였다.Supercapacitors fabricated on fabric and ITO/PET film substrates in two different ionic liquids and in the dual electrolyte mode of ionic liquid and sweat were adjusted to pH of the electrolyte using a buffer solution.

pH에 따른 전류 밀도 성능은 모든 슈퍼커패시터에서 중성 및 염기성 pH 매질에서 높은 전류 밀도를 거의 나타내지 않았다. pH 6에서 7범위와 성능은 사람의 피부에 적합하여 권장할 수 있으며, 피부에 부착하는 스마트 전자장치 소자로 사용이 가능하다. Current density performance as a function of pH showed that all supercapacitors rarely showed high current densities in neutral and basic pH media. The pH range of 6 to 7 and performance are suitable for human skin and can be recommended, and it can be used as a smart electronic device attached to the skin.

실시예에 따른 슈퍼커패시터는 상기 pH 범위에서 잘 작동되는 것을 확인하였다.It was confirmed that the supercapacitor according to the example operates well in the above pH range.

슈퍼커패시터의 비정전용량, 사이클 안정성 및 에너지 밀도를 종래 슈퍼커패시터와 비교하였다.The specific capacitance, cycle stability, and energy density of the supercapacitor were compared with those of conventional supercapacitors.

땀을 이용하는 대부분의 슈퍼커패시터는 효소를 기반으로 하며, 땀을 전해질로 하여 동작한다. Most supercapacitors that use sweat are enzyme-based and operate using sweat as an electrolyte.

실시예에 따른 슈퍼커패시터는 PEDOT 폴리머 및 CNT는 복합재를 이용하여 전극에서 효소를 사용하지 않고 전하 이동을 증가시키는 중요한 역할을 수행하며, 땀 기반 전극을 포함하는 슈퍼커패시터에 대한 호환성 및 적합성을 나타내었다.The supercapacitor according to the example uses a composite of PEDOT polymer and CNT, which plays an important role in increasing charge transfer without using enzymes in the electrode, and shows compatibility and suitability for a supercapacitor including a sweat-based electrode. .

또한 실시예에 따른 슈퍼커패시터의 성능 프로파일을 확인하면, 제조된 수퍼커패시터는 비정전용량에서 100 배 이상의 증가된 성능을 나타내는 것을 확인하였다.In addition, when checking the performance profile of the supercapacitor according to the example, it was confirmed that the manufactured supercapacitor showed a performance increase of more than 100 times in specific capacitance.

실시예에 따른 슈퍼커패시터는 50,000 번까지 매우 우수한 순환 안정성을 나타내는 것을 확인하였다. 우수한 순환 성능은 유연성을 가지는 박막형 슈퍼커패시터에서 달성되었으며, 우수한 순환 안정성을 가지고 높은 면적 정전용량을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다. It was confirmed that the supercapacitor according to the example shows excellent cycling stability up to 50,000 cycles. Excellent cycling performance was achieved in a flexible thin-film supercapacitor, and it was confirmed that it can exhibit high area capacitance with excellent cycling stability.

한편 실시예에 따른 복합재(TREN/PEDOT/GO-Cu chelate)의 주요 부분이 이온성 액체와 땀에 의해 자가충전이 가능한 것은 금속 킬레이트(Cu), O, S 및 N원소에 의해 대부분 뒷받침된다. 더욱이 이온성 액체가 금속 산화물 표면과의 정전기 상호작용으로 큰 전하 밀도 축적에 따른 정전용량을 나타내는 전기 이중층 능력을 증가시키는 것을 확인하였다.Meanwhile, the fact that the main part of the composite material (TREN/PEDOT/GO-Cu chelate) according to the example can be self-charged by ionic liquid and sweat is largely supported by metal chelate (Cu), O, S, and N elements. Furthermore, it was confirmed that the ionic liquid increases the electric double layer ability, which exhibits capacitance due to the accumulation of large charge density, through electrostatic interaction with the metal oxide surface.

CuO 또는 ZnO와 같은 반도체 금속산화물과 이온성액체의 양이온 및 음이온의 정전기 및 전기화학적 교환은 신호 증폭에도 사용할 수 있는 엄청난 계면 정전 용량을 나타내었고, 이온성액체인 BMIM[BF4]는 웨어러블 감지 장치의 변형된 활성 물질 표면에서 고정된 항체 수용 프로브의 안정화 매개물질로 확인되었다. Electrostatic and electrochemical exchange of cations and anions of semiconductor metal oxides such as CuO or ZnO and ionic liquids exhibited tremendous interfacial capacitance that can be used for signal amplification, and BMIM[BF 4 ], an ionic liquid, has been used as a wearable sensing device. It was confirmed to be a stabilizing mediator for the antibody receptor probe immobilized on the surface of the modified active material.

따라서 땀과 이온성액체를 포함하는 이중 전해질에 의한 자가충전 성능은 슈퍼커패시터 장치가 웨어러블 피부 기반 전자장치로 매우 적합한 가능성을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the self-charging performance using a dual electrolyte containing sweat and ionic liquid shows that the supercapacitor device has the potential to be very suitable as a wearable skin-based electronic device.

본 발명은 땀과 이온성액체 이용하여 직물 또는 ITO/PET 필름 기판 상에 복합재가 전극으로 형성되어 이중 전해질에 의한 자가충전이 가능한 박막형 슈퍼커패시터를 제공한다. 제조된 소자는 유연한 조건 하에서 손상을 감소시키기 위해 전체가 평면 형으로 배열되며, 트리(2-아미노에틸)아민, 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜, 그래핀옥사이 및 구리 매개 킬레이트로의 혼합물로 제조된 고강도 전극이 배열되었다. 이들 소자는 7.0 mm 및 3.5 mm 굽힘 반경 조건에서 90%의 정전용량을 유지하여 우수한 기계적 안정성과 유연성을 나타내었고, 이온성 액체와 땀에 의한 자가충전 성능을 발휘하는, 이중 전해질 모드의 슈퍼커패시터는 탁월한 에너지 저장 성능을 나타내었다(최대 36 F·cm-2 면적 정전용량 및 4.5 Wh·cm-2 에너지 밀도).The present invention provides a thin film-type supercapacitor capable of self-charging by dual electrolytes in which a composite material is formed as an electrode on a fabric or ITO/PET film substrate using sweat and ionic liquid. The fabricated device is arranged entirely in a planar shape to reduce damage under flexible conditions, and is a mixture of tri(2-aminoethyl)amine, poly-3,4-ethylenedioxythiophene, graphene oxide, and copper-mediated chelate. High-strength electrodes made of were arranged. These devices exhibited excellent mechanical stability and flexibility by maintaining 90% capacitance under bending radius conditions of 7.0 mm and 3.5 mm, and the supercapacitor in dual electrolyte mode, which exhibits self-charging performance by ionic liquid and sweat, is It exhibited excellent energy storage performance (up to 36 F·cm -2 areal capacitance and 4.5 Wh·cm -2 energy density).

이러한 슈퍼커패시터를 포함하는 웨어러블 장치는 전해질 충전을 위해 운동 중 신체에 잘 부착되었으며, 이들 슈퍼커패시터는 땀으로 젖는 시간 동안 전압 범위가 증가함에 따라 증가한 전류 밀도를 나타내었다. 소자에서 땀 전해질 모드는 직물 및 ITO/PET 기판이 매우 작아도 우수한 성능 증가를 확인하였다.Wearable devices containing these supercapacitors were well attached to the body during exercise to recharge electrolytes, and these supercapacitors exhibited increased current density with increasing voltage range during sweating time. In the device, sweat electrolyte mode showed excellent performance increase even when the fabric and ITO/PET substrate were very small.

본 발명은 폴리머-그래핀옥사이드-금속킬레이트 복합재를 전극으로 하여 이중 전해질에 의해 자가충전 되는 슈퍼커패시터를 최초로 개시하는 것이며, 이러한 슈퍼커패시터는 땀을 기반으로 하는 고전력 전력원을 제안하여 피부에 부착가능한 웨어러블 소자로 다양한 스마트 전자장치에 장착될 수 있다.The present invention is the first to disclose a supercapacitor that is self-charged by a dual electrolyte using a polymer-graphene oxide-metal chelate composite as an electrode. This supercapacitor proposes a high-power power source based on sweat and can be attached to the skin. As a wearable device, it can be installed in various smart electronic devices.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been examined focusing on the embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope should be construed as being included in the present invention.

1000 : 슈퍼커패시터
100 : 집전체(기판) 200 : 전극(복합재)
300 : 전해질 400 : 금속와이어(Cu)
1000: Supercapacitor
100: Current collector (substrate) 200: Electrode (composite material)
300: Electrolyte 400: Metal wire (Cu)

Claims (15)

아민계화합물;
전도성고분자;
그래핀옥사이드; 및
금속산화물을 포함하고,
상기 아민계화합물, 전도성고분자 및 그래핀옥사이드가 매트릭스를 형성하며, 상기 금속산화물의 금속이 상기 매트릭스와 킬레이트를 형성하는 것이고,
상기 매트릭스는 그래핀옥사이드의 반응기에 아민계화합물 및 전도성고분자가 수소결합하여 형성되는 것인,
슈퍼커패시터 전극용 복합재.
Amine-based compounds;
conductive polymer;
graphene oxide; and
Contains metal oxides,
The amine compound, conductive polymer, and graphene oxide form a matrix, and the metal of the metal oxide forms a chelate with the matrix,
The matrix is formed by hydrogen bonding an amine-based compound and a conductive polymer in a reactor of graphene oxide.
Composites for supercapacitor electrodes.
제1항에 있어서, 상기 아민계화합물은 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine]을 포함하고,
상기 전도성고분자는 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene)을 포함하며,
상기 금속산화물은 산화구리(CuO)를 포함하는 것인 슈퍼커패시터 전극용 복합재.
The method of claim 1, wherein the amine compound includes tri(2-aminoethyl)amine [Tris(2-aminoethyl)amine],
The conductive polymer includes 3,4-ethylenedioxythiophene,
A composite material for a supercapacitor electrode wherein the metal oxide includes copper oxide (CuO).
제1항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 공동(cavity)이 형성된 것인, 슈퍼커패시터 전극용 복합재.
The composite material for supercapacitor electrodes according to claim 1, wherein the composite material for supercapacitor electrodes has a cavity formed therein.
제1항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터 전극용 복합재는 변형율이 12% 이상이고, 인장강도가 22 MPa 이상인 것인, 슈퍼커패시터 전극용 복합재.
The composite material for supercapacitor electrodes according to claim 1, wherein the composite material for supercapacitor electrodes has a strain rate of 12% or more and a tensile strength of 22 MPa or more.
집전체;
상기 집전체 상에 적어도 1개 이상으로 적층되는 전극;
상기 전극에 임프린팅 되는 전해질; 및
상기 전극 상부에 구비되는 금속와이어;를 포함하고,
상기 전극은 제1항의 복합재로부터 형성된 것인,
슈퍼커패시터.
house collector;
At least one electrode stacked on the current collector;
Electrolyte imprinted on the electrode; and
It includes a metal wire provided on the upper part of the electrode,
The electrode is formed from the composite material of claim 1,
Supercapacitor.
제5항에 있어서, 상기 복합재는 트리(2-아미노에틸)아민[Tris(2-aminoethyl)amine], 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene), 그래핀옥사이트 및 산화구리(CuO)를 포함하고, 상기 구리가 킬레이트를 형성하는 것인, 슈퍼커패시터.
The method of claim 5, wherein the composite material includes tris(2-aminoethyl)amine, 3,4-ethylenedioxythiophene, graphene oxide, and copper oxide ( CuO), wherein the copper forms a chelate.
제5항에 있어서, 상기 집전체는 직물 또는 ITO/PET를 포함하는 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor of claim 5, wherein the current collector includes fabric or ITO/PET.
제5항에 있어서, 상기 전해질은 이온성액체를 포함하고, 인체에서 배출 땀이 혼합되는 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor according to claim 5, wherein the electrolyte includes an ionic liquid mixed with sweat discharged from the human body.
제5항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터의 면적정전용량은 0.2 mA·cm-2에서 36 F·cm-2인 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor of claim 5, wherein the area capacitance of the supercapacitor is 36 F·cm -2 at 0.2 mA·cm -2 .
제5항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 7.0 mm 및 3.5 mm의 굽힘반경에서 200 회 굽힘실험 후 초기정전용량의 90% 이상을 보전하는 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor according to claim 5, wherein the supercapacitor preserves more than 90% of its initial capacitance after 200 bending tests at bending radii of 7.0 mm and 3.5 mm.
제5항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 이온성액체 및 땀을 포함하는 이중 전해질 조건에서 순환전류전압 측정에 따른 CV 프로파일 전압이 3.5 V로 증가하는 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor according to claim 5, wherein the CV profile voltage increases to 3.5 V according to the cyclic current voltage measurement under dual electrolyte conditions containing ionic liquid and sweat.
제5항에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 이온성액체, 땀 또는 이들의 조합에 의한 전해질 조건에서 자가충전이 가능한 것인, 슈퍼커패시터.
The supercapacitor according to claim 5, wherein the supercapacitor is capable of self-charging under electrolyte conditions using ionic liquid, sweat, or a combination thereof.
상기 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슈퍼커패시터를 전력유닛으로 포함하는 스마트 웨어러블 전자장치.
A smart wearable electronic device comprising the supercapacitor according to any one of claims 5 to 12 as a power unit.
(a) 금속산화물 전구체와 하이드라진을 수열합성하여 금속산화물을 포함하는 분산액을 제조하는 단계;
(b) 전도성고분자 및 아민계화합물을 포함하는 용액에 그래핀옥사이드와 상기 분산액을 첨가하고, 이온성액체를 촉매로 첨가하고 교반하여 복합재 조성물을 제조하는 단계;
(c) 상기 복합재 조성물을 건조하여 복합재 필름을 수득하는 단계;
(d) 상기 복합재 필름을 집전체 상에 부착하는 단계;를 포함하는,
슈퍼커패시터 제조방법.
(a) preparing a dispersion containing a metal oxide by hydrothermal synthesis of a metal oxide precursor and hydrazine;
(b) adding graphene oxide and the dispersion to a solution containing a conductive polymer and an amine compound, adding an ionic liquid as a catalyst and stirring to prepare a composite composition;
(c) drying the composite composition to obtain a composite film;
(d) attaching the composite film to a current collector; including,
Supercapacitor manufacturing method.
제13항에 있어서, 상기 이온성액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)인 것인, 슈퍼커패시터 제조방법.
The method of claim 13, wherein the ionic liquid is 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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All-Transparent Stretchable Electrochromic Supercapacitor Wearable Patch Device
Leakage free electrolyte engraved flexible supercapacitors from Chitosan/GO@MnCO3 polymer hydrogel chelate film under BMIMBF4 ionic liquid assistance
rGO/CuO/PEDOT nanocomposite formation, its characterisation and electrochemical performances for supercapacitors
Tris-(2-aminoethyl)amine-Intercalated Graphene Oxide as an Efficient 2D Material for Cerium-Ion Fluorescent Sensor Applications

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