[論文レビュー] Fabrication of Flexible Super Capacitor Using Laser Lightscribe Technique

G. B. Joseph, A. Alfred Kirubaraj+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2014

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、グラファイト酸化物被膜を施したPETフィルムを用い、レーザーLightscribe技術を用いて、低コストでスケーラブルな方法で柔軟性のあるスーパーキャパシタを製造する手法を提示する。GOからグラフェンへのレーザー誘起還元により、パターン化された柔軟電極が得られ、測定された静電容量は120 nF、10 Vで20 kΩから20 Vで8 kΩへ抵抗が低下し、高周波応答性と電気的安定性を示した。

ABSTRACT

Super capacitors are promising energy storage devices due to their capability of delivering high peak current and storing high amount of energy in a short time with very low internal power loss. We fabricated the graphene or graphite oxide super-capacitor using laser Lightscribe technique. We prepared graphite oxide by modified hummers method and used PET film as a flexible substrate on which graphite oxide (GO) was coated. Using Lightscribe drive and software, the super-capacitor configuration was patterned on the GO coated PET film. During the writing process, the laser converts GO into graphene. We characterized the fabricated flexible super-capacitor which exhibits high resistance of 20KOhm with applied voltage of 10V and further increase of voltage (20V) decreases the resistance to 8KOhm. We also analyzed the frequency response of the capacitor using impedance measurement which shows high frequency response and estimated capacitance is 120nF. We optimized the patterns by running the Lightscribe repeatedly on the GO coated PET substrate.

研究の動機と目的

• 入手可能な材料と一般消費者向けレーザー技術を用いて、低コストでスケーラブルな方法で柔軟スーパーキャパシタを製造すること。
• Lightscribeレーザーシステムを用いて、柔軟基板上にグラファイト酸化物（GO）をパターン化し、導電性グラフェンに還元する手法を検討すること。
• 作製されたスーパーキャパシタの電気的性能を評価すること。抵抗、静電容量、周波数応答を含む。
• 繰り返し露光によるプロセス最適化を通じて、導電性とデバイスの一貫性を向上させること。

提案手法

• グラファイト酸化物（GO）は、変更されたハムマーズ法により合成され、柔軟なPETフィルム基板にコーティングされた。
• Lightscribeレーザードライブおよびソフトウェアを用いて、GO被膜を施したPETフィルム上に直接、スーパーキャパシタの構成をパターン化した。
• ライティングプロセス中のレーザー放射により、GOがグラフェンに還元され、所定のパターンに導電電極が形成された。
• 電気的特性評価は、DC電圧スイープを用い、10 Vおよび20 Vの異なる電圧での抵抗を測定した。
• インピーダンススペクトロスコピーを用いて周波数応答を分析し、静電容量を推定した。その値は120 nFであった。
• レーザーパターニングプロセスは、繰り返し走行により最適化され、導電性とパターン定義の向上が図られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Lightscribeレーザーシステムは、柔軟なPET基板上にGOをパターン化し、グラフェンに還元するのに効果的か？
• RQ2 印加電圧の増加に伴い、作製されたスーパーキャパシタの電気的抵抗はどのように変化するか？
• RQ3 レーザーでパターン化された柔軟スーパーキャパシタの周波数応答と静電容量値は何か？
• RQ4 繰り返し露光によるレーザーパターニングプロセスの最適化は、デバイス性能の向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• 作製された柔軟スーパーキャパシタは、10 Vで20 kΩの抵抗を示し、20 Vでは8 kΩに低下し、高電圧下での導電性向上を示した。
• インピーダンス測定により、高周波応答性が確認され、急速な充放電サイクルを要する用途に適していることが示された。
• デバイスの推定静電容量は120 nFであり、有効なエネルギー貯蔵能力を示した。
• レーザーLightscribe技術により、柔軟なPET基板上に、制御されたパターン化された形でGOから導電性グラフェンへの変換が成功した。
• 繰り返しレーザー露光により、パターン化電極の品質と導電性が向上し、デバイス性能の最適化が可能になった。