[논문 리뷰] Fabrication of Flexible Super Capacitor Using Laser Lightscribe Technique

G. B. Joseph, A. Alfred Kirubaraj외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 23.

Supercapacitor Materials and Fabrication참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 그래프트 옥사이드 코팅된 PET 필름에 레이저 Lightscribe 기술을 사용하여 저비용이며 확장 가능한 방식으로 유연한 슈퍼커퍼시터를 제작하는 방법을 제시한다. GO에서 그래핀으로의 레이저 유도 환원은 패턴화된 유연한 전극을 가능하게 하며, 측정된 태양전지 용량은 120 nF이고, 10 V에서 20 kΩ에서 20 V에서 8 kΩ로 저항이 감소하여 고주파 응답과 전기적 안정성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 사용 가능한 자재와 소비자용 레이저 기술을 활용하여 저비용이며 확장 가능한 방식으로 유연한 슈퍼커퍼시터를 제작하는 데 목적이 있다.
• Lightscribe 레이저 시스템을 사용하여 도핑된 그래프트 옥사이드(GO)를 도전성 그래핀으로 변환하고, 도전성 전극을 패턴화하여 도전성 기판에 적용하는 방법을 탐색한다.
• 제작된 슈퍼커퍼시터의 전기적 성능을 평가하며, 저항, 용량, 주파수 응답을 포함한다.
• 반복 노출을 통해 레이저 패턴화 공정을 최적화하여 도전성과 장치 일관성을 향상시킨다.

제안 방법

• 수정된 Hummers 방법을 통해 그래프트 옥사이드(GO)를 합성하고, 이를 도전성 PET 필름 기판에 코팅하였다.
• Lightscribe 레이저 드라이브와 소프트웨어를 사용하여 GO 코팅된 PET 필름에 직접 슈퍼커퍼시터 구성을 패턴화하였다.
• 작성 과정 중 레이저 조사로 GO가 그래핀으로 환원되어 정의된 패턴에 따라 도전성 전극이 형성되었다.
• 직류 전압 스윕을 통해 다양한 전압(10 V 및 20 V)에서 저항을 측정하기 위해 전기적 특성 분석을 수행하였다.
• 임피던스 스펙트로스코피를 사용하여 주파수 응답을 분석하고 용량을 추정하였으며, 120 nF의 값을 도출하였다.
• 레이저 패턴화 공정은 반복적인 런을 통해 도전성과 패턴 정밀도 향상을 위해 최적화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Lightscribe 레이저 시스템은 도전성 PET 기판에 GO를 효과적으로 패턴화하고 그래핀으로 환원하여 슈퍼커퍼시터 전극을 제작하는 데에 적합한가?
• RQ2 적용된 전압이 증가함에 따라 제작된 슈퍼커퍼시터의 전기적 저항은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 레이저 패턴화된 유연한 슈퍼커퍼시터의 주파수 응답과 용량 값은 무엇인가?
• RQ4 반복 노출을 통해 레이저 패턴화 공정을 얼마나 최적화할 수 있으며, 장치 성능 향상에 기여하는가?

주요 결과

• 제작된 유연한 슈퍼커퍼시터는 10 V에서 20 kΩ의 저항을 보였고, 20 V에서 8 kΩ로 감소하여 높은 전압에서 도전성이 향상됨을 나타냈다.
• 임피던스 측정 결과 고주파 응답이 확인되어 빠른 충전/방전 사이클이 필요한 응용 분야에 적합함을 입증했다.
• 장치의 추정 용량은 120 nF였으며, 효과적인 에너지 저장 능력을 보였다.
• 레이저 Lightscribe 기술은 도전성 PET 기판에 제어된 방식으로 GO를 도전성 그래핀으로 변환하는 데 성공하였다.
• 반복적인 레이저 노출는 패턴화된 전극의 품질과 도전성을 향상시켜 성능 최적화를 가능케 하였다.