소형화 높이

중국과학원 허페이 물리과학연구소

이미지: 그림 1. 합성된 3D-CT 그리드의 개략도: 3D-CT, 3D-CNT@CT 및 3D-RCT.더보기

크레딧: HAN Fangming

중국과학원(CAS) 허페이 물리과학연구소(HFIPS) 고체물리연구소 MENG Guowen 교수 연구팀, 미국 뉴어크 델라웨어대학교 WEI Bingqing 교수와 협력 성공 는 전기 이중층 커패시터(EDLC)의 전극으로 구조적으로 통합된 고도로 지향성인 탄소 튜브(CT) 그리드를 개발하여 해당 주파수에서 주파수 응답 성능과 면적 및 체적 정전용량을 크게 향상시켰습니다. 전자회로에 고성능 소형 교류(AC) 라인필터링 커패시터로 활용돼 전자제품의 소형화와 휴대성을 위한 필수 소재와 기술을 제공할 것으로 기대된다.

결과는 2022년 8월 26일 사이언스(Science)에 게재되었습니다.

AC를 직류(DC)로 변환하는 것은 전자 장치에 전력을 공급하는 데 필수적입니다. 이 과정에서 필터 커패시터는 정류된 DC 신호의 전압 리플을 평활화하는 중추적인 역할을 하여 전기 및 전자 장비의 품질과 신뢰성을 보장합니다. 알루미늄 전해 커패시터(AEC)는 이 분야에서 널리 사용됩니다. 그럼에도 불구하고, 이는 낮은 체적 용량으로 인해 항상 가장 큰 전자 부품이며, 이는 소형화 및 휴대용 전자 제품의 개발을 심각하게 제한합니다.

일반적으로 탄소 재료를 전극으로 사용하는 EDLC는 장치 소형화 추세에 따라 더 높은 비정전 용량으로 인해 AEC를 대체할 AC 라인 필터링의 잠재적 후보로 간주되지만 낮은 작동 주파수(~1Hz)로 인해 제한됩니다. 고배향 탄소나노물질을 전극으로 사용하면 동작주파수를 높일 수 있지만, 비정전용량은 매우 제한적이다. 한편, 인접한 탄소나노튜브나 그래핀 시트 사이의 물리적 접촉은 저항을 증가시켜 주파수 응답을 더욱 느리게 할 뿐만 아니라, 탄소나노재료의 질량 부하를 증가시켜 큰 정전용량을 얻기 어렵게 만듭니다. 높은 비정전용량을 유지하면서 빠른 주파수 응답을 증가시키기 위한 새로운 구조의 재료 개발이 시급합니다.

연구팀은 2015년부터 이 주제를 연구해왔습니다. 끊임없는 노력 끝에 화학 결합에 의해 측면으로 상호 연결된 CT를 갖춘 새로운 3차원(3D) 구조 통합 및 고도로 지향성 CT 어레이가 성공적으로 개발되었습니다. 실제로 서로 연결되고 구조적으로 통합된 수직 및 측면 CT(3D-CT로 표시)를 갖춘 3D CT 그리드는 방향성이 높고 구조적 안정성이 뛰어나며 전기 전도성이 뛰어나고 효과적인 개방형 다공성 구조(그림 1)를 제공할 수 있습니다. 소형 고성능 AC 라인 필터링 EDLC의 전극 재료 요구 사항을 충족합니다.

이러한 독특한 구조를 얻기 위해 연구진은 먼저 소량의 Cu 불순물을 포함하는 알루미늄 시트를 양극산화 처리하여 기공 벽에 Cu 불순물 나노입자를 포함하는 고도로 정렬된 수직 다공성 양극산화알루미늄(AAO) 템플릿을 얻었습니다. 그 후, 인산으로 기공 벽의 Cu 함유 나노입자를 선택적으로 에칭하여 3D 상호 연결된 다공성 AAO 템플릿(3D-AAO, 그림 1의 왼쪽 위 모서리)을 얻었습니다.

3D-CT(그림 1의 오른쪽 상단) 그리드는 3D-AAO 템플릿을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 합성되었습니다. 비표면적을 늘리고 비면적 및 체적 용량을 더욱 향상시키기 위해 수직 및 측면 CT(3D로 표시됨) 내에 훨씬 더 작은 직경의 탄소 나노튜브(CNT)를 채우는 등 3D-CT를 수정할 수 있습니다. -CNT@CT, 그림 1의 왼쪽 아래 모서리) Ni 촉매 보조 CVD 방법을 통해 또는 KMnO4로 표면 처리됨(3D-RCT, 즉 거친 표면의 3D-CT, 그림 1의 오른쪽 아래 모서리) ).