KR101120723B1 - 열분자 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR101120723B1
KR101120723B1 KR1020090017180A KR20090017180A KR101120723B1 KR 101120723 B1 KR101120723 B1 KR 101120723B1 KR 1020090017180 A KR1020090017180 A KR 1020090017180A KR 20090017180 A KR20090017180 A KR 20090017180A KR 101120723 B1 KR101120723 B1 KR 101120723B1
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 한쪽 또는 양쪽이 반도체 층으로 코팅된 캐소드 및 애노드 전극; 및 전자전달체를 포함하는 전해질 용액으로 구성된 열분자 전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 두 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가하여 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은1종 이상의 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 코팅된 반도체층; 상기 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 구비한 전력 발생 장치 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명으로 제조된 열분자 전지는 장치의 구조가 간단하여 저가로 제조가 용이하고, 외부의 입력연료없이 상온에서도 자기 스스로 전기를 발생시키고 배출물이 없는 친 환경적이고 반 영구적인 장점을 지닌다.
열분자, 전지 산화환원, 가역반응, 탄소나노튜브, NADH, 니코틴아마이드

Description

열분자 전지 및 이의 제조 방법{A method to Fabricate thermomolecular power cell}
본 발명은 반도체 층과 산화환원 반응이 가역적으로 일어나는 전자전달체를 이용한 열분자 전지 및 이의 제조 방법과 전력을 발생시키는 장치 및 이의 제조방법과 장치전력을 발생시키는 방법에 관한 것이다.
전해전지는 화학에너지를 전기에너지로 혹은 그 역과정으로 전환시키는 장치로서, 2개의 금속전도체나 전자전도체(전극)가 떨어져 있고 이들은 보통 이온성 화합물이 해리되거나 용융되어 만들어진 전해질과 접하고 있는 구조이다. 전류의 공급원에 이 전극들을 직접 연결시키면 한쪽 전극은 음전하를, 다른 쪽 전극은 양전하를 띠게 된다. 전해액 속에 있는 양이온은 음전하를 띤 전극으로 이동하여 하나 이상의 전자와 결합하여 전하의 일부나 전체를 잃고 낮은 전하를 띤 새로운 이온이나 중성 원자 또는 분자가 된다. 이와 동시에 음이온은 양극으로 이동하여 하나 이상의 전자를 잃고 역시 새로운 이온이나 중성 입자가 된다. 이 두 과정의 전체적인 결과는 음이온으로부터 양이온으로 전자가 이동되는 화학반응(산화환원반응)이다. 서로 반응할 때 에너지를 소모하지 않고 에너지를 생성하는 물질의 경우에 반응을 산화와 환원으로 나누어 이 반응들이 각각의 전극에서 일어나게 할 수 있으면 이때 나오는 에너지의 일부 또는 전부를 전기로 바꿀 수 있다. 예를 들면 납-산 축전지에서는 이산화납?금속납?황산이 반응하여 황산납과 물이 만들어진다. 각각의 과정을 살펴보면 한쪽 전극에서 납이 황산납으로 산화되고, 다른 쪽 전극에서는 이산화납이 황산납으로 환원되며, 이 반응이 일어나는 동안 수소 이온의 이동을 통해 전해액 내에서 전하가 이동된다. 이 과정을 통해 기전력(전압 또는 전위)이 생겨 두 전극을 연결하는 외부 회로로 전기가 흐르게 된다. 이외에도 다른 많은 화학결합들이 전지와 축전지에 이용되고 있다. 자기장 내부에서 도체가 움직이는 것 이외의 방법으로 전기를 만드는 발전기 외에도, 빛을 흡수하여 반도체 사이에 전자가 흐르게 되는 태양전지나, 산소와 같은 액체나 기체 형태의 산화제를 계속적으로 공급하여 이들이 음극에서 전자를 제거하는 동시에 수소 같은 환원제가 양극에 전자를 제공하게 되는 연료 전지가 있다.
최근에는 생물 내에서 행해지고 있는 호흡, 광합성 등의 생체대사가 고효율인 에너지 변환 기구에 의한 것임에 착안하여, 전지에 적용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 생체대사는 발전 효율이 지극히 높고, 실온 정도의 온화한 조건에서 반응이 진행하는 장점을 지닌다. 상기 생체 대사에서 양성자 및 전자전달을 하는 물질로서 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH; Nicotinamide Adenine Dinucleotide)는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH; Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate)와 더불어 세포에서 발견되는 중요한 조효소이다. NADH는 NAD+의 환원형태이고 NAD+는 NADH 의 산화형태이다. NAD+는 세포호흡에서의 해당과정과 TCA회로에 널리 쓰이며 NADH에 저장된 환원 잠재력은 전자전달계를 거치면서 ATP로 전환(녹색식물은 광합성을 통해서 ATP를 얻기도 하지만 대부분의 생물들은 세포호흡을 통해 ATP를 얻는다.)되거나 동화반응(anabolism)에 쓰인다. 반면, NADP는 환원력을 제공하여 지방산과 핵산 합성과 같은 동화작용에 쓰인다. NADP는 광합성 초기반응(물의 광분해)에서 중요한 산화제로 작용하여 NADPH를 형성한다. NADPH는 광합성의 캘빈회로에 환원력을 제공한다. 한편, 플라빈 아네닌 디뉴레오티드(FAD; flavin adenine dinucleotide) 또한 생체내 중요 반응에 관여하는 산화환원 조효소이다. FAD는 그것의 역할에 따라 두가지 다른 산환환원상태로 존재할 수 있다. 플라보엔자임 또는 플라보단백질이라 명명되는 많은 산화환원효소들은 전자전달에 있어서 보결분자단으로서 역할을 하는 FAD를 필요로 한다. FAD는 두개의 수소분자를 수용하는 FADH2로 환원될 수 있다. 환원된 조효소 FADH2는 에너지 전달 역할을 하며, 미토콘드리아에서 산화적 인산화 과정을 위한 기질로 사용된다.
본 발명자들은 상기 조효소를 포함하는 전자 전달체를 이용하여, 상 열분자 전지를 제조하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 한쪽 또는 양쪽이 반도체 층으로 코팅된 캐소드 및 애노드 전극; 및 전자전달체를 포함하는 전해질 용액으로 구성된 열분자 전지 및 이의 제조방법을 제공한다..
또한, 본 발명은 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 두 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가하여 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은1종 이상의 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 코팅된 반도체층; 상기 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 구비한 전력 발생 장치 및 이의 제조 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 한쪽 또는 양쪽이 반도체 층으로 코팅된 캐소드 및 애노드 전극; 및 전자전달체를 포함하는 전해질 용액으로 구성된 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 반도체 층과 전극의 에너지 갭이 0.3 내지 4 eV 이내를 갖는 물질임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 보다 바람직하게는 반도체 층은 Si, Ge, GaAs, InAs, AlAs, InAlGaAs, GaN, AlGaN, InAlGaN, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, InCuSe2, 아연산화물, 갈륨산화물, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 카본블랙으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 금속 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 보다 바람직하게는 반도체층은 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 캐소드 전극과 애노드 전극은 각각의 에너지 갭이 0.1 이상0.5eV 의 범위를 갖는 전도성물질임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는, 캐소드 전극의 일함수가 반도체층의 가전자대 밴드 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 애노드 전극의 일함수가 반도체층의 전도대 밴드 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 캐소드 전극과 애노드 전극의 일함수 차이는 0.1 내지 5eV의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 캐소드는 인듐주석산화물, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th 및 U으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 캐소드는 인듐주석산화물(ITO; Indium Tin Oxide), Pt, Au, Cu로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 애노드는 Al, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th및 U 으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합 물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 애노드는 Al, Sc 및 Mo로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 전자전달체는 니코틴아마이드, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드, 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, 질소화합물, 암모니아, 메틸아민 및 아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 전자전달체는 니코틴아마이드 또는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 전해질 용액의 용매는 전자전달체를 용해시킬 수 있는 것으로서, 그 종류에 제한을 받지 않는다. 바람직하게는 전해질 용액의 용매는 증류수 또는 유기용매임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명은 반도체층의 두께가 0.1㎛ 내지 10㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
일 구체예에서 본 발명은 두 전극의 간격이 10㎛ 내지 10cm임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다. 바람직하게는 두 전극의 간격이 200㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제공한다.
본 발명은 애노드 및 캐소드 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 두 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가한 후, 밀봉하여 열분자 전지를 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 두 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가하여 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 반도체 층과 전극의 에너지 갭이 0.3 내지 4 eV 이내를 갖는 물질임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 반도체 층은 Si, Ge, GaAs, InAs, AlAs, InAlGaAs, GaN, AlGaN, InAlGaN, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, InCuSe2, 아연산화물, 갈륨산화물, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 카본블랙으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 금속 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 반도체층은 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명은 두 전극간의 에너지 갭이 0.1 이상0.5eV 의 범위를 갖는 전도성 물질임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 두개의 전극의 일함수가 반도체층의 가전자대 밴드 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 2개의 전극중 하나는 인듐주석산화물, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th 및 U으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 전극은 인듐주석산화물(ITO; Indium Tin Oxide), Pt, Au, Cu로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 2개의 전극 중 하나는 Al, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th및 U 으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 보다 바람직하게는 전극은 Al, Sc 및 Mo로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 본 발명의 전자전달체는 니코틴아마이드, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드, 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, 질소화합물, 암모니아, 메틸아민 및 아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 보다 바람직하게는 본 발명의 전자전달체는 니코틴아마이드 또는 니코틴아 미드 아데닌 디뉴클레오티드임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 전해질 용액의 용매는 전자전달체를 용해시킬 수 있는 것으로서, 그 종류에 제한을 받지 않는다. 바람직하게는 전해질 용액의 용매는 증류수 또는 유기용매임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 반도체층의 두께가 0.1㎛ 내지 10㎛임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서 두 전극의 간격이 10㎛ 내지 10cm임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 바람직하게는 두 전극의 간격이 200㎛임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
일 구체예에서, 온도가 0℃ 내지 100℃임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다. 바람직하게는 온도가 10 내지 80℃임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
본 발명은1종 이상의 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 코팅된 반도체층; 상기 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 구비한 전력 발생 장치를 제공한다.
본 발명은1종 이상의 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 구비하여 전력을 발생시키는 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
애노드와 캐소드 위에 반도체 층을 올리게 되면 전극의 일함수와 반도체의 일함수 차이가 나서 쇼트키 장벽이 생긴다. 이때 전극의 일함수가 반도체의 가전자(valence) 밴드에 가까우면 정공이 잘 지나다닐 수 있고 전자는 쇼트키 장벽에 막혀 흐르지 못하게 된다. 반대로 전극의 일함수가 반도체의 전도대(conduction) 밴드에 가까우면 전자가 잘 다니게 되고 정공은 쇼트키 장벽에 막혀 흐르지 못하게 된다. 일함수의 차이가 나는 애노드와 캐소드를 전극으로 사용할 경우 한쪽에서 전자가 더 잘 흐르게 되고(애노드), 다른쪽에서는 정공이 더 잘 흐르게 되어(캐소드) 전류가 흐르게 된다. 일함수의 차이가 클수록 전자와 정공이 잘 흐르게 되는 정도가 커져 전류량이 커지게 된다.
애노드와 캐소드 위에 쌓인 반도체 층은 전해질에 녹아있는 전자전달체와 반응하여 애노드에서는 전자전달체의 산화작용에 의해 애노드가 전자를 받게 되고, 반대극인 캐소드에서는 전자전달체의 환원작용에 의해 캐소드가 정공을 받게 된다. 이 때 전자전달체는 상온에서도 가역 반응을 하며, 주위 환경의 열은 전자전달체의 가역적인 산화환원 작용을 더욱 활발히 촉진시키는 역할을 한다.
상기 애노드 및 캐소드는 일함수의 차이를 지니는 금속 또는 복합체 모두 사용 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 애노드로서 일함수가 작은 알루미늄, 스칸디움, 몰리브데넘, 캐소드로서 일함수가 높은 인듐주석산화물(ITO; Indium Tin Oxide), 백금, 금을 사용하였다.
상기 반도체층은 벌크, 박막, 나노닷, 나노튜브, 나노파이버, 나노와이어로 구성되는 군에서 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 탄소나노튜브가 선택될 수 있다.
전자전달체 분자는 전해질 내에서 캐소드 및 애노드와 반응하여 전하를 반복적으로 주고 받을 수 있는 것으로서, 0 내지100 oC 이하의 온도에서 반도체 층과 산화환원 반응이 가역적으로 일어나는 것이면 그 종류의 제한을 받지 않는다. 니코틴아마이드(nicotinamide), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NADH;nicotinamide adenine dinucleotide), 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트(NADPH; nicotiamide adenine dinucleotide phosphate), 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD;flavin ademine dinucleotide) 또는 암모니아, 질소를 포함하는 화합물, CH3NH2 (methylamine), C6H5NH2 (aniline)와 같은 화합물이 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 니코틴아마이드(nicotinamide)를 사용하였다.
상기 분자는 전해액상에 용해된 상태로 존재하며, 전해액으로서 분자를 용해 시킬 수 있는 용매가 사용 가능하며, 보다 바람직하게는 증류수 또는 유기용매가 선택 될 수 있다.
본 발명에 따른 상온에서 반도체 층과 산화환원 반응이 가역적으로 일어나는 분자를 이용한 열분자 전지는 상온에서 무투입, 무배출 방식으로 인하여 반영구적이고, 친환경의 장점을 지니고, 구조가 간단하여 저가로 제조가 가능한 장점을 지닌다.
이하, 본 발명의 구성요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 인용된 문헌은 본 발명의 명세서에 참조로서 통합된다.
실시예
실시예 1: 전지 제조
i) 전해질 용액의 제조
니코틴아마이드(nicotinamide, Aldrich) 3 wt% (200 mM) 또는 β-니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(reduced dipotassium salt) (NADH, 98 % purity, Aldrich) 1 wt% (13.6 mM)를 물에 용해하여 전해질 용액을 제조하였다.
ii ) 전극의 제조
아크(Arc) 방전 방법에 의해 만들어진 단일층 탄소나노튜브 (SWCNT, 한화 나노텍) 3mg을 무수 1,2-디클로로에탄(dichloroethane anhydrous)(DCE, 99.8 %, Sigma-Aldrich) 10 ml 에 넣고 15시간 동안 초음파 처리하여 탄소나노튜브을 분산시켰다. 스프레이 장비를 이용하여 분산된 탄소나노튜브를 알루미늄(4 X 4 cm), 스칸디움(1 X 1 cm) 몰리브데넘(1 X 1 cm)과 ITO (3 X 3 cm), 백금(1 X 1 cm), 금(1 X 1 cm)에 각각 표면이 보이지 않는, 1㎛ 두께로 코팅층을 형성시켰다.
iii ) 전지의 완성
전극 사이에 양면 테잎(Tesa Co.)을 이용하여 200 um의 간격으로 설치한 후, 전극 사이에 전해질 용액을 첨가하였다. 그 후 ii) 단계에서 제조한 전극을 실리콘 접착제를 이용하여 접착시키고 전해질 용액이 새나가지 않도록 밀봉하였다.
실시예 2: 저항에 따른 전력 크기 측정
열순환기(Thermocycler)를 이용하여 온도를 36 ℃로 설정하였다. Kethley 485를 이용하여 실시예 1에서 제조된 전지의 알루미늄 전극과 ITO 전극 양단간의 전류를 측정하였고, Kethley 2000을 이용하여 전압을 측정하였으며, Kethley 2000과 저항 유형 열 커플(resistance type thermal couple)을 이용하여 온도를 측정하였다(도 2). 저항이 증가함에 따라 전력이 증가하다가 감소하였으며, 저항이 20 Kohm일 때 전력이 최대값을 보였다.
실시예 3: 온도에 따른 전류 크기 측정
열순환기를 이용하여 온도를 제어하면서, Kethley 485를 이용하여, 실시예 1에서 제조된 전지의 알루미늄 전극과 ITO 전극 양단간의 전류를 측정하였고, Kethley 2000과 저항 유형 열 커플(resistance type thermal couple)을 이용하여 온도를 측정하였다(도 3).
실시예 4: 일함수가 상이한 금속간의 전류 및 전압의 크기 측정
열순환기를 이용하여 온도를 제어하였고, Kethley 485를 이용하여 실시예 1에서 제조된 전지의 알루미늄, 스칸디움, 몰리브데넘, 백금, 금 전극과 ITO 전극 간의 전류를 측정하였으며, Kethley 2000과 저항 유형 열 커플(resistance type thermal couple)을 이용하여 온도를 측정하였다(도 4).
ITO보다 일함수가 큰 금, 백금의 경우 ITO가 애노드, 상대전극이 캐소드가 되며 일함수 차이가 많이 날수록 전류, 전압 크기가 커졌다. ITO보다 일함수가 작은 알루미늄, 스칸디움, 몰리브데넘의 경우 ITO가 캐쏘드, 상대전극이 애노드가 되며 일함수 차이가 많이 날수록 전류, 전압 크기가 커졌다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열분자 전지내의 전기형성 과정에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항에 따른 전력에 관한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도에 따른 전류량에 관한 그래프이다.
도 4은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극의 일함수에 따른 전류량에 관한 그래프이다.

Claims (64)

  1. 한쪽 또는 양쪽이 반도체 층으로 코팅된 캐소드 및 애노드 전극; 및 전자전달체를 포함하는 전해질 용액으로 구성된 열분자 전지에 있어서,
    전자전달체가 니코틴아마이드, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드, 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, 질소화합물, 암모니아, 메틸아민 및 아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, 상기 반도체층은 에너지 갭이 0.3 내지 4 eV 의 범위를 갖는 물질임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    반도체 층은 Si, Ge, GaAs, InAs, AlAs, InAlGaAs, GaN, AlGaN, InAlGaN, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, InCuSe2, 아연산화물, 갈륨산화물, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 카본블랙으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    반도체층은 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극은 각각의 에너지 갭이 0eV 내지 0.5eV 의 범위를 갖는 물질임 특징으로 하는 열분자 전지.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제 5항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극의 일함수 차이는 0.1eV내지 5eV임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th 및 U으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  11. 제10항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Pt, Au, Cu로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    애노드는 Al, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th및 U 으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    애노드는 Al, Sc 및 Mo로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    전자전달체는 니코틴아마이드 또는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  17. 제1항에 있어서,
    전해질 용액의 용매는 증류수 또는 유기용매임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  18. 제1항에 있어서,
    반도체층의 두께가 0.01㎛ 내지 10㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  19. 제1항에 있어서,
    두 전극의 간격이 10㎛ 내지 10 cm임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    두 전극의 간격이 200㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지.
  21. 애노드 및 캐소드 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가한 후 밀봉하여 열분자 전지를 제조 방법에 있어서,
    전자전달체가 니코틴아마이드, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드, 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, 질소화합물, 암모니아, 메틸아민 및 아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, 상기 반도체 층은 에너지 갭이 0.3 내지 4 eV 의 범위를 갖는 물질임을 특징으로 하는 방법.
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서,
    반도체층은Si, Ge, GaAs, InAs, AlAs, InAlGaAs, GaN, AlGaN, InAlGaN, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, InCuSe2, 아연산화물, 갈륨산화물, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 카본블랙으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    반도체층은 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극은 각각 에너지 갭이 0 내지 0.5eV의 범위를 갖는 물질임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 제21항 또는 제25항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극의 일함수의 차이는 0.1 내지 5eV임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  29. 삭제
  30. 제21항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th 및 U으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Pt, Au, Cu로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  32. 제21항에 있어서,
    애노드는 Al, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th및 U 으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    애노드는 Al, Sc 및 Mo로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 제21항에 있어서,
    전자전달체는 니코틴아마이드 또는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  37. 제21항에 있어서,
    전해질 용액의 용매는 증류수 또는 유기용매임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  38. 제21항에 있어서,
    반도체층의 두께가 0.01㎛ 내지 10㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  39. 제21항에 있어서,
    두 전극의 간격이 100㎛ 내지 10 cm임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    두 전극의 간격이 200㎛임을 특징으로 하는 열분자 전지를 제조하는 방법.
  41. 애노드 및 캐소드 전극의 한쪽 또는 양쪽의 내벽에 반도체층을 코팅하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 전자전달체를 포함하는 전해질 용액을 첨가하여 전력을 발생시키는 방법에 있어서,
    전자전달체가 니코틴아마이드, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드, 니코틴아이드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트, 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드, 질소화합물, 암모니아, 메틸아민 및 아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물이고, 상기 반도체 층은 에너지 갭이 0.3 내지 4 eV 의 범위를 갖는 물질임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  42. 삭제
  43. 제41항에 있어서,
    반도체층은Si, Ge, GaAs, InAs, AlAs, InAlGaAs, GaN, AlGaN, InAlGaN, CdSe, CdS, CdTe, ZnSe, ZnS, ZnTe, InCuSe2, 아연산화물, 갈륨산화물, 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 카본블랙으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 물질임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    반도체층은 탄소나노튜브임을 특징으로 하는 열분자 전지를 전력을 발생시키는 방법.
  45. 제41항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극은 각각 에너지 갭이 0 내지 0.5eV의 범위를 갖는 물질임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  46. 삭제
  47. 삭제
  48. 제41항 또는 제45항에 있어서,
    캐소드 전극과 애노드 전극의 일함수의 차이는 0.1 내지 5eV임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법..
  49. 삭제
  50. 제41항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th 및 U으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  51. 제50항에 있어서,
    캐소드는 인듐주석산화물, Pt, Au, Cu로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  52. 제41항에 있어서,
    애노드는 Al, Be, C, Si, Co, Ni, Ge, Se, Rh, Pd, Te, Re, Os, Ir, Pt, Au, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ag, Cd, In, Sn, Sb, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, Fr, Ra, Ac, Th및 U 으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  53. 제52항에 있어서,
    애노드는 Al, Sc 및 Mo로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물 또 는 2종이상의 화합물임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  54. 삭제
  55. 삭제
  56. 제41항에 있어서,
    전자전달체는 니코틴아마이드 또는 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  57. 제41항에 있어서,
    전해질 용액의 용매는 증류수 또는 유기용매임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  58. 제41항에 있어서,
    반도체층의 두께가 0.01㎛ 내지 10㎛임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  59. 제41항에 있어서,
    두 전극의 간격이 100㎛ 내지 10 cm임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  60. 제59항에 있어서,
    두 전극의 간격이 200㎛임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  61. 제41항에 있어서,
    온도가 10 내지 90℃의 범위임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  62. 제 61항에 있어서,
    온도가 45℃임을 특징으로 하는 전력을 발생시키는 방법.
  63. 삭제
  64. 삭제
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