KR101556198B1 - 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유 - Google Patents

전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 천연 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성으로 변화하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 전자기기로부터 발생하는 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유{Cellulose fibers with conductivity and the fabrication method thereof and solarcell cellulose fibers using the same}
본 발명은 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 특성이 없는 부도체인 면섬유에 비금속 물질을 도핑하여 전도성과 전자파 차폐성을 부여한 면섬유와 이러한 면섬유를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유에 관한 것이다.
전자산업이 발달함에 따라, TV, PDP, PC, 휴대폰 등과 같은 각종 전자기기를 통해서 방출되는 전자파의 위험성이 대두되고 있는 것이 현실이다. 사용자가 전자기기의 사용 시, 전자파에 노출되면 체온이 변화하고, 생체리듬이 불규칙해지는 등의 문제점이 발생하는 것으로 알려졌다. 따라서, 전자기기에서 발생되는 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시키기 위해, 전자파 차폐용 시트 또는 테이프 등이 개발되었다.
이와 같이, 전자파 차폐를 위해, 전도성이 우수한 순수 금속, 예를 들어, 금, 은, 동, 니켈, 백금 등이 주로 사용되어왔다. 하지만, 이러한 순수 금속들은 전도성이 우수한 장점에도 불구하고, 가공에 있어서 여러 문제점이 존재한다. 예를 들면, 굴곡성을 갖는 비전도성 소재에 전자파를 흡수시키거나, 차폐시키기 위해서는 금속을 섬유에 씌우거나, 도전성 도료를 칠하는 방법 또는 도금이나 진공 증착하는 방법이 사용되는데, 이러한 방법은 그 제조과정이 복잡하여 제조비용이 고가이고, 비전도성 소재와 금속간에 밀착성이 떨어짐에 따라, 전자파 차폐성이 감소하는 문제점이 발생했다.
상술한 바와 같이, 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유에 대한 선행기술을 살펴보면 다음과 같다.
선행기술 1은 한국공개특허 제2002-0069970호(2002.09.05)로서, 전자파 차단성 동사직물에 관한 것이다.
이러한 선행기술 1은 동을 연신시켜 극세화한 극세동사(11a,11b) 2가닥을 섬유(12)와 함께 꼬아 연사시켜 형성된 동사(10)를 일반섬유(20)와 함께 혼방한 후 이를 제직함에 따라, 극세동사와 섬유를 연사시켜 형성된 동사를 일반섬유와 혼방하여 제직되어 전자파를 차단하고 전기투사율을 감소시켜서 이를 침대커버나 침대용 이불과 같은 침구류에 사용되면 교류광선을 감소시켜서 숙면을 이룰 수 있다는 탁월한 효과가 있으며, 차량용 시트커버에 사용되면 우수한 전자파 차단성을 나타나게 되므로 본 발명은 섬유 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.
또한, 선행기술 2는 한국공개특허 제2000-0037089호(2000.07.05)로서, 도전성 직물에 관한 것이다. 이러한 선행기술 2는 직물의 적어도 일면에 구리로 이루어진 제1 도금층이 형성되고, 상기 제1 도금층 상부에 스테인레스 스틸로 이루어진 제2 도금층이 형성됨에 따라, 도전성이 우수하고 가격이 저렴하며 피부 접촉에 의한 알레르기 발생을 방지할 수 있다. 따라서, 의복의 안감용 뿐만 아니라 컴퓨터, 노트북, 핸드폰 등에 사용되는 가스켓 또는 테이프나, 각종 전자제품의 용기 또는 포장재 등 전자파 차폐용품에 유용하게 이용될 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 인체에 유해한 전자파를 흡수하거나, 차폐시키는 전도성을 갖는 면섬유를 제조할 수 있는 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유를 제공하고자 한다.
또한, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 전도성 면섬유를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시 예에 따른 전도성 면섬유는 천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 천연 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성으로 변화하여 생성된다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전도성 면섬유 제조방법은 에탄올과 요오드를 포함하는 혼합액에 천연 면섬유를 담갔다가 건조시키는 단계; 상기 천연 면섬유를 증기에 노출시켜 전도성 면섬유가 생성되는 단계;를 포함한다.
보다 바람직하게는 상기 에탄올과 요오드를 포함하는 혼합액에 천연 면섬유를 담갔다가 건조시키는 단계를 수행하기 전, 상기 천연 면섬유를 수산화나트륨 용액에 담갔다가 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.
특히, 상기 천연 면섬유를 수산화나트륨 용액에 담그는 단계는 15 ℃이하의 온도에서 수행될 수 있다.
특히, 상기 수산화나트륨 용액의 농도는 10 내지 40 부피% 일 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 천연 면섬유를 에탄올과 요오드를 포함하는 혼합액 또는 에탄올과 탄소를 포함하는 혼합액에 담갔다가 건조시키는 상기 에탄올과 요오드를 포함하는 혼합액에 천연 면섬유를 담갔다가 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 상기 요오드의 농도는 3 내지 15 부피% 일 수 있다.
특히, 상기 천연 면섬유를 건조시키는 단계는 60 내지 90 ℃ 에서 수행될 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 솔라셀 면섬유는 산화아연 나노로드를 포함하여, 전자(electron)를 수집하는 제1 전도성 면섬유; 및 산화아연 나노로드를 포함하여, 정공(hole)을 수집하는 제2 전도성 면섬유;를 포함하고, 태양광을 수신하여 전기에너지로 변환한다.
보다 바람직하게는 천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성으로 변화되어 생성된 제1 및 제2 전도성 면섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천연 면섬유를 요오드에 도핑함으로써, 전자기기로부터 발생하는 인체에 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 인체에 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시킴에 따라, 의류를 제작하는 경우, 전자파로부터 사용자를 보호하고, 사용자의 피부접촉성을 향상시키며, 열적 안정성에도 우수하여 고온에서도 세탁이 가능함에 따라, 사용자 만족도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천염 면섬유에 요오드를 첨가하여 공유결합을 통해 전도성을 갖는 면섬유를 생성함에 따라, 부도체 소재에 금속을 코팅하거나 도금하는 경우에, 일정 시간이 흐르면 금속이 벗겨지거나, 표면이 산화하는 것을 방지하여 전도성을 오랜 시간 유지할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 복수 개의 전도성 면섬유에 산화아연으로 이루어진 나노로드를 형성하여 빛에너지를 전기에너지로 변환함에 따라, 웨어러블 태양전지를 제조할 수 있고, 이에 따라, 사용자가 상기 웨어러블 태양전지를 착장하면서 휴대폰 충전 과 같은 전기에너지를 사용할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천연 면섬유에 비금속 물질인 요오드를 도핑하기 때문에 제조비용이 낮은 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 비전도성 소재와 요오드간 밀착성이 높아 전자파 차폐성이 증가할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 면섬유의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 솔라셀 면섬유의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 솔라셀 면섬유를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 4는 솔라셀 면섬유의 내부 사시도이다.
도 5는 솔라셀 면섬유에 대한 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 솔라셀 면섬유의 주사전자현미경(SEM)을 통해 확대한 사진이다.
도 7은 솔라셀 면섬유에 대한 전류-전압 특성 곡선을 빛의 유무에 따라 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 천연 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성 및 차폐성을 갖는 전도성 면섬유에 관한 것이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 전도성 면섬유 제조 방법에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전도성 면섬유의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전도성 면섬유를 제조하기 위해서는 먼저, 전처리부가 천연 면섬유를 수산화나트륨(NaOH) 용액에 담갔다가 세척한다(S110). 특히, 이러한 천연 면섬유의 세척과정은 전도성 면섬유의 제조방법의 전처리 과정으로서, 수산화나트륨 용액을 통한 정제과정을 수행함에 따라, 면섬유가 더욱 활발한 상호작용이 가능한 상태가 되도록 한다. 이때, 상기 천연 면섬유를 수산화나트륨 용액에 담그는 과정은 15 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 수산화나트륨 용액의 농도는 10 내지 40 부피% 가 바람직하다.
이와 같이, 전처리 과정을 마친 상기 천연 면섬유를 도핑부가 에탄올과 요오드(Iodine)를 포함하는 혼합액에 담갔다가 건조시킨다(S120). 뿐만 아니라, 상기 요오드를 대신하여 에탄올과 탄소를 포함하는 혼합액에 상기 천연 면섬유를 담갔다가 건조시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 천연 면섬유를 에탄올과 요오드를 포함하는 혼합액에 담갔다가 건조시키는 경우에는 상기 천연 면섬유가 n-type의 전도도를 가지게 되는 반면, 상기 천연 면섬유를 상기 요오드를 대신하여 탄소를 포함하는 혼합액에 담갔다가 건조시키는 경우에는 상기 천연 면섬유가 p-type의 전도도를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 천연 면섬유를 P-type의 합성섬유와 결합시키는 경우에도 다양한 형태의 태양전지를 만들 수 있다.
이때, 상기 요오드의 농도는 3 내지 15 부피% 가 바람직하다. 더불어, 상기 천연 면섬유를 건조시키는 과정은 60 내지 90 ℃ 에서 수행되는 것이 바람직하다.
이후, 증기노출부가 상기 천연 면섬유를 고온 및 고압의 증기에 노출시켜 전도성 면섬유를 생성한다(S130). 이때, 상기 천연 면섬유가 증기에 노출되는 조건을 살펴보면, 약 60 내지 약 90℃ 범위의 온도에서 약 0.1 내지 약 30분의 시간 동안 증기에 노출되는 것이 바람직하며, 또한, 약 2.81 내지 약 28.47 kg/㎠ 의 압력조건 즉, 표준 대기압 보다 높은 압력에서 천연 면섬유의 증기 노출이 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 도 2를 참고하여, 본 발명의 다른 실시 예인 솔라셀 면섬유에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 2는 솔라셀 면섬유의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 솔라셀 면섬유는 복수 개의 산화아연 ZnO 나노로드를 각각 포함하는 제1 전도성 면섬유와 제2 전도성 면섬유로 이루어지는데, 이때, 상기 제1 전도성 면섬유는 전자(electron)를 수집하고, 상기 제2 전도성 면섬유는 정공(hole)을 수집함에 따라, 빛에너지 예를 들면, 태양광을 수신하여 전기에너지로 변환한다.
즉, 상기 솔라셀 면섬유에 빛을 비추면, 면섬유의 내부에 전자(electron)와, 정공(hole)이 발생한다. 이와 같이 발생된 전자 및 정공은 각각 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유로 수집되는데, 이때, 발생된 전하들이 P극 또는 N 극으로 이동하여 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하게 되고, 이에 부하를 연결하면, 전류가 흐르게 된다.
이러한 상기 제1 및 제2 전도성 면섬유는 천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 천연 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성을 갖도록 변화되어 생성될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 기존의 전도성 섬유와는 달리 전기적 타입(electric type)이 존재하기 때문에, 본 발명의 솔라셀 면섬유를 통해 발열복 또는 웨어러블(wearable) 태양전지 등도 제작할 수 있다. 즉, 섬유자체가 태양 전지가 되므로, 민간분야 뿐만 아니라 국방용으로도 널리 사용할 수 있다.
특히, 본 발명을 통해 광의 온도가 400 ℃ 될 때까지도 안정적으로 전기 에너지로 변환할 수 있다.
따라서, 본 발명을 이용하여 천연 면섬유와 요오드가 도핑된 전도성 면섬유의 전기적 수송 및 광전도성 결과에 대하여 실험을 통해 자세히 살펴보도록 한다.
본 실험은 전기장을 1-100 V cm-1 범위에서 변화시키면서 온도 293-363 K에서 수행하였다. 이러한 실험 결과에 따라, 요오드가 도핑된 전도성 면섬유의 전도도는 도핑되지 않은 시료에 비해 네 자릿수(orders) 이상 증가되어 현저한 향상 효과를 보였다.
또한 본 발명에 따르면 요오드가 도핑된 전도성 면섬유의 전기 전도성은 옴(Ohm)의 법칙을 따르는 반면, 도핑되지 않은 천연 면섬유는 bulk-limited Pool-Frenkel 전도 메커니즘을 따를 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다. 특히, 본 발명의 자외선 영역 및 가시 영역에서의 분명한 광전도 반응은 밴드 투 밴드 전자-정공 쌍의 생성에 광전도가 필수적이며, 요오드가 도핑된 전도성 면섬유는 광생성된 운반체의 양호한 전도체라는 사실을 보여준다.
이하, 본 발명의 전도성 면섬유의 제조과정을 실험을 통해 살펴보도록 한다.
먼저, 천연 면섬유와 요오드가 도핑된 면섬유를 준비하기 위해 목화섬유 1g을 준비했다. 목화섬유는 도핑 작업을 시작하기 전에 세척과정을 거쳐야 한다. 세척 후, 목화섬유를 20 부피%의 NaOH 용액에 넣고, 15℃ 이하의 온도로 2분간 수조에 유지시켰다. 수조에서 꺼내어 물로 여러 번 씻고, 20 ℃, 65% 상대습도의 표준 조건에서 건조시켰다. 이 작업은 목화섬유의 안정성과 시약의 흡수력을 높일 수 있으므로 도핑과 전도성 폴리머 가공에 유익하다.
도핑된 샘플을 준비하는 데는 등온 담금 기술을 이용했다. 요오드는 5% 농도로 에탄올에 용해시켰다. 머서라이즈드 섬유(mercerized fiber)를 이 용액에 15분 동안 수직으로 담갔다가 꺼낸 후 평형상태에 이를 때까지 대기 중에서 6시간 동안 70℃에서 증기 노출 시켰다.
이와 같이, 생성된 천연 면섬유와, 전도성 면섬유간 전도성을 비교하여 살펴보면, 실버 전극과 샘플(1.0 x 0.5 x 0.2 cm3)을 특정 온도 챔버의 두 텅스텐 전극 사이에 샌드위치처럼 끼웠다. 나노암페어의 낮은 전류 레벨 특성은 암흑 상태 및 UV 조명(254 nm)하에서 대기하에 Keithley 617의 전위계로 측정하였다. 이 측정은 금속-목화와 섬유-금속구조로 전류-전압(I-V)과 전류-시간(I(t))의 방법으로 293-363 K의 온도 및 1-100 V cm-1의 전기장에서 각각 실시되었다. 온도는 표본과 완벽히 접촉한 구리 콘스탄탄 열전대(constantan thermocouple)를 이용하여 측정하였다.
또한, 천연 면섬유와, 본 발명에 따른 전도성 면섬유에 대해 전압 및 온도의 함수로서 전류를 측정했다. 먼저 천연 면섬유에 전압을 가한 경우, 매우 소량의 전류를 얻었다. 전류는 최대 100V의 전압에 이르기까지 10-9A를 초과하지 않았다.
전기전도도는 샘플을 통과하는 전류의 흐름을 측정하여 r = I (l/SV)로 계산된다. 여기서 L(cm)는 샘플의 길이, S(cm2)는 면적, V는 물질을 가로지르는 전압(potential) 그리고 I는 정상 관찰된 정상 전류이다.
천연 면섬유의 전기 전도도는 실온에서 약 7.8 x 10-1Ω-1cm- 1 였다. 다른 형태의 전기전도도는 σ = ∑ qi ni μi로 표현할 수 있으며, 여기서 ni는 전하 운반 밀도, μi는 전하 운반 이동도이다. 전도도(~8 x 10-10 Ω-1 cm-1)와 평균 이동성(~10-3 cm2 V-1s-1)의 값을 상기 식에 넣어, 이 바이어스 범위에서의 전기전도도에 기여하는 전하 운반체의 수가 n0 ~1010 cm-3인 것을 알아냈다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 샘플에 대한 정상상태 전류 값은 동일한 작동 온도와 전기장에서 천연 면섬유에 대해 측정된 값 보다 높았다. 섬유의 전도도는 요오드 도핑에 의해 네 자릿수 이상 증가되어, 실온에서 5.6 x 10-6Ω-1cm-1인 것으로 나타났다. 따라서 계산된 전하 운반체의 수 또한 ~1010 cm- 3 에서 ~1014 cm-3 로 증가하였다.
본 발명에 따른 전기전도도의 증가는 다음과 같이 설명할 수 있다. 불순물 분자가 존재하는 경우 두 개의 특정 부분을 연결하고, 그들 사이의 포텐셜 장벽을 낮추기 시작한다. 따라서 그 두 특정 부분의 전하 운반체의 이동을 촉진시킨다. 이러한 현상은 폴리머 내에서 전하 이동 복합체가 형성되어 이들이 운반체상의 "handing on"에 의한 트래핑 효과를 효과적으로 감소시키기 때문에 발생한다. 본 발명에서 전기장의 증가와 함께 전도도 향상은 대량 생성된 자유 운반체 밀도의 점진적 증가로 인한 것임을 유추할 수 있다.
이에 더하여, 전도성 면 섬유의 전도 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해, 실온과 363K에서 가열 및 냉각 사이클 동안 순수한 샘플과 도핑된 샘플의 투 포인트 프로브(two-point probe) 전도도 측정 실험을 실시하였다.
실험결과에 따르면, 주어진 전압에서 전류는 온도 증가와 함께 증가했으며, 두 개의 기울기로 나타났다. 323K 이하의 저온 영역에서의 전도성은 약간의 변화가 있는 반면에, 고온 영역에서는 전도성에 급격한 변화가 있었다. 두 영역에서의 전기전도도의 온도 계수는 포지티브(positive)였으며, 이에 따라 샘플들은 반도체의 특성을 가지게 된다.
결과적으로, 전하 운반체 생성과 연관된 전도성과 온도 사이의 지수 함수 관계(exponential relationship)는, 고유의 밴드 전이뿐만 아니라 다른 열적 활성화 과정과도 관련이 있다. 이러한 섬유의 전도 특성은 현재 상태를 편재화된 상태로 올리는 비정질 영역의 성질에 의한 것일 수도 있다.
표면, 벌크 쌍극자 상태, 분자 이온 상태, 불순물, 분자 사슬의 끝과 가지 및 결정질-비정질 경계와 같은 편재화된 상태로 전하운반체가 이동하고 빠져나가는 것의 도움에 의해 분자 운동이 시작되며, 이에 따라 폴리머의 전도성이 증가한다. 두 활성화 에너지의 존재는 혼합 결정(cellulose I or cellulose II) 또는 비결정질 셀룰로오스상과 연관되어 있을 것으로 판단된다. 따라서 전기적 수송은 입자 경계로 인한 포텐셜 장벽과 동종성(homogeneities)에 의해 영향을 받는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 요오드를 도핑한 경우에도 전도도와 온도 의존성의 일반적인 경향은 유사했다. 즉, 그래프 곡선은 도핑되지 않은 셀룰로오스 섬유와 같이 온도 활성화된 거동이 포지티브(positive)로 나타났다.
온도 의존성 측정 전, 후의 도핑된 샘플의 실온 전도도는 실질적으로 거의 변화가 없었는데, 어닐링된 샘플이 상승된 온도에서 공기 안정성을 보이고 평형 상태에 가깝다는 것을 보여주었다. 이러한 온도 범위(50-100 ℃)에서 얻은 활성화 에너지는 각각 천연 면섬유에 대해서 0.68 eV였으며, 동일한 온도 범위에서 도핑된 샘플에 대해 1.03 eV였다. 높은 도핑 수준에서는 요오드 분자의 부가적인 무질서를 유발하고, 호핑(hopping) 중심의 농도가 높아지게 한다는 것이 발견되었다.
도판트 분자는 비결정 영역에서 폴리머 분자 사이를 연결시키고, 추가적인 트래핑 중심으로 역할을 함으로써 전하 운반 복합체를 형성한다. 편재화된 부분이 많기 때문에, 이 상태에서 운반체의 유리(release) 또는 여기(excitation)가 전도 과정을 지배한다. 샘플에는 낮은 에너지 범위의 얕은 트랩과 높은 에너지 범위의 깊은 트랩이 존재한다. 전도와 원자가 전자대 사이에 깊은 트랩이 놓여있는 반면 얕은 트랩은 연속적인 프리 레벨 아래 존재한다. 충분히 낮은 온도에서, 전자는 깊게 갇혀있다. 그러나 온도를 상승시킴에 따라, 여기되어 깊은 트랩이 얕은 트랩 또는 전도대로 들어가게 하고, 전도과정에 참여하게 된다.
조사된 샘플(0.68 eV)에 대한 활성화 에너지의 낮은 값은 전기적인 전도가 우세하다는 것을 나타낸다. 반면 낮은 온도에서 높은 값은 이온성 전도의 참여를 나타낸다.
요오드로 도핑되거나, 비도핑된 샘플을 통하여 흐르는 전류는 실온의 일정 온도에서 샘플을 유지하면서 적용된 전압의 함수로서 측정된다. 누설 전류-전압을 측정하는 동안, 전압을 처음 가한 후에 시간이 지남에 따라 누설 전류가 약 약 5-7% 감소된 것이 관찰되었으며, 누설 전류 정도는 약 ~10-10 A였다. 더 높은 전기장은 정상 상태 전류에 도달하는 시간을 단축시킨다. 시간 의존성에 있어서의 이러한 변화는 처음 및 나중 전류가 서로 다른 전도 방법으로 인한 것임을 보여준다.
비도핑된 샘플 및 도핑된 샘플에 대한 실온에서 등온선은 비도핑된 샘플의 경우에 낮은 필드에서 기울기는 약 0.6이지만 높은 필드에서는 약 0.85이다. 이는 전류-전압 관계가 조사된 모든 영역에서 non-ohmic 특성을 보여준다는 것을 나타낸다. 도핑 후, log I-V 그래프는 Ohmic 거동을 나타내었으며, V와 비례하여 증가했다.
이와 더불어, 광전도도에 따른 전하 분리 효과를 살펴보기 위해, 암흑 및 UV 조명에서 광원으로 30W의 할로겐 램프를 사용하여 공기 중에서 I-V 특성을 측정하였다.
도핑된 셀룰로오스 섬유에서 광반응을 자극하기 위해서, 자외선 범위 및 가시광선 범위에서 다른 에너지를 가진 LED를 사용하였다. 붉은색 및 UV 조명의 광반응이 각각 약 21 및 500% 인데 반하여, 흰색, 노랑 및 초록색 조명에서의 광전류(PC)는 5-7 %보다 낮게 증가하였다.
밴드 대 밴드 흡수는 자외선 영역에서 일어나며, 광전도는 본질적으로 밴드-투-밴드 전자-정공 쌍 발생으로 인해 발생한다. 기술적 관점에서, 이러한 결과는 요오드가 도핑된 면섬유가 자외선 및 가시광선 영역에서 UV 광검출기에 응답한다는 것을 알 수 있다. 이와 달리, 도핑되지 않은 샘플에서, 전형적인 전도성 값은 항상 0.1 nS 이하였다.
요오드가 도핑된 면섬유에서 광전도가 향상되는 현상은 I2 분자와 고분자 네트워크 간의 광 유발 전하 전송으로 설명할 수 있다. 이러한 경향은 유기 고분자의 톡특한 특성이며, 운반체 형성 및 여기 확산 프로세스뿐 아니라 전하 분리 프로세스와 관련이 있을 수 있다.
면섬유에서 요오드로의 전자 이동은 흡수 스렉트럼과 요오드 도핑된 전도성 면섬유의 전기 전도도 증가와 일치하므로, 바닥상태에서 상당히 양호하다는 것을 알 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 솔라셀 면섬유에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 솔라셀 면섬유를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 전도성 면섬유가 서로 꼬인 상태로 이루어지며 이때, 솔라셀 면섬유의 내부 지름은 13.8 ㎛ 인 것을 알 수 있다.
도 4는 솔라셀 면섬유의 내부 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전도성 면섬유를 에탄올과 요오드 또는 에탄올과 탄소로 이루어지는 혼합액에 도핑함에 따라, 가장 내부에 전도성 면섬유가 형성되고, 상기 전도성 면섬유의 외부로 N극이 형성되고, 형성된 N극의 외부를 둘러싸고 P극이 형성됨에 따라, P-N 구조를 갖는 솔라셀 면섬유가 형성되는 것을 알 수 있다.
도 5는 솔라셀 면섬유에 대한 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 솔라셀 면섬유에 인가되는 전압이 증가할수록 솔라셀 면섬유로부터 발생되는 전류 또한 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6은 솔라셀 면섬유의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 통해 200배 확대한 사진이다.
도 7은 솔라셀 면섬유에 대한 전류-전압 특성 곡선을 빛의 유무에 따라 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 검정색으로 표시된 그래프는 빛이 없을 때의 전류곡선을 나타내고, 빨간색으로 표시된 그래프는 빛이 있을 때의 전류곡선을 나타내며, 이를 통해 솔라셀 면섬유의 효율을 측정할 수 있다.
본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천연 면섬유를 요오드에 도핑함으로써, 전자기기로부터 발생하는 인체에 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 인체에 유해한 전자파를 흡수하거나 차폐시킴에 따라, 의류를 제작하는 경우, 전자파로부터 사용자를 보호하고, 사용자의 피부접촉성을 향상시키며, 열적 안정성에도 우수하여 고온에서도 세탁이 가능함에 따라, 사용자 만족도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천염 면섬유에 요오드를 첨가하여 공유결합을 통해 전도성을 갖는 면섬유를 생성함에 따라, 부도체 소재에 금속을 코팅하거나 도금하는 경우에, 일정 시간이 흐르면 금속이 벗겨지거나, 표면이 산화하는 것을 방지하여 전도성을 오랜 시간 유지할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 복수 개의 전도성 면섬유에 산화아연으로 이루어진 나노로드를 형성하여 빛에너지를 전기에너지로 변환함에 따라, 웨어러블 태양전지를 제조할 수 있고, 이에 따라, 사용자가 상기 웨어러블 태양전지를 착장하면서 휴대폰 충전 과 같은 전기에너지를 사용할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 천연 면섬유에 비금속 물질인 요오드를 도핑하기 때문에 제조비용이 낮은 효과가 있다.
이와 더불어, 본 발명의 전도성 면섬유, 이의 제조방법 및 전도성 면섬유를 이용한 솔라셀 면섬유는 비전도성 소재와 요오드간 밀착성이 높아 전자파 차폐성이 증가할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.

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  9. 산화아연 나노로드를 포함하여, 전자(electron)를 수집하는 제1 전도성 면섬유; 및
    산화아연 나노로드를 포함하여, 정공(hole)을 수집하는 제2 전도성 면섬유;
    를 포함하고, 광을 수신하여 전기에너지로 변환하는 솔라셀 면섬유.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 면섬유는
    천연 면섬유에 요오드를 첨가하여 상기 요오드와 면섬유간 발생하는 공유결합을 통해 상기 천연 면섬유가 전도성으로 변화되어 생성된 것을 특징으로 하는 솔라셀 면섬유.
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