KR101685365B1 - 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101685365B1
KR101685365B1 KR1020150084237A KR20150084237A KR101685365B1 KR 101685365 B1 KR101685365 B1 KR 101685365B1 KR 1020150084237 A KR1020150084237 A KR 1020150084237A KR 20150084237 A KR20150084237 A KR 20150084237A KR 101685365 B1 KR101685365 B1 KR 101685365B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
electrode structure
graphene oxide
nanomaterial
present
Prior art date
Application number
KR1020150084237A
Other languages
English (en)
Inventor
이효영
김도영
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020150084237A priority Critical patent/KR101685365B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101685365B1 publication Critical patent/KR101685365B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/22—Methods relating to manufacturing, e.g. assembling, calibration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 필름이 롤 형태로 감겨진 전극 구조체를 포함하는 3 차원 에너지 하베스터, 및 상기 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL ENERGY HARVESTER AND PRODUCING METHOD OF THE SAME}
본원은, 3 차원 에너지 하베스터, 및 상기 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법에 관한 것이다.
소리 에너지는 기존의 태양, 풍력, 및 수력 에너지와 유사한 지속 가능하며 청정한 성격을 지닌 에너지이다. 또한, 기존의 압전 또는 마찰 에너지 하베스터와는 상이하게 생활에 항상 존재하는 "소리"라는 무제한적인 에너지를 이용한다는 점이 장점으로서 작용한다. 기본적으로 소리는 진동 에너지로 변환되는 성격을 지니고 있으며, 그 진동은 주파수로서 다시 표현된다. 모든 소리는 다른 주파수를 지니고 있으며, 주파수가 다르다는 것은 그 소리가 지닌 진동 에너지의 세기가 상이함을 나타낸다. 상기와 같은 소리 에너지가 가진 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 지속 가능한 청정 에너지원의 개발이 가능하다. 또한, 동일한 소재를 지닌 커패시터를 포함함으로써 소리 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 즉시 충전을 하여 지속적인 사용이 가능하도록 구성할 수 있다.
기존의 소리 에너지 하베스터의 개발이 어려웠던 이유는 기존에 개발된 장치에서는 수 kHz 내지 수 MHz의 주파수를 이용하는 소리 에너지만 하베스팅이 가능했기 때문이다. 따라서, 보통 생활에서 발생되는 아주 낮은 주파수를 지닌 소리에도 반응하면서도 에너지 하베스팅이 가능한 구조를 디자인하는 것이 매우 중요하다. 전도도가 우수하고, 물성이 우수한 탄소질 물질(carbonaceous materials) 중 이차원 물질인 그래핀을 주 물질로서 사용하여 제작된 소리 에너지 하베스터가 보고되었지만, 그 효율이 20 V 내지 30 V(개회로; open-circuit) 수준으로 매우 낮으며, 에너지 변환율 또한 낮다. 또한, 하베스터 구조의 소재가 금속을 이용하는 부분이 많아 매우 단단하여 잦은 압전과 마찰에 의한 에너지 발생에 적합하지 않다. 또한, 기존의 압전, 마찰, 및 소리 에너지 하베스터는 순간 발생된 전기 에너지를 즉시 사용하지 않으면 소멸되는 특성을 나타낸다.
한편, 미국공개특허 제2013-0313837호는, 메타-물질 진동 에너지 하베스터에 대하여 개시하고 있다.
본원은, 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 필름이 롤 형태로 감겨진 전극 구조체를 포함하는 3 차원 에너지 하베스터, 및 상기 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 일 측면은, 하부 전극 상에 배치된 전극 구조체; 및 상부 전극에 형성된 금속층을 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터로서, 상기 전극 구조체는 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 필름이 롤 형태로 감겨진 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터를 제공한다.
본원의 다른 일 측면은, 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 옥사이드 필름을 롤링하는 단계; 상기 롤링된 그래핀 옥사이드 필름을 슬라이싱하여 전극 구조체를 수득하는 단계; 상기 전극 구조체의 롤 형태의 일면이 하부 전극과 접하도록 상기 전극 구조체를 배치시키는 단계; 상부 전극 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 전극 구조체의 일면과 상기 금속층이 접하도록 배치시키는 단계를 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 의하면, 3 차원 구조의 부분적으로 환원된 그래핀 옥사이드와 유연한 고분자 소재를 사용하여 반영구적인 에너지 하베스팅에도 부서지지 않고 사용 가능한 전극 구조체를 제조할 수 있으며, 전극 구조체와 동일한 구조의 커패시터를 포함함으로써 변환된 전기 에너지를 바로 커패시터에 저장하여 사용 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본원의 일 구현예에 따른 에너지 저장 장치로서 상기 커패시터 뿐만 아니라 이차전지를 사용할 경우 더욱 오랜 시간 동안 지속적인 전력 사용이 가능하다.
본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 기존의 1 차원 또는 2 차원 구조의 소리 에너지 하베스터에서 나타내기 어려운 약 80 V 이상의 출력을 낼 수 있으며, 진동에 의한 에너지 전환율이 높은 3 차원 구조를 가지는 소리 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 의하면, 기존의 압전, 마찰, 또는 소리 에너지 하베스터는 순간 발생된 전기 에너지를 즉시 사용하지 않으면 소멸되는 특성을 지녔지만, 본원에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 사용하지 않은 잉여 에너지를 커패시터에 충전시켜 사용할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 본원의 일 구현예에 있어서, 3 차원 에너지 하베스터의 구조도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 3 차원 에너지 하베스터의 출력 전압 측정 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, 3 차원 에너지 하베스터의 출력 전압 측정 그래프이다.
도 6의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 3 차원 에너지 하베스터를 나타내는 사진이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 전극 구조체를 나타내는 사진이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 전극 구조체의 단면 주사형 전자현미경 사진이다.
도 9의 (a) 내지 (d)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 문헌에 보고된 소리 에너지 하베스터를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드"라는 용어는 그래핀 산화물 (graphene oxide)이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 옥사이드를 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터의 구조도이다.
본원의 일 측면은, 하부 전극(110) 상에 배치된 전극 구조체(120); 및 상부 전극(210)에 형성된 금속층(220)을 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터로서, 상기 전극 구조체(120)는 적어도 일면에 나노 소재(121)가 분산된 그래핀 필름(122)이 롤 형태로 감겨진 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 하부 전극(110) 상에 배치된 전극 구조체(120)를 포함한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하부 전극(110)은 집전체로서 작용되는 것일 수 있으며, 상기 하부 전극(110)은 상기 상부 전극(210)과 상이한 전위를 가지는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하며, 예를 들어, 상기 하부 전극(110)은 Au, Pt, Ti, Cu, Ni, Al, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 상기 하부 전극(110)과 상기 상부 전극(210)이 전위차를 가짐으로써 전하가 이동할 수 있다
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하부 전극(110)의 두께는 약 100 μm 내지 약 1,000 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 하부 전극(110)의 두께는 약 100 μm 내지 약 1,000 μm, 약 200 μm 내지 약 1,000 μm, 약 300 μm 내지 약 1,000 μm, 약 400 μm 내지 약 1,000 μm, 약 500 μm 내지 약 1,000 μm, 약 600 μm 내지 약 1,000 μm, 약 700 μm 내지 약 1,000 μm, 약 800 μm 내지 약 1,000 μm, 약 900 μm 내지 약 1,000 μm, 약 100 μm 내지 약 900 μm, 약 100 μm 내지 약 800 μm, 약 100 μm 내지 약 700 μm, 약 100 μm 내지 약 600 μm, 약 100 μm 내지 약 500 μm, 약 100 μm 내지 약 400 μm, 약 100 μm 내지 약 300 μm, 또는 약 100 μm 내지 약 200 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 구조체(120)는 하베스팅 전극 또는 제너레이팅 전극으로서 작용되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 구조체(120)는 적어도 일면에 나노 소재(121)가 분산된 그래핀 필름(122)이 롤 형태로 감겨진 것으로서, 상기 전극 구조체(120)의 롤 형태의 일면이 상기 하부 전극(110)과 접하도록 상기 전극 구조체(120)가 배치됨으로써 상기 그래핀 필름(122)이 상기 하부 전극(110)과 수직으로 배향되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 롤 형태는, 예를 들어, 원형 롤, 타원형 롤, 또는 다각형 롤 형태인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 구조체(120)의 롤 형태의 다른 일면은 환원되지 않거나 또는 부분적으로 환원된 상태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터가 부분적으로 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 3 차원의 전극 구조체 및 유연한 나노 소재를 사용함으로써 반영구적인 에너지 하베스팅에도 부서지지 않고 사용 가능한 전극 구조체를 제조할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)는 고유전상수를 가지는 것일 수 있으며, 상기 나노 소재(121)가 일정 유전상수를 가짐으로써 전하를 트랩핑(trapping)할 수 있다. 유전상수란, 물질의 유전율을 진공의 유전율에 대한 상대적인 값을 나타낸 것이다. 상기 나노 소재(121)는 약 6 내지 약 10의 범위의 유전상수를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 유전상수는 약 6 내지 약 10, 약 7 내지 약 10, 약 8 내지 약 10, 약 9 내지 약 10, 약 6 내지 약 9, 약 6 내지 약 8, 또는 약 6 내지 약 7일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)는 비전도성의 유연성 고분자 소재 또는 압전성 나노 소재를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 나노 소재(121)는 P(VDF-TrFE) [poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)], PVDF [poly(vinylidene fluoride)], PZT [Pb(Zr,Ti)O3], BLT [(Bi,La)4Ti3O12], PLZT [(Pb,La)(Zr,Ti)O3], BST [(Bi,Sr)TiO3], BiFeO3, FEP (fluorinated ethylene propylene), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 강유전체 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것인 아니다. 상기 나노 소재(121)가 비전도성 및 고유전상수를 가짐으로써 전하의 발생에 따라 상기 전하를 상기 나노 소재(121)의 표면 또는 내부에 가지고 있을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 0 차원 구조에 비해 1 차원 또는 2 차원의 구조가 접촉점이 많아 에너지 하베스팅에 유리할 수 있으며, 예를 들어, 상기 나노 소재(121)는 입자, 큐브, 와이어, 로드, 파이버, 필름, 덩어리 형태, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)는, 상기 그래핀 필름(122)이 롤 형태로 감길 때, 그래핀 필름(122)이 접촉하는 면과 면 사이를 일정 간격으로 떨어뜨려 재스태킹(re-stacking)되는 것을 방지하면서, 감겨진 그래핀 필름(122) 사이로 전해질 이온이 이동할 수 있는 공간이 확보될 수 있도록 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)는 약 1 nm 내지 약 10,000 μm의 범위의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 나노 소재(121)의 크기는 약 1 nm 내지 약 10,000 μm, 약 5 nm 내지 약 10,000 μm, 약 10 nm 내지 약 10,000 μm, 약 50 nm 내지 약 10,000 μm, 약 100 nm 내지 약 10,000 μm, 약 500 nm 내지 약 10,000 μm, 약 1 μm 내지 약 10,000 μm, 약 5 μm 내지 약 10,000 μm, 약 10 μm 내지 약 10,000 μm, 약 50 μm 내지 약 10,000 μm, 약 100 μm 내지 약 10,000 μm, 약 500 μm 내지 약 10,000 μm, 약 1,000 μm 내지 약 10,000 μm, 약 5,000 μm 내지 약 10,000 μm, 약 1 nm 내지 약 5,000 μm, 약 5 nm 내지 약 1,000 μm, 약 10 nm 내지 약 500 μm, 약 50 nm 내지 약 100 μm, 약 100 nm 내지 약 50 μm, 약 500 nm 내지 약 10 μm, 또는 약 1 μm 내지 약 5μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재(121)가 상기 그래핀 필름(122) 표면에 개별적으로 분산되어 있는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노 소재(121)는 상기 그래핀 필름(122) 표면에 서로 응집함이 없이 균일하게 분산됨으로써 그래핀 필름의 접촉면 사이에 균일하게 공간을 확보할 수 있다. 상기 그래핀 필름(122)의 적어도 일면에 상기 나노 소재(121)를 분산시키는 방법은, 예를 들어, 액상 침지법, 2-영역 기상 수송법, 전기화학법, 또는 공삽입법 등의 방법이 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름(122)은 그래핀, 그래핀 옥사이드, 환원 그래핀 옥사이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름(122)은 하나의 그래핀 시트 또는 복수의 그래핀 시트의 적층판을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀 시트는, 그래핀 단일 원자층 시트, 그래핀 플레이크가 서로 연결된 네트워크 시트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
상기 "그래핀 단일 원자층 시트"란 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유결합(통상 sp2 결합)으로 연결되어 일 평면 상으로 배열되어 있는 폴리시클릭 방향족 시트를 의미한다. 상기 공유결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 추가 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 폴리시클릭 방향족 시트는 서로 공유결합된 탄소 원자들이 대면적을 이루는 하나의 단일 원자층으로서 보이게 된다.
상기 "그래핀 플레이크가 서로 연결된 네트워크 시트"란, 작은 사이즈의 시트 조각인 플레이크 형태의 그래핀이 상호 연결되어 일 평면 상으로 배열되어 있는 네트워크 구조의 그래핀 시트를 의미한다. 상기 그래핀 단일 원자층 시트는 그래핀 시트 자체가 대면적의 단일 원자층으로 이루어지는 반면, 상기 네트워크 구조체는 그래핀 플레이크들이 서로 연결되어 하나의 그래핀 시트를 이룬다는 점에서, 양자가 구분될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필름(122)은 다공성인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다공성의 그래핀 필름은, 상기 다공성의 그래핀 필름이 롤 형태로 감겨 전극 구조체(120)를 형성할 때, 접촉하는 그래핀 필름의 접촉면들 사이로 전해질 이온이 통과될 수 있는 기공을 제공할 수 있으므로, 전극 구조체(120) 내부에서 그래핀 필름 사이의 전해질 이온의 확산을 보다 촉진시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3 차원 에너지 하베스터의 출력은 상기 전극 구조체(120)의 크기, 예를 들어, 두께 및/또는 직경과 비례하는 것으로서, 상기 전극 구조체(120)의 크기는 특별히 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3 차원 에너지 하베스터는 상기 전극 구조체(120)의 두께에 따라 출력이 달라질 수 있으며, 상기 전극 구조체(120)의 두께는 약 5 nm 내지 약 1,000 mm인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전극 구조체(120)의 두께는 약 5 nm 내지 약 1,000 mm, 약 10 nm 내지 약 1,000 mm, 약 50 nm 내지 약 1,000 mm, 약 100 nm 내지 약 1,000 mm, 약 500 nm 내지 약 1,000 mm, 약 1 μm 내지 약 1,000 mm, 약 5 μm 내지 약 1,000 mm, 약 10 μm 내지 약 1,000 mm, 약 50 μm 내지 약 1,000 mm, 약 100 μm 내지 약 1,000 mm, 약 500 μm 내지 약 1,000 mm, 약 1 mm 내지 약 1,000 mm, 약 5 mm 내지 약 1,000 mm, 약 10 mm 내지 약 1,000 mm, 약 50 mm 내지 약 1,000 mm, 약 100 mm 내지 약 1,000 mm, 약 500 mm 내지 약 1,000 mm, 약 10 nm 내지 약 500 mm, 약 50 nm 내지 약 100 mm, 약 100 nm 내지 약 50 mm, 약 500 nm 내지 약 10 mm, 약 1 μm 내지 약 5 mm, 약 5 μm 내지 약 1 mm, 약 10 μm 내지 약 500 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3 차원 에너지 하베스터는 상기 전극 구조체(120)의 롤 형태의 직경에 따라 출력이 달라질 수 있으며, 상기 전극 구조체(120)의 롤 형태의 직경은 약 5 nm 내지 약 1,000 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전극 구조체(120)의 직경은 약 5 nm 내지 약 1,000 mm, 약 10 nm 내지 약 1,000 mm, 약 50 nm 내지 약 1,000 mm, 약 100 nm 내지 약 1,000 mm, 약 500 nm 내지 약 1,000 mm, 약 1 μm 내지 약 1,000 mm, 약 5 μm 내지 약 1,000 mm, 약 10 μm 내지 약 1,000 mm, 약 50 μm 내지 약 1,000 mm, 약 100 μm 내지 약 1,000 mm, 약 500 μm 내지 약 1,000 mm, 약 1 mm 내지 약 1,000 mm, 약 5 mm 내지 약 1,000 mm, 약 10 mm 내지 약 1,000 mm, 약 50 mm 내지 약 1,000 mm, 약 100 mm 내지 약 1,000 mm, 약 500 mm 내지 약 1,000 mm, 약 10 nm 내지 약 500 mm, 약 50 nm 내지 약 100 mm, 약 100 nm 내지 약 50 mm, 약 500 nm 내지 약 10 mm, 약 1 μm 내지 약 5 mm, 약 5 μm 내지 약 1 mm, 약 10 μm 내지 약 500 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 상부 전극(210)에 형성된 금속층(220)을 포함한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 전극(210)은 집전체로서 작용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 전극(210)은 상기 하부 전극(110)과 상이한 전위를 가지는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하며, 예를 들어, 상기 상부 전극(210)은 Au, Pt, Ti, Cu, Ni, Al, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 하부 전극(110)과 상기 상부 전극(210)이 전위차를 가짐으로써 전하가 이동할 수 있다
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상부 전극(210)의 두께는 약 100 μm 내지 약 1,000 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 상부 전극(210)의 두께는 약 100 μm 내지 약 1,000 μm, 약 200 μm 내지 약 1,000 μm, 약 300 μm 내지 약 1,000 μm, 약 400 μm 내지 약 1,000 μm, 약 500 μm 내지 약 1,000 μm, 약 600 μm 내지 약 1,000 μm, 약 700 μm 내지 약 1,000 μm, 약 800 μm 내지 약 1,000 μm, 약 900 μm 내지 약 1,000 μm, 약 100 μm 내지 약 900 μm, 약 100 μm 내지 약 800 μm, 약 100 μm 내지 약 700 μm, 약 100 μm 내지 약 600 μm, 약 100 μm 내지 약 500 μm, 약 100 μm 내지 약 400 μm, 약 100 μm 내지 약 300 μm, 또는 약 100 μm 내지 약 200 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층(220)은 상기 하부 전극(110)과는 직접적으로 접촉되지 않으나, 상기 전극 구조체(120)와는 접촉점을 가지는 것을 포함한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층(220)은 상기 전극 구조체(120)에서 생성된 전력(전하)을 상부 전극으로 이동시켜주는 이동체로서의 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속층(220)과 상기 하부 전극(110)이 접촉될 경우, 상기 3 차원 에너지 하베스터가 작동되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층은 입자, 큐브, 와이어, 로드, 파이버, 필름, 덩어리 형태, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속층(220)은 상기 상부 전극(210)의 일면에 복수의 금속 와이어가 수직 배향되어 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층(220)은 Ni, Al, Cu, Ru, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층(220)은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 가지는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속층(220)의 두께는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm, 약 0.3 mm 내지 약 10 mm, 약 0.5 mm 내지 약 10 mm, 약 0.7 mm 내지 약 10 mm, 약 0.9 mm 내지 약 10 mm, 약 1 mm 내지 약 10 mm, 약 2 mm 내지 약 10 mm, 약 3 mm 내지 약 10 mm, 약 4 mm 내지 약 10 mm, 약 5 mm 내지 약 10 mm, 약 6 mm 내지 약 10 mm, 약 7 mm 내지 약 10 mm, 약 8 mm 내지 약 10 mm, 약 9 mm 내지 약 10 mm, 약 0.1 mm 내지 약 9 mm, 약 0.3 mm 내지 약 8 mm, 약 0.5 mm 내지 약 7 mm, 약 0.7 mm 내지 약 6 mm, 약 0.9 mm 내지 약 5 mm, 약 1 mm 내지 약 4 mm, 또는 약 2 mm 내지 약 3 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3 차원 에너지 하베스터는 상기 하부 전극(110) 및 상기 상부 전극(210)과 연결된 커패시터(300)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 커패시터(300)는 상기 전극 구조체(120)와 동일한 물질, 구조, 및 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 커패시터(300)는 상기 전극 구조체(120)에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다. 또한, 상기 커패시터(300)는 롤 형태의 그래핀 필름이 완전히 환원된 상태인 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 커패시터(300)는 상기 3 차원 에너지 하베스터의 에너지 저장장치로서 작용되는 것으로서, 상기 3 차원 에너지 하베스터에서 발생된 전압을 일부 저장하여 상기 하베스터가 활성화되지 않은 상태에서도 전기 에너지를 가질 수 있도록 할 수 있다. 상기 에너지는, 예를 들어, 소리 에너지, 마찰 에너지, 또는 압력 에너지 등이 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 3 차원 에너지 하베스터는 파우치 전지(pouch cell) 또는 코인 셀 등의 형태로 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 커패시터(300)의 크기는 특별히 제한되지 않으며, 상기 커패시터(300)의 크기에 비례하여 저장 용량 또한 증가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는, 하부 전극(110)의 대전체로서 사용되는 고분자 나노 소재(121)를 포함하는 부분적으로 환원된 3 차원 구조의 그래핀 옥사이드 및 상기 하부 전극(110)에서 발생된 전하를 효과적으로 포집할 수 있는 구조의 상부 전극(210) 상에 마이크로 금속층(220)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 구조를 가지는 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 기존의 1 차원 또는 2 차원 구조의 소리 에너지 하베스터에서 나타내기 어려운 약 80 V 이상의 출력을 낼 수 있으며, 진동에 의한 에너지 전환율이 높은 3 차원 구조를 가지는 소리 에너지 하베스터를 제공할 수 있다.
또한, 기존의 압전, 마찰, 또는 소리 에너지 하베스터는 순간 발생된 전기 에너지를 즉시 사용하지 않으면 소멸되는 특성을 지녔지만, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터는 전극 구조체와 동일한 구조체를 커패시터로서 사용함으로써 변환된 전기 에너지를 바로 커패시터에 저장하여 사용 가능하다는 장점이 있으며, 이로 인해 사용하지 않은 잉여 에너지를 커패시터에 충전시켜 원하는 때에 사용할 수 있는 신규한 구조를 가진다.
본원의 다른 일 측면은, 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 옥사이드 필름을 롤링하는 단계; 상기 롤링된 그래핀 옥사이드 필름을 슬라이싱하여 전극 구조체를 수득하는 단계; 상기 전극 구조체의 롤 형태의 일면이 하부 전극과 접하도록 상기 전극 구조체를 배치시키는 단계; 상부 전극 상에 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 전극 구조체의 일면과 상기 금속층이 접하도록 배치시키는 단계를 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 제공한다.
도 2 및 도 3은, 본원의 일 구현예에 따른 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
본원의 다른 일 측면에 따른 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법은 상기 본원의 일 측면에 따른 3 차원 에너지 하베스터에 대하여 기술된 내용과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는 고유전상수를 가지는 것일 수 있다. 상기 나노 소재는 약 6 내지 약 10의 범위의 유전상수를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 유전상수는 약 6 내지 약 10, 약 7 내지 약 10, 약 8 내지 약 10, 약 9 내지 약 10, 약 6 내지 약 9, 약 6 내지 약 8, 또는 약 6 내지 약 7일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는 비전도성의 유연성 고분자 소재 또는 압전성 나노 소재를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 나노 소재는 P(VDF-TrFE) [poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)], PVDF [poly(vinylidene fluoride)], PZT [Pb(Zr,Ti)O3], BLT [(Bi,La)4Ti3O12], PLZT [(Pb,La)(Zr,Ti)O3], BST [(Bi,Sr)TiO3], BiFeO3, FEP (fluorinated ethylene propylene), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 강유전체 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것인 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는 입자, 큐브, 와이어, 로드, 파이버, 필름, 임의의 덩어리 형태, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는, 상기 그래핀 필름이 롤 형태로 감길 때, 그래핀 필름이 접촉하는 면과 면 사이를 일정 간격으로 떨어뜨려 재스태킹(re-stacking)되는 것을 방지하면서, 감겨진 그래핀 필름 사이로 전해질 이온이 이동할 수 있는 공간이 확보될 수 있도록 한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는 약 1 nm 내지 약 200 nm의 범위의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 나노 소재의 크기는 약 1 nm 내지 약 200 nm, 약 5 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 약 1 nm 내지 약 150 nm, 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 5 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재가 상기 그래핀 필름 표면에 개별적으로 분산되어 있는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노 소재는 상기 그래핀 필름 표면에 서로 응집함이 없이 균일하게 분산됨으로써 그래핀 필름의 접촉면 사이에 균일하게 공간을 확보할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는, 예를 들어, 액상 침지법, 2-영역 기상 수송법, 전기화학법, 공삽입법, 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD), 물리기상증착(physical vapor deposition; PVD), PECVD(plasma-enhanced CVD), 스퍼터링, 아크증착, 플라즈마 아크증착, 또는 스프레이 가수분해 등의 방법에 의해 상기 그래핀 옥사이드 필름의 일면에 분산되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 구조체의 롤 형태의 일면이 상기 하부 전극과 접하도록 상기 전극 구조체가 배치됨으로써 상기 그래핀 옥사이드 필름이 상기 하부 전극과 수직으로 배향되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 롤 형태는, 예를 들어, 원형 롤, 타원형 롤, 또는 다각형 롤 형태인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 슬라이싱 단계는 레이저 커팅 또는 날카로운 칼날을 사용하여 커팅함으로써 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극 구조체를 수득하는 단계는, 상기 전극 구조체를 부분적으로 환원시키는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 부분적 환원은 저온에서 수행되는 것일 수 있으며, 상기 부분적 환원은 약 150℃ 내지 약 400℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 환원 온도는 약 150℃ 내지 약 400℃, 약 200℃ 내지 약 400℃, 약 250℃ 내지 약 400℃, 약 300℃ 내지 약 400℃, 약 350℃ 내지 약 400℃, 약 150℃ 내지 약 350℃, 약 150℃ 내지 약 300℃, 약 150℃ 내지 약 250℃, 또는 약 150℃ 내지 약 200℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 슬라이싱된 그래핀 옥사이드 필름의 일면은 환원되지 않거나 또는 부분적으로 환원된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원 단계는 화학적 환원, 열적 환원, 또는 열적-화학적 환원에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 소재는 입자, 큐브, 와이어, 로드, 파이버, 필름, 임의의 덩어리 형태, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속층은 상기 상부 전극의 일면에 복수의 금속 와이어가 수직 배향되어 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속층은 Ni, Al, Cu, Ru, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법은, 커패시터를 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극과 연결시키는 단계를 추가 포함하며, 상기 커패시터는 상기 전극 구조체와 동일한 방법에 의해 제조한 후, 완전 환원시켜 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 커패시터는 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 옥사이드 필름을 롤링한 후 완전히 환원시켜 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 커패시터는 상기 전극 구조체와 동일한 물질, 구조, 및 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 커패시터는 상기 전극 구조체에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본원을 좀더 자세히 설명하지만, 본원은 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
< 실시예 1 >
그래핀 옥사이드 분말(Graphene all 社)을 에탄올(Samcheon Chemical)에 2 mg/mL의 농도로 48 시간 동안 초음파 처리(40 kHz, Power sonic 420, 화신기계상사)하여 분산시켰다. 상기 분산된 용액을 친유성 고분자 코팅이 되어있는 기재 상에 고르게 분사시킨 후, 상온에서 48 시간 동안 건조시켜 그래핀 옥사이드 필름을 제조하였다.
상기 제조된 그래핀 옥사이드 필름 상에 PZT [Pb(ZrxTi1 -x)O3] 나노 와이어(탈이온수 내에서 1 wt% PZT 와이어)를 도장용 분무기(paint spray gun; HD-470; HD社)를 이용하여 고르게 분산시켰다. 그 후, 상기 나노 와이어가 분산된 그래핀 옥사이드 필름을 롤링한 후 사용할 크기로 절단(Dorco 면도날)하여 3 차원 에너지 하베스터의 전극 구조체를 수득하였다.
도 7 및 도 8은, 상기 제조된 전극 구조체의 사진 및 단면 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
이어서, 하부 전극으로서 알루미늄 호일을 사용하였으며, 상기 알루미늄 호일 상에 상기 제조된 전극 구조체를 부착시켰다.
이어서, 상부 전극으로서 구리 호일을 사용하였으며, 상기 구리 호일 상에 금속 와이어를 부착시켰다.
마지막으로, 상기 하부 전극의 전극 구조체와 상기 상부 전극의 금속 와이어가 서로 접촉되도록 배치시켜 3차원 에너지 하베스터를 제조하였다.
도 6의 (a) 및 (b)는, 본 실시예에서 최종적으로 제조된 에너지 하베스터의 사진이다.
< 비교예 1>
비교예로서, 공지된 문헌[ZL Wang et al, ACS Nano, Vol 8. No 3. 2649-2657]에 따른 방법에 의해 제조된 소리 에너지 하베스터를 사용하였다. 상기 소리 에너지 하베스터는 Helmholtz 이론을 적용한 구조로서 제조되었다. 본 비교예에 따른 소리 에너지 하베스터를 도 9의 (a) 내지 (d)에 나타내었다. 도 9의 (a)는 휴기 필름 소리 에너지 하베스터의 구조도이고, 도 9의 (b)는 하베스팅 전극, 상부 전극, 및 하부 전극의 구조도이며, 도 9의 (c) 및 (d)는, 각각, 상부 전극 및 하부 전극의 SEM 사진을 나타낸다. 본 비교예에 따른 소리 에너지 하베스터의 최대 출력은 0.19 V 내지 0.21 V로 측정되었다.
< 실험예 1>
오실레이터(oscillator)를 사용하여 일정 시간 동안 일정 소리(예를 들어, 목소리 또는 노래 등)를 가지는 주파수를 본 실시예에서 제조된 하베스터에 가하여 그 소리에 하베스터가 반응하여 생성된 출력 전압을 측정하였다.
도 4 및 도 5는, 상기 실험을 통해 측정된 본 실시예에 따른 하베스터의 소리 에너지 하베스팅 능력을 나타낸 그래프이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 하부 전극 120: 전극 구조체
121: 나노 소재 122: 그래핀 필름
210: 상부 전극 220: 금속층
300: 커패시터

Claims (20)

  1. 하부 전극 상에 배치된 전극 구조체; 및
    상부 전극에 형성된 금속층
    을 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터로서,
    상기 전극 구조체는 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 옥사이드 필름이 롤 형태로 감겨진 것을 포함하는 것이고,
    상기 나노 소재는 강유전체 물질을 포함하는 것이며,
    상기 금속층은 Ni, Al, Cu, Ru, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인,
    3 차원 에너지 하베스터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극과 연결된 커패시터를 추가 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커패시터는 환원된 그래핀 옥사이드 필름이 롤 형태로 감겨진 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구조체의 롤 형태의 일면이 상기 하부 전극과 접하도록 상기 전극 구조체가 배치됨으로써 상기 그래핀 옥사이드 필름이 상기 하부 전극과 수직으로 배향되는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극은 각각 독립적으로 집전체로서 작용되는 것이고, 상기 전극 구조체는 하베스팅 전극 또는 제너레이팅 전극으로서 작용되는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속층은 0.1 mm 내지 10 mm의 두께를 가지는 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 옥사이드 필름은 부분적으로 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래핀 옥사이드 필름은 다공성인 것을 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 소재는 6 내지 10의 범위의 유전상수를 갖는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 소재는 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-트리플루오로에틸렌), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), Pb(Zr,Ti)O3, (Bi,La)4Ti3O12, (Pb,La)(Zr,Ti)O3, (Bi,Sr)TiO3, BiFeO3, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 강유전체 물질을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 소재 및 상기 금속층은 각각 독립적으로 입자, 큐브, 와이어, 로드, 파이버, 필름, 덩어리 형태, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 소재는 1 nm 내지 10,000 μm의 범위의 크기를 가지는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 소재가 상기 그래핀 옥사이드 필름 표면에 개별적으로 분산되어 있는 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구조체의 두께는 5 nm 내지 1,000 mm인 것을 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터.
  16. 적어도 일면에 나노 소재가 분산된 그래핀 옥사이드 필름을 롤링하는 단계;
    상기 롤링된 그래핀 옥사이드 필름을 슬라이싱하여 전극 구조체를 수득하는 단계;
    상기 전극 구조체의 롤 형태의 일면이 하부 전극과 접하도록 상기 전극 구조체를 배치시키는 단계;
    상부 전극 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극 구조체의 일면과 상기 금속층이 접하도록 배치시키는 단계
    를 포함하는, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법으로서,
    상기 나노 소재는 강유전체 물질을 포함하는 것이고,
    상기 금속층은 Ni, Al, Cu, Ru, Au, Pt, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인,
    3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 슬라이싱 단계는 레이저 커팅 또는 날카로운 칼날을 사용하여 커팅함으로써 수행되는 것인, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 구조체를 수득하는 단계는, 상기 전극 구조체를 부분적으로 환원시키는 단계를 추가 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 환원 단계는 화학적 환원, 열적 환원, 또는 열적-화학적 환원에 의해 수행되는 것인, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    커패시터를 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극과 연결시키는 단계를 추가 포함하며, 상기 커패시터는 환원된 그래핀 옥사이드 필름이 롤 형태로 감겨진 것을 포함하는 것인, 3 차원 에너지 하베스터의 제조 방법.
KR1020150084237A 2015-06-15 2015-06-15 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법 KR101685365B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150084237A KR101685365B1 (ko) 2015-06-15 2015-06-15 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150084237A KR101685365B1 (ko) 2015-06-15 2015-06-15 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101685365B1 true KR101685365B1 (ko) 2016-12-12

Family

ID=57574185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150084237A KR101685365B1 (ko) 2015-06-15 2015-06-15 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101685365B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107244669A (zh) * 2017-06-14 2017-10-13 南开大学 一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统
CN108373329A (zh) * 2018-02-26 2018-08-07 西安理工大学 一种基于PLZST/P(VDF-co-TrFE)的复合薄膜的制备方法
KR20220030600A (ko) * 2020-09-03 2022-03-11 숭실대학교산학협력단 에너지 하베스팅 메타물질 기반의 무선 유기 화합물 가스 감지 센서 및 이를 이용한 음주 측정기

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2290718A2 (en) * 2009-08-25 2011-03-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2290718A2 (en) * 2009-08-25 2011-03-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same
US20120225196A1 (en) * 2009-08-25 2012-09-06 Kumoh National Institute Of Technology Industry-Academic Cooperation Apparatus for generating electrical energy and method for manufacturing the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107244669A (zh) * 2017-06-14 2017-10-13 南开大学 一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统
CN107244669B (zh) * 2017-06-14 2020-12-25 南开大学 一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统
CN108373329A (zh) * 2018-02-26 2018-08-07 西安理工大学 一种基于PLZST/P(VDF-co-TrFE)的复合薄膜的制备方法
KR20220030600A (ko) * 2020-09-03 2022-03-11 숭실대학교산학협력단 에너지 하베스팅 메타물질 기반의 무선 유기 화합물 가스 감지 센서 및 이를 이용한 음주 측정기
KR102493038B1 (ko) * 2020-09-03 2023-01-27 숭실대학교산학협력단 에너지 하베스팅 메타물질 기반의 무선 유기 화합물 가스 감지 센서 및 이를 이용한 음주 측정기

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. A chemically polished zinc metal electrode with a ridge-like structure for cycle-stable aqueous batteries
KR101632797B1 (ko) 전류 집전체-촉매 일체형 3차원 나노섬유 네트워크 전극을 이용한 리튬-공기 전지 및 그 제조 방법
Mao et al. Al2O3‐Assisted confinement synthesis of oxide/carbon hollow composite nanofibers and application in metal‐ion capacitors
RU2469442C1 (ru) Система для высокоэффективного преобразования и аккумулирования энергии с использованием углеродных наноструктурированных материалов
Zhou et al. High-performance supercapacitors using a nanoporous current collector made from super-aligned carbon nanotubes
Liu et al. Three-dimensional tubular arrays of MnO 2–NiO nanoflakes with high areal pseudocapacitance
EP2387805B1 (en) A process for producing carbon nanostructure on a flexible substrate, and energy storage devices comprising flexible carbon nanostructure electrodes
JP5281100B2 (ja) 電気二重層キャパシタ及びその製造方法
RU2444816C2 (ru) Электрод для ячейки устройства, аккумулирующего энергию, и способ его изготовления
KR101523665B1 (ko) 휘어지는 실 형태의 슈퍼커패시터
KR101653019B1 (ko) 도전성 시트 및 전극
Qi et al. Advanced thin film cathodes for lithium ion batteries
KR20140037022A (ko) 나노 다공성 세라믹 복합 금속
RU2572840C2 (ru) Металлическая фольга с проводящим слоем и способ ее изготовления
KR101685365B1 (ko) 3 차원 에너지 하베스터 및 이의 제조 방법
Klankowski et al. Higher-power supercapacitor electrodes based on mesoporous manganese oxide coating on vertically aligned carbon nanofibers
US20110043037A1 (en) Nanostructured high surface area electrodes for energy storage devices
KR20140104542A (ko) 롤 형태를 갖는 전극 구조체, 이를 채용한 전극 및 전기소자, 및 상기 전극 구조체의 제조방법
US20140293513A1 (en) Graphene-based high voltage electrodes and materials
KR20150016457A (ko) 적층 구조를 가지는 금속 박막이 코팅된 고분자 나노섬유 멤브레인 전극 및 그 제조 방법
KR101812946B1 (ko) 그래핀-환원된 그래핀 산화물 복합체 및 이의 제조방법
KR100765615B1 (ko) 복합소재를 이용한 의사커패시터의 제조방법
Jung et al. Kim
JP6498945B2 (ja) 蓄電装置及びその製造方法
Ramadoss et al. Flexible, Lightweight, and Ultrabendable RuO2–MnO2/Graphite Sheets for Supercapacitors

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190905

Year of fee payment: 4