KR102009710B1 - 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산성과 전도성이 우수한 나노링(nano-ring) 구조의 탄소나노튜브를 변형률이 우수한 유전체에 분산시킴으로써 높은 정전용량 및 높은 변형률을 갖는 유전복합체를 제조함과 함께 상기 유전복합체를 에너지 하베스팅 장치에 적용함으로써 전기에너지 생성효율을 향상시킬 수 있는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치는 일렉트렛; 상기 일렉트렛과 이격되어 구비되는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체; 및 상기 유전복합체와 밀착되어 구비되는 변형용 프레임;을 포함하여 이루어지며, 상기 변형용 프레임을 수평 방향으로 인장시키면, 상기 유전복합체가 함께 인장되며 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리는 좁혀지며, 상기 변형용 프레임을 최초 상태로 복원시키면, 상기 유전복합체가 최초 상태로 복원됨과 함께 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리가 최초 상태로 복원되는 것을 특징으로 한다.

Description

나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치{Dielectric having nanoring structure carbon nanotube and Energy harvesting device using the same}
본 발명은 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산성과 전도성이 우수한 나노링(nano-ring) 구조의 탄소나노튜브를 변형률이 우수한 유전체에 분산시킴으로써 높은 정전용량 및 높은 변형률을 갖는 유전복합체를 제조함과 함께 상기 유전복합체를 에너지 하베스팅 장치에 적용함으로써 전기에너지 생성효율을 향상시킬 수 있는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 및 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 태양, 풍력, 열에너지나 인체의 운동에너지 등 외부의 에너지를 수집하여 전기에너지로 변환시키는 기술을 말한다. 에너지 하베스팅은 자연환경이나 인체의 움직임으로부터 직접 전기에너지를 얻을 수 있기 때문에 에너지 공급의 안정성, 보안성 및 지속성을 유지할 수 있고, 환경 공해를 줄일 수 있는 친환경 에너지 활용기술로 각광받고 있다.
에너지 하베스팅을 구현하는 원리는 다양한데 그 중 하나로, 일정한 전하량을 갖고 있는 물질을 변형하여 정전용량의 변화를 유도하고 그로 인해 출력전압이 변화되는 원리를 이용하여 에너지 하베스팅 효과를 얻을 수 있다.
아래의 식 1은 물질의 변형률과 정전용량에 따른 전기에너지의 상관관계를 나타낸 식이다. 식 1을 참조하면, 물질의 변형률과 정전용량이 클수록 전기에너지가 증가됨을 알 수 있다.
<식 1>
Figure 112017111641062-pat00001
(WE는 전기에너지, λ는 물질의 변형률, ε0는 물질의 진공 유전율, εr는 상대 유전율)
물질의 변형을 통해 에너지 하베스팅 효과를 얻는 방식에 있어서, 높은 전기에너지를 생산하기 위해서는 높은 변형률을 갖는 물질을 이용해야 하나, 높은 변형률을 갖는 물질은 일반적으로 낮은 정전용량 특성을 갖고 있다.
한국공개특허공보 제2017-64808호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 분산성과 전도성이 우수한 나노링(nano-ring) 구조의 탄소나노튜브를 변형률이 우수한 유전체에 분산시킴으로써 높은 정전용량 및 높은 변형률을 갖는 유전복합체를 제조함과 함께 상기 유전복합체를 에너지 하베스팅 장치에 적용함으로써 전기에너지 생성효율을 향상시킬 수 있는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법 그리고 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법은 나노링 구조의 탄소나노튜브와 분산용액이 혼합된 제 1 혼합용액과, 유전성 고분자물질과 경화제가 혼합된 제 2 혼합용액을 준비하는 단계; 제 1 혼합용액과 제 2 혼합용액을 혼합하여, 용액 내에서 나노링 구조의 탄소나노튜브를 분산시키는 단계; 제 1 혼합용액과 제 2 혼합용액이 혼합된 용액에 대해 제 1 열처리를 진행하여 분산용액 성분을 기화시키는 단계; 및 분산용액 성분이 기화된 용액에 대해 제 2 열처리를 진행하여, 경화제에 의해 유전성 고분자물질이 경화되도록 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 나노링 구조의 탄소나노튜브는 결합용 고분자를 구비하며, 상기 결합용 고분자는 탄소나노튜브와의 비공유결합을 이루며, 상기 결합용 고분자는 π-공액상 고분자, 방향족 고분자, 비방향족 고분자 중 어느 하나이다.
상기 유전성 고분자물질은 폴리디메틸실옥산(PDMS), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA)), 폴리스티렌(PS),　폴리이미드(PI) 중 어느 하나이다.
π-공액상 고분자는 폴리페닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리알킬티오펜(Poly(3-alkylthiophenes)) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 상기 방향족 고분자는 폴리이미드(polyimide)이며, 상기 비방향족 고분자로는 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone)), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리이소프렌(polyisoprene), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
본 발명에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치는 일렉트렛; 상기 일렉트렛과 이격되어 구비되는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체; 및 상기 유전복합체와 밀착되어 구비되는 변형용 프레임;을 포함하여 이루어지며, 상기 변형용 프레임을 수평 방향으로 인장시키면, 상기 유전복합체가 함께 인장되며 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리는 좁혀지며, 상기 변형용 프레임을 최초 상태로 복원시키면, 상기 유전복합체가 최초 상태로 복원됨과 함께 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리가 최초 상태로 복원되는 것을 특징으로 한다.
상기 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체는 유전성 고분자물질에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 것이며, 상기 나노링 구조의 탄소나노튜브는 결합용 고분자를 구비하며, 상기 결합용 고분자는 탄소나노튜브와의 비공유결합을 이루며, 상기 결합용 고분자는 π-공액상 고분자, 방향족 고분자, 비방향족 고분자 중 어느 하나이다.
상기 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체는 유전성 고분자물질에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 것이며, 상기 유전성 고분자물질은 폴리디메틸실옥산(PDMS), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA)), 폴리스티렌(PS),　폴리이미드(PI) 중 어느 하나이다.
상기 변형용 프레임은 변형 및 복원이 가능한 부도체 물질로 이루어진다.
상기 변형용 프레임은 요철 형상으로 절곡된 형태를 이루며, 유전복합체는 변형용 프레임의 상면에 밀착되어 구비되며, 상기 일렉트렛과 유전복합체는 평행한 상태로 이격되어 배치되며, 일렉트렛의 양단부는 하향 절곡되어 변형용 프레임의 양단부에 고정된다.
상기 변형용 프레임을 인장시키면, 유전복합체의 면적이 증가되어 유전복합체의 정전용량이 증가됨과 함께 유전복합체의 출력전압은 작아지며, 상기 변형용 프레임을 최초 상태로 복원시키면, 유전복합체의 면적이 감소되어 유전복합체의 정전용량이 감소됨과 함께 유전복합체의 출력전압은 커진다.
본 발명에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체 및 그 제조방법 그리고 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
나노링 구조의 탄소나노튜브가 유전복합체에 포함됨에 따라 유전복합체의 정전용량이 증가되며, 유전복합체의 정전용량이 증가됨으로 인해 유전복합체의 변형 및 복원시 발생되는 출력전압을 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 에너지 하베스팅 장치의 전기에너지 생산효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 분리사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치의 실제 제작예를 나타낸 사진.
도 5는 대조군 1 및 대조군 2의 출력전압 특성을 나타낸 실험결과.
도 6은 실시예 1 및 실시예 2의 출력전압 특성을 나타낸 실험결과.
본 발명은 에너지 하베스팅 장치 및 이에 적용되는 유전복합체에 관한 기술을 제시한다.
물질의 변형을 통해 에너지 하베스팅 효과를 얻는 방식에 있어서, 전기에너지는 전기에너지를 생산하는 유전체의 정전용량 및 변형률에 비례한다. 따라서, 에너지 하베스팅 장치의 전기에너지 생산효율을 높이기 위해서는 높은 정전용량 및 변형률을 갖는 유전체가 요구된다. 그러나, 통상의 유전체는 변형률은 높은 반면 정전용량은 작은 특성을 갖고 있다.
본 발명은 통상의 유전체에 분산성 및 전도성이 우수한 나노링(nano-ring) 구조의 탄소나노튜브를 복합시켜 유전복합체를 제조하고, 이를 에너지 하베스팅 장치에 적용하는 기술을 제시한다.
나노링 구조의 탄소나노튜브는 분산성이 우수하여 유전복합체의 제조시 유전성 고분자물질과 고르게 섞이는 특성을 갖고 있으며, 유전복합체에 분산되어 구비된 나노링 구조의 탄소나노튜브는 전도성 필러(conductive pillar) 역할을 하여 유전복합체의 정전용량을 증가시키는 역할을 한다. 이와 같이, 유전복합체에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함됨에 따라 높은 정전용량 및 변형률을 갖는 유전복합체를 얻을 수 있으며, 상기 유전복합체를 물질의 변형을 통해 전기에너지를 생산하는 에너지 하베스팅 장치에 적용함으로써 전기에너지 생산효율을 향상시킬 수 있다.
유전복합체가 에너지 하베스팅 장치에 적용됨에 있어서, 유전복합체가 높은 변형률과 높은 정전용량을 갖음에 따라, 유전복합체의 변형시 유전복합체의 분극특성을 향상시킬 수 있어 생산되는 전기에너지의 전압을 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 전기에너지 생산효율을 증대시킬 수 있게 된다.
에너지 하베스팅 장치는 기본적으로 유전체와, 유전체의 분극을 유도하는 일렉트렛(electret)으로 구성되며, 유전체의 변형에 따른 분극 특성 및 그로부터 발생되는 전압을 이용하여 전기에너지를 생산한다. 유전체 변형에 따른 분극 및 그에 따른 전압 발생은 다음과 같이 설명될 수 있다.
유전체의 전하량(Q)은 항상 일정함이 전제되는 상태에서, 유전체의 정전용량(C)과 전압(V)은 가변적이다(식 1 참조). 또한, 유전체의 정전용량(C)는 면적(A)에 비례한다(식 2 참조).
(식 1)
Figure 112017111641062-pat00002
(식 2)
Figure 112017111641062-pat00003
유전체의 분극을 유도하는 일렉트렛이 없는 상태에서, 최초 상태의 유전체의 정전용량(C)는 1, 전압(V)는 4이고(식 3 참조), 유전체를 변형시켰을 때 유전체의 정전용량(C)는 4, 전압(V)는 1로 가정할 수 있다(식 4 참조). 전술한 바와 같이, 유전체의 전하량(Q)는 항상 일정하다.
(식 3) C=1, V=4
(식 4) C=4, V=1
반면, 유전체의 분극을 유도하는 일렉트렛이 존재하는 경우, 유전체를 변형시키면 유전체 면적 증가에 따라 유전체의 정전용량(C)이 증가되어 8(가정값)이 되고, 전압은 0.5로 감소된다(식 6 참조). 또한, 최초 상태의 유전체의 정전용량(C)는 1, 전압(V)는 4로 가정할 수 있다(식 5 참조).
(식 5) C=1, V=4
(식 6) C=8, V=0.5
일렉트렛이 없는 경우의 전압차(ΔV)가 4배인 반면, 일렉트렛이 존재하는 경우 즉, 에너지 하베스팅 장치의 경우 전압차(ΔV)가 8배로 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 에너지 하베스팅 장치는 전압차(ΔV)를 이용하여 전기에너지를 생산하는 방식이다. 따라서, 에너지 하베스팅 장치의 전기에너지 생산효율을 향상시키기 유전체 변형에 따른 전압차(ΔV)를 증가시켜야 하며, 전압차(ΔV)를 증가시키기 위해서는 유전체의 정전용량(C)이 커야 한다.
이와 같은 조건을 만족하기 위해, 본 발명은 전술한 바와 같이 전도성 필러(conductive pillar) 역할을 하는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 에너지 하베스팅 장치에 적용하는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체 및 그 제조방법 그리고 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체의 제조방법 및 그에 따라 제조되는 유전복합체에 대해 설명하기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 용액과 유전성 고분자물질이 분산된 용액을 각각 준비한다(S101).
나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 용액은 분산용액에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 혼합된 용액이다. 분산용액으로는 헥산을 이용할 수 있으며, 나노링 구조의 탄소나노튜브와 헥산의 혼합비는 1 : 1 ∼ 1 : 10 로 설정할 수 있다.
상기 나노링 구조의 탄소나노튜브는 표면에 결합용 고분자를 구비한다. 상기 결합용 고분자는 탄소나노튜브와의 비공유결합(π-π 결합, CH-π 결합, 양이온-π 결합, 수소결합 중 어느 하나)을 이루어 링 구조의 탄소나노튜브가 그 형태를 유지되도록 함과 함께, 유전성 고분자물질과의 혼합시 유전성 고분자물질의 극성그룹과 균질화(homogeneous) 특성을 이루어 나노링 구조의 탄소나노튜브가 유전성 고분자물질 내에서 고르게 분산되도록 한다. 예를 들어, 결합용 고분자로 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone))이 이용되는 경우, 탄소나노튜브 표면에 존재하는 하이드록실기(-OH) 또는 카르복실기(-COOH)의 수소(H) 성분이 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone))에 존재하는 산소(O) 성분과 비공유결합을 이루어, 결합용 고분자와 탄소나노튜브가 결합된다.
상기 결합용 고분자는 π-공액상 고분자, 방향족 고분자, 비방향족 고분자 중 어느 하나이다. π-공액상 고분자로는 폴리페닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리알킬티오펜(Poly(3-alkylthiophenes)) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용될 수 있고, 방향족 고분자로는 폴리이미드(polyimide)가 이용될 수 있으며, 비방향족 고분자로는 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone)), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리이소프렌(polyisoprene), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate)), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide)) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용될 수 있다. 또한, 상기 결합용 고분자 용액의 용매로는 물(water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
결합용 고분자로 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone))이 이용되는 경우, 탄소나노튜브 표면에 존재하는 하이드록실기(-OH) 또는 카르복실기(-COOH)의 수소(H) 성분이 폴리비닐피롤리돈(poly(vinylpyrrolidone))에 존재하는 산소(O) 성분과 비공유결합을 이루어, 결합용 고분자와 탄소나노튜브가 결합된다.
상기 유전성 고분자물질이 분산된 용액은 유전성 고분자물질과 경화제와 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 유전성 고분자물질과 경화제의 혼합비는 10 : 1 로 설정할 수 있으며, 유전성 고분자물질로는 폴리디메틸실옥산(PDMS)을 사용할 수 있으며, 그 외에 폴리디메틸실옥산(PDMS), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA)), 폴리스티렌(PS),　폴리이미드(PI) 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 용액과 유전성 고분자물질이 분산된 용액이 준비된 상태에서, 두 용액을 혼합한다(S102). 상기 두 용액이 혼합된 용액을 제조함에 있어서, 나노링 구조의 탄소나노튜브는 두 용액이 혼합된 전체 용액의 질량 대비 0.001∼10wt%를 갖는 것이 바람직하다.
나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 용액과 유전성 고분자물질이 분산된 용액을 혼합한 상태에서, 혼합된 용액을 혼련함과 함께 초음파를 조사를 조사하여 나노링 구조의 탄소나노튜브가 고르게 분산되도록 할 수 있다.
이어, 나노링 구조의 탄소나노튜브와 유전성 고분자물질이 혼합된 용액에 대해 50∼70℃의 온도로 1차 열처리를 하여 용액 내의 분산용액 성분을 기화시킨다(S103). 그런 다음, 100∼120℃의 온도로 2차 열처리를 진행함으로써 경화제에 의해 유전성 고분자물질이 경화되도록 한다(S104). 이와 같은 과정을 통해, 유전성 고분자물질 내에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 유전복합체가 제조된다(S105).
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치는 일렉트렛(electret)(210), 유전복합체(220) 및 변형용 프레임(230)을 포함하여 이루어진다.
상기 일렉트렛(210)은 반영구적 분극을 갖는 유전물질로서, 일면에 일정량의 전하가 주입된 형태를 이룬다. 상기 일렉트렛(210)은 유전물질 상에서 코로나 방전을 유도하여 유전물질의 일면에 전하를 주입하는 형태로 제조할 수 있다. 일 실시예로, 하부전극 상에 유전물질을 배치한 상태에서 방전전극에 20,000∼45,000V의 전압을 인가하여 코로나 방전을 유도함으로써 유전물질의 상면에 전하를 주입할 수 있다. 상기 일렉트렛(210)을 제조하기 위한 유전물질로는 다양한 유전물질이 이용될 수 있으며, 일 실시예로 테플론(TEFLON)이 이용될 수 있다.
상기 변형용 프레임(230)은 상기 유전복합체(220)을 변형 및 복원시키기 위한 장치이며, 상기 변형용 프레임(230)의 변형 및 복원을 통해 유전복합체(220)에 의한 전기에너지 생산이 가능하게 된다.
상기 변형용 프레임(230)의 변형 및 복원 동작시, 상기 일렉트렛(210) 및 유전복합체(220) 역시 변형용 프레임(230)과 마찬가지로 변형, 복원되며, 이를 위해 상기 일렉트렛(210), 유전복합체(220) 및 변형용 프레임(230)은 일체형으로 결합된 구조를 이룬다.
상기 변형용 프레임(230)은 변형 및 복원이 가능한 부도체 물질로 이루어지며, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 요철 형상으로 절곡된 형태로 구성할 수 있다. 이와 같이, 변형용 프레임(230)이 요철 형상의 절곡된 형태를 이룸에 따라, 변형용 프레임(230)의 양단을 잡아당기면 변형용 프레임(230)은 인장되며, 변형용 프레임(230)의 양단에 인가된 힘을 제거하면 인장된 변형용 프레임(230)은 최초 상태로 복원된다.
유전복합체(220)은 전술한 바와 같이 변형용 프레임(230)의 변형, 복원에 따라 함께 변형 복원되는데, 이를 위해 유전복합체(220)은 변형용 프레임(230)의 상면에 밀착되어 구비된다. 따라서, 변형용 프레임(230)이 인장되면 유전복합체(220) 역시 인장되며, 변형용 프레임(230)이 최초 상태로 복원되면 유전복합체(220) 역시 최초 상태로 복원된다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치에 따른 전기에너지 생산원리는 일렉트렛(210)을 이용하여 유전복합체(220)을 분극화시켜, 유전복합체(220)의 분극에 의해 발생된 전압차를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이다. 따라서, 유전복합체(220)에 의해 발생되는 전압차가 클수록 생산되는 전기에너지는 크다.
유전복합체(220)에 의해 발생되는 전압차를 증가시키기 위해서는 유전복합체(220)의 분극 특성을 높여야 되며, 유전복합체(220)의 분극 특성을 높이기 위해서는 일렉트렛(210)과 유전복합체(220) 사이의 거리에 변화가 있어야 한다. 이를 구현하기 위해, 변형용 프레임(230)의 인장시 유전복합체(220)과 일렉트렛(210) 사이의 거리가 가까워져야 하며, 변형용 프레임(230)의 복원시 유전복합체(220)과 일렉트렛(210) 사이의 거리는 멀어져야 한다. 상기의 원리를 만족하기 위해, 상기 일렉트렛(210)과 유전복합체(220)은 평행한 상태로 이격되어 배치되며, 일렉트렛(210)의 양단부는 하향 절곡되어 변형용 프레임(230)의 양단부에 고정된다. 상기 일렉트렛(210)은 일 실시예로, '■' 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 구조 하에, 변형용 프레임(230)을 인장시키면 유전복합체(220) 역시 인장되며 이와 함께 유전복합체(220)과 일렉트렛(210) 사이의 거리는 좁혀지며, 변형용 프레임(230)을 복원시키면 유전복합체(220) 역시 인장된 상태가 해제되어 복원되며 이와 함께 유전복합체(220)과 일렉트렛(210) 사이의 거리는 최초 상태로 되돌아간다.
다음으로, 상기 유전복합체(220)에 대해 설명하기로 한다.
앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치에 따른 전기에너지 생산원리는 일렉트렛(210)을 이용하여 유전복합체(220)을 분극화시켜, 유전복합체(220)의 분극에 의해 발생된 전압차를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이다. 따라서, 유전복합체(220)에 의해 발생되는 전압차가 클수록 생산되는 전기에너지는 크며, 유전복합체(220)에 의해 발생되는 전압차를 증가시키기 위해서는 유전복합체(220)의 분극 특성을 높여야 한다.
유전복합체(220)의 분극 특성이 향상되기 위해서는 앞서 언급한 일렉트렛(210)과 유전복합체(220) 사이의 거리 변화 이외에 기본적으로 유전복합체(220)의 정전용량이 커야 한다.
본 발명은 유전복합체(220)의 정전용량을 향상시키기 위해 나노링(nano-ring) 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체(220)을 사용한다. 본 발명의 에너지 하베스팅 장치에 적용되는 유전복합체(220) 즉, 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체(220)은 상술한 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체(220)의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
나노링 구조의 탄소나노튜브는 유전복합체(220) 내에 분산되어 구비되며, 유전복합체(220) 내에 분산된 나노링 구조의 탄소나노튜브는 전도성 필러(conductive pillar) 역할을 하여 유전복합체(220)의 정전용량을 증가시키는 역할을 한다.
나노링 구조의 탄소나노튜브가 유전복합체(220)에 구비됨으로 인해 정전용량이 커짐에 따라, 유전복합체(220)의 분극 특성이 향상된다. 구체적으로, 일렉트렛(210)과 유전복합체(220) 사이의 거리가 가까워지면 나노링 구조의 탄소나노튜브로 인해 분극화가 강화되며, 분극 특성이 강화됨에 따라 유전복합체(220)의 정전용량이 증가된다. 또한, 정전용량이 증가됨에 따라 유전복합체(220)의 변형 및 복원시 유전복합체(220)의 전압차(ΔV)가 증가되어 전기에너지 생산효율이 향상된다. 유전복합체(220)의 정전용량 증가에 따른 전압차(ΔV) 증가는 앞서 식 1 내지 식 6을 참조하여 설명한 에너지 하베스팅 원리 및 후술하는 실험예 2의 결과에 의해 설명될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노링 구조의 탄소나노튜브를 포함한 유전복합체의 제조방법 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 에너지 하베스팅 장치 제작>
테플론(TEFLON) 시트에 20,000∼45,000V의 전압을 인가하여 코로나 방전을 유도하여 테플론(TEFLON) 시트 표면에 전하를 주입함으로써 일렉트렛을 제작하였다. 두께 500㎛의 폴리프로필렌을 1.5cm 간격으로 절곡시켜 총 길이 7cm의 변형용 프레임을 제작하였고, 변형용 프레임의 중앙부에 3cm x 5cm 크기의 개구부를 형성시켰다.
나노링 탄소나노튜브를 헥산과 1:1∼1:10의 질량비로 혼합하고, 폴리디메틸실옥산(Sylgard 184A)과 경화제(Sylgard 184B)를 10:1의 질량비로 혼합한 다음, 두 용액을 혼련하였다. 이 때, 두 용액이 혼합된 전체 용액에서 나노링 탄소나노튜브의 질량비는 0.001∼10wt%이다. 이어, 혼합된 전체 용액을 50∼70℃로 가열하여 헥산을 기화시키고, 그런 다음 100∼120℃의 온도로 열처리하여 폴리디메틸실옥산을 경화시켜 최종적으로, 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 제조하였다.
변형용 프레임의 중앙부에 유전복합체를 밀착, 고정시키고, 변형용 프레임과 일렉트렛의 양단부를 결합시켜 에너지 하베스팅 장치를 제작하였다. 제작된 에너지 하베스팅 장치는 도 4에 도시한 바와 같다.
<실험예 2 : 일렉트렛 존재 여부에 따른 출력전압 특성>
200㎛ 두께의 폴리디메틸실옥산(대조군 1), 200㎛ 두께의 폴리디메틸실옥산과 일렉트렛의 조합(대조군 2) 각각에 대해서 변형에 따른 출력전압 특성을 측정하였다. 폴리디메틸실옥산, 폴리디메틸실옥산과 일렉트렛의 조합 각각에 대해서 10, 20, 30%의 변형을 인가하고 그에 따른 출력전압을 측정하였다.
도 5를 참조하면, 일렉트렛이 없는 200㎛ 두께의 폴리디메틸실옥산의 경우 10% 변형 인가시 0.05V, 20% 변형시 0.075V, 30% 변형시 0.1V의 출력전압을 발생시킴에 반해, 200㎛ 두께의 폴리디메틸실옥산과 일렉트렛의 조합의 경우 10% 변형시 0.075V, 20% 변형시 0.15V, 30% 변형시 0.2V의 출력전압을 나타내는 바, 일렉트렛에 의해 폴리디메틸실옥산의 분극 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
<실험예 3 : 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체의 출력전압 특성>
나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체(실시예 1), 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체와 일렉트렛의 조합(실시예 2) 각각에 대해서 변형에 따른 출력전압 특성을 측정하였다. 실험예 2와 마찬가지로 10, 20, 30%의 변형을 인가하고 그에 따른 출력전압을 측정하였다.
도 6을 참조하면, 일렉트렛이 없는 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체의 경우 10% 변형 인가시 0.05V, 20% 변형시 0.075V, 30% 변형시 0.1V의 출력전압을 발생시킨다. 이와 같은 결과는 실험예 2의 일렉트렛이 없는 폴리디메틸실옥산 즉, 대조군 1과 동일한 결과이다.
이에 반해, 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체와 일렉트렛의 조합의 경우 10% 변형시 0.5V, 20% 변형시 1.0V, 30% 변형시 1.5V의 출력전압을 나타낸다. 이 결과는 실험예 2의 폴리디메틸실옥산과 일렉트렛의 조합 즉, 대조군 2에 대비하여 출력전압 특성이 월등히 향상된 결과임을 알 수 있다.
또한, 이러한 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체와 일렉트렛의 조합 즉, 실시예 2의 결과를 통해 나노링 탄소나노튜브를 포함하는 유전복합체의 정전용량이 통상의 유전물질에 비해 정전용량이 증가됨을 확인할 수 있으며 그 결과 출력전압 특성이 개선됨을 알 수 있다.
대조군 1, 2 및 실시예 1, 2의 출력전압(V) 특성
대조군 1 대조군 2 실시예 1 실시예 2
변형 10% 0.05 V 0.075 V 0.05 V 0.5 V
변형 20% 0.075 V 0.15 V 0.075 V 1.0 V
변형 30% 0.1 V 0.2 V 0.1 V 1.5 V
210 : 일렉트렛 220 : 유전복합체
230 : 변형용 프레임

Claims (10)

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  5. 변형용 프레임;
    상기 변형용 프레임의 상면에 구비되는 유전복합체; 및
    상기 유전복합체와 이격되어 구비되는 일렉트렛;을 포함하여 이루어지며,
    상기 유전복합체는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체이며,
    상기 변형용 프레임을 수평 방향으로 인장시키면, 상기 유전복합체가 함께 인장되며 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리는 좁혀지며,
    상기 변형용 프레임을 최초 상태로 복원시키면, 상기 유전복합체가 최초 상태로 복원됨과 함께 일렉트렛과 유전복합체 사이의 거리가 최초 상태로 복원되며,
    상기 변형용 프레임은 요철 형상으로 절곡된 형태를 이루며,
    유전복합체는 변형용 프레임의 상면에 구비되며,
    상기 일렉트렛과 유전복합체는 평행한 상태로 이격되어 배치되며, 일렉트렛의 양단부는 하향 절곡되어 변형용 프레임의 양단부에 고정되며,
    상기 변형용 프레임을 인장시키면, 유전복합체의 면적이 증가되어 유전복합체의 정전용량이 증가됨과 함께 유전복합체의 출력전압은 작아지며,
    상기 변형용 프레임을 최초 상태로 복원시키면, 유전복합체의 면적이 감소되어 유전복합체의 정전용량이 감소됨과 함께 유전복합체의 출력전압은 커지며,
    상기 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체는 유전성 고분자물질에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 것이며,
    상기 나노링 구조의 탄소나노튜브는 결합용 고분자를 구비하며, 상기 결합용 고분자는 탄소나노튜브와의 비공유결합을 이루며, 상기 결합용 고분자는 π-공액상 고분자, 방향족 고분자, 비방향족 고분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체는 유전성 고분자물질에 나노링 구조의 탄소나노튜브가 분산된 것이며,
    상기 유전성 고분자물질은 폴리디메틸실옥산(PDMS), 폴리프로필렌(PP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아미드(PA)), 폴리스티렌(PS),　폴리이미드(PI) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노링 구조의 탄소나노튜브가 포함된 유전복합체를 이용한 에너지 하베스팅 장치.
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