KR102079446B1 - 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법 - Google Patents

전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법 Download PDF

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Abstract

전기 에너지의 충전 시스템이 제공된다. 상기 전기 에너지의 충전 시스템은, 제1 전극 섬유, 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함할 수 있다.

Description

전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법 {Electric energy charging system and Electric energy charging method}
본 발명은 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법에 관한 것으로서, 전극 섬유가 사용된 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법에 관련된 것이다.
1990년대부터 개발되기 시작한 웨어러블 디바이스(wearable device)는 2000년대에 들어와서 본격적인 형태를 갖추면서 발전하였으며, IT 분야의 고부가가치 추세에 따라 그 개발속도가 점점 가속화될 것으로 전망된다.
현재 웨어러블 디바이스라 하면 악세사리 형태의 스마트 워치나 구글글라스와 같이 신체에 부착 가능한 악세사리형 기기들을 가리키고 있다. 그러나 기술의 개발이 진행되면서, 웨어러블 디바이스의 형태가 악세사리형에서 의류와 일체화된 의류형 웨어러블 디바이스, 즉 스마트 의류로 개발될 것이라 전망하고 있다. 이는 유연성을 쉽게 부여할 수 있으며, 가공이 쉽고 소형화가 가능하며, 결정적으로 사람이 항시 착용하고 있는 의류에 스마트 기능을 부여함으로써 악세사리형과 같이 따로 착용하는 불편함을 줄이고, 인체에 더욱 밀착하여 스마트 기능을 쉽게 사용 및 발현할 수 있기 때문이다.
이러한 의류형 웨어러블 스마트 디바이스를 구현하기 위해서는 필수적으로 전극 역할을 수행할 수 있는 섬유 형태의 전도성 섬유가 필요하다. 이러한 전도성 섬유는 의류 형태로 사용하기 위해 마찰강도, 굽힘강도와 같은 기계적 물성, 신체 적합성, 본래 목적인 전자적 특성뿐만 아니라 세탁성 등 다양한 요구조건을 모두 만족시켜야 한다. 이에 따라, 전극 섬유에 대한 다양한 기술들이 연구 개발되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개번호 10-2018-0013549(출원번호: 10-2016-0097408, 출원인: 고려대학교 산학협력단)에는, 탄소섬유 가닥들이 머리 땋기 형식으로 꼬여서 와이어 형태로 제조된 탄소섬유전극, 이를 포함하는 와이어 형태의 수퍼커패시터, 및 상기 수퍼커패시터를 포함하는 NO2 센서 및 자외선 센서에 관한 것이다. 이 밖에도, 전극 섬유에 대한 다양한 기술들이 지속적으로 연구 개발되고 있다.
대한민국 특허 공개 번호 10-2018-0013549
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 스스로 전기 에너지를 생성하는 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 자가 전위차가 소멸된 후 스스로 재생성되는 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 반영구적으로 전기 에너지를 스스로 생성하고 저장할 수 있는 전기 에너지의 충전 시스템 및 전기 에너지의 충전 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기 에너지의 충전 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 에너지의 충전 시스템은 제1 전극 섬유, 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 에너지의 충전 시스템은 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 자가 전위차 (self-potential difference)가 생성되고, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차를 이용하여, 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 에너지의 충전 시스템은 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 꼬임수 차이가 증가함에 따라, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차가 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유는, 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브들을 포함하고, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 중에서, 적어도 상기 제1 전극 섬유는, 상기 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브들이 꼬인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질은, 액체 전해질 또는 고체 전해질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유는 서로 꼬인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 중에서 적어도 어느 하나는 고분자로 코팅된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극 섬유는, 각각 전극 시트(sheet)가 꼬인(twist) 것을 포함하고, 상기 꼬임수는, 상기 전극 시트(sheet)에 가해진 꼬임(twist) 횟수를 나타내는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유, 제2 전극 섬유, 및 전해질은 하나의 유닛 모듈(unit module)을 이루고, 제1 내지 제3 유닛 모듈들이 직렬 연결되되, 상기 제1 유닛 모듈의 제2 전극 섬유 및 상기 제2 유닛 모듈의 제1 전극 섬유가 연결되고, 상기 제2 유닛 모듈의 제2 전극 섬유 및 상기 제3 유닛 모듈의 제1 전극 섬유가 연결되는 것을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 전기 에너지 충전 시스템은, 제1 비금속(non-metal) 섬유, 상기 제1 비금속 섬유와 이격된 제2 비금속 섬유, 상기 제1 비금속 섬유 및 상기 제2 비금속 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함하되, 상기 제1 비금속 섬유 및 상기 제2 비금속 섬유 사이에, 일정한 값의 자가 전위차(self-potential difference)가 제공되는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기 에너지의 충전 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 에너지의 충전 방법은, 제1 전극 섬유 및 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유 사이에, 자가 전위차가 생성되는 단계, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차를 이용하여, 에너지 저장부에 전기 에너지가 저장되어, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차가 소멸 되는 단계, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가 전위차가 생성되는 단계는, 생성된 상기 자가 전위차에 의하여 제1 전압이 생성되고, 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계는, 재생성된 상기 자가 전위차에 의하여 제2 전압이 생성되며, 상기 제1 전압의 크기 및 상기 제2 전압의 크기는 같은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계는, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 충전 전류가 흐르도록, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유가 전기적으로 연결되는 단계, 및 상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부에 전기 에너지가 저장되는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계, 및 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계는 유닛 공정(unit process)을 이루고, 상기 유닛 공정은 복수회 반복되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 제1 전극 섬유, 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 자가 전위차가 생성될 수 있다. 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 자가 전위차에 의하여 충전 전류가 생성되고 상기 자가 전위차는 소멸될 수 있다. 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되지 않는 경우, 상기 자가 전위차는 재생성 될 수 있다. 이에 따라, 외부의 에너지 공급 없이 스스로 에너지를 생성하여 충전할 수 있는 전기 에너지의 충전 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 포함하는 제1 전극 섬유를 제조하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 포함하는 제2 전극 섬유를 제조하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 전기 에너지 충전 시스템을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8 도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 CV 커브를 나타내는 도면이다.
도 12는 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지 충전 시스템에 직접 전류를 가해 측정된 전하량과 변화된 전압 값을 통해 계산된 전하량을 비교하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다른 전해질 환경에서 충방전되는 경우를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다양한 전해질 환경에서 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 전해질의 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 전해질의 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 CNT 섬유의 꼬임수에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 CNT 섬유의 꼬임수에 따른 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지 충전 시스템의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지 충전 시스템의 성능을 확인하는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다양한 전해질 환경에서 갖는 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 촬영한 사진이다.
도 24는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시 예 5 내지 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 제1 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 전해질(300), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410) 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 이하, 각 구성에 대해 설명된다.
상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 비금속 섬유(non-metal fiber)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 탄소나노튜브(carbonnano tube, CNT) 섬유일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 전극 시트(sheet)가 꼬인(twisted) 것일 수 있다. 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 탄소나노튜브 섬유인 경우, 탄소나노튜브 시트를 사용하여 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 제조되는 방법이 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 포함하는 제1 전극 섬유를 제조하는 공정을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 포함하는 제2 전극 섬유를 제조하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 탄소나노튜브 시트(100s)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100s)를 준비하는 단계는, 화학 기상 증착법으로 탄소나노튜브 숲(forest)을 제조하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 숲으로부터 상기 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100s)는 일 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트(100s)는 꼬여서(twisted) 상기 제1 전극 섬유(100)가 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100)는 일 방향으로 배열된 복수의 탄소나노튜브들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 섬유(100)는 상기 일 방향으로 배열된 복수의 탄소나노튜브들이 꼬인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 일 단(B)이 고정된 상태에서 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 타 단(A)을 꼬으는 방법으로, 상기 제1 전극 섬유(100)가 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극 섬유(100)는 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 일 단(B)이 고정된 상태에서 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 타 단(A)에 무게추를 연결하고, 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 타 단(A)을 회전시키는 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 무게추에 의하여 상기 탄소나노튜브 시트는 약 25MPa의 압력이 가해질 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브 시트(100s)의 타 단(A)은 제1 방향(d1)으로 5600 turns/m로 꼬일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 방향은 시계 방향일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100)는 복수의 상기 탄소나노튜브 시트(100s)를 적층(stacked)시킨 후, 적층된 상태의 상기 탄소나노튜브 시트(100s)를 꼬으는 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 40mm의 폭을 갖는 상기 탄소나노튜브 시트(100s) 3장을 적층시킨 후, 적층된 상태의 상기 탄소나노튜브 시트(100s)를 꼬아 70 μm의 직경을 갖는 상기 제1 전극 섬유(100)가 제조될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전극 섬유(105)가 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극 섬유(105)는, 복수의 상기 탄소나노튜브 시트(100s)가 적층된 상태에서, 적층된 상기 탄소나노튜브 시트(100s)를 꼬으는 방법으로 형성된 것일 수 있다.
상기 제2 전극 섬유(200)는 상기 전극 섬유(105)의 꼬임을 푸는 방법으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 섬유(105)의 일 단(A)이 상기 제1 방향으로 5600 turns/m로 꼬여 제조된 경우, 상기 전극 섬유(105)의 일 단(A)이 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 5600 turns/m로 다시 꼬일 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 섬유(105)의 꼬임이 풀려, 상기 제2 전극 섬유(200)가 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 방향은 반시계 방향일 수 있다.
결과적으로, 상기 제1 전극 섬유(100)는 상기 제2 전극 섬유(200)보다 꼬임수가 많을 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 섬유(100)의 꼬임 정도는 상기 제2 전극 섬유(200)의 꼬임 정도보다 많을 수 있다.
구체적으로, 상기 꼬임수는 상기 전극 시트에 가해진 꼬임(twist) 횟수를 나타낼 수 있다. 다시 말해, 전극 섬유에 꼬임수가 많다는 것은, 전극 섬유의 꼬임 정도가 많다는 것을 의미할 수 있다. 반면 전극 섬유에 꼬임수가 적다는 것은, 전극 섬유의 꼬임 정도가 낮다는 것을 의미할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 꼬임 횟수는 꼬임 정도(turns/m)와 비례하여 증가 또는 감소할 수 있다.
상기 전해질(300)은 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 상기 전해질(300)에 침지될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전해질(300)은 액체 전해질 또는 고체 전해질 일 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질(300)은 해수, HCl, H2SO4, Na2SO4, 또는 KOH 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 전해질(300)은 산성, 염기성, 또는 중성 전해질 일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 전해질(300)은 organic electrolyte일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질(300)의 농도는 0.01M 초과 1M 미만일 수 있다. 또한, 상기 전해질(300)의 온도는 30℃ 초과 45℃ 미만일 수 있다. 이 경우, 후술되는 에너지 저장부(400)에 자가 저장되는 전기 에너지의 양이 향상될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)에 상기 전해질(300)이 제공되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 자가 전위차(self-potential difference)가 생성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 꼬임수 차이가 증가함에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 상기 자가 전위차가 증가될 수 있다.
상기 자가 전위차는, 상기 제1 전극 섬유(100)에 상기 전해질(300)이 제공됨에 따라 생성되는 전위 및 상기 제2 전극 섬유(200)에 상기 전해질(300)이 제공됨에 따라 생성되는 전위의 차이일 수 있다. 상기 자가 전위차에 의하여 제1 전압이 형성될 수 있다. 즉, 상기 자가 전위차만큼의 크기를 갖는 전압이, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)에 의하여 형성되는 제1 전하량은 아래의 <수학식 1>로 표현될 수 있다.
<수학식 1>
Q1=C1V1
(Q1: 제1 전하량, C1: 제1 커패시턴스, V1: 제1 전압)
또한, 상기 제1 커패시턴스는 아래의 <수학식 2>로 표현될 수 있다.
<수학식 2>
C1=εA/d
(C1: 제1 커패시턴스, ε: 전해질의 유전율, A: 제1 및 제2 전극 섬유가 이루는 단면적, d: 제1 및 제2 전극 섬유 사이의 거리)
계속해서, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 충전 전류가 흐를 수 있다. 즉, 상기 충전 전류는 상기 자가 전위차에 의하여 형성되는 것일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 전선 및 상기 스위치(410)의 작동으로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 에너지 저장부(400)는 상기 충전 전류를 이용하여, 전기 에너지를 저장할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 충전 전류가 흐르게 되고, 상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장될 수 있다.
상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 상기 자가 전위차가 소멸될 수 있다.
상기 자가 전위차가 소멸된 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 전기적 연결을 해제하는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 재생성 될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스위치(410)를 오픈(open)시키는 방법으로 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 전기적 연결이 해제될 수 있다.
상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 전기적 연결이 해제되는 경우, 재생성된 상기 자가 전위차에 의하여 제2 전압이 형성될 수 있다. 즉, 재생성된 상기 자가 전위차만큼의 크기를 갖는 전압이, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)에 의하여 형성되는 전하량은 일정할 수 있다. 이에 따라, 상기 자가 전위차가 소멸된 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 연결이 해제된 경우, 상기 제1 전극 섬유(100), 상기 제2 전극 섬유(100), 및 상기 전해질(300)은 일정한 전하량의 생성을 위해, 자가 전위차를 재생성할 수 있다.
상기 자가 전위차가 재생성 된 경우, 상기 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)에 의하여 형성되는 제2 전하량은 아래의 <수학식 3>으로 표현될 수 있다.
<수학식 3>
Q2=C2V2
(Q2: 제2 전하량, C2: 제2 커패시턴스, V2: 제2 전압)
또한, 상기 제2 커패시턴스는 아래의 <수학식 4>로 표현될 수 있다.
<수학식 4>
C2=εA/d
(C2: 제2 커패시턴스, ε: 전해질의 유전율, A: 제1 및 제2 전극 섬유가 이루는 단면적, d: 제1 및 제2 전극 섬유 사이의 거리)
상술된 바와 같이, 상기 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)에 의하여 형성되는 전하량은 일정할 수 있다. 즉, 상기 제1 전하량(Q1) 및 상기 제2 전하량(Q2)은 서로 같을 수 있다. 또한, 상기 전해질(300)의 유전율, 상기 제1 및 제2 전극 섬유(100, 200)가 중첩되는 단면적(A), 및 상기 제1 및 제2 전극 섬유(100, 200) 사이의 거리(d)는 일정함에 따라, 상기 제1 커패시턴스(C1) 및 상기 제2 커패시턴스(C2) 역시 같을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전압(V1) 및 상기 제2 전압(V2)의 크기는 같을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는, 전기적으로 연결되었다가 해제되는 과정이 반복 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에, 상기 자가 전위차가 반복해서 생성 및 재생성 될 수 있다. 상기 에너지 저장부(400)는 반복해서 생성 및 재생성되는 상기 자가 전위차를 이용하여 반영구적으로 전기 에너지를 저장할 수 있다. 결과적으로, 외부의 개입 없이 스스로 에너지를 생성하고 저장할 수 있는 자가 충전 시스템이 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 준비될 수 있다. 또한, 상기 제2 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 역시 전해질(미표시), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 제조 방법은 도 2 및 도 3을 참조하여 상술된 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 제조 방법과 같을 수 있다. 상기 전해질(미표시), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410) 역시 도 1을 참조하여 설명된 상기 전해질(300), 상기 에너지 저장부(400), 및 상기 스위치(410)와 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 중 적어도 어느 하나는 고분자로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 PVA일 수 있다.
상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)는 서로 꼬일 수 있다. 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)에 전해질이 제공되어 상기 제1 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템과 같이, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 자가 전위차가 생성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 자가 전위차를 이용하여 충전 전류가 생성되고, 상기 충전 전류를 이용하여 전기 에너지가 상기 에너지 저장부(400) 저장될 수 있다. 이 때, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 상기 자가 전위차는 소멸될 수 있다.
상기 자가 전위차가 소멸된 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 연결이 해제되어, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 재생성 될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 역시, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)를 전기적으로 연결했다가 해제하는 과정을 반복 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에, 상기 자가 전위차가 반복해서 생성 및 재생성 될 수 있다. 상기 에너지 저장부(400)는 반복해서 생성 및 재생성되는 상기 자가 전위차를 이용하여 반영구적으로 전기 에너지를 저장할 수 있다. 결과적으로, 외부의 개입 없이 스스로 에너지를 생성하고 저장할 수 있는 자가 충전 시스템이 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 상기 제1 전극 섬유(100), 상기 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)이 하나의 유닛 모듈(unit module, 10)을 이룰 수 있다. 또한, 상기 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 역시 상기 에너지 저장부(400), 및 스위치(410) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
복수의 상기 유닛 모듈(10)들은, 직렬 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 제1 내지 제3 유닛 모듈(11, 12, 13)을 포함하는 경우, 상기 제1 유닛 모듈(11)이 포함하는 상기 제2 전극 섬유(200)와 상기 제2 유닛 모듈(12)이 포함하는 상기 제1 전극 섬유(100)가 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 유닛 모듈(12)이 포함하는 상기 제2 전극 섬유(200)와 상기 제3 유닛 모듈(13)이 포함하는 상기 제1 전극 섬유(100)가 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 유닛 모듈(11)의 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제3 유닛 모듈(13)의 상기 제2 전극 섬유(200)는 상기 에너지 저장부(400) 및 상기 스위치(410)를 통하여 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 에너지 저장부(400)에 저장되는 전기 에너지의 양이 증가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 전기 에너지 충전 시스템을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 다른 변형 예에 따른 전기 에너지 충전 시스템은, 제1 전극 섬유(500), 제2 전극 섬유(600), 전해질(300), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(500), 및 상기 제2 전극 섬유(600)는 polyelectrolyte를 포함하는 CNT 섬유일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극 섬유(500)는 PDDA(poly(diallyldimethylammonium choloride)와 같은 양극을 띠는 polyelectrolyte를 CNT표면에 코팅한 전극 일 수 있다. 상기 제2 전극 섬유(600)는 polystyrene sulfonate와 같은 음극을 띠는 polyelectrolyte를 CNT표면에 코팅한 전극일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)와 같은 방법으로 제조될 수 있다. 이에 따라, 고분자를 포함하는 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600) 역시, 상기 제1 전극 섬유(500)의 꼬임수가 상기 제2 전극 섬유(600)의 꼬임수 보다 많을 수 있다.
상기 전해질(300), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410)는 도 1을 참조하여 설명된 상기 전해질(300), 에너지 저장부(400), 및 스위치(410)와 같을 수 있다. 이에 따라, 구체적인 설명은 생략된다.
상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600) 사이에는, 일정한 값의 자가 전위차가 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600)에 상기 전해질(300)이 제공되는 경우, 상기 자가 전위차가 생성될 수 있다.
상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 자가 전위차를 이용하여 충전 전류가 생성되고, 상기 충전 전류를 이용하여 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장될 수 있다. 이 때, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600) 사이의 상기 자가 전위차는 소멸될 수 있다.
상기 자가 전위차가 소멸된 이후, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600)의 연결이 해제되어, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600) 사이에 상기 자가 전위차가 재생성 될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다른 변형 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 역시, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600)를 전기적으로 연결했다가 해제하는 과정을 반복 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극 섬유(500) 및 상기 제2 전극 섬유(600) 사이에, 상기 자가 전위차가 반복해서 생성 및 재생성 될 수 있다. 상기 에너지 저장부(400)는 반복해서 생성 및 재생성되는 상기 자가 전위차를 이용하여 반영구적으로 전기 에너지를 저장할 수 있다. 결과적으로, 외부의 개입 없이 스스로 에너지를 생성하고 저장할 수 있는 자가 충전 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 상기 제1 전극 섬유(100), 상기 제1 전극 섬유(100)보다 꼬임수가 적은 상기 제2 전극 섬유(200), 및 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)를 둘러싸는 상기 전해질(300)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 생성될 수 있다. 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 연결되는 경우, 상기 자가 전위차에 의하여 충전 전류가 생성되고 상기 자가 전위차는 소멸될 수 있다. 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 연결이 해제되는 경우, 상기 자가 전위차는 재생성 될 수 있다. 이에 따라, 외부의 에너지 공급 없이 스스로 에너지를 생성하여 충전할 수 있는 전기 에너지의 충전 시스템이 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 및 변형 예에 따른 전기 에너지의 충선 시스템이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법이 도 7을 참조하여 설명된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법은 자가 전위 차가 생성되는 단계(S100), 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계(S200), 및 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 구체적으로 설명된다. 또한, 상기 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법을 설명함에 있어, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 상기 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 적용될 수 있다.
상기 S100 단계에서는, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 자가 전위차가 생성될 수 있다.
즉, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)에 상기 전해질(300)이 제공됨에 따라, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 생성될 수 있다.
상기 자가 전위차는, 상기 제1 전극 섬유(100)에 상기 전해질(300)이 제공됨에 따라 생성되는 전위 및 상기 제2 전극 섬유(200)에 상기 전해질(300)이 제공됨에 따라 생성되는 전위의 차이일 수 있다. 상기 자가 전위차에 의하여 제1 전압이 형성될 수 있다. 즉, 상기 자가 전위차만큼의 크기를 갖는 전압이, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 형성될 수 있다.
상기 S200 단계에서는, 상기 자가 전위차를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장되고, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 상기 자가 전위차가 소멸될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 S200 단계는, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 충전 전류가 흐르도록, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 단계, 및 상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장되는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 충전 전류가 흐를 수 있다. 즉, 상기 충전 전류는 상기 자가 전위차에 의하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 에너지 저장부(400)는 상기 충전 전류를 이용하여, 전기 에너지를 저장할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)가 전기적으로 연결되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 충전 전류가 흐르게 되고, 상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장될 수 있다.
상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부(400)에 전기 에너지가 저장되는 경우, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 상기 자가 전위차가 소멸될 수 있다.
상기 S300 단계에서는, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 재생성될 수 있다. 재생성된 상기 자가 전위차에 의하여, 제2 전압이 생성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200)의 전기적 연결을 해제하여, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이에 상기 자가 전위차가 재생성 될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극 섬유(100), 제2 전극 섬유(200), 및 상기 전해질(300)에 의하여 형성되는 전하량은 일정할 수 있다. 이에 따라, 상기 자가 전위차가 소멸된 이후, 상기 제1 전극 섬유(100) 및 상기 제2 전극 섬유(200) 사이의 연결이 해제된 경우, 상기 제1 전극 섬유(100), 상기 제2 전극 섬유(100), 및 상기 전해질(300)은 일정한 전하량의 생성을 위해, 자가 전위차를 재생성할 수 있다. 결과적으로, 상기 제1 전압의 크기 및 상기 제2 전압의 크기는 같을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계(S200), 및 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계(S300)는 유닛 공정(unit process)을 이루고, 상기 유닛 공정은 복수회 반복될 수 있다. 즉, 상기 자가 전위차의 소멸 및 재생성이 반복될 수 있다. 이에 따라, 반영구적으로 에너지를 생성하여 충전할 수 있는 전기 에너지의 충전 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 방법은, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 상기 제2 전극 섬유 사이에 상기 자가 전위차가 생성되는 단계, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차를 이용하여 상기 에너지 저장부에 전기 에너지가 저장되어, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계, 및 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에, 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 외부의 에너지 공급 없이 스스로 에너지를 생성하여 충전할 수 있는 전기 에너지의 충전 방법이 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 및 충전 방법이 제공되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 제조
40mm의 폭을 갖는 CNT 시트(sheet) 3장이 준비된다. 상기 CNT 시트 3장을 적층시 킨 후, CNT 시트의 타 단을 고정시키고, 일 단에는 25MPa의 압력을 가하는 무게추를 달았다. 이후, CNT 시트의 일 단을 5600 turns/m로 꼬아서, 70μm의 직경을 갖는 CNT 섬유를 제조하였다.
계속해서, Pt mesh/CNT buckypaper 전극, Ag/AgCl 전극, 및 HCl 전해질이 준비된다. 이후, CNT 섬유를 working electrode로 사용하고, Pt mesh/CNT buckypaper 전극을 counter electrode로 사용하고, Ag/AgCl 전극을 reference electrode로 사용하는 3전극 시스템을 구축하여, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지 의 충전 시스템을 제조하였다.
도 8 도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 전기화학측정 장비인 CHI를 이용하여, Galvanostatic mode로 자가 충방전 실험을 진행하였다. Charging current는 0A로 설정하였다. 전해질은 0.1M 농도의 HCl을 사용하였다. 또한, 도 8에 도시된 그래프의 세로축에 나타난 OCV-PZC(V)의 의미는, Ag/AgCl 전극(reference electrode)을 기준으로 potential of zero charge(PZC)를 측정하고 PZC를 기준으로 얼마나 자가 충전되는지를 확인하는 것이다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 0.59V까지 충전되며, 충전된 양이 1시간 40분 동안 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8의 내부 삽입된 그래프에서 알 수 있듯이, 자가 충전기 시작된 직후 30초 동안 급속도로 자가 충전되는 것을 확인할 수 있었다.
도 9를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 전기화학측정 장비인 CHI를 이용하여, Galvanostatic mode로 자가 충방전 실험을 진행하였다. 전해질은 1M 농도의 HCl을 사용하고, counter electrode로서 Pt mesh/CNT sheet를 사용하고, PZC는 -110 mV로 설정하였다. 또한, working electrode로 상기 실시 예 1에 따른 CNT 섬유를 사용하되, CNT 섬유의 제조 과정에서 54MPa의 무게를 갖는 무게추가 사용되어 제조된 CNT 섬유를 사용하였다. 이후, 충전된 상태의 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 chronopotentiometry 방법으로 1 μA, 5 μA, 및 10 μA의 방전 전류로 각각 방전한 후, 각 방전 전압에서의 결과를 나타내었다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 1 μA, 5 μA, 및 10 μA의 방전 전류로 각각 방전되는 각각 특정 전압에서 일정한 값을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 자가 충전된다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 수명 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 도 8에서 설명된 바와 같이 실험하되, 0.5V까지 자가 충전하고 0.5V에서는 0.0001A로 방전하는 실험을 1000번 반복하고 결과를 도시하였다. 이 때, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 갖는 capacitance는 4.7F/g이고 에너지는 0.5875J/g 이다.
도 10에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 충방전 실험을 1000번 반복하는 동안에도 일정한 자가 충전값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 고신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 CV 커브를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 Potential(V, vs. Ag/AgCl)에 따른 Current(A)를 측정하고, CV(cyclic voltammetry) 커브를 나타내었다. 측정 속도는 10 mV/s로 설정하였다.
도 11에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 자가 충전되는 voltage 범위 내에서 redox 반응이 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 10 x 10-3 F의 capacitance를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지 충전 시스템에 직접 전류를 가해 측정된 전하량과 변화된 전압 값을 통해 계산된 전하량을 비교하기 위한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지 충전 시스템이 시간에 따라 나타내는 potential의 변화를 측정하여 나타내었다. 도 12에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지 충전 시스템은 시간이 흐름에 따라 방전(discharging)이 일어나기 까지, -0.1 (V, vs. Ag/AgCl)부터 0.28 (V, vs. Ag/AgCl)까지의 potential 변화가 나타나는 것일 알 수 있다. 즉, 방전되기까지 전압의 변화량(△V)이 0.38V인 것을 알 수 있다. 이에 따라, 도 11에서 확인된 capacitance 값과 도 12에서 확인된 전압의 변화량 값으로부터 획득되는 전하량은 3.8 x 10-4 C이 된다. (Q=C△V)
또한, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 15초의 시간 동안 2.5 x 10-5 A를 인가한 경우, 획득되는 전하량은 3.75 x 10-4C이 된다. (Q=It) 즉, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 자가 생산하는 전하량은 외부 전류가 인가되어 나타나는 전하량과 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다른 전해질 환경에서 충방전되는 경우를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 준비된다. 다만, counter electrode로서 Pt mesh를 사용하고 전해질로서 0.1 M 농도의 Na2SO4를 사용하였다. 충전이 완료된 경우, 방전 전류는 50 μA로 실험을 진행하였다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 Na2SO4 전해질이 사용되는 경우, 0.3 V가 지속적으로 충방전 되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하는 경우, 전해질로서 HCl 뿐만 아니라 Na2SO4 역시 사용 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다양한 전해질 환경에서 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 상기 실시 예 1 에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, 1M 농도의 H2SO4 전해질, 1M 농도의 NaCl 전해질, 및 1M 농도의 KOH 전해질이 사용된 세 개의 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하고, 각각에 대해 시간에 따른 OCV-PZC(V)를 측정하였다.
도 14에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 1M 농도의 H2SO4 전해질, 및 1M 농도의 NaCl 전해질이 사용된 경우 양의 전압을 가지고, 1M 농도의 KOH 전해질이 사용된 경우 음의 전압을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14에 삽입된 그래프에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 1M 농도의 H2SO4 전해질, 및 1M 농도의 NaCl 전해질이 사용된 경우 양의 전류를 방전하고, 1M 농도의 KOH 전해질이 사용된 경우 음의 전류를 방전하는 것을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 전해질의 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, 0.001M 농도의 HCl 전해질, 0.01M 농도의 HCl 전해질, 0.1M 농도의 HCl 전해질, 1M 농도의 HCl 전해질, 및 3M 농도의 HCl 전해질이 사용된 각각의 전기 에너지의 충전 시스템에 대해 Energy(J/g), OCV-PZC(V), 및 Capacitance(F/g)를 측정하여 나타내었다. 또한, 내부 삽입된 그래프는 각 농도의 전해질을 갖는 전기 에너지의 충전 시스템이 자가 충전되는 전압을 나타낸다.
도 15에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 사용되는 농도의 전해질이 증가함에 따라 Capacitance는 증가하고, OCV-PZC는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, Energy는 0.01M농도부터 0.1M 농도까지는 증가하다, 0.1M 농도부터 3M 농도까지는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 0.01M 초과 및 1M 미만의 농도를 갖는 전해질을 사용하는 경우, Energy 생성에 용이하다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 15의 내부 삽입된 그래프에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 전해질의 농도와 상관 없이 자가 충전되는 것을 확인할 수 있었다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 전해질의 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, 6℃의 온도를 갖는 HCl 전해질, 16℃의 온도를 갖는 HCl 전해질, 26℃의 온도를 갖는 HCl 전해질, 36℃의 온도를 갖는 HCl 전해질, 및 46℃의 온도를 갖는 HCl 전해질이 사용된 각각의 전기 에너지의 충전 시스템에 대해 Energy(J/g), OCV-PZC(V), 및 Capacitance(F/g)를 측정하여 나타내었다. 또한, 내부 삽입된 그래프는 각 온도의 전해질을 갖는 전기 에너지의 충전 시스템이 자가 충전되는 전압을 나타낸다.
도 16에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 사용되는 전해질의 온도가 증가함에 따라 Capacitance는 증가하고, OCV-PZC는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, Energy는 6℃의 온도부터 36℃의 온도까지는 증가하다, 36℃의 온도부터 46℃의 온도까지는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 30℃ 초과 및 46℃ 미만의 온도를 갖는 전해질을 사용하는 경우, Energy 생성에 용이하다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 16의 내부 삽입된 그래프에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 전해질의 온도와 상관 없이 자가 충전되는 것을 확인할 수 있었다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 CNT 섬유의 꼬임수에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 0 turns/m부터 12000 turns/m까지 각각의 꼬임 속도로 제조된 CNT 섬유가 working electrode로 사용된 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 대해, Energy(J/g), OCV-PZC(V), 및 Capacitance(F/g)를 측정하여 나타내었다. 꼬임 속도가 증가함에 따라, CNT 섬유의 꼬임수는 증가한다.
도 17에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 사용되는 CNT 섬유의 꼬임수가 증가함에 따라, Capacitance는 감소하고 OCV-PZC는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 4000 turns/m부터 7000 turns/m의 속도로 꼬인 CNT 섬유의 Energy는 증가하지만, 7000 turns/m부터 9000 turns/m의 속도로 꼬인 CNT 섬유의 Energy는 감소하는 것을 알 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 4000 turns/m 초과 9000 turns/m 미만의 속도로 꼬인 CNT 섬유가 사용되는 경우, Energy 생성에 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 CNT 섬유의 꼬임수가 증가함에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 Capacitance가 감소하고 OCV-PZC가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 사용되는 CNT 섬유의 꼬임수에 따른 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
도 18을 참조하면, 꼬임수가 없는(nontwisted) CNT섬유와 꼬임수가 많은(highly twisted yarn) CNT 섬유를 각각 포함하는 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 대해 시간에 따른 Open circuit voltage(V, vs. Ag/AgCl)를 측정하여 나타내었다. 꼬임수가 없는(nontwisted) CNT섬유와 꼬임수가 많은(highly twisted yarn) CNT 섬유가 준비되는 과정에서 각각의 특성은 아래 <표 1>로 정리된다. 또한, CNT 섬유를 제조하기 위한 CNT 시트의 특성은 아래 <표 2>로 정리된다.
구분 Nontwisted Highly twisted
Twisting insertion(turns/m) 0 3650
Diameter (μm) 70 48
Length (cm) 3 3
Density (g/cm3) 0.000147 0.000553
OCV (mV) 180 360
Capacitance (F/g) 5.85 3.61
CV (C) 158 162
Energy (J/g) 0.198 0.366
구분 Layer Width Length Isobaric load
CNT sheet 2 40 mm 30 mm 6 g
도 18에서 확인할 수 있듯이, 꼬임수가 많은 CNT 섬유가 사용된 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 꼬임수가 없는 CNT 섬유가 사용된 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템과 비교하여, Open circuit voltage가 180 mV 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하는 경우, 꼬임수가 많은 CNT 섬유를 사용하는 것이 높은 전류를 생성하기에 용이하다는 것을 알 수 있다.
실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 제조
CNT시트가 준비된다. 준비된 CNT 시트의 타 단을 고정시키고, 일 단에는 54MPa의 압력을 가하는 무게추를 달았다. 이후, CNT 시트의 일 단을 1666 turns/m 로 꼬아서, twist CNT 섬유를 제조하였다.
또한, twist CNT 섬유의 일 단을 CNT 시트를 꼬은 방향과 반대 방향으로 1666 turns/m로 꼬아서 non-twist CNT 섬유를 제조하였다.
Twist CNT 섬유는 working electrode로 사용하고, non-twist CNT 섬유는 counter electrode로 사용하고, 전해질로 1M 농도의 HCl을 사용하여 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
도 19는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 전기화학측정 장비인 CHI를 이용하여, Galvanostatic mode로 자가 충방전 실험을 진행하였다. 도 19에 도시된 그래프의 세로축에 나타난 OCV의 의미는, 자가 충전된 정도를 나타낸다. 도 19에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 0.34V까지 충전되며, 충전된 양이 25분 동안 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지 충전 시스템의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 20을 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 0.3V까지 충전시킨 후 방전하는 공정을 200회 반복하였다. 도 20에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 충방전이 지속되는 동안에도 충전시 일정한 OCV를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 우수한 안정성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 21은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지 충전 시스템의 성능을 확인하는 그래프이다.
도 21을 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, 전해질로 0.1M 농도의 HCl을 사용하였다. 또한, working electrode와 counter electrode 사이에 저항을 두고 저항에 걸리는 전압(mV)을 측정하고, 측정된 접압을 통해 계산된 power(W/kg)를 도시하였다. 또한, 도 21의 삽입된 그래프는 500kΩ 저항에서의 전압을 확대해서 도시한 것이다.
도 21에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 저항(resistance, kΩ)이 증가함에 따라 전압(mV)이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 500 kΩ 까지는 power가 증가하지만, 500 kΩ 부터 1000 kΩ 까지는 power가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 삽입된 그래프로부터 500 kΩ의 저항에서는 1분 동안 일정한 전압이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
도 22는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 다양한 전해질 환경에서 갖는 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 22를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, HCl 전해질, H2SO4 전해질, Na2SO4 전해질, NaCl 전해질, 및 KOH 전해질이 사용된 각각의 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하고, 각각에 대해 Energy(J/g) 및 Power(W/kg)를 측정하여 나타내었다.
도 22에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 전해질로서, HCl, H2SO4, Na2SO4, NaCl, 또는 KOH 중 어느 하나를 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, HCl 전해질을 사용하는 경우 Energy 및 Power가 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 제조
CNT시트가 준비된다. 준비된 CNT 시트의 타 단을 고정시키고, 일 단에는 54MPa의 압력을 가하는 무게추를 달았다. 이후, CNT 시트의 일 단을 1666 turns/m로 꼬아서, twist CNT 섬유를 제조하였다.
또한, twist CNT 섬유의 일 단을 CNT 시트를 꼬은 방향과 반대 방향으로 1666 turns/m 로 꼬아서 non-twist CNT 섬유를 제조하였다.
이후, non-twist CNT 섬유를 PVA로 코팅하고, PVA가 코팅된 non-twist CNT 섬유 및 twist 섬유를 서로 꼬았다. Twist CNT 섬유는 working electrode로 사용하고, non-twist CNT 섬유는 counter electrode로 사용하고, 전해질로 HCl/PVA solid electrolyte를 사용하여 상기 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
도 23은 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 촬영한 사진이다.
도 23을 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영하였다. 도 23에서 확인할 수 있듯이, non-twist CNT 섬유 및 twist CNT 섬유는 서로 꼬인 상태로서, 하나의 섬유 형태를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 자기 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 24를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 전기화학측정 장비인 CHI를 이용하여, Galvanostatic mode로 자가 충방전 실험을 진행하였다. 도 24에 도시된 그래프의 세로축에 나타난 OCV의 의미는, 자가 충전된 정도를 나타낸다. 도 24에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 0.34V까지 충전되는 것을 확인할 수 있었다.
실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 제조
PDDA(poly(diallyldimethylammonium choloride) 전극 및 polystyrene sulfonate전극이 준비된다. 상술된 두 전극과 고분자 전해질(polyelectrolyte)를 이용하여 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
도 25는 본 발명의 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 충방전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 25를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 전기화학측정 장비인 CHI를 이용하여, Galvanostatic mode로 자가 충방전 실험을 진행하였다.
도 25에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 0.24 mV까지 충전되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 4에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은, 충방전을 반복하는 경우에도 일정한 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지의 충전시스템을 제조하는 경우, 꼬인 CNT 섬유뿐만 아니라, PDDA 및 PSS 같은 고분자 물질 또한 전극으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
실시 예 5에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 준비(sample 1)
실시 예 3에 따른 twist CNT 및 non-twist CNT가 준비된다. 이후, twist CNT를 counter 전극으로 사용하고, non-twist CNT를 working 전극으로 사용하고, 전해질로 0.2M 농도의 TBA·PF6 (tetrabutyl ammonium hexafluorophosphate in propylene carbonate)를 사용하여, 실시 예 5에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
실시 예 6에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 준비(sample 2)
실시 예 5와 다른 방법으로 제조된 twist CNT 및 non-twist CNT가 준비된다. 이후, twist CNT를 counter 전극으로 사용하고, non-twist CNT를 working 전극으로 사용하고, 전해질로 0.2M 농도의 TBA·PF6 (tetrabutyl ammonium hexafluorophosphate in propylene carbonate)를 사용하여, 실시 예 6에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
실시 예 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 준비(sample 3)
실시 예 5와 또 다른 방법으로 제조된 twist CNT 및 non-twist CNT가 준비된다. 이후, twist CNT를 counter 전극으로 사용하고, non-twist CNT를 working 전극으로 사용하고, 전해질로 0.2M 농도의 TBA·PF6 (tetrabutyl ammonium hexafluorophosphate in propylene carbonate)를 사용하여, 실시 예 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 제조하였다.
실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 준비
상기 실시 예 5 내지 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템이 준비된다. 상기 실시 예 5에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 non-twist CNT 섬유 및 상기 실시 예 6에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 twist CNT 섬유가 연결되고, 상기 실시 예 6에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 non-twist CNT 섬유 및 상기 실시 예 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 twist CNT 섬유가 서로 연결되도록, 상기 실시 예 5 내지 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 직렬 연결하여, 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하였다.
이 때, Counter electrode는 상기 실시 예 5에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 twisted CNT 섬유가 사용되었고, Working electrode는 상기 실시 예 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 non-twisted CNT 섬유가 사용되었다.
도 26은 본 발명의 실시 예 5 내지 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 26을 참조하면, 상기 실시 예 5 내지 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 각각에 대해 시간에 따른 충전 전압(mV)을 측정하였다. 도 26에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 5에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 약 200 mV의 충전 전압을 나타내고, 상기 실시 예 6 및 7에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 약 140 mV의 충전 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 27은 본 발명의 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 27을 참조하면, 상기 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템에 대해 시간에 따른 충전 전압(mV)을 측정하였다. 도 27에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 약 500 mV의 충전 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 따른 전기 에너지의 충전 시스템 각각을 직렬 연결하는 경우, 향상된 충전 전압이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 28은 본 발명의 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 28을 참조하면, 상기 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템을 준비하되, 350 μF의 capacitance를 갖는 에너지 저장부를 연결하여, 상기 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템으로부터 형성된 전기 에너지를 충전하였다.
도 28에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 8에 따른 전기 에너지의 충전 시스템은 약 500 mV의 충전 전압을 형성한 후, 0 mV까지 방전되며, 다시 150 mV의 충전 전압을 형성하고 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 제1 전극 섬유
200: 제2 전극 섬유
300: 전해질
400: 에너지 저장부
410: 스위치

Claims (14)

  1. 제1 전극 섬유;
    상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유;
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질; 및
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 자가 전위차 (selfpotential difference)가 생성되고, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차를 이용하여, 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 꼬임수 차이가 증가함에 따라, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차가 증가하는 것을 포함하는, 전기 에너지의 충전 시스템.
  4. 제1 전극 섬유;
    상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유; 및
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함하되,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유는, 일 방향으로 배열된 탄소나노 튜브들을 포함하고,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 중에서, 적어도 상기 제1 전극 섬유는, 상기 일 방향으로 배열된 탄소나노튜브들이 꼬인 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.

  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전해질은, 액체 전해질 또는 고체 전해질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유는 서로 꼬인 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 중에서 적어도 어느 하나는 고분자로 코팅된 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  8. 제1 전극 섬유;
    상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유; 및
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전극 섬유는, 각각 전극 시트(sheet)가 꼬인(twist) 것을 포함하고,
    상기 꼬임수는, 상기 전극 시트(sheet)에 가해진 꼬임(twist) 횟수를 나타내는 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 섬유, 제2 전극 섬유, 및 전해질은 하나의 유닛 모듈(unit module)을 이루고, 제1 내지 제3 유닛 모듈들이 직렬 연결되되,
    상기 제1 유닛 모듈의 제2 전극 섬유 및 상기 제2 유닛 모듈의 제1 전극 섬유가 연결되고, 상기 제2 유닛 모듈의 제2 전극 섬유 및 상기 제3 유닛 모듈의 제1 전극 섬유가 연결되는 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 시스템.
  10. 제1 전극 섬유 및 상기 제1 전극 섬유보다 꼬임수가 적은 제2 전극 섬유 사이에, 자가 전위차가 생성되는 단계;
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차를 이용하여, 에너지 저장부에 전기 에너지가 저장되어, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이의 상기 자가 전위차가 소멸 되는 단계; 및
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계를 포함하는 전기 에너지의 충전 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 자가 전위차가 생성되는 단계는, 생성된 상기 자가 전위차에 의하여 제1 전압이 생성되고,
    상기 자가 전위차가 재생성되는 단계는, 재생성된 상기 자가 전위차에 의하여 제2 전압이 생성되며,
    상기 제1 전압의 크기 및 상기 제2 전압의 크기는 같은 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 자가 전위차가 소멸되는 단계는,
    상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유 사이에 충전 전류가 흐르도록, 상기 제1 전극 섬유 및 상기 제2 전극 섬유가 전기적으로 연결되는 단계; 및
    상기 충전 전류를 이용하여, 상기 에너지 저장부에 전기 에너지가 저장되는 단계를 포함하는 전기 에너지의 충전 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 자가 전위차가 소멸되는 단계, 및 상기 자가 전위차가 재생성되는 단계는 유닛 공정(unit process)을 이루고,
    상기 유닛 공정은 복수회 반복되는 것을 포함하는 전기 에너지의 충전 방법.
  14. 제1 비금속(non-metal) 섬유;
    상기 제1 비금속 섬유와 이격된 제2 비금속 섬유;
    상기 제1 비금속 섬유 및 상기 제2 비금속 섬유를 둘러싸는 전해질을 포함하되,
    상기 제1 비금속 섬유 및 상기 제2 비금속 섬유 사이에, 일정한 값의 자가 전위차(self-potential difference)가 제공되는 것을 포함하는 전기 에너지 충전 시스템.
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