KR102096293B1 - 에너지 하베스트 소자용 cnt 박막 제조 방법, 에너지 하베스트 소자용 cnt 박막, cnt 에너지 하베스트 소자 제조 방법 및 cnt 에너지 하베스트 소자 - Google Patents

에너지 하베스트 소자용 cnt 박막 제조 방법, 에너지 하베스트 소자용 cnt 박막, cnt 에너지 하베스트 소자 제조 방법 및 cnt 에너지 하베스트 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기판 및 분산재를 적용함이 없이 멤브레인 진공여과에 의해 주름이 형성되어 외력이 가해지는 경우 고 전압차를 발생시켜 전기에너지 생산 효율을 향상시킨 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막의 제조를 위해, 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube, 이하 'CNT')와 유기용매를 혼합하여 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물에 초음파를 인가하여 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 슬러지에 기 설정된 에너지를 가지는 초음파를 인가하여 CNT를 분산시켜 CNT 분산 용액을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물을 멤브레인필터를 이용하여 진공여과를 수행하는 단계; 및 건조되지 않은 CNT-CNT 결합체막이 포집된 멤브레인필터를 열처리하여 경화시키는 것에 의해 주름이 형성된 CNT 박막을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법을 제공한다.

Description

에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법, 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막, CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법 및 CNT 에너지 하베스트 소자{Manufacturing method of CNT thin film for energy harvest element, CNT thin film for energy harvest element, Manufacturing method of CNT energy harvest element and CNT energy harvest element}
본 발명은 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기판 및 분산재를적용함이 없이멤브레인진공여과에 의해 주름이 형성되어 외력이 가해지는 경우 고 전압차를 발생시켜 전기에너지 생산 효율을 향상시킨 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법, 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막, CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법 및 CNT 에너지 하베스트 소자에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 에미터(emitter), 백색광원, 전계방출디스플레이(field emission display,FED), 나노와이어, 진공형광디스플레이(Vacuum Fluorescent Display, VFD), 원자력현미경(atomic forcemicroscope, AFM) 팁(tip), 단전자소자, 가스센서(gas sensor), 의공학용미세부품, 고기능복합체, 에너지 하베스트 소자 및에너지저장소자로 2차전지, 연료전지또는초고용량커패시터의전극등에서무한한응용가능성을 가지는 소재로, 상기와 같은 다양한 용도로의 응용을 위해서는 나노 크기의 CNT 박막의 제조가 선행되어야 한다.
탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 박막은 기판을 준비한 후, 화학적으로 분산된 CNT 용액을 기판 상에 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅을 수행한 후 경화시키거나, 대한민국 등록특허 제10-0827649호와 같이 CNT에 대한 화학적 처리를 통해 액상으로 분산시키거나, 폴리머 혹은 포토레지스트(Photoresist)에 혼합하여 기판에 코팅한 후 경화시키는 것에 의해 제조되는 것이 일반적이다.
즉, 종래기술의 경우 CNT 박막을 제조하기 위해서는 기판과 CNT 분산을 위한 폴리머 또는 포토레지스트 등의 분산재를 필요로 한다. 이에 따라 기판과 CNT 간에 약한 결합이 발생하게 되어, CNT간의 결합력이 저하되는 문제점을 가진다. 또한, 폴리머 또는 포토레지스트 등의 분산을 위한 분산재(모재)를 사용하는 경우, CNT들의 물성저하 및 폴리머 자체의 내구성과 오염 문제가 발생한다. 그리고 기판과 모재를 사용하여 CNT 박막을 제조하는 경우에는 별도의 경화 및 후처리 공정을 필요로 하는 문제점을 가진다.
또한, 상술한 종래기술에 의해 제작된 CNT 박막을 에너지 하베스트 소자로 사용하는 경우, 대략 2.2V의 전압차에 의해 전력을 생산하게 되므로, 전기생산 능력을 향상시킨 CNT 에너지 하베스트 소자가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-0827649호
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 기판과 분산재를 적용함이 없이 CNT와 메탄올 슬러지를 진공여과하여 CNT-CNT가 결합되고, 열처리에 의해 주름을 형성하는 것에 의해 9V이상의 출력 전압으로 전기 에너지를 생산할 수 있도록 하는 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법, 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막, CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법 및 CNT 에너지 하베스트 소자를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube, 이하 'CNT')와 유기용매를 혼합하여 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물에 초음파를 인가하여 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 슬러지에 기 설정된 에너지를 가지는 초음파를 인가하여 CNT를 분산시켜 CNT 분산 용액을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물을 멤브레인필터를 이용하여 진공여과를 수행하는 단계; 및 건조되지 않은 CNT-CNT 결합체막이 포집된 멤브레인필터를 열처리하여 경화시키는 것에 의해 주름이 형성된 CNT 박막을 형성하는 단계;를포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법을 제공한다.
상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계의 상기 CNT는, 1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계에서, 상기 CNT는, 상기 유기용매 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 wt%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계는, 상기 CNT 유기용매 혼합물에 30 내지 480분 동안 10 내지 100kHz의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 한다.
상기 CNT분산용액을 생성하는 단계는, 상기 CNT 유기용매 슬러지에 100 내지 500 W의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 박막을형성하는단계에서의 상기 열처리는, 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 수행되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, CNT와 유기용매 혼합물을 슬러지화한 후 분산시켜 CNT 분산용액을 생성한 후 진공여과에 의해 CNT-CNT 결합체막이 형성된 멤브레인 필터를 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 열처리를 수행하여 경화시킨 후 분리하는 것에 의해 주름이 형성되어 신축성을 가지도록 제조되는 CNT 박막을 제공한다.
상기 CNT는 1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube, 이하 'CNT')와 유기용매를 혼합하여 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물에 초음파를 인가하여 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 슬러지에 기 설정된 에너지를 가지는 초음파를 인가하여 CNT를 분산시켜 CNT 분산 용액을 생성하는 단계; 상기 CNT 유기용매 혼합물을 멤브레인필터를 이용하여 진공여과를 수행하는 단계; 건조되지 않은 CNT-CNT 결합체막이 포집된 멤브레인필터를 열처리하여 경화시키는 것에 의해 주름이 형성된 에너지 하베스트 소자용CNT 박막을 형성하는 단계; 및 상기 CNT 박막을 분리한 후 분리된 CNT 박막의 양면에 서로 다른 극성의 대전물질 층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법을 제공한다.
상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계의 상기 CNT는, 1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계에서 상기 CNT는, 상기 유기용매 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 wt%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계는, 상기 CNT 유기용매 혼합물에 30 내지 480분 동안 10 내지 100kHz의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 한다.
상기 CNT분산용액을 생성하는 단계는, 상기 CNT 유기용매 슬러지에 100 내지 500 W의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 박막을 형성하는 단계에서의 상기 열처리는, 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 박막의 양면에 서로 다른 대전물질 층을 형성하는 단계의 상기 서로 다른 대전물질 중, 양극 대전물질은 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 중 하나 이상을 포함하고, 음극 대전물질은 PDMS 또는 테프론(Teflon) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는, 주름이 형성된 CNT 박막으로 형성되는CNT 박막층; 상기 CNT 박막층의 일면에 형성되는 양극의 대전물질층; 및 상기 CNT 박막층의 타면에 형성되는 음극의 대전물질층;을 포함하여 구성되는 CNT 에너지 하베스트 소자를 제공한다.
상기 CNT는, 1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 CNT 박막층은, CNT와 유기용매 혼합물을 슬러지화 한 후 분산시켜 CNT 분산용액을 생성한 후 진공여과에 의해 CNT-CNT 결합체로 구성되는 건조되지 않은 CNT 박막을 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 열처리를 수행하는 것에 의해 주름이 형성되어 신축성을 가지도록 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 양극의 대전물질층을 형성하는 양극 대전물질은 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음극의 대전물질층을 형성하는 음극 대전물질은 PDMS 또는 테프론(Teflon) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 CNT 에너지 하베스트 소자는, 외력이 가해지는 경우 상기 서로 다른 극성의 대전물질 층 사이에9V 이상의 전압차를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, CNT 박막을 제조함에 있어 기판과 폴리머또는 포토레지스트 등의 분산재를 적용하지 않는 것에 의해, 기판의 적용 시 발생하는 CNT-CNT 결합과 기판의 부착에 의한 박리 시의 불량 발생, 분산재의 오염에 의한 CNT 박막의 물성 및 내구성 저하를 방지한 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막을 적은 공정 및 저비용으로 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 양단간의 전압차가 9V 이상으로 발전 효율이 향상된 에머지 하베스트 소자를 적은 공정 및 저비용으로 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은본발명의일 실시예의에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 및 CNT 에너지 하베스트 소자의 제조방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 2는진공여과공정을나타내는도면.
도3은 열처리에 의한 경화후의 CNT 박막(5)을 멤브레인필터(11)로부터 분리하는 과정을 나타내는 도면.
도 4는본 발명의 CNT 박막을 포함하는 CNT 에너지 하베스트 소자(8)의 단면도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은본발명의일 실시예의에너지 하베스트 소자용CNT 박막 및 CNT 박막 에너지 하베스트 소자제조방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 에너지 하베스트 소자용CNT 박막 및 CNT 박막 에너지 하베스트 소자제조방법은, CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계(S10), CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계(S20), CNT를 분산시켜 CNT 분산용액을 생성하는 단계(S30), 진공여과를 수행하는 단계(S40), CNT 박막을 멤브레인필터와 분리하는 단계(S50) 및 대전물질 층을 형성하는 단계(S60)을 포함하여 구성되어, 기판과 분산재를 사용함이 없이 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 및 CNT 에너지 하베스트 소자를 제조할 수 있도록 한다.
상술한 처리과정 중 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계(S10), CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계(S20), CNT를 분산시켜 CNT 분산용액을 생성하는 단계(S30), 진공여과를 수행하는 단계(S40) 및 CNT 박막을 멤브레인필터와 분리하는 단계(S50)가 본 발명의 실시예의 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막 제조 방법을 구성한다.
그리고 상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계(S10), CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계(S20), CNT를 분산시켜 CNT 분산용액을 생성하는 단계(S30), 진공여과를 수행하는 단계(S40), CNT 박막을 멤브레인필터와 분리하는 단계(S50) 및 대전물질 층을 형성하는 단계(S60)가 본 발명의 실시예의 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법을 구성한다.
이하, 상기 에너지 하베스트 소자용CNT 박막 및 CNT 박막 에너지 하베스트 소자제조방법의 각 단계를 상세히 설명한다.
상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계(S10)에서는 상기 CNT와 유기용매를 혼합하여 CNT 유기용매 혼합물을 생성한다.
이때, 상기 CNT는 1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기용매는 메탄올 등의 알콜, 에테르, 벤젠, 아세톤, 티클로르메탄 등일 수 있다.
그리고 상기 CNT는 상기 유기용매 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 wt%로 혼합될 수 있다. 이 경우, 상기 CNT가 0.1 wt% 미만인 경우에는 CNT 슬러지가 생성되지 않고, 진공여과 시 CNT가 멤브레인필터에 침투하여 CNT 박막을 멤브레인필터로부터 박리를 수행할 수 없게 된다. 또한, 상기 CNT가 10 wt%를 초과하는 경우에도 경화되는 중에 멤브레인필터의 접촉면에서 CNT-CNT 결합이 멤브레인필터에 침투하여 경화되는 것에 의해 CNT 박막이 멤브레인필터로부터 박리가 잘 이루어지지 않게 되어 CNT 박막을 제조하기 어렵게 된다.
상기 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계(S20)는 상기 CNT 유기용매 혼합물에 초음파를 인가하여 CNT 유기용매 슬러지를 생성한다. 이때, 상기 CNT 유기용매 혼합물은 별도의 용기에 담긴 후 초음파 세정기 등의 수조의 물이나 다른 유체에 잠겨진 후 간접적으로 초음파가 인가되어 CNT 슬러지를 생성하게 된다. 이때 인가되는 초음파는 30 내지 480분 동안 10 내지 100kHz로 인가된다. 상기 초음파가 10 kHz미만의 주파수 및 30 분 미만으로 인가되는 경우에는 유기용매가 CNT내부 및 CNT들 사이로 침투하지 못하여 유기용매가 고르게 혼합된 슬러지가 형성되지 않을 수 있다. 그리고 상기 초음파의 주파수 및 인가되는 시간의 상한에는 제한이 없으나, 공정의 효율적인 수행을 위해서 최대 초음파의 주파수는 100 kHz로 480분 동안 수행될 수 있다. 이 경우, 50 kHz로 120분 동안 초음파를 인가하는 경우 CNT슬러지가 완전히 생성될 수 있으나, 유기용매가 CNT 내부 및 사이에 균일한 혼합될 수 있도록 50 kHz 이상의 주파수를 가지는 초음파를 이용하여 120분 이상 수행될 수 있다. 상술한 바와 같이 생성된 CNT 유기용매 슬러지의 경우 유기용매가 균일하게 침투된 CNT들이 엉킴 상태로 존재한다.
상기 CNT를 분산시켜 CNT 분산용액을 생성하는 단계(S30)는 상기 CNT 유기용매 슬러지에 기 설정된 에너지를 가지는 초음파를 인가하여 CNT를 분산시킨다. 이에 의해 상기 CNT들이 CNT-CNT 결합을 이루며 엉킴이 없이 상기 유기용매 내에서 균일하게 분산된다. 상기 초음파는 초음파 봉을 상기 CNT유기용매 슬러지에 삽입하여 30 내지 120분 동안 100 내지 500 W로 인가된다. 이 경우, 상기 초음파가 100 W미만의 에너지 및 30 분 미만으로 인가되는 경우에는 CNT 응집체들이 풀어지지 않아 CNT들의 분산이 이루어지지 않게 된다. 그리고 상기 초음파 에너지의 상한에는 제한이 없으나, 공정의 효율적인 수행을 위해서 최대 초음파의 에너지는 500 W이하로 인가되는 것이 바람직하다. 이 경우, 100 W 로 30분 동안 초음파를 인가하는 경우 충분히 CNT가 유기용매 내에서 분산되나, 더욱 분산 효율을 높이기 위해 그 이상의 조건으로 수행될 수 있다. 다만, CNT 분산을 위한 초음파 인가 시간이 120분을 초과하는 경우에는 분산된 후 짧은 시간 내에 다시 슬러지가 되어 CNT 박막을 제조할 수 없게 되므로 분산을 위한 초음파의 인가 시간은 120분 이하인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 생성된 CNT 분산용액의 경우, CNT 들이 유기용매 내부에서 엉킴이 없이 개별적으로 분산되어 존재하게 된다.
상기 진공여과를 수행하는 단계(S40)는 상기 CNT 유기용매 혼합물을 멤브레인필터를 이용하여 진공여과를 수행하여, 멤브레인필터의 표면에 CNT-CNT 결합체들의 박막을 얻는다.
도 2는 진공여과공정을 나타내는 도면이고, 도3은경화후의 CNT 박막(5)을멤브레인필터(11)로부터분리하는과정을나타내는도면이다.
도 2와 같이, 상기 진공여과 공정은 내부에 멤브레인필터(11)가 장착된 여과조(10)와 여과조(10)의 하부에서 부압으로 유기용매(3)를 여과시켜 저장하는 저압챔버(20) 및 저압챔버(20)에 부압을 인가하는 펌프(30)를 포함하는 진공여과 장치를 이용하여 수행된다. 구체적으로, 생성된 CNT 유기용액 분산용액을 여과조(10)에 주입하면 유기용매(3)가 자체의 하중 및 저압챔버(12)의 부압에 의해 여과조(10)에서 멤브레인필터(11)를 거쳐 저압챔버(12)로 여과된다. 이 과정에서 멤브레인필터(11)의 표면에 유기용매(3)에 분산된 CNT-CNT 결합체(2)들이경화되지 않은 CNT-CNT 결합체막(4)을 형성하며 걸러진다.
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 CNT 박막(5, 도 3 참조)을 형성하는 단계(S50)는 상기 CNT-CNT 결합체막(4)이 포집되어 걸러진 멤브레인필터(11)를 열처리하여 잔류 유기용매를 제거하고 CNT-CNT 결합체막(4)을 경화시켜 CNT 박막(5)을 생성한 후 CNT 박막(5)을 멤브레인필터(11)와 분리한다. 이때, 상기 열처리는 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 수행되는 것에 의해 CNT 박막(5)에 주름을 형성하고 이에 의해 신축성을 부여한다. 이때, 상기 열처리 온도가 25 ℃ 미만인 경우에는 주름이 형성되지 않을 수 있어 신축성이 부여 되지 않을 수 있게 된다. 그리고 90 ℃를 초과하는 경우에는 과도한 수축이 발생할 수 있다.
상술한 바와 같은 경화를 수행하여 얻어진 상기 CNT 박막(5)은 도 3의 (a)와 같이 핀셋 등을 이용하여 멤브레인필터(11)로부터 용이하게 분리되어, 도 3의 (b)와 같이 신축성을 가지는 CNT 박막(5)으로 제조된다.
상기 대전물질 층을 형성하는 단계(6)에서는 제조된 CNT 박막(5)의 양측면에 서로 다른 극성으로 대전되지 쉬운 대전물질을 도포 또는 증착시키는 것에 의해 서로 다른 극성의 대전물질층(6, 7, 도 4 참조)을 형성한다. 이때, 양극 대전물질은 “+”로 대전되기 쉬운 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 등일 수 있으며, 음극 대전물질은 “-“로 대전되기 쉬운PDMS 또는 테프론(Teflon) 중 하나 이상일 수 있다.
도 4는본 발명의 CNT 박막을 포함하는 CNT 에너지 하베스트 소자(8)의 단면도이다.
도 4와 같이, 상술한 본 발명의 또 다른 실시예의 CNT 에너지 하베스트 소자(8)는,주름이 형성된 CNT 박막(5)으로 형성되는 CNT 박막층(5'), 상기 CNT 박막층(5')의 일면에 형성되는 양극의 대전물질층(6) 및상기 CNT 박막층(5')의 타면에 형성되는 음극의 대전물질층(7) 을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 상기 양극 대전물질층(6)을 형성하는 양극 대전물질은 상술한 바와 같이, “+”로 대전되기 쉬운 물질로서 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 등일 수 있다. 그리고 상기 음극 대전물질층(7)을 형성하는 음극 대전물질은 “-“로 대전되기 쉬운 물질로서PDMS 또는 테프론(Teflon) 등일 수 있다.
상술한 구성을 가지는 상기 CNT 에너지 하베스트 소자(8)는,외력이 가해지는 경우 상기 양극 대전물질층(6)과 음극 대전물질층(7)의 사이에 9V 이상의 전압차를 발생시키게 된다. 본 발명의 검증을 위한 실험예로서 제조된 CNT 에너지 하베스트 소자(8)의 경우에는 상기 양극 대전물질층(6)과 음극 대전물질층(7)의 사이에 9.5V의 전압차가 발생하는 것을 확인하였다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: CNT 분산용액
2: CNT-CNT 결합체
3: 유기용매
4: CNT-CNT 결합체막
5: CNT 박막
5': CNT 박막층
6: 양극 대전물질층
7: 음극 대전물질층
8: CNT 에너지 하베스트 소자
10: 여과조
11: 멤브레인필터
20: 저압챔버
30: 펌프

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  9. 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube, 이하 'CNT')와 유기용매를 혼합하여 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계;
    상기 CNT 유기용매 혼합물에 초음파를 인가하여 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계;
    상기 CNT 유기용매 슬러지에 기 설정된 에너지를 가지는 초음파를 인가하여 CNT를 분산시켜 CNT 분산 용액을 생성하는 단계;
    상기 CNT 유기용매 혼합물을 멤브레인필터를 이용하여 진공여과를 수행하는 단계;
    건조되지 않은 CNT-CNT 결합체막이 포집된 멤브레인필터를 열처리하여 경화시키는 것에 의해 CNT-CNT 결합을 가지며 양면 모두 주름이 형성된 에너지 하베스트 소자용 CNT 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 CNT 박막을 분리한 후 외력이 가해지는 경우 양극의 대전물질층과 음극의 대전물질층 사이에 9V 이상의 전압차를 발생시키도록 분리된 CNT 박막의 양면에 상기 양극의 대전물질층과 음극의 대전물질층을 각각 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계의 상기 CNT는,
    1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 CNT 유기용매 혼합물을 생성하는 단계에서 상기 CNT는,
    상기 유기용매 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 wt%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 CNT 유기용매 슬러지를 생성하는 단계는,
    상기 CNT 유기용매 혼합물에 30 내지 480분 동안 10 내지 100kHz의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 CNT분산용액을 생성하는 단계는,
    상기 CNT 유기용매 슬러지에 100 내지 500 W의 초음파를 인가하는 과정인 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 CNT 박막을 형성하는 단계에서의 상기 열처리는,
    25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 수행되는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 CNT 박막의 양면에 서로 다른 대전물질 층을 형성하는 단계의 상기 서로 다른 대전물질 중,
    양극 대전물질은 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 중 하나 이상을 포함하고,
    음극 대전물질은 PDMS 또는 테프론(Teflon) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자 제조 방법.
  16. CNT-CNT 결합을 가지며 양면 모두 주름이 형성된 CNT 박막으로 형성되는 CNT 박막층;
    상기 CNT 박막층의 일면에 형성되는 양극의 대전물질층; 및
    상기 CNT 박막층의 타면에 형성되는 음극의 대전물질층;을 포함하여 구성되어,
    외력이 가해지는 경우 상기 양극의 대전물질층과 음극의 대전물질층 사이에 9V 이상의 전압차를 발생시키는 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자.
  17. 제16항에 있어서, 상기 CNT는,
    1 내지 990nm 크기의 다중벽 CNT(MW: Multi Walled Carbon Nano Tube), 단일벽 CNT(SW: Single Walled Carbon Nano Tube) 또는 플로렌(fullerene) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자.
  18. 제16항에 있어서, 상기 CNT 박막층은,
    CNT와 유기용매 혼합물을 슬러지화 한 후 분산시켜 CNT 분산용액을 생성한 후 진공여과에 의해 CNT-CNT 결합체로 구성되는 건조되지 않은 CNT 박막을 25 ℃ 내지 90 ℃의 온도 범위에서 30분 내지 24시간 열처리를 수행하는 것에 의해 주름이 형성되어 신축성을 가지는 것을 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 양극의 대전물질층을 형성하는 양극 대전물질은 폴리이미드, 알루미늄 또는 철 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 음극의 대전물질층을 형성하는 음극 대전물질은 PDMS 또는 테프론(Teflon) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 것을 특징으로 하는 CNT 에너지 하베스트 소자.
  21. 삭제
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