KR102105762B1 - 지속적인 자가발전이 가능한 흡수성 물질이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 - Google Patents

지속적인 자가발전이 가능한 흡수성 물질이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들은 흡수성 용액을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 복합 발전기에 적용하여 지속적인 자가발전이 가능한 신개념 복합 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
구체적으로 흡수성 용액을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 떨어뜨려 비대칭적인 용매의 젖음 (wetting)에 의해 형성되는 전위 차를 이용하여 전기 에너지를 발생된다. 흡수성 용액에 용해된 흡수성 물질이 공기중의 물을 지속적으로 흡수하기 때문에 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 지속적으로 비대칭적인 적심 상태를 유지할 수 있고, 이로 인해 지속적으로 자발적으로 전기 에너지를 생성할 수 있다. 특히 적은 양 (0.25 ml)의 흡수성 용액을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 표면에 단 한번 떨어뜨리는 행위만으로 시간의 제한 없이 전기 에너지를 지속적으로 생산 가능하다. 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치는 적층, 직렬, 병렬의 형태로 전압 및 전류를 증가시킬 수 있다. 이렇게 생성된 직류 형태의 전력은 슈퍼캐패시터 또는 이차전지에 저장되어 고전력이 요구되는 전자기기에 사용될 수 있다.

Description

지속적인 자가발전이 가능한 흡수성 물질이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 {HYDROSCOPIC MATERIAL INCORPORATED CARBON LAYER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED SELF-POWERED ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명의 실시예들은 흡수성 물질을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 적용하여 지속적으로 자가발전이 가능한 복합 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 전기 에너지 생성 장치는 흡수성 물질이 용해된 극성 용액(흡수성 용액)이 탄소의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 전기 이중층 (electrical double layer)을 이용하여 전위 차(potential difference)를 형성하고, 이를 이용해서 전기 에너지를 발생시킨다. 구체적으로, 흡수성 용액을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 떨어뜨려 줌으로써 형성된 비대칭적 용매의 젖음(wetting)을 이용하여 두 전극 사이에 전위차를 형성한다. 상기 흡수성 물질이 적용된 에너지 생성 장치는 흡수성 물질을 사용하기 때문에 일정 온도와 습도 범위 내에서 지속적으로 비대칭적 용매의 젖음 상태를 유지할 수 있고, 이로 인해 인위적으로 물을 계속 떨어뜨려주지 않아도 지속적으로 전기에너지를 생성할 수 있다. 흡수성 용액이 적용되는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 침지 공정 (dipping process)을 통해 제작되며, 탄소 입자들을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 탄소층을 형성한다. 넓은 표면적과 높은 극성 용액 흡수력을 갖는 친수성 섬유 멤브레인은 탄소 입자를 최대한 넓은 면적으로 도포할 수 있게 하고 흡수성 용액을 잘 흡수할 수 있어, 흡수성 용액과 탄소 입자에 의해 형성된 전기 이중층 및 전위 차를 잘 유지할 수 있는 기판이다.
물 (0.25 ml)을 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 한쪽 표면에 떨어뜨려 비대칭적인 젖음 (wetting) 상태에서 복합 발전기를 구동시키면, 물이 쉽게 공기 중으로 증발하기 때문에 약 한 시간 정도만 전기에너지를 생성할 수 있다. 따라서, 지속적으로 전기에너지를 생성하려면 인위적으로 1시간 마다 복합 발전기에 물을 지속적으로 떨어뜨려줘야 한다. 반면, 흡수성 용액 (0.25 ml)을 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 적용하면 물이 증발 되더라도 흡수성 물질이 물을 다시 흡수하여 지속적으로 비대칭적 젖음을 유지할 수 있고, 이로 인해 자발적으로 그리고 지속적으로 전기에너지를 생성할 수 있다.
에너지 생성 장치는 우리 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 물, 공기, 태양과 같은 친환경적이며 풍부한 물질 혹은 에너지를 이용하여 전기 에너지를 제공한다. 이러한 방식으로 얻은 에너지는 센서 네트워크 및 무선 데이터 송수신 기술 기반 전자기기와 결합하여 삶의 질을 향상시키고 있다.
에너지 생성 장치의 대표적인 예로는 기계적 압력에 의한 구조 변형으로 전위 차가 발생하는 압전 (piezoelectric), 기계적 마찰에 의해 발생하는 정전기 대전으로 전위 차가 발생하는 마찰 전기 (triboelectric), 열의 흐름으로 전위 차를 발생시키는 열전 (thermoelectric) 등이 있다. 각각의 에너지 생성 장치들은 높은 전압과 수십 μW ~ mW의 높은 전력을 발생시킬 수 있다는 장점이 있다. 특히, 압전과 마찰 전기 에너지 생성 장치들은 인체의 움직임을 전기 에너지로 전환하는 것이 가능하여, 착용 가능한 (wearable) 에너지 생성 장치에 적용될 수 있어 그동안 많은 주목을 받아 왔다.
하지만, 이미 개발된 에너지 생성 장치들은 몇 가지 명확한 단점들이 있다. 첫 번째로는 각각의 에너지 생성 원리에 의해 전기 에너지가 고주파 (high frequency) 교류 (AC) 전압 및 전류의 형태로 얻어진다. 기계적인 변형 및 마찰에 의해서 전기 에너지가 생성되는 압전, 마찰 전기 에너지 생성 장치의 경우, 기계적 변형 및 마찰이 가해졌을 때만 순간적으로 전압 차가 형성된다. 가해진 기계적인 작용이 제거되면 반대 방향으로 전압 차가 다시 형성되고, 이 때문에 전기 에너지는 높은 진동수의 교류 형태를 갖는다. 고주파의 교류 전기 에너지는 전자기기에 직접 연결하여 전자기기를 구동할 수 없다. 따라서, 압전, 마찰 전기 에너지 생성장치는 별도의 정류 회로 (rectifier circuit)와 에너지 저장 장치가 항상 동반되어야 에너지 생성 장치에서 발생된 에너지를 사용할 수 있다는 단점이 있다.
또 다른 문제점은 반복적인 기계적 변형, 마찰, 열 흐름은 에너지 생성 장치의 핵심 재료 및 물질을 파손시키거나 변형시켜, 에너지 생성 장치의 에너지 생성 효율이 지속적으로 하락한다는 점이다. 더불어 에너지 생성 장치에 사용되는 물질은 전기 전도성이 없는 물질을 기반으로 하고 있어, 대부분의 에너지 생성 장치에는 전기 전도성을 제공하는 집전체 (금속 기판)가 부착되어 있다. 기계적 변형, 마찰 및 열 흐름에 의한 소자의 변형은 전류 집전체로부터 에너지 생성 물질이 탈착 (delamination)되는 주요 원인이 되어, 부가적으로 에너지 생성 효율 및 소자 신뢰성이 떨어지게 된다.
이에 반해 전기 이중층 형성을 기본 동작 원리로 활용하는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치는 단순히 적은 양의 극성 용액을 에너지 생성 장치에 적용해주면 전기에너지를 생성할 수 있기 때문에 에너지 발생 장치의 손상없이 지속적으로 전압차를 만들 수 있다. 또한 발생하는 전기 에너지가 직류의 형태로 발생하기 때문에 추가적인 정류회로 없이 전자기기에 직접 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 목적은 탄소층 표면에 극성 용액이 흡착될 때 형성되는 전기 이중층에서 생성되는 전압 차를 활용하여, 직류 (DC) 형태의 전기 에너지를 발생시키는 복합 발전기에 흡수성 물질을 적용하여 지속적으로 자가 발전이 가능한 복합 발전기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 이렇게 만들어진 복합 발전기는 전자기기에 전력을 공급하거나 이차전지 및 수퍼캐패시터에 생성된 에너지를 저장하여 그 활용 범위를 넓힐 수 있다.
본 발명을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 흡수성 물질이 적용되어 지속적으로 자가발전이 가능한 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조방법을 제공하는 것이다.
흡수성 물질은 극성 용매에 용해되어 사용되기 때문에 복합 발전기에 쉽게 적용될 수 있으며, 대량생산이 가능하다. 흡수성 물질은 특정 온도와 습도 조건하에 물을 흡수할 수 있기 때문에 단 한번의 적용으로 복합 발전기에서 전기에너지를 지속적으로 생산할 수 있는 복합 발전기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 측면에 따른, 흡수성 물질이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 및 그 제조방법에 있어서, 탄소층의 한 예시인 탄소 입자가 분산되어 있는 용액을 제조하고, 친수성 섬유 멤브레인을 일정한 크기로 절삭하며, 절삭된 친수성 섬유 멤브레인을 탄소 입자가 분산되어 있는 카본 코팅 용액에 침지하여 친수성 섬유 멤브레인에 탄소입자들로 이루어진 탄소층을 고르게 코팅하고, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 오븐에서 건조(일례로, 80 ℃에서 건조)시키는 과정을 통해 직류 전기 에너지를 생산할 수 있는 복합 발전기 (탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기)를 제조하며, 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 상기 복합 발전기에 적용하여 극성 용매의 증발을 막아줌으로써 지속적으로 자가발전이 가능하며, 개별 복합 발전기를 적층하거나 직렬 내지는 병렬로 연결하여 전압 및 전류를 증폭시킬 수 있는 흡수성 용액에 의해 비대칭적 젖음 구조를 갖는 탄소층이 개별 섬유의 표면에 결착된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 친수성 섬유 멤브레인에 코팅된 탄소층과 흡수성 용액이 형성하는 전기 이중층을 기반으로 하는 전기에너지 생성 장치 제조 방법은 (a) 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계, (b) 친수성 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계, (c) 친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지 시켜 탄소층을 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 코팅하는 단계, (d) 오븐에서 탄소층이 코팅된 친수성 멤브레인을 건조시키는 단계, (e) 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층하여 적층형 발전기를 제조하는 단계, (f) 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 제작하는 단계, (g) 상기 적층된 멤브레인 발전기를 서로 직렬 및 병렬로 연결하고 흡수성 용액을 발전기에 연결된 한 전극 주위에만 비대칭적으로 떨어뜨려 직류 전압 및 전류를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (a) 단계는 탄소 입자를 극성 용매에 분산시켜 침지 공정에 쓰일 카본 코팅 용액을 제조하는 단계로 구체적으로는 상기 탄소 입자는 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P), 케첸 블랙 (Ketjen black) 중에 선택된 하나 일 수 있으며, 탄소층은 그래핀 (graphene) 내지는 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 우수한 전기전도도를 가지며, 친수성 섬유 멤브레인에 결착이 잘 이루어지는 탄소 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않으며, 0차원의 탄소입자, 1차원의 탄소나노튜브, 2차원의 그래핀 또는 그래핀 산화물이 단독으로 사용되거나 복합화 되어 사용될 수 있다. 상기 탄소 입자를 분산하는 과정에서 사용되는 용매는 물 (deionized water), 아이소프로판올 (isopropanol), 아세토니트릴 (acetonitrile), 메탄올 (methanol), 에탄올 (ethanol), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 아세톤 (acetone), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide) 중 한 종류 혹은 두 종류 이상의 혼합 용매를 선택할 수 있다. 코팅 용액에 사용되는 용매로는 극성이 높고, 유전상수가 크며 손쉽게 얻을 수 있는 물을 이용하는 것이 바람직하다. 침지 공정에 활용하는 용액의 농도 조건은 균일하게 도포가 가능한 0.1 - 50 wt%의 농도 범위의 용액을 만들어서 사용한다. 상기 침지 공정에 사용될 분산도가 높은 탄소 용액을 제작하기 위해 탄소 입자가 분산된 용액에 계면활성제 (surfactant)를 첨가한다. 계면활성제가 첨가된 탄소 입자 분산 용액을 음파처리 (sonication)하여 탄소 입자를 용액 내에 고르게 분산시켜 사용한다. 상기 계면활성제는 음이온계, 양이온계, 무극성 계면활성제 중 한 종류 혹은 두 종류 이상의 혼합 계면활성제를 사용하며, 상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 계면활성제의 양은 상기 카본 코팅 용액에 더 포함되는 용매 대비 0.1 ~ 20 wt% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 (b) 단계는 친수성 섬유 멤브레인을 일정한 크기로 절삭하여 전기 생성 장치의 규격을 조절한다. 상기 친수성 섬유 멤브레인의 재료로는 극성 용매에 대해 높은 흡수력을 가지는 면과 종이가 사용 될 수 있으며, 직경이 수십 nm ~ 수백 μm 의 범위(일례로, 50nm ~ 500 μm)에서 선택되는 섬유가닥으로 이루어진 다공성 멤브레인을 사용한다. 에너지 생성 장치에 적용할 친수성 섬유 멤브레인의 규격은 물을 효과적으로 흡수하며 비대칭적인 적심 (wetting)을 유지할 수 있도록 종횡비 1 이상, 100 이하의 비율 범위 안으로 절삭하여 사용하며, 이때 사용하는 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm ~1 mm 인 것을 사용한다.
상기 (c) 단계는 친수성 섬유 멤브레인을 탄소 입자가 분산된 용액에 침지 시키는 단계로, 침지 횟수를 조절하여 탄소 입자를 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 고르게 도포할 수 있다. 일정 크기로 절삭된 친수성 섬유 멤브레인을 (a) 단계에서 제작한 카본 코팅 용액에 침지 시켜 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제작한다. 이때 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절해서 친수성 섬유 멤브레인에 도포된 탄소 입자의 적재 양을 손쉽게 조절 할 수 있으며, 이를 통해 에너지 생성 장치를 구성하는 탄소층의 저항을 조절할 수 있다. 탄소층의 저항은 생성되는 전압 뿐만 아니라 전류의 흐름에도 큰 영향을 주기 때문에, 100 Ω ~ 100 MΩ의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계의 건조 과정은 상기 코팅 용액에 침지 된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이 (tray)에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조(일례로, 80 ℃에서 건조)시켜 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 제작한다.
상기 (e) 단계는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층시키는 단계로, 적층된 멤브레인 내에 흡수성 용액과 탄소 입자간의 전기 이중층 형성 면적을 넓히고, 극성 용매 (대표적으로 물)의 증발을 효율적으로 막아 젖음이 오래 지속되는 적층된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 제작한다.
상기 (f) 단계는 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 제작하는 단계로, 흡수성 물질로는 염화칼슘 (CaCl2), 꿀 (honey), 오산화인 (P2O5), 수산화칼륨 (KOH), 수산화나트륨 (NaOH), 염화아연 (ZnCl2) 및 황산 (H2SO4) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 공기중의 수증기를 잘 흡수할 수 있는 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않는다. 흡수성 용액을 만드는데 사용되는 극성 용매로는 아세톤 (acetone), 아세트산 (acetic acid), 물 (water), 에탄올 (ethanol), 아세토니트릴 (acetonitrile), 암모니아 (ammonia), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 피리딘 (pyridine) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 극성 용매가 서로 혼합되어 사용될 수 있다. 각 흡수성 물질이 특정 극성 용매에 용해될 수 있는 질량이 다르기 때문에 흡수성 물질이 극성 용매에 용해되는 농도는 포화도로 나타내며 흡수성 용액은 0% ~ 100% 사이의 포화도를 가질 수 있다.
상기 (g) 단계는 적층된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 직렬 및 병렬로 연결시키고, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기와 연결된 두 전극 중 한 전극에만 흡수성 용액을 부분적으로 떨어뜨려 젖은 부분 (wetted region)과 젖지 않은 부분 (dry region)이 나뉘도록 전극을 연결하여 회로를 구성한다. 흡수성 용액에 의해 젖은 부분의 탄소 입자 표면에는 전기 이중층 형성에 의해 탄소층 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성한다. 이 때문에 물에 의해 젖은 전극과 젖지 않은 부분과 연결된 전극 사이에는 명확한 전위차가 형성된다. 이때 두 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류, 전력이 생성되게 된다. 단, 떨어뜨리는 흡수성 용액의 양이 너무 많아 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 두 전극에 흡수성 용액이 다 접촉하면 전위차를 상실하게 될 수 있다. 따라서, 일정 크기의 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에는 적절한 양의 극성 용매가 적용되어야 한다. 예를 들면 종횡비 3을 가지는 3 cm (세로) × 9 cm (가로) 크기의 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.25 ml의 흡수성 용액을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 좌측 내치는 우측 끝에 한번 떨어뜨려지면 지속적으로 직류 전력을 생산할 수 있다. 흡수성 용액에 의해 적셔진 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 적셔진 부분의 극성 용매가 증발되지 않고 계속 젖은 상태를 유지할 수 있기 때문에 지속적으로 자가발전하여 전기 에너지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 물을 지속적으로 더해주지 않아도 지속적으로 자가발전이 가능하다.
침지 공정을 이용하여 제조된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 탄소층의 높은 표면적과 강한 물 흡착 성능, 친수성 섬유 멤브레인의 우수한 젖음성 (wetting) 및 기공도를 기반으로 높은 효율의 직류 전력을 생성하는 친환경적인 에너지 생성 장치이다. 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 지속적으로 사용하려면 인위적으로 극성 용매를 지속적으로 떨어뜨려줘야 할 필요성이 있으나, 본 발명에서 제안하는 흡수성 용액을 떨어뜨려주면 극성 용매의 증발을 막아 극성 용매를 지속적으로 떨어뜨려주지 않아도 지속적으로 자가 발전이 가능하다. 특히 규격이 3 cm (세로) × 9 cm(가로)인 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.25 ml 의 소량의 흡수성 용액으로 제한시간 없이 지속적으로 직류 전력을 발생할 수 있고, 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 활용 가능성이 높다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제작과정인 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조 방법 순서도를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 1에 사용되는 염화칼슘이 실온, 낮은 습도에서 자연스럽게 공기중의 물을 흡수하여 용액을 형성하는 과정을 투과현미경을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 6은 염화칼슘이 적용된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 지속적인 자가발전이 가능한 에너지 생성 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 7은 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 0.2 ml, 0.4 ml, 0.6 ml, 0.8 ml의 염화칼슘 포화용액을 적용시킨 뒤, 24시간 후에도 물이 증발되지 않고 남아있는 형상을 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 다른 포화도를 가진 염화칼슘 용액이 적용되었을 때 측정한 개방 전압의 그래프다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 다른 포화도를 가진 염화칼슘 용액이 적용되었을 때 측정한 단락 전류의 그래프다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 저항 변화에 따른 개방 전압, 단락 전류, 파워를 보여주는 그래프다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 포화 염화칼슘용액을 떨어뜨려준 뒤 상대습도를 달리해주면서 개방 전압을 측정한 그래프다.
도 12는 본 발명의 일 비교예 1과 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 탈이온수와, 염화칼슘이 포함된 수용액을 떨어뜨려주었을 때 발생되는 전압을 시간에 따라 비교해주는 그래프다.
도 13은 직렬-적층 구조로 연결된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 이용하여 슈퍼캐패시터를 충전하는 과정을 나타낸 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 지속적 자가발전이 가능한 흡수성 용액이 적용된 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명의 일실시예는 흡수성 물질을 포함하는 흡수성 용액에 의한 비대칭적 젖음 구조를 갖는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 통해 지속적인 자가발전이 가능한 복합 발전기를 제공한다.
일측에 따르면, 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 흡수성 용액에 의해 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않는 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 용액에 의해 젖은 탄소층과 젖지 않은 탄소층 간의 전기 이중층의 존재 유무에 의한 전압 차이를 이용하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 용액은 극성 용매를 더 포함하고, 상기 흡수성 물질이 상기 극성 용매의 증발을 억제하여 상기 비대칭적 젖음 구조가 지속적으로 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 물질이 공기중의 수분을 흡수함에 따라 상기 비대칭적 젖음 구조가 지속적으로 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 비대칭적 젖음 구조는 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 전체 부피대비 0.01% 에서 99.9% 사이를 적시는 구조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 용액은 상기 흡수성 물질을 극성 용매에 용해하여 생성되고, 상기 흡수성 물질은 염화칼슘 (CaCl2), 꿀 (honey), 오산화인 (P2O5), 수산화칼륨 (KOH), 수산화나트륨 (NaOH), 염화아연 (ZnCl2) 및 황산 (H2SO4) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 용액은 상기 흡수성 물질을 극성 용매에 용해하여 생성되고, 상기 극성 용매는 아세톤 (acetone), 아세트산 (acetic acid), 물 (water), 에탄올 (ethanol), 아세토니트릴 (acetonitrile), 암모니아 (ammonia), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol) 및 피리딘 (pyridine) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 구성하는 탄소 물질은 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P) 및 케첸 블랙 (Ketjen black) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층은 그래핀 (graphene) 및 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 0.9 mg/cm3 ~ 0.007 mg/cm3 범위로 탄소를 적재하여 상기 친수성 섬유 멤브레인에 코팅되고, 적재하는 탄소의 양을 조절하여 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 저항을 변화시켜 생성 전압과 전류를 조절 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 물 흡수력 및 함유 능력을 갖는 재질을 가지며, 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물 및 나노섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적의 증가를 위해 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 탄소층이 강하게 결착되어 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 섬유 가닥의 직경은 50 nm ~ 500 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm ~ 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 비대칭적 젖음 구조를 위해 가로 및 세로의 종횡비가 1 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상술한 복합 발전기를 2개 이상 적층하거나 직렬로 연결하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 복합 발전기의 제조방법은 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계; 친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지시켜 탄소층을 코팅하는 단계; 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계; 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 제작하는 단계; 및 상기 흡수성 용액을 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적으로 떨어뜨려 전기 에너지를 생산하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 복합 발전기의 제조방법은 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 2개 이상 적층하거나 또는 서로 직렬 및 병렬로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액의 카본은 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P) 및 케첸 블랙 (Ketjen black) 중 적어도 하나를 포함하고, 그래핀 (graphene) 및 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 적어도 하나와 상기 카본, 및 계면활성제가 포함된 물을 음파처리로 (sonication) 분산시켜 상기 카본 코팅 용액이 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 카본의 함량은 상기 극성 용매 대비 0.1 ~ 10 wt% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 계면활성제는 sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), Span 20, Span 60, Span 65, Span 80, Tween 20, Tween 40, Tween 60, Tween 65, Tween 80 및 Tween 85 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 계면활성제의 양은 상기 카본 코팅 용액에 더 포함되는 물 대비 0.1 ~ 20 wt% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 가로 및 세로의 종횡비가 1 이상으로 절삭되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층을 코팅하는 단계에서, 상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 카본 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 탄소의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 건조시키는 단계는, 상기 코팅 용액에 친수성 섬유 멤브레인에 함침시킨 후 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 흡수성 용액의 농도는 0% ~ 100% 사이의 포화도에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전기 에너지를 생성하는 단계는, 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 하나의 전극에 흡수성 용액을 비대칭적으로 떨어뜨려, 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 젖은 부분과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전압, 직류 전류 및 전력을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 흡수성 물질이 특정 습도 아래에서 극성 용매를 증발시키지 않고 잘 함유하고 있는 특징을 활용하여, 극성 용매가 탄소의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 전기 이중층을 활용하여, 적은 양의 극성 용매를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 떨어뜨리는 행위로 지속적 및 독립적으로 운행되는 복합 발전기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 흡수성 물질이 용해된 극성 용매를 복합 발전기에 떨어뜨려 줌으로써 인간의 지속적인 도움 없이, 안정적인 직류 전력을 지속적으로 생성하는 것을 특징으로 한다.
현재까지 개발된 에너지 생성 장치들은 고주파 교류 전압 및 전류의 형태로 전기 에너지가 생성된다. 이는 기계적인 변형 및 마찰에 의해서 전기 에너지가 생성되는 압전 소자 및 마찰 전기 에너지 생성 장치들은 변형, 마찰이 인가 되었을 때만 순간적으로 전압 차가 형성되고, 인가된 기계적인 작용이 제거되면 반대 부호의 전압 차가 다시 형성되기 때문이다. 이러한 고주파 교류 전력을 생성하는 에너지 생산 장치는 별도의 정류 회로나 에너지 저장 장치가 항상 수반되어야 전자기기를 구동할 수 있다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 지속적인 기계적 변형, 마찰, 가열은 디바이스를 손상시키고, 에너지 생성 장치의 에너지 생성 효율을 저하 한다. 또한, 기계적 변형, 마찰 및 열 흐름들은 에너지 생성 물질이 집전체 기판에서 탈리되는 원인이 되어, 에너지 생성 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 반해, 전기 이중층을 원리로 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 단순히 적은 양의 극성 용액을 에너지 생성 장치에 적용해주면 전기에너지를 생성할 수 있기 때문에 에너지 발생 장치의 손상없이 지속적으로 전압차를 만들 수 있다. 또한 발생하는 전기 에너지가 직류의 형태로 발생하기 때문에 추가적인 정류회로 없이 전자기기에 직접 전력을 공급할 수 있다. 하지만 전기 이중층을 원리로 한 에너지 생성장치에 적용된 극성 용액은 자발적으로 증발하기 때문에 지속적으로 전기 에너지를 생성하기 위해선 인위적으로, 지속적으로, 일정시간마다 극성 용액을 에너지 생성장치에 떨어뜨려줘야 할 필요성이 있다.
본 발명의 실시예들에서는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 흡수성 물질을 적용하여 극성 용매의 증발을 막아줌으로써 지속적으로 자가발전이 가능한 전기 에너지를 발생시키는 복합 발전기 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 표면적이 넓은 탄소층 (탄소입자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등)들을 비표면적이 넓은 친수성 섬유 멤브레인에 도포하여 에너지 생성 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 탄소층에 적용하여 직류 형태의 전기에너지를 사람의 도움 없이 지속적으로 얻을 수 있다. 상기 복합 발전기를 통해 형성된 직류 형태의 전기 에너지는 별도의 정류 회로 없이 직접 전자기기에 연결하여 구동할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 간단한 침지 공정으로 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 저비용으로 대량생산 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 대면적 제조가 용이하며, 적층을 통해 발전기의 용량을 쉽게 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제작과정인 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조 모식도이다. 일정 규격으로 절삭한 친수성 섬유 멤브레인(101)을 탄소입자가 분산되어 있는 카본 코팅 용액(102)에 침지한다. 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 도포되는 탄소 입자의 양을 제어할 수 있다. 탄소층이 코팅된 침지된 친수성 섬유 멤브레인(103)은 건조 오븐에서 건조과정(104)을 거친 후 완성된다. 건조 후의 친수성 섬유 멤브레인 전기 에너지 생성 장치의 저항은 100 Ω ~ 100 MΩ의 범위를 가질 수 있으며, 높은 전압과 전류 특성을 얻기 위해 바람직하게 10 kΩ ~ 20 MΩ의 범위의 저항을 갖게 하는 것이 유리하다. 본 도 1에서는 탄소 입자로 구성된 탄소층을 예시로 들었다. 상기 탄소 입자는 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P), 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 케첸 블랙 (Ketjen black) 중에 선택된 하나 일 수 있으며, 탄소층은 그래핀 (graphene) 내지는 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 우수한 전기전도도를 가지며, 친수성 섬유 멤브레인에 잘 결착이 이루어지는 탄소 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않으며, 0차원의 탄소입자, 1차원의 탄소나노튜브, 2차원의 그래핀 또는 그래핀 산화물이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다. 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 있어서 친수성 섬유를 구성하는 개별 섬유에 코팅되는 탄소 소재는 비표면적이 높은 탄소 입자가 균일하게 코팅되는 것이 바람직하며 제조공정 관점에서도 가장 간단하다. 건조된 탄소층이 코팅된 침지된 친수성 섬유 멤브레인(105)에 흡수성 물질이 용해된 흡수성 용액(106)을 두 전극이 맞물릴 멤브레인 양 끝 단 중 한 끝 단에만 적당량 떨어뜨린다. 흡수성 용액에 용해되는 흡수성 물질로는 염화칼슘 (CaCl2), 꿀 (honey), 오산화인 (P2O5), 수산화칼륨 (KOH), 수산화나트륨 (NaOH), 염화아연 (ZnCl2), 황산 (H2SO4) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 혼합물이 사용될 수 있으며, 공기중의 수증기를 잘 흡수할 수 있는 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않는다. 흡수성 용액을 만드는데 사용되는 극성 용매로는 아세톤 (acetone), 아세트산 (acetic acid), 물 (water), 에탄올 (ethanol), 아세토니트릴 (acetonitrile), 암모니아 (ammonia), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 피리딘 (pyridine) 중 한가지 혹은 두가지 이상의 극성 용매가 서로 혼합되어 사용될 수 있다. 각 흡수성 물질이 특정 극성 용매에 용해될 수 있는 질량이 다르기 때문에 흡수성 물질이 극성 용매에 용해되는 농도는 포화도로 나타내며 흡수성 용액은 0% ~ 100% 사이의 포화도를 가질 수 있다. 흡수성 용액을 과량 떨어뜨려 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기가 전부 젖어버리면 양 전극에 전압차가 발생하지 않아 발전이 불가능 함으로, 흡수성 용액의 양은 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 절반 정도 적실 수 있는 양이 적당하다. 적용되는 흡수성 용액의 적용량은 주변 온도, 습도, 섬유 멤브레인의 면적에 따라 달라질 수 있다. 3 cm × 9 cm 규격의 면섬유 기반 탄소층-친수성 멤브레인의 경우, 0.25 ml의 흡수성 용액이 적용되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수성 용액이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조 방법 순서도를 보여준다. 도 2에서 확인할 수 있듯이, 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계 (201), 친수성 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계 (202), 친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지시켜 탄소층을 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 코팅하는 단계 (203), 오븐에서 탄소층이 코팅된 친수성 멤브레인을 건조시키는 단계 (204), 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층하여 적층형 발전기를 제조하는 단계 (205), 흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 제작하는 단계 (206), 상기 적층된 멤브레인 발전기를 서로 직렬 및 병렬로 연결하고 흡수성 용액을 발전기에 연결된 한 전극 주위에만 비대칭적으로 떨어뜨려 직류 전압 및 전류를 형성하는 단계 (207)를 포함하여 구성된다.
하기에서는 실시예들을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어 있는 것은 아니다.
실시예 1: 염화칼슘 용액이 적용된 케첸 블랙이 코팅된 면 (cotton) 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제작
케첸 블랙 코팅 용액을 제작하기 위해 케첸 블랙 (Ketjen black) 0.2 g과 계면활성제 (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) 0.05 g을 20 ml의 탈이온수와 혼합한다. 혼합된 케첸 블랙 용액을 음파처리로 고르게 혼합 및 분산시켜 케첸 블랙이 분산된 용액을 제작한다. 면 섬유 멤브레인은 3 cm (세로) × 9 cm(가로) 의 규격으로 종횡비 3을 맞추어서 절삭하였다. 절삭된 각각의 멤브레인은 탄소 입자들이 분산된 용액에 1회 침지하였다. 침지된 케첸 블랙이 도포된 코튼 멤브레인은 평평한 트레이에 올려져 80 ℃ 건조오븐에서 건조 과정을 거쳐 최종적으로 케첸 블랙 입자들이 면섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 코팅된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 제조하였다. 대표적인 흡수성 물질 중 한가지인 염화칼슘을 물에 과량 용해시켜 과포화용액을 만든다. 과포화용액의 상층액을 모아서 염화칼슘 포화용액을 준비한다. 전력생성 특성을 평가하기 위해, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 한쪽 전극에 0. 25 ml 의 포화 염화칼슘 용액을 떨어뜨린 후 전위가변기(potentiaostat)을 이용하여 개방 전압 (open circuit voltage) 및 단락 전류 (short circuit voltage) 특성을 평가하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 사진이다. 검은색을 띄는 3 cm (세로) × 9 cm(가로) 규격의 케첸 블랙이 균일하게 도포된 면 섬유 멤브레인을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 주사전자현미경 사진이다. 직경이 10 μm의 면 섬유 가닥에 케첸 블랙 입자가 고르게 도포된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 1에 사용되는 염화칼슘이 실온, 낮은 습도에서 자연스럽게 공기중의 물을 흡수하여 용액을 형성하는 과정을 투과현미경을 이용하여 촬영한 사진이다. 환경의 상대습도가 40% 일 때, 염화칼슘은 30분 안에 공기 중의 수분을 흡수하여 물방울을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 염화칼슘이 적용된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 지속적인 자가발전이 가능한 에너지 생성 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 염화칼슘 용액에 의해 젖은 부분 (wet region)의 탄소 입자 표면에는 전기 이중층에 의해 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성한다. 이 때문에 물에 의해 젖은 전극과 젖지 않은 부분 (dry region)과 연결된 전극을 사이에는 전위차가 형성된다. 이때 두 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류, 전력을 생산할 수 있다. 이때, 적용된 염화칼슘 덕분에 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기는 물을 지속적으로 함유 할 수 있어 전기에너지를 지속적으로 생성할 수 있다.
도 7은 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 0.2 ml, 0.4 ml, 0.6 ml, 0.8 ml의 염화칼슘 포화용액을 적용시킨 뒤, 24시간 후에도 물이 증발되지 않고 남아있는 것을 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 다른 포화도를 가진 염화칼슘 용액이 적용되었을 때 측정한 개방전압의 그래프다. 소량의 염화칼슘이 용액에 존재하기만 해도 전기에너지를 지속적으로 생성할 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 염화칼슘 용액의 포화도가 높아짐에 따라 생성되는 전압이 커지는 것을 확인할 수 있다. 포화 염화칼슘 용액을 사용했을 시 0.7 V의 개방 전압이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 다른 포화도를 가진 염화칼슘 용액이 적용되었을 때 측정한 단락 전류의 그래프다. 도 8의 개방 전압의 그래프와 비슷하게 소량의 염화칼슘이 용액에 존재하기만 해도 전기에너지를 지속적으로 생성할 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 염화칼슘 용액의 포화도가 높아짐에 따라 생성되는 전류가 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 높은 에너지 효율을 내기 위해, 포화상태의 염화칼슘 용액을 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 적용하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 저항 변화에 따른 개방 전압, 단락 전류, 파워를 보여주는 그래프다. 염화칼슘용액이 적용된 전기이중층 에너지 생성장치는 에너지 생성장치의 저항에 따라 전기에너지 생성 효율이 달라진다. 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 저항은 실시예 1에서 설명하였듯이, 면 섬유 멤브레인을 케첸 블랙이 분산되어 있는 용액에 함침하는 횟수를 달리하여 조절하였다. 함침 횟수가 늘어날수록 표면에 코팅되는 탄소 입자의 양이 많아 지면서 저항이 낮아지게 되며, 저항은 5 kΩ, 15 kΩ, 35 kΩ, 80 kΩ, 150 kΩ, 450 kΩ, 1.4 MΩ, 3.1 MΩ 총 8개의 샘플을 준비하였다. 도 10의 개방 전압 그래프에서 관찰이 되듯이, 발전기의 저항이 높을수록 높은 개방 전압 (3.1 MΩ 샘플: 0.7 V) 특성이 나타나며, 저항이 가장 낮은 5 kΩ의 샘플에서는 0.6 V 수준의 낮은 개방 전압 특성이 관찰이 되었다. 높은 개방 전압 특성을 얻기 위해서 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 베이스 저항 (base resistance) 조절이 중요함을 알 수 있다. 도 10의 저항 변화에 따른 단락 전류 특성 그래프를 보면, 5 kΩ의 저항을 갖는 발전기에서 가장 높은 단락 전류 (65 μA) 특성이 관찰이 되고, 저항이 낮아질수록 단락 전류의 크기가 증가함을 확인할 수 있다. 파워는 전류와 전압의 곱으로 결정이 되기 때문에, 높은 개방 전압과 높은 단락 전류 특성 값을 동시에 부여하는 것이 중요하다. 본 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 경우 개방 전압과 단락 전류 값이 서로 반대되는 저항 값에서 최대치가 관찰이 되기 때문에, 최적의 파워를 얻을 수 있는 저항 대를 관찰하기 위해 도 10 과 같이 파워 그래프를 그려 보았다. 최대 파워 (Pmax)는 5 kΩ을 갖는 발전기에서 약 7 μW 정도의 수치를 보여주었다. 따라서 전압, 전류, 파워를 발생 시킴에 있어서 최적의 저항대를 갖는 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제조가 중요하다. 케첸 블랙이 코팅된 면섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 경우 저항이 5 kΩ 이하로 내려갈 수 없기 때문에 최대생성전력은 7 μW이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 포화 염화칼슘용액을 떨어뜨려준 뒤 환경의 상대습도를 달리해주면서 개방 전압을 측정한 그래프다. 상대습도가 20% 보다 작을 때, 염화칼슘은 물을 잘 흡수하지 못해 전기에너지를 생성하지 못한다. 상대습도가 20%보다 크고 60%보다 작을 때, 염화칼슘은 물을 흡수해서 전기에너지를 생성하기 시작하며, 물을 흡수하는 양에 따라 생성되는 전압이 커진다. 상대습도가 60%보다 클 때, 복합 발전기의 전체가 젖어버려 전기에너지를 생성하지 못한다.
비교예 1: 물이 적용된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기의 제작
도 12는 본 발명의 일 비교예 1과 실시예 1 에 따라 제조된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 각각 탈이온수와, 염화칼슘이 포함된 수용액을 떨어뜨려주었을 때 발생되는 전압을 시간에 따라 비교해주는 그래프다. 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 탈 이온수가 떨어뜨려지면 약 한 시간이 지나면 물이 다 증발해버리기 때문에 전기 에너지의 생산도 한시간이 지나면 멈춘다. 하지만 염화칼슘이 함유된 용액을 떨어뜨려주면 복합 발전기에서 증발된 물을 다시 염화칼슘이 흡수하기 때문에 전기 에너지 생산이 시간제한 없이 지속적으로 생산됨을 실시예와 비교예 실험을 통해 확인할 수 있다.
실시예 2: 포화 염화칼슘용액이 적용된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 이용한 슈퍼캐패시터 충전
도 13은 직렬-적층 구조로 연결된 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기를 이용하여 슈퍼캐패시터를 충전하는 과정을 나타낸 사진이다. 케첸 블랙이 도포된 면 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기에 포화 염화칼슘용액을 적용하여 직류 전력을 발생시켰다. 3개의 적층 연결된 에너지 생성 장치 3개를 다시 직렬 연결하여 1 F 슈퍼캐패시터를 3 V까지 충전하였다. 3 V까지 충전하기 위해서는 약 5시간의 시간이 필요하며, 물을 사용할 경우 물은 1시간 만에 증발해버리기 때문에 지속적으로 인위적으로 일정 시간마다 물을 떨어뜨려줘야 하지만, 포화 염화칼슘 용액이 적용된 케첸 블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치는 물을 떨어뜨려 주지 않아도 에너지 생성장치의 물이 증발하지 않아 3 V까지 충전이 가능하였다. 실생활에서 쉽게 구할 수 있는 천, 탄소, 염화칼슘을 통해 지속적으로 자가발전이 가능한 에너지 생성 장치를 제작하고, 전기 에너지를 장시간 쉽게 생성 및 저장 가능한 결과를 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (28)

  1. 흡수성 물질을 포함하는 흡수성 용액에 의한 비대칭적 젖음 구조를 갖는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 통해 지속적인 자가발전이 가능하고,
    상기 흡수성 용액에 의해 젖은 탄소층과 젖지 않은 탄소층 간의 전기 이중층의 존재 유무에 의한 전압 차이를 이용하여 전기 에너지가 생성되고,
    상기 흡수성 용액은 극성 용매를 더 포함하고,
    상기 흡수성 물질이 상기 극성 용매의 증발을 억제하여 상기 비대칭적 젖음 구조가 지속적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 흡수성 용액에 의해 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않는 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡수성 물질이 공기중의 수분을 흡수함에 따라 상기 비대칭적 젖음 구조가 지속적으로 더 유지되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 비대칭적 젖음 구조는 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 전체 부피대비 0.01% 에서 99.9% 사이를 적시는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡수성 용액은 상기 흡수성 물질을 극성 용매에 용해하여 생성되고,
    상기 흡수성 물질은 염화칼슘 (CaCl2), 꿀 (honey), 오산화인 (P2O5), 수산화칼륨 (KOH), 수산화나트륨 (NaOH), 염화아연 (ZnCl2) 및 황산 (H2SO4) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 흡수성 용액은 상기 흡수성 물질을 극성 용매에 용해하여 생성되고,
    상기 극성 용매는 아세톤 (acetone), 아세트산 (acetic acid), 물 (water), 에탄올 (ethanol), 아세토니트릴 (acetonitrile), 암모니아 (ammonia), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol) 및 피리딘 (pyridine) 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층을 구성하는 탄소 물질은 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P) 및 케첸 블랙 (Ketjen black) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소층은 그래핀 (graphene) 및 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄소층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 0.9 mg/cm3 ~ 0.007 mg/cm3 범위로 탄소를 적재하여 상기 친수성 섬유 멤브레인에 코팅되고,
    적재하는 탄소의 양을 조절하여 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 저항을 변화시켜 생성 전압과 전류의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 물 흡수력 및 함유 능력을 갖는 재질을 가지며, 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물 및 나노섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적의 증가를 위해 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 탄소층이 강하게 결착되어 코팅되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 섬유 가닥의 직경은 50 nm ~ 500 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm ~ 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 비대칭적 젖음 구조를 위해 가로 및 세로의 종횡비가 1 이상인 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  17. 제1항, 제2항 또는 제5항 내지 제16항 중 어느 한 항의 복합 발전기를 2개 이상 적층하거나 직렬로 연결하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.
  18. 복합 발전기의 제조방법에 있어서,
    탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계;
    친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지시켜 탄소층을 코팅하는 단계;
    상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계;
    흡수성 물질이 극성 용매에 용해된 흡수성 용액을 제작하는 단계; 및
    상기 흡수성 용액을 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적으로 떨어뜨려 전기 에너지를 생산하는 단계
    를 포함하는 복합 발전기의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 2개 이상 적층하거나 또는 서로 직렬 및 병렬로 연결하는 단계
    를 더 포함하는 복합 발전기의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액의 카본은 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P) 및 케첸 블랙 (Ketjen black) 중 적어도 하나를 포함하고,
    그래핀 (graphene) 및 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 적어도 하나와 상기 카본, 및 계면활성제가 포함된 물을 음파처리로 (sonication) 분산시켜 상기 카본 코팅 용액이 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 카본의 함량은 상기 극성 용매 대비 0.1 ~ 10 wt% 인 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 계면활성제는 sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), Span 20, Span 60, Span 65, Span 80, Tween 20, Tween 40, Tween 60, Tween 65, Tween 80 및 Tween 85 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액에 포함되는 계면활성제의 양은 상기 카본 코팅 용액에 더 포함되는 물 대비 0.1 ~ 20 wt% 인 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 가로 및 세로의 종횡비가 1 이상으로 절삭되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 탄소층을 코팅하는 단계에서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 카본 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 탄소의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 건조시키는 단계는,
    상기 코팅 용액에 친수성 섬유 멤브레인에 함침시킨 후 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 흡수성 용액의 농도는 0% ~ 100% 사이의 포화도에 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법
  28. 제18항에 있어서,
    상기 전기 에너지를 생성하는 단계는,
    상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 하나의 전극에 흡수성 용액을 비대칭적으로 떨어뜨려, 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 젖은 부분과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전압, 직류 전류 및 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기의 제조방법.
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