KR102135539B1 - 변환 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매트릭스를 제공하는 제 1 상, 및 전자 이동성을 제공하는 나노 스케일 또는 마이크로 스케일 재료를 포함하는 제 2 상을 포함하는 변환 재료를 제공한다. 변환 재료는 단일의 거시적 저장소로부터의 열을 전압으로 변환한다.

Description

변환 재료
본 출원은 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 변환 재료, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하는 디바이스에 관한 것이다.
열전(thermoelectric) 발전기 및 열전 변환 재료는 공지되어 있다. 이러한 재료는, 그렇지 않으면 사용되지 않아 폐기되는 열 에너지를 주로 이용하기 위해 에너지 공급원으로서 중요성을 갖고 있다. 이 재료의 한 가지 특징은 온도 차이를 이용하여 전기를 생성한다는 것이다.
이러한 재료는 이미 공지되어 있으며, 금속간 화합물뿐만 아니라 세라믹 복합재를 포함한다. 그러나, 전형적으로 이러한 재료는 비싸고 쉬운 방식으로 가공될 수 없어서 제조 비용을 증가시킨다. 따라서, 전반적으로, 열전 발전기(thermoelectric generator, TEG)의 사용은 아직 널리 보급되지 않았다.
이러한 재료의 예는 문헌[NANO LETTERS, 2008, Vol.8, No.12, 4428-4432]; 문헌[APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 183110 (2011)]; 미국 특허 출원 공개 제 2013/0312806 A1 호; 미국 특허 출원 공개 제 2015/0380625 A1 호; 및 미국 특허 출원 공개 제 2014/0042373 A1 호에 개시된 것과 같은 중합체 매트릭스 및 분산된 탄소 입자의 복합재를 포함할 수 있다. 그래핀 분말은 유럽 특허 출원 제 2 832 689 A1 호에 개시되어 있다.
그러나, 폐열 에너지가 풍부하게 이용 가능하고 태양 열을 이용하려는 시도가 있어 왔기 때문에, 당업계에서는 열 에너지를 이용하여 전기를 생성할 수 있는 새로운 방법을 제공하고자 하는 요구가 있다. 이와 관련하여, 과학적 평가는, 전형적으로 나노 스케일로 존재하고 열 에너지의 자극 하에 일을 수행할 수 있는 물체인 브라운 모터에 초점을 맞추고 있다. 이러한 브라운 모터는 예를 들어 과학 보고서[scientific report of Lesovik et al., published on www.nature.com under the DOI: 10.1038/srep32815 (H-theorem in quantum physics).], 문헌[Physical Review Letters, 104, 248001 (2010) by Eshuis et al.], 및 문헌[Experimental Realization of a Rotational Ratchet in a Granular Gas]에 논의되어 있다. 또한, 나노 및 마이크로 스케일 재료, 예컨대 탄소 나노튜브, 또는 다른 유형의 나노물체, 예컨대 나노막대, 및 그래핀과 관련하여 재료 과학의 진보가 이루어져, 새로운 유형의 재료를 위해 이용 가능한 재료를 더욱 확장시켰다. 바람직하게는, 전기 에너지를 생성할 수 있는 이러한 변환 재료에 적용하기에 적합한 재료 및 조성물은 종래의 재료보다 저렴해야 하고 또한 간단한 가공 경로를 제공하여 열전 디바이스의 제조를 용이하게 해야 한다.
본 발명의 목적은 상기에서 확인된 문제점을 극복하고 적절한 변환 성능을 갖는 변환 재료를 제공하는 것이다.
본 발명자는 철저한 연구를 행한 결과, 놀랍게도, 종래의 출발 재료를 기초로 하여 새로운 유형의 변환 재료를 저렴한 비용으로 제공하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 본 발명에 따른 변환 재료는 하기에 추가로 설명되는 바와 같이 종래의 열전 변환 재료와 같이 온도 차이를 필요로 하지 않으며, 공간적으로 균일한 열 에너지를 전압(전기 에너지)으로 변환시킬 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 신규한 재료는 화성전기(igneoelectric) 변환 재료로 지칭된다. 이 효과를 적절히 정의하고, 열전 효과와 같은 유사하지만 상이한 개념들과 구분하기 위해, 본원에서 용어 '화성전기'(화성전기 효과, 화성전기 재료, 화성전기 거동 등)가 사용되어 본원에 개시된 효과 및 본원에 기술되고 청구된 재료를 기술하고 정의한다.
본 발명에 의해 실현된 신규한 개념은, 변환 재료 내에 전기적 연결을 제공하는 전도성 재료(전자를 전도할 수 있음)를 사용하는 복합 변환 재료이다. 전도성 재료는 1 초과의 종횡비를 갖는 입자, 전형적으로 마이크로 스케일 또는 나노 스케일 재료(하기에서 정의됨)로 이루어진다. 따라서, 상기 입자는 한 방향의 치수가 다른 방향의 치수보다 크다. 적합한 형상의 전형적인 예는 튜브, 막대(rod) 및 박편(flake)이다. 아래에 추가로 기술되는 바와 같은 특정 제조 공정으로 인해, 이들 입자는, 미늘 있는 텐드릴(barbed tendril)(아래에서 추가로 설명됨)과 유사하며 미늘(barb)의 대부분이 한 방향을 향하는 구조가 얻어지도록 우선적 배향을 나타내는 조립된 입자를 포함하는 전기 퍼콜레이션 채널(percolation channel)을 변환 재료 내에 형성한다. 이러한 특정 구조는. 본 발명에 의해 제공되는 화성전기 재료가, 거시적으로 균일한 열 에너지로부터 전기를 생성할 수 있다는 놀라운 효과를 나타내게 하는 것으로 보인다.
일 실시형태에서, 제 1 항에 정의된 바와 같이, 매트릭스를 제공하는 제 1 상(phase), 및 전자 이동성을 제공하는 나노 스케일 또는 마이크로 스케일 재료를 포함하는 제 2 상을 포함하는 화성전기 변환 재료가 제공된다.
다른 실시형태에서, 화성전기 변환 재료 및 2개의 전극을 포함하는 화성전기 변환 소자가 제공된다.
또 다른 실시형태에서, 화성전기 변환 소자를 포함하는 화성전기 변환 모듈이 제공된다.
또 다른 실시형태에서, 화성전기 변환 모듈을 포함하는 화성전기 발전기가 제공된다.
위에서 간략하게 기술된 재료 및 디바이스는 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
또 다른 실시형태에서, 화성전기 변환 재료의 제조 방법이 제공된다. 본 방법은, 미경화 상태의 매트릭스 상(예컨대, 경화 전의 단량체 혼합물 또는 고화 전의 중합체 용액)을 제공하는 단계, 전자 이동성을 제공하는 나노 스케일 또는 마이크로 스케일 재료를 첨가하는 단계, 및 혼합물의 일 측(side) 또는 극(pole)을 전자로 충전하면서 혼합물을 고화시키는 단계를 포함한다. 이러한 충전의 하나의 적절한 예는 직류 전기의 인가이다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 용이하게 제조될 수 있고 다양한 적용 모드를 가능하게 하며 적합한 화성전기 변환 성능을 제공하는 화성전기 변환 재료를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 이점 및 특징은 첨부 도면과 관련하여 취한 특정의 바람직한 실시형태에 대한 다음의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 재료에 의해 생성된 전압을 온도의 함수로서 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 재료의 옴 거동을 나타내며, 여기서 전압은 외부에서 인가되고 샘플 온도는 60℃이며 옵셋은 재료 자체에 의해 생성된 전압에 의해 주어진다.
도 3은 재료 내에 존재하는 전도성의 미늘 있는 텐드릴의 부분을 개략적으로 나타낸다.
이제 본 명세서에서 예시적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명할 것이다. 당업자는 본 발명의 교시를 이용하여 많은 대안적인 실시형태가 달성될 수 있으며 본 발명은 설명의 목적을 위해 예시된 실시형태로 한정되지 않는다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 화성전기 변환 재료의 일 부분은 제 1 상, 즉 매트릭스를 제공하는 상이다. 바람직하게는 매트릭스 자체는 절연체이다. 전형적인 예는, 많은 산업 분야에서 일반적으로 사용되며, 상기에서 확인되고 하기에서 추가로 설명되는 바와 같이 내부에 분산된 제 2 상을 함유하는 매트릭스를 제공할 수 있는 중합체 재료이다.
적합한 예는 아크릴, 고무 재료, 비닐 중합체 및 올레핀 중합체이다. 본원에 사용되는 용어 '중합체'는 단독 중합체 및 공중합체를 포함한다. 임의의 유형의 매트릭스 재료가 본 발명에 사용될 수 있지만, 본원에서 설명되는 바와 같은 제조 방법에 의해 화성전기 변환 재료의 제조를 허용하는 재료가 바람직하다. 이것은, 본원에서 정의된 바와 같은 제 2 상과의 혼합을 가능하게 하는 방식으로 매트릭스 재료 또는 이의 전구체를 포함하는 혼합물을 제공하는 한편, 매트릭스 상의 고화 전에 제 2 상의 특정 이동성을 허용하여 화성전기 변환 재료를 제공하는 것을 포함한다.
따라서, 제 1 상을 위한 바람직한 재료는 적합한 용매에 용해될 수 있는 중합체, 및 단량체 혼합물이며, 이들은 경화 메커니즘을 촉발시킬 때 고화된다. 위에 나타낸 바와 같이, 이러한 재료의 하나의 두드러진 예는, 용액으로 처리될 수 있고 용매의 증발로 인해 고화되는 PMMA와 같은 아크릴이다. 다른 유효한 예는 제 1 상으로서 수지를 사용하는 것이며, 이는 용매의 부재에 의해서 보다는 가교에 의해 고화된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따라 사용되는 제 2 상은 나노 스케일 또는 마이크로 스케일 재료이다. 본원에서 사용되는 용어 '나노 스케일' 또는 '마이크로 스케일' 재료는 1 mm 미만, 전형적으로 500 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 250 ㎛ 미만의 치수를 갖는 재료를 의미한다. 그 예는 100 ㎛ 미만, 예컨대 5 내지 50 ㎛ 범위의 치수이다. 위에서 나타낸 바와 같이, 나노 스케일 재료, 즉 1 ㎛ 미만의 치수를 갖는 재료가 또한 사용될 수 있다. 그러나, 비용상의 이유로 마이크로 스케일 재료를 사용하는 것이 흔히 더 편리하다.
제 2 상을 위해 사용되는 재료는 1보다 큰 종횡비를 갖는 재료이며, 즉 그 재료의 입자는 입자의 최소 치수보다 큰 길이(입자의 최대 치수)를 나타낸다. 이의 전형적인 예는 섬유(fiber) 및 박편이며, 이는 각 입자의 두께를 훨씬 초과하는 길이를 나타낸다. 바람직한 실시형태는 1보다 훨씬 큰 종횡비, 예컨대 2 내지 100의 종횡비를 갖는 입자이다. 이러한 종횡비를 갖는 입자의 사용은 본원에 기술되는 바와 같이 미늘 있는 텐드릴의 형성을 가능하게 한다.
그러나, 섬유 및 박편 외에, 중합체의 주쇄(골격)의 길이보다 실질적으로 짧은 측쇄를 갖는 분지형 중합체와 같은 수지상(dendritic) 재료를 사용하는 것 또한 가능하다. 유사하게, 자가-조립시, 요구되는 미늘 있는 텐드릴을 생성하기 위해 비대칭적 분지화 또는 수지상 구조와 같은 특정 기하학적 형상(반드시 특정한 크기/종횡비는 아님)을 갖는 입자가 사용될 수 있다. 그러나, 적어도 제조 목적을 위해 섬유 및/또는 박편 형태의 입자와 같은 특정 재료의 사용이 바람직하다.
제 2 상을 위해 사용되는 재료는 전자 이동성을 제공해야 한다. 따라서, 제 2 상을 위한 전형적인 재료는 전도성 또는 반전도성 재료이다. 이의 예는 탄소 유도된 재료, 예컨대 그래핀 또는 탄소 나노튜브, 및 금, 은을 비롯한 금속, 및 다른 전도성 금속, 예컨대 구리 또는 철을 포함한다. 재료의 선택은 요구되는 형상을 갖는 마이크로 또는 나노 스케일 재료(즉, 종횡비가 1보다 큰 입자)의 이용 가능성에 종종 의존한다.
이미 위에서 개략적으로 기술한 바와 같이, 본 발명의 화성전기 변환 재료를 제조하는 적절한 방법은 다음 단계를 포함한다:
매트릭스 재료(또는 이의 전구체)를 제공하는 단계;
제 2 상을 위한 재료를 매트릭스 재료(또는 이의 전구체)와 혼합하는 단계; 및
바람직하게는 직류 전기를 인가함으로써 전자와 같은 전하 캐리어의 전위 차를 인가하면서 혼합물을 고화시키는 단계.
위에 나타낸 바와 같이, 먼저, 혼합물에서 제 2 상 재료를 위한 특정 이동성을 제공하면서 제 2 상 재료와의 긴밀한 혼합물을 허용하는 형태로 매트릭스 상이 제공된다. 이는 전형적으로 매트릭스 재료의 용액 또는 액체 단량체와 같은 액체의 형태로 매트릭스 재료를 제공함으로써 달성된다. 액체는, 전술한 바와 같은 고화 동안, 바람직하게는 전류를 인가하는 동안 특정 배향을 허용하도록, 제 2 상을 위한 재료가 혼합물 내에서 약간 이동할 수 있는 한 점성 액체일 수 있다. 본 발명의 이러한 양태는 직류의 사용과 관련하여 이하에서 기술될 것이다. 그러나, 본원에서 정의된 바와 같은 의미의 잠재적 차이를 제공하는 다른 수단이 또한 기술된 효과, 즉 본원에 개시된 자가-조립을 생성하는데 적합할 것이라는 것이 명백하다. 인가되는 전류는 직류(교류가 아님) 전기이다. 전류 인가의 시작시에, 제 1 및 제 2 상의 혼합물 내에서(특히 제 2 상의 입자들 사이에서) 확립된 전기적 연결이 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 이 방법 단계의 초기 상은 조성물의 일 측에 전자를 제공하는 것으로 기술될 수 있다. 본원에 개시된 바와 같은 제 2 상의 형상으로 인해, 전자의 제공은 입자들이 음으로 하전된 측으로부터 시작하여 점진적으로 서로 부착되어 가는 자가-조립 공정을 개시하여, 조성물 전체에 걸쳐 전기 전도성 채널을 제 2 상의 특별히 배향된 입자의 형태로 형성하는 것이 밝혀졌다. 위에서 나타낸 바와 같이, 하나의 매우 적합한 매트릭스 상은 PMMA와 같은 아크릴로 만들어진 매트릭스이며, 이는 적합한 용매 중의 용액의 형태로 제공될 수 있다.
이러한 유형의 공정을 사용하면, 제 2 상을 위한 재료는 전류의 인가로 인해 고화 동안에 특정 정도의 배향을 겪을 것이다. 제 2 상을 위한 재료는 금과 같은 전도체 또는 그래핀과 같은 반도체 내에서와 같은 전자 이동을 허용하기 때문에, 1 초과의 종횡비를 갖는 제 2 상을 위한 입자는 이전 단락에 기술된 자가-조립을 겪어, 전하 캐리어(전자) 이동 방향으로 (전자 이동성을 허용하는) 연결을 생성할 것이다. 그 결과, 제 2 상을 구성하는 입자들의 3 차원 조립으로, (입자들이 주로 입자들의 일 축을 따라 무작위로 서로 접촉할 것이기 때문에) 미늘 있는 텐드릴으로 기술될 수 있는 것을 형성하여, 매트릭스를 통해, 즉 제 2 상의 연결된 입자들을 따라 전자 이동을 허용하는 특정 형태의 연결을 제공한다. 이 제조 공정으로 인해, 도 3에 도시된 바와 같이 미늘은 주로 한 방향, 즉 인가된 전류의 방향, 즉 인가된 직류 전기에 의해 정의된 전자 이동과 반대 방향을 향한다.
이러한 방식의 본 발명의 재료 제조의 이점은, 제 1 및 제 2 상의 혼합물이 종래의 중합체 가공 장치를 사용하여 제조될 수 있다는 것이다. 또한, 혼합물은 고화 전에 인쇄와 같은 다양한 종래 기술을 사용하여 적용될 수 있다. 이는 간단한 방식으로 최종 화성전기 변환 재료를 다양한 형상으로 제공하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 얇은 층의 화성전기 변환 재료를 인쇄하여 큰 패널의 제공을 허용하는 것이 가능하다. 대안적으로, 고화 전에 혼합물을 주조하여 화성전기 변환 재료의 더 두꺼운 블록을 제조하는 것이 가능하다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 화성전기 변환 재료에 의해, 단일 열 저장소를 사용하여 전기를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌고 실험 데이터에 의해 확인되었다. 위에서 설명된 바와 같이, 제 2 상을 위해 나노 또는 마이크로 스케일 재료를 사용함으로써, 그리고 재료를 통해 전도성 채널의 형성을 보장함으로써, 단일의 열 저장소만 제공된다는 사실에도 불구하고, 변환 재료가 특정 역치 값 초과의 온도를 갖는 주위 내에 있다면, 안정되고 연속적인 전기 생성이 가능해진다.
현재, 화성전기 효과의 주요한 설명은, 한 방향을 향하는 미늘의 우세가 그 방향으로 미늘 있는 텐드릴을 따라 전하 캐리어의 자발적이고 열적-매개되는 이동을 방해하고, 이에 따라 다른 방향으로 순 거시적 전하 이동의 감산에 의해 초래된다는 것에 기초한다. 이 효과는, 전기 전하가 브라운 방식(궤도-독립적)이 아닌 탄도 방식(궤도-의존적)으로 이동하고 미늘이 자발적인 전하 이동을 위한 막다른 통로(blind alley)의 등가를 구성하는 길이 스케일에서 발생한다.
화성전기 효과는 전기 전하를 위한 탄도 이동의 길이 스케일에서 국부적으로 생성되기 때문에, 그 효과는, 제 2 상을 구성하는 입자들 사이의 접합부 주변에서만(아래 연결부(접합부)의 개략적인 도면 참조) 및 입자들의 재료에서 전기 전하를 위한 탄도 이동의 길이 스케일과 비교될 수 있는 상기 접합부로부터의 거리 내에서만 발생할 것이다. 이러한 이유로, 상기 효과는, 제 2 상을 구성하는 입자들이 입자들의 재료에서 전기 전하를 위한 탄도 이동의 길이 스케일과 비교될 수 있거나 그보다 작은 전형적인 길이 스케일을 나타낼수록 거시적으로 더 현저해질 것이다. 예를 들어, 금에서 전기 전하의 탄도 이동은 나노미터 거리 위에서 일어나고, 그래핀에서는 마이크로미터 거리까지 일어난다. 실시예에서 생성되고 기술된 실험 데이터는 두 경우(나노미터 및 마이크로미터 거리) 모두에서 기능적 시스템, 즉 제 2 상이 금 나노 막대 및 별도로 그래핀 마이크로 박편으로 구성되는 시스템이 제조될 수 있다는 것을 보여준다.
이러한 변환 재료의 기능을 허용하기 위해, 제 1 상 내에서 제 2 상의 분산은 제 2 상의 벌크 덩어리를 포함하는 세그먼트의 발생을 방지하기에 충분할 것이 요구된다. 이는 전형적으로, 고화 전에 두 상의 완전한 혼합을 제공하고 제 2 상의 함량을 조정함으로써 간단히 보장될 수 있다. 제 2 상의 입자의 최소량은 전자 이동성을 허용하는 전술한 퍼콜레이션 채널(미늘 있는 텐드릴)을 제공하는 양이다. 이러한 최소 함량은 사용된 재료의 유형 및 사용된 시스템의 유형(제 1 및 제 2 상)에 의존하지만, 단순히 변환 재료를 제조하고 전기를 생성하는 능력을 확인함으로써 평균 숙련가에 의해 쉽게 확립될 수 있다. 이 함량은 예를 들어 0.01 중량% 내지 70 중량%일 수 있다. 그러나, 이 범위는 다른 로딩이 사용될 수 있으므로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 적합한 범위는 0.1 내지 50 중량%일 수 있고, 추가의 예는 1 내지 25 중량% 또는 5 내지 10 중량%이다. 필요한 경우, 매트릭스에서 제 2 상의 충분한 분산은, 매트릭스에서 제 2 상의 더 나은 분산을 허용하는 표면 개질된 입자를 사용함으로써, 매트릭스 재료의 덜 점성인 용액을 사용함으로써, 또는 표면 활성제/분산제를 사용함으로써 보장될 수 있다.
예를 들어, SEM을 사용하는 본 발명에 따른 화성전기 변환 재료의 분석은 실제로 제 2 상의 자가-조립 구조가 본원에 기재된 방법에 따라 얻어진다는 것을 밝혀냈다.
복합재에서 낮은 제 2 상 함량의 경우, 자가-조립 공정은 A → B 방향(전하 캐리어 방향)으로 우세하게 별도의 텐드릴을 생성한다. 이 경우, 자가-조립 공정은 도 3에 예시된 미늘 있는 텐드릴로서 기술될 수 있는 것을 초래한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 미늘의 대부분은 하나의 방향(즉, 전술한 경우에 A)을 향한다. 이러한 구조는 본 발명에 의해 제공된 화성전기 효과를 가능하게 하는 것으로 보인다. 제 2 상의 더 높은 적재량에서, 또한 상이한 텐드릴들 사이에서 특정 상호 연결을 나타내는 구조가 생성되며, 이는 제 2 상의 충분한 분산이 보장되는 한 복합재의 기능에 해롭지 않다. 보다 일반적으로, 시스템의 기능은, 충분한 정도의 이방성이 제 2 상의 전도 세그먼트들 사이의 각도로 유지되는 한 유지된다. 이러한 의미에서, 기능적 시스템은 또한, 인접한 텐드릴이, 돌출된 미늘을 통해 연결될 정도로 충분히 밀접하게 패킹된 텐드릴에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 구성될 수 있으며, 이는 이 구성에서 전하 이동을 위한 막다른 통로보다는 인접한 텐드릴들 사이의 가교로서 기능한다. 이러한 의미에서, 전술한 각도 이방성은, 예를 들어 굴곡된 미늘/가교를 통해 및/또는 텐드릴의 전체 방향으로의 발산/수렴을 통해 얻어질 수 있다. 기술된 2개의 추가적 구성(굴곡된 미늘/가교 및/또는 텐드릴의 전체 방향으로의 발산/수렴) 모두에서, 전하 이동을 위한 막다른 통로로서의 미늘의 기능은 텐드릴과 상이한 각도를 형성하는 미늘/가교로 인해, 미늘과 2개의 인접 텐드릴들 사이의 2개의 접합 지점에서 자발적인 탄도 전하 이동으로의 한 방향에서 비-제로(non-zero) 기여로 대체될 것이다.
기술된 2개의 추가적 구성(굴곡된 미늘/가교 및/또는 텐드릴의 전체 방향으로의 발산/수렴) 모두는 역 추적되어, 전술한 미늘 있는 텐드릴의 밀접한-패킹으로서 얻어질 수 있다.
특정 경우에, 예컨대 높은 제 2 상 함량의 경우에, 전술된 문단에 기술된 자가-조립 공정에 의해 만들어진 미늘 있는 텐드릴은 분지화 또는 분기화에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이는 전술된 문단들에서 기술된 것과 반대되는 방식으로 접합부에서 대부분의 미늘/각도가 향하게 하는데 기여할 수 있다. 이는 또한, 최종 시스템에 의해 생성된 전기 전압이 제조 동안 인가된 것과 반대인 기능적 시스템을 생성할 수 있다. 이 반전된 구성은 또한 부착된 입자들(이는 이미 부착된 입자들로 유도되어 단지 새롭게 부착하는 입자들을 위해 이용 가능한 접촉 점으로서 그들의 정면(face) 또는 더 긴 측면(side)을 제공할 수 있음)의 가장자리에서 제 1 상의 국부적 열-유도된 가교 결합과 같은 특정 조건의 결과일 수 있다. 이는 도 3에서 구조의 방향 반전을 초래할 것이다. 이러한 반전 시스템 또한 물론 기능적이다.
도 3의 개략도는 또한, 기하학적 형상에서 뚜렷한 크기 비율(즉, 1보다 큰 종횡비)을 갖는 물체/입자의 형태로, 서로와 관련하여 및 재료의 거시적 기하학적 형상과 관련하여 배향을 나타내도록 제 2 상 재료(전도성 재료 상)가 존재해야 한다는 것을 나타낸다. 예를 들어 금속 또는 그래핀이 사용될 수 있으며, 물체는 막대에서 박편, 튜브 등에 이르기까지 다양할 수 있다. 파일럿 실험에서, 기능적 시스템은 금 나노 막대를 사용함으로써 얻어졌으며, 또한 그래핀 마이크로 박편을 사용하는 별도의 시스템이 얻어졌다.
다음에, 본 실시형태에 따른 화성전기 변환 소자에 대하여 설명한다.
화성전기 변환 소자는 화성전기 변환 재료 및 2개의 전극을 포함한다. 그의 상세가 아래에서 기술될 것이다.
본 실시형태에 따른 화성전기 변환 소자는 화성전기 변환 재료를 포함한다. 또한, 화성전기 변환 소자는 복수의 전극(적어도 애노드 및 캐소드)을 추가로 포함하고, 필요하다면, 추가적 요소, 예컨대 화성전기 변환 재료용 커버 또는 복수의 화성전기 변환 소자의 결합을 허용하는 요소를 추가로 포함한다. 화성전기 변환 소자를 사용함으로써 열 에너지가 전기 에너지로 직접 변환될 수 있다.
화성전기 변환 소자는, 화성전기 변환 재료의 하나의 말단을 전기적으로 연결하는 제 1 전극, 및 화성전기 변환 재료의 나머지 말단에 연결되는 제 2 전극을 전극으로서 포함한다.
화성전기 변환 재료 및 각각의 전극은 결합 부재 및 확산 방지 부재를 통해 결합될 수 있다. 결합 부재 및 확산 방지 부재는 화성전기 변환 재료와 각각의 전극 사이에 적층되도록 제공될 수 있다.
특별히 한정되지는 않지만, 전극은 Fe 합금, Co 합금, Ni 합금, Cu 합금, Ti 합금 및 Al 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 전극은 예를 들어 철, 코발트, 니켈, 구리, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속일 수 있다. 또한, 전극의 재료로서, 결합 부재의 합금 층과 동일한 조성을 갖는 합금을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따르면, 전극과 결합 부재 사이의 접착성을 향상시키는 것이 가능하다.
열 응력을 완화시키는 관점에서, 결합 부재는 Cu 합금, Ag 합금, Au 합금 및 Al 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
화성전기 변환 재료의 구성 요소의 확산을 방지하는 관점에서, 확산 방지 부재가 제공되는 것이 바람직하고, 이러한 부재는 Fe-M1 합금(M1은 Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Mn, Ti, Zr, Hf, C, Si 및 Ge로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 나타냄), Co-M1 합금, Ni-M1 합금, Τ-M2 합금(M2는 Al, Ga, In, Cu, Ag, Au, Sn, Zn 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 합금을 나타냄), Zr- M2 합금, Hf-M2 합금, V-M2 합금, Nb-M2 합금, Ta-M2 합금, Cr-M2 합금, Mo-M2 합금 및 W-M2 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 결합 부재 및 확산 방지 부재는 각각 1종의 합금 층으로 구성될 수 있지만, 각각 2종 이상의 합금 층으로도 구성될 수 있다.
결합 부재 및 확산 방지 부재는 납땜, 스퍼터링, 기상 증착, 용사, 및 스파크 플라즈마 소결법과 같은 방법에 의해 화성전기 변환 재료 상에 적층될 수 있다.
전극은 납땜, 스퍼터링, 기상 증착, 용사, 스파크 플라즈마 소결법 및 마이크로-레이저 용접과 같은 공지된 방법에 의해 결합 부재 상에 적층될 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 결합 부재 및 확산 방지 부재를 포함하는 화성전기 변환 소자에 대해 기술되었으나, 결합 부재 및 확산 방지 부재 중 어느 하나 또는 둘 다가 생략될 수 있다.
화성전기 변환 소자는 화성전기 변환 모듈로 사용될 수 있으며, 이는 당업자에게 알려진 표준 절차에 따라 구성될 수 있다. 당업자는 본원에 기술된 재료를 사용하여 화성전기 발전기 및 시스템을 제조하는 방법에 대해서도 알고 있다.
본원에서 언급되는 모듈은 전형적으로 소자(들)의 성능을 제어하기 위해 필요한 수단, 또한 생성된 전기 등과 같은 소자(들)의 상태에 관한 정보를 제공하기 위한 수단, 또한 임의적으로, 전기 그리드 또는 생성된 전기를 사용하는 디바이스(예컨대, 조명 판유리(lightning pane) 등) 및/또는 전기 저장 수단(배터리)에 모듈을 연결하기 위한 수단과 함께 전술한 바와 같은 소자들 중 하나 이상을 포함한다. 상기한 바와 같은 발전기는, 모듈을 전기 그리드 또는 생성된 전기를 사용하는 디바이스(예컨대, 조명 판유리 등) 및 전기 저장 수단(배터리)에 연결하기 위한 수단을 포함하는 모듈을 포함한다.
본 발명에 따른 화성전기 변환 재료를 제조하는데 요구되는 구성요소의 단순성으로 인해, 그리고 표준 절차를 사용하여 재료를 가공하고 형상화하는 능력으로 인해, 본 발명은 다양한 잠재적 적용을 허용한다.
재료의 큰 패널이 인쇄되어, 예를 들어 가열된 시설에서 실내로 광을 제공하기 위해 에너지를 얻는 것을 허용한다. 이러한 패널은 또한 전기의 다른 공급원이 부족한 남부 지역에서 광 발생을 위한 전기를 제공하기에 적합할 수 있다. 중합체 매트릭스 재료의 사용은 제조후 성형 공정, 예컨대 열 성형 등을 허용하기 때문에, 본 발명에 따른 화성전기 변환 재료는 심지어 복잡한 형상으로도 쉽게 형상화될 수 있고, 심지어 패널과 같은 단순한 패턴이 가능하지 않을 때에도, 임의의 유형의 열 재활용이 가능할 수 있다. 본 발명의 화성전기 변환 재료의 제 1 및 제 2 상에 사용되는 재료는 합리적인 비용으로 이용 가능하기 때문에, 패널의 더 큰 어레이, 또한 벌크 복합재가 가용성 지열 에너지가 있는 지역에서 또는 높은 가용성 태양 열이 있는 지역에서 전기 생성을 위해 사용될 수 있다.
화성전기 변환 소자 및 화성전기 변환 모듈에 대하여 기술되었지만, 이들은 단지 예시적이며, 이들의 구조는 전술한 구조에 한정되는 것은 아니다.
다음에, 본 실시형태의 작용 및 효과에 대하여 기술할 것이다.
본 실시형태에 따른 화성전기 변환 재료는 변환 성능이 우수하다. 또한, 본 실시형태에 따른 화성전기 변환 재료를 사용함으로써, 변환 성능이 우수한 화성전기 변환 소자, 화성전기 변환 모듈, 화성전기 발전기 및 화성전기 변환 시스템을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에 있는 변경, 변형 등은 본 발명에 포함된다.
실시예
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명할 것이다. 또한, 본 발명은 실시예의 설명에 한정되지 않는다.
[화성전기 변환 재료의 제조]
(실시예 1)
NMP 중 흑연의 초음파처리(sonification)에 의해 얻은 약 10 ㎛ 폭의 그래핀 박편을 NMP 중 PMMA의 용액과 혼합하였다. 혼합물을 유리 몰드에 캐스팅함으로써 2.5 ㎤의 부피를 갖는 샘플을 제조하였으며, 전류를 인가하면서 고화를 수행하였다. 얻어진 샘플은, 20℃ 초과의 역치 온도 위에서 적용된 전압과 온도 사이에서 거의 선형의 의존성을 나타내는 전도성 옴 시스템이었다(도 1 참조). 이들 실험 결과는 본 발명의 화성전기 변환 재료의 일반적인 기능을 단일 열 저장소로서 표시한다. 제 2 상을 위한 재료로서 금 나노 막대를 사용하여 유사한 샘플을 또한 제조 하였다.
극 A 및 B를, FuG GmbH의 고전압 DC 전력 공급 장치(http://www.fug-elektronik.de/en/products/high-voltage/hcp.html)에 연결함으로써 샘플의 전화(electrification)를 수행하였다. 샘플에 따라, 전화(electrification)는 1 내지 3 kV 범위의 초기 전압, 0.1 내지 1 mA의 대응 전류로 수행되었다.
전극은, 금이 유지될 영역을 제한하고 제어하기 위해 마스크를 적용한 후, 금의 층으로 몰드를 금-스퍼터링함으로써 제조되었다. 이는, 금의 마이크로미터- 두께의 층이 몰드 상의 제한된 영역들(특히, 극 A 및 B를 구성하는 영역들, 이들 둘 다 몰드의 내부(여기서 전구체 용액은 나중에 그들과 접촉하게 됨) 내로부터 몰드의 가장자리에 걸쳐 및 외부 상에 연속적으로 연장됨)에 존재하는 것을 허용한다. 알루미늄 호일이 극 A 및 B에 대응하는 외부 금-스퍼터링된 표면에 테이핑되었다. 마지막으로, 표준 전기 케이블이 크로코다일 클램프를 통해 알루미늄에 연결되었으며, 이 설정은 제조의 일부로서 전화, 또한 마무리된 원형(prototype)의 특성의 측정 둘 다에 사용되었다.
샘플에 사용된 금 나노 막대는 공개된 절차를 사용하여 제조될 수 있거나(예를 들어 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854505000287 참조), 또는 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)((http://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/nanomaterials/gold-nanostructures.html)와 같은 다양한 회사로부터 구입할 수 있다.
제조된 재료의 분석 및 평가는 복합재가 상기한 화성전기 효과를 나타냈다는 것을 보여 주었다. 도 1은, 본 발명에 따른 재료가 온도의 증가에 따라 증가하는 OC 전압을 생성하며, 단일 열 저장소를 사용하여 열 에너지를 변환함으로써 전기를 얻을 가능성을 확인한다는 것을 보여준다. 재료의 옴 거동은 도 2에 표시되어 있으며(60℃에서 키슬리 2400 소스미터(Keithley 2400 SourceMeter)를 사용하여 얻은 데이터), 이는 도 1에 의해 이미 표시된 효과를 다시 확인하는 것이다. 이들 두 도면은, 최적화되지 않은 방법을 사용하여 제조된 제 2 상 재료의 매우 적은 로딩을 갖는 재료를 사용하여 얻은 결과를 보여준다. 제 2 상 로딩을 증가시키고 제조 방법(제 1 및 제 2 상의 혼합물을 개선하는 추가적 초음파처리 단계, 및 고화 동안 사용되는 전류의 조정)을 최적화함으로써 변환 효율이 증가되는 것으로 나타났다.

Claims (13)

  1. (열에서 전기로의) 에너지 변환 재료로서,
    상기 재료는, 매트릭스를 제공하는 제 1 상(phase), 및 전자 이동성을 제공하는 나노 스케일 또는 마이크로 스케일 재료를 포함하고 1보다 큰 종횡비를 갖는 입자를 포함하는 제 2 상을 포함하며,
    상기 제 2 상은 조성물 전체에 걸쳐 전기 전도성 채널을 제공하고,
    상기 제 2 상은 미늘 있는(barbed) 텐드릴을 포함하며, 상기 미늘(barb)은 한 방향을 향하는 것을 특징으로 하는, 에너지 변환 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상은 절연체를 포함하는, 에너지 변환 재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 상은 반전도성 또는 전도성 재료를 포함하는, 에너지 변환 재료.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반전도성 재료는 탄소 나노튜브 및 그래핀 중에서 선택되고,
    상기 전도성 재료는 금속 및 공액 중합체 중에서 선택되는, 에너지 변환 재료.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상은 비-전도성 중합체를 포함하는, 에너지 변환 재료.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 상은 100㎛ 이하의 치수를 갖는 입자를 포함하는, 에너지 변환 재료.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상을 위한 재료의 용액을 상기 제 2 상의 재료와 혼합하고, 전류를 인가하면서 혼합물을 고화시키는 것을 포함하는 방법에 의해 수득 가능한 에너지 변환 재료.
  8. 제 1 항에 있어서,
    아크릴 중합체인 제 1 상을 포함하며,
    상기 제 2 상으로서 상기 아크릴 중합체에 분산된 그래핀 박편을 포함하는 에너지 변환 재료.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환 재료; 및 2개의 전극을 포함하는 변환 소자.
  10. 제 9 항에 따른 변환 소자를 포함하는 변환 모듈.
  11. 제 9 항에 따른 변환 소자를 포함하는 발전기.
  12. 제 1 상의 액체 전구체를 제조하는 단계;
    상기 전구체와 제 2 상을 위한 재료를 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합 단계에서 수득된 혼합물을 고화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 고화 동안에 직류를 인가하는,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 변환 재료의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 상의 함량은 0.01 중량% 이상 내지 70 중량% 이하인, 변환 재료의 제조 방법.
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