KR102154656B1 - Device for Simultaneous Production of Steam and Electricity - Google Patents

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Abstract

본 발명은 별개의 장치를 병합하지 않더라도 수증기 및 전기의 동시 생산이 가능하며, 전기 생산 효율이 우수한 단순한 구조의 수증기 및 전기 동시 생산용 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 전극을 제1전극으로, 속이 빈 원뿔, 각뿔, 원뿔대 또는 각뿔대의 구조를 갖는 다공성의 친수성 고분자 기재 상에 증착된 탄소구조체층을 제2전극으로 하며, 상기 제1전극이 잠겨진 물에 상기 친수성 고분자 기재의 밑면이 접촉하여 부유된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for simultaneous production of steam and electricity, which can simultaneously produce steam and electricity without incorporating separate devices, and has a simple structure with excellent electricity production efficiency, and more particularly, a metal electrode as a first electrode. , A carbon structure layer deposited on a porous hydrophilic polymer substrate having a structure of a hollow cone, pyramid, truncated cone, or truncated pyramid is used as a second electrode, and the bottom of the hydrophilic polymer substrate is in contact with the water in which the first electrode is immersed. It relates to an apparatus for simultaneous production of steam and electricity, characterized in that it is used in a suspended state.

Description

수증기 및 전기 동시 생산용 장치{Device for Simultaneous Production of Steam and Electricity}Device for Simultaneous Production of Steam and Electricity}

본 발명은 별개의 장치를 병합하지 않더라도 수증기 및 전기의 동시 생산이 가능하며, 전기 생산 효율이 우수한 단순한 구조의 수증기 및 전기 동시 생산용 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for simultaneous production of steam and electricity having a simple structure capable of simultaneously producing steam and electricity without incorporating separate devices, and having excellent electricity production efficiency.

전통적인 화석 에너지가 고갈되고 환경문제에 대한 관심이 고조되면서, 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지로 변환시키는 무공해 재생에너지가 에너지 위기에 대한 효율적인 해결책으로 제시되고 있다. 재생에너지원으로는 바람, 태양, 지열 및 물을 예로 들 수 있다. 태양에너지는 이 중에서도 보편적이고, 깨끗하며, 친환경적이고, 지속가능한 특성으로 인하여 가장 많은 관심을 받고 있으며, 수소의 생산이나, 발전, 광촉매, 정수, 담수화 등에 폭넓게 사용되어 왔다. 연간 지구 표면에 도달하는 태양에너지는 약 285만 EJ로 그 양에 있어서도 세계 연간 에너지 소비량의 약 10,000배에 달하는 광대한 에너지원이다. 그럼에도 불구하고 아직까지 태양에너지의 사용량은 매우 제한적이다. 물은 우리 체내 뿐 아니라 강, 호수, 바다 등에 광범위하고 풍부하게 존재하는 유망하고 매력적인 에너지원이다. 종래 흐르는 물로부터 막대한 에너지를 수확하기 위해서는 댐이나 수차와 같은 크고 복잡한 장치들이 통상적으로 사용되었다. 그러나 이들은 개인적인 사용이나 소형화 또는 이식 가능성을 요하는 생물 의학 장치들에는 적용이 불가능하다. 따라서 소형화된 고효율의 발전기를 개발하는 것은 현재 물을 이용한 재생에너지 분야에서 여전히 도전 과제로 남아있다.As traditional fossil energy is depleted and interest in environmental problems is growing, pollution-free renewable energy that acquires energy that is transformed or dissipated in nature and converts it into usable energy has been proposed as an efficient solution to the energy crisis. Examples of renewable energy sources include wind, solar, geothermal and water. Among them, solar energy is receiving the most attention due to its universal, clean, eco-friendly, and sustainable properties, and has been widely used for hydrogen production, power generation, photocatalysis, water purification, and desalination. Solar energy reaching the Earth's surface per year is about 2.85 million EJ, which is a vast energy source that is about 10,000 times the world's annual energy consumption. Nevertheless, the use of solar energy is still very limited. Water is a promising and attractive energy source that exists in a wide variety of rivers, lakes and seas as well as in our bodies. Conventionally, large and complex devices such as dams or waterwheels have been commonly used to harvest enormous energy from flowing water. However, they are not applicable for personal use or biomedical devices that require miniaturization or implantability. Therefore, developing a miniaturized, high-efficiency generator remains a challenge in the current water-based renewable energy field.

2001년 Kral과 Shapiro(Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 131-134)는 이론적 계산을 통하여 흐르는 액체에 담긴 금속 카본 나노튜브(CNT)에서 전류가 생성될 수 있음을 제안하였다. 이후 2003년 Sood 등(Science 2003, 299, 1042-1044)이 단일벽 CNT 번들 상의 액체의 흐름 방향을 따라 시료에서 전압이 유도되는 것을 발견하였으며, Guo 등(Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 378-383)은 대기 조건에서 단층의 그래핀 조각 위에 움직이는 바닷물 또는 이온용액의 액적의 이동에 의해 수 mV의 전압이 생성되는 것을 보고하였다. 이를 기반으로 거시적으로 배열된 CNT 사(絲), 꼬임 및 인장 고분자 근육, 배열된 다중벽 CNT 시트, 초친수성 3차원 그래핀 산화물(GO) 골조, GO-금속 나노하이브리드 물질 등에 기반한 나노발전기(nanogenerator)들이 개발되었다. 그러나, 상기 나노발전기들이 전기를 생성하기 위해서는 물이 흐를 수 있도록 별도의 에너지 및/또는 복잡한 장비를 필요로 할 뿐만 아니라 전기 전도도가 작은 탄소물질을 사용해야 하는 문제로 인하여 발생되는 낮은 전류 밀도를 더 증가시킬 수 없는 근본적인 문제를 갖고 있다. 따라서, 이들 나노발전기들은 매우 적은 전력을 생산하는데 적합하다.In 2001, Kral and Shapiro (Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 131-134) proposed that current can be generated in metallic carbon nanotubes (CNTs) contained in flowing liquids through theoretical calculations. Later, in 2003, Sood et al. (Science 2003, 299, 1042-1044) found that voltage was induced in the sample along the flow direction of the liquid on the single-walled CNT bundle, and Guo et al. (Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 378- 383) reported that a voltage of several mV is generated by the movement of droplets of seawater or ionic solution moving on a single-layered graphene piece in atmospheric conditions. Based on this, a nanogenerator based on macroscopically arranged CNT yarns, twisted and tensile polymer muscles, arranged multi-walled CNT sheets, superhydrophilic three-dimensional graphene oxide (GO) framework, and GO-metal nanohybrid materials, etc. ) Were developed. However, in order for the nanogenerators to generate electricity, not only requires separate energy and/or complex equipment to allow water to flow, but also increases the low current density caused by the problem of using a carbon material having low electrical conductivity. It has a fundamental problem that cannot be made. Therefore, these nanogenerators are suitable for producing very little power.

한편 물의 증발은 대기 환경으로부터 열 에너지를 수확하는 아주 흔하고 자연적인 현상이다. 에너지 하베스팅 장치에서도 물의 증발에 의한 수증기 생산이 이용되어져 왔다. 전통적으로는 화석연료를 사용하여 수증기 엔진에서 대량의 물을 가열하여 수증기를 생산하였으나, 최근에는 태양광을 열로 변환하는 효율이 높은 흡수체를 이용하여 태양광으로부터 수증기를 생산하는 태양광 유도 수증기 생산 시스템이 주목을 받고 있다.On the other hand, water evaporation is a very common and natural phenomenon of harvesting heat energy from the atmospheric environment. In energy harvesting equipment, steam production by evaporation of water has been used. Traditionally, fossil fuels were used to generate water vapor by heating a large amount of water in a steam engine, but recently, a solar-induced water vapor production system that produces water vapor from sunlight using a highly efficient absorber that converts sunlight into heat. This is attracting attention.

그러나 이러한 태양광 유도 수증기 생산 시스템을 사용한다고 하더라도 물의 증발로부터 전기를 얻기 위해서는, 태양광으로부터 수증기를 생성하는 장치가 전기 생산을 위한 별도의 장치와 통합되어야 하며, 얻어지는 전기의 양 역시 제한적이다. 예를 들면, Ho 등(Adv. Energy Mater. 2018, 1702149)은 탄소 스폰지 태양광-증발로부터 열기계 반응을 수확하기 위하여 강유전성 불화고분자인 polyvinylidene fluoride(PVDF)를 사용하였다. Ma 등(Nano Energy 2016, 22, 19-26)은 다른 에너지 장치 없이 수증기에 의한 자급의 고분자 초전(pyroelectric) 나노발전기를 보고하였다. Zhou 등(Adv. Energy Mater. 2018, 1702149)은 CNT에 의해 수식된 여과지와 상용 Nafion 막에 기반한 하이브리드 시스템을 채용하는 것에 의해 1 sun의 조사 시에 최대 광열 효율 75%을 달성하였으며, 1 W/㎡의 전력을 유도하였다. 그럼에도 불구하고 이들은 두 개의 장비를 결합하여야 하므로 시스템이 복잡하다는 문제가 있다. 이에 더하여 상기 시스템들은 빛에 의해서만 수증기의 생성이 가능하기 때문에 암조건에서는 전기를 생산할 수 없거나, 생산된다고 하더라도 전기 생산량이 상대적으로 낮다. However, even if such a solar-induced steam production system is used, in order to obtain electricity from evaporation of water, a device that generates steam from sunlight must be integrated with a separate device for electricity production, and the amount of electricity obtained is also limited. For example, Ho et al. (Adv. Energy Mater. 2018, 1702149) used a ferroelectric fluoride polymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), to harvest thermomechanical reactions from carbon sponge solar-evaporation. Ma et al. (Nano Energy 2016, 22, 19-26) reported a self-sufficient polymeric pyroelectric nanogenerator by water vapor without other energy devices. Zhou et al. (Adv. Energy Mater. 2018, 1702149) achieved a maximum photothermal efficiency of 75% at 1 sun irradiation by adopting a hybrid system based on a filter paper modified by CNT and a commercial Nafion membrane. The power of m2 was induced. Nevertheless, they have a problem that the system is complicated because two equipments must be combined. In addition, since the systems can generate water vapor only by light, they cannot produce electricity under dark conditions, or even if they are produced, the amount of electricity produced is relatively low.

한편 철, 아연, 알루미늄과 같은 금속을 음극으로 사용하고, 공기극을 양극으로, 공기 중의 산소를 양극 활성물질로 사용하는 금속 공기전지가 고에너지 밀도 전지로 주목받고 있다. 금속 공기전지는 음극으로 값싼 금속을 사용하고, 전지 내부에 금속산화물 대신 탄소와 산소를 이용하여 기존 2차전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높으며, 무게가 가벼워 실용성이 높다. 금속 공기전지 중 리튬 공기전지의 용량은 리튬 이온전지의 5~10배에 달하는 것으로 알려져 있다. 하지만 열로 인해 충전된 전기 중 1/3이 손실되고, 전극 온도 상승에 따른 위험요소가 있으며, 전력의 저장 기간이 길지 않다는 문제가 있다. On the other hand, metal air batteries using metals such as iron, zinc, and aluminum as a negative electrode, a cathode as a positive electrode, and oxygen in the air as a positive electrode active material are attracting attention as high energy density batteries. Metal-air batteries use cheap metal as a negative electrode, and use carbon and oxygen instead of metal oxides inside the battery, so their energy density is much higher than that of conventional secondary batteries, and their weight is light, so their practicality is high. It is known that the capacity of a lithium air battery among metal air batteries is 5 to 10 times that of a lithium ion battery. However, there is a problem that 1/3 of the charged electricity is lost due to heat, there is a risk factor due to an increase in electrode temperature, and the storage period of power is not long.

Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 131-134Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 131-134 Science 2003, 299, 1042-1044Science 2003, 299, 1042-1044 Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 378-383Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 378-383 Adv. Energy Mater. 2018, 1702149Adv. Energy Mater. 2018, 1702149 Nano Energy 2016, 22, 19-26Nano Energy 2016, 22, 19-26 Adv. Energy Mater. 2018, 1702149Adv. Energy Mater. 2018, 1702149

본 발명은 두 개의 장치를 병합하지 않더라도, 간단한 구조의 하나의 장치에서 수증기와 전기를 동시에 효율적으로 생산할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an apparatus capable of efficiently producing water vapor and electricity simultaneously in one apparatus having a simple structure, even without combining two apparatuses.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 금속 전극을 제1전극으로, 속이 빈 원뿔, 각뿔, 원뿔대 또는 각뿔대의 구조를 갖는 다공성의 친수성 고분자 기재 상에 증착된 탄소구조체층을 제2전극으로 하며, 상기 제1전극이 잠겨진 물에 상기 친수성 고분자 기재의 밑면이 접촉하여 부유된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치에 관한 것이다.The present invention for achieving the above object is a metal electrode as a first electrode, a carbon structure layer deposited on a porous hydrophilic polymer substrate having a hollow cone, pyramidal cone, truncated cone or pyramidal structure as a second electrode, It relates to an apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that the first electrode is used in a suspended state by contacting the bottom surface of the hydrophilic polymer substrate with water in which the first electrode is immersed.

본 명세서에서 원뿔, 각뿔의 "상부"는 겉 표면에 있는 탄소구조체층 쪽을, "하부"는 그 친수성 고분자 기재 쪽을 의미한다. In the present specification, "upper part" of a cone or pyramid refers to the side of the carbon structure layer on the outer surface, and "lower part" refers to the side of the hydrophilic polymer substrate.

또한 본 명세서에서 원뿔의 "꼭지각(apex angle)"이란 원뿔의 꼭지점에서 원뿔의 꼭지점을 이루는 두 선 사이의 각도를, 원뿔대의 "꼭지각"은 원뿔대의 가상의 꼭지점을 이루는 두 선 사이의 각도를 의미한다. 각뿔의 "꼭지각"은 각 빗면에서 꼭지점과 이웃한 두 변사이의 각도의 평균값을, 각뿔대의 "꼭지각"은 각 빗면에서 가상의 꼭지점을 이루는 두 변사이의 각도의 평균값으로 정의한다.In addition, in this specification, the "apex angle" of the cone means the angle between the two lines forming the vertex of the cone at the vertex of the cone, and the "vertical angle" of the truncated cone means the angle between the two lines forming the virtual vertex of the truncated cone. do. The "vertical angle" of a pyramid is defined as the average value of the angle between the vertex and two adjacent sides on each bevel, and the "vertical angle" of the pyramid is defined as the average value of the angle between the two sides forming an imaginary vertex on each bevel.

본 명세서에서 상기 고분자 기재의 "밑면"은 원뿔(대) 또는 각뿔(대)의 (가상의) 꼭지점과 반대부분을 일컫는다. In the present specification, the "bottom" of the polymer substrate refers to a cone (large) or a portion opposite to the (virtual) vertex of the pyramid (large).

본 발명의 장치는 물에 부유한 상태로 사용되는 것으로서 소재와 구조로 인하여 별개의 장치를 병합하지 않고 하나의 장치에서 수증기와 전기를 동시에 생산할 수 있는 것에 특징이 있다. 본 발명의 장치는 종래의 태양광 유도 생산 시스템과, 탄소구조물 상의 액적의 이동에 의해 전기가 발생되는 나노발전기 및 금속 공기전지의 복합적인 작용에 의한 것이다. 본 발명의 장치는 빛이 조사되지 않는 상태에서는 금속 공기전지에 의해 주로 전류가 발생하며, 광조사하에서는 흡수체에 의한 광조사에 의해 수증기 발생이 증가하고 이로 인한 나노발전기의 전류 발생 비율이 증가한다.The device of the present invention is used in a floating state in water, and is characterized in that it can simultaneously produce water vapor and electricity in one device without incorporating separate devices due to materials and structures. The apparatus of the present invention is a combination of a conventional solar-induced production system, a nano-generator, and a metal-air battery that generate electricity by moving droplets on a carbon structure. In the device of the present invention, when the light is not irradiated, current is mainly generated by the metal air battery, and under light irradiation, the generation of water vapor increases due to the light irradiation by the absorber, thereby increasing the rate of current generation of the nanogenerator.

본 발명의 장치에서 상기 제1전극은 나노발전기의 제1전극이자 금속 공기전기의 양극으로 작용한다. 상기 제1전극은 Fe, Zn, Al, Ni, Mg으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 금속의 합금일 수 있다. In the device of the present invention, the first electrode acts as a first electrode of a nanogenerator and an anode of a metal pneumatic electricity. The first electrode may be one metal selected from the group consisting of Fe, Zn, Al, Ni, and Mg, or an alloy of two or more metals.

본 발명의 장치에서 상기 제2전극은 다공성의 친수성 고분자 기재 상에 형성되어 있는 탄소구조체층인 것을 특징으로 하며, 상기 태양광의 흡수체, 액적의 흐름에 의해 탄소구조체의 표면에서 전류를 발생시키는 나노발전기의 제2전극 및 금속 공기전지의 양극으로 작용한다. 본 발명의 장치에서 다공성의 친수성 고분자 기재는 탄소구조체의 지지체로 작용할 뿐 아니라 모세관 현상에 의해 지속적으로 수분을 제공하는 역할을 한다. 하기 실시예에서는 친수성 고분자 소재로서 종이만을 예시하였으나, 다공성 구조를 통하여 물의 이동이 가능한 것이라면 어떤 것이라도 무관하다. 즉, 상기 친수성 고분자는 천연 고분자 또는 합성 고분자일 수 있으며, 종이나 면, 셀룰로오스계 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리아미드, 폴리에테르설폰, 폴리에틸렌글리콜 및 친수성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전도성을 더욱 증가시키기 위해서 상기 고분자는 이온성 액체 고분자를 포함한 고분자 전해질과 가교된 형태일 수 있다. In the device of the present invention, the second electrode is a carbon structure layer formed on a porous hydrophilic polymer substrate, and the absorber of sunlight and a nanogenerator generating current on the surface of the carbon structure by the flow of droplets It acts as the second electrode of and the anode of the metal air battery. In the device of the present invention, the porous hydrophilic polymer substrate not only serves as a support for the carbon structure, but also serves to continuously provide moisture through capillary action. In the following examples, only paper is illustrated as a hydrophilic polymer material, but any material is irrelevant as long as water can be moved through a porous structure. That is, the hydrophilic polymer may be a natural polymer or a synthetic polymer, and is selected from the group consisting of paper or cotton, cellulose-based resin, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyamide, polyethersulfone, polyethylene glycol, and hydrophilic polyurethane. It may consist of more than one, but is not limited thereto. In order to further increase the conductivity, the polymer may be crosslinked with a polymer electrolyte including an ionic liquid polymer.

상기 다공성의 친수성 고분자 기재의 두께는 1 ㎛ ~ 5 ㎜ 인 것이 바람직하다. 기재의 두께가 너무 얇으면 지지체로서의 안정성이 부족하고 수분 공급량이 제한될 수 있으며, 기재의 두께가 너무 두꺼우면 열손실이 일어날 수 있다. 최적의 두께는 재질에 따라 공극율이나 공극의 크기, 공극간 간격을 고려하여 설정될 수 있을 것이며, 이는 당업자에게는 용이할 것이다. 공극의 크기나, 공극간 간격, 공극율 역시 재질 및 세부 구조에 따라 용이하게 최적의 조건을 설정할 수 있을 것이다. It is preferable that the thickness of the porous hydrophilic polymer substrate is 1 µm to 5 ㎜. If the thickness of the substrate is too thin, stability as a support may be insufficient and the amount of moisture supplied may be limited, and if the thickness of the substrate is too thick, heat loss may occur. The optimum thickness may be set in consideration of the porosity, the size of the pores, and the interval between the pores depending on the material, which will be easy for those skilled in the art. The size of the pores, the spacing between the pores, and the porosity may also be easily set optimal conditions according to the material and detailed structure.

본 발명의 장치는 금속을 제1전극, 탄소구조체층을 제2전극으로 금속 공기전지로 작동하여 제1전극에서 금속을 산화시키고, 제2전극에서 공기 중의 산소를 환원시키는 것에 의해 전기를 발생시킨다. 이에 더하여, 금속 공기전지의 작동에 의해 발생되는 열은 탄소구조체층에서 물을 증발시켜 수증기를 생산시키며, 이로 인해 탄소구조체층 표면 온도가 과열되지 않도록 제어하는 역할을 한다. 또한 상기 친수성 고분자 기재 상에 형성된 탄소구조체는 광범위한 파장의 빛에 대해 높은 흡광율을 나타내며 광열변환 효율이 높으므로, 조사된 빛에 의해 공급된 물이 효율적으로 증발되어 수증기를 생산할 수 있도록 한다. 탄소구조체의 표면에서의 물의 흐름은 종래기술에서 알려진 바와 같이 전기를 발생시키므로, 본 발명의 장치에서 역시 수증기의 증발에 의해 야기된 탄소구조체 표면에서의 물의 흐름이 추가적으로 전기를 발생시키게 된다. 이와 같은 상호작용에 의해 물의 흐름을 위한 장치와 전기 발생을 위한 별도의 장치를 병합하지 않고도 하나의 장치에서 수증기와 전기를 동시에 생산할 수 있게 된다.The apparatus of the present invention generates electricity by oxidizing the metal at the first electrode and reducing oxygen in the air at the second electrode by operating a metal air cell with a metal as a first electrode and a carbon structure layer as a second electrode. . In addition, the heat generated by the operation of the metal-air battery evaporates water from the carbon structure layer to produce water vapor, thereby controlling the surface temperature of the carbon structure layer to prevent overheating. In addition, since the carbon structure formed on the hydrophilic polymer substrate exhibits a high absorbance for light of a wide range of wavelengths and has high photothermal conversion efficiency, water supplied by the irradiated light can be efficiently evaporated to produce water vapor. Since the flow of water on the surface of the carbon structure generates electricity as known in the prior art, the flow of water on the surface of the carbon structure caused by evaporation of water vapor also generates electricity in the apparatus of the present invention. By such an interaction, it is possible to simultaneously produce water vapor and electricity in one device without merging a device for the flow of water and a separate device for generating electricity.

상기 탄소구조체로는 광조사 시 광열 변환 효율을 증가시키고, 물의 흐름에 의해 전해질을 유입시켜 전기를 유도할 수 있으며, 산소를 활성물질로 하여 환원반응을 유도할 수 있는 카본블랙, 풀러렌, 카본나노튜브, 그래핀, 카본닷, 탄소섬유 및 전도성 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 하기 실시예에서는 카본나노튜브만을 예시하였으나, 다른 탄소구조체 역시 물의 흐름에 의해 전해질을 유입시켜 전기를 유도할 수 있고, 금속 공기전지의 양극으로 작용할 수 있으므로 본 발명의 수증기 및 전기 동시 생산용 장치에 적용이 가능함은 당연하다.As the carbon structure, carbon black, fullerene, and carbon nano, which can induce a reduction reaction by increasing photothermal conversion efficiency when irradiating light, introducing an electrolyte by the flow of water, and inducing a reduction reaction using oxygen as an active material. At least one selected from the group consisting of tubes, graphene, carbon dots, carbon fibers, and conductive carbon may be used. In the following examples, only carbon nanotubes are illustrated, but other carbon structures can also induce electricity by introducing an electrolyte by the flow of water, and can act as a positive electrode of a metal air battery, so that the apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity is used. It is natural that it can be applied.

상기 탄소구조체층의 두께는 10~100 ㎛인 것이 바람직하였는데, 탄소구조체층의 두께가 증가할수록 광열변환 효율이 증가하여 수증기 생성 속도가 증가하고, 수증기 생성 속도가 증가할수록 전해질의 공급이 촉진된다. 따라서 탄소구조체층의 두께가 너무 얇으면 수증기와 전기 생산 효율이 감소하므로 10 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 반면 탄소구조체층의 두께가 증가할수록 다공성이 감소하며, 두께가 100 ㎛ 이상인 경우에는 균일한 탄소구조체층의 형성이 어려웠다. 그러나 100 ㎛보다 두껍더라도 다공성을 갖는 균일한 층의 형성이 가능하다면, 제외되는 것은 아니다.It is preferable that the thickness of the carbon structure layer is 10 to 100 μm. As the thickness of the carbon structure layer increases, the photothermal conversion efficiency increases, thereby increasing the water vapor generation rate, and the increase in the water vapor generation rate, the supply of electrolyte is promoted. Therefore, if the thickness of the carbon structure layer is too thin, it is preferable that the thickness is 10 μm or more because the efficiency of producing water vapor and electricity decreases. On the other hand, as the thickness of the carbon structure layer increases, the porosity decreases, and when the thickness is 100 µm or more, it is difficult to form a uniform carbon structure layer. However, even if it is thicker than 100 μm, it is not excluded if it is possible to form a uniform layer having porosity.

기재 상에 탄소구조체층을 형성하는 것은 예를 들면, 탄소구조체의 분산액을 드랍코팅하거나, 스크린 인쇄하거나, 닥터 블레이드(doctor blade)로 코팅하거나, 스프레이로 뿌려주거나, 실시예와 같이 진공증착하거나, 분산액에 침지 코팅하는 등의 여러 가지 방법을 사용할 수 있으며, 기재에 탄소구조체층을 균일하게 형성할 수 있다면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.Forming the carbon structure layer on the substrate is, for example, drop coating, screen printing, coating with a doctor blade, spraying with a spray, vacuum deposition as in the embodiment, or Various methods such as immersion coating in the dispersion may be used, and any method may be used as long as the carbon structure layer can be uniformly formed on the substrate.

하기 실시예에서 사용한 진공증착법은 기재의 일측에만 탄소구조체층이 형성되지만, 예를 들면 침지 코팅에 의하거나, 양면에 진공증착하는 것에 의해 탄소구조체층을 기재의 양면에 형성할 수도 있다. In the vacuum deposition method used in the following examples, the carbon structure layer is formed only on one side of the substrate, but the carbon structure layer may be formed on both sides of the substrate by, for example, dip coating or vacuum deposition on both sides.

본 발명의 장치는 구조적으로는 원뿔, 각뿔, 원뿔대 또는 각뿔대의 형태를 갖는다. 원뿔은 직원뿔일 수도 있으며, 빗원뿔 역시 포함한다. 각뿔 역시 직각뿔과 빗각뿔을 포함한다. 하기에서는 설명의 편의를 위하여 원뿔 구조로 예시하여 본 발명의 장치를 설명한다. The device of the present invention is structurally in the form of a cone, pyramid, truncated cone or truncated cone. The cone may be a square cone, and includes a rain cone. Pyramids also include right and oblique pyramids. In the following, for convenience of explanation, the device of the present invention is described by exemplifying a conical structure.

입체적인 원뿔구조로 인하여 본 발명의 장치는 편평한 형태의 단순 흡수체에 비해 표면적이 넓고, 방향과 무관하게 많은 양의 빛을 흡수할 수 있기 때문에 수증기 생산 효율이 높다. Due to the three-dimensional conical structure, the apparatus of the present invention has a large surface area compared to a simple absorber in a flat shape, and can absorb a large amount of light regardless of direction, so that the water vapor production efficiency is high.

이에 더하여, 본 발명의 장치는 광조사 시 꼭대기의 온도가 바닥(원뿔의 수평 단면인 원의 반지름이 넓은 쪽)에 비해 높기 때문에, 바닥보다 꼭지점 부근에서 물의 증발 속도가 높아 모세관력에 더하여 원뿔의 바닥으로부터 꼭지점으로의 물의 흐름을 야기하여 두 전극 사이의 공극내로 전해질의 유입을 촉진함으로써 더 많은 전기가 발생하도록 해준다. 본 발명의 장치에서 물의 이동이 많을수록 전기 생산이 효율적이므로, 제2전극을 전선과 연결할 때에는 원뿔이나 각뿔의 경우 꼭지점 쪽, 원뿔대나 각뿔대의 경우 단면적이 작은 쪽과 가까운 곳에 연결하는 것이 더욱 바람직하다. In addition, in the device of the present invention, since the temperature of the top during light irradiation is higher than that of the bottom (the side where the radius of the circle is the horizontal cross section of the cone is wider), the evaporation rate of water is high near the apex than the bottom. It causes a flow of water from the bottom to the apex, which promotes the introduction of the electrolyte into the pores between the two electrodes, allowing more electricity to be generated. In the apparatus of the present invention, the more water moves, the more efficient electricity production, so when connecting the second electrode to the electric wire, it is more preferable to connect the second electrode to the apex side in the case of a cone or pyramid, and to the side with a small cross-sectional area in the case of a truncated cone or pyramid.

원뿔의 꼭지각도 수증기 및 전기 생산 효율에 영향을 미친다. 꼭지각이 너무 크거나 작은 경우에는 원뿔 구조로 인한 효과가 감소하여 수증기 및 전기 생산의 효율성이 저하된다. 따라서 원뿔의 꼭지각은 10~170°인 것이 바람직하다. The apex angle of the cone also affects the efficiency of water vapor and electricity production. If the apex angle is too large or too small, the effect due to the conical structure decreases, which reduces the efficiency of water vapor and electricity production. Therefore, it is preferable that the apex angle of the cone is 10 to 170°.

원뿔은 하부 공간에 채워진 공기로 인하여 안정적으로 물에 부유할 수 있는 추가적인 장점을 갖는다. 원뿔대는 원뿔의 꼭지점 부분이 잘린 것으로 원뿔에 비해 수증기의 증발 면적이 감소하는 반면, 기재의 양면에서 수증기의 증발이 일어날 수 있어 역시 수증기와 전기가 효과적으로 동시에 생산될 수 있다. 밑면이 원이 아니라 다각형인 직뿔이나, 직뿔대 역시 동일한 원리에 의해 수증기와 전기를 동시에 생산할 수 있다.The cone has the additional advantage of stably floating in water due to the air filled in the lower space. The truncated cone is a cut in the apex of the cone, and while the evaporation area of water vapor is reduced compared to the cone, the evaporation of water vapor may occur on both sides of the substrate, so that water vapor and electricity can be effectively simultaneously produced. A straight pyramid whose base is not a circle but a polygon, but a straight truncated cone can simultaneously produce water vapor and electricity by the same principle.

본 발명의 장치는 금속 공기전지로 작동하여 전기가 발생하는 것과 동시에, 물에 부유하여 흡수되는 물의 증발에 의해 기재와 탄소구조체층과 친수성고분자층의 다공구조를 통해 이동한 물이 전해질로 작용하여 탄소구조체 전극과 금속선 간의 전위차이로 인해 전기가 발생하는 것으로, 전술한 원뿔 구조의 특성으로 인하여 암조건에서도 수증기와 전기의 생산이 가능하기 때문에 광조사 여부와 무관하게 전기를 생산하는 것이 가능하다. 암조건에 비해 광조사 조건에서 수증기의 증발이 더 활발하게 이루어지고 그에 따른 탄소구조체 표면에서 물의 이동이 증가할 것이므로, 본 발명의 장치에서는 암조건에 비해 광조사 조건에서 전기 생산에 대한 나노발전기의 기여가 증가할 것으로 사료된다. The device of the present invention operates as a metal air cell to generate electricity, and at the same time, water that has moved through the porous structure of the substrate, the carbon structure layer and the hydrophilic polymer layer acts as an electrolyte by evaporation of water that is absorbed by floating in the water. Electricity is generated due to the potential difference between the carbon structure electrode and the metal wire, and because of the characteristic of the above-described conical structure, it is possible to produce water vapor and electricity even in dark conditions, so it is possible to generate electricity regardless of whether or not light is irradiated. Since the evaporation of water vapor is more active under light irradiation conditions than in dark conditions, and the movement of water on the surface of the carbon structure will increase accordingly, in the device of the present invention, the nanogenerator for electricity production under light irradiation conditions compared to dark conditions It is expected that the contribution will increase.

이때, 본 발명의 장치는 부유되는 상기 물에 전해질이 용해되어 있는 경우, 전기 생산 능력이 더욱 우수하다. 상기 전해질의 종류 역시 본 발명에 의한 장치의 전기 출력에 영향을 미치는데, 음이온의 크기가 증가할수록 출력이 우수하였다. 양이온은 광조사 시에는 K+>Ca2+>Na+ 순서로, 암조건에서는 Ca2+>K+>Na+ 순서로 출력이 높았다. 전해질의 종류에 따라 최적의 농도를 설정하는 것은 용이할 것이다. 하기 일실시예에 의한 금속-공기 전지에서 0.6M NaBr을 전해질로 사용한 경우 1 sun 광도에서의 출력은 505.69 mW/㎡으로 종래기술의 어떠한 하이브리드 시스템에 비해서도 높은 출력을 나타내었다.At this time, the device of the present invention is more excellent in electricity production capacity when the electrolyte is dissolved in the floating water. The type of electrolyte also affects the electrical output of the device according to the present invention. As the size of anions increases, the output is excellent. Cations showed high output in the order of K + >Ca 2+ >Na + when irradiated with light, and Ca 2+ >K + >Na + in the dark condition. It will be easy to set the optimum concentration according to the type of electrolyte. When 0.6M NaBr was used as an electrolyte in the metal-air battery according to the following example, the output at 1 sun light intensity was 505.69 mW/m2, which was higher than that of any hybrid system of the prior art.

본 발명의 장치의 출력이나 전압을 더욱 향상시키기 위해서는 통상의 배터리와 마찬가지로 직렬연결이나 병렬연결에 의해 복수의 장치를 전기적으로 연결하여 사용할 수 있음은 당연하다. 직렬연결에 의해 4개의 장치를 연결한 실시예에서 55,000초(~15.3시간) 동안 개로전압을 관측한 결과, 안정적인 전압의 공급이 가능함을 확인할 수 있었다. In order to further improve the output or voltage of the device of the present invention, it is natural that a plurality of devices can be electrically connected and used by serial connection or parallel connection, like a normal battery. As a result of observing the open-circuit voltage for 55,000 seconds (~15.3 hours) in the example in which four devices were connected by series connection, it was confirmed that a stable voltage can be supplied.

이상과 같이 본 발명의 수증기와 전기 동시 생산용 장치에 의하면, 금속 공기전지로 작동됨과 동시에, 셀룰로오스와 카본나노튜브의 친수성 다공구조가 물의 흐름을 위한 이상적인 채널을 제공하며, 원뿔구조의 하부보다 상부에서 수증기 생성 속도가 빠르기 때문에 원뿔구조의 하부에서 상부로의 물의 흐름이 유도되므로, 물의 흐름을 유도하기 위하여 별도의 에너지를 소모할 필요가 없이 나노발전기로도 작동하므로 별도의 장치와 병합하지 않고도 수증기와 전기를 동시에 우수한 효율로 생산할 수 있다. As described above, according to the apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity of the present invention, while operating as a metal air battery, the hydrophilic porous structure of cellulose and carbon nanotubes provides an ideal channel for the flow of water, and the upper part of the conical structure Since the water vapor generation rate is high in the conical structure, the flow of water from the bottom to the top of the conical structure is induced, so there is no need to consume additional energy to induce the flow of water, and it is also operated as a nanogenerator, so that water vapor is not combined with a separate device. And electricity can be simultaneously produced with excellent efficiency.

또한 본 발명의 수증기와 전기 동시 생산용 장치는 종래 금속 이온전지에서 열로 손실되는 에너지가 수증기 생산에 기여하여 암조건에서도 수증기와 전기를 생산할 수 있어 밤과 낮의 구분없이 동작이 가능하며, 수증기 생산으로 인해 전극 표면의 온도를 일정 온도로 유지할 수 있어 더욱 안전하게 사용될 수 있다.In addition, the device for simultaneous production of water vapor and electricity of the present invention can produce water vapor and electricity even in dark conditions as the energy lost as heat in the conventional metal ion battery contributes to the production of water vapor, so it can operate without distinction between night and day, and produces water vapor. Because of this, the temperature of the electrode surface can be maintained at a constant temperature, so that it can be used more safely.

또한 본 발명의 수증기와 전기 동시 생산용 장치는 복잡한 장치 없이 간단한 구조를 갖기 때문에 경제적으로 대량생산이 가능하고, 크기 조절이 자유로우며, 광범위한 빛에 대해 안정하고, 독성 물질을 사용하지 않으며, 생분해성이 우수하여 친환경적인 대체 에너지 생산 수단으로 사용될 수 있다. In addition, since the device for simultaneous production of steam and electricity of the present invention has a simple structure without a complicated device, it can be economically mass-produced, its size is free, it is stable against a wide range of light, does not use toxic substances, and is biodegradable. It is excellent and can be used as an eco-friendly alternative energy production means.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 탄소나노튜브가 증착된 셀룰로오스 구조체 및 원뿔구조 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 사진.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 탄소나노튜브가 증착된 셀룰로오스 구조체의 물리·화학적 특성을 보여주는 SEM, TEM 이미지 및 XPS, 라만 및 UV 스펙트럼.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 수증기 생산 효율 평가를 위한 실험의 사진 및 적외선 사진.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 탄소나노튜브 층의 두께에 따라 제조된 셀룰로오스 구조체의 사진.
도 5는 탄소나노튜브 층의 두께에 따른 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 수증기 생산 효율을 보여주는 사진 및 그래프.
도 6은 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 원뿔구조의 꼭지각에 따른 수증기 생산 효율을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 전기 생산 효율 평가를 위한 실험 사진 및 결과 그래프.
도 8은 본 발명의 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 삼차원 구조적 효능을 보여주는 사진 및 그래프.
도 9는 각종 전해질 용액에서의 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 전기 생산 효율을 보여주는 그래프.
도 10은 직렬연결 및 병렬연결된 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 전기 생산 효율을 보여주는 그래프 및 실험 사진.
1 is a photograph of an apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity in a cellulose structure and a conical structure on which carbon nanotubes are deposited, manufactured according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM, TEM image and XPS, Raman and UV spectra showing physical and chemical properties of a cellulose structure on which carbon nanotubes are deposited according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph and an infrared photograph of an experiment for evaluating water vapor production efficiency of a device for simultaneous production of water vapor and electricity according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a cellulose structure manufactured according to the thickness of a carbon nanotube layer in an embodiment of the present invention.
5 is a photograph and graph showing the water vapor production efficiency of a device for simultaneous production of water vapor and electricity according to the thickness of a carbon nanotube layer.
6 is a graph showing the steam production efficiency according to the apex angle of the conical structure of the device for simultaneous production of steam and electricity.
7 is an experimental photograph and result graph for evaluating the electricity production efficiency of the device for simultaneous production of steam and electricity according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph and graph showing the three-dimensional structural efficacy of the device for simultaneous production of water vapor and electricity of the present invention.
9 is a graph showing the electricity production efficiency of a device for simultaneous production of water vapor and electricity in various electrolyte solutions.
10 is a graph and experimental photographs showing electricity production efficiency of a device for simultaneous production of steam and electricity connected in series and in parallel.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying examples. However, these embodiments are only examples for easily explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, thereby not limiting or changing the technical scope of the present invention. It will be obvious to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : 수증기와 전기 동시 생산용 원뿔구조 장치의 제조Example 1: Preparation of conical device for simultaneous production of steam and electricity

다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs, 한화나노테크)를 300℃ 공기 중에서 60분간 열처리하였다. 이후 37% 염산과 혼합하여 1시간 동안 초음파 처리한 후, 여액의 pH가 중성이 될 때까지 여과하고 증류수로 세척하는 공정을 5회 반복하였다. 이후 70℃ 오븐에서 24시간 건조하여 정제하였다.Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs, Hanwha Nanotech) were heat-treated at 300° C. in air for 60 minutes. Thereafter, the mixture was mixed with 37% hydrochloric acid and subjected to ultrasonic treatment for 1 hour, followed by filtration until the pH of the filtrate became neutral and washing with distilled water was repeated 5 times. Then, it was dried and purified in an oven at 70° C. for 24 hours.

정제된 MWCNT 20 ㎎을 200 ㎖ DI수에 현탁한 용액을 사용하여 진공 보조 증착에 의해 셀룰로오스 여과지에 MWCNT를 코팅하고, 70℃에서 24시간 건조하였다. Using a solution in which 20 mg of purified MWCNT was suspended in 200 ml DI water, MWCNT was coated on a cellulose filter paper by vacuum assisted deposition, and dried at 70° C. for 24 hours.

상기 MWCNT가 코팅된 셀룰로오스를 사용하여 2/3 원으로부터 원뿔의 꼭지각이 60°, 바닥 직경이 18 ㎜가 되도록 원뿔구조를 만들고 경계면은 에폭시 레진을 사용하여 접착시켰다. 원뿔의 꼭지점에 철선을 통해 전극을 연결하고 물에 부유시켰으며, 제1전극으로 사용할 철선은 물에 담궜을 때 제2전극인 탄소구조체층과 접촉하는 것을 방지하기 위하여 움직임을 제한하도록 셀롤로오스 여과지에 고정시켰다. 이에 의해, 제1전극은 물과 접촉하지만, 탄소구조체층과는 절연된 상태이다.The MWCNT-coated cellulose was used to make a conical structure so that the apex angle of the cone from the 2/3 circle was 60° and the bottom diameter was 18 mm, and the interface was bonded using epoxy resin. The electrode was connected to the apex of the cone through a wire and suspended in water, and the wire to be used as the first electrode was cellulose to limit movement to prevent contact with the carbon structure layer, the second electrode, when immersed in water. It was fixed on filter paper. Accordingly, the first electrode is in contact with water, but is insulated from the carbon structure layer.

도 1의 a)와 b)는 각각 MWCNT가 코팅된 셀룰로오스 및 이를 이용한 원뿔구조 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 사진이다. 1a) and b) are photographs of cellulose coated with MWCNT and an apparatus for simultaneous production of conical steam and electricity using the same.

실시예 2 : 탄소나노튜브가 코팅된 셀룰로오스 구조체의 구조적 특성 분석Example 2: Analysis of structural properties of a cellulose structure coated with carbon nanotubes

셀룰로오스 여과지에 흡착된 탄소나노튜브의 모폴로지와 두께를 고해상도 주사전자현미경(HRSEM; Hitachi S-4800, Hitachi) 및 투과전자현미경(TEM; JEM-2100F HR, JEOL)으로 측정하였으며, 표면 화학 상태와 전자 구조는 monochromatic Al Kα (1486.65 eV) X-ray radiation이 장착된 Multilab 2000 spectrometer로 10-10 Torr하에서 관측하였다. 결합 에너지 스케일은 83.98 eV에서의 Au 4f7/2 core level의 결합 에너지 위치로 보정하였다. 라만 스펙트라는 532 nm DPSS laser로 기록하였다.The morphology and thickness of carbon nanotubes adsorbed on cellulose filter paper were measured with a high-resolution scanning electron microscope (HRSEM; Hitachi S-4800, Hitachi) and a transmission electron microscope (TEM; JEM-2100F HR, JEOL). The structure was observed under 10 -10 Torr with a Multilab 2000 spectrometer equipped with monochromatic Al Kα (1486.65 eV) X-ray radiation. The binding energy scale was corrected by the binding energy position of Au 4f 7/2 core level at 83.98 eV. Raman spectra were recorded with a 532 nm DPSS laser.

도 2는 그 결과를 보여주는 도면으로 a)의 SEM 이미지는 셀룰로오스 섬유 필름 상에 72 ㎛ 두께의 MWCNT 필름이 얻어짐을 보여준다. b)는 MWCNT의 표면 이미지를 보여주는 것으로 MWCNT 셀룰로오스 종이 모두에 의해 다공성 구조가 형성되어 물의 공급을 위한 이상적인 채널로 작용할 수 있음을 시사한다. c)의 X-선 광전자(XPS) 스펙트럼은 MWCNT 표면에 O-C=O, C=O, C-O 결합이 존재함을 보여주며, 이는 FTIR(Thermo Scientific)에서도 확인할 수 있었다(데이터 미도시). Guo 등은 밀도함수이론(DFT)을 이용한 계산을 통하여 다른 작용기를 갖는 그래핀 플레이크에 물이 흡착되는 것에 의해 전하 재배열이 야기됨을 보고하였다. 계산 결과에 의하면, 물과 그래핀의 계면에 전하 이중층이 형성되며, C-O-C기에 3층의 물이 덮이면 약 0.7e가 소모되며, C-O-C기가 제거되면 이는 0.003e로 떨어진다. 따라서 상기와 같은 MWCNT의 작용기들은 전기의 생성에 필수적이다. FIG. 2 is a view showing the result, and the SEM image of a) shows that a MWCNT film having a thickness of 72 μm is obtained on a cellulose fiber film. b) shows the surface image of MWCNT, suggesting that the porous structure is formed by all of the MWCNT cellulose papers, which can act as an ideal channel for supplying water. The X-ray photoelectron (XPS) spectrum of c) shows that O-C=O, C=O, and C-O bonds exist on the MWCNT surface, which could also be confirmed by FTIR (Thermo Scientific) (data not shown). Guo et al. reported that charge rearrangement was caused by the adsorption of water on graphene flakes having different functional groups through calculation using density function theory (DFT). According to the calculation results, a charge double layer is formed at the interface between water and graphene, and when three layers of water are covered in the C-O-C group, about 0.7e is consumed, and when the C-O-C group is removed, it drops to 0.003e. Therefore, the functional groups of MWCNT as described above are essential for the generation of electricity.

MWCNT는 느슨하게 쌓여진 무질서한 그래핀 플레이크(flakes)로 구성됨은 d)의 TEM 이미지에서 확인할 수 있는데, 이는 e)의 라만 스펙트럼에서도 확인할 수 있다. 실시예 1에서 제조한 구조체의 접촉각을 측정한 결과 MWCNT 박막은 친수성을 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이는 셀룰로오스 지지체에 더하여 MWCNT의 다공구조를 따라 모세관 현상에 의해 물이 이동할 수 있음을 의미한다. MWCNT is composed of loosely stacked disordered graphene flakes can be confirmed in the TEM image of d), which can also be confirmed in the Raman spectrum of e). As a result of measuring the contact angle of the structure prepared in Example 1, it was confirmed that the MWCNT thin film exhibits hydrophilicity, which means that water can move by capillary phenomenon along the porous structure of the MWCNT in addition to the cellulose support.

종래기술에 의하면, 물과 MWCNT의 상호작용, 특히 다공성 MWCNT 필름 내부에서 물의 증발에 의해 유도된 물의 흐름이 전기 생성의 주된 이유로 간주된다. 따라서, 상기 실시예에 의해 제조된 구조체를 이용하여 원뿔구조체를 제조하면, 태양광에 의하거나 혹은 자가 증발(self-evaporation)에 의해 물이 증발됨에 따라 모세관현상에 의해 구조체의 상부로 물이 흐름을 유발하여 전기를 생성할 수 있으므로 별도의 장치를 사용하지 않더라도 수증기와 전기를 동시에 생성할 수 있을 것으로 기대된다.According to the prior art, the interaction of water and MWCNT, in particular the flow of water induced by evaporation of water inside the porous MWCNT film, is considered the main reason for generating electricity. Therefore, when a conical structure is manufactured using the structure manufactured according to the above embodiment, water flows to the top of the structure due to capillary phenomenon as water is evaporated by sunlight or self-evaporation. Because electricity can be generated by inducing power, it is expected that water vapor and electricity can be generated at the same time without using a separate device.

도 2의 f)는 태양광 흡수 효능을 평가하기 위하여 상기 흡수체의 굴절 및 투과 특성을 UV-Vis-NIR 스펙트로미터(Solidspec-3700, Shimadzu)를 사용하여 측정하고 그 결과를 도시한 것이다. 상기 도면에서 본 구조체는 250~800 nm의 투과율이 0으로 광범위한 파장의 빛이 MWCNT에 의해 차단됨을 알 수 있다. FIG. 2F shows the results of measuring the refraction and transmission properties of the absorber using a UV-Vis-NIR spectrometer (Solidspec-3700, Shimadzu) in order to evaluate the solar absorption efficiency. In the above drawing, it can be seen that the structure has a transmittance of 250 to 800 nm, and light of a wide wavelength is blocked by the MWCNT.

실시예 3 : 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 실험실 내 수증기 생산능 평가 Example 3: Evaluation of steam production capability in laboratory of a device for simultaneous production of steam and electricity

1) 수증기 생산능 평가 장치1) Water vapor production capability evaluation device

실시예 1에서 제조된 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 광열변환 효율을 계산하기 위하여, 1 sun 조사에 의한 수증기 생산능을 실시간 무게 변화로 평가하기 위한 장치를 설계하였다. In order to calculate the light-to-heat conversion efficiency of the device for simultaneous production of water vapor and electricity prepared in Example 1, a device for evaluating the water vapor production capacity by 1 sun irradiation with real-time weight change was designed.

수증기와 전기 동시 생산용 장치의 물 증발 속도를 측정을 위하여 폴리스티렌 폼으로 코팅된 50 mL 용기를 컴퓨터에 연결된 저울 위에 올려놓고 상부에 모의 태양광(350~1800 ㎚, solar simulator, Hal 320 W, ASAHI)을 위치시켰다. 2×2 ㎝ 크기로 확장시킨 폴리스티렌폼(EPS) 접시를 내벽이 폴리스티렌폼으로 코팅된 컵에 넣고, 2×4 ㎝의 하얀 셀룰로오스 종이를 EPS 접시의 가운데에 올려놓고 양 말단을 안으로 접어 추후 물에 잠길 수 있도록 하였다. 종이 위에 원뿔구조의 상기 장치를 올리고, 수위가 EPS 접시보다 아래에 있으면서 종이의 양 말단이 물에 잠길만큼 컵 안에 물을 넣었다. 상기 장치와 용기 사이의 틈에서 물의 증발을 최소화하기 위하여 용기의 상면은 폴리스티렌폼으로 덮어주었다. 상기 원뿔구조 장치의 수면 위의 높이는 16 ㎜이고, 원뿔의 꼭대기에서 물과 공기의 경계면까지의 거리는 8 ㎜ 였다. 상기 장치가 완전히 젖으면 모의 태양광을 켜고 10초마다 무게를 측정하여 증발량을 계산하였다. 증발과정에서의 온도변화는 열화상 카메라(SEEK)와 K 써모커플 온도 프로브(Testo735)를 사용하여 측정하였다.To measure the water evaporation rate of the device for simultaneous steam and electricity production, place a 50 mL container coated with polystyrene foam on a scale connected to a computer, and simulate sunlight (350~1800 ㎚, solar simulator, Hal 320 W, ASAHI) on the top. ) Was placed. Put a polystyrene foam (EPS) plate expanded to a size of 2×2 cm in a cup coated with polystyrene foam on the inner wall, place 2×4 cm white cellulose paper in the center of the EPS plate, fold both ends inward, and then put it in water. It was made to be locked. The device of the conical structure was placed on a piece of paper, and water was put in the cup so that both ends of the paper were submerged in water while the water level was below the EPS plate. In order to minimize evaporation of water in the gap between the device and the container, the upper surface of the container was covered with polystyrene foam. The height above the water surface of the conical device was 16 mm, and the distance from the top of the cone to the water-air interface was 8 mm. When the device was completely wet, the simulated sunlight was turned on and the weight was measured every 10 seconds to calculate the evaporation amount. The temperature change during the evaporation process was measured using a thermal imaging camera (SEEK) and a K thermocouple temperature probe (Testo735).

도 3의 a)는 수증기 생산능 평가를 위한 실험 장치의 대표적인 광학 이미지이고, b)와 c)는 1 sun 광도의 빛을 30분 조사하였을 때의 원뿔구조 장치에 대한 대표적인 적외선 이미지이다. 실험 시 주변 온도는 22℃, 상대습도는 40%였으며, 자가증발 시의 장치의 표면온도는 주변온도와 유사하였다. 그러나 1 sun 광도의 광조사 시에는 광조사 30분 후, 상기 장치의 온도는 34℃로 증가하였으며, 원뿔구조의 꼭대기가 가장 온도가 높고 아래로 내려갈수록 온도가 감소하였다. 따라서 원뿔구조체의 위로 갈수록 물의 증발속도가 증가하며, 흡수체의 하부에서 상부로의 물의 이동을 촉진하게 된다. 3A is a representative optical image of an experimental apparatus for evaluating water vapor production capacity, and b) and c) are representative infrared images of a cone-structure apparatus when irradiated with light of 1 sun light intensity for 30 minutes. During the experiment, the ambient temperature was 22℃ and the relative humidity was 40%, and the surface temperature of the device during self-evaporation was similar to the ambient temperature. However, at the time of irradiation with a light intensity of 1 sun, the temperature of the device increased to 34°C after 30 minutes of light irradiation, and the temperature at the top of the conical structure was the highest and decreased as it went down. Therefore, the evaporation rate of water increases as it goes up the conical structure, and the movement of water from the bottom of the absorber to the top is promoted.

2) CNT 층의 두께에 따른 수증기 생산능 평가2) Evaluation of water vapor production capacity according to the thickness of the CNT layer

1)에서 설계한 장치를 사용하여 CNT 층의 두께가 수증기 생산에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위하여 실시예 1에서 정제된 MWCNT 100 ㎎을 1000 ㎖ DI수에 현탁한 후, 각 용액을 50, 100, 200 또는 300 ㎖를 사용하여 진공 보조 증착에 의해 셀룰로오스 여과지에 MWCNT를 코팅하고, 70℃에서 24시간 건조한 후 실시예 1과 동일한 방법에 의해 수증기와 전기 동시 생산용 원뿔구조 장치를 제조하였다. Using the device designed in 1), the effect of the thickness of the CNT layer on the steam production was evaluated. To this end, 100 mg of MWCNT purified in Example 1 was suspended in 1000 ml DI water, and then MWCNT was coated on cellulose filter paper by vacuum assisted deposition using 50, 100, 200 or 300 ml of each solution, and 70° C. After drying for 24 hours, a conical device for simultaneous production of steam and electricity was manufactured by the same method as in Example 1.

도 4는 상기 방법에 의해 MWCNT가 증착된 구조체의 사진으로 300 ㎖ 용액을 사용한 경우에는 균일한 MWCNT 층이 형성되지 않았다. 이에 50, 100 및 200 ㎖의 용액을 사용하여 각각 제조한 원뿔구조체를 사용하여 1)과 동일한 방법에 의해 수증기 생산능을 평가하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. 4 is a photograph of a structure on which MWCNT was deposited by the above method. When a 300 ml solution was used, a uniform MWCNT layer was not formed. Thus, using a conical structure prepared by using 50, 100 and 200 ml of solutions, respectively, the water vapor production capacity was evaluated by the same method as in 1), and the results are shown in FIG. 5.

도 5의 a)~d)는 셀룰로오스와 MWCNT가 증착된 셀룰로오스의 SEM 이미지로, MWCNT 용액의 사용량이 증가할수록 MWCNT 층의 두께가 31, 50 및 72 ㎛로 점차 증가하는 반면, 다공성은 감소함을 보여준다. e)는 태양광스펙트럼과 각 샘플들의 흡광도를 보여주는 것으로, 31, 50 및 72 ㎛ 두께의 MWCNT 층이 형성된 셀룰로오스의 흡광도는 각각 98.1, 98.5 및 98.4%로 모든 두께에서 광범위한 파장에 대해 우수한 흡광도를 나타내었다. f)는 물이 없는 상태에서 원뿔구조체에 1 sun 광도의 빛을 조사하였을 때 본 장치에서 원뿔구조 꼭대기의 온도를 측정한 것으로, 3분이내에 평형온도인 45~50℃로 온도가 상승함을 보여준다. 수증기와 전기 동시 생산용 장치를 물에 띄웠을 때는 g)에 도시하였듯이 최고 온도가 다소 감소하였는데, 이는 물이 없는 경우에는 흡수된 에너지가 열로 방출되지만, 물이 있는 경우에는 수증기 생성에 사용되기 때문으로 사료된다. 물에 띄어진 장치에서는 온도 평형에 약 200~300초가 소요되었다. Zhao 등(Nat. Nanotech., 2018, doi: 10.1038/s41565-018-0097-z)은 다른 에너지 소비 형태에서 표면온도와 시간 사이의 상관관계가 상이함을 보고한 바 있다. 따라서 초반의 빠른 온도 상승 구간에서는 대부분의 에너지가 온도를 상승시키는 것에 사용되었으며, 이후 평형 구간에서는 에너지가 주로 증발에 사용된 것으로 해석된다. h)는 온도-시간 그래프의 변곡점을 확인한 것으로, 물의 가열과 증발에 에너지 균형 값이 존재함을 보여준다. MWCNT 층의 두께가 두꺼울수록 변곡 온도 역시 감소하여, 물의 증발 효율이 증가할 것임을 예측할 수 있다. i)와 j)는 수증기 생성량과 생성속도를 보여주는 그래프로, MWCNT 층의 두께가 증가함에 따라 수증기 생성량이나 증발속도가 증가함을 보여준다. MWCNT 층의 두께가 0에서 72㎛로 증가함에 따라 1 sun 광도의 광조사 시 증발속도는 0.439에서 1.651 kg/㎡.h로 증가하였다. 5A) to 5D are SEM images of cellulose and cellulose on which MWCNT is deposited. As the amount of the MWCNT solution increases, the thickness of the MWCNT layer gradually increases to 31, 50 and 72 µm, whereas the porosity decreases. Show. e) shows the solar spectrum and the absorbance of each sample. The absorbance of the cellulose on which the MWCNT layer of 31, 50 and 72 µm is formed is 98.1, 98.5 and 98.4%, respectively, showing excellent absorbance for a wide range of wavelengths at all thicknesses. Done. f) is the measurement of the temperature of the top of the conical structure when irradiating the conical structure with 1 sun light in the absence of water. It shows that the temperature rises to the equilibrium temperature of 45-50℃ within 3 minutes. . When the device for simultaneous production of water vapor and electricity was floated on water, the maximum temperature decreased somewhat as shown in g), because in the absence of water, the absorbed energy is released as heat, but in the presence of water, it is used to generate water vapor. It is considered to be. In the device floating in water, it took about 200 to 300 seconds to equilibrate the temperature. Zhao et al. (Nat. Nanotech., 2018, doi: 10.1038/s41565-018-0097-z) reported different correlations between surface temperature and time in different types of energy consumption. Therefore, it is interpreted that most of the energy was used to increase the temperature in the early period of rapid temperature rise, and the energy was mainly used for evaporation in the later equilibrium period. h) confirms the inflection point of the temperature-time graph, and shows that there is an energy balance between heating and evaporation of water. As the thickness of the MWCNT layer increases, the inflection temperature also decreases, so it can be predicted that the evaporation efficiency of water will increase. i) and j) are graphs showing the amount and rate of water vapor generation, and show that the amount of water vapor or evaporation rate increases as the thickness of the MWCNT layer increases. As the thickness of the MWCNT layer increased from 0 to 72㎛, the evaporation rate increased from 0.439 to 1.651 kg/m².h when irradiated with 1 sun light.

또한 도 4는 광조사 시 뿐 아니라 암조건에서 역시 수증기의 증발이 일어남을 확인할 수 있었는데, 이는 금속 공기전지로 작동함에 의해 낮과 밤 모두 수증기가 생성될 수 있음을 의미한다.In addition, FIG. 4 shows that water vapor evaporates not only during light irradiation but also under dark conditions, which means that water vapor can be generated both day and night by operating as a metal air battery.

3) 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 꼭지각에 따른 수증기 생산능 평가3) Water vapor production capability evaluation according to the apex angle of a device for simultaneous production of water vapor and electricity

수증기와 전기 동시 생산용 장치의 원뿔구조가 수증기 생산에 미치는 영향을 확인하기 위하여 실시예 1에서 제조한 MWCNT가 증착된 셀룰로오스를 사용하여, 꼭지각이 45, 60 및 90°인 원뿔구조 금속-공기 전지를 제조하였다.Conical metal-air batteries with apex angles of 45, 60, and 90° using cellulose on which MWCNTs prepared in Example 1 were deposited in order to confirm the effect of the conical structure of the device for simultaneous production of water vapor and electricity on the production of water vapor Was prepared.

도 6의 a)는 상기 수증기와 전기 동시 생산용 장치에 1 sun 광도의 빛을 조사하였을 때의 온도변화를 도시한 것으로, 내부 도면은 물이 없는 상태에서의 온도변화(좌)와 변곡점(우)을 도시한 것이다. a)에 의하면, 꼭지각이 60°인 경우 변곡온도가 가장 낮아 수증기 생산 속도가 가장 높을 것으로 예측할 수 있다. 실제 측정 결과인 b)와 c)에서 역시 꼭지각이 60°인 원뿔구조 장치의 수증기 생산능이 가장 높은 것을 확인할 수 있으며, 꼭지각이 60°인 원뿔구조 장치에서의 암조건 및 1 sun 광도 광조사 시의 증발 속도는 각각 0.618 및 1.651 kg/㎡.h였다. 6A shows the temperature change when the device for simultaneous production of water vapor and electricity is irradiated with 1 sun light, and the internal drawing shows the temperature change (left) and the inflection point (right) in the absence of water. ) Is shown. According to a), when the apex angle is 60°, the inflection temperature is the lowest and the water vapor production rate is expected to be the highest. From the actual measurement results b) and c), it can also be confirmed that the conical structure device with a vertex angle of 60° has the highest water vapor production capacity, and the dark conditions in the conical structure device with a vertex angle of 60° and 1 sun light intensity The evaporation rates were 0.618 and 1.651 kg/m 2 .h, respectively.

도 6의 d)에 광조사 시 MWCNT 층의 두께와 원뿔구조의 꼭지각에 따른 증발속도를 정리하여 도시하였다. 내부 도면은 자가 증발 시의 증발속도를 나타낸다.In Fig. 6d), the evaporation rate according to the thickness of the MWCNT layer and the apex angle of the cone structure during light irradiation is summarized and shown. The internal figure shows the evaporation rate during self-evaporation.

실시예 4 : 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 실험실 내 전기 생산능 평가Example 4: Evaluation of in-laboratory electricity production capability of a device for simultaneous production of steam and electricity

1) 전기 생산능 평가1) Electricity production capability evaluation

실시예 1에서 제조한 원뿔구조체의 전기 생산능을 평가하기 위하여 실시예 1에서 제조한 원뿔구조 장치를 DI수가 들어 있는 페트리디쉬에 띄웠다. 바닥과 꼭대기에 장착된 철선에 전극을 연결한 후 전류 및 전압 신호를 각각 J-t 곡선(간격 : 10 초) 및 V-t 곡선(간격 : 10 초)을 통해 전위차계 (IVIUMSTAT)에 수집하여 기록하였다. In order to evaluate the electricity production ability of the conical structure prepared in Example 1, the conical structure device prepared in Example 1 was floated in a Petri dish containing DI water. After connecting the electrodes to the wires mounted on the bottom and top, the current and voltage signals were collected and recorded on a potentiometer (IVIUMSTAT) through the J-t curve (interval: 10 seconds) and V-t curve (interval: 10 seconds), respectively.

도 7의 a)는 본 실험의 모식도이며, b)는 실제 실험 사진이다. 도 7의 c)는 b)의 실험에 의해 측정된 암조건 및 1 sun 광도의 광조사 시의 I-V 곡선 및 I-V 곡선으로부터 계산된 출력 곡선이다. 1 sun 광도의 광조사 시에는 암조건에 비해 개로전압과 단락전류가 모두 증가함에 따라 실시예 1의 장치의 1 sun 광도에서의 출력은 13.18 mW/㎡으로 암조건에서의 출력인 8.24 mW/㎡에 비해 1.6배 정도 증가하였다. 7A is a schematic diagram of this experiment, and b) is a photograph of the actual experiment. 7C is an output curve calculated from the I-V curve and the I-V curve under the dark conditions measured by the experiment of b) and irradiation with 1 sun light intensity. When irradiated with 1 sun light, as both the open-circuit voltage and short-circuit current increased compared to the dark condition, the output of the device of Example 1 at 1 sun light intensity was 13.18 mW/m2, which is 8.24 mW/m2 in dark conditions. Compared to that, it increased about 1.6 times.

암조건에서의 출력은 공기 이온전지로서의 작동에 의한 전기의 생산과 함께, 공기 이온전지의 작동 시 발생하는 열 및 자연 건조에 따른 수증기 생성에 기인한 물의 이동에 따른 나노발전기의 전기 생산에 기여하는 것으로 해석된다. 광조사 조건에서는 수증기 생성에 의한 물의 이동이 증가함에 따라 나노발전기에 의한 출력이 증가하게 되므로, 암조건에 비해 광조사 조건에서 전체 출력이 증가함을 확인할 수 있다. The output in dark conditions contributes to the production of electricity by the operation of the air ion battery, as well as the electricity generation of the nanogenerator by the movement of water due to the heat generated during the operation of the air ion battery and water vapor generated by natural drying. Is interpreted as. In the light irradiation condition, as the movement of water due to water vapor generation increases, the output of the nanogenerator increases, so it can be seen that the total output increases in the light irradiation condition compared to the dark condition.

2) 수증기와 전기 동시 생산용 장치에서의 구조에 의한 효능 평가2) Efficacy evaluation by structure in a device for simultaneous production of steam and electricity

콘 구조체와 장방형의 장치를 사용하여 전기 생산능에서 콘 구조체가 미치는 영향을 추가적으로 확인하였다.Using a cone structure and a rectangular device, the effect of the cone structure on electricity production capacity was additionally confirmed.

이를 위하여 실시예 1에서와 동일한 방법에 의해 셀룰로오스 상에 MWCNT를 진공증착하고, 이를 사용하여 원뿔의 높이 및 밑면 직경과 동일하게 장방형 및 삼각형 구조를 제작하였다. 장방형 및 삼각형 금속-공기 전지의 상부와 하부를 각각 철선을 통해 전극을 연결하였다. 실시예 1에서와 마찬가지로 하부에 연결된 철선은 먼저 MWCNT 상에 에폭시 레진을 도포하여 철선이 물과는 접촉하되 MWCNT와는 직접 접촉하지 않도록 하였다.To this end, MWCNTs were vacuum-deposited on cellulose by the same method as in Example 1, and rectangular and triangular structures were fabricated with the same height and bottom diameter of a cone using this. The electrodes were connected to the upper and lower portions of the rectangular and triangular metal-air batteries through wires, respectively. As in Example 1, the wire connected to the lower part was first coated with an epoxy resin on the MWCNT so that the wire was in contact with water but not directly in contact with the MWCNT.

상기 방법으로 제조된 장방형 장치와 삼각형 장치를 사용하여 암조건에서 전기 생산능을 평가하였다. 도 8은 실제 실험을 보여주는 사진과 그 결과 시간에 따른 전압을 보여주는 그래프이다. Using the rectangular device and the triangular device manufactured by the above method, electricity production capacity was evaluated in dark conditions. 8 is a photograph showing an actual experiment and a graph showing voltage over time as a result.

도 8에서 삼각형 장치는 전체 면적이 장방형 장치의 1/2에 불과함에도 불구하고, 약 2배 가량 높은 전압의 전기를 생산함을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 수증기와 전기 동시 생산용 장치에서 원뿔, 원뿔대, 각뿔, 각뿔대와 같은 3차원 구조가 중요한 역할을 담당함을 의미한다. In FIG. 8, it can be seen that the triangular device produces electricity with a voltage that is about twice as high as that of the rectangular device, although the total area is only 1/2 of that of the rectangular device. This means that in the apparatus for simultaneous production of steam and electricity of the present invention, three-dimensional structures such as cones, truncated cones, pyramids, and pyramids play an important role.

3) 전해질 용액을 사용한 전기 생산능 평가3) Evaluation of electricity production capacity using electrolyte solution

물은 이온 농도가 매우 낮기 때문에 전해질 용액을 사용하여 이온이 본 수증기와 전기 동시 생산용 장치의 출력을 향상시킬 수 있는 지 확인하였다. 실험은 물 대신 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 1)과 동일한 방법에 의해 실시하였다.Since water has a very low ion concentration, it was confirmed that the ions could improve the output of the device for simultaneous production of water vapor and electricity by using an electrolyte solution. The experiment was carried out in the same manner as in 1), except that an electrolyte solution was used instead of water.

도 9는 각종 전해질에서의 본 장치의 출력을 보여주는 그래프이다. a)는 NaCl의 농도에 따른 출력을 보여주는 것으로, NaCl의 농도가 0.6 M까지 증가함에 따라 출력 역시 증가하다가 NaCl의 농도가 더 증가하면 오히려 출력은 감소하였다. 이는 NaCl의 농도가 너무 높은 경우 원뿔구조의 상부에서 물이 증발함에 따라 NaCl이 석출되기 때문으로 사료된다. 0.6 M NaCl에서의 출력은 107.79 mW/㎡으로 물에서의 출력에 비해 8배 이상 향상되었다.9 is a graph showing the output of the device in various electrolytes. a) shows the output according to the concentration of NaCl. As the concentration of NaCl increases to 0.6 M, the output also increases, but when the concentration of NaCl further increases, the output decreases. This is thought to be because NaCl is precipitated as water evaporates from the top of the conical structure when the concentration of NaCl is too high. The output at 0.6 M NaCl is 107.79 mW/m2, which is more than eight times higher than that of water.

전해질이 출력 향상에 유리한 것을 확인함에 따라 양이온 또는 음이온의 종류가 출력에 미치는 영향을 파악하였다. 이때 전해질의 농도는 0.6 M로 고정하였다. 도 9의 b)는 음이온의 영향을, c)는 양이온의 영향을 보여주는 것으로, 음이온은 크기가 증가할수록 출력이 향상되어 0.6M NaBr을 사용한 경우 출력이 255.67 mW/㎡까지 향상되었다. 양이온은 크기에 따른 경향성을 나타내지는 않았으며, 0.6M KCl을 사용한 경우 505.69 mW/㎡으로 종래기술의 하이브리드 시스템에 비해서도 높은 출력을 나타내었다. 더욱 괄목할만한 점은 양이온에 따라 암조건에서의 출력 역시 크게 증가하여 0.6M KCl을 사용한 경우 252.4 mW/㎡, 0.6M CaCl2를 사용한 경우 266.2 mW/㎡의 값을 나타내었다.As it was confirmed that the electrolyte was advantageous in improving the output, the effect of the type of positive or negative ions on the output was identified. At this time, the concentration of the electrolyte was fixed to 0.6 M. 9B shows the effect of negative ions and c) shows the effect of positive ions. As the size of the negative ions increases, the output improves, and when 0.6M NaBr is used, the output increases to 255.67 mW/m2. Cations did not show a tendency according to the size, and when 0.6M KCl was used, the output was 505.69 mW/m2, which was higher than that of the conventional hybrid system. More remarkably, the output in dark conditions also increased significantly depending on the cations, resulting in a value of 252.4 mW/㎡ when 0.6M KCl was used and 266.2 mW/㎡ when 0.6M CaCl 2 was used.

연못 물이나 바닷물은 다양한 이온을 함유하는 것으로 알려져 있다. 이에 충남대학교 연못에서 채취한 물과, 바닷물을 사용하여 출력을 측정하였다. d)는 그 결과를 보여준 것으로 이들 역시 물 보다는 높은 출력을 나타내었다.Pond water and seawater are known to contain various ions. Accordingly, the output was measured using water collected from a pond at Chungnam National University and seawater. d) shows the results, which also showed higher output than water.

4) 직렬연결 및 병렬연결에 의한 전기 생산능 평가4) Evaluation of electricity production capability by serial connection and parallel connection

수증기와 전기 동시 생산용 장치의 출력을 직렬연결과 병렬연결을 통해 증폭시킬 수 있을 것으로 예상하고, 이를 실시예를 통하여 확인하였다. It is expected that the output of the device for simultaneous production of steam and electricity can be amplified through serial connection and parallel connection, and this was confirmed through Examples.

실시예 1에 기재된 방법에 의해 동일한 원뿔구조의 장치 4개를 제조한 후, 각각의 장치와 4개의 장치를 직렬로 연결한 장치 및 4개의 장치를 병렬로 연결한 장치에 대해 암조건에서 I-V 곡선 및 I-V 곡선으로부터 계산된 출력 곡선를 얻었다. 도 10의 a)와 b)는 그 결과를 보여주는 그래프로, 먼저 4개의 장치 각각은 개로전압이 0.65 V, 단락전류가 27 ㎂로 재현성이 우수함을 확인할 수 있다. 직렬연결에 의해 장치의 개로전압은 2.3V로 증폭되었으며, 병렬연결에 의해 단락전류가 120 ㎂로 증가하였다. c)는 직렬연결된 장치의 사진과 개로전압을 시간의 함수로 나타낸 그래프로, 55,000초 동안 일정한 개로전압 2.3 V를 유지하는 것을 보여주어 본 발명의 장치가 장기간 전기 생산을 위한 실질적인 수증기와 전기 동시 생산용 장치로 사용될 수 있음을 보여준다.After manufacturing 4 devices of the same conical structure by the method described in Example 1, IV curves in dark conditions for a device in which each device and 4 devices are connected in series and a device that is connected 4 devices in parallel And an output curve calculated from the IV curve was obtained. 10A and 10B are graphs showing the results. First, it can be seen that each of the four devices has excellent reproducibility with an open-circuit voltage of 0.65 V and a short-circuit current of 27 ㎂. The open circuit voltage of the device was amplified to 2.3V by serial connection, and the short circuit current increased to 120 ㎂ by parallel connection. c) is a graph showing a photograph of a series-connected device and an open-circuit voltage as a function of time, showing that a constant open-circuit voltage of 2.3 V is maintained for 55,000 seconds, so that the device of the present invention produces substantial water vapor and electricity simultaneously for long-term electricity production. It shows that it can be used as a dragon device.

Claims (9)

금속 전극을 제1전극으로,
속이 빈 원뿔, 각뿔, 원뿔대 또는 각뿔대의 구조를 갖는 다공성의 친수성 고분자 기재 상에 증착된 탄소구조체층을 제2전극으로 하며,
상기 제1전극이 잠겨진 물에 상기 친수성 고분자 기재의 밑면이 접촉하여 부유된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The metal electrode as the first electrode,
A carbon structure layer deposited on a porous hydrophilic polymer substrate having a hollow cone, pyramidal cone, truncated cone or pyramidal structure as a second electrode,
An apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that the first electrode is used in a suspended state by contacting the bottom surface of the hydrophilic polymer substrate with water immersed in the first electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 제1전극은 Fe, Zn, Al, Ni, Mg으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 금속 또는 둘 이상의 금속의 합금인 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method of claim 1,
The first electrode is a device for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that one metal selected from the group consisting of Fe, Zn, Al, Ni, and Mg or an alloy of two or more metals.
제 1 항에 있어서,
상기 친수성 고분자는 종이, 면, 셀룰로오스계 수지, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알콜, 폴리아미드, 폴리에테르설폰, 폴리에틸렌글리콜 및 친수성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method of claim 1,
The hydrophilic polymer is water vapor and electricity, characterized in that it is made of at least one selected from the group consisting of paper, cotton, cellulose resin, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyamide, polyethersulfone, polyethylene glycol, and hydrophilic polyurethane. Devices for simultaneous production.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소구조체는 카본블랙, 풀러렌, 카본나노튜브, 그래핀, 카본닷, 탄소섬유 및 전도성 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method of claim 1,
The carbon structure is an apparatus for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbon black, fullerene, carbon nanotube, graphene, carbon dot, carbon fiber and conductive carbon.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소구조체층은 10~100 ㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The carbon structure layer is a device for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that the thickness of 10 ~ 100 ㎛.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원뿔, 각뿔, 원뿔대 또는 각뿔대의 꼭지각은 10~170°인 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The device for simultaneous production of water vapor and electricity, characterized in that the apex angle of the cone, pyramid, truncated cone, or truncated cone is 10 to 170°.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수증기와 전기 동시 생산용 장치는 광조사 여부와 무관하게 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The apparatus for simultaneous production of steam and electricity is an apparatus for simultaneous production of steam and electricity, characterized in that it generates electricity irrespective of whether or not irradiated with light.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물에는 전해질이 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치.
The method according to any one of claims 1 to 4,
An apparatus for simultaneous production of steam and electricity, characterized in that an electrolyte is dissolved in the water.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 의한 수증기와 전기 동시 생산용 장치를 직렬 또는 병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 수증기와 전기 동시 생산용 장치. An apparatus for simultaneous production of steam and electricity, characterized in that the device for simultaneous production of steam and electricity according to any one of claims 1 to 4 is connected in series or in parallel.
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