KR102431792B1 - 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 - Google Patents

코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및 통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고, 상기 시스는 통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층; 상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및 상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층;을 포함하는 것인, 전극에 관한 것이다. 또한 본 발명은 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 적은 힘으로도 에너지를 생성할 수 있는 전기화학 기반의 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.

Description

코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 {CORE-SHEATH STRUCTURED ELECTRODE, ENERGY HARVESTER COMPRISING SAME AND METHOD OF FABRICATING SAME}
본 발명은 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 전기화학 기반의 에너지 하베스터를 제조할 수 있는 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting, 또는 에너지 수확 등으로도 지칭 가능함)은 소정의 방법으로 외부의 에너지를 수집하고 이를 전기 에너지로 변환하는 방법이나 기술을 의미한다. 또한 에너지 하베스터(energy harverster)는 이와 같은 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 전자 또는 기계 장치를 의미한다. 예를 들어, 에너지 하베스터는 태양 에너지나 인체의 운동에너지 등을 장치의 특성에 따라서 대응하는 전기 에너지로 변환하여 이용 또는 축적할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 기술은 화석 연료의 연소나 원자력 발전 등을 이용하지 않고도 에너지를 확보 가능하기 때문에 친환경 에너지 기술로 각광 받고 있다. 또한 근래에 다양한 물리 현상들을 이용하는 에너지 하베스팅 기술이 소개되고 있다. 예를 들어, 물체의 온도 차를 이용하여 전기 에너지를 획득(열전 효과)하는 기술, 압전 소자에 진동을 가하여 전기적 에너지를 획득(압전 효과)하는 기술, 태양열을 이용하여 전기적 에너지를 획득하는 기술 및/또는 마찰에 의해 정전기가 발생됨을 이용하여 전기적 에너지를 획득(마찰 전기 효과(Triboelectric effect))하는 기술 등이 소개되고 있다.
종래의 전기화학 기반 에너지 하베스터는 탄소나노튜브 섬유를 꼬아 만든 코일 구조의 탄소나노튜브 섬유를 전해질 내에 침지시키고, 기계적 스트레칭을 통한 탄소나노튜브 섬유 내의 밀도 변화를 통해 전기화학적 유효 표면적 변화를 유도하였다. 그러나 상기 에너지 하베스터는 코일 구조의 탄소나노튜브 섬유를 잡아 당겨야 하기 때문에 큰 힘이 요구되는 문제가 있었다.
대한민국 특허공개공보 제10-2018-0013549호 대한민국 특허공개공보 제10-2020-0024255호
본 발명의 목적은 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 전기화학 기반의 에너지 하베스터를 제조할 수 있는 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 적은 힘으로도 에너지를 생성할 수 있는 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 빠른 변화보다 느린 변화의 감지를 요구하는 분야에서 하베스터 또는 센서로 활용 가능한 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및 통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고, 상기 시스는 통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층; 상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및 상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층;을 포함하는 것인, 전극이 제공된다.
상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 다각기둥형이 삼각기둥형, 사각기둥형, 오각기둥형, 육각기둥형, 칠각기둥형, 및 팔각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄성체가 실리콘 러버(silicone rubber), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR),아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber), 액정 엘라스토머(liquid crystal elastomer) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS), 나피온 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도체가 좌굴된(buckling) 것일 수 있다.
상기 전도체가 탄소나노튜브 시트, 탄소나노튜브 얀, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노어니언, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 그래핀, 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도체가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
상기 열경화성 고분자가 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 인장력을 제거함에 따라 상기 빈 공간이 제거될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 전극을 포함하고, 스트레인 또는 압력을 측정하는 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 전극을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 전해질;을 포함하는 에너지 하베스터가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core)를 제공하는 단계; 및 (b) 통형인 시스(sheath)를 상기 탄성 코어를 둘러싸도록 위치시키는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (b)는 (b-1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 변형시켜 상기 탄성 코어를 상기 길이방향으로 신장시키고 상기 길이방향의 수직방향으로 수축시키는 단계; (b-2) 변형된 상기 탄성 코어 상에 전도체를 코팅하여 상기 전도체를 포함하는 내부 전도층을 형성하는 단계; 및 (b-3) 상기 내부 전도층 상에 친수성 고분자를 코팅하여 상기 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층을 형성하는 단계; (b-4) 상기 내부 전도층 및 친수성 중간층이 코팅된 탄성 코어로부터 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 코어를 길이방향으로 수축시키고, 상기 길이방향의 수직방향으로 신장시키는 단계; 및 (b-5) 길이방향으로 수축된 상기 탄성 코어 상에 위치하는 상기 친수성 중간층 상에 열경화성 고분자를 코팅하여 열경화성 고분자를 포함하는 외부 고정층을 형성하는 단계;를 포함하는 전극의 제조방법이 제공된다.
상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전도체가 탄소나노튜브 시트, 탄소나노튜브 얀, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노어니언, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 그래핀, 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 에너지 하베스터를 사용하고, (1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 빈 공간의 내부로 전해질이 침투하여 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 증가함으로써 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 감소하는 단계;를 포함하는 전기 에너지 생성방법이 제공된다.
단계 (2) 후에, 상기 탄성 코어에 인가된 인장력을 제거하여 상기 빈 공간을 제거함으로써 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 감소하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 증가하는 단계 (3);을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 코어-시스 구조의 전극, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 전기화학 기반의 에너지 하베스터를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 코어-시스 구조의 전극을 사용함으로써, 적은 힘으로도 에너지를 생성할 수 있다.
또한 본 발명은 빠른 변화보다 느린 변화의 감지를 요구하는 분야에서 하베스터 또는 센서로 활용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극의 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키는 모습을 보여주는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극을 에너지 하베스터에 적용한 모습을 나타내는 모식도이다.
도 4는 실시예 2에 따른 에너지 하베스터에 사용된 실시예 1에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키기 전과 후의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 그래프이다.
도 5는 실시예 2에 따른 에너지 하베스터에 사용된 실시예 1에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키기 전과 후의 OCV 측정 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 전극, 그를 포함하는 센서 및 에너지 하베스터에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및 통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고, 상기 시스는 통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층; 상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및 상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층;을 포함하는 것인, 전극을 제공한다.
상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 다각기둥형이 삼각기둥형, 사각기둥형, 오각기둥형, 육각기둥형, 칠각기둥형, 및 팔각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 기둥형이 원기둥형을 포함할 수 있다.
상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 통형이 원통형을 포함할 수 있다.
상기 탄성체가 실리콘 러버(silicone rubber), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR),아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber), 액정 엘라스토머(liquid crystal elastomer) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 탄성체는 인장력(stretching)에 의해 부피 변화가 쉽게 일어나는 재료라면 이에 한정되지 않고 사용할 수 있다.
상기 탄성체를 포함하는 탄성 코어는 상기 전도체를 포함하는 상기 내부 전도층의 전기화학적 유효 면적을 바꾸는 역할을 할 수 있다.
상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS), 나피온 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한 상기 친수성 고분자가 상기 나피온과 같이 고분자 전해질막으로 사용될 수 있는 고분자 전해질을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층은 전해질이 이동할 수 있는 통로 역할을 할 수 있고, 상기 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층은 생략될 수 있다.
상기 전도체가 좌굴된(buckling) 것일 수 있다.
상기 전도체가 탄소나노튜브 시트, 탄소나노튜브 얀, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노어니언, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 그래핀, 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 전도체가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
상기 전도체(탄소나노튜브)는 전해질 내에서 자가 전위를 가지며, 전기화학적 이중층을 형성하는 역할을 할 수 있다.
상기 열경화성 고분자가 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 열경화성 고분자를 포함하는 외부 고정층은 상기 내부 전도층 및 상기 친수성 중간층을 고정시키는 역할을 할 수 있다.
상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 인장력을 제거함에 따라 상기 빈 공간이 제거될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 전극을 포함하고, 스트레인 또는 압력을 측정하는 센서를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전극을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 전해질;을 포함하는 에너지 하베스터를 제공한다.
또한 코어-시스(core-sheath) 구조의 전극을 포함하는 에너지 하베스터는 적은힘으로 코어(실리콘 러버)를 움직여 에너지를 생성할 수 있고, 시스의 내부 전도층을 나노구조의 탄소나노튜브를 사용하여 넓은 비 표면적을 통해 보다 효율적으로 에너지를 생성할 수 있다. 다만 코어를 당길때(인장력을 인가할 때)는 전압의 변화속도가 크지만, 인장력을 제거하여 코어가 원상태로 돌아갈 때는 속도가 느려 전압의 변화속도가 느리다. 이로 인해 빠른 변화보다 느린 변화가 요구되는 분야에서 하베스터 또는 센서로 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
도 1은 본 발명에 따른 전극의 제조방법을 나타내는 모식도이다. 이하 도 1을 참조하여 전극의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 전극의 제조방법은 (a) 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core)를 제공하는 단계; 및 (b) 통형인 시스(sheath)를 상기 탄성 코어를 둘러싸도록 위치시키는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (b)는 (b-1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 변형시켜 상기 탄성 코어를 상기 길이방향으로 신장시키고 상기 길이방향의 수직방향으로 수축시키는 단계; (b-2) 변형된 상기 탄성 코어 상에 전도체를 코팅하여 상기 전도체를 포함하는 내부 전도층을 형성하는 단계; 및 (b-3) 상기 내부 전도층 상에 친수성 고분자를 코팅하여 상기 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층을 형성하는 단계; (b-4) 상기 내부 전도층 및 친수성 중간층이 코팅된 탄성 코어로부터 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 코어를 길이방향으로 수축시키고, 상기 길이방향의 수직방향으로 신장시키는 단계; 및 (b-5) 길이방향으로 수축된 상기 탄성 코어 상에 위치하는 상기 친수성 중간층 상에 열경화성 고분자를 코팅하여 열경화성 고분자를 포함하는 외부 고정층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전도체가 탄소나노튜브 시트, 탄소나노튜브 얀, 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 탄소나노혼, 탄소나노어니언, 흑연, 탄소섬유, 카본블랙, 그래핀, 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 전도체가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 에너지 하베스터를 사용하고, (1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 빈 공간의 내부로 전해질이 침투하여 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 증가함으로써 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 감소하는 단계;를 포함하는 전기 에너지 생성방법이 제공된다.
단계 (2) 후에, 상기 탄성 코어에 인가된 인장력을 제거하여 상기 빈 공간을 제거함으로써 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 감소하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 증가하는 단계 (3);을 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키는 모습을 보여주는 모식도이고, 상기 탄성 코어를 인장함으로써 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간이 형성되는 단계 (1)이 도 2를 참조하여 수행될 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 코어-시스(core-sheath) 구조의 전극 제조
기둥형의 실리콘 러버를 초기 길이 대비 400% 인장시키고, 인장된 상기 실리콘 러버의 표면에 탄소나노튜브 시트(밀도: 1.7 ug/cm2) 2겹을 실리콘 러버의 길이 방향으로 평행하게 붙인다. 실리콘 러버의 표면에 붙은 탄소나노튜브 시트에 에탄올을 적시고 말리면 덴시피케이션(densification)이 되며 표면에 잘 붙게 된다. 이 방식으로 내부 전도층을 제조하였다. 이후 친수성 폴리우레탄을 에탄올에 5wt%로 녹인 용액을 상기 내부 전도층의 표면 상에 길이방향으로 드랍핑하고 에탄올이 증발되는 방식으로 코팅하여 친수성 중간층을 제조하고, 인장력을 제거하여 상기 실리콘 러버를 초기 상태로 릴리즈(release)하였다. 그리고 상기 내부 전도층과 상기 친수성 중간층을 고정하기 위해 상기 친수성 중간층의 표면 상에 5 min epoxy(제조사: Permatex)를 사용하였고 굳기전에 코팅하여 외부 고정층을 제조하여 코어-시스 구조의 전극을 제조하였다.
실시예 2: 에너지 하베스터 제조
도 3을 참조하여 설명하면, 구멍(mesh)의 크기가 가로 1mm, 세로 1mm인 백금 메쉬(Pt mesh)를 상대전극으로 사용하고, 실시예 1에 따라 제조된 전극을 작업전극으로 사용하였다. 상기 상대전극 및 작업전극을 0.1M HCl에 침지시키고, 상기 상대전극과 작업전극을 서로 연결하여 에너지 하베스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 측정
도 4는 실시예 2에 따른 에너지 하베스터에 사용된 실시예 1에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키기 전과 후의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry) 그래프이다.
도 4에 따르면, 탄성 코어인 실리콘 러버를 인장시키기 전보다 인장시킨 후의 축전용량(capacitance)이 249.3% 증가한 것을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 개방회로전압(OCV) 측정
도 5는 실시예 2에 따른 에너지 하베스터에 사용된 실시예 1에 따른 전극의 탄성 코어를 인장시키기 전과 후의 OCV 측정 그래프이다.
도 5에 따르면, 탄성 코어인 실리콘 러버를 인장시킬 때마다 62 mV의 전압이 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 코어-시스 구조의 전극의 실리콘 러버(코어)를 잡아당기면 탄소나노튜브 시트(시스-내부 전도층)의 전기화학적 유효 표면적이 증가하여 전압이 내려가고, 놓으면 실리콘 러버(코어)가 원상태로 되돌아가 탄소나노튜브 시트(시스-내부 전도층)의 전기화학적 유효 표면적을 감소시키며 전압이 올라가는 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및
    통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고,
    상기 시스는
    통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층;
    상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및
    상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층; 을 포함하고,
    상기 전도체가 탄소나노튜브 시트를 포함하는 것인, 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다각기둥형이 삼각기둥형, 사각기둥형, 오각기둥형, 육각기둥형, 칠각기둥형, 및 팔각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체가 실리콘 러버(silicone rubber), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR),아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber), 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber), 액정 엘라스토머(liquid crystal elastomer) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리도파민, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)(PEDOT:PSS), 나피온 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도체가 좌굴된(buckling) 것을 특징으로 하는 전극.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도체가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성 고분자가 에폭시 수지, 불포화 폴리에스터 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인장력을 제거함에 따라 상기 빈 공간이 제거되는 것을 특징으로 하는 전극.
  13. 전극을 포함하는 스트레인 또는 압력을 측정하는 센서이고,
    상기 전극이
    기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및
    통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고,
    상기 시스는
    통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층;
    상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및
    상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층; 을 포함하고,
    상기 전도체가 탄소나노튜브 시트를 포함하는 것인, 스트레인 또는 압력을 측정하는 센서.
  14. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 전극이
    기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및
    통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고,
    상기 시스는
    통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층;
    상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및
    상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층; 을 포함하고,
    상기 전도체가 탄소나노튜브 시트를 포함하는 것인, 에너지 하베스터.
  15. (a) 기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core)를 제공하는 단계; 및
    (b) 통형인 시스(sheath)를 상기 탄성 코어를 둘러싸도록 위치시키는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 (b)는
    (b-1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 변형시켜 상기 탄성 코어를 상기 길이방향으로 신장시키고 상기 길이방향의 수직방향으로 수축시키는 단계;
    (b-2) 변형된 상기 탄성 코어 상에 전도체를 코팅하여 상기 전도체를 포함하는 내부 전도층을 형성하는 단계; 및
    (b-3) 상기 내부 전도층 상에 친수성 고분자를 코팅하여 상기 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층을 형성하는 단계;
    (b-4) 상기 내부 전도층 및 친수성 중간층이 코팅된 탄성 코어로부터 상기 인장력을 제거하여 상기 탄성 코어를 길이방향으로 수축시키고, 상기 길이방향의 수직방향으로 신장시키는 단계; 및
    (b-5) 길이방향으로 수축된 상기 탄성 코어 상에 위치하는 상기 친수성 중간층 상에 열경화성 고분자를 코팅하여 열경화성 고분자를 포함하는 외부 고정층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 전도체가 탄소나노튜브 시트를 포함하는 것인, 전극의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기둥형이 원기둥형, 타원기둥형 및 다각기둥형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 통형이 원통형, 타원통형 및 다각통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치하는 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 전극이
    기둥형이고, 탄성체를 포함하는 탄성 코어(elastic core); 및
    통형이고, 상기 탄성 코어를 둘러싸서 위치하는 시스(sheath);를 포함하고,
    상기 시스는
    통형이고, 친수성 고분자를 포함하는 친수성 중간층;
    상기 친수성 중간층의 내부 표면 상에 형성되고, 전도체를 포함하는 내부 전도층; 및
    상기 친수성 중간층의 외부 표면 상에 형성되고, 열경화성 고분자(thermosetting polymer)를 포함하는 외부 고정층; 을 포함하고,
    상기 전도체가 탄소나노튜브 시트를 포함하는 에너지 하베스터를 사용하고,
    (1) 상기 탄성 코어에 상기 기둥형의 길이방향으로 인장력을 인가하여 인장함에 따라 상기 탄성 코어와 상기 시스 사이에 빈 공간을 형성하는 단계; 및
    (2) 상기 빈 공간의 내부로 전해질이 침투하여 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 증가함으로써 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 감소하는 단계; 를
    포함하는 전기 에너지 생성방법.
  20. 제19항에 있어서,
    단계 (2) 후에,
    상기 탄성 코어에 인가된 인장력을 제거하여 상기 빈 공간을 제거함으로써 상기 내부 전도층의 전기 화학적 유효 표면적이 감소하여 제1 전극과 제2 전극 사이의 전위차가 증가하는 단계 (3);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 생성방법.
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