KR102452410B1

KR102452410B1 - 컬럼형 증산 발전기 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102452410B1
Application number: KR1020200157959A
Authority: KR
Inventors: 정다운; 이승환
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-10-11
Also published as: KR20220070911A

Abstract

본 발명의 일 실시예는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 포함하는 컬럼형 증산 발전기 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용함으로써, 물 또는 주변의 수분을 이용하여 지속 및 자가 발전이 가능하므로 친환경적이면서도 향상된 전력 발전 성능을 갖는 차세대 에너지 하베스팅을 위한 컬럼형 증산 발전기 및 이의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.

Description

컬럼형 증산 발전기 및 이의 제조방법{Column type transpiration generator and its manufacturing method}

본 발명은 차세대 에너지 하베스팅 기술로 활용 가능한 증산 발전기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column)을 이용하여 발전 출력을 향상시킨 것을 특징으로 하는 증산 발전기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

과거에는 전기 생산을 위한 에너지원으로 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료가 주로 사용되었다. 그러나, 화석 연료는 매장량이 한정되어 있을 뿐만 아니라 화석 연료를 이용한 전력 생산 방식은 대규모 생산 시설이 필요하고 많은 양의 이산화탄소를 배출하므로 환경 오염의 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 친환경 대체 에너지에 관한 연구가 많이 이루어졌고, 그 중에서도 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 많은 관심을 받고 있다. 에너지 하베스팅은 자연에 존재하는 물, 공기 및 태양과 같은 친환경적이고 풍부한 물질 또는 자연스럽게 얻어지는 에너지를 전기에너지로 바꾸어 활용 가능하도록 하는 신재생 에너지 기술이다. 이 기술을 이용하면 기존에 사용했던 일회용의 화석 연료를 대체하여 에너지 수급이 가능하며 지속 가능한 에너지를 얻을 수 있다. 또한, 화석 연료 등의 에너지원에 대한 대규모 비용을 지불하는 발전소와는 달리, 에너지 하베스팅 기술은 주변 환경에서 낭비되는 에너지를 이용하기 때문에 비용 소모가 거의 없다는 장점이 있다.

1960년 온실효과로 인한 지구온난화 문제가 처음 제기된 후부터, 전술한 에너지 하베스팅 기술들은 환경 친화적인 에너지로 인식되어 많은 주목을 받았다. 또한 1970년대 겪은 두 차례의 석유 파동 이후, 비석유권 국가들은 화석 연료를 대체할 값싼 에너지원에 대한 필요성을 느껴 비용 소모가 거의 없는 에너지 하베스팅 기술에 대한 연구를 활발히 진행하여 왔다.

그러나, 종래의 차세대 에너지 하베스팅 기술들은, 주변 환경에 존재하는 자연 물질을 이용하여 자연스러운 반응을 통한 에너지 생산이 가능하게 하므로 환경 오염 없이 전력 생산이 가능하다는 장점이 있었으나, 복잡한 에너지 생산 장비 및 구성이 요구되거나, 또는 생성 가능한 전압 및 전류가 상당히 낮아 실제 상용화를 위한 충분한 전력 생산량 또는 발전 출력을 제공하지 못한다는 문제점이 있어, 친환경 및 지속 가능하면서도 실용 가능한 충분한 전력 생산이 가능한 에너지 하베스팅 기술을 개발하기 위한 여전히 많은 도전과 장애가 있다.

대한민국 등록특허 제1311390호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용하여, 물 또는 주변의 수분을 이용하여 지속 및 자가 발전이 가능하므로 친환경적이면서도 충분한 발전 출력의 확보가 가능한 차세대 에너지 하베스팅을 위한 컬럼형 증산 발전기 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 컬럼형 증산 발전기를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 컬럼형 증산 발전기는, 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하되, 상기 나노 섬유 컬럼은, 복수개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 하여, 상기 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하고, 상기 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 흡착 물질은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 섬유 다발은, 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 극성 용매는, 담수 및 해수를 포함하는 물, 아세트산, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 메탄올, 아이소프로판올 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 극성 용매가 흡착되는 상기 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포된 것을 특징으로 하여, 상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 컬럼형 증산 발전기의 제조방법은, 복수개의 친수성 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 형성된 다발 형태의 나노 섬유 컬럼(column)을 준비하는 단계; 상기 나노 섬유 컬럼에 코팅할 흡착 물질을 포함하는 흡착 용액을 준비하는 단계; 상기 나노 섬유 컬럼의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시켜, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 상기 나노 섬유 가닥을 1차적으로 코팅시키는 흡착 물질 1차 코팅 단계; 상기 컬럼을 뒤집어서 상기 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시켜 상기 나노 섬유 가닥을 2차적으로 코팅시키는 흡착 물질 2차 코팅 단계; 및 상기 흡착 물질이 코팅된 상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.

상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계에서 준비되는 상기 나노 섬유 컬럼은, 냉간 등방압 가공법(Cold Isostatic Pressing, CIP)을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계에서의 상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 흡착 용액을 준비하는 단계에서의 상기 흡착 용액은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질, 증류수 및 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계 이후에, 상기 건조된 나노 섬유 컬럼의 일단에 흡습제를 도포하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용함으로써, 물 또는 주변의 수분을 이용하여 지속 및 자가 발전이 가능하므로 친환경적이면서도 향상된 전력 발전 성능을 갖는 차세대 에너지 하베스팅을 위한 컬럼형 증산 발전기를 제공 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡착 물질이 균일하게 코팅되어 안정적인 전류 흐름 특성을 가지므로 지속 및 친환경 발전이 가능한 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 윗면의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 옆면의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 컬럼형 증산 발전기 제조방법 중, 흡착 물질 1차 코팅 단계(S300), 흡착 물질 2차 코팅 단계(S400) 및 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계(S500)의 공정 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1에 사용한 셀룰로오스 필터의 사진 및 개략적인 모식도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 2를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 비교예 2를 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 윗면의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기 옆면의 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기는, 흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하되,

상기 나노 섬유 컬럼은, 복수개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 하여,

상기 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하고,

상기 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

전술한 본 발명의 전기 에너지 생성 원리는 '증산 발전 원리'를 이용한 것으로, 상기 증산 발전 원리를 더욱 자세하게 설명하면, 상기와 같이 상기 친수성 나노 섬유에 상기 전도성을 갖는 탄소 물질이 코팅된 상태에서, 상기 컬럼의 일단에만 극성 용매가 상기 탄소 물질에 흡착되게 되면, 표면 에너지를 낮추기 위하여 이온들의 물리적 흡착이 상기 탄소 물질 표면에 이루어지게 된다. 이로 인해 전기 이중층(double layer)이 형성되고 커패시턴스(Capacitance) 차이에 의해 유도된 전위차가 상기 극성 용매가 흡착된 젖은 부분과 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 마른 부분 간에 형성되게 된다. 이러한 커패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 유지되게 된다. 여기에, 상기와 같이 다공성 셀룰로오스로 이루어진 친수성 나노 섬유 가닥은, 극성 용매에 대한 높은 흡수력을 갖는 것을 특징으로 하므로, 모세관 현상에 따라 극성 용매가 상기 친수성 나노 섬유 가닥의 일단에서 타단으로 자연스럽게 확산 및 증발되며 이와 함께 사이 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온(proton)이 함께 이동하며, 이와 전하적인 중성(charge neutrality)을 유지하기 위하여 탄소 흡착 물질 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하게 되어 전류가 흐를 수 있게 된다.

본 발명은 이러한 증산 발전 원리를 이용하여 우리 주변에 흔히 존재하는 물, 특히 식용으로 사용 불가능한 버려지는 수자원을 극성 용매로 이용하여 지속적인 자가 발전이 가능한 발전기를 제공하되,

상기 친수성 나노 섬유 가닥들을 길이 방향으로 평행하게 배열하여 다발 형태의 컬럼(column)으로 구성함으로써 용매의 용이한 이동을 가능하게 하여 용매 확산 속도를 향상시켰을 뿐 아니라, 상기 친수성 나노 섬유 소재를 용매의 흡습과 증발이 빠르면서도 생분해 가능한 특성을 갖는 셀룰로오스 계열의 소재로 구성함으로써 생산 가능한 전력량을 향상시키고 친환경적 특성을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 흡착 물질은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공 탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 하는 것일 수 있으나, 전술한 본 발명의 증산 발전을 위한 커패시턴스 구배를 형성 가능한 물질이라면 제한 없이 이용 가능하다.

이때, 상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있으며, 가장 바람직하게는, 시중에서 쉽게 공정 가능하여 제조 원가 절감이 가능한 특성을 갖는 셀룰로오스 아세테이트인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같이 극성 용매에 대한 흡습 및 증발 특성이 매우 뛰어난 천연 물질인 셀룰로오스를 컬럼 소재로 이용함으로써, 자연 분해가 가능하면서도 높은 전력 생산이 가능하다.

이때, 상기 섬유 다발은, 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 극성 용매의 이동을 용이하게 하여 확산 속도를 향상 가능한 형태라면 제한 없이 사용될 수 있다.

또한, 상기 컬럼은, 복잡한 경로를 갖도록 컬럼 여러 개를 연결하여 사용하거나 구부리는 등의 형태적인 변형을 통하여, 극성 용매의 확산 속도를 조절함으로써, 전력 생산량을 제어 가능하도록 다양한 형태로 구성될 수 있다.

이때, 상기 극성 용매는, 담수 및 해수를 포함하는 물, 아세트산, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 메탄올, 아이소프로판올 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있고, 가장 바람직하게는, 풍부한 양으로 존재하나 식용이 불가능하므로 자원의 효율적 활용이 가능한 해수인 것을 특징으로 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전술한 상기 증산 발전이 가능한 특성을 갖는 용매라면 제한 없이 이용 가능하다.

상기 극성 용매가 흡착되는 상기 컬럼의 일단에는, 흡습제가 도포될 수 있다.

상기와 같이, 상기 컬럼의 일단에만 흡습제를 도포하여, 상기 일단에만 도포된 흡습제가 대기 중에 존재하는 수분을 자연스럽게 흡수하면, 상기 흡수된 수분이 전술한 바와 같은 농도 구배를 형성함으로써 대기 중의 수분만으로도 지속적인 자가 발전이 가능하도록 구성할 수 있다.

상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 물의 자연적 확산 특성 및 농도 구배를 이용한 증산 발전 원리를 이용함으로써, 물 또는 주변의 수분을 이용하여 지속 및 자가 발전이 가능하므로 친환경적이면서도 충분한 발전 출력의 확보가 가능한 차세대 에너지 하베스팅을 위한 컬럼형 증산 발전기를 제공 가능한 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기의 제조방법은, 복수개의 친수성 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 형성된 다발 형태의 나노 섬유 컬럼(column)을 준비하는 단계(S100); 상기 나노 섬유 컬럼에 코팅할 흡착 물질을 포함하는 흡착 용액을 준비하는 단계(S200); 상기 나노 섬유 컬럼의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시켜, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 상기 나노 섬유 가닥을 1차적으로 코팅시키는 흡착 물질 1차 코팅 단계(S300); 상기 컬럼을 뒤집어서 상기 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시켜 상기 나노 섬유 가닥을 2차적으로 코팅시키는 흡착 물질 2차 코팅 단계(S400); 및 상기 흡착 물질이 코팅된 상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계(S500);를 포함하는 것일 수 있다.

상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계(S100)에서 준비되는 상기 나노 섬유 컬럼은, 냉간 등방압 가공법(Cold Isostatic Pressing, CIP)을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 냉간 등방압 가공법은, 주로 담배 필터를 제조하는데 이용 가능한 재료 가공 방법의 하나로, 액압을 이용해서 피처리체에 등방압을 가하는 것을 특징으로 하므로 등방적인 압력이 작용하기 때문에 밀도가 균일하고 방향성이 적은 성형체를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명과 같이 상기 냉간 등방압 가공법을 통해 제조된 나노 섬유 컬럼을 이용하면, 균일한 섬유 밀도를 갖는 컬럼의 제조가 가능하므로, 흡착 물질 코팅이 뭉침 없이 균일하게 코팅 가능하며 극성 용매의 이동 또한 용이한 구조를 갖는 나노 섬유 컬럼을 이용 가능한 효과가 있다.

상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계(S100)에서의 상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기와 같은 셀룰로오스 소재를 사용함으로써 얻을 수 있는 본 발명의 효과는 전술한 실시예의 것과 같으므로 설명을 생략한다.

상기 흡착 용액을 준비하는 단계(S200)에서의 상기 흡착 용액은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질, 증류수 및 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

더욱 자세하게는, 상기 흡착 용액은, 탄소 입자가 분산된 용액에 계면 활성제를 첨가하여 음파 처리하여 탄소 입자를 용액 내 고르게 분산시켜 제조된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

도 4는 본 발명의 컬럼형 증산 발전기 제조방법 중, 흡착 물질 1차 코팅 단계(S300), 흡착 물질 2차 코팅 단계(S400) 및 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계(S500)의 공정 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 상기 흡착 물질 1차 코팅 단계(S300) 및 흡착 물질 2차 코팅 단계(S400)에서는, 상기와 같이 준비된 상기 나노 섬유 컬럼(도 4의 Cellulose Nanofiber Cylinder)의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시키고, 상기 컬럼을 뒤집어서 상기 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시켜 상기 나노 섬유 가닥을 2차적으로 코팅시키는 방식으로 흡착 물질을 코팅하는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 과정 없이 단순하게 디핑(dipping)을 통하여 컬럼 전체를 한꺼번에 디핑시켜 흡착 물질을 코팅시키는 경우, 흡착 물질이 균일하게 코팅되지 못하고 컬럼의 내부보다 외부에 흡착 물질이 상대적으로 더 많이 흡착되게 되어 컬럼 내 내부 저항과 외부 저항 간의 차이가 발생하게 되어 전류가 불균일하게 흐르게 된다는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같이 1차와 2차로 나누어 컬럼에 흡착 물질을 코팅시킴으로써, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 섬유 가닥이 균일하게 코팅되면서도 컬럼의 양 단 또한 균일하게 코팅 가능하다.

본 발명의 상기 컬럼형 증산 발전기 제조방법은, 상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계(S500) 이후에, 상기 건조된 나노 섬유 컬럼의 일단에 흡습제를 도포하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기와 같이 일단에 흡습제를 도포함으로써 얻을 수 있는 본 발명의 효과는 전술한 실시예의 것과 같으므로 설명을 생략한다.

상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡착 물질이 균일하게 코팅되어 안정적인 전류 흐름 특성을 가지므로 지속 및 친환경 발전이 가능한 컬럼형 증산 발전기의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.

이하에서는 제조예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1>

본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기를 제조하였다.

상기 컬럼형 증산 발전기를 제조하기 위하여, 먼저 길이 30 mm, 직경 7.7 mm를 갖는 셀룰로오스 필터(Cellulose filter)를 준비하여, 케첸 블랙 카본 용액에 길이의 1/10씩 양쪽 모서리를 10 초 동안 담구어 흡착 물질을 코팅한 후, 한쪽에 CaCl₂(3.3 mol/L) 0.1ml를 뿌려 제조하였다.

도 5는 본 발명에 사용한 셀룰로오스 필터의 사진 및 개략적인 모식도를 나타낸 도면이다.

<비교예 1>

본 발명의 비교예 제조를 위하여 2차원의 면상을 갖는 증산 발전기를 제조하였다.

이를 위하여, 2차원 면상의 코튼 패브릭(Cotton fabric)을 준비하여 상기 제조예 1과 동일한 방식으로 흡착 물질을 코팅하여 비교예 1을 제조하였다.

도 6은 본 발명의 비교예 1을 나타내는 사진이다.

<비교예 2>

상기 비교예 1에서, 상기 2차원 면상의 코튼 패브릭 대신에, 셀룰로오스 스펀지(Cellulose sponge)를 이용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방식으로 상기 비교예 2를 제조하였다.

도 7은 본 발명의 비교예 2를 나타내는 사진이다.

<실험예 1>

상기 제조예 및 비교예에서 제조된 증산 발전기를 이용하여 전류 및 전압을 측정하는 실험을 진행하였다.

도 8은 본 발명의 제조예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 비교예 1을 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 비교예 2를 이용한 증산 발전기의 전류 및 전압을 측정하여 나타낸 그래프이다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬럼형 증산 발전기는 전압 0.3 V 및 전류 300 μA 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 이는 비교예 및 종래 기술보다 약 10배 이상의 전기를 생산 가능한 특징을 갖는 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 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

흡착 물질이 코팅된 친수성 나노 섬유 컬럼(column);을 포함하되,
상기 나노 섬유 컬럼은, 셀룰로오스 계열의 소재로 구성된 복수개의 나노 섬유 가닥들을 포함하되, 상기 복수개의 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 섬유 다발을 형성한 형태인 것을 특징으로 하여,
상기 흡착 물질은 상기 나노 섬유 가닥에 코팅된 것을 특징으로 하고,
상기 컬럼의 일단에서 상기 흡착 물질에 극성 용매가 흡착되며 발생하는 표면 에너지 변화로 인한 상기 극성 용매가 흡착되지 않은 상기 컬럼의 타단과의 에너지 차이로 발생하는 기전력으로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하고,
상기 컬럼의 나노 섬유 가닥의 흡수력에 의해 극성 용매가 상기 컬럼의 일단에서 타단으로 확산되며 상기 극성 용매가 함유하는 수소 이온(proton)이 함께 이동함에 따라 유발되는 전류로 인해 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
제1항에 있어서,
상기 흡착 물질은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질인 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
제1항에 있어서,
상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
제1항에 있어서,
상기 섬유 다발은, 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
제1항에 있어서,
상기 극성 용매는, 담수 및 해수를 포함하는 물, 아세트산, 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 메탄올, 아이소프로판올 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
제1항에 있어서,
상기 극성 용매가 흡착되는 상기 컬럼의 일단에는 흡습제가 도포된 것을 특징으로 하여,
상기 흡습제가 대기 중의 수분을 흡수하여 상기 수분이 극성 용매의 역할을 함으로써 대기 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기.
복수개의 친수성 나노 섬유 가닥들이 길이 방향으로 평행하게 배열되어 형성된 다발 형태의 나노 섬유 컬럼(column)을 준비하는 단계;
상기 나노 섬유 컬럼에 코팅할 흡착 물질을 포함하는 흡착 용액을 준비하는 단계;
상기 나노 섬유 컬럼의 일단을 상기 흡착 용액에 침지시켜, 상기 흡착 용액이 모세관 현상에 의하여 상기 나노 섬유 가닥을 타고 올라가며 상기 나노 섬유 가닥을 1차적으로 코팅시키는 흡착 물질 1차 코팅 단계;
상기 컬럼을 뒤집어서 상기 컬럼의 타단을 흡착 용액에 침지시켜 상기 나노 섬유 가닥을 2차적으로 코팅시키는 흡착 물질 2차 코팅 단계; 및
상기 흡착 물질이 코팅된 상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계;를 포함하는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계에서 준비되는 상기 나노 섬유 컬럼은, 냉간 등방압 가공법(Cold Isostatic Pressing, CIP)을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 나노 섬유 컬럼을 준비하는 단계에서의 상기 친수성 나노 섬유는, 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 하이드록시 에틸셀룰로오스(hydroxyl ethylcellulose), 카복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 카르복시메틸 에틸셀룰로오스(carboxymethyl ethylcellulose)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 흡착 용액을 준비하는 단계에서의 상기 흡착 용액은, 수퍼 C(Super C), 기상탄화탄소섬유, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 메조기공탄소 중 어느 하나로 이루어진 전도성 탄소 물질, 증류수 및 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 나노 섬유 컬럼을 건조시키는 단계 이후에, 상기 건조된 나노 섬유 컬럼의 일단에 흡습제를 도포하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컬럼형 증산 발전기의 제조방법.