KR102549569B1 - 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 - Google Patents

디번들링된 탄소나노튜브 얀을 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스터에 관한 것이다. 본 발명의 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 탄소나노튜브 번들 내부에 이온을 함입한 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 사용함으로써, 전위차를 극대화하여 에너지 하베스터의 성능이 향상이 향상되고, 싸이클 특성이 우수한 효과가 있다.

Description

디번들링된 탄소나노튜브 얀을 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법{ENERGY HARVESTER COMPRISING DEBUNDLED CARBONNANOTUBE YARN AND METHOD OF PREPARING SAME}
본 발명은 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 사용함으로써, 에너지 하베스터의 성능이 향상된 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 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.
대한민국 특허공개공보 제10-2018-0013549호 대한민국 특허공개공보 제10-2020-0024255호
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 번들 내부에 이온을 함입한 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 사용함으로써, 전위차를 극대화하여 에너지 하베스터의 성능이 향상이 향상되고, 싸이클 특성이 우수한 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 극한 환경에서 전기 에너지를 필요로 하는 산업 또는 웨어러블 산업에 활용 가능한 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스가 제공된다.
또한 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 상기 꼬임(twisting)에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀일 수 있다.
또한 상기 디번들링은 상기 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 번들 내부로 상기 전해질로부터 생성된 이온(ion)이 함입(intercalation)된 것일 수 있다.
또한 상기 이온이 Na+, K+, H+, Mg2+, Ca2+, Cl-, F-, Br-, I-, OH-, SO4 2-, PO4 3-, NO3 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면 상에 각각 전기화학적 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
또한 상기 전해질이 HCl, H2SO4, HF, HBr, NaCl, KCl, NaOH, 유기전해질, 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 전해질이 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 제2 전극이 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터는 상기 제1 전극을 변형함(deformation)에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위차(potential difference)가 유도될 수 있다.
또한 상기 변형이 인장변형(tensile deformation)일 수 있다.
또한 상기 변형이 상기 감김(coiling)의 일부 또는 전부를 상기 꼬임(twisting)으로 전환시키는 것일 수 있다.
또한 상기 변형이 상기 전위차를 증가시키는 것일 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터가 상기 전위차를 이용하여 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터가 표준전극(reference electrode)인 제3 전극을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계; (b) 상기 탄소나노튜브 시트 및 제2 전극을 전해질에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 전해질에 침지된 상기 탄소나노튜브 시트와 상기 제2 전극 사이에 전위차를 생성하면서 상기 탄소나노튜브 시트를 꼼(twisting)으로써 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스터의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 단계 (c)에서 상기 디번들링은 상기 전위차에 의해 상기 전해질로부터 생성된 이온(ion)을 차징(charging)하여 상기 탄소나노튜브를 포함하는 번들 내부로 상기 이온을 함입(intercalation)하는 것일 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터의 제조방법이 (d) 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 더 꼼(twisting)으로써 상기 꼼에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 제조하는 단계; 를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 탄소나노튜브 번들 내부에 이온을 함입한 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 사용함으로써, 전위차를 극대화하여 에너지 하베스터의 성능이 향상이 향상되고, 싸이클 특성이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명의 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 극한 환경에서 전기 에너지를 필요로 하는 산업 또는 웨어러블 산업에 활용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 하베스터를 포함하는 3전극 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry)에 관한 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 저항에 따른 피크 볼티지(peak voltage) 및 피크 전력(peak power)의 비교 그래프이다.
도 6a는 실시예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 싸이클에 따른 피크 전력(peak power), 평균 전력(average power), 싸이클 당 에너지(energy per cycle)를 나타내는 그래프이고, 도 6a는 비교예 1에 따른 시간에 따른 피크 전력(peak power)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 인가전압에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 인가전압에 따른 에너지 하베스터 성능 변화를 나타낸 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.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스터의 제조방법을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 에너지 하베스터를 포함하는 3전극 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극; 제2 전극; 및 전해질;을 포함하고, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 상기 꼬임(twisting)에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀인 것일 수 있다.
상기 디번들링은 상기 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 번들 내부로 상기 전해질로부터 생성된 이온(ion)이 함입(intercalation)된 것일 수 있다.
상기 이온이 Na+, K+, H+, Mg2+, Ca2+, Cl-, F-, Br-, I-, OH-, SO4 2-, PO4 3-, NO3 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
상기 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)의 직경이 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 바람직하게는 5nm 내지 15nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 7nm 내지 10nm일 수 있다.
상기 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)의 직경이 1nm 미만이면 제조하기 어렵고, 20nm 초과이면 에너지 하베스터의 성능이 현저하게 떨어져 사용하기 바람직하지 않다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면 상에 각각 전기화학적 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
상기 전해질이 HCl, H2SO4, HF, HBr, NaCl, KCl, NaOH, 유기전해질, 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 유기전해질은 양이온으로 테트라에틸암모늄(TEA+), 테트라부틸암모늄(TBA+), 테트라헥실암모늄(THA+), 1-에틸-3-메틸-이미다졸리움(EMI+), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움(BMI+)를 사용하고, 음이온으로 테트라플루오로보레이트(BF4 -), 헥사플루오로포스페이트(PF6 -), 비스(트리플루오로 메탄설포닐)이미드(TFSI-)를 사용하는 전해질을 포함할 수 있다.
상기 전해질이 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해질의 농도가 0.01M 내지 5M 일 수 있고, 바람직하게는 0.05 M 내지 1M일 수 있다.
상기 제2 전극이 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 백금을 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는 상기 제1 전극을 변형함(deformation)에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위차(potential difference)가 유도될 수 있다.
상기 변형이 인장변형(tensile deformation)일 수 있다.
상기 변형이 상기 감김(coiling)의 일부 또는 전부를 상기 꼬임(twisting)으로 전환시키는 것일 수 있다.
상기 변형이 상기 전위차를 증가시키는 것일 수 있다.
상기 에너지 하베스터가 상기 전위차를 이용하여 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
상기 에너지 하베스터가 표준전극(reference electrode)인 제3 전극을 추가로 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 작업전극(working electrode)으로, 높은 비표면적을 갖는 pt mesh/CNT buckypaper를 상대전극으로, Ag/AgCl을 수용성 표준전극으로 사용하고, 상기 작업전극, 상기 상대전극 및 상기 표준전극이 전해질에 침지된 3전극 또는 2전극 시스템의 전기화학 전지(electrochemical cell)를 구성할 수 있다. 상기 시스템에서 상기 작업전극에 기계적 인장 변형을 가하면, 상기 작업전극 내부의 축전용량이 변화함으로 인해 전기에너지가 생성된다.
상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브 번들 내부로 상기 전해질로부터 생성된 이온(ion)이 함입(intercalation)되면서, 이온이 함입되지 않은 탄소나노튜브 얀(종래의 전극)보다 번들링(bundling) 정도가 줄어들어 내부구조가 변화하고, 이로 인해 인장되지 않은 상태(strain=0%)에서 전극의 축전용량이 더 커지게 된다. 또한 같은 기계적 변형을 가했을 때, 전기화학적 축전용량의 변화가 크며, 이에 따라 생성되는 전위차가 크고, 종래의 전극과 비교하여 더 높은 전기적 전력(power)를 생성한다. 또한 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 1000번 이상에 반복된 기계적 변형에도 크리프(creep)없이 하베스터 성능을 유지할 수 있다.
또한 본 발명은 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자를 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계; (b) 상기 탄소나노튜브 시트 및 제2 전극을 전해질에 침지시키는 단계; 및 (c) 상기 전해질에 침지된 상기 탄소나노튜브 시트와 상기 제2 전극 사이에 전위차를 생성하면서 상기 탄소나노튜브 시트를 꼼(twisting)으로써 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 (c)에서 상기 디번들링은 상기 전위차에 의해 상기 전해질로부터 생성된 이온(ion)을 차징(charging)하여 상기 탄소나노튜브를 포함하는 번들 내부로 상기 이온을 함입(intercalation)하는 것일 수 있다.
상기 단계 (c)에서 상기 전해질에 전압을 인가하여 상기 탄소나노튜브 시트와 상기 제2 전극 사이에 전위차를 생성할 수 있다.
상기 전압은 -0.01V 내지 -1.0V 일 수 있고, 바람직하게는 -0.05V 내지 -0.8V일 수 있고, 더욱 바람직하게는 -0.1V 내지 -0.7V일 수 있다.
상기 전압이 -0.01V 미만이면, 탄소나노튜브 얀의 디번들링에 사용되는 전하량이 작아서 바람직하지 않고, -1.0V 초과이면 축전용량 변화비(capacitance change ratio)가 감소하기 때문에 에너지 하베스터의 성능이 저하되어 바람직하지 않다.
또한 디번들링(debundling)되는 정도가 커질수록 축전용량(capacitance)이 증가할 수 있다.
상기 에너지 하베스터의 제조방법은 단계 (c) 이후에, 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 더 꼼(twisting)으로써 상기 꼼에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 제조하는 단계(d);를 추가로 포함할 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.
[디번들링된 탄소나노튜브 얀(d-CNT yarn)을 포함하는 에너지 하베스터의 제조]
실시예 1
구멍(mesh)의 크기가 가로 1mm, 세로 1mm인 백금 메쉬(Pt mesh)/ CNT buckypaper를 상대전극으로 사용하였다.
또한 도 1을 참조하면, 먼저 다중벽 탄소나노튜브 포레스트(spinnable MWNT forest)부터 다중벽 탄소나노튜브 시트(MWNT sheet, 밀도: 1.7 ug/cm2)를 뽑아 3겹을 겹치고, 상기 다중벽 탄소나노튜브 시트와 상기 상대전극을 전해질 0.1M HCl 침지시켜 이전극 시스템(2-electrode system)을 제조하였다. 다음으로, 상기 다중벽 탄소나노튜브 시트와 상기 상대전극 사이에 -0.2V 전압을 인가하면서, 상기 다중벽 탄소나노튜브 시트의 한쪽 끝을 모아 5g의 무게추를 달고 분당 120번 정도의 속도로 5분간 꼬아 직경이 8.2nm인 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 제조하였고, 상기 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하였다. 최종적으로 도 3의 구조와 같은 에너지 하베스터를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 -0.2V 전압을 인가하는 대신에 -0.4V 전압을 인가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에너지 하베스터를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 -0.2V 전압을 인가하는 대신에 -0.6V 전압을 인가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에너지 하베스터를 제조하였다.
[탄소나노튜브 얀(bare CNT yarn)을 포함하는 에너지 하베스터의 제조]
비교예 1
구멍(mesh)의 크기가 가로 1mm, 세로 1mm인 백금 메쉬(Pt mesh)/ CNT buckypaper를 상대전극으로 사용하였다.
또한 먼저 다중벽 탄소나노튜브 포레스트(spinnable MWNT forest)부터 다중벽 탄소나노튜브 시트(MWNT sheet)를 뽑고, 상기 다중벽 탄소나노튜브 시트의 한쪽 끝을 모아 5g의 무게추를 달고 분당 120번 정도의 속도로 5분간 꼬아 코일형 탄소나노튜브 얀(coiled CNT yarn)을 제조하였고, 상기 코일형 탄소나노튜브 얀(coiled CNT yarn)을 작업전극으로 사용하였다.
이후 상기 상대전극 및 작업전극을 전해질 0.1M HCl에 침지시키고, 상기 상대전극 및 작업전극을 서로 연결하여 에너지 하베스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry) 분석
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 사이클릭 볼타메트리(Cyclic voltammetry)에 관한 그래프이다.
도 4에 따르면, bare CNT을 포함하는 비교예 1과 비교하여 d-CNT yarn을 포함하는 실시예 1은 0% strain에서 축전용량(capacitance)이 4.2 F/g에서 4.7 F/g으로 약 11.9 % 증가하는 경향을 보였다. 또한 30% strain을 가했을 때, 축전용량(capacitance)의 변화율은 38.7 %로, 비교예 1과 비교하여 증가한 경향을 보였다. 이는 코일 구조를 만드는 과정에서 이온이 탄소나노튜브 번들(CNT bundle) 내부로 함입(intercalation)되는 것으로 인해 상기 탄소나노튜브 번들이 디번들링(debundling)되고, 유효 표면적이 증가하여 중량에 의해 측정된 정전 용량(gravimetric capacitance)이 증가한 것으로 판단된다.
시험예 2: 저항 특성 분석
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 저항에 따른 피크 볼티지(peak voltage) 및 피크 전력(peak power)의 비교 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터 모두 400ohm에서 임피던스 정합(impedance matching)이 일어나며, 가장 높은 피크 전력(peak power)를 보이는 것을 확인했다. 실시예 1은 43.1 W/kg으로 비교예 1보다 향상된 피크 전력(peak power)를 나타냈다. 이러한 하베스팅 성능의 증가는 Q=CV 공식에 의거하여 축전 용량 변화(capacitance change)가 커져 전위차(dV)의 증가에 기인한 것으로 보인다.
시험예 3: 싸이클 특성 분석
도 6a 및 6b는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 싸이클에 따른 특성을 분석한 그래프로, 임피던스 정합(impedance matching) 저항인 400 ohm, 1Hz sinusoidal strain 하에서 피크 전력(peak power), 평균 전력(average power), 싸이클 당 에너지(energy per cycle)를 나타냈다. 평균 전력(average power)는 하기 식 1에 따라 계산하였다.
[식 1]
Figure 112020127462143-pat00001
(R: impedance, V(t): Generated voltage)
도 6a 및 6b를 참조하면, 1000 cycles 동안 반복적으로 30%의 기계적 변형을 가하여도 실시예 3에 따라 제조된 에너지 하베스터의 성능이 크리프(creep) 없이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. -0.2V를 인가하여 제조한 실시예 1의 피크 전력은 43.1 W/kg으로 비교예 1에 비해 5% 증가된 값을 얻었다.
시험예 4: 인가전압에 따른 전기화학적 특성 변화 분석
도 7은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 인가전압에 따른 전기화학적 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 디번들링 탄소나노튜브 얀을 만드는데 필요한 적정 인가전압을 알 수 있었다.
시험예 5: 인가전압에 따른 에너지 하베스터 성능 변화 분석
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 에너지 하베스터의 인가전압에 따른 에너지 하베스터 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, -0.2V 보다 큰 전압 하에서 제조된 실시예 2 및 3의 경우 축전용량 변화 비(capacitance change ratio)가 오히려 감소하기 때문에 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 -0.2V의 전압 하에서 제조된 실시예 1에 따른 에너지 하베스트의 성능이 가장 최적화된 것임을 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. 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극;
    제2 전극; 및
    제1 전해질;을 포함하는 에너지 하베스터이고,
    상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것이고,
    상기 디번들링은 상기 제1 전극이 상기 에너지 하베스터에서 상기 제1 전해질과 접촉하기 전에 제2 전해질로부터 생성된 이온(ion)이 상기 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 번들 내부로 함입(intercalation)되어 형성된 것인, 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 상기 꼬임(twisting)에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온이 Na+, K+, H+, Mg2+, Ca2+, Cl-, F-, Br-, I-, OH-, SO4 2-, PO4 3-, NO3 - 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면 상에 각각 전기화학적 이중층(electrochemical double layer)을 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전해질 및 상기 제2 전해질이 각각 HCl, H2SO4, HF, HBr, NaCl, KCl, NaOH, 유기전해질, 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전해질이 땀, 바닷물, 체액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극이 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스터는 상기 제1 전극을 변형함(deformation)에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위차(potential difference)가 유도되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변형이 인장변형(tensile deformation)인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 변형이 감김(coiling)의 일부 또는 전부를 상기 꼬임(twisting)으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변형이 상기 전위차를 증가시키는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 하베스터가 상기 전위차를 이용하여 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스터가 표준전극(reference electrode)인 제3 전극을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
  17. 제1항에 따른 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자.
  18. (a) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계;
    (b) 상기 탄소나노튜브 시트 및 제2 전극을 제2 전해질에 침지시키는 단계;
    (c) 상기 제2 전해질에 침지된 상기 탄소나노튜브 시트와 상기 제2 전극 사이에 전위차를 생성하면서 상기 탄소나노튜브 시트를 꼼(twisting)으로써 디번들링(debundling)된 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계; 및
    (e) 디번들링(debundling)된 상기 탄소나노튜브 얀(yarn)을 포함하는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전해질을 포함하는 에너지 하베스터를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 (c)의 상기 디번들링은 상기 제1 전극이 상기 하베스터에서 상기 제1 전해질과 접촉하기 전에 상기 전위차에 의해 상기 제2 전해질로부터 생성된 이온(ion)을 차징(charging)하여 상기 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 번들 내부로 상기 이온을 함입(intercalation)하여 형성된 것이고,
    상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀은 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브가 서로 꼬임을 형성한 것인 에너지 하베스터의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제18항에 있어서,
    상기 에너지 하베스터의 제조방법이
    (d) 상기 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 더 꼼(twisting)으로써 상기 꼼에 감김(coiling)이 추가된 코일형(coil type) 디번들링된 탄소나노튜브 얀을 제조하는 단계; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터의 제조방법.
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