KR102623040B1 - 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및 상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고, 상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것인 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)에 관한 것이다. 본 발명의 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 전자를 주입함으로써, 카본나노튜브의 전기이중층에 형성되는 전하량(Q)을 증가시키고, 카본나노튜브에서 형성되는 전기이중층에 의한 척력 효과로 발생하는 디번들링 효과에 의해 카본나노튜브 얀의 비표면적이 커져 전기이중층 커패시턴스(electrical double layer capacitance)가 증가하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자를 주입함으로써, 카본나노튜브의 전기이중층에 형성되는 전하량(Q)을 증가시킬 수 있는 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
최근 화석 에너지의 고갈, 환경오염, 늘어나는 에너지 수요량 등의 문제가 대두됨에 따라 기존 에너지 발전 시스템에서 벗어난 대체 에너지 개발이 요구되고 있다.
이에 따라, 대체 에너지 개발 기술로서 우리 주변에 존재하는 버려지는 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확(energy harvesting)에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서도 접촉을 통하여 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 소자에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있다.
전자기유도 현상이 발견된 이후, 마찰에 의해 형성되는 정전기를 이용하여 전기를 생산하는 기술에 적용하고자 하는 노력이 이어지고 있으며, 그 결과 2012년 미국 조지아 공대 연구팀은 최초로 마찰 발전기를 개발하였다. 그러나, 상기 마찰 발전기는 출력 전류 및 송출 파워가 낮아 실질적으로 상용화가 어려운 문제가 있었다.
이에, 최근 마찰전기 발전기의 마찰면에 3차원 마이크로-나노 패터닝, 나노와이어 구조체 형성, 나노 입자 형성 등을 도입하여 마찰전기 발전기의 단락전류 밀도 및 전력효율을 향상시킨 기술이 발표되었다.
그러나, 상기 기술은 전기 에너지를 얻기 위해서 다른 종류의 에너지 예를 들어 기계적 변형 등이 필요한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 전자를 주입함으로써, 카본나노튜브의 전기이중층에 형성되는 전하량(Q)을 증가시킬 수 있는 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 전자를 주입함으로써, 카본나노튜브에서 형성되는 전기이중층에 의한 척력 효과로 발생하는 디번들링 효과에 의해 카본나노튜브 얀의 비표면적이 커져 전기이중층 커패시턴스(electrical double layer capacitance)가 증가한 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 제조함으로써, 인장되지 않은 상태(strain=0%)에서 전극의 전하량 및 축전용량이 향상된 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 전기화학적 특성이 향상된 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 에너지 하베스터에 적용함으로써, 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있는 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 긴급 상황 혹은 극한 환경에서 전기 에너지를 필요로 하는 다양한 산업에 이용할 수 있으며, 수분에 취약한 piezo, triboelectric과는 다르게 바닷물, 땀, 체액 등의 전해질에서 전기 에너지를 생성하므로 Smart electronics, 웨어러블 디바이스 등의 에너지 공급원으로 사용될 수 있는 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및 상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고, 상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것인 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)가 제공된다.
또한 상기 카본나노튜브 얀은 상기 카본나노튜브가 서로 평행하게 길이 방향으로 배향되어 카본나노튜브 번들(carbon nanotube bundle)을 형성할 수 있다.
또한 상기 카본나노튜브가 주입된 전자에 의해 서로 척력이 발생할 수 있다.
또한 상기 전자가 주입된 카본나노튜브 얀이 디번들링(debundling) 현상을 가져 상기 전자가 주입되지 않은 카본나노튜브 얀 보다 비표면적이 증가할 수 있다.
또한 상기 카본나노튜브가 다중벽 카본나노튜브일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (coiled carbon nanotube yarn composite)을 포함하는 제1 전극(100); 제2 전극(200); 및 전해질(300);을 포함하는 에너지 하베스터(10)이고, 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀은 복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및 상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고, 상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것인 에너지 하베스터가 제공된다.
또한 상기 제2 전극이 금, 은, 구리, 백금, 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 제2 전극이 백금메쉬와 카본나노튜브 벅키페이퍼 복합체(pt mesh/CNT buckypaper)일 수 있다.
또한 상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)이 각각 상기 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터(10)가 상기 제1 전극(100)의 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 길이 방향으로 인장하는 인장부(400)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터가 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀(10)이 길이 방향으로 인장 또는 수축함에 따라 전기 에너지가 발생할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않을 수 있다.
또한 상기 전해질이 액체 전해질 또는 고체 전해질일 수 있다.
또한 상기 전해질이 액체 전해질이고, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 액체 전해질에 침지될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀 (carbon nanotube yarn)을 포함하는 작업 전극, 금속을 포함하는 상대 전극 및 전해질을 사용하여 전극 시스템을 구성하는 단계; 및 (b) 상기 상대 전극 대비 상기 작업 전극에 양 전압을 인가함으로써 상기 작업 전극의 카본나노튜브의 표면에 전자를 주입하여 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 제조하는 단계;를 포함하는 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 전해질의 농도가 0.01 내지 1 M 일 수 있다.
본 발명의 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 전자를 주입함으로써, 카본나노튜브의 전기이중층에 형성되는 전하량(Q)을 증가시키고, 카본나노튜브에서 형성되는 전기이중층에 의한 척력 효과로 발생하는 디번들링 효과에 의해 카본나노튜브 얀의 비표면적이 커져 전기이중층 커패시턴스(electrical double layer capacitance)가 증가하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 제조함으로써, 인장되지 않은 상태(strain=0%)에서 전극의 전하량 및 축전용량이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명은 전기화학적 특성이 향상된 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 에너지 하베스터에 적용함으로써, 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 긴급 상황 혹은 극한 환경에서 전기 에너지를 필요로 하는 다양한 산업에 이용할 수 있으며, 수분에 취약한 piezo, triboelectric과는 다르게 바닷물, 땀, 체액 등의 전해질에서 전기 에너지를 생성하므로 Smart electronics, 웨어러블 디바이스 등의 에너지 공급원으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법을 나타내는 공정 모식도이다.
도 3은 제조예 1 및 실시예 1-4에 따른 카본나노튜브 얀의 자가 전위 비교 그래프이다.
도 4는 소자실시예 1-4및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 싸이클릭 볼타메트릭(cyclic voltammetry) 그래프이다.
도 5a는 소자비교예 1의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5b는 소자실시예 1-4의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5c는 도 5a 및 도 5b로부터 AC current를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 OCV-PZC, 전하량 밀도 및 에너지 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 7은 소자실시예 1-4 및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 Strain 10%에 대한 OCV 비교 그래프이다.
도 8은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 Strain 0%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 0%), Strain 10%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 10%) 및 커패시턴스 변화율(capacitance change)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 소자실시예 1-4에 따른 3전극 시스템에서 측정한 피크 전압(peak voltage) 및 피크 파워(peak power)를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법을 나타내는 공정 모식도이다.
도 3은 제조예 1 및 실시예 1-4에 따른 카본나노튜브 얀의 자가 전위 비교 그래프이다.
도 4는 소자실시예 1-4및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 싸이클릭 볼타메트릭(cyclic voltammetry) 그래프이다.
도 5a는 소자비교예 1의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5b는 소자실시예 1-4의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5c는 도 5a 및 도 5b로부터 AC current를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 OCV-PZC, 전하량 밀도 및 에너지 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 7은 소자실시예 1-4 및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 Strain 10%에 대한 OCV 비교 그래프이다.
도 8은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 Strain 0%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 0%), Strain 10%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 10%) 및 커패시턴스 변화율(capacitance change)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 소자실시예 1-4에 따른 3전극 시스템에서 측정한 피크 전압(peak voltage) 및 피크 파워(peak power)를 나타내는 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 발명의 하나의 실시예에 따른 3전극 에너지 하베스터의 구조를 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및 상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고, 상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것인 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제공한다.
상기 카본나노튜브 얀은 상기 카본나노튜브가 서로 평행하게 길이 방향으로 배향되어 카본나노튜브 번들(carbon nanotube bundle)을 형성할 수 있다.
상기 카본나노튜브가 주입된 전자에 의해 서로 척력이 발생할 수 있다.
상기 전자가 주입된 카본나노튜브 얀이 디번들링(debundling) 현상을 가져 상기 전자가 주입되지 않은 카본나노튜브 얀 보다 비표면적이 증가할 수 있다.
상기 카본나노튜브가 다중벽 카본나노튜브일 수 있다.
또한 본 발명은 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (coiled carbon nanotube yarn composite)을 포함하는 제1 전극(100); 제2 전극(200); 및 전해질(300);을 포함하는 에너지 하베스터(10)이고, 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀은 복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및 상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고, 상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것인 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 제2 전극이 금, 은, 구리, 백금, 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.
상기 제2 전극이 백금메쉬와 카본나노튜브 벅키페이퍼 복합체(pt mesh/CNT buckypaper)일 수 있다.
상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)이 각각 상기 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
상기 에너지 하베스터(10)가 상기 제1 전극(100)의 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 길이 방향으로 인장하는 인장부(400)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터가 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀(10)이 길이 방향으로 인장 또는 수축함에 따라 전기 에너지가 발생할 수 있다.
상기 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않을 수 있다.
상기 전해질이 액체 전해질 또는 고체 전해질일 수 있다.
상기 전해질이 액체 전해질이고, 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 액체 전해질에 침지될 수 있다.
상기 에너지 하베스터의 메커니즘은 CNT 전극(작업전극)에 인장 변형을 가했을 때, 전극 내부에 비틀림이 가해지며 전극을 구성하는 나노스케일 CNT의 표면변화가 발생하고, 이에 따라 전극의 전기이중층 커패시턴스(electrical double layer capacitance)의 상대적인 변화가 발생한다. 이는 상대전극과 작업전극 사이의 전위차를 유도하는데, 이 과정에서 발생하는 전기에너지를 수확하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법을 나타내는 공정 모식도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 (a) 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀 (carbon nanotube yarn)을 포함하는 작업 전극, 금속을 포함하는 상대 전극 및 전해질을 사용하여 전극 시스템을 구성하는 단계; 및 (b) 상기 상대 전극 대비 상기 작업 전극에 양 전압을 인가함으로써 상기 작업 전극의 카본나노튜브의 표면에 전자를 주입하여 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 제조하는 단계;를 포함하는 전자 주입된 카본나노튜브 얀의 제조방법을 제공한다.
상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전해질의 농도가 0.01 내지 1 M 일 수 있다.
단계 (b)에서 인가하는 상기 양 전압이 +0.1V 내지 +1.0V 일 수 있다. 상기 양 전압이 +0.1V 미만이면, 전자 주입 효과가 미미하여 바람직하지 않고, +1.0V 초과이면, 물의 분해가 발생하여 바람직하지 않다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)의 제조
우선, Spinnable MWCNT-forest로부터 폭 4cm, 길이 30cm의 다중벽 탄소나노튜브 시트(MWCNT-sheet, sheet density: 2.1μg/cm2)를 뽑아 두겹을 겹쳐 준비하였다. 상기 MWCNT-sheet를 원기둥 모양으로 만들고, 하단에 7.5MPa의 하중으로 중량을 가하여 회전하지 않게 고정시켰다. 이 후 상단을 시계방향으로 회전시키면서 불균일하게 비틀린 얀(non-homogeneously twisted yarn)을 제조하였다. 상기 불균일하게 비틀린 얀(non-homogeneously twisted yarn)은 상단과 하단은 비틀림의 양이 유사하지만 중간 부분은 비틀림이 덜 들어간 형태로, 길이 방향으로 표면의 비틀림 밀도가 균일하지 않은 얀이다.
다음으로, 시계방향으로 회전시키면서 인가했던 비틀림을 반시계방향으로 회전시켜 비틀림을 풀어 길이 방향으로 정렬된 얀(longitudinally aligned yarn, LAY)을 제조하였다. 상기 길이 방향으로 정렬된 얀(LAY)은 하단의 중량에 의해 유지되는 비틀림만 남은 상태이며, 길이 방향으로 번들링(Bundling)된 탄소나노튜브가 나열된 상태의 얀이다.
이어서, 상기 길이 방향으로 정렬된 얀(LAY)의 하단에 1.07MPa의 하중으로 중량을 변경하고, 상단을 시계방향으로 회전시키면서 비틀림을 인가하여 균일하게 비틀린 얀(homogeneously twisted yarn)을 제조하였다. 상기 균일하게 비틀린 얀(homogeneously twisted yarn)은 길이 방향으로 표면의 비틀림 밀도가 균일한 얀이다.
마지막으로, 상기 균일하게 비틀린 얀(homogeneously twisted yarn)의 상단을 시계방향으로 회전시키면서 코일(Coil)이 형성될 때까지 비틀림을 인가하여 스프링 인덱스(spring index)가 0.65인 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)을 제조하였다.
실시예 1: 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)
실시예 1-1
도 2와 같이 0.1M HCl 전해질 내에서 제조예 2에 따른 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)을 작업전극(working electrode)으로, 백금 메쉬(pt mesh)/CNT buckypaper를 상대전극(counter electrode)으로 하는 이전극 시스템(2-electrode system)을 제조하였다. 이후 상기 상대 전극 대비 상기 작업전극에 +0.2V 양전압을 인가함으로써 상기 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)의 표면에 전자를 주입하는 전자 주입 프로세스(electron injection process)를 수행하여 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제조하였다.
구체적으로 전해질(0.1M HCl) 내에서 하이드로늄 이온(H3O+)이 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)의 표면에 물리적 흡착을 하게 되는데, 양전압을 인가하면 꼬인 카본나노튜브 얀(coiled CNT yarn)의 표면에서 전자 주입(electron injection)이 일어나고, 그로 인해 상기 하이드로늄 이온(H3O+)의 흡수 효율(absorption efficiency)이 증가하고, 전자의 인터칼레이션(Intercalation)으로 인한 내부 유효표면적이 증가하게 된다. 이로 인해 전하량 및 EDLC가 증가한 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제조할 수 있다.
실시예 1-2
실시예 1-1에서 작업전극에 +0.2V 양전압을 인가하는 대신에 작업전극에 +0.4V 양전압을 인가하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제조하였다.
실시예 1-3
실시예 1-1에서 작업전극에 +0.2V 양전압을 인가하는 대신에 작업전극에 +0.6V 양전압을 인가하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제조하였다.
실시예 1-4
실시예 1-1에서 작업전극에 +0.2V 양전압을 인가하는 대신에 작업전극에 +0.8V 양전압을 인가하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (electron injected carbon nanotube yarn)을 제조하였다.
[3전극 시스템(electrochemical cell)]
소자실시예 1
소자실시예 1-1
실시예 1-1에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀(2cm)을 작업전극(working electrode, WE)으로, pt mesh/CNT buckypaper를 상대전극(counter electrode, CE)으로, Ag/AgCl을 기준전극(reference electrode, RE)으로 사용하였다.
상기 작업전극, 상기 상대전극 및 상기 기준전극을 0.1M HCl 전해질에 침지시켜 3전극 시스템을 제조하였다.
소자실시예 1-2
소자실시예 1-1에서 실시예 1-1에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 대신에 실시예 1-2에 따른 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1-1과 동일한 방법으로 3전극 시스템을 제조하였다.
소자실시예 1-3
소자실시예 1-1에서 실시예 1-1에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 대신에 실시예 1-3에 따른 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1-1과 동일한 방법으로 3전극 시스템을 제조하였다.
소자실시예 1-4
소자실시예 1-1에서 실시예 1-1에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 대신에 실시예 1-4에 따른 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1-1과 동일한 방법으로 3전극 시스템을 제조하였다.
소자비교예 1
소자실시예 1-1에서 실시예 1-1에 따른 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 대신에 제조예 1에 따른 카본나노튜브 얀을 작업전극으로 사용하는 것을 제외하고는 소자실시예 1-1과 동일한 방법으로 3전극 시스템을 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 자가전위 비교
도 3은 제조예 1 및 실시예 1-4에 따른 카본나노튜브 얀의 자가 전위 비교 그래프이다.
도 3을 참조하면, 전자 주입을 통해 카본나노튜브 얀의 자가 전위가 증가한 것을 알 수 있었다.
시험예 2: cyclic voltammetry 비교
도 4는 소자실시예 1-4 및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 싸이클릭 볼타메트릭(cyclic voltammetry) 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 Cyclic Voltammetry를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 4에 따르면, 전자 주입한 카본나노튜브 얀의 영전하점 및 기계적 자극에 따른 AC current의 발생 경향을 알 수 있었다. 영점하점의 이동은 카본나노튜브 표면 개질로 인한 전하량 증가를 유도한다.
시험예 3: 영전하점(potential of zero charge, PZC) 분석
도 5a는 소자비교예 1의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5b는 소자실시예 1-4의 영전하점(PZC) 분석 그래프이고, 도 5c는 도 5a 및 도 5b로부터 AC current를 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 전류를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 5a 내지 5c에 따르면, OCV-PZC 절댓값의 증가에 따라 AC current가 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이 때 전자 주입한 카본나노튜브 얀의 영전하점이 이동한다. 상기 도 4와 마찬가지로 영전하점의 이동은 전자 주입한 카본나노튜브 얀의 표면 전하량의 증가를 유도한다.
시험예 4: 양전압 인가량에 따른 전하량 분석
도 6은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 OCV-PZC, 전하량 밀도 및 에너지 밀도를 보여주는 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 OCV-PZC, 전하량 밀도 및 에너지 밀도를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 6에 따르면, 전자 주입을 통해 카본나노튜브 얀의 전하량이 증가하고 이에 따른 에너지 밀도가 증가하는 것을 알 수 있었다.
시험예 5: 10% 인장에 따른 OCV 비교
도 7은 소자실시예 1-4 및 소자비교예 1에 따른 3전극 시스템에서 측정한 Strain 10%에 대한 OCV 비교 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 OCV를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 7에 따르면, 전자 주입한 카본나노튜브 얀의 길이변화에 따른 OCV 발생량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
시험예 6: 양전압 인가량에 따른 축전용량 분석
도 8은 소자실시예 1-1 내지 1-4의 3전극 시스템에서 측정한 Strain 0%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 0%), Strain 10%에 대한 커패시턴스(capacitance @ 10%) 및 커패시턴스 변화율(capacitance change)을 나타내는 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 커패시턴스를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 8에 따르면, 전자 주입에 따라 카본나노튜브 얀의 축전용량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
시험예 7: 저항에 따른 전압 및 파워분석
도 9는 소자실시예 1-4에 따른 3전극 시스템에서 측정한 피크 전압(peak voltage) 및 피크 파워(peak power)를 나타내는 그래프이다. 3전극 시스템에서 작업전극(WE)의 길이를 2Hz 속도로 10% 수축/이완시키며 피크 전압(peak voltage) 및 피크 파워(peak power)를 측정하였다(scan range: -0.1 ~ 0.8 (V vs Ag/AgCl), scan rate: 50mV/s).
도 9에 따르면, 전자 주입한 카본나노튜브 얀의 기계적 변형에 따라 발생하는 피크 파워가 증가한 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 (19)
- 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (coiled carbon nanotube yarn composite)을 포함하는 제1 전극(100);
제2 전극(200); 및
액체 전해질(300);을 포함하는 에너지 하베스터(10)이고,
상기 전자 주입된 카본 나노튜브 얀은,
복수의 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀(carbon nanotube yarn); 및
상기 카본나노튜브의 표면에 주입된 전자(electron);를 포함하고,
상기 카본나노튜브 얀은 비틀리고(twisted), 꼬인(coiled) 것이고,
상기 제1 전극(100)이 상기 액체 전해질(300)에 침지되기 전에, 상기 전자가 상기 제1 전극(100)의 상기 카본나노튜브의 표면에 미리 주입되는 것이고,
상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 액체 전해질에 침지되고,
상기 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않고,
상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)이 각각 상기 액체 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(100)의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성하는 것인, 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 카본나노튜브 얀은 상기 카본나노튜브가 서로 평행하게 길이 방향으로 배향되어 카본나노튜브 번들(carbon nanotube bundle)을 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제2항에 있어서,
상기 카본나노튜브가 주입된 전자에 의해 서로 척력이 발생하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제3항에 있어서,
상기 전자가 주입된 카본나노튜브 얀이 디번들링(debundling) 현상을 가져 상기 전자가 주입되지 않은 카본나노튜브 얀 보다 비표면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 카본나노튜브가 다중벽 카본나노튜브인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 전극이 금, 은, 구리, 백금, 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. - 제7항에 있어서,
상기 제2 전극이 백금메쉬와 카본나노튜브 벅키페이퍼 복합체(pt mesh/CNT buckypaper)인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스터(10)가 상기 제1 전극(100)의 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 길이 방향으로 인장하는 인장부(400)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스터가
상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀(10)이 길이 방향으로 인장 또는 수축함에 따라 전기 에너지가 발생하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- (a) 카본나노튜브를 갖는 카본나노튜브 얀 (carbon nanotube yarn)을 포함하는 작업 전극, 금속을 포함하는 상대 전극 및 전해질을 사용하여 전극 시스템을 구성하는 단계; 및
(b) 상기 상대 전극 대비 상기 작업 전극에 양 전압을 인가함으로써 상기 작업 전극의 카본나노튜브의 표면에 전자를 주입하여 전자 주입된 카본나노튜브 얀을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 전자 주입된 카본나노튜브 얀 (coiled carbon nanotube yarn composite)을 포함하는 제1 전극(100), 제2 전극(200) 및 액체 전해질(300)을 포함하는 제1항에 따른 에너지 하베스터(10)를 제조하는 단계;를
포함하는 제1항에 따른 에너지 하베스터의 제조방법. - 제17항에 있어서,
상기 전해질이 염산, 황산, 불산, 브롬산, 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 유기 전해질, 염화리튬, 수산화칼륨 및 아황산나트륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터의 제조방법. - 제17항에 있어서,
상기 전해질의 농도가 0.01 내지 1 M인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터의 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210160038A KR102623040B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210160038A KR102623040B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230073544A KR20230073544A (ko) | 2023-05-26 |
| KR102623040B1 true KR102623040B1 (ko) | 2024-01-09 |
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ID=86537106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210160038A KR102623040B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 전자 주입된 카본나노튜브 얀, 그를 포함하는 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101514276B1 (ko) * | 2013-11-20 | 2015-04-23 | 한국전기연구원 | 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매전극 |
| KR101828164B1 (ko) | 2016-07-29 | 2018-02-12 | 고려대학교 산학협력단 | 탄소섬유전극, 이를 포함하는 와이어 형태의 수퍼커패시터, 및 상기 수퍼커패시터를 포함하는 no2 센서 및 자외선 센서 |
| KR102654854B1 (ko) | 2017-06-28 | 2024-04-03 | 더 보드 오브 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템 | 기계적 변형으로부터 전기 에너지를 수확하기 위한 감기고 꼬인 나노섬유 얀 |
-
2021
- 2021-11-19 KR KR1020210160038A patent/KR102623040B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 인용발명 1: 공개특허공보 제10-2020-0024255호(2020.03.06.) 1부.* |
| 인용발명 2: 등록특허공보 제10-1514276호(2015.04.23.) 1부.* |
| 인용발명 3: Mohd Faraz et al., "A progressive strategy for harvesting mechanical energy using flexible PVDF-rGO-MoS2 nanocomposites film-based piezoelectric nanogenerator", Journal of Alloys and Compounds* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230073544A (ko) | 2023-05-26 |
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