KR102642255B1 - 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 자가복원 에너지 시스템 - Google Patents
환원 그래핀 옥사이드를 이용한 자가복원 에너지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO) 및 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 전자 및 정공 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 제1 전극; 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 제2 전극; 및 전해질;을 포함하는 자가복원 에너지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 자가복원 에너지 시스템은 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 전극의 이온 친화도에 따른 자가전위 복원력을 기반으로 외부 에너지원이 필요 없이 자가에너지가 복원되어 언제 어디서든 사용 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 자가복원 에너지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 전극의 이온 친화도에 따른 자가전위 복원력을 기반으로 외부 에너지원이 필요 없이 자가에너지가 복원되어 언제 어디서든 사용 가능한 자가복원 에너지 시스템에 관한 것이다.
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 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 전극의 이온 친화도에 따른 자가전위 복원력을 기반으로 외부 에너지원이 필요 없이 자가에너지가 복원되어 언제 어디서든 사용 가능한 자가복원 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 다른 목적은 자가 전위차가 소멸된 후 스스로 재생성되는 자가복원 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 웨어러블 산업에 활용 가능한 자가복원 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO) 및 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 전자 및 정공 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 제1 전극(100); 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 제2 전극(200); 및 전해질(300);을 포함하는 자가복원 에너지 시스템(10)이 제공된다.
또한 상기 제2 전극(200)이 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 상기 전자 및 정공 중 다른 하나를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차(self-potential difference)가 생성되는 것일 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 에너지 저장부(400)를 추가로 포함하고, 상기 에너지 저장부가 상기 자가 전위차로 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 전기적으로 연결(short)하거나 절연(open)하는 스위치(500)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 전해질이 액체 전해질 또는 고체 전해질일 수 있다.
또한 상기 전해질이 액체 전해질이고, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 각각 상기 액체 전해질에 침지될 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 분리막을 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 전해질이 고체 전해질이고, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면 상에 각각 상기 고체 전해질이 위치할 수 있다.
또한 상기 자가복원 에너지 시스템이 제1 집전체(current collector) 및 제2 집전체(current collector)를 추가로 포함하고, 상기 제1 집전체가 상기 제1 전극 상에 위치하고, 상기 제2 집전체가 상기 제2 전극 상에 위치할 수 있다.
또한 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체가 각각 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 자가복원 에너지 시스템(10)을 사용하는 자가충전방법이고, (a) 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 절연(open)하여 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 연결(short)하고 상기 자가 전위차로 인해 생성되는 에너지를 저장하고 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계;를 포함하는 자가충전방법이 제공된다.
또한 상기 자가충전방법이 (c) 상기 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 다시 절연(open)하여 자가 전위차를 다시 생성시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 자가복원 에너지 시스템은 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 전극의 이온 친화도에 따른 자가전위 복원력을 기반으로 외부 에너지원이 필요 없이 자가에너지가 복원되어 언제 어디서든 사용 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명의 자가복원 에너지 시스템은 자가 전위차가 소멸된 후 스스로 재생성되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 자가복원 에너지 시스템은 웨어러블 산업에 활용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 환원 그래핀 옥사이드를 이용한 자가복원 에너지 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 재료인 환원 그래핀 옥사이드 분말의 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 자가복원 에너지 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4a 및 4b는 금박 웨이퍼의 CV curve 및 OCV 그래프이다.
도 5a 및 5b는 전압 인가 전 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 5c는 전압 인가 전 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 6a 및 6b는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 6c는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 7a 및 7b는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 7c는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 9a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 직렬 연결한 사진이고, 도 9b는 도 9a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 10a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 병렬 연결한 모식도이고, 도 10b는 도 10a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이고, 도 10c는 도 10b의 결과를 시간에 따라 미분한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 재료인 환원 그래핀 옥사이드 분말의 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 자가복원 에너지 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4a 및 4b는 금박 웨이퍼의 CV curve 및 OCV 그래프이다.
도 5a 및 5b는 전압 인가 전 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 5c는 전압 인가 전 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 6a 및 6b는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 6c는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 7a 및 7b는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 7c는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 9a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 직렬 연결한 사진이고, 도 9b는 도 9a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 10a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 병렬 연결한 모식도이고, 도 10b는 도 10a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이고, 도 10c는 도 10b의 결과를 시간에 따라 미분한 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 자가복원 에너지 시스템의 구조를 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 자가복원 에너지 시스템 및 그를 이용한 자가충전방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO) 및 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 전자 및 정공 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 제1 전극(100); 환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 제2 전극(200); 및 전해질(300);을 포함하는 자가복원 에너지 시스템(10)을 제공한다.
상기 제2 전극(200)이 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 상기 전자 및 정공 중 다른 하나를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성할 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차(self-potential difference)가 생성되는 것일 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 에너지 저장부(400)를 추가로 포함하고, 상기 에너지 저장부가 상기 자가 전위차로 생성되는 전기 에너지를 저장할 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 전기적으로 연결(short)하거나 절연(open)하는 스위치(500)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 전해질이 액체 전해질 또는 고체 전해질일 수 있다.
상기 전해질이 액체 전해질이고, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 각각 상기 액체 전해질에 침지될 수 있다.
상기 액체 전해질이 염화수소(HCl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 테트라부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(Tetrabutylammonium hexafluorophosphate, TBAPF6) 및 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate, PC)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 분리막을 추가로 포함할 수 있다.
상기 전해질이 고체 전해질이고, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 표면 상에 각각 상기 고체 전해질이 위치할 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 제1 집전체(current collector) 및 제2 집전체(current collector)를 추가로 포함하고, 상기 제1 집전체가 상기 제1 전극 상에 위치하고, 상기 제2 집전체가 상기 제2 전극 상에 위치할 수 있다.
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체가 각각 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 집전체가 포함하는 금속이 제2 집전체가 포함한 금속과 서로 동일하거나 다른 금속일 수 있다.
상기 자가복원 에너지 시스템이 직렬 또는 병렬로 복수개가 연결될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 자가복원 에너지 시스템(10)을 사용하는 자가충전방법이고, (a) 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 절연(open)하여 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 연결(short)하고 상기 자가 전위차로 인해 생성되는 에너지를 저장하고 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계;를 포함하는 자가충전방법을 제공한다.
또한 상기 자가충전방법이 (c) 상기 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 다시 절연(open)하여 자가 전위차를 다시 생성시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 2개의 전극을 액체 전해질에 침지시키면 각각 고유의 electrochemical double layer에 의해서 자기 고유의 전위와 전하를 가지게 된다. 쇼트를 내면 전위차에 전하가 흐르며 두 물질은 평형을 이루게 된다. 오픈을 하게 되면 각각 고유의 electrochemical double layer를 형성하려는 힘에 의해서 자기 고유의 전위와 전하를 가지기 위해 이동하게 된다.
[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: 자가복원 에너지 시스템의 제조
이전극 시스템
환원 그래핀 옥사이드 분말(도 2 참조, rGO powder, 비표면적 450m2/g)을 에틸알코올(ethyl alcohol)에 0.0025 wt%로 분산시켜 분산용액을 제조하였다. 상기 분산용액을 금박 웨이퍼 위에 붓고, 진공 오븐에서 70℃로 10시간 동안 건조하여 환원 그래핀 옥사이드가 도포된 금박웨이퍼를 작업전극으로 사용하였다. 또한 구멍(mesh)의 크기가 가로 1mm, 세로 1mm인 백금 메쉬(Pt mesh)를 상대전극으로 사용하였다. 상기 상대전극 및 작업전극을 0.1M HCl(전해질)에 침지시켜 이전극 시스템을 제조하였다.
양극 및 음극
상기 이전극 시스템의 상기 상대전극 및 작업전극 사이에 +0.8V의 전압을 5분 동안 인가하여 상기 환원 그래핀 옥사이드에 전자 주입(electron injection)이 일어나도록 하여 양극을 제조하였다.
또한 다른 하나의 상기 이전극 시스템의 상기 상대전극 및 작업전극 사이에 -0.8V의 전압을 5분동안 인가하여 상기 환원 그래핀 옥사이드에 홀 주입(hole injection)이 일어나도록 하여 음극을 제조하였다.
자가복원 에너지 시스템
상기 양극 및 음극을 전기적으로 연결하여 도 3과 같은 자가복원 에너지 시스템을 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: CV curve 및 OCV 그래프 분석
금박 웨이퍼의 CV curve 및 OCV 그래프 분석
도 4a 및 4b는 금박 웨이퍼의 CV curve 및 OCV 그래프이다. 본 실험은 백금 메쉬(Pt mesh, 상대전극) 및 금박웨이퍼(작업전극)을 0.1M HCl(전해질)에 침지시켜 제조한 이전극 시스템을 전기화학측정 장비인 ZIVE SP1를 이용하여 자가복원 실험을 진행하였다. 또한 오실로스코프로 더블체크하면서 진행하였다.
도 4a 및 4b에 따르면, 도 4a (CV curve)를 통해 금박 웨이퍼의 자체 캐패시턴스(5.61 F/cm2) 값을 얻을 수 있고, 도 4b (OCV 그래프)를 통해 금박 웨이퍼는 전류 집전체(current collector)일 뿐 자가복원 성능에 영향을 주지 않는다는 사실을 알 수 있다.
전압 인가 전의 CV curve 및 OCV 그래프 분석
본 실험은 백금 메쉬(Pt mesh, 상대전극) 및 환원 그래핀 옥사이드가 도포된 금박웨이퍼(작업전극)을 0.1M HCl(전해질)에 침지시켜 제조한 이전극 시스템을 전기화학측정 장비인 ZIVE SP1를 이용하여 자가복원 실험을 진행하였다. 또한 오실로스코프로 더블체크하면서 진행하였다.
도 5a 및 5b는 전압 인가 전 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 5c는 전압 인가 전 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 5a 및 5b에 따르면, 도 5a (CV curve)에서 얻어진 캐패시턴스 값에서 도 4a에서 얻은 금박 웨이퍼의 캐패시턴스 값을 빼면, 환원 그래핀 옥사이드의 자체 캐패시턴스(3.52 F/cm2)를 알 수 있다. 또한 도 5b (OCV 그래프)를 통해 환원 그래핀 옥사이드의 자가 전위(-40 mV)를 알 수 있다.
또한 도 5c에 따르면, 충·방전 그래프를 통해 자가복원 시스템의 가역성을 알 수 있으며 방전은 C.E에 연결된 집게와 W.E에 연결된 집게를 맞닿도록 해서 Short를 내는 방식으로 진행했다.
전압 인가 후의 CV curve 및 OCV 그래프 분석
본 실험은 백금 메쉬(Pt mesh, 상대전극) 및 환원 그래핀 옥사이드가 도포된 금박웨이퍼(작업전극)을 0.1M HCl(전해질)에 침지시켜 제조한 이전극 시스템의 상기 상대전극 및 작업전극 사이에 +0.8V 또는 -0.8V의 전압을 인가하고, 전기화학측정 장비인 ZIVE SP1를 이용하여 자가복원 실험을 진행하였다. 또한 오실로스코프로 더블체크하면서 진행하였다.
도 6a 및 6b는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 6c는 +0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다. 또한 도 7a 및 7b는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 CV curve 및 OCV 그래프이고, 도 7c는 -0.8 V전압을 인가한 후 작업전극의 충·방전 그래프이다.
도 6a 내지 6c에 따르면, 전압 인가 전(pristine)/후(+0.8V) 캐패시턴스 차이를 알 수 있고, OCV 그래프를 통해 자가 전위(+30 mV)를 알 수 있다. 또한 충·방전 그래프를 통해 자가복원 시스템의 가역성을 알 수 있었다.
또한 도 7a 내지 7c에 따르면, 전압 인가 전(pristine)/후(-0.8V) 캐패시턴스 차이를 알 수 있고 OCV 그래프를 통해 자가 전위(-90 mV)를 알 수 있다. 또한 충·방전 그래프를 통해 자가복원 시스템의 가역성을 알 수 있었다.
시험예 3: 자가회복 에너지 시스템의 시간에 따른 전위차 측정
실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템을 short를 내어서 전위를 0으로 만든 후, 4.7 uF 커패시터를 연결하여 실제 슈퍼 커패시터가 충전되는 것을 확인하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
또한 도 9a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 직렬 연결한 사진이고, 도 9b는 도 9a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이고, 도 10a는 실시예 1에 따라 제조된 자가회복 에너지 시스템 2개를 병렬 연결한 모식도이고, 도 10b는 도 10a의 시스템을 사용하여 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 보여주는 그래프이다. 또한 도 10c는 도 10b의 결과를 시간에 따라 미분한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 자가복원 에너지 시스템이 시간에 따른 전위차를 이용해 커패시터를 충전하는 것을 확인할 수 있다.
도 9a 및 도 9b에 따르면, 자가복원 시스템 2개를 직렬연결 했을 때 전압의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
도 10a 내지 10c에 따르면, 자가복원 시스템 2개를 병렬 연결 했을 때 전압의 크기는 동일하지만 충전 속도에 차이가 있다는 것을 확인할 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 (15)
- 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO) 및 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 전자 및 정공 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 제1 전극(100);
환원 그래핀 옥사이드를 포함하는 제2 전극(200); 및
액체 전해질(300);을 포함하고,
상기 제 1전극(100)이 상기 액체 전해질(300)과 접촉하기 전에, 상기 전자 및 정공 중에서 선택된 어느 하나가 제1 전극(100)의 상기 환원 그래핀 옥사이드 표면에 미리 주입되는 것이고,
상기 제1 전극 및 제2 전극이 각각 상기 액체 전해질(300)에 침지되고,
상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 각각 상기 액체 전해질(300) 내에서 상기 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)의 표면에 전기화학 이중층(electrochemical double layer)을 형성하고,
상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차(self-potential difference)가 생성되는 것인, 자가복원 에너지 시스템(10). - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극(200)이 상기 환원 그래핀 옥사이드의 표면에 주입되는 상기 전자 및 정공 중 다른 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 자가복원 에너지 시스템이 에너지 저장부(400)를 추가로 포함하고,
상기 에너지 저장부가 상기 자가 전위차로 생성되는 전기 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 자가복원 에너지 시스템이 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 자가복원 에너지 시스템이
상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 전기적으로 연결(short)하거나 절연(open)하는 스위치(500)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 자가복원 에너지 시스템이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 분리막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 자가복원 에너지 시스템이 제1 집전체(current collector) 및 제2 집전체(current collector)를 추가로 포함하고,
상기 제1 집전체가 상기 제1 전극 상에 위치하고, 상기 제2 집전체가 상기 제2 전극 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체가 각각 금, 은, 백금, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가복원 에너지 시스템. - 제1항에 따른 자가복원 에너지 시스템(10)을 사용하는 자가충전방법이고,
(a) 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 절연(open)하여 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 자가 전위차를 생성하는 단계; 및
(b) 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(200)을 전기적으로 연결(short)하고 상기 자가 전위차로 인해 생성되는 에너지를 저장하고 상기 자가 전위차가 소멸되는 단계;를
포함하는 자가충전방법. - 제14항에 있어서,
상기 자가충전방법이
(c) 상기 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 다시 절연(open)하여 자가 전위차를 다시 생성시키는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전방법.
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| Janardhanan R. Rani et al., High Volumetric Energy Density Hybrid Supercapacitors Based on Reduced Graphene Oxide Scrolls, 2017 American Chemical Society (2017.06.14.)* |
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