KR20190054915A - 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치 - Google Patents

전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20190054915A
KR20190054915A KR1020180122649A KR20180122649A KR20190054915A KR 20190054915 A KR20190054915 A KR 20190054915A KR 1020180122649 A KR1020180122649 A KR 1020180122649A KR 20180122649 A KR20180122649 A KR 20180122649A KR 20190054915 A KR20190054915 A KR 20190054915A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
conductive polymer
hydrophilic fiber
fiber membrane
polymer layer
polar solvent
Prior art date
Application number
KR1020180122649A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102172609B1 (ko
Inventor
김일두
윤태광
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to PCT/KR2018/012965 priority Critical patent/WO2019093701A1/ko
Priority to US16/175,204 priority patent/US11404222B2/en
Priority to EP18203715.0A priority patent/EP3482819B1/en
Publication of KR20190054915A publication Critical patent/KR20190054915A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102172609B1 publication Critical patent/KR102172609B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • C08L101/12—Compositions of unspecified macromolecular compounds characterised by physical features, e.g. anisotropy, viscosity or electrical conductivity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L49/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more carbon-to-carbon triple bonds; Compositions of derivatives of such polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L65/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/02—Moisture-responsive characteristics
    • D10B2401/022—Moisture-responsive characteristics hydrophylic

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 이온을 함유한 극성 양성자성 용매가 전도성 고분자의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 양이온/음이온 슈도캐패시터 흡착 메커니즘을 활용하여, 제작된 용액 뿐만 아니라 자연에서 얻을 수 있는 용액을 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭 젖음 (wetting)을 수행하여, 생성되는 높은 전위 차 및 전류를 장시간 유지하고 직류 형태의 전기 에너지를 전도성 고분자 층이 개별 섬유의 표면에 결착된 친수성 섬유 멤브레인 에너지 생성 장치, 에너지 생성 장치의 제조방법, 그리고 다수의 에너지 생성 장치가 적층되거나 병렬/직렬로 결합된 대면적 에너지 생성 장치와 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치 {CONDUCTIVE POLYMER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED LARGE-AREA ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭 젖음 (asymmetric wetting) 및 유체의 흐름에 의해 표면에 음이온과 양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 특유의 높은 전압 생성 효율을 활용하여, 높은 성능의 전기 에너지로 전환하는 에너지 생성 장치 및 에너지 생성 장치의 제조방법, 그리고 복수의 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 전기 에너지 생성 장치에 관한 것이다. 구체적으로 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 개별 전기 에너지 생성 장치는 물에 분산된 전도성 고분자 용액을 활용한 침지 공정 (dipping process)을 통해, 균일한 전도성 고분자 층을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포한다. 전도성 고분자가 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 떨어뜨리면, 표면 에너지를 낮추기 위한 물리적 흡착으로 인해 발생하는 전기 이중층에 의한 캐패시턴스 차이로 유발되는 전위 차가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 유도된 전위 차는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. 또한, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온 (proton)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위한 전도성 고분자의 전자 흐름을 유발하여 전력을 생성할 수 있다.
4차 산업 혁명의 중추적 기술인 사물 인터넷은 헬스케어, 편의성과 결합하여 수요가 급증하고 있고, 센서 네트워크 및 무선 데이터 송수신 기술 기반 전자기기와 결합하여 삶의 질을 향상시키는 잠재성이 무궁무진한 분야이다. 하지만, 인체의 정보 송수신에 발생하는 사물 인터넷 전자기기에 전력을 공급해야 하므로, 이를 뒷받침할 수 있는 에너지 공급체는 필수불가결하다. 에너지 공급 시스템의 후보군 중의 하나로 에너지 생성 장치가 에너지 공급원으로 제시되고 있다.
현재까지 개발된 에너지 생성 시스템 중에서 태양전지, 열전 시스템은 100 mW 이상의 높은 전력을 생성 가능한 장점이 있다. 하지만, 전기 에너지를 지속적으로 생성하기 위해서 항상 온도 차이를 유지해야 하고, 지속적인 태양광의 조사가 필요하다. 특히 고온이 발생하기 때문에, 인체 부착 가능한 시스템의 에너지 공급원으로 활용하기 어렵다. 따라서, 인체에서 자연스럽게 발생하는 기계적 압력 및 마찰에 의해 전위 차가 발생하는 압전 (piezoelectric), 마찰 전기 (triboelectric) 등이 대안으로 제시되고 있다. 각각의 에너지 생성 장치들은 높은 전압과 수십 μW ~ mW의 높은 전력을 발생시키는 장점이 있다. 특히, 압전과 마찰 전기 에너지 생성 장치들은 인체의 움직임을 전기 에너지로 전환하는 것이 가능하여, 인체에 착용 가능한 (wearable) 에너지 생성 장치에 활용 가능하다.
하지만, 기계적 변형 및 마찰에 의한 에너지 생성 장치는, 생성 원리에 의해 전기 에너지가 고주파 (high frequency) 교류 (AC) 전압 및 전류의 형태로 발생한다. 기계적 변형 및 마찰이 인가되었을 때만 순간적으로 전압 차가 발생하게 된다. 인가된 기계적인 작용이 제거되면 반대 방향으로 전압 차가 다시 형성되고, 이 때문에 전기 에너지는 높은 진동수의 교류 형태를 갖는다. 이 때문에 압전, 마찰 전기 에너지 생성 장치는 별도의 정류 회로 (rectifier circuit) 및 에너지 저장 장치가 항상 동반되어야 에너지 생성 장치에서 발생된 에너지를 사용할 수 있다. 또한 반복적인 기계적 변형, 마찰, 열 흐름은 디바이스를 손상시켜, 에너지 생성 장치의 생성 효율이 지속적으로 하락하는 문제점을 야기시킨다.
에너지 발생 장치의 손상 없이 지속적으로 전압 차를 손쉽게 만들어 낼 수 있는 발전기 설계 및 대면적 제조 기술 개발은, 인체에 착용 가능한 대용량 에너지 생성 장치 개발을 위해 필수적으로 선행되어야 한다. 또한, 발생하는 전기 에너지가 교류가 아닌 직류의 형태로 발생하는 에너지 생성 장치 구현으로, 추가적인 회로 없이 전자기기에 직접 전력을 공급할 수 있는 장치 개발이 필요하다. 이는, 에너지 생성 장치의 단순화를 가능케 하여 생산비 절감 및 활용 가능성을 향상 시킬 수 있다.
전도성 고분자가 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 떨어뜨리면, 극성 용매를 포함되어 있는 양이온과 음이온들이 표면 에너지를 낮추기 위해 물리적으로 흡착이 가능한 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 층의 표면에 흡착되어 전기 이중층을 형성하게 되고, 이로 인해 젖은 부분과 마른 부분 간에 캐패시턴스 차이에 의한 전위 차가 유발된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 장기적으로 유지된다. 그리고, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온 (proton)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 빠르게 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하게 되어 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 전류가 지속적으로 흐르게 된다. 본 발명의 실시예들에서는 직류 (DC) 형태의 높은 생성 전압 및 전류를 갖는 전기 에너지를 발생하는 고성능 에너지 생성 장치 및 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.
사물 인터넷 전자기기에 전력을 공급하거나 이차 전지 및 슈퍼캐패시터에 생성된 에너지를 저장하는 등 다양한 조건과 환경에서 활용할 수 있도록 개별의 에너지 생성 장치를 복수 개 결합한 대면적 전기 에너지 생성 장치를 제공한다.
음이온과 양이온을 표면에 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는다. 특히, 대표적인 슈도캐패시터 물질인 전도성 고분자 계열은 전기 전도성도 있어 전자의 빠른 이동이 가능하다. 전도성 고분자가 도포된 친수성 멤브레인에 있어서, 전도성 고분자 표면에 흡착된 양이온과 음이온들에 의해 전기 이중층이 형성되어 젖은 부분과 마른 부분 사이에 캐패시턴스 차이에 의한 전압 차이가 유도되고, 친수성 멤브레인의 높은 극성 용매 흡수력에 의해 발생하는 수소 이온의 이동으로 인해 유발되는 전자의 흐름을 활용하여, 직류 형태의 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 에너지 생성 장치를 제공한다.
일측에 따르면, 고분자가 흡착하는 양이온과 음이온에 의해 형성되는 캐패시턴스 차이에 의한 전위 차이와, 친수성 멤브레인의 높은 극성 용매 흡수력에 의해 발생하는 유체 흐름에 의한 수소 이온의 이동으로 인해 유발되는 전자의 흐름에 의해 지속적으로 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역의 극성 용매 내의 양이온과 음이온이 상기 극성 용매의 상기 친수성 섬유 멤브레인의 극성 용매 흡수에 따른 유동에 의해 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역 방향으로 이동함에 따라, 지속적으로 전류가 생성됨을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고, 상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온과 음이온이 상기 젖음 영역의 헬름홀츠 외각 면 (outer Helmholtz plane)에 추가적으로 배열 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치는 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역과 연결되는 제1 전극; 및 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC), poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층은 전기전도도 특성 및 양이온과 음이온을 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 특성을 활용하기 위해 상기 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질이 0차원, 1차원 또는 2차원으로 복합화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재하여 코팅되고, 상기 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 상기 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적 및 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 향상을 위해 친수성 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자가 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 양 극의 비대칭 젖음을 통한 전압 차이를 유지하기 위해 가로 세로의 종횡비가 3 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층이 코팅된 적어도 하나의 다른 친수성 섬유 멤브레인을 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 연결하여 생성되는 전기 에너지의 양, 전압, 전력 밀도, 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
에너지 생성 장치의 제조방법에 있어서, (a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계; (b) 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계; (c) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계를 포함하고, 상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (d) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (e) 전도성 고분자 층이 코팅된 복수의 친수성 섬유 멤브레인을 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 양이온과 음이온을 모두 흡착할 수 있는 전도성 고분자 물질로서, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 물에 분산시켜 1wt%의 질량비를 갖도록 상기 전도성 고분자 코팅 용액을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 전도성 고분자의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계는, 상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 연결된 두 전극 중 하나의 전극과 연결된 부분에만 극성 용매를 부분적으로 떨어뜨려 상기 극성 용매에 의해 젖은 부분의 전극과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전력을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 이온을 포함하는 극성 양성자성 용매로서, (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중에서 선택된 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액을 포함하거나 또는 (2) 바닷물이나 땀과 같은 자연에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 떨어뜨리는 행위로 고성능의 직류 전력을 생성하는 전기 에너지 생성 장치를 제작할 수 있다.
침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 고분자를 극성 용매의 흡수가 용이한 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여, 극성 용매의 존재만으로 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 또한 개별의 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치가 복수 개 결합된 대면적 전기 에너지 생성 장치를 제공함으로써, 생성되는 전압과 전류를 증가시켜 고전력 전자기기의 구동을 위한 전기 에너지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 침지 공정을 이용하여 제조된 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 양이온과 음이온을 모두 흡착할 수 있는 대표적인 슈도캐패시터 물질인 전도성 고분자와, 친수성 섬유 멤브레인의 우수한 젖음성 (wetting) 및 기공도를 기반으로 높은 효율의 직류 전력을 친환경적으로 생성할 수 있다. 일실시예로, 규격이 3 cm (세로) × 9 cm (가로)의 크기를 갖는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.25 ml 이하의 소량의 물로 1시간 이상 동안 직류 전력을 발생할 수 있고, 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 활용 가능성이 높다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제작 과정인 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용하여 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 방법 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 적층된 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 에너지 생성 장치의 모식도이다.
도 4는 일 비교예 1 에 따라 같은 저항 값을 갖는 탄소 입자가 도포된 에너지 생성 장치와 양이온/음이온을 표면에 모두 흡착하는 전도성 고분자인 PANI와 PEDOT:PSS 가 도포된 에너지 생성 장치에 비대칭 젖음을 수행하고 생성 개방 전압을 비교한 결과이다.
도 5는 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 물의 비대칭 젖음 생성 개방 전압 측정 결과이다.
도 6은 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 물의 비대칭 젖음 생성 개방 단락 전류 측정 결과이다.
도 7은 인체에서 발생하는 대표적인 염을 함유하고 있는 액체인 인공 땀을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 생성 개방 전압들을 측정한 결과이다.
도 8는 대표적인 염을 함유하고 있고 지구상에 충분하게 존재하고 있는 액체인 인공 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 생성 개방 전압을 측정한 결과이다.
도 9는 실제 동해와 남해 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 다르게 나타나는 생성 전압 거동을 확인한 결과이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명은 극성 용매 (바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭 젖음 (asymmetric wetting) 및 유체의 흐름에 의해 표면에 음이온/양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 특유의 높은 전압 생성 효율을 활용하여, 극성 용매(바람직하게는 적은 양의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 전도성 고분자층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 비대칭으로 떨어뜨리는 행위를 통해 전기 에너지를 발생시키는 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 표면 에너지를 낮추기 위한 물리적 흡착으로 인해 발생하는 캐패시턴스 차이로 전위 차가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. 그리고, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 분자(수소 이온)를 젖은 부분에서 마른 부분으로 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 유발되는 전도성 고분자 내부의 전자 흐름을 활용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예는 표면에 음이온/양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는 것을 기반으로, 고성능의 직류 전압-전류 형태의 전기 에너지를 발생시키는 개별 에너지 생성 장치와, 이러한 개별 에너지 생성 장치를 복수 개 결합한 대면적 전기 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 전기 이중층만 형성하는 탄소층 (탄소입자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등)에 비해 양이온과 음이온 모두를 흡착 할 수 있는 전도성 고분자를 활용함으로써 에너지 생성 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 슈도캐패시터 물질은 기존의 전기 이중층 흡착과 달리, 음이온과 양이온을 모두 이용할 수 있기 때문에 높은 에너지 생성 효율을 가질 수 있다. 전도성 고분자 기반 에너지 생성 장치를 통해 형성된 직류 형태의 전기 에너지는 별도의 정류 회로 없이 직접 고전력의 전자기기에 연결하여 구동할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예들은 간단한 침지 공정으로 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 저비용으로 대량생산 할 수 있으며, 대면적 (large-area)의 에너지 생성 장치의 제조가 용이하며, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인들간의 적층을 통해 생성 전압 및 전류의 조절이 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제작과정 모식도이다. 일정 규격(일례로, 3 cm (세로) × 9 cm (가로))으로 절삭한 친수성 섬유 멤브레인(101)을 전도성 고분자가 분산되어 있는 전도성 고분자 코팅 용액(102)에 침지한다. 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 도포되는 전도성 고분자 층의 두께와 균일도를 제어할 수 있다. 전도성 고분자 층이 균일하게 코팅된 침지된 친수성 섬유 멤브레인(103)은 건조 오븐에서 건조 과정(104)을 거친 후 완성될 수 있다. 건조 후의 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치의 저항은 1 kΩ ~ 100 MΩ의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 친수성 섬유 멤브레인(103)이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 μm의 범위(일례로, 50 nm ~ 500 μm의 범위) 내에서 구성된다.
다시 말해, 음이온과 양이온을 모두 흡착할 수 있는 복합 흡착 특성을 갖는 슈도캐패시터(pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는 것을 기반으로, 고성능의 직류 전압-전류 형태의 전기 에너지를 발생시키는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함할 수 있다. 이때, 에너지 생성 장치는 상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 일례로, 극성 용매에 의해 젖은 전도성 고분자와 젖지 않은 전도성 고분자간의 전기 이중층의 존재 유무로 형성된 캐패시턴스에 의해 유발된 전위 차 (전압 차)를 이용하여 전기 에너지가 생성될 수 있다. 양이온과 음이온을 함유한 용액과 같은 극성 용매에 의해 젖은 영역(wetted region)은 전도성 고분자의 표면에서 전기 이중층에 의해 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성하게 된다. 이로 인해 극성 용매에 의해 젖은 부분과 젖지 않은 영역(dry region)간에 전위차가 형성될 수 있다. 이 경우, 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역과 연결되는 제1 전극, 그리고 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류 및 전력을 생산할 수 있게 된다.
또한, 이러한 에너지 생성 장치는 제 1영역과 제 2영역간의 캐패시턴스 차이에 의해 유발된 전위 차를 지속적으로 유지할 수 있어, 전기 에너지를 지속적으로 생성할 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은, 전도성 고분자와 친수성 섬유 멤브레인 (일례로, 면 직물)로부터 다량의 양이온 (수소 이온을 포함)이 유동하고, 극성 용매 (유체)에 포함되어 있는 양이온과 음이온들이 면 직물의 젖어 있는 영역에서 젖어 있지 않은 영역으로 유동하며, 전도성 고분자 내의 전하적 중성도를 유지하기 위한 전자의 흐름을 유발한다. 그렇기 때문에, 본 발명은 전위 차/전류가 지속적으로 발생되어 직류 형태의 전기 에너지가 지속적으로 생성될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 이중층 기반 전기 에너지 생성 장치는 기존의 증발 흐름 전위 (Evaporation driven streaming potential)에서는 나타나지 않는 다양한 현상들을 확인할 수 있다.
기존 증발 흐름 전위는 유체의 지속적인 증발에 의해서 흐름이 발생되고, 유체의 흐름이 유지되는 환경에서 전위 차가 발생하는 특징이 있다. 상대습도가 높은 환경에서는 증발 속도가 현저하게 떨어지며 유체의 흐름이 정체되기 때문에, 기존의 증발 흐름 전위는 전력을 생성하기 어렵다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 이중층 기반 에너지 생성 장치에서는 물 흡수력이 뛰어난 천이 유체의 빠른 흐름을 제공하기 때문에, 전기 에너지의 생성이 습도에 거의 영향을 받지 않게 된다.
또한, 기존 증발 흐름 전위에 따른 전압이 양이온의 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이는 반면, 본 발명의 이중층을 통해 발생하는 전기 에너지의 전압과 전류는 다양한 종류의 이온의 추가에 따라 모두 증가하는 경향을 보인다. 예를 들어, 기존 증발 흐름 전위에서는 유체의 흐름이 증발에 의존하기 때문에 유체가 흐르는 속도가 한정되고, 따라서 유체의 양 자체가 한정되기 때문에 한정된 유체의 양에 포함되는 양이온 농도가 증가는 증기압의 감소로 인한 유체의 증발량의 감소로 이어진다. 증발량의 감소는 결국 유체의 흐름을 정체시킬 수 있기 때문에 기존 증발 흐름 전위에서는 양이온 농도의 증가에 따라 전압이 감소하는 모습을 보인다. 반면, 본 발명의 친수성 섬유 멤브레인은 극성 용매의 비대칭적인 젖음에 따라 자체적인 유체의 흐름을 유도할 뿐만 아니라, 외각 헬름홀츠 면 (outer Helmholtz plane)에 다양한 양이온들을 배열할 수 있어 농도의 증가는 상대적으로 더 큰 전위 차로 이어질 수 있다. 따라서 양이온 농도의 증가에 따라 전압과 전류가 모두 증가할 수 있다. 뿐만 아니라, 슈도캐패시터 전도성 고분자는 표면에 매우 가까운 내각 헬름홀츠 면 (inner Helmholtz plane)에 음이온을 배열할 수 있어, 양이온과 음이온을 모두 전력 생성에 활용할 수 있다.
한편, 전도성 고분자로서 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 물질이 활용될 수 있다. 우수한 전기전도도 및 전기 이중층-산화/환원 복합 흡착 특성을 가지며, 친수성 섬유 멤브레인과 결착이 잘 이루어지는 전도성 고분자는 특정 고분자 물질에 제약을 두지 않으며, 박층 형태로 코팅된 전도성 고분자 층이 활용될 수 있으며, 0차원, 1차원, 2차원의 전도성 고분자 층이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용한 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 기반한 에너지 생성 장치의 제조방법에 따른 순서도를 보여준다. 도 2의 순서도에서 확인할 수 있듯이, 에너지 생성 장치의 제조방법은 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계(201), 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 용액에 침지시켜 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계(202), 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 오븐 건조를 통해 수분을 제거하는 단계(203)를 포함할 수 있다. 개별의 에너지 생성 장치는 이러한 단계(201) 내지 단계(203)를 통해 제조될 수 있으며, 복수 개의 개별의 에너지 생성 장치들을 결합하여 대면적 에너지 생성 장치가 제조될 수 있다. 이러한 대면적 에너지 생성 장치를 제조하기 위해, 도 2에 나타난 바와 같이 에너지 생성 장치의 제조 방법은 단계(204)를 더 포함할 수 있다. 또한, 개별 에너지 생성 장치 또는 대면적 에너지 생성 장치를 통해 전기 에너지를 생성하기 위해, 에너지 생성 장치의 제조방법은 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 멤브레인에 대한 극성 용매의 비대칭적인 젖음을 통해 전기 에너지를 생성하는 단계(205)를 더 포함할 수 있다.
단계(201)는 개별 에너지 생성 장치의 프레임이 되어, 일부 영역에서 극성 용매를 함유하게 되는 친수성 섬유 멤브레인을 미리 설정된 크기(일례로, 3 cm (세로) × 9 cm (가로))로 절삭하는 과정일 수 있다. 이때, 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함될 수 있다. 이러한 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다.
단계(202)는 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층을 코팅하는 과정일 수 있다. 이를 위해 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자가 물에 분산된 전도성 고분자 용액에 침지시킬 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자 물질은 물에 0.5~1wt%의 질량비를 갖도록 물에 분산될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 물질을 포함할 수 있다. 이러한 전도성 고분자 층은 우수한 전기전도도 특성과 전기 이중층-산화/환원 복합 흡착 특성을 가질 수 있으며, 0 차원, 1 차원 또는 2차원으로 복합화되어 친수성 섬유 멤브레인에 결착될 수 있다. 전도성 고분자 층은 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재함으로써 코팅될 수 있으며, 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절될 수 있다. 예를 들어, 친수성 섬유 멤브레인에 적재되는 전도성 고분자의 양을 조절하기 위해, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하거나 및/또는 전도성 고분자의 물에 대한 질량비를 조절할 수 있다.
단계(203)는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키기 위한 과정일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 극성 용매를 떨어뜨리는 영역을 제외한 영역은 건조된 상태여야 극성 용매에 의해 젖은 영역과의 전위차를 통해 전기 에너지를 발생시킬 수 있기 때문에, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 기본적으로 건조된 상태에서 사용될 수 있다. 이 과정에서 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 트레이상에 평평하게 배치될 수 있으며, 오븐을 통해 건조(일례로, 80℃)될 수 있다.
단계(204)는 대면적의 에너지 생성 장치를 제조하기 위해 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 결합하는 고정일 수 있다. 개별 에너지 생성 장치들간의 적층은 생성되는 전류의 양을 늘리고, 극성 용매의 증발을 효과적으로 억제하여 전기 에너지의 생성을 장시간 지속시키기 위해 활용될 수 있다. 또한, 개별 에너지 생성 장치들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 것은 대면적화-극대화된 전류 및 전압을 생성하기 위해 활용될 수 있다. 여기서 개별 에너지 생성 장치들간의 적층은 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인들이 물리적으로 적층되는 것을 의미할 수 있다. 반면, 개별 에너지 생성 장치들간의 병렬/직렬 연결/결합은 전기적인 연결/결합을 의미할 수 있다.
단계(205)는 제조된 에너지 생성 장치를 이용하여 전기 에너지를 생성하기 위해 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 비대칭적으로 떨어뜨리는 과정일 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 일부분만 극성 용매를 떨어뜨리는 경우, 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 극성 용매가 흡착됨에 다라 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성함에 따라 전기 에너지가 생성될 수 있다.
추가적으로, 극성 용매로는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매들이 활용될 수 있다. 예를 들어, 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함할 수 있다. 유전 상수가 20 이상 되는 수소 이온 (proton)을 함유하고 있는 극성 양성자성 용매(polar protic solvents)로서, 메탄올 (methanol), 폼산 (formic acid), 물 등이 활용될 수 있으며, 특히 유전 상수가 가장 높은 물에 H+, Li+, Na+, K+ 이온들을 용해하면, 외각 헬름홀츠 면에 추가로 이온들이 배열되어 전기 에너지의 전류 및 전압이 증가하게 된다. 인체에 닿아도 무해하며 에너지 생성 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 이온은 Na+, K+ 등이 해당한다.
제작된 에너지 생성 장치는 소량의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매로도 장시간 동안 고성능의 직류 전력을 발생할 수 있고 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 응용이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 적층된 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 에너지 생성 장치의 모식도이다. 앞서 설명한 바와 같이 전도성 고분자가 코팅된 개별 에너지 생성 장치들을 활용하여 대용량 전자 기기를 구동하기 위해서는, 개별 에너지 생성 장치들의 적층이나 병렬/직렬 연결을 통해 대면적 에너지 생성 장치를 제조할 필요성이 있다. 도 3은 그 일실시예로서, 복수 개의 개별 에너지 생성 장치들이 적층된 적층 에너지 생성 장치 (302)를 나타내고 있으며, 복수 개의 적층 에너지 생성 장치들이 지지체 (301)가 제공하는 공간을 통해 설치되어 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결/결합됨에 따라 대면적 에너지 생성 장치 (303)를 형성하는 실시예를 나타내고 있다. 이러한 대면적 에너지 생성 장치 (303)를 통해 높은 구동 전압 및 전류가 요구되는 전자기기를 소량의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매와 같은 극성 용매로 구동하는 것이 가능하다.
하기에서는 실시예 및 비교예들을 통하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예들에 의해 제한되는 것은 아니다.
비교예 1: 흡착 특성이 다른 물질이 도포된 에너지 생성 장치의 성능 비교
도 4는 같은 저항을 갖는 탄소 입자가 친수성 섬유 멤브레인에 도포(코팅)된 에너지 생성 장치(이하, 제1 에너지 생성 장치)와, 음이온과 양이온을 모두 표면에 흡착할 수 있는 전도성 고분자 PANI와 전도성 고분자 PEDOT:PSS가 각각 친수성 섬유 멤브레인에 도포(코팅)된 에너지 생성 장치들(이하, 제2 에너지 생성 장치 및 제3 에너지 생성 장치)에 각각 이온을 함유한 극성 양성자성 용매의 비대칭 젖음을 수행하고 생성되는 전기 에너지의 개방 전압을 비교하였다. 그 결과, 탄소 입자가 도포된 제1 에너지 생성 장치에 비해서 전도성 고분자 PANI 또는 PEDOT:PSS가 도포된 제2 에너지 생성 장치 및 제3 에너지 생성 장치의 개방 전압이 모두 높게 나타났으며, 전도성 고분자 PEDOT:PSS가 도포된 제3 에너지 생성 장치가 제1 에너지 생성 장치에 비해 30% 이상 높은 개방 전압을 보였다. 상기 비교 결과를 기반으로 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 도포한 제3 에너지 생성 장치가 생성 전압 및 전류를 극대화 가능한 시스템의 예임을 확인할 수 있다.
실시예 1: PEDOT:PSS 침지 공정을 이용한 에너지 생성 장치의 제작
도 5는 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치(앞서 도 4를 통해 설명한 제3 에너지 생성 장치)의 저항 변화에 따른 개방 전압을 보여주는 결과이다. 면 직물을 PEDOT:PSS가 분산되어 있는 용액에 함침하는 횟수를 달리하여 조절하였다. 함침 횟수가 늘어날수록 표면에 PEDOT:PSS가 적재 되는 양이 많아 지면서 저항이 낮아지며, 저항이 각각 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, 2400 kΩ인 8개의 에너지 생성 장치들을 샘플로서 준비하였다. 도 5의 개방 전압 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 높을수록 높은 개방 전압 (2.4 MΩ 샘플: 0.87V) 특성이 나타나며, 저항이 가장 낮은 2 kΩ의 샘플에서는 소수성을 갖는 PEDOT:PSS가 두껍게 적재되어 0.24 V 수준의 낮은 개방 전압 특성이 관찰이 되었다. 높은 개방 전압 특성을 얻기 위해서 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 베이스 저항 (base resistance)과 소수성을 갖는 전도성 고분자의 적재량 조절이 중요함을 알 수 있다.
도 6은 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 단락 전류를 보여주는 결과이다. 앞서 도 5에서의 결과와 마찬가지로 각각 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, 2400 kΩ의 저항 분포를 갖는 샘플들의 생성 단락 전류를 측정하였다. 도 6의 단락 전류의 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 낮을수록 높은 단락 전류의 (2 kΩ 샘플: ~60 μA) 특성이 나타나며, 저항이 가장 높은 2.4 MΩ의 샘플에서는 1 μA 이하의 낮은 단락 전류 특성이 관찰되었다. 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 베이스 저항 (base resistance)은 생성 전류에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2: 염을 함유한 인공 땀을 이용한 전도성 고분자가 도포된 에너지 생성 장치의 생성 전압 생성
도 7은 인체에서 발생하는 대표적인 염을 함유하고 있는 액체인 땀을 극성 용매로서 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해서, 상기 도 6의 저항 변화와 동일한 저항 변화를 갖는 샘플들의 개방 전압들을 측정하였다. 인공 땀은 NaCl 0.6%, KCl 0.1%, CaCl2 0.1%의 질량비로 구성하여 용해하였으며, 상기 도 5 및 도 6과 같은 방법으로 에너지 생성 장치의 한 극에 비대칭 젖음을 수행하였다. 최대 개방 전압은 2.4 MΩ의 샘플에서 나타났으며, 최대 1.1 V에 가까운 개방 전압을 나타내어 순수 물 대비 30% 가량 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는, 인체에 부착 가능한 에너지 공급체로 활용할 때, 인체에서 발생하는 땀을 에너지 공급원으로 자연스럽게 활용할 수 있음을 의미한다.
실시예 3: 염을 함유한 인공 바닷물을 이용한 전도성 고분자가 도포된 에너지 생성 장치의 생성 전압 생성
도 8은 대표적인 염을 함유하고 있고 지구상에 충분하게 존재하고 있는 액체인 바닷물을 극성 용매로서 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해서, 상기 도 6의 저항 변화와 동일한 저항 변화를 갖는 샘플들의 개방 전압들을 측정하였다. 인공 바닷물은 실제 바닷물의 구성을 참고해서 순수 물 40 ml 기준으로 1.08 g의 NaCl과 0.15 g의 MgCl2, 0.07 g의 MgSO4, 0.05 g의 KSO4의 염들을 용해하였으며, 상기 도 5, 도 6 및 도 7과 같은 방법으로 에너지 생성 장치의 한 극에 비대칭 젖음을 수행하였다. 최대 개방 전압은 2.4 MΩ의 샘플에서 나타났으며, 최대 1.1 V에 가까운 30% 가량 향상된 개방 전압을 확인할 수 있다. 이는, 대면적으로 제작된 부유물 형태의 3차원 에너지 저장 시스템으로 확장하면, 바다상의 부유물 형태의 전자기기에서 바닷물을 이용하여 대용량 전력을 생성하는 에너지 생성 장치를 활용 가능함을 의미한다.
도 9는 실제 동해와 남해 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 다르게 나타나는 생성 전압 거동을 확인하였다. 저항은 35 kΩ의 전도성 고분자가 동일하게 적재되어 있는 에너지 생성 장치를 기반으로 비대칭 젖음을 수행하였으며, 발생하는 생성 개방 전압들을 측정하였다. 동해의 바닷물을 일부 영역에 떨어뜨린 에너지 생성 장치에서 남해의 바닷물을 일부 영역에 떨어드린 에너지 생성 장치 대비 10% 가량 높은 생성 개방 전압이 나타나는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 동해의 염분 함유량 (3.45%)이 남해 (3.4%)에 비해 높기 때문으로 분석할 수 있었다. 상기 에너지 생성 장치의 생성 전압 및 전류는 염분에 함유량에 영향을 받았으며, 이는 에너지 생성 장치에서 더 나아가 염분의 차이를 감지할 수 있는 시스템으로의 활용 가능성을 의미한다. 특히 전세계 어디서나 손쉽게 얻을 수 있는 바닷물을 직접 전도성 고분자가 코팅된 멤브레인 상에 적용할 수 있는 결과를 보여주는 점에서 그 의미가 크다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 고분자를 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 전도성 고분자 층을 형성한다. 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 용매)에 대한 높은 흡수력을 갖는 친수성 섬유 멤브레인은 극성 용매와 전도성 고분자 층간의 양이온 및 음이온 흡착에 의해 발생하는 캐패시턴스로 유발되는 전위 차를 장시간으로 생성할 수 있다. 특히 적은 양 (0.25 ml)의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 사용하여 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 비대칭 젖음을 유지해주는 것만으로도, 1시간 이상 직류의 전기 에너지를 생성 및 유지가 가능하다. 이러한 고성능의 에너지 생성 장치 복수 개를 서로 적층하거나, 직렬 또는 병렬의 형태로 결합하여 대면적화함으로써 생성되는 전압 및 전류를 극대화할 수 있다. 이렇게 생성된 직류 형태의 전력은 높은 구동 전력을 갖는 사물 인터넷 기반 전자기기를 별도의 정류 회로나 에너지 저장 장치 없이 구동할 수 있으며, 에너지 저장 시스템에 저장 가능하여 고전력이 필요한 전자기기의 구동 등에 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 극성 용매로서 땀이나 바닷물 등을 활용할 수 있음은 웨어러블 기기나 바다 위의 구조물 등의 전력 생산을 위해 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 생성 장치가 이용될 수 있음을 의미할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (28)

  1. 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함하고,
    상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 젖음은 전도성 고분자 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고, 이로 인해 젖은 영역 (wetted region)과 마른 영역 (dry region) 사이에 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인에 함유된 극성 용매의 양이온이 유동함에 의해 유발되는 지속적인 전자의 흐름을 기반으로 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양이온이 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖은 영역에서 마른 영역의 방향으로 이동함에 따라, 전하적 중성도를 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자가 양이온의 이동과 같은 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치
  5. 제3항에 있어서,
    상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고,
    상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온이 상기 젖은 영역에서 상기 마른 영역의 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역 및 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 각각 연결되는 전극
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층은 양이온과 음이온이 동시에 흡착되는 특성을 지니며, 상기 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질이 0차원, 1차원 또는 2차원으로 복합화되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재하여 코팅되고,
    상기 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 상기 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노 섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적 및 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 향상을 위해 친수성 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자가 결착되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 50 nm 내지 500 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인은 양 극의 비대칭 젖음을 통한 전압 차이를 유지하기 위해 가로 세로의 종횡비가 3 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층이 코팅된 적어도 하나의 다른 친수성 섬유 멤브레인을 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 연결하여 생성되는 전기 에너지의 양, 전압, 전력 밀도, 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  17. 에너지 생성 장치의 제조방법에 있어서,
    (a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계;
    (b) 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계;
    (c) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 젖음은 전도성 고분자 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고, 이로 인해 젖은 영역 (wetted region)과 마른 영역 (dry region) 사이의 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 친수성 섬유 멤브레인에 함유된 극성 용매의 양이온이 유동함에 의해 유발되는 지속적인 전자의 흐름을 기반으로 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 양이온이 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖은 영역에서 마른 영역의 방향으로 이동함에 따라, 전하적 중성도를 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자가 양이온의 이동과 같은 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고,
    상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온이 상기 젖은 영역에서 상기 마른 영역의 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    (d) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  23. 제17항에 있어서,
    (e) 전도성 고분자 층이 코팅된 복수의 친수성 섬유 멤브레인을 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    표면에 양이온/음이온을 모두 흡착 가능한 전도성 고분자 물질로서, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 물에 분산시켜 0.5~1wt%의 질량비를 갖도록 상기 전도성 고분자 코팅 용액을 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 전도성 고분자의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 연결된 두 전극 중 하나의 전극과 연결된 부분에만 극성 용매를 부분적으로 떨어뜨려 상기 극성 용매에 의해 젖은 부분의 전극과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 극성 용매는 이온을 포함하는 극성 양성자성 용매로서, (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중에서 선택된 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액을 포함하거나 또는 (2) 바닷물이나 땀과 같은 자연에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.
KR1020180122649A 2017-11-13 2018-10-15 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치 KR102172609B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2018/012965 WO2019093701A1 (ko) 2017-11-13 2018-10-30 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치
US16/175,204 US11404222B2 (en) 2017-11-13 2018-10-30 Apparatus for generating electrical energy based on hydrophilic fiber membrane and method of fabricating same
EP18203715.0A EP3482819B1 (en) 2017-11-13 2018-10-31 Process for generating electrical energy based on hydrophilic fiber membrane

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170150695 2017-11-13
KR20170150695 2017-11-13
KR1020180081432 2018-07-13
KR20180081432 2018-07-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190054915A true KR20190054915A (ko) 2019-05-22
KR102172609B1 KR102172609B1 (ko) 2020-11-02

Family

ID=66680459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180122649A KR102172609B1 (ko) 2017-11-13 2018-10-15 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102172609B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210094805A (ko) * 2020-01-22 2021-07-30 한국과학기술원 불소계 기능기가 결합된 소수성 표면을 지닌 전도성 산화물이 코팅된 친수성 섬유와 소수성 전극 기반 전기 에너지 생성 장치 및 전기 에너지 생성 장치의 제조 방법
US20210344287A1 (en) * 2020-05-04 2021-11-04 Korea Advanced Institute Of Science And Technology MXene COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE-BASED COMPLEX GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
CN114552937A (zh) * 2022-02-17 2022-05-27 南京航空航天大学 一种雨滴驱动平板运动的能量收集机构及方法
KR20230026173A (ko) * 2021-08-17 2023-02-24 포항공과대학교 산학협력단 태양광 기반의 담수 및 전기 동시 생산을 위한 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160052917A (ko) * 2014-10-29 2016-05-13 전자부품연구원 액체 방울을 이용한 에너지 전환 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160052917A (ko) * 2014-10-29 2016-05-13 전자부품연구원 액체 방울을 이용한 에너지 전환 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Guobin Xue et al., Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials, nature nanotechnology Letters 2016, vo.12. pp.317-322.(2017.1.30)* *
Jiangli Xue et al., Vapor-Activated Power Generation on Conductive Polymer, Advanced Functional Materials 2016 vo.27, is.47, pp.8784-8792 (2016.10.28.)* *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210094805A (ko) * 2020-01-22 2021-07-30 한국과학기술원 불소계 기능기가 결합된 소수성 표면을 지닌 전도성 산화물이 코팅된 친수성 섬유와 소수성 전극 기반 전기 에너지 생성 장치 및 전기 에너지 생성 장치의 제조 방법
US20210344287A1 (en) * 2020-05-04 2021-11-04 Korea Advanced Institute Of Science And Technology MXene COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE-BASED COMPLEX GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
WO2021225315A1 (ko) * 2020-05-04 2021-11-11 한국과학기술원 맥신이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기
KR20230026173A (ko) * 2021-08-17 2023-02-24 포항공과대학교 산학협력단 태양광 기반의 담수 및 전기 동시 생산을 위한 시스템
CN114552937A (zh) * 2022-02-17 2022-05-27 南京航空航天大学 一种雨滴驱动平板运动的能量收集机构及方法
CN114552937B (zh) * 2022-02-17 2023-09-29 南京航空航天大学 一种雨滴驱动平板运动的能量收集机构及方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102172609B1 (ko) 2020-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dhandapani et al. Recent development and prospective of carbonaceous material, conducting polymer and their composite electrode materials for supercapacitor—A review
EP3482819B1 (en) Process for generating electrical energy based on hydrophilic fiber membrane
KR102172609B1 (ko) 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치
Wang et al. Integrating a triboelectric nanogenerator and a zinc‐ion battery on a designed flexible 3D spacer fabric
EP3907876A1 (en) Mxene-coated hydrophilic fiber membrane-based complex generator and manufacturing method thereof
Li et al. A high-performance flexible fibre-shaped electrochemical capacitor based on electrochemically reduced graphene oxide
KR101828164B1 (ko) 탄소섬유전극, 이를 포함하는 와이어 형태의 수퍼커패시터, 및 상기 수퍼커패시터를 포함하는 no2 센서 및 자외선 센서
CA2968139C (en) Porous interconnected corrugated carbon-based network (iccn) composite
Lu et al. Compact assembly and programmable integration of supercapacitors
KR102105762B1 (ko) 지속적인 자가발전이 가능한 흡수성 물질이 적용된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기
KR102139866B1 (ko) 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치
KR102557318B1 (ko) 맥신이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기
Bae et al. Flexible sodium‐ion supercapacitor based on polypyrrole/carbon electrode by use of harmless aqueous electrolyte for wearable devices
De et al. Transition metal oxide/electronically conducting polymer composites as electrode materials for supercapacitors
Xu et al. Structural engineering for high energy and voltage output supercapacitors
Muzaffar et al. Nature‐Inspired electrodes for flexible supercapacitors
KR20200092293A (ko) 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치
Kamarulazam et al. Effect of electrode substrate and poly (acrylamide) hydrogel electrolytes on the electrochemical performance of supercapacitors
Sahani et al. Unveiling the hybrid era: Advancement in electrode materials for the high-performance supercapacitor: A comprehensive review
JP2020043254A (ja) グラフェンを用いた電極、その製造方法およびそれを用いた蓄電デバイス
Drobny et al. Methods for manufacturing carbon electrodes for supercapacitors: Pros and Cons
KR102287473B1 (ko) 불소계 기능기가 결합된 소수성 표면을 지닌 전도성 산화물이 코팅된 친수성 섬유와 소수성 전극 기반 전기 에너지 생성 장치 및 전기 에너지 생성 장치의 제조 방법
Qiu et al. Preparation of activated carbon paper by a novel method and application as high-performance supercapacitors
Kim et al. Choice of Materials for Triboelectric Nanogenerators
Tyutyundzhiev et al. Graphene/Polyaniline flexible supercapacitors using non-metalic electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant