KR20210040342A - 에너지 하베스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 섬유를 포함하는 에너지 하베스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자를 포함하는 쉘부가 전도성 고분자를 포함하는 코어부의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유를 형성하는 단계, 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트를 상기 복합 나노 섬유에 의해 형성하는 단계 및 상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면에, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 각각 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복합 나노 섬유를 형성하는 단계에서 상기 코어부를 형성하기 위한 상기 전도성 고분자 용액의 제 1 주입 속도와 상기 쉘부를 형성하기 위한 상기 압전성 고분자 용액의 제 2 주입 속도의 비율(제 1 주입 속도 : 제 2 주입 속도)은 5:1 내지 1:1로 제어하여 상기 복합 나노 섬유를 형성하고, 상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전압은 4.6 V 내지 6.8 V 이고, 상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전류는 164.8 nA 내지 472.8 nA 인 에너지 하베스터 제조 방법이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 에너지 하베스터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나노 섬유를 포함하는 에너지 하베스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근래에 휴대용 전자기기가 다양화되고 그 적용분야가 확대됨에 따라 휴대용 전자기기들을 장시간 구동할 수 있으면서도 부피가 작고 가벼워 휴대의 부담을 최소화할 수 있는 휴대용 전원의 필요성도 급격히 증가하고 있다.
그러나, 종래에 휴대용 전원으로서 주로 이용되던 여러 종류의 화학전지나 충전지의 경우 폐기시 환경오염을 가중시킬 수 있다는 근본적인 문제점이 있고, 풍력, 지열, 태양열 또는 파력 등 자연환경을 이용하여 직접적으로 전원을 생산하는 발전 장치들은 크기가 매우 커서 휴대용으로 적용하기에는 어려움이 있었다.
그에 따라, 사람에 의해 발생되는 운동에너지 등을 새로운 전원 공급원으로 이용할 수 있는 방안들에 대하여 연구가 진행되었고, 특히 압전성 물질을 이용하여 물리적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 것에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 종래의 압전성 물질을 이용한 하베스터는 충분한 발전 전압을 얻기 어려웠다.
또한, 무기물질들로 이루어진 하베스터를 이용하여 물리적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것에 대한 방안들을 연구하게 되었으나, 금속 계열의 물질이기 때문에 물질 자체적으로 상당한 중량을 갖고 있으며, 하베스터를 부착하기 위한 부위에 따른 다양한 성형이 쉽지 않은 한계로 인하여 휴대용으로 제작하기에는 쉽지 않은 문제점이 있었다.
또한, 압전성을 갖는 나노 섬유의 제조를 위해 종래에는 전기 방사법을 이용하여 압전성 재료를 포함하는 용액을 주사기로 주입하면서 전기장을 가해서 집전체에 압전성 나노 섬유 시트를 제조하였다. 그러나, 이러한 종래의 전기 방사법에서는 하나의 재료 또는 하나의 혼합물 또는 화합물을 사용하여 나노 섬유를 제조하였기 때문에, 2 종류 이상의 재료를 포함하는 복합 나노 섬유를 제조하기 어려웠다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 휴대가 용이하도록 가볍고, 부착하고자 하는 부위 및 압력이 가해지는 형태에 따른 성형도 용이하며, 작은 외력에도 변위가 커서 충분한 전원을 발생시킬 수 있는 에너지 하베스터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술저 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터로서, 전기 방사에 의해 제조된 복합 나노 섬유를 포함하고, 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트; 및 상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면 상에 각각 형성되고, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 포함하고, 상기 복합 나노 섬유는, 전도성 고분자를 포함하는 코어부 및 압전성 고분자를 포함하고 상기 코어부의 외면을 감싸는 쉘부를 포함하는 에너지 하베스터가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 섬유 시트는 상기 복합 나노 섬유 상의 극성 분자들이 동일한 방향으로 분극되어 잔류 분극이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전도성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(4-styrenesulfonate)], EDOT:CSA[camphor sulfonic acid], PEDOT:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):PSS, PANI:CSA, PANI:TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA, PT:DBSA로부터 1종 이상 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 섬유 시트는 하나의 나노 섬유 시트로 구성된 단일 레이어를 수직 방향으로 복수 적층한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층은 직물에 도전성 재료가 코팅된 도전성 직물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층에 연결되어 전하를 저장하기 위한 커패시터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층에 연결되어 전기적 신호를 직류로 정류하는 정류기를 더 포함할 수 있다.
상기 기술저 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하베스터 제조 방법으로서, 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자를 포함하는 쉘부가 전도성 고분자를 포함하는 코어부의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유를 형성하는 단계; 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트를 상기 복합 나노 섬유에 의해 형성하는 단계; 및 상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면에, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 각각 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복합 나노 섬유를 형성하는 단계에서 상기 코어부를 형성하기 위한 상기 전도성 고분자 용액의 제 1 주입 속도와 상기 쉘부를 형성하기 위한 상기 압전성 고분자 용액의 제 2 주입 속도의 비율(제 1 주입 속도 : 제 2 주입 속도)은 5:1 내지 1:1로 제어하여 상기 복합 나노 섬유를 형성하고, 상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전압은 4.6 V 내지 6.8 V 이고, 상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전류는 164.8 nA 내지 472.8 nA 인 에너지 하베스터 제조 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(4-styrenesulfonate)], EDOT:CSA[camphor sulfonic acid], PEDOT:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):PSS, PANI:CSA, PANI:TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA, PT:DBSA로부터 1종 이상 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전도성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전기방사 동안에 상기 압전성 고분자의 용액 및 상기 전도성 고분자의 용액의 주입 속도를 조절함으로써 상기 복합 나노 섬유의 직경을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 나노 섬유 시트로 구성된 단일 레이어를 수직 방향으로 복수 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층은 직물에 도전성 재료가 코팅된 도전성 직물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전하를 저장하기 위한 커패시터를 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층과 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전기적 신호를 직류로 정류하는 정류기를 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층과 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술저 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하베스터 제조 방법으로서, 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자를 포함하는 쉘부가 전도성 고분자를 포함하는 코어부의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유를 형성하는 단계, 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트를 상기 복합 나노 섬유에 의해 형성하는 단계 및 상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면에, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 각각 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복합 나노 섬유를 형성하는 단계에서 상기 코어부를 형성하기 위한 상기 전도성 고분자 용액의 제 1 주입 속도와 상기 쉘부를 형성하기 위한 상기 압전성 고분자 용액의 제 2 주입 속도의 비율(제 1 주입 속도 : 제 2 주입 속도)은 5:1 내지 1:1로 제어하여 상기 복합 나노 섬유를 형성하고, 상기 압전성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA 및 PT:DBSA 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 전도성 고분자는 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 폴리프탈아지논에테르니트릴[poly(phthalazinone ether nitrile), PPEN] 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 2 이상의 유기 물질을 사용하여 복합 전기 방사에 의해 전도성 고분자를 포함하는 코어부 및 압전성 고분자를 포함하고 코어부의 외면을 감싸는 쉘부를 포함하는 나노 섬유 시트에 의해, 제조 공정을 단순화하면서도, 높은 출력을 갖는 에너지 하베스터 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가공이 용이하고 플렉서블한 재료를 사용함으로써, 다양한 모양과 크기로 형성할 수 있고, 다수의 나노 섬유 시트를 수직 방향으로 적층함으로써 하베스팅 전압 및 전류를 증가시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 복합 나노 섬유의 광학 현미경 이미지 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사에 의한 복합 나노 섬유를 제조하는 방법 및 그 제조 장치를 도시하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 나노 섬유의 굽힘 변형 테스트를 도시하는 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 굽힘 변형 테스트에 따른 복합 나노 섬유 시트의 발전 전압 및 전류를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사에 의한 복합 나노 섬유를 제조하는 방법 및 그 제조 장치를 도시하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 나노 섬유의 굽힘 변형 테스트를 도시하는 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 굽힘 변형 테스트에 따른 복합 나노 섬유 시트의 발전 전압 및 전류를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예에 따른 복합 나노 섬유의 광학 현미경 이미지 및 단면도이다. 도 1a 및 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합 나노 섬유는 전도성 고분자를 포함하는 코어부(71)와, 압전성 고분자를 포함하고 코어부(71)를 둘러싸도록 구성된 쉘부(72)를 포함한다. 종래 기술의 전기 방사에서는 나노 섬유가 하나의 재료로 구성되지만, 본 발명에서는 코어부(71)는 전도성 고분자를 포함하고, 쉘부(72)는 압전성 고분자를 포함하도록 제조함으로써 전도성 고분자 및 압전성 고분자를 모두 포함하는 복합 나노 섬유가 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 방사에 의한 복합 나노 섬유를 제조하는 방법 및 그 제조 장치를 도시하는 모식도이다.
전기 방사법은 주사기와 같은 방사구를 통해 밀리미터 직경의 고분자 용융체 또는 고분자 용액을 고전압 하에서 방출시켜 나노 섬유 시트를 제조하는 방법이다. 방사구와 나노 섬유가 모아지는 집전체 사이에 고전압의 전기장을 가하면 (+)로 대전된 고분자 용융체 또는 고분자 용액이 방사구로부터 토출되어 (-)로 대전된 집전체에 모아지고, 나노 섬유가 웹(web) 모양으로 형성된 나노 섬유 시트를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 나노 섬유 제조를 위한 전기 방사법은 하나의 재료만을 방사구를 통해 방출하는 종래 기술과 달리, 코어와 쉘을 구성하는 2 이상의 재료를 방사구를 통해 동시에 방출한다. 이러한 전기 방사법에 의하면 점도가 없는 재료라도 점도가 강한 재료를 함께 전기방사하여 쉘부로 구성함으로써 전기 방사가 곤란할 정도로 점도가 없는 재료의 특성을 이용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 복합 나노 섬유의 전도성 고분자(30)의 용액을 코어 공급부(10)에 공급하고, 압전성 고분자(40)의 용액을 쉘 공급부(20)에 공급한다. 방사 노즐은 전도성 고분자(30)가 방사되는 코어 방사구(50)와 압전성 고분자(40)가 방사되는 쉘 방사구(60)가 별도로 마련되어 있다.
방사 노즐과 제조된 나노 섬유가 집전되는 집전체(80) 사이에 고전압을 인가하면, 쉘 방사구(60)가 코어 방사구(50)를 둘러싸도록 구성되어 있기 때문에, 전도성 고분자(30)를 포함하는 코어부(71)가 압전성 고분자(40)를 포함하는 쉘부(72)에 의해 둘러싸인 복합 나노 섬유(70)를 얻을 수 있다.
도 2에서는 방사 노즐을 코어 방사구(50)과 쉘 방사구(60)의 2개로 형성하였으나, 다른 실시예에서는, 코어 방사구(50) 또는 쉘 방사구(60)의 외면에 추가적인 방사구를 형성함으로써 3층 이상의 복합 나노 섬유를 제조할 수 있다.
전도성 고분자(30)는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(4-styrenesulfonate)], EDOT:CSA[camphor sulfonic acid], PEDOT:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):PSS, PANI:CSA, PANI:TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA, PT:DBSA로부터 1종 이상 선택된 재료일 수 있다.
압전성 고분자(40)는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전도성 고분자(30) 및 압전성 고분자(40)는 THF, 아세톤, 알코올, 아세톤(acetone), THF(tetrahydrofuran), DMF(dimethylformamide), DMSO(dimethylsulfoxide), DMAc(dimethylacetamide), 및 NMP(N-methyl pyrrolidone) 같은 용매를 통해 용해되어 혼합될 수 있다.
제조된 복합 나노 섬유(70)의 직경은 전도성 고분자(30)와 압전성 고분자(40)의 주입 속도를 조절함으로써 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 복합 나노 섬유의 굽힘 변형 테스트를 도시하는 사진이다.
전도성 고분자(30)로서 PEDOT:PSS를 사용하였고, 압전성 고분자(40)로서 P(VDF-TrFE)를 사용하여 제조된 복합 나노 섬유 시트(70)를 굽힘 속도 4.8 cm/s, 굽힘 거리 3.7cm로 하여 소정 사이클로 굽힘 응력을 가해 나노 섬유 시트를 변형하였다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 굽힘 변형 테스트에 따른 복합 나노 섬유 시트의 발전 전압 및 전류를 도시하는 그래프이다.
코어와 쉘의 주입 속도를 10:1, 5:1, 1:1로 하여 제조된 복합 나노 섬유 시트를 도 3에 도시된 굽힘 변형 테스트를 소정 사이클로 수행하였을 때, 최대 출력 전압은 2.4 V, 4.6 V, 6.8 V이었고, 최대 출력 전류는 158.6 nA, 164.8 nA, 472.8 nA로 나타났다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)는 나노 섬유 시트(110)와, 나노 섬유 시트(110)의 상부면 상에 형성된 제 1 전극층(120)과, 나노 섬유 시트(110)의 하부면 상에 형성된 제 2 전극층(130)을 포함할 수 있다. 나노 섬유 시트(110)는 본 발명의 실시예에 따른 전기 방사에 의해 제조된 복합 나노 섬유(70)를 포함하고, 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화한다. 제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)에서는 나노 섬유 시트(110)의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동한다.
나노 섬유 시트(110)에 포함된 복합 나노 섬유(70)는, 전도성 고분자(30)를 포함하는 코어부(71) 및 압전성 고분자(40)를 포함하고 코어부(71)의 외면을 감싸는 쉘부(72)를 포함할 수 있다.
하나의 압전성 고분자만을 포함하는 종래의 나노 섬유 시트의 경우에, 압전성 고분자 자체의 내부 저항 때문에, 발생되는 전하가 많은 양 소실되지만, 복합 나노 섬유(70)는 전도성 고분자(30)가 코어부(71)에 배치되고, 압전성 고분자(40)가 코어부(71)를 둘러싸는 쉘부(72)에 배치됨으로써, 압전성 고분자(40)에서 발생되는 전하가 내부 저항에 의해 소실되는 비율을 낮출 수 있다.
또한, 나노 섬유 시트(100)는 전기방사에 의해 방사되는 복합 나노 섬유(70)를 집전체(80) 상에 랜덤하게 얽히는 웹(web) 형상으로 형성하는 과정 중에 가해지는 고전압에 의해 나노 섬유의 극성분자들이 동일한 방향으로 배열되어 잔류분극(Pr)을 형성하게 된다. 즉, 복합 나노 섬유(70)의 극성분자는 전기방사 과정 중 가해지는 전기장에 의해 집전체(80)에 수직인 방향으로 분극되면서 잔류분극(Pr)을 형성하게 된다.
이와 같이, 나노 섬유 시트(100)를 형성하는 전기방사시에 시트의 형성과 잔류분극 형성이 함께 이루어지므로, 종래에 나노섬유를 필름형태로 제작한 후 압전성을 부여하기 위해 분극 공정을 별도로 수행해야하였던 것에 비해 공정시간과 비용을 줄일 수 있게 된다.
또한, 시트의 형성과 분극이 동시에 이루어지므로, 필름 형태에 비해 동일 방향의 잔류분극을 갖는 나노 섬유 시트(100)을 보다 넓게 대면적으로 형성할 수 있다.
나노 섬유 시트(100)에 일정 정도 이상의 압력 또는 변형이 가해지면 잔류분극(Pr)의 방향이 일정하게 변하게 되며, 그로 인하여 나노 섬유 시트(100)의 상하면에 위치하는 전극층(110, 120) 사이의 전하 밀도가 달라진다. 그리고 이와 같이 달라지는 전하 밀도의 평형을 유지하기 위해 이동하는 전하에 의해 전류 및 전압이 발생되며, 이러한 전류 및 전압을 커패시터 등의 에너지 저장수단으로 전송할 수 있다. 그에 따라, 외부의 압력 또는 외력에 의한 변형으로 전하의 흐름을 발생시키는 나노 섬유 시트(100)가 에너지 하베스터로서 기능하게 된다.
나노 섬유 시트(100)는 자체적으로 기공을 포함하도록 구성되므로, 외력 제거시 전하 밀도의 복원뿐만 아니라, 히스테리시스 손실을 최소화하면서 형태 복원도 원활하게 이루어지게 되어 반복적인 사용이 가능하게 된다. 이러한 기공들에 다양한 방법으로 다양한 탄성 고분자를 충진하여 나노 섬유의 초기배열을 고정시킴으로써 압전 효과의 내구성을 더욱 증가시킬 수도 있다.
제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)은 나노 섬유 시트(100)의 상부면과 하부면에 각각 위치하여 외부의 압력 등 자극에 의해 순간적으로 달라지는 전극간의 전하 밀도 변화로 인한 전하의 흐름에 의해 전류 및 전압을 발생시킨다.
제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)은 나노 섬유 시트(110)에 부착되는 전도성 직물로 구성되며, 이러한 전도성 직물은 나노 섬유 시트(110)의 접촉 면적을 증가시킬 수 있도록 직물에 니켈, 구리, 금, 은 또는 카본블랙 등 전도성이 우수한 도전성 물질을 코팅하여 형성할 수 있다.
또한, 제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)은 외부에서 가해지는 잡아당김이나 정전기 등에 의한 전극층과 나노 섬유 시트(70)의 이격 현상을 줄일 수 있도록 니켈 페이스트와 같은 전도성 페이스트에 의해 나노 섬유 시트(70)의 일면에 견고하게 접착시켜 구성되는 것이 바람직하다.
에너지 하베스터(100)는 제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)에 전선 등을 통하여 전기 에너지를 저장하기 위한 커패시터 등의 에너지 저장 수단을 더 포함할 수 있다. 또한, 에너지 하베스터(100)는 커패시터로 공급되는 전기적 신호를 전파 정류하여 공급하는 정류기를 전극층(120, 130)과 커패시터 사이에 더 구비할 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스터(100)을 옷이나 신발 등에 부착하여 평상시 그냥 소비되는 운동 에너지를 전기 에너지로 변화시켜 저장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터의 단면도이다.
동일한 방향으로 잔류분극(Pr)이 형성된 나노 섬유 시트(110)를 적층하여 다층 레이어(110_1 내지 110_5)로 형성할 수 있다. 이와 같이 다층 레이어로 적층하여도 잔류분극(Pr)이 동일한 방향으로 형성되므로 외력이 가해질 경우 전하의 이동이 동일 방향으로 합산되어 다수의 전지를 직렬 연결한 것처럼 증가된 전원을 얻을 수 있게 된다.
이때, 하나의 나노 섬유 시트(110)로 이루어진 단일 레이어를 다수 개 수직 방향으로 적층할 경우 제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130) 사이에 위치하는 나노 섬유 시트(110)의 전체 두께가 증가되므로, 외력에 의해 변형되는 잔류분극(Pr)의 방향이 모두 합쳐지면서 보다 큰 값의 전원을 발생시킬 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터 제조 방법은, 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자(40)를 포함하는 쉘부(72)가 전도성 고분자(30)를 포함하는 코어부(71)의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유(70)를 형성하는 단계(S710)와, 응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트(110)를 복합 나노 섬유(70)에 의해 형성하는 단계(S720)와, 나노 섬유 시트(110)의 상부면 및 하부면에 나노 섬유 시트(110)의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층(120) 및 제 2 전극층(130)을 각각 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전기방사 동안에 압전성 고분자의 용액 및 전도성 고분자의 용액의 주입 속도를 조절함으로써 복합 나노 섬유(70)의 직경을 조절할 수 있다.
또한, 하나의 나노 섬유 시트(110)로 구성된 단일 레이어를 수직 방향으로 복수 적층하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이렇게 구성된 에너지 하베스터(100)는 전하의 이동이 동일 방향으로 합산되어 다수의 전지를 직렬 연결한 것처럼 증가된 전원을 얻을 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (9)
- 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자를 포함하는 쉘부가 전도성 고분자를 포함하는 코어부의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유를 형성하는 단계;
응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트를 상기 복합 나노 섬유에 의해 형성하는 단계; 및
상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면에, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 각각 형성하는 단계를 포함하고,
상기 복합 나노 섬유를 형성하는 단계에서 상기 코어부를 형성하기 위한 상기 전도성 고분자 용액의 제 1 주입 속도와 상기 쉘부를 형성하기 위한 상기 압전성 고분자 용액의 제 2 주입 속도의 비율(제 1 주입 속도 : 제 2 주입 속도)은 5:1 내지 1:1로 제어하여 상기 복합 나노 섬유를 형성하고,
상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전압은 4.6 V 내지 6.8 V 이고,
상기 나노 섬유 시트의 최대 출력 전류는 164.8 nA 내지 472.8 nA 인,
에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 압전성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(4-styrenesulfonate)], EDOT:CSA[camphor sulfonic acid], PEDOT:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):PSS, PANI:CSA, PANI:TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA, PT:DBSA로부터 1종 이상 선택된 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
전기방사 동안에 상기 압전성 고분자의 용액 및 상기 전도성 고분자의 용액의 주입 속도를 조절함으로써 상기 복합 나노 섬유의 직경을 조절하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
하나의 나노 섬유 시트로 구성된 단일 레이어를 수직 방향으로 복수 적층하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층은 직물에 도전성 재료가 코팅된 도전성 직물을 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
전하를 저장하기 위한 커패시터를 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층과 연결하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
전기적 신호를 직류로 정류하는 정류기를 상기 제 1 전극층 및 상기 제2 전극층과 연결하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스터 제조 방법. - 전도성 고분자 용액과, 압전성 고분자 용액을 동시에 전기방사하여, 압전성 고분자를 포함하는 쉘부가 전도성 고분자를 포함하는 코어부의 외면을 감싸는 복합 나노 섬유를 형성하는 단계;
응력에 의해 변형되면 전하밀도가 변화하는 나노 섬유 시트를 상기 복합 나노 섬유에 의해 형성하는 단계; 및
상기 나노 섬유 시트의 상부면 및 하부면에, 상기 압전성 나노 섬유 시트의 전하밀도의 변화에 따라 전하가 이동하는 제 1 전극층 및 제 2 전극층을 각각 형성하는 단계를 포함하고,
상기 복합 나노 섬유를 형성하는 단계에서 상기 코어부를 형성하기 위한 상기 전도성 고분자 용액의 제 1 주입 속도와 상기 쉘부를 형성하기 위한 상기 압전성 고분자 용액의 제 2 주입 속도의 비율(제 1 주입 속도 : 제 2 주입 속도)은 5:1 내지 1:1로 제어하여 상기 복합 나노 섬유를 형성하고,
상기 압전성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):TSA, PANI:DBSA, PPy(polypyrrol):PSS, PPy:CSA, PPy:TSA, PPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA 및 PT:DBSA 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 전도성 고분자는 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 및 폴리프탈아지논에테르니트릴[poly(phthalazinone ether nitrile), PPEN] 중 적어도 하나를 포함하는,
에너지 하베스터 제조 방법.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20240085030A (ko) | 2022-12-07 | 2024-06-14 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 이온성 액체를 포함하는 마찰대전 나노발전기용 고분자 겔 및 이를 포함하는 마찰대전 나노발전기 |
| KR20240085049A (ko) | 2022-12-07 | 2024-06-14 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 가소제를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터용 고분자 겔 및 이를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터 |
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2021
- 2021-04-02 KR KR1020210043237A patent/KR20210040342A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20240085049A (ko) | 2022-12-07 | 2024-06-14 | 한국기술교육대학교 산학협력단 | 가소제를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터용 고분자 겔 및 이를 포함하는 마찰대전 에너지 하베스터 |
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