KR20210094805A - Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator - Google Patents
Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210094805A KR20210094805A KR1020200008488A KR20200008488A KR20210094805A KR 20210094805 A KR20210094805 A KR 20210094805A KR 1020200008488 A KR1020200008488 A KR 1020200008488A KR 20200008488 A KR20200008488 A KR 20200008488A KR 20210094805 A KR20210094805 A KR 20210094805A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- conductive oxide
- oxide layer
- energy generating
- generating device
- fiber membrane
- Prior art date
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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G19/00—Compounds of tin
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/06—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances
- H01B1/08—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances oxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
- B01D2325/36—Hydrophilic membranes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/40—Electric properties
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭적인 정전기적 물리적 흡착 (asymmetrically electrostatic physisorption) 및 유체의 흐름에 의해 불소계 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 표면에 극성 분자 또는 이온을 지속적으로 흡착하고 불소계 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 양쪽에 연결된 전극영역에 비대칭적으로 극성 용매가 흡착되는 과정에서 양쪽 전극에 전위차 (potential difference)에 의해 높은 전압 생성 효율을 활용하고, 지속적으로 발생되는 전위차를 중화시키기 위해 전도성 물질로부터 전극으로 이동하는 전자에 의해 발생되는 전류 즉 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 산화물이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 개별 전기 에너지 생성 장치는 에탄올에 분산된 전도성 산화물 용액을 활용한 침지 공정 (dipping process)을 통해, 균일한 전도성 산화물 층을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하고 친수성 섬유 멤브레인에 코팅된 전도성 산화물 표면에 기상 증착법 (vapor deposition)에 의해 방수코팅 물질인 불소계 기능기를 화학적으로 결합시킨다. 소수성 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물이 도포된 친수성 섬유 멤브레인의 양쪽 전극에 비대칭적으로 극성 용매를 떨어뜨리면, 물리적 흡착으로 인해 발생하는 전기 이중층에 의한 전위 차가 흡착된 부분과 흡착되지 않은 부분 간에 형성된다. 이때 용기에 담긴 물의 표면 영역이 공기 중에 노출되어 물의 표면 증발에 의한 물의 내부에 지속적인 물 분자 이동으로 인하여 소수성 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물이 도포된 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 지속적으로 물리적 흡착이 일어나고 유도된 전위 차는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. 이때 물리적 흡착이 일어나는 계면에 형성된 전기 이중층으로의 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위한 전도성 산화물의 전자 흐름이 유발되어 전류를 생성할 수 있고, 따라서 전력을 생성할 수 있다.The present invention relates to a polar molecule or a conductive oxide surface to which a fluorine-based hydrophobic functional group is bonded by asymmetrically electrostatic physisorption of a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) and flow of a fluid. In the process of continuously adsorbing ions and asymmetrically adsorbing a polar solvent to the electrode region connected to both sides of the conductive oxide to which the fluorine-based hydrophobic functional group is bonded, the high voltage generation efficiency is utilized by the potential difference on both electrodes and continuously In order to neutralize the potential difference generated, an energy generating device that converts electric current generated by electrons moving from a conductive material to an electrode, that is, high-performance electrical energy, and a method for manufacturing the energy generating device, and a device in which a plurality of energy generating devices are combined It relates to an area electric energy generating device. Specifically, an individual electrical energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide applies a uniform conductive oxide layer to the fiber strand surface of the hydrophilic fiber membrane through a dipping process using a conductive oxide solution dispersed in ethanol. A fluorine-based functional group, a waterproof coating material, is chemically bonded to the surface of the conductive oxide coated on the hydrophilic fiber membrane and uniformly applied by vapor deposition. When a polar solvent is asymmetrically dropped on both electrodes of a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide to which a hydrophobic fluorine-based functional group is bonded, a potential difference due to an electric double layer caused by physical adsorption is formed between the adsorbed portion and the non-adsorbed portion. . At this time, the surface area of the water contained in the container is exposed to the air, and physical adsorption occurs continuously on the surface of the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide to which the hydrophobic fluorine-based functional group is bonded due to the continuous movement of water molecules inside the water due to the surface evaporation of the water. The potential difference can be maintained for a long time until the polar solvent is completely evaporated. At this time, the electron flow of the conductive oxide for maintaining charge neutrality to the electric double layer formed at the interface where the physical adsorption occurs may be induced to generate an electric current, thus generating electric power.
친환경적이고 지속가능한 전기에너지를 생산하고 스마트 그리드에 요구되는 자가 독립전원을 구축하기 위하여 폐자원 및 미활용 자원, 예를 들어 빛, 열, 운동에너지, 물, 바람 등을 이용하여 전기에너지를 생산하는 에너지 하베스팅 기술분야는 전기에너지를 생산하는데 발생되는 CO2에 의한 온실효과와 관련된 환경문제를 해결하고 차 산업 혁명의 중추적 기술인 사물 인터넷에 요구되어지는 센서 네트워크 기술 및 무선 데이터 송수신 기술 기반의 전자기기와 결합하여 삶의 질을 향상시키는 잠재성이 무궁무진한 분야이다.Energy that produces electric energy using waste and unused resources, such as light, heat, kinetic energy, water, and wind, in order to produce eco-friendly and sustainable electric energy and to build a self-contained power source required for the smart grid. The field of harvesting technology solves environmental problems related to the greenhouse effect caused by CO 2 generated in producing electric energy, and electronic devices based on sensor network technology and wireless data transmission and reception technology required for the Internet of Things, a pivotal technology of the car industrial revolution. It is a field with infinite potential to improve the quality of life by combining them.
현재까지 개발된 전기에너지 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 하거나 지속적이고 강한 태양광 조사가 가능한 낮에 한정되어 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이로 인하여 고효율의 전기에너지 생성을 위해서는 온도차가 충분히 발생하거나 태양빛이 잘 들어야 하기 때문에 설치 장소도 제한되게 된다. Among the electric energy generating systems developed so far, solar cells and thermoelectric systems have the advantage of generating high power of 100 mW or more. However, in order to continuously generate electric energy, it is necessary to always maintain a temperature difference, or it is possible to generate electric energy only during the day when continuous and strong sunlight irradiation is possible. Due to this, in order to generate high-efficiency electric energy, the temperature difference must be sufficiently generated or the sunlight must be well received, so the installation site is also limited.
또한, 주위에 존재하는 기계적 에너지원, 예를 들어 인체의 움직임 및 진동원으로부터 에너지를 전달받아 압전효과 (piezoelectric effect) 및 마찰효과 (triboelectric effect)를 이용하는 압전 (piezoelectric) 및 마찰 (triboelectric) 나노발전기 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. In addition, piezoelectric and triboelectric nanogenerators using a piezoelectric effect and a triboelectric effect by receiving energy from a mechanical energy source existing around, for example, a movement and vibration source of the human body are suggested as alternatives. Each energy generating device has the advantage of generating high voltage and high power of several tens of μW to mW. In particular, the piezoelectric and triboelectric energy generating devices can convert the movement of the human body into electrical energy, and thus can be used in a wearable energy generating device.
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 하며 기계적 에너지원이 존재하는 제한적인 장소에 설치해야 높은 효율의 에너지를 생성할 수 있다. However, in the energy generating device by mechanical deformation and friction, electrical energy is generated in the form of high frequency alternating current (AC) voltage and current by the generating principle. An instantaneous voltage difference occurs only when mechanical deformation and friction are applied. When the applied mechanical action is removed, the voltage difference is re-established in the opposite direction, so that the electrical energy takes the form of a high-frequency alternating current. For this reason, piezoelectric and triboelectric energy generating devices must always be accompanied by a separate rectifier circuit and energy storage device, and must be installed in a limited place where mechanical energy sources exist to generate high-efficiency energy.
따라서 위 이슈들에 대한 대안으로 에너지 발생 장치의 손상 없이 안정적으로 직류 (direct current) 를 생산해낼 수 있는 발전기 설계 및 대면적 제조 기술 필수적으로 선행되어야 한다. 이는, 에너지 생성 장치의 단순화를 가능케 하여 생산비 절감 및 활용 가능성을 향상 시킬 수 있다. Therefore, as an alternative to the above issues, the generator design and large-area manufacturing technology that can stably produce direct current without damage to the energy generating device must be preceded. This enables the simplification of the energy generating device, thereby reducing production cost and improving the availability.
불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 떨어뜨리면, 극성 분자 또는 용매에 포함되어 있는 이온들이 섬유 멤브레인 표면에 물리적으로 흡착하여 전기 이중층을 형성하게 되고, 이로 인해 섬유 멤브레인 양쪽에 연결된 전극영역에 비대칭적으로 즉 극성 용매가 흡착된 부분과 흡착되지 않은 부분 간에 전위 차가 유발된다. 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 장기적으로 유지된다. 그리고, 극성 용매와 불소계 기능기와의 물리적인 흡착으로 인해 계면에서 발생한 전하층의 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 전도성 산화물 내부의 전자가 이동하게 되어 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 전류가 지속적으로 흐르게 된다. 또한, 사용되는 금속 전극 표면에 소수성 불소계 기능기를 화학적으로 결합시키거나 전극 표면에 물리적 구조를 형성하게 하여 물리적 화학적 초소수성 (superhydrophobic)을 갖도록 하여 극성 용매와 금속 전극간의 화학적 반응 또는 산화를 방지하여 내구성을 향상시키도록 한다. 본 발명의 실시예들에서는 직류 (DC) 형태의 높은 생성 전압 및 전류를 갖도록 하고 소수성 불소계 기능기를 이용하여 극성용매와의 화학적 반응을 방지하여 전기 에너지를 발생하는 고성능 고내구성 에너지 생성 장치 및 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.When a polar solvent is dropped on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide bonded with a fluorine-based functional group, polar molecules or ions contained in the solvent are physically adsorbed on the fiber membrane surface to form an electric double layer, which results in the formation of an electric double layer on both sides of the fiber membrane A potential difference is induced asymmetrically in the electrode region connected to the polar solvent between the adsorbed portion and the non-adsorbed portion. The potential difference formed is maintained for a long time until the polar solvent is completely evaporated. In addition, the electrons inside the conductive oxide move to maintain the charge neutrality of the charge layer generated at the interface due to the physical adsorption of the polar solvent and the fluorine-based functional group, so that the current continues until the polar solvent is completely evaporated. will flow to In addition, by chemically bonding a hydrophobic fluorine-based functional group to the surface of the metal electrode used or by forming a physical structure on the surface of the electrode to have physical and chemical superhydrophobic properties, it prevents chemical reaction or oxidation between the polar solvent and the metal electrode for durability to improve In embodiments of the present invention, a high-performance, high-durability energy generating device and energy generation that have a high generated voltage and current in the form of direct current (DC) and prevent a chemical reaction with a polar solvent by using a hydrophobic fluorine-based functional group to generate electrical energy A method of manufacturing the device is provided.
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.Provided is a large-area electric energy generating device that combines a plurality of individual energy generating devices so that they can be utilized in various conditions and environments, such as supplying power to IoT electronic devices or storing energy generated in secondary batteries and supercapacitors.
소수성 불소계 기능기와 결합된 전도성 산화물이 도포된 친수성 멤브레인에 있어서, 불소계 기능기에 흡착된 극성 분자 및 용매에 포함된 이온 들에 의해 전기 이중층이 형성되어 흡착된 부분과 흡착되지 않은 부분 사이에 전위 차이가 유도되고, 전하적 중성을 유지하기 위해 일정 방향으로 이동하는 전자의 흐름에 의하여 유발되는 직류 형태의 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 에너지 생성 장치를 제공한다.In the hydrophilic membrane coated with a conductive oxide bonded to a hydrophobic fluorine-based functional group, an electric double layer is formed by the polar molecules adsorbed to the fluorine-based functional group and ions contained in the solvent, so that the potential difference between the adsorbed portion and the non-adsorbed portion is An energy generating device is provided, characterized in that electric energy in the form of direct current is induced and induced by the flow of electrons moving in a predetermined direction to maintain charge neutrality.
일측에 따르면, 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 표면에 흡착하는 극성 분자 및 이온에 의해 형성되는 전기 이중층에 의한 전위 차이와, 불소계 기능기와 극성 용매가 접촉된 계면에 형성된 전하의 전기적 중성도를 유지하기 위한 전자의 흐름에 의해 지속적으로 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the potential difference due to the electric double layer formed by polar molecules and ions adsorbed on the surface of the conductive oxide to which the fluorine-based functional group is bonded and the electrical neutrality of the electric charge formed at the interface between the fluorine-based functional group and the polar solvent are maintained. It may be characterized in that electrical energy is continuously generated by the flow of electrons for
다른 측면에 따르면, 상기 불소계 기능기를 친수성 산화물에 화학적으로 결합시키도록 하고 또한 극성용매와 불소계 기능기가 화학적으로 반응하지 않거나 산화를 방지하여 내구성을 높여 지속적으로 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the fluorine-based functional group is chemically bonded to the hydrophilic oxide, and the polar solvent and the fluorine-based functional group do not chemically react or prevent oxidation, thereby increasing durability to continuously generate electrical energy. .
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인이 불소계 소수성 기능기와 물리적으로 흡착되어 전기 이중층을 형성하도록 하되 화학적으로 반응하지 않게 하여 전기 에너지를 내는데 사용되는 물 자원 에너지의 증발을 극도로 최소화시켜 장시간 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the fibrous membrane having the hydrophobic surface is physically adsorbed with the fluorine-based hydrophobic functional group to form an electric double layer, but does not react chemically to minimize the evaporation of water resource energy used to generate electrical energy. It may be characterized in that electrical energy is generated for a long time.
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인에 흡착 되어 있는 영역이 물이 담겨있는 용기 안에 물의 표면이 외부 공기에 노출된 구조에서 또는 바다표면에서 발생하는 물의 증발에 의해 내부 물 분자들의 유동에 의해 불소계 기능기에 극성 용매가 지속적으로 흡착됨에 따라서 물이 완전히 증발할 때까지 장시간 지속적으로 전류가 생성됨을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the area adsorbed to the fibrous membrane having a hydrophobic surface is a structure in which the surface of water is exposed to external air in a container containing water, or the flow of water molecules inside by evaporation of water occurring at the sea surface As the polar solvent is continuously adsorbed to the fluorine-based functional group by the
또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고, 상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 이온이 상기 흡착 영역의 헬름홀츠 외각 면 (outer Helmholtz plane)에 추가적으로 배열 되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the polar solvent comprises a polar protic solvent containing ions, and the ions contained in the polar protic solvent are additionally arranged on an outer Helmholtz plane of the adsorption region. can be done with
또 다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치는 상기 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인에 흡착 되어 있는 영역과 연결되는 제1 전극; 및 상기 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인 흡착되어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the energy generating device may include a first electrode connected to a region adsorbed to the fibrous membrane having the hydrophobic surface; and a second electrode connected to the non-adsorbed area of the fibrous membrane having the hydrophobic surface.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 소수성 불소 기능기를 화학적으로 결합시키거나 표면에 물리적 구조를 형성하여 표면에너지가 극도로 낮은 초소수성 금속 전극 표면으로 내구성을 지니게 하여 극성 용매에 의한 산화 및 부식을 방지하여 지속적으로 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, by chemically bonding a hydrophobic fluorine functional group to the first electrode and the second electrode or by forming a physical structure on the surface, the surface of the superhydrophobic metal electrode with extremely low surface energy is durable to a polar solvent. It may be characterized in that electrical energy is continuously generated by preventing oxidation and corrosion.
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.According to another aspect, the polar solvent is (1) formic acid, n-butanol (n-butanol), isopropanol (isopropanol), n-propanol (n-propanol), ethanol (ethanol), methanol ( It may be characterized as comprising a synthetic solution in which ions are dissolved in at least one of methanol) and water in a polar protic solvent, or (2) a solution existing in nature, such as at least one of seawater and sweat.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 산화물 층을 구성하는 상기 전도성 산화물은 산소 공공 (oxygen vacancy), 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 예를 들어, 산소 공공을 가지는 전도성 산화물은 In2O3로서 산소 공공에 의해 전기전도도를 가지게 되며, Sn 원자 도핑 효과에 의해 전기 전도도가 향상된 전도성 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.According to another aspect, the conductive oxide constituting the conductive oxide layer is at least one material selected from n-type or p-type oxide exhibiting conductivity due to oxygen vacancy and atomic doping effect. For example, the conductive oxide having oxygen vacancies is In 2 O 3 , which has electrical conductivity due to oxygen vacancies, and further includes a conductive oxide whose electrical conductivity is improved by the Sn atom doping effect.
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 기능기는 -CF3, 말단기, -CH2, 말단기를 갖는 물질로서trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, 무극성 기능기가 포함된 방수코팅 물질 등을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.According to another aspect, the hydrophobic functional group is -CF 3, a terminal group, -CH 2, as a material having a terminal group trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H -heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, and a waterproof coating material containing non-polar functional groups are characterized.
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물이 코팅된 섬유 멤브레인과 전기적으로 연결되는 금속 전극은 전도성 산화물의 일함수 (Φ)와 동등하거나 또는 낮은 값을 지닌 금속을 사용하여 높은 전력을 지속적으로 발생시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. According to another aspect, the metal electrode electrically connected to the fiber membrane coated with the conductive oxide to which the hydrophobic fluorine-based functional group is bonded uses a metal having a value equal to or lower than the work function (Φ) of the conductive oxide to provide high power. It is characterized in that it includes continuously generating.
또 다른 측면에 따르면, 상기 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층은 전기전도도 특성 및 극성 분자 및 이온과 흡착할 수 있는 흡착 특성을 활용하기 위해 상기 선택된 적어도 하나의 전도성 산화물 물질이 0차원, 1차원 또는 2차원으로 복합화되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in the conductive oxide layer to which the fluorine-based functional group is bonded, the selected at least one conductive oxide material has zero-dimensional, one-dimensional or It may be characterized in that it is complexed in two dimensions.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 산화물 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 산화물을 적재하여 코팅되고, 상기 적재되는 전도성 산화물의 양을 통해 상기 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the conductive oxide layer is coated by loading a conductive oxide in the range of 2.1 mg/cm 3 to 0.024 mg/cm 3 per unit volume on the hydrophilic fiber membrane, and the amount of the loaded conductive oxide is generated through the It may be characterized in that the voltage and current of the electrical energy to be regulated.
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.According to another aspect, the hydrophilic fiber membrane is selected from cotton fabric, mulberry paper, polypropylene membrane, oxygen plasma-treated nonwoven fabric, hydrophilic surface-treated fabric, and nanofiber. It may be characterized in that it is composed of at least one material.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적 및 극성 양성자성 용매에 대한 흡착력 향상을 위해 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 전도성 산화물이 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fibrous membrane may be formed of fiber strands to improve a specific surface area and adsorption power to a polar protic solvent, and a conductive oxide may be bound to the surface of individual fibers.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the diameter of the hydrophilic fiber strands included in the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that it is included in the range of several tens of nm to several hundred mm.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 mm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that it is included in the range of 5 mm to 1 mm.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 양 극의 비대칭 흡착을 통한 전압 차이를 유지하기 위해 멤브레인 양쪽 끝단에 연결된 두 전극 중 하나의 전극을 포함하는 전극과 전극이 연결된 부분부터 섬유 멤브레인의 세로길이의 1/2 지점영역까지 비대칭적으로 극성 용매가 흡착하도록 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fibrous membrane includes an electrode and one of the two electrodes connected to both ends of the membrane to maintain a voltage difference through asymmetric adsorption of both poles, and the length of the fibrous membrane from the part where the electrode is connected It is possible to asymmetrically adsorb the polar solvent up to the 1/2 point region.
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물이 코팅된 섬유 멤브레인에 적어도 하나의 다른 소수성 섬유 멤브레인을 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 연결하여 생성되는 전기 에너지의 양, 전압, 전력 밀도, 극성 양성자성 용매에 대한 흡착력 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the amount of electrical energy generated by laminating at least one other hydrophobic fiber membrane on the conductive oxide-coated fiber membrane to which the hydrophobic fluorine-based functional group is bonded, or connecting in parallel or series, the amount, voltage, power density, It may be characterized in that at least one of the adsorption power to the polar protic solvent is controlled.
에너지 생성 장치의 제조방법에 있어서, (a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계; (b) 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 산화물 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 산화물 층을 코팅하는 단계; (c) 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계; (d) 불소계 기능기를 전도성 산화물과 전도성 산화물 층에 전기적으로 연결되는 전극에 화학적으로 결합시키는 단계를 포함하며 상기 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 흡착에 의해, 상기 극성 용매가 흡착 있는 영역에서 불소계 기능기에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 흡착되어 있는 영역에 발생한 전기 이중층 효과에 의하여 흡착되어 있지 않은 영역 사이에 전위차가 유도되어 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하며 전기에너지를 내는데 사용되는 물 자원을 소수성 표면과 화학적으로 반응하지 않도록 하여 증발을 극도로 최소화하여 하여 장시간 에너지를 발생시키도록 하는 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing an energy generating device, comprising: (a) cutting a hydrophilic fiber membrane to a designed size; (b) coating the conductive oxide layer on the surface of individual fibers constituting the hydrophilic fibrous membrane by dipping the hydrophilic fibrous membrane in a conductive oxide coating solution; (c) drying the hydrophilic fibrous membrane coated with the conductive oxide layer; (d) chemically bonding a fluorine-based functional group to a conductive oxide and an electrode electrically connected to the conductive oxide layer, wherein the fluorine-based functional group is asymmetrically adsorbed by a polar solvent on the surface of the conductive oxide layer to which the conductive oxide layer is bonded. As the polar solvent is adsorbed to the fluorine-based functional group in the region where the polar solvent is adsorbed, a potential difference is induced between the non-adsorbed regions by the electric double layer effect generated in the adsorbed region to generate electrical energy, Provided is a method for manufacturing an energy generating device capable of generating energy for a long time by extremely minimizing evaporation by preventing a water resource used to generate electrical energy from chemically reacting with a hydrophobic surface.
일측에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (e) 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one side, the method of manufacturing the energy generating device may further include (e) stacking two or more hydrophilic fiber membranes coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded.
다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (f) 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 복수의 친수성 섬유 멤브레인을 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another aspect, the method of manufacturing the energy generating device may further include (f) connecting a plurality of hydrophilic fibrous membranes coated with a conductive oxide layer to which a fluorine-based functional group is bonded in parallel or in series.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 양이온과 음이온을 모두 흡착할 수 있는 전도성 산화물 물질로서 산소 공공 (oxygen vacancy), 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 산화물 물질을 에탄올에 분산시켜 1 wt% ~ 5 wt% 의 질량비를 갖도록 상기 전도성 산화물 코팅 용액을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in step (b), as a conductive oxide material capable of adsorbing both cations and anions, an n-type or p-type oxide exhibiting conductivity by oxygen vacancy and atomic doping effects At least one conductive oxide material selected from among is dispersed in ethanol to generate the conductive oxide coating solution to have a mass ratio of 1 wt% to 5 wt%.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 산화물 코팅 용액에 침지시키는 횟수를 조절하여 전도성 산화물의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step (b) may be characterized in that the loading amount of the conductive oxide is controlled by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is immersed in the conductive oxide coating solution.
또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계는, 상기 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, in step (c), the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer is placed flat on a tray and then dried in an oven.
또 다른 측면에 따르면, 상기 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 연결된 두 전극 중 하나의 전극과 연결된 부분에만 극성 용매를 비대칭적으로 흡착시켜 상기 극성 용매에 의해 흡착된 부분의 전극과 흡착 되지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전력을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the polar solvent is asymmetrically adsorbed only to the portion connected to one of the two electrodes connected to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the fluorine-based functional group is bonded, so that the portion adsorbed by the polar solvent is It may be characterized in that DC power is generated by connecting the electrode and the electrode of the non-adsorbed portion to form a circuit.
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.According to another aspect, the polar solvent is a polar protic solvent containing ions, (1) formic acid, n-butanol (n-butanol), isopropanol (isopropanol), n-propanol (n- propanol), ethanol, methanol and water containing a synthetic solution in which ions are dissolved in a polar protic solvent selected from, or (2) containing a solution that exists in nature, such as seawater or sweat. can be characterized as
또 다른 측면에 따르면, 상기 소수성 기능기는 -CF3, 말단기, -CH2, 말단기를 갖는 물질로서trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, 무극성 기능기가 포함된 방수코팅 물질 등을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.According to another aspect, the hydrophobic functional group is -CF 3, a terminal group, -CH 2, as a material having a terminal group trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H -heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, and a waterproof coating material containing non-polar functional groups are characterized.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 산화물에 전기적으로 연결되는 금속 전극은 전도성 산화물의 일함수와 등동하거나 낮은 재료를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.According to another aspect, the metal electrode electrically connected to the conductive oxide includes a material equal to or lower than the work function of the conductive oxide.
본 발명의 실시예들에 따르면 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 비대칭적으로 떨어뜨리는 행위로 고성능의 직류 전력을 생성하는 전기 에너지 생성 장치를 제작할 수 있다.According to embodiments of the present invention, a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) is asymmetrically dropped onto a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded, resulting in high-performance direct current. Electrical energy generating devices that generate electric power can be crafted.
침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 산화물을 극성 용매의 흡수가 용이한 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하도록 하고 친수성 전도성 산화물 표면에 불소계 기능기를 기상 증착법 (vapor deposition)을 통하여 화학적 결합에 의해 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.Through the dipping process, the conductive oxide is uniformly applied to the fiber strand surface of the hydrophilic fiber membrane, which is easily absorbed by the polar solvent, and the fluorine-based functional group on the surface of the hydrophilic conductive oxide is chemically bonded through vapor deposition. Electric energy can be generated only in the presence of a polar solvent by It can generate electrical energy for driving.
예를 들어, 침지 공정을 이용하여 제조된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 표면에 친수성 hydroxyl (OH) 기능기를 형성하도록 하는 대표적인 물질인 금속 산화물에 소수성 불소계 기능기를 화학적으로 결합시켜 극성 용매와의 화학적 반응 또는 산화를 방지하여 내구성이 우수한 흡착성 및 전도성 산화물에 연결되는 전극의 일함수를 전도성 산화물과 동등하거나 낮은 금속 전극을 사용하도록 하며 또는 금속 전극에 소수성 불소계 기능기를 결합시키거나 물리적 형상을 표면에 형성하여 초소수성을 지니도록 하여 극성 용매와의 화학적 반응 또는 산화를 방지하여 내구성이 우수한 것을 기반으로 고성능 고내구성 직류 전력을 친환경적으로 지속 가능하게 생성할 수 있다. 일실시예로, 규격이 3 cm (세로) × 9 cm (가로)의 크기를 갖는 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 280 ml 수돗물 속에 담긴 상태로 주변환경에서 물이 완전 증발할 때까지 14일 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.For example, an energy generating device based on a hydrophilic fibrous membrane coated with a conductive oxide layer manufactured using an immersion process chemically contains a hydrophobic fluorine-based functional group on a metal oxide, which is a representative material that forms a hydrophilic hydroxyl (OH) functional group on the surface. Use a metal electrode with the same or lower work function as that of the conductive oxide, or use a hydrophobic fluorine-based functional group to the metal electrode. Or, by forming a physical shape on the surface to have superhydrophobicity, it is possible to generate high-performance, high-durability DC power in an environmentally friendly manner based on excellent durability by preventing chemical reaction or oxidation with polar solvents. In one embodiment, in the case of a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer having a size of 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal) in size, when water is completely evaporated in the surrounding environment while being immersed in 280 ml tap water DC power can be generated for up to 14 days, and mass production is easy, so it is highly likely to be used as a home energy auxiliary device, a portable power auxiliary device, and an auxiliary power device for wearable electronic devices.
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 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용하여 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 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 전도성 산화물의 적재량에 따른 저항 값에 따른 에너지 생성 장치와 비대칭적인 표면 흡착에 따라 전도성 산화물인 ITO (indium tin oxide) 나노입자가 도포된 에너지 생성 장치에 극성 용매 중 DI (deionized) water 를 사용하여 비대칭 흡착을 수행하고 생성 개방 전압을 비교한 결과이다.
도 5는 전도성 산화물의 적재량에 따른 저항 값에 따른 에너지 생성 장치와 비대칭적인 표면 흡착에 따라 전도성 산화물인 ITO (indium tin oxide) 나노입자가 도포된 에너지 생성 장치에 극성 용매 중 DI (deionized) water 를 사용하여 비대칭 흡착을 수행하고 생성 단락 전류를 비교한 결과이다.
도 6은 수돗물이 담긴 비커 안에 에너지 생성장치를 비대칭 흡착을 수행하고 물이 증발 되는 동안 생성 단락 전류를 측정한 결과이다.
도 7은 다수의 에너지 생성 장치를 전기적으로 연결하여 발생되는 생성 전력원을 활용하여 슈퍼캐패시터에 전기에너지를 저장한 결과이다.
도 8은 다수의 에너지 생성 장치를 전기적으로 연결하여 발생되는 생성 전력원을 다수의 슈퍼캐패시터에 저장하여 출력 크기를 증가시켜 전력소자를 구동시키는 모습이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The drawings, which are included as a part of the detailed description to help the understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention, and together with the detailed description, explain the technical spirit of the present invention.
1 is a schematic diagram of a manufacturing process of a hydrophilic fiber membrane-based energy generating device coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded, which is a manufacturing process of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hydrophilic fiber membrane-based energy generating device coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded using an immersion process according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a large-area energy generating device in which individual stacked energy generating devices are combined according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a polar solvent of DI (deionized) water in the energy generating device according to the resistance value according to the loading amount of the conductive oxide and the energy generating device coated with ITO (indium tin oxide) nanoparticles, which is a conductive oxide according to asymmetric surface adsorption. This is the result of performing asymmetric adsorption and comparing the generated open circuit voltage using
Figure 5 is a polar solvent of DI (deionized) water in the energy generating device according to the resistance value according to the loading amount of the conductive oxide and the energy generating device coated with ITO (indium tin oxide) nanoparticles, which is a conductive oxide according to asymmetric surface adsorption. This is the result of performing asymmetric adsorption and comparing the generated short-circuit current.
6 is a result of measuring the short-circuit current generated while the energy generating device is asymmetrically adsorbed in a beaker containing tap water and the water is evaporated.
7 is a result of storing electric energy in a supercapacitor by using a power source generated by electrically connecting a plurality of energy generating devices.
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which a power source generated by electrically connecting a plurality of energy generating devices is stored in a plurality of supercapacitors to increase an output size to drive a power device.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can apply various transformations and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 극성 용매 (바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭 흡착 (asymmetric adsorption) 및 유체의 흐름에 의해 표면에 극성 용매를 흡착할 수 있는 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 특유의 높은 전압 생성 효율을 활용하여, 용기에 담기고 극성 용매의 표면이 공기 중에 노출된 극성 용매(바람직하게는 적은 양의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 비대칭으로 맞닿게 하는 행위를 통해 전기 에너지를 발생시키는 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 불소계 기능기에 물리적 흡착으로 인해 발생하는 전기 이중층에 의해 전위 차가 흡착된 부분과 흡착되지 않은 부분 간에 형성된다. 형성된 전위 차는 용기에 담긴 극성 용매 표면 증발에 의해 극성 용매 내부 극성 분자의 흐름으로 인해 지속적으로 불소계 기능기에 흡착되어 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. The present invention relates to a conductive oxide surface bonded with a fluorine-based functional group capable of adsorbing a polar solvent to the surface by asymmetric adsorption of a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) and flow of a fluid. Utilizing the unique high voltage generation efficiency that is formed in the process of adsorption, a polar solvent (preferably a polar protic solvent containing a small amount of ions) that is placed in a container and the surface of the polar solvent is exposed to air is treated with a fluorine-based function. It relates to an energy generating device that generates electrical energy through the act of asymmetrically contacting only the region where one of the two electrodes is connected to a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer coated with a group, and a method for manufacturing the same, A potential difference is formed between the adsorbed portion and the non-adsorbed portion by the electric double layer generated due to physical adsorption. The potential difference formed is continuously adsorbed to the fluorine-based functional group due to the flow of polar molecules inside the polar solvent by evaporation of the surface of the polar solvent contained in the container, and can be maintained for a long time until the polar solvent is completely evaporated.
그리고, 불소계 기능기와 극성용매 계면에 형성된 전하적 중성도 (charge neutrality)를 유지하기 위해서 전도성 산화물을 통하여 금속 전극으로 전자의 지속적인 이동을 활용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 그리고, 전도성 산화물 층과 금속 전극에 결합된 소수성 기능기는 극성 용매와 화학적으로 반응하지 않아 내구성을 높여 장시간 안정적으로 전력을 발생시킬 수 있을 것을 특징으로 할 수 있다.And, in order to maintain the charge neutrality (charge neutrality) formed at the interface between the fluorine-based functional group and the polar solvent, it may be characterized by utilizing the continuous movement of electrons to the metal electrode through the conductive oxide. In addition, the hydrophobic functional group coupled to the conductive oxide layer and the metal electrode may not chemically react with the polar solvent, thereby increasing durability and stably generating power for a long time.
본 발명의 일실시예는 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. 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 기반 에너지 생성 장치를 통해 형성된 직류 형태의 전기 에너지는 별도의 정류 회로 없이 직접 고전력의 전자기기에 연결하여 구동할 수 있다.An embodiment of the present invention provides an individual energy generating device for generating high-performance DC voltage-current type electric energy, and a method for manufacturing a large-area electric energy generating device by combining a plurality of such individual energy generating devices. Electric energy in the form of direct current formed through a conductive oxide-based energy generating device coupled with a hydrophobic functional group can be driven by directly connecting it to a high-power electronic device without a separate rectifying circuit.
이처럼 본 발명의 실시예들은 간단한 침지 공정으로 전도성 산화물 층이 코팅되고 기상 증착법으로 불소계 기능기가 전도성 산화물에 결합된 섬유 멤브레인을 저비용으로 대량생산 할 수 있으며, 대면적 (large-area)의 에너지 생성 장치의 제조가 용이하며, 섬유 멤브레인들간의 적층을 통해 생성 전압 및 전류의 조절이 용이하다는 장점이 있다.As such, embodiments of the present invention can mass-produce a fiber membrane in which a conductive oxide layer is coated by a simple immersion process and a fluorine-based functional group is bonded to a conductive oxide by vapor deposition at low cost, and a large-area energy generating device It is easy to manufacture and has the advantage of easy control of the generated voltage and current through lamination between fiber membranes.
보다 구체적으로, 일실시예에 따른 에너지 생성 장치는 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 및 전도성 산화물 층에 전기적으로 연결되는 금속 전극을 포함하고, 친수성 섬유 멤브레인의 친수성 표면이 소수성 표면으로 성질 변화되고, 전도성 산화물 층 및 금속 전극 각각의 표면에 소수성 기능기가 화학적으로 결합되고, 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층의 표면에서, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역과 극성 용매가 흡착되어 있지 않은 영역 사이에 정전기적 전위차가 유도되어 지속적인 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.More specifically, the energy generating device according to an embodiment includes a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer and a metal electrode electrically connected to the conductive oxide layer, and the hydrophilic surface of the hydrophilic fiber membrane is changed into a hydrophobic surface, and , on the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is chemically bonded to the surface of each of the conductive oxide layer and the metal electrode, and to which the hydrophobic functional group is bonded, between the region to which the polar solvent is adsorbed and the region to which the polar solvent is not adsorbed. It may be characterized in that a miracle potential difference is induced to generate continuous electrical energy.
이때, 전도성 산화물 층은 산소 공공 (oxygen vacancy) 또는 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물 층은 산소 공공에 의해 전기전도도를 가지게 되고, Sn 원자 도핑 효과에 의해 전기전도도가 향상되는 In2O3를 포함할 수 있다. 또한, 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. 또한, 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 섬유 가닥의 직경은 50 nm 내지 500 mm의 범위에 포함될 수 있다.In this case, the conductive oxide layer may include an n-type or p-type oxide exhibiting conductivity due to an oxygen vacancy or atomic doping effect. For example, the conductive oxide layer may include In 2 O 3 having electrical conductivity due to oxygen vacancies and improved electrical conductivity due to Sn atom doping effect. In addition, the hydrophilic fiber membrane is at least one material selected from cotton fabric, Korean paper (mulberry paper), polypropylene membrane, oxygen plasma-treated nonwoven fabric, hydrophilic surface-treated fabric, and nanofibers. can be composed of In addition, the diameter of the fiber strands included in the hydrophilic fiber membrane may be included in the range of 50 nm to 500 mm.
이때, 친수성 섬유 멤브레인의 친수성 표면은 -CF3, 말단기, -CH2, 말단기, 또는 물과 화학적으로 반응하지 않은 무극성 분자 중 적어도 하나를 갖는 물질을 이용하여 소수성 표면으로 성질 변화가 유도될 수 있다.At this time, the hydrophilic surface of the hydrophilic fibrous membrane is a hydrophobic surface using a material having at least one of -CF 3, terminal groups, -CH 2, terminal groups, or non-polar molecules that do not chemically react with water. can
또한, 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) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나의 용액을 포함할 수 있다.In addition, the polar solvent is a polar protic solvent containing ions, (1) formic acid, n-butanol (n-butanol), isopropanol, n-propanol (n-propanol), ethanol ( ethanol), a synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent of methanol, and water, or (2) a solution of at least one of seawater and sweat.
또한, 전도성 산화물 층 및 금속 전극은 전도성 산화물의 일함수 (φ)와 동등하거나 또는 낮은 값을 지닌 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물 층 및 금속 전극은 전도성 산화물 ITO(Indium Tin Oxide)의 일함수(φ = 4.8 eV)보다 낮은 일함수를 갖는 은 (Ag, φ = 4.26 eV), 알루미늄 (Al, φ = 4.28 eV) 또는 수은 (Hg, φ = 4.49 eV)을 포함할 수 있다.In addition, the conductive oxide layer and the metal electrode may include a metal having a value equal to or lower than the work function (?) of the conductive oxide. For example, the conductive oxide layer and the metal electrode are made of silver (Ag, φ = 4.26 eV) and aluminum (Al, φ = 4.28 eV) or mercury (Hg, φ = 4.49 eV).
또한, 금속 전극은, 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층의 표면에서, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역에 접촉되어 있는 제1 금속 전극 및 극성 용매가 흡착되어 있지 않은 영역에 접촉되어 있는 제2 금속 전극을 포함할 수 있다.In addition, the metal electrode includes, on the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded, the first metal electrode in contact with the region to which the polar solvent is adsorbed and the second metal electrode in contact with the region to which the polar solvent is not adsorbed. may include.
이때, 전도성 산화물 층은 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 산화물을 적재하여 코팅되고, 친수성 섬유 멤브레인에 적재되는 전도성 산화물의 양을 조절함에 따라 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절될 수 있다.In this case, the conductive oxide layer is coated by loading the conductive oxide on the hydrophilic fiber membrane, and the voltage and current of the generated electrical energy can be controlled by controlling the amount of the conductive oxide loaded on the hydrophilic fiber membrane.
또한, 소수성 기능기는 불소계 소수성 기능기를 포함할 수 있다.In addition, the hydrophobic functional group may include a fluorine-based hydrophobic functional group.
한편, 일실시예에 따른 에너지 생성 장치의 제조방법은 (a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계, (b) 전도성 나노입자가 용매에 분산된 전도성 산화물 용액에 친수성 섬유 멤브레인을 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 산화물 층을 코팅하는 단계, (c) 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계 및 (d) 전도성 산화물 층의 표면에 소수성 기능기를 결합시키는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the method of manufacturing an energy generating device according to an embodiment comprises the steps of (a) cutting a hydrophilic fiber membrane to a designed size, (b) immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive oxide solution in which conductive nanoparticles are dispersed in a solvent. Coating a conductive oxide layer on the surface of individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane, (c) drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer, and (d) bonding a hydrophobic functional group to the surface of the conductive oxide layer may include steps.
이때, 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 접촉은 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고, 친수성 섬유 멤브레인에서 극성 용매가 접촉된 영역과 극성 용매가 접촉되지 않은 영역 사이의 전위 차이를 유도하여 전압을 발생시키고, 전도성 산화물 층을 통해 이동하는 전자에 의해 전류를 발생시켜 지속적인 전기 에너지가 생성될 수 있다.At this time, the contact of the polar solvent to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded forms an electric double layer on the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded, and the polar solvent is in contact with the hydrophilic fiber membrane. Continuous electrical energy can be generated by inducing a potential difference between the regions where the hyperpolar solvent is not in contact, generating a voltage, and generating a current by electrons moving through the conductive oxide layer.
상술한 (b) 단계는, 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 섬유 가닥에 초음파 분산기 (sonicator)를 사용하여 전도성 나노입자를 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다.Step (b) described above may be characterized in that the conductive nanoparticles are coated on the fiber strands constituting the hydrophilic fiber membrane using an ultrasonic disperser (sonicator).
또한, 상술한 (c) 단계는, 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 오븐안에서 건조하여 친수성 섬유 멤브레인에 남아 있는 용매를 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the step (c) described above may be characterized in that the solvent remaining in the hydrophilic fiber membrane is removed by drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer in an oven.
상술한 (b) 단계와 (c) 단계에서 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 산화물 용액에 침지 및 건조시키는 횟수를 조절하여 전도성 산화물 층의 적재 양이 조절될 수 있다.The loading amount of the conductive oxide layer may be controlled by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is immersed in the conductive oxide solution and dried in steps (b) and (c) described above.
이에 더해, (d) 단계는, -CF3, 말단기, -CH2, 말단기, 또는 물과 화학적으로 반응하지 않은 무극성 분자 중 적어도 하나를 갖는 물질을 소수성 기능기로서 전도성 산화물 층에 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 구체적으로, (d) 단계는 친수성 섬유 멤브레인을 산소 플라즈마 처리하는 단계 및 산소 플라즈마 처리된 친수성 섬유 멤브레인의 표면 상에 trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane 또는 무극성 기능기가 포함된 방수코팅 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, step (d) comprises coating a material having at least one of -CF 3, an end group, -CH 2, an end group, or a non-polar molecule that does not chemically react with water as a hydrophobic functional group to the conductive oxide layer. can be characterized as More specifically, step (d) is a step of oxygen plasma treatment of the hydrophilic fiber membrane and trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H, 2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, or a waterproof coating material containing a non-polar functional group may include coating.
한편, 전도성 나노입자의 지름은 20 nm 내지 100 nm의 범위에 포함될 수 있다.On the other hand, the diameter of the conductive nanoparticles may be included in the range of 20 nm to 100 nm.
극성 용매는 극성 분자 및 이온을 함유한 용매를 포함할 수 있고, 극성 용매가 포함하는 극성 분자 및 이온이 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층에 비대칭적으로 흡착되어 전기 이중층이 형성될 수 있다. 이 경우 전하적 중성도를 유지하기 위해 전자가 전도성 산화물 층을 통하여 극성 용매가 흡착된 전도성 산화물 층에 연결된 금속 전극으로 지속적으로 이동될 수 있다.The polar solvent may include a solvent containing polar molecules and ions, and the polar molecules and ions contained in the polar solvent may be asymmetrically adsorbed to the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded to form an electric double layer. In this case, in order to maintain charge neutrality, electrons may be continuously transferred through the conductive oxide layer to the metal electrode connected to the conductive oxide layer to which the polar solvent is adsorbed.
또한, 에너지 생성 장치의 제조방법은 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 양쪽 끝단에 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극을 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 친수성 섬유 멤브레인에서 제1 금속 전극이 연결된 부분에 극성 용매가 흡착되고, 제2 금속 전극이 연결된 부분이 극성 용매가 흡착되지 않는 극성 용매의 비대칭적인 흡착에 따라 직류 전력이 생성될 수 있다.In addition, the method of manufacturing the energy generating device may further include connecting the first metal electrode and the second metal electrode to both ends of the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded. In this case, in the hydrophilic fiber membrane, the polar solvent is adsorbed to the portion to which the first metal electrode is connected, and the polar solvent is not adsorbed to the portion to which the second metal electrode is connected, thereby generating DC power according to asymmetric adsorption. .
소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 중량은 0.01 g 내지 1000 g의 범위에 포함될 수 있으며, 친수성 섬유 멤브레인을 극성 용매 위에 띄어 놓거나 고정 프레임을 이용하여 친수성 섬유 멤브레인을 극성 용매 안에 부분적으로 담궈 비대칭적으로 극성 용매와 흡착될 수 있다.The weight of the hydrophilic fibrous membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded may be included in the range of 0.01 g to 1000 g, and the hydrophilic fibrous membrane is placed on the polar solvent or the hydrophilic fibrous membrane is placed in the polar solvent by using a fixing frame. Partial soaking can asymmetrically adsorb with polar solvents.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제작과정 모식도이다. 일정 규격 (일례로, 3 cm (세로) Х 9 cm (가로))으로 절삭한 친수성 섬유 멤브레인(101)을 전도성 산화물이 분산되어 있는 전도성 산화물 코팅 용액(102)에 침지한다. 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 도포되는 전도성 산화물 층의 두께와 균일도를 제어할 수 있다. 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인(103)은 건조 오븐에서 건조 과정(104)을 거친 후 완성될 수 있다. 건조된 친수성 섬유 멤브레인(105)의 저항은 1 kΩ ~ 100 MΩ의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 건조된 친수성 섬유 멤브레인(105)이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 mm의 범위(일례로, 50 nm ~ 500 mm의 범위) 내에서 구성될 수 있다.1 is a schematic diagram of a manufacturing process of an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer according to an embodiment of the present invention. The hydrophilic
또한 도 1에서는 건조된 친수성 섬유 멤브레인(105)에 산소 플라즈마 처리 과정(106)과 기상 증착과정(107)을 거쳐 최종적으로 에너지 생성 장치(107)를 생성하는 예를 나타내고 있다.Also, FIG. 1 shows an example of finally generating an
이때, 에너지 생성 장치(107)는 전도성 산화물 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 흡착에 의해, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역의 전도성 산화물에 극성 용매가 물리적으로 흡착됨에 따라, 흡착되어 있는 영역과 흡착되어 있지 않은 영역이 사이에 전위차가 발생하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 일례로, 양극성 분자 또는 양이온을 함유한 용액과 같은 극성 용매에 의한 흡착은 불소계 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물의 표면에서 전기 이중층에 의해 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성하게 된다. 이로 인해 극성 용매에 의해 흡착된 부분과 흡착되지 않은 영역간에 전위차가 형성될 수 있다. 이 경우, 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인의 흡착되어 있는 영역과 연결되는 제1 전극, 그리고 소수성 표면을 지닌 섬유 멤브레인의 흡착되어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류 및 전력을 생산할 수 있게 된다.At this time, the
또한, 이러한 에너지 생성 장치는 제1 영역과 제2 영역간의 전기 이중층에 의해 유발된 전위 차를 지속적으로 유지할 수 있어, 전기 에너지를 지속적으로 생성할 수 있다. 예를 들어, 불소계 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은, 전도성 산화물로부터 전기적 중성도를 유지하기 위한 전자의 흐름을 유발하고, 용기에 담긴 극성 용매 표면에 증발에 의해 극성 용매 내부 극성 분자의 흐름으로 인하여 지속적으로 불소계 소수성 기능기에 극성 분자가 흡착되어 완전히 증발할 때까지 지속적으로 전기에너지를 생성할 수 있다. 그렇기 때문에, 본 발명의 실시예들은 전압 및 전류가 지속적으로 일정한 방향으로 발생되어 직류 형태의 전기 에너지가 지속적으로 생성될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 제안하는 이중층 기반 전기 에너지 생성 장치는 기존의 증발 흐름 전위 (Evaporation driven streaming potential)에서는 나타나지 않는 다양한 현상들을 확인할 수 있다. In addition, the energy generating device can continuously maintain a potential difference induced by the electric double layer between the first region and the second region, thereby continuously generating electric energy. For example, a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide to which a fluorine-based hydrophobic functional group is bonded induces a flow of electrons to maintain electrical neutrality from the conductive oxide, and evaporates on the surface of the polar solvent contained in the container. Due to the flow of polar molecules, it is possible to continuously generate electrical energy until the polar molecules are continuously adsorbed to the fluorine-based hydrophobic functional group and completely evaporated. Therefore, in the embodiments of the present invention, voltage and current are continuously generated in a constant direction, so that electric energy in the form of direct current can be continuously generated. The double-layer-based electric energy generating device proposed in the embodiments of the present invention can confirm various phenomena that do not appear in the existing evaporation driven streaming potential.
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 실시예들에 따른 이중층 기반 에너지 생성 장치에서는 물의 물리적 흡착에 의해 발생하며 극성용매의 내부에 느린 유체의 흐름은 예를 들어 물의 경우 섭씨 0℃ 이상에서 표면 증발이 발생하여 물 내부에 유체 흐름이 존재하여 지속적으로 흡착이 가능하기 때문에 전기 에너지의 생성이 습도에 적게 영향을 받는다.The existing evaporative flow potential has a characteristic that a flow is generated by continuous evaporation of a fluid, and a potential difference occurs in an environment in which the flow of the fluid is maintained. In an environment with high relative humidity, the evaporation rate is significantly reduced and the flow of the fluid is stagnant, so the existing evaporation flow potential is difficult to generate electric power. On the other hand, in the double-layer-based energy generating device according to the embodiments of the present invention, it is caused by physical adsorption of water, and the slow flow of the fluid inside the polar solvent is, for example, in the case of water, surface evaporation occurs at 0 ° C. or higher, so that the inside of the water Since there is a flow of fluid in the air and continuous adsorption is possible, the generation of electrical energy is less affected by humidity.
또한, 기존 증발 흐름 전위차는 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 흐름을 직접적으로 이용하는 발생하는 전위에서는 유체의 흐름이 증발에 전적으로 의존하기 때문에 유체가 흐르는 속도가 한정되고, 따라서 유체의 양 자체가 한정되기 때문에 한정된 유체의 양에 포함되는 양이온 농도의 증가는 예를 들어 물 분자와 이온에 결합에 의하여 유체의 증발량의 감소로 이어진다. 증발량의 감소는 결국 유체의 속도를 감소시킬 수 있기 때문에 기존 증발 흐름의 속도에 의존하여 발생하는 전위차에서는 양이온 농도의 증가에 따라 전압이 감소하는 모습을 보인다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따른 소수성 기능기가 결합된 섬유 멤브레인은 극성 용매가 소수성 기능기에 비대칭적인 흡착에 따라 외각 헬름홀츠 면 (outer Helmholtz plane)에 다양한 양이온들을 배열할 수 있고 이온 농도의 증가는 상대적으로 더 큰 전위 차로 이어질 수 있다. 따라서 양이온 농도의 증가에 따라 전압과 전류가 모두 증가할 수 있다. In addition, while the existing evaporative flow potential difference tends to decrease as the concentration of positive ions increases, the voltage and current of electrical energy generated through the double layer of the present invention both tend to increase with the addition of various types of ions. . For example, in the generated potential using the existing evaporative flow directly, the flow rate of the fluid is limited because the flow of the fluid completely depends on evaporation, and thus the amount of fluid itself is limited, so the positive ions included in the limited amount of the fluid. An increase in concentration leads to a decrease in the amount of evaporation of the fluid, for example by binding to water molecules and ions. Since the decrease in the evaporation amount can eventually reduce the velocity of the fluid, the voltage decreases as the concentration of cations increases in the potential difference that occurs depending on the velocity of the existing evaporative flow. On the other hand, in the fiber membrane to which the hydrophobic functional group is bonded according to the embodiments of the present invention, various cations can be arranged on the outer Helmholtz plane according to the asymmetric adsorption of the polar solvent to the hydrophobic functional group, and the increase in ion concentration is This can lead to a relatively larger potential difference. Therefore, both voltage and current may increase with an increase in cation concentration.
한편, 전도성 산화물로서 산소 공공 (oxygen vacancy), 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 산화물 물질이 활용될 수 있다. 우수한 전기전도도 및 소수성 기능기를 화학적으로 결합할 잘 결합이 이루어지는 전도성 산화물은 특정 산화물 물질에 제약을 두지 않으며, 박층 형태로 코팅된 전도성 산화물 층이 활용될 수 있으며, 0차원, 1차원, 2차원의 전도성 산화물 층이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다. Meanwhile, as the conductive oxide, at least one conductive oxide material selected from n-type or p-type oxide exhibiting conductivity due to an oxygen vacancy and atomic doping effect may be used. Conductive oxide with excellent electrical conductivity and good bonding to chemically bond hydrophobic functional groups is not limited to a specific oxide material, and a conductive oxide layer coated in a thin layer can be used, The conductive oxide layer may be used alone or may be used in combination.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용한 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 소수성 불소계 기능기를 기상 증착법에 의해 전도성 산화물에 결합시킨 것에 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 산화물 용액에 침지시켜 전도성 산화물 층을 코팅하는 단계(202), 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 오븐 건조를 통해 수분을 제거하는 단계(203), 전도성 산화물 층이 코팅된 섬유 멤브레인과 금속 전극 표면에 산소 플라즈마 처리하여 친수성 표면을 형성하는 단계(204), 산소 플라즈마 처리된 전도성 산화물과 금속 전극에 기상 증착하여 소수성 기능기 표면을 형성하는 단계(205)를 포함할 수 있다. 개별의 에너지 생성 장치는 이러한 단계(201) 내지 단계(205)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(206)를 더 포함할 수 있다. 또한, 개별 에너지 생성 장치 또는 대면적 에너지 생성 장치를 통해 전기 에너지를 생성하기 위해, 에너지 생성 장치의 제조방법은 불소계 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 멤브레인에 대한 극성 용매의 비대칭적인 흡착을 통해 전기 에너지를 생성하는 단계(207)를 더 포함할 수 있다.2 is a flow chart according to a method of manufacturing an energy generating device based on bonding a hydrophobic fluorine-based functional group to a conductive oxide by vapor deposition on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer using an immersion process according to an embodiment of the present invention. show As can be seen in the flowchart of FIG. 2 , the manufacturing method of the energy generating device includes cutting the hydrophilic fiber membrane to a designed size ( 201 ), immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive oxide solution to coat the conductive oxide layer ( 202 ). ), removing moisture through oven drying on the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer (203), and oxygen plasma treatment on the surface of the fiber membrane and the metal electrode coated with the conductive oxide layer to form a hydrophilic surface ( 204), vapor-depositing the oxygen plasma-treated conductive oxide and the metal electrode to form a hydrophobic functional group surface (205). Individual energy generating devices may be manufactured through these
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 mm 내지 1 mm 의 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.Step 201 is a process of cutting a hydrophilic fibrous membrane, which becomes a frame of an individual energy generating device, containing a polar solvent in some regions, to a preset size (eg, 3 cm (length) × 9 cm (horizontal)) can be In this case, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may be included in the range of 5 mm to 1 mm. The hydrophilic fiber membrane is made of at least one material selected from cotton fabric, Korean paper, polypropylene membrane, oxygen plasma-treated nonwoven fabric, hydrophilic surface-treated fabric, and nanofiber. can be configured.
단계(202)는 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 산화물 층을 코팅하는 과정일 수 있다. 이를 위해 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 산화물이 물에 분산된 전도성 산화물 용액에 침지시킬 수 있다. 예를 들어, 전도성 산화물 물질은 에탄올에 1 wt% ~ 5 wt%의 질량비를 갖도록 물에 분산될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전도성 산화물 층을 구성하는 전도성 산화물 물질은 산소 공공 (oxygen vacancy), 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 이러한 전도성 산화물 층은 우수한 전기전도도 특성과 소수성 기능기가 화학적 결합이 용이한 친수성 표면 특성을 가질 수 있으며, 0 차원, 1 차원 또는 2차원으로 복합화되어 친수성 섬유 멤브레인에 결착될 수 있다. 전도성 산화물 층은 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 산화물을 적재함으로써 코팅될 수 있으며, 적재되는 전도성 산화물의 양을 통해 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절될 수 있다. 예를 들어, 친수성 섬유 멤브레인에 적재되는 전도성 산화물의 양을 조절하기 위해, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 산화물 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하거나 및/또는 전도성 산화물의 물에 대한 질량비를 조절할 수 있다.Step 202 may be a process of coating a conductive oxide layer on the hydrophilic fiber membrane. To this end, as described with reference to FIG. 1 , the hydrophilic fiber membrane may be immersed in a conductive oxide solution in which a conductive oxide is dispersed in water. For example, the conductive oxide material may be dispersed in water to have a mass ratio of 1 wt% to 5 wt% to ethanol. As described above, the conductive oxide material constituting the conductive oxide layer may include at least one material selected from among n-type or p-type oxide exhibiting conductivity due to oxygen vacancy and atomic doping effect. . Such a conductive oxide layer may have excellent electrical conductivity and a hydrophilic surface property in which hydrophobic functional groups are easily chemically bonded, and may be combined in 0-dimensional, 1-dimensional, or 2-dimensional composite to a hydrophilic fiber membrane. The conductive oxide layer can be coated by loading the hydrophilic fiber membrane with a conductive oxide in the range of 2.1 mg/cm 3 to 0.024 mg/cm 3 per unit volume, and the voltage and current of electrical energy generated through the amount of the loaded conductive oxide is can be adjusted. For example, in order to control the amount of conductive oxide loaded onto the hydrophilic fiber membrane, the number of times the hydrophilic fiber membrane is immersed in the conductive oxide coating solution may be controlled and/or the mass ratio of the conductive oxide to water may be controlled.
단계(203)는 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키기 위한 과정일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 극성 용매를 떨어뜨리는 영역을 제외한 영역은 건조된 상태여야 극성 용매에 의한 흡착 영역과의 전위차를 통해 전기 에너지를 발생시킬 수 있기 때문에, 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 기본적으로 건조된 상태에서 사용될 수 있다. 이 과정에서 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 트레이상에 평평하게 배치될 수 있으며, 오븐을 통해 건조(일례로, 60℃, 10분)될 수 있다.Step 203 may be a process for drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer. As described above, the area except for the area where the polar solvent is dropped must be dry to generate electrical energy through a potential difference with the area adsorbed by the polar solvent. It can be used in a dry state. In this process, the hydrophilic fibrous membrane coated with the conductive oxide layer may be placed flat on a tray and dried (eg, 60° C., 10 minutes) through an oven.
단계(204)는 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 금속 전극 표면에 산소 플라즈마 처리하여 친수성 표면을 형성하기 위한 과정일 수 있다. 이를 위해 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 산소 플라즈마 처리 과정(106, 일례로 10 sccm O2, 100W, 120s)이 진행될 수 있다. 이 과정에서 전도성 산화물 표면에 높은 표면 에너지를 가진 친수성 hydroxyl radical (-OH) 말단기가 화학적으로 형성될 수 있고 다음 단계(205)에서 사용될 소수성 기능기와 화학적으로 공유결합하는데 도움을 줄 수 있다.Step 204 may be a process for forming a hydrophilic surface by oxygen plasma treatment on the surface of the metal electrode and the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer. To this end, as described with reference to FIG. 1 , an oxygen plasma treatment process 106 (eg, 10 sccm O 2 , 100W, 120s) may be performed. In this process, a hydrophilic hydroxyl radical (-OH) end group having a high surface energy may be chemically formed on the surface of the conductive oxide, and it may help to chemically bond with a hydrophobic functional group to be used in the next step (205).
단계(205)는 산소 플라즈마 처리된 친수성 전도성 산화물 표면과 금속 전극 표면에 소수성 표면을 형성하기 위한 과정일 수 있다. 이를 위해 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 플라즈마 처리된 전도성 산화물 표면에 기상 증착법을 이용하여 소수성 불소계 기능기를 화학적으로 결합시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 소수성 기능기를 구성하는 물질은 -CF3, 말단기, -CH2, 말단기를 갖는 물질로서trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, 무극성 기능기가 포함된 방수코팅 물질 등을 포함할 수 있다. 이 과정에서 친수성 전도성 산화물 표면에 소수성 기능기를 오븐(일례로, 90℃, 30분)을 통해 화학적으로 강하게 결합시켜 극성 용매와의 물리적 접촉에 내구성이 우수하도록 하여 장기간 사용해도 전도성 산화물 표면으로부터 소수성 기능기가 벗겨지지 않도록 할 수 있다.Step 205 may be a process for forming a hydrophobic surface on the oxygen plasma-treated hydrophilic conductive oxide surface and the metal electrode surface. To this end, as described with reference to FIG. 1 , a hydrophobic fluorine-based functional group may be chemically bonded to the plasma-treated conductive oxide surface by vapor deposition. As described above, the material constituting the hydrophobic functional group is -CF 3, a terminal group, -CH 2, a material having a terminal group, trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H) ,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane, and a waterproof coating material containing a non-polar functional group may be included. In this process, the hydrophobic functional group is chemically strongly bonded to the surface of the hydrophilic conductive oxide through an oven (for example, 90° C., 30 minutes), so that it has excellent durability against physical contact with polar solvents. You can make sure it doesn't peel off.
단계(206)는 대면적의 에너지 생성 장치를 제조하기 위해 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 결합하는 과정일 수 있다. 개별 에너지 생성 장치들간의 적층은 생성되는 전류의 양을 늘려 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 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 섬유 멤브레인들이 물리적으로 적층되는 것을 의미할 수 있다. 반면, 개별 에너지 생성 장치들간의 병렬/직렬 연결/결합은 전기적인 연결/결합을 의미할 수 있다.Step 206 may be a process of stacking two or more fibrous membranes coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded, or combining them in parallel or in series to manufacture a large-area energy generating device. Stacking between individual energy generating devices can be utilized by increasing the amount of generated current. Also, connecting individual energy generating devices in parallel or series can be utilized to generate large area-maximized currents and voltages. Here, stacking between individual energy generating devices may mean physically stacking fiber membranes coated with a conductive oxide layer to which a hydrophobic functional group is bonded. On the other hand, parallel/series connection/coupling between individual energy generating devices may mean electrical connection/coupling.
단계(207)는 제조된 에너지 생성 장치를 이용하여 전기 에너지를 생성하기 위해 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물이 코팅된 섬유 멤브레인에 극성 용매를 비대칭적으로 흡착시키는 과정일 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 섬유 멤브레인의 일부분만 극성 용매를 떨어뜨리는 경우, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역의 불소계 기능기에 극성 용매가 흡착됨에 따라 흡착되어 있는 영역과 흡착되어 있지 않은 영역 사이에 전위차 유도됨에 따라 전기 에너지가 생성될 수 있다.Step 207 may be a process of asymmetrically adsorbing a polar solvent to a fiber membrane coated with a conductive oxide to which a hydrophobic functional group is bonded to generate electrical energy using the manufactured energy generating device. As already described, when the polar solvent is dropped on only a portion of the fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded, the polar solvent is adsorbed to the fluorine-based functional group in the region to which the polar solvent is adsorbed. Electrical energy may be generated as a potential difference is induced between regions that are not adsorbed.
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. 일례로 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.Additionally, as the polar solvent, polar protic solvents containing ions may be used. For example, polar solvents include (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol, methanol and It may include a synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent of water or (2) a solution existing in nature, such as at least one of seawater and sweat. For example, as polar protic solvents containing hydrogen ions (protons) having a dielectric constant of 20 or more, methanol, formic acid, water, etc. may be used, and in particular, dielectric constant When H + , Li + , Na + , and K + ions are dissolved in the water with the highest , additional ions are arranged on the outer Helmholtz surface to increase the current and voltage of electrical energy. The ions that are harmless even in contact with the human body and can improve the performance of the energy generating device include Na + , K + , and the like.
추가적으로 금속 전극으로는 사용되는 금속 산화물의 일함수와 등등하거나 낮은 일함수를 갖는 금속 전극이 활용될 수 있다. 예를 들어, 친수성 섬유에 적재되는 전도성 산화물 ITO 의 일함수(φ = 4.8 eV) 보다 낮은 일함수를 갖는 은 (Ag, φ = 4.26 eV), 알루미늄 (Al, φ = 4.28 eV), 수은 (Hg, φ = 4.49 eV) 등이 해당된다. 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. Additionally, as the metal electrode, a metal electrode having a work function equal to or lower than the work function of the metal oxide used may be used. For example, silver (Ag, φ = 4.26 eV), aluminum (Al, φ = 4.28 eV), mercury (Hg) with a work function lower than that of conductive oxide ITO loaded onto hydrophilic fibers (φ = 4.8 eV). , φ = 4.49 eV) and so on. The manufactured energy generating device can generate high-performance DC power for a long period of time even with a polar protic solvent containing a small amount of ions and is easy to mass-produce, so it can be used as a home energy auxiliary device, portable power auxiliary device, and wearable electronic device. It can be applied as a power supply.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 적층된 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 에너지 생성 장치의 모식도이다. 앞서 설명한 바와 같이 전도성 산화물이 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 에너지 생성 장치 (301)를 나타내고 있으며, 복수 개의 적층 에너지 생성 장치들이 지지체 (302)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.3 is a schematic diagram of a large-area energy generating device in which individual stacked energy generating devices are combined according to an embodiment of the present invention. As described above, in order to drive a large-capacity electronic device using individual energy generating devices coated with conductive oxides, it is necessary to manufacture a large-area energy generating device through stacking or parallel/series connection of individual energy generating devices. 3 shows an energy generating device 301 in which a plurality of individual energy generating devices are stacked as an embodiment thereof, and a plurality of stacked energy generating devices are installed through a space provided by the support 302 to be installed in series and/or Alternatively, an embodiment in which the large-area
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail through Examples and Comparative Examples. Examples and comparative examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1: FDTS functionalized ITO 침지 공정을 이용한 에너지 생성 장치의 제작 및 전압과 전류 생성Example 1: Fabrication of energy generation device using FDTS functionalized ITO immersion process and generation of voltage and current
도 4는 소수성 기능기 FDTS (Perfluorodecyltrichlorosilane)가 결합된 전도성 산화물 ITO (Indium Tin Oxide) 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치로서 ITO 적층 양에 따른 저항 변화에 따른 개방 전압, 단락 전류, 및 전력을 보여주는 결과이다. 면 직물을 ITO 나노입자 (30 nm ~ 50 nm)가 소니케이션 (sonication)을 이용하여 30분 초음파 처리되어 에탄올에 고르게 분산되어 있는 용액에 함침하는 횟수를 달리하여 조절하였다. 함침 횟수가 늘어날수록 표면에 ITO나노입자가 적재 되는 양이 많아 지면서 저항(resistance)이 낮아지며, 3cm(가로) × 9cm(세로) 크기를 갖고 저항이 각각 R#n(함침횟수 #n에 따른 저항값(R))을 갖는 R#2:2.5MΩ~3.0MΩ, R#3:1.0MΩ~1.5MΩ, R#4:0.6MΩ~0.7MΩ, R#5:0.35MΩ~0.4MΩ, R#6:0.15MΩ~0.2MΩ의 저항 분포를 갖는 5개의 개별장치로서 각 샘플의 양쪽에 금(Au) 전극을 전기적으로 연결하여 에너지 생성 장치들을 샘플로서 준비하였다. 측정시 한쪽 금 전극에 연결된 영역에 동일한 물 (DI water, 1.0 mL)을 비대칭적으로 떨어트려 측정을 하였다. 도 4의 개방 전압 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 높을수록 높은 개방 전압 (1.0MΩ~1.5MΩ 샘플: 0.23V) 특성이 나타나며, 저항이 가장 낮은 0.15MΩ~0.2MΩ 의 소수성 FDTS 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 면 직물이 금 전극을 연결하여 한쪽 금 전극 영역에 1.0 mL의 DI water를 떨어트려 물리적으로 흡착시킨 샘플에서는 0.1V 수준의 낮은 개방 전압 특성이 관찰이 되었다. 높은 개방 전압 특성을 얻기 위해서 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 양쪽 베이스 접촉저항 (base contact resistance)과 전도성 산화물의 적재량 조절이 중요함을 알 수 있다.4 is a cotton fabric energy generating device coated with a conductive oxide ITO (Indium Tin Oxide) layer to which a hydrophobic functional group FDTS (Perfluorodecyltrichlorosilane) is bonded. and power. The cotton fabric was controlled by varying the number of times of immersion in a solution in which ITO nanoparticles (30 nm to 50 nm) were sonicated for 30 minutes using sonication and evenly dispersed in ethanol. As The more the number of impregnation increases the amount of the ITO nanoparticles in the surface mounting lowers the resistance (resistance), 3cm (horizontal) × 9cm (vertical) having a size of resistance resistance of the R #n (#n each impregnation number R #2 :2.5MΩ~3.0MΩ, R #3 :1.0MΩ~1.5MΩ, R #4 :0.6MΩ~0.7MΩ, R #5 :0.35MΩ~0.4MΩ, R #6 : Energy generating devices were prepared as samples by electrically connecting gold (Au) electrodes to both sides of each sample as five individual devices with a resistance distribution of 0.15MΩ to 0.2MΩ. During the measurement, the same water (DI water, 1.0 mL) was dropped asymmetrically to the area connected to one gold electrode for measurement. As observed in the open circuit voltage graph of FIG. 4, the higher the resistance of the energy generating device, the higher the open voltage (1.0MΩ~1.5MΩ sample: 0.23V) characteristics appear, and the hydrophobic FDTS function of 0.15MΩ~0.2MΩ with the lowest resistance. A low open-circuit voltage of 0.1 V was observed in the sample in which a cotton fabric coated with a group-bonded conductive oxide layer was physically adsorbed by dropping 1.0 mL of DI water on one gold electrode area by connecting a gold electrode. It can be seen that it is important to control both the base contact resistance of the hydrophilic fiber membrane-based energy generating device and the loading amount of the conductive oxide in order to obtain high open-circuit voltage characteristics.
또한, 도 4은 전도성 산화물 ITO 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 단락 전류를 보여주는 결과이다. 앞서 개방전압을 측정했던 동일 샘플로서 R#2:2.5MΩ~3.0MΩ, R#3:1.0MΩ~1.5MΩ, R#4:0.6MΩ~0.7MΩ, R#5:0.35MΩ~0.4MΩ, R#6:0.15MΩ~0.2MΩ의 저항 분포를 갖는 샘플들의 생성 단락 전류를 측정하였다. 측정시 한쪽 금 전극에 연결된 영역에 동일한 물 (DI water, 1.0 mL)을 비대칭적으로 떨어트려 측정을 하였다.In addition, FIG. 4 is a result showing a short-circuit current according to a change in resistance of a cotton fabric energy generating device coated with a conductive oxide ITO layer. R #2 :2.5MΩ~3.0MΩ, R #3 :1.0MΩ~1.5MΩ, R #4 :0.6MΩ~0.7MΩ, R #5 :0.35MΩ~0.4MΩ, R #6 : The generated short-circuit current of samples having a resistance distribution of 0.15 MΩ to 0.2 MΩ was measured. During the measurement, the same water (DI water, 1.0 mL) was dropped asymmetrically to the area connected to one gold electrode for measurement.
도 4의 단락 전류의 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 낮을수록 높은 단락 전류의 (0.15MΩ~0.2MΩ, 샘플: ~600 nA) 특성이 나타나며, 저항이 가장 높은 1.0MΩ~1.5MΩ의 샘플에서는 ~180 nA 이하의 낮은 단락 전류 특성이 관찰이 되었다. 전도성 산화물이 적재된 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 베이스 컨택 저항 (base contact resistance)은 생성 전류에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. As observed in the graph of short-circuit current in Fig. 4, the lower the resistance of the energy generating device, the higher the short-circuit current (0.15MΩ~0.2MΩ, sample: ~600nA) characteristics, and the highest resistance 1.0MΩ~1.5MΩ A low short-circuit current characteristic of ~180 nA or less was observed in the sample of . It can be seen that the base contact resistance of the fiber membrane-based energy generating device loaded with the conductive oxide has a direct effect on the generated current.
실시예 2: FTDS가 결합된 알루미늄 금속 전극과 전도성 산화물이 도포된 에너지 생성 장치의 생성 전압과 전류 생성Example 2: FTDS-coupled aluminum metal electrode and conductive oxide-coated energy generating device generation voltage and current generation
도 5는 일함수(φ = 4.8 eV)를 갖는 전도성 산화물이 ITO가 코팅된 면 직물(cotton fabric) 에너지 생성 장치에 전도성 산화물의 일함수보다 높은 금 전극 (φ = 5.1 eV)과 낮은 일함수를 갖는 알루미늄 전극(φ = 4.28 eV)을 에너지 생성 장치에 연결하고 전압과 전류 생성을 향상도를 알아보기 위해서 상기도 4에서 #5로 제작된 동일 저항을 갖는 샘플을 이용하여 금 전극과 알루미늄 전극을 연결하였을 때 개방전압과 단락전류를 측정하였다. 이때 동일한 양의 물 (DI water, 1 mL)를 떨어트려 측정하였다. 먼저 도5에 사진에서 보이듯이 금 전극을 샘플 양쪽에 연결하고 측정하였을 때 발생하는 개방전압과 단락전류는 ~0.2 V 및 ~430 nA로 확인이 되었으며 다음으로 알루미늄 전극을 샘플 양쪽에 연결하고 측정하였을 때 방생하는 개방전압과 단락전류는 ~0.65 V 및 ~930 nA 로 확인이 되었으며 이는 개방전압 200% 이상 및 단락전류 100% 이상 증가한 것을 확인 할 수 있다. 이는 물의 흡착에 따라 생긴 전기 이중층에 의한 전위차로부터 전기 중성도를 유지하기 위해 전자가 전도성 산화물로부터 전극으로 이동할 때 전도성 산화물의 일함수와 전기적으로 연결되는 금속 전극의 일함수에 따라서 계면에 형성되는 에너지 밴드갭의 밴드가 전도성 산화물의 일함수 보다 낮은 알루미늄 전극을 사용하였을 때 아래쪽으로 밴드가 휘어져 발생하는 전자의 이동을 용이하게 하여 가능한 것으로 설명될 수 있다. 또한 사용된 알루미늄 전극의 경우 금 전극에 비하여 매우 저렴하고 소수성 FDTS가 코팅 되었을 때 어느 정도의 이온을 함유하고 있는 극성 용매에 대하여 화학적 내구성을 가질 수 있어 장시간 안정적으로 전기 에너지를 생성 할 수 있다. 또한, 에너지 생성장치의 크기를 크게 하고 여러 개를 연결할 경우 mW 이상 에너지를 생성할 수 있음을 의미하고, 소형 전자기기의 구동되는 에너지원을 친환경적이고 지속적으로 생성해 낼 수 있음을 의미한다.5 is a gold electrode (φ = 5.1 eV) and a low work function in which a conductive oxide having a work function (φ = 4.8 eV) is higher than the work function of the conductive oxide in an ITO-coated cotton fabric energy generating device. In order to connect an aluminum electrode (φ = 4.28 eV) with an energy generating device and check the degree of improvement in voltage and current generation, a gold electrode and an aluminum electrode were connected using a sample having the same resistance as #5 in FIG. 4 above. When connected, open voltage and short circuit current were measured. At this time, the same amount of water (DI water, 1 mL) was dropped and measured. First, as shown in the photo in FIG. 5, the open-circuit voltage and short-circuit current generated when the gold electrode was connected to both sides of the sample and measured were confirmed to be ~0.2 V and ~430 nA. Next, the aluminum electrode was connected to both sides of the sample and measured. The open-circuit voltage and short-circuit current generated during this time were confirmed to be ~0.65 V and ~930 nA, and it can be confirmed that the open-circuit voltage and short-circuit current increased by more than 200% and more than 100%. This is the energy formed at the interface according to the work function of the conductive oxide and the work function of the metal electrode electrically connected when electrons move from the conductive oxide to the electrode to maintain electrical neutrality from the potential difference caused by the electric double layer caused by the adsorption of water. It can be explained that it is possible by facilitating the movement of electrons generated by bending the band downward when an aluminum electrode having a band of the band gap lower than the work function of the conductive oxide is used. In addition, the aluminum electrode used is very inexpensive compared to the gold electrode, and when the hydrophobic FDTS is coated, it can have chemical durability against a polar solvent containing a certain amount of ions, so that electric energy can be stably generated for a long time. In addition, if the size of the energy generating device is enlarged and several are connected, it means that energy of mW or more can be generated, and it means that an energy source driven by a small electronic device can be generated environmentally and continuously.
실시예 3: 수돗물이 담긴 비커에 에너지 생성 장치를 비대칭적으로 담궈 장시간 생성 전류 생성Example 3: Asymmetrical immersion of an energy generating device in a beaker filled with tap water to generate a long-time generated current
지구상에 충분히 존재하여 얻어낼 수 있는 수돗물이 담긴 용기에 FTDS가 결합된 알루미늄 금속 전극과 전도성 산화물이 도포된 면 직물 에너지를 생성 장치를 직접 담궈 활용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해서, 도 6 의 ITO 나노입자가 5번 적재된 샘플을 이용하여 개방 전류를 측정하였다. 샘플의 양쪽에 금(Al) 전극을 에너지 생성 장치에 전기적으로 연결하고, 수돗물을 500 ml 비커에 280 ml로 구성하여 샘플의 면적 중 반만 물에 담궈 비대칭적인 흡착을 수행하였다. 에너지 생성장치의 면적 중 2.5 cm × 4.5 cm 가 20 ℃ ~ 25 ℃ 환경에서 물에 담궈졌을 때 약 6970초 후에 4 μA 가까운 단락 전류를 나타내어 물을 실시예 2와 같이 물을 1.0 ml 떨어트린 경우에 비교하여 약 400% 가량 증가한 것을 확인 할 수 있다. 발생되는 전류는 물이 280 ml에서 100 ml가 될 때까지 증발하는 동안 약 2주 이상 지속적으로 발생할 수 있다. 이는 수돗물을 이용하여 에너지 공급원으로 자연스럽게 활용할 수 있고, 주변 실내온도와 습도조건하에서 물이 증발하는 환경에서 건물 내에서 구동되는 아주 단순한 에너지 생성 시스템하에서 친환경적이고 지속가능한 에너지 생성 장치를 활용할 수 있음을 보여준다.In order to confirm the possibility of directly immersing the energy generating device of the aluminum metal electrode and conductive oxide coated with FTDS in a container containing tap water that is sufficiently present on Earth and can be obtained, the ITO nano of FIG. The open current was measured using a sample loaded with
실시예 4: 다수의 에너지 생성 장치를 물에 담궈 발생하는 전력원을 활용하여 에너지 저장소자 슈퍼캐패시터에 전기 에너지 저장Example 4: Electric energy storage in an energy storage supercapacitor using a power source generated by immersing a plurality of energy generating devices in water
도 7 은FDTS가 ITO 나노입자에 코팅되고 FDTS가 결합된 Al 전극이 결합된 에너지 생성 장치를 이용하여 전자기기를 구동가능한지 실용성을 확인하기 위하여 도 6 의 동일 샘플 10개를 병렬로 전기적으로 연결하여 단락 전류를 증가시킬 수 있도록 하고 이때 개방 전압 및 단락 전류를 측정하였다. 도 6 의 실시예 와 같이 수돗물을 비대칭적으로 흡착시켰을 때 전기적 병렬로 연결된 10개의 샘플에서 0.8 V 전압이 발생되었으며, 전류의 경우 약 20 시간 동안 35 μA ~ 27 μA 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 다수의 에너지 생성장치를 연결하여 비례적으로 개방 전압 및 단락 전류를 증가시킬 수 있음을 보여준다. 따라서, 생성장치에서 발생되는 전력원을 활용하여 마이크로 전력레벨에서 구동되는 전자기기에 적용 가능함을 의미한다. 다수의 에너지 생성장치에서 발생되는 DC 출력은 0.22 F 과 1 F의 용량을 지닌 슈퍼캐패시터에 직접 연결하여 에너지 저장을 수행하였다. 0.5 V까지 에너지가 충전되는데 0.22 F의 슈퍼캐패시터는 1시간 30분 정도가 소요되었고, 좀더 큰 용량인 1 F의 슈퍼캐패시터는 5시간 30분 정도가 소요됨을 확인할 수 있다. 대면적 에너지 생성 장치의 전압 및 전류는 건물의 실내에서 마이크로 레벨까지 수돗물을 이용하여 효과적으로 전기에너지를 생성할 수 있으며 이는 친환경적이고 지속가능한 실내 에너지 생성 장치가 직접 활용될 수 있음을 보여주고 있다는 면에서 의의가 크다.7 is FDTS coated on ITO nanoparticles and electrically connected in parallel to 10 of the same samples of FIG. It was allowed to increase the short-circuit current, and the open-circuit voltage and the short-circuit current were measured. As in the example of FIG. 6 , when tap water was asymmetrically adsorbed, a voltage of 0.8 V was generated in 10 samples connected in electrical parallel, and it can be confirmed that 35 μA to 27 μA of current was generated for about 20 hours. This shows that it is possible to increase the open-circuit voltage and short-circuit current proportionally by connecting multiple energy generators. Therefore, it means that it can be applied to electronic devices driven at a micro power level by utilizing the power source generated by the generator. The DC output generated from a number of energy generators was directly connected to supercapacitors with capacities of 0.22 F and 1 F to perform energy storage. It can be seen that the 0.22 F supercapacitor takes about 1 hour and 30 minutes to charge energy up to 0.5 V, and the 1 F supercapacitor with a larger capacity takes about 5 hours and 30 minutes. The voltage and current of the large-area energy generating device can effectively generate electric energy using tap water from the inside of a building to a micro level, which shows that an eco-friendly and sustainable indoor energy generating device can be directly utilized. It is of great significance.
실시예 5: 다수의 에너지 생성 장치와 다수의 슈퍼캐패시터에 저장된 전력원을 이용하여 전자기기 구동Example 5: Driving an electronic device using a plurality of energy generating devices and a power source stored in a plurality of supercapacitors
도 8은 10개의 에너지 생성 장치를 병렬로 연결하여 발생되는 전류를 비례적으로 증가시키도록 하고, 도 4의 실시예와 같이 슈퍼캐패시터에 효과적으로 저장될 수 있도록 하고, 전기에너지를 증가시킬 수 있도록 다수의 슈퍼캐패시터를 전기적으로 직렬로 연결하여 측정한 전압을 보여준다. 0.22 F 슈퍼캐패시터 한 개에 0.5 V까지 에너지를 저장하는데 소요되는 시간은 1시간 30분 정도이고, 동일 슈퍼캐패시터 10개를 동일 전압까지 충전하는데 약 15 시간 정도가 소요되었으며, 이때 10개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결하여 약 5의 충전된 전압을 얻을 수 있다. 이는 1F의 슈퍼캐패시터에 저장된 전기에너지를 이용하여 μW ~ mW까지 전력을 소모하는 전자소자를 충분히 구동 시킬 수 있고, 더 나아가서 좀더 다수의 슈퍼캐패시터를 이용하여 저장되는 에너지 용량을 증가시켜 W 레벨까지 소모하는 전자 소자도 동작시킬 수 있음을 의미한다. 실시예 5와 같이 시계기능과 주위온도를 감지할 수 있는 구동전압 5 V와 구동전류 0.5 A를 지니는 2.5 W급의 LED 디스플레이의 입력단에 5 V까지 전기에너지가 저장된 10개의 슈퍼캐패시터의 출력단을 직접 연결하였다. 스위치를 ON 하게 되면 7시 43분과 82 °F의 주위온도를 감지하는 전자기능이 구동되는 것을 확인할 수 있다.8 is a diagram to proportionally increase the generated current by connecting 10 energy generating devices in parallel, to be effectively stored in a supercapacitor as in the embodiment of FIG. 4, and to increase electrical energy. Shows the voltage measured by electrically connecting the supercapacitors of It takes about 1 hour and 30 minutes to store energy up to 0.5 V in one 0.22 F supercapacitor, and about 15 hours to charge 10 identical supercapacitors to the same voltage. A charged voltage of about 5 can be obtained by connecting them in series. This can sufficiently drive an electronic device consuming power from μW to mW by using the electrical energy stored in the 1F supercapacitor, and furthermore, it consumes up to W level by increasing the amount of energy stored using a larger number of supercapacitors. It means that electronic devices can also be operated. As in Example 5, the output terminal of 10 supercapacitors in which electrical energy is stored up to 5 V is directly connected to the input terminal of a 2.5 W class LED display having a driving voltage of 5 V and a driving current of 0.5 A capable of sensing the clock function and ambient temperature. connected. When the switch is turned on, it can be seen that the electronic function that detects the ambient temperature of 7:43 and 82 °F is activated.
이상에서 설명한 바와 같이, 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 산화물을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 전도성 산화물 층을 형성한다. 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 용매)에 대한 높은 흡수력을 갖는 친수성 섬유 멤브레인은 극성 용매와 전도성 산화물 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 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 비대칭 흡착을 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.As described above, in the energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive oxide layer, a conductive oxide is uniformly applied to the fiber strand surface of the hydrophilic fiber membrane through a dipping process to form a conductive oxide layer. . A hydrophilic fibrous membrane having high absorption capacity for a polar solvent (preferably a polar solvent containing ions) is capable of generating a potential difference induced by the capacitance caused by cation and anion adsorption between the polar solvent and the conductive oxide layer for a long time. can In particular, by using a polar protic solvent containing a small amount (0.25 ml) of ions to maintain asymmetric adsorption of a hydrophilic fiber membrane-based electric energy generating device coated with a conductive oxide layer, direct current can be created and maintained. A plurality of such high-performance energy generating devices may be stacked on each other or combined in series or parallel to maximize the generated voltage and current. The DC power generated in this way can drive Internet-of-Things-based electronic devices with high driving power without a separate rectifier circuit or energy storage device, and can be stored in an energy storage system to be used for driving electronic devices requiring high power. can In addition, the fact that sweat or seawater can be used as the polar solvent may mean that the energy generating device according to embodiments of the present invention can be used for power generation such as a wearable device or a structure on the sea.
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.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and are not limited to these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (26)
상기 전도성 산화물 층에 전기적으로 연결되는 금속 전극
을 포함하고,
상기 친수성 섬유 멤브레인의 친수성 표면이 소수성 표면으로 성질 변화되고,
상기 전도성 산화물 층 및 상기 금속 전극 각각의 표면에 소수성 기능기가 화학적으로 결합되고,
상기 소수성 기능기가 결합된 상기 전도성 산화물 층의 표면에서, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역과 극성 용매가 흡착되어 있지 않은 영역 사이에 정전기적 전위차가 유도되어 지속적인 전기 에너지가 생성되는 것
을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.a hydrophilic fibrous membrane coated with a conductive oxide layer; and
a metal electrode electrically connected to the conductive oxide layer
including,
The hydrophilic surface of the hydrophilic fiber membrane is changed to a hydrophobic surface,
A hydrophobic functional group is chemically bonded to the surface of each of the conductive oxide layer and the metal electrode,
On the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded, an electrostatic potential difference is induced between the region to which the polar solvent is adsorbed and the region to which the polar solvent is not adsorbed to generate continuous electrical energy.
Energy generating device, characterized in that.
상기 전도성 산화물 층은 산소 공공 (oxygen vacancy) 또는 원자 도핑 (doping) 효과에 의해 전도성이 나타나는 n형 또는 p형 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The conductive oxide layer comprises an n-type or p-type oxide exhibiting conductivity due to an oxygen vacancy or atomic doping effect.
상기 전도성 산화물 층은 산소 공공에 의해 전기전도도를 가지게 되고, Sn 원자 도핑 효과에 의해 전기전도도가 향상되는 In2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The conductive oxide layer has electrical conductivity due to oxygen vacancies, and In 2 O 3 , wherein the electrical conductivity is improved by the Sn atom doping effect.
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 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The hydrophilic fiber membrane is a cotton fabric (cotton fabric), Korean paper (mulberry paper), polypropylene membrane (polypropylene membrane), oxygen plasma-treated nonwoven fabric, a fabric with a hydrophilic surface treatment, and at least one material selected from nanofibers. An energy generating device, characterized in that it is configured.
상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 섬유 가닥의 직경은 50 nm 내지 500 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The energy generating device, characterized in that the diameter of the fiber strand included in the hydrophilic fiber membrane is included in the range of 50 nm to 500 mm.
상기 친수성 섬유 멤브레인의 친수성 표면은 -CF3, 말단기, -CH2, 말단기, 또는 물과 화학적으로 반응하지 않은 무극성 분자 중 적어도 하나를 갖는 물질을 이용하여 소수성 표면으로 성질 변화가 유도되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The hydrophilic surface of the hydrophilic fibrous membrane is a hydrophobic surface using a material having at least one of -CF 3, terminal groups, -CH 2, terminal groups, or non-polar molecules that do not chemically react with water. Characterized by an energy generating device.
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 하나의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The polar solvent is (1) formic acid, n-butanol (n-butanol), isopropanol (isopropanol), n-propanol (n-propanol), ethanol (ethanol), methanol (methanol) and water (water) ) of a synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent or (2) a solution of at least one of seawater and sweat.
상기 전도성 산화물 층 및 상기 금속 전극은 전도성 산화물의 일함수 (φ)와 동등하거나 또는 낮은 값을 지닌 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The energy generating device, characterized in that the conductive oxide layer and the metal electrode include a metal having a value equal to or lower than the work function (?) of the conductive oxide.
상기 전도성 산화물 층 및 상기 금속 전극은 전도성 산화물 ITO(Indium Tin Oxide)의 일함수(φ = 4.8 eV)보다 낮은 일함수를 갖는 은 (Ag, φ = 4.26 eV), 알루미늄 (Al, φ = 4.28 eV) 또는 수은 (Hg, φ = 4.49 eV)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The conductive oxide layer and the metal electrode are formed of silver (Ag, φ = 4.26 eV), aluminum (Al, φ = 4.28 eV) having a work function lower than that of the conductive oxide indium tin oxide (ITO) (φ = 4.8 eV). ) or mercury (Hg, φ = 4.49 eV).
상기 금속 전극은, 상기 소수성 기능기가 결합된 상기 전도성 산화물 층의 표면에서, 극성 용매가 흡착되어 있는 영역에 접촉되어 있는 제1 금속 전극 및 극성 용매가 흡착되어 있지 않은 영역에 접촉되어 있는 제2 금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The metal electrode, on the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded, includes a first metal electrode in contact with a region to which a polar solvent is adsorbed and a second metal in contact with a region to which the polar solvent is not adsorbed. An energy generating device comprising an electrode.
상기 전도성 산화물 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 산화물을 적재하여 코팅되고, 상기 친수성 섬유 멤브레인에 적재되는 전도성 산화물의 양을 조절함에 따라 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The conductive oxide layer is coated by loading a conductive oxide on the hydrophilic fiber membrane, and the voltage and current of the generated electrical energy are controlled by controlling the amount of the conductive oxide loaded on the hydrophilic fiber membrane. Device.
상기 소수성 기능기는 불소계 소수성 기능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.According to claim 1,
The hydrophobic functional group energy generating device, characterized in that it comprises a fluorine-based hydrophobic functional group.
(a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계;
(b) 전도성 나노입자가 용매에 분산된 전도성 산화물 용액에 상기 친수성 섬유 멤브레인을 침지시켜 상기 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 산화물 층을 코팅하는 단계;
(c) 상기 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계; 및
(d) 상기 전도성 산화물 층의 표면에 소수성 기능기를 결합시키는 단계
를 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.A method for manufacturing an energy generating device, comprising:
(a) cutting the hydrophilic fibrous membrane to a designed size;
(b) coating the conductive oxide layer on the surface of individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane by immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive oxide solution in which conductive nanoparticles are dispersed in a solvent;
(c) drying the hydrophilic fibrous membrane coated with the conductive oxide layer; and
(d) bonding a hydrophobic functional group to the surface of the conductive oxide layer
A method of manufacturing an energy generating device comprising a.
상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 상기 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 접촉은 상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고,
상기 친수성 섬유 멤브레인에서 극성 용매가 접촉된 영역과 극성 용매가 접촉되지 않은 영역 사이의 전위 차이를 유도하여 전압을 발생시키고,
상기 전도성 산화물 층을 통해 이동하는 전자에 의해 전류를 발생시켜 지속적인 전기 에너지가 생성되는 것
을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
Contacting the polar solvent to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded forms an electric double layer on the surface of the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded,
generating a voltage by inducing a potential difference between a region in contact with a polar solvent and a region not in contact with a polar solvent in the hydrophilic fiber membrane;
A continuous electrical energy is generated by generating a current by electrons moving through the conductive oxide layer.
A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that.
상기 (b) 단계는,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 섬유 가닥에 초음파 분산기 (sonicator)를 사용하여 전도성 나노입자를 코팅하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14,
Step (b) is,
A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the fiber strands constituting the hydrophilic fiber membrane are coated with conductive nanoparticles using an ultrasonic disperser (sonicator).
상기 전도성 나노입자의 지름은 20 nm 내지 100 nm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14,
The method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the diameter of the conductive nanoparticles is included in the range of 20 nm to 100 nm.
상기 (c) 단계는,
상기 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 오븐안에서 건조하여 상기 친수성 섬유 멤브레인에 남아 있는 용매를 제거하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14,
The step (c) is,
and drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer in an oven to remove the solvent remaining in the hydrophilic fiber membrane.
상기 (d) 단계는,
-CF3, 말단기, -CH2, 말단기, 또는 물과 화학적으로 반응하지 않은 무극성 분자 중 적어도 하나를 갖는 물질을 상기 소수성 기능기로서 상기 전도성 산화물 층에 코팅하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
Step (d) is,
Energy generating device, characterized in that the conductive oxide layer is coated with a material having at least one of -CF 3 , a terminal group, —CH 2 , a terminal group, or a non-polar molecule that does not chemically react with water as the hydrophobic functional group. manufacturing method.
상기 (d) 단계는,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 산소 플라즈마 처리하는 단계; 및
상기 산소 플라즈마 처리된 친수성 섬유 멤브레인의 표면 상에 trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane 또는 무극성 기능기가 포함된 방수코팅 물질을 코팅하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
Step (d) is,
oxygen plasma treatment of the hydrophilic fiber membrane; and
trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane, trichloro(1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)silane, 1H,1H,2H,2H-perfluorododecyltrichlorosilane or Coating a waterproof coating material containing a non-polar functional group
A method of manufacturing an energy generating device comprising a.
상기 극성 용매는 극성 분자 및 이온을 함유한 용매를 포함하고,
상기 극성 용매가 포함하는 극성 분자 및 이온이 상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층에 비대칭적으로 흡착되어 전기 이중층이 형성되고,
전하적 중성도를 유지하기 위해 전자가 상기 전도성 산화물 층을 통하여 극성 용매가 흡착된 전도성 산화물 층에 연결된 금속 전극으로 지속적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
The polar solvent includes a solvent containing polar molecules and ions,
Polar molecules and ions contained in the polar solvent are asymmetrically adsorbed to the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded to form an electric double layer,
A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that electrons continuously move through the conductive oxide layer to a metal electrode connected to the conductive oxide layer to which the polar solvent is adsorbed in order to maintain charge neutrality.
상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하거나 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계
를 더 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
Laminating two or more hydrophilic fibrous membranes coated with a conductive oxide layer to which the hydrophobic functional groups are bonded, or connecting them in parallel or in series
A method of manufacturing an energy generating device further comprising a.
상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 산화물 용액에 침지 및 건조시키는 횟수를 조절하여 상기 전도성 산화물 층의 적재 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14,
The method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the loading amount of the conductive oxide layer is controlled by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is immersed in the conductive oxide solution and dried.
(e) 상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 양쪽 끝단에 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극을 연결하는 단계
를 더 포함하고,
상기 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 제1 금속 전극이 연결된 부분에 극성 용매가 흡착되고, 상기 제2 금속 전극이 연결된 부분이 극성 용매가 흡착되지 않는 극성 용매의 비대칭적인 흡착에 따라 직류 전력이 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조 방법.15. The method of claim 14,
(e) connecting the first metal electrode and the second metal electrode to both ends of the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded
further comprising,
In the hydrophilic fiber membrane, a polar solvent is adsorbed to the portion to which the first metal electrode is connected, and DC power is generated according to asymmetric adsorption of the polar solvent to which the polar solvent is not adsorbed to the portion to which the second metal electrode is connected. A method for manufacturing an energy generating device.
상기 소수성 기능기가 결합된 전도성 산화물 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 중량은 0.1 g 내지 1000 g의 범위에 포함되고,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 극성 용매 위에 띄어 놓거나 고정 프레임을 이용하여 상기 친수성 섬유 멤브레인을 극성 용매 안에 부분적으로 담궈 비대칭적으로 극성 용매와 흡착되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14,
The weight of the hydrophilic fibrous membrane coated with the conductive oxide layer to which the hydrophobic functional group is bonded is included in the range of 0.1 g to 1000 g,
A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the hydrophilic fibrous membrane is placed on a polar solvent or partially immersed in the polar solvent using a fixed frame to adsorb the polar solvent asymmetrically.
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) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.15. The method of claim 14,
The polar solvent is a polar protic solvent containing ions, (1) formic acid, n-butanol (n-butanol), isopropanol, n-propanol (n-propanol), ethanol (ethanol) ), methanol (methanol) and water (water) comprising a synthetic solution in which ions are dissolved in a polar protic solvent selected from, or (2) an energy generating device comprising a solution of at least one of seawater and sweat manufacturing method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200008488A KR102287473B1 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200008488A KR102287473B1 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20210094805A true KR20210094805A (en) | 2021-07-30 |
KR102287473B1 KR102287473B1 (en) | 2021-08-09 |
Family
ID=77148639
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020200008488A KR102287473B1 (en) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102287473B1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160052917A (en) * | 2014-10-29 | 2016-05-13 | 전자부품연구원 | Apparatus for energy converting using liquid droplet |
KR20190054893A (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | 한국과학기술원 | Carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based electrical energy generator and manufacturing method thereof |
KR20190054915A (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | 한국과학기술원 | Conductive polymer coated hydrophilic fiber membrane based large-area electrical energy generator and manufacturing method thereof |
-
2020
- 2020-01-22 KR KR1020200008488A patent/KR102287473B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160052917A (en) * | 2014-10-29 | 2016-05-13 | 전자부품연구원 | Apparatus for energy converting using liquid droplet |
KR20190054893A (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | 한국과학기술원 | Carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based electrical energy generator and manufacturing method thereof |
KR20190054915A (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-22 | 한국과학기술원 | Conductive polymer coated hydrophilic fiber membrane based large-area electrical energy generator and manufacturing method thereof |
Non-Patent Citations (2)
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.) * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102287473B1 (en) | 2021-08-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Huang et al. | High mass loading MnO2 with hierarchical nanostructures for supercapacitors | |
Li et al. | A high-performance flexible fibre-shaped electrochemical capacitor based on electrochemically reduced graphene oxide | |
JP2023087098A (en) | Porous interconnected wavy carbon-based network (iccn) composite material | |
KR102105762B1 (en) | Hydroscopic material incorporated carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based self-powered electrical energy generator and manufacturing method thereof | |
EP3907876A1 (en) | Mxene-coated hydrophilic fiber membrane-based complex generator and manufacturing method thereof | |
JP4971335B2 (en) | Electrochemical double layer capacitor using organosilicon electrolyte | |
EP3482819B1 (en) | Process for generating electrical energy based on hydrophilic fiber membrane | |
KR102172609B1 (en) | Conductive polymer coated hydrophilic fiber membrane based large-area electrical energy generator and manufacturing method thereof | |
KR102139866B1 (en) | Carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based electrical energy generator and manufacturing method thereof | |
Vijayakumar et al. | Conversion of Solar Energy into Electrical Energy Storage: Supercapacitor as an Ultrafast Energy‐Storage Device Made from Biodegradable Agar‐Agar as a Novel and Low‐Cost Carbon Precursor | |
Bae et al. | Flexible sodium‐ion supercapacitor based on polypyrrole/carbon electrode by use of harmless aqueous electrolyte for wearable devices | |
Kamarulazam et al. | Effect of electrode substrate and poly (acrylamide) hydrogel electrolytes on the electrochemical performance of supercapacitors | |
Ubale et al. | SILAR synthesized nanostructured ytterbium sulfide thin film electrodes for symmetric supercapacitors | |
KR102557318B1 (en) | Mxene layer coated hydrophilic fiber membrane based electrokineticic power generator and manufacturing method thereof | |
KR20200092293A (en) | Carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based electrical energy generator and manufacturing method thereof | |
KR102287473B1 (en) | Fluorinated hydrophobic conductive metal oxide coated hydrophilic fiber membrane and superhydrophobic electrode based electrical energy generator and manufacturing method for the electrical energy generator | |
US10872735B2 (en) | Supercapacitor of N—P doping porous graphene material in ionic liquid electrolyte and method for preparing thereof | |
CN111600507B (en) | Preparation method of wet gas power generation device based on titanium dioxide/silicon dioxide | |
CN111668525B (en) | Self-charging energy storage device | |
KR102292178B1 (en) | Electrical energy generator based on porous polymer | |
Chandrasekaran et al. | Electrochemical study on aqueous magnesium nitrate electrolyte system for EDLC applications | |
Tyutyundzhiev et al. | Graphene/Polyaniline flexible supercapacitors using non-metalic electrodes | |
JP2013046053A (en) | Electrode active material, method for preparing the same, and electrochemical capacitor including electrode using the same | |
KR102713196B1 (en) | Multilayer structure and manufacturing method thereof, electricity generating element comprising said multilayer structure and manufacturing method thereof | |
US20240097242A1 (en) | Moisture electric generator battery cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GRNT | Written decision to grant |