KR20220074167A - 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20220074167A
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Abstract

본 발명은 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극; 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 코팅되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 친수성 고분자; 를 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 마주하여 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것이고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인 섬유형 에너지 하베스터에 관한 것이다. 본 발명은 전도성 섬유 상에 고분자 전해질을 코팅하여 제조한 전극을 사용함으로써 습도에 민감하게 감응하는 효과가 있다.

Description

섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법{FIBROUS ENERGY HARVESTER COMPRISING DEBUNDLED CARBONNANOTUBE YARN AND METHOD OF PREPARING SAME}
본 발명은 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 습도에 민감하게 감응하는 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting, 또는 에너지 수확 등으로도 지칭 가능함)은 소정의 방법으로 외부의 에너지를 수집하고 이를 전기 에너지로 변환하는 방법이나 기술을 의미한다. 또한 에너지 하베스터(energy harverster)는 이와 같은 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 전자 또는 기계 장치를 의미한다. 예를 들어, 에너지 하베스터는 태양 에너지나 인체의 운동에너지 등을 장치의 특성에 따라서 대응하는 전기 에너지로 변환하여 이용 또는 축적할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 기술은 화석 연료의 연소나 원자력 발전 등을 이용하지 않고도 에너지를 확보 가능하기 때문에 친환경 에너지 기술로 각광 받고 있다. 또한 근래에 다양한 물리 현상들을 이용하는 에너지 하베스팅 기술이 소개되고 있다. 예를 들어, 물체의 온도 차를 이용하여 전기 에너지를 획득(열전 효과)하는 기술, 압전 소자에 진동을 가하여 전기적 에너지를 획득(압전 효과)하는 기술, 태양열을 이용하여 전기적 에너지를 획득하는 기술 및/또는 마찰에 의해 정전기가 발생됨을 이용하여 전기적 에너지를 획득(마찰 전기 효과(Triboelectric effect))하는 기술 등이 소개되고 있다.
또한 습도변화, 온도변화, 온도차이 관련된 에너지 하베스터가 개발되고 있으며, 그라핀옥사이드와 그라핀을 이용하여 습도 변화에 따른 에너지를 생성하는 필름형태의 하베스터를 만들어 부착형으로 활용하는 기술 등이 개발되었으나, 섬유형 에너지 하베스터의 개발은 아직 미미한 실정이다.
대한민국 특허공개공보 제10-2018-0013549호 대한민국 특허공개공보 제10-2020-0024255호
본 발명의 목적은 전도성 섬유 상에 고분자 전해질을 코팅하여 제조한 전극을 사용함으로써 습도에 민감하게 감응하는 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 웨어러블 산업에 활용 가능한 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극; 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 코팅되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 친수성 고분자; 를 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 마주하여 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것이고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인 섬유형 에너지 하베스터가 제공된다.
또한 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 얀은 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것일 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브 얀이 탄소나노튜브 포레스트로부터 만들어진 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 만든 꼬인 탄소나노튜브 얀(twisted carbon nanotube yarn) 또는 상기 꼬인 탄소나노튜브 얀을 풀어서 만든 꼬이지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted carbon nanotube yarn)인 것일 수 있다.
또한 상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고, 상기 금속은 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 섬유는 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리나일론, 탄성중합체(elastomer), 그래핀, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 금속이 은을 포함하고, 상기 섬유는 폴리아미드를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 고분자 전해질 및 제2 고분자 전해질이 각각 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA, (Poly(diallyldimethylammonium Chloride)), 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS, (Poly (sodium 4- styrenesulfonate)), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리비닐알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 친수성 고분자가 물을 흡수하여 하이드로겔(hydrogel)을 형성할 수 있다.
또한 상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
또한 상기 섬유형 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 섬유형 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 섬유형 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자가 제공된다.
또한 상기 웨어러블 전자소자가 습도를 감지하는 습도센서일 수 있다.
또한 상기 웨어러블 전자소자가 들숨과 날숨을 감지하는 호흡센서일 수 있다.
또한 상기 웨어러블 전자소자가 마스크에 부착되어 사용되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계; (b) 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극을 제조하는 단계; (c) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 전기적으로 절연하는 친수성 고분자를 코팅하는 단계; 및 (d) 1종 이상이 친수성 고분자로 코팅된 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로 마주하여 꼬거나(twisting), 꼬지 않은(non-twisting) 섬유형 에너지 하베스터를 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인, 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀이고,
단계 (a) 이전에, (1) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계; 및 (2) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아(twisting) 탄소나노튜브 얀(yarn)을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 도전사이고, 상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고,
단계 (a) 이전에, (1') 상기 섬유를 제공하는 단계; 및 (2') 상기 섬유 상에 금속을 코팅하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 전도성 섬유 상에 고분자 전해질을 코팅하여 제조한 전극을 사용함으로써 습도에 민감하게 감응하는 효과가 있다.
또한 본 발명의 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법은 웨어러블 산업에 활용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유형 에너지 하베스터의 전자가 이동하는 모습을 나타내는 모식도이다.
도 2는 전도성 섬유 상에 고분자 전해질을 코팅하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 1종 이상이 친수성 고분자로 코팅된 제1 전극 및 제2 전극을 꼬아(twisting) 섬유형 에너지 하베스터를 제조하는 모습을 보여주는 이미지이다.
도 4는 실시예 2에 따른 하베스터의 상대습도 20% 환경에서 입김을 통해 상대습도를 높였을 때 발생하는 전압을 측정한 결과이다.
도 5는 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 20% 환경에서 입김을 통해 상대 습도를 높였을 때 발생하는 전압을 측정한 결과이다.
도 6은 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 변화량에 따른 생산 전압을 측정한 결과이다.
도 7은 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 50% 환경에서 날숨을 이용하여 반복함에 따라 발생하는 전압을 측정한 결과이다.
도 8은 실시예 1에 따른 하베스터의 사람의 들숨과 날숨을 통해 생산되는 전류를 측정한 결과이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 섬유형 에너지 하베스터 및 그의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극; 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 코팅되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 친수성 고분자; 를 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 마주하여 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것이고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인 섬유형 에너지 하베스터를 제공한다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 서로 마주하여 꼬인(twisted) 것은 도 3과 같이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 꼬아 만든 하이브리드 형태일 수 있고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 서로 마주하여 꼬이지 않은(non-twisted) 것은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 꼬지 않고, 각각 평행하게 위치시킨 형태일 수 있다.
상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 얀은 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 얀이 탄소나노튜브 포레스트로부터 만들어진 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 만든 꼰 탄소나노튜브 얀(twisted carbon nanotube yarn) 또는 상기 꼰 탄소나노튜브 얀을 풀어서 만든 꼬지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted carbon nanotube yarn)인 것일 수 있다.
상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고, 상기 금속은 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 은을 포함하고, 상기 섬유는 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리나일론, 탄성중합체(elastomer), 그래핀, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 폴리아미드를 포함할 수 있다. 그러나 상기 섬유는 선형 와이어 등과 같이 다양한 섬유 형태의 소재라면 이에 한정되지 않고 사용할 수 있다.
상기 제1 고분자 전해질 및 제2 고분자 전해질이 각각 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA, (Poly(diallyldimethylammonium Chloride)), 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS, (Poly (sodium 4- styrenesulfonate)), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA, (Poly(diallyldimethylammonium Chloride)) 또는 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS, (Poly (sodium 4- styrenesulfonate))을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리비닐알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 친수성 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
상기 친수성 고분자는 수분을 흡수하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 쇼트를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 친수성 고분자가 물을 흡수하여 하이드로겔(hydrogel)을 형성할 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유형 에너지 하베스터의 전자가 이동하는 모습을 나타내는 모식도이다. 도 1을 참조하면, 전해질 내에서 상기 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA)는 + 극성을 가지고, 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS)는 - 극성을 가진다. 전도성 섬유를 고분자 전해질 용액에 담그면 전해질 내의 양이온은 PSS로 음이온은 PDDA로 붙게 된다. 이때 상기 PDDA는 Cl-이온을 포함하고, 상기 PSS는 Na+ 이온을 포함한다. 이와 같이 전도성 섬유(탄소나노튜브 얀) 상에 코팅된 PDDA+/Cl- 및 PSS-/Na+는 상대습도에 민감하고, 공기 중의 수분을 흡수할 수 있다. 따라서 상대습도가 변화함에 따라 고분자 전해질(polyelectrolyte)의 농도가 바뀌게 되고, 고분자 전해질의 농도가 바뀌는 것은 전도성 섬유(탄소나노튜브 얀) 표면에 코팅된 이온의 농도가 바뀌는 것을 의미한다. 고분자 전해질(polyelectrolyte)의 농도 변화는 전도성 섬유(탄소나노튜브 얀) 표면에 형성되어 있는 전자(이온)의 양에 변화를 일으키게 되고 즉 전위를 발생시켜 전기에너지가 생성된다. 구체적으로 고분자 전해질인 PDDA(붉은색) 및 PSS(초록색)가 수분을 흡수하게 되면 전도성 섬유(파란색) 표면에 형성된 이온의 농도가 낮아지고, 탄소나노튜브 얀과 PDDA 또는 PSS가 포함하고 있던 이온들이 이루고 있던 표면에 형성된 표면에너지의 평형이 깨지면 전자가 이동하게 된다.
상기 섬유형 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 섬유형 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 섬유형 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자를 제공한다.
상기 웨어러블 전자소자가 습도를 감지하는 습도센서일 수 있다.
상기 웨어러블 전자소자가 들숨과 날숨을 감지하는 호흡센서일 수 있다.
상기 웨어러블 전자소자가 마스크에 부착되어 사용되는 것일 수 있다.
상기 웨어러블 전자소자를 마스크에 부착하여 사용한다면 사람의 들숨과 날숨으로부터 에너지를 생성할 수 있다. 참고로 사람의 들숨과 날숨은 습도차이가 발생하며 들숨은 주변의 습도이고 날숨은 약 99%에 가까운 습도를 가진다. 또한 상기 섬유형 에너지 하베스터는 습도에 민감하게 감응하여 센서로도 활용할 수 있고, 구체적으로는 신생아의 호흡센서로 활용가능하다.
또한 본 발명은 (a) 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계; (b) 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극을 제조하는 단계; (c) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 전기적으로 절연하는 친수성 고분자를 코팅하는 단계; 및 (d) 1종 이상이 친수성 고분자로 코팅된 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로 마주하여 꼬거나(twisting), 꼬지 않은(non-twisting) 섬유형 에너지 하베스터를 제조하는 단계; 를 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인, 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀이고,
단계 (a) 이전에, (1) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계; 및 (2) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아(twisting) 탄소나노튜브 얀(yarn)을 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 얀은 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 얀이 탄소나노튜브 포레스트로부터 만들어진 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 만든 꼬인 탄소나노튜브 얀(twisted carbon nanotube yarn) 또는 상기 꼬인 탄소나노튜브 얀을 풀어서 만든 꼬이지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted carbon nanotube yarn)인 것일 수 있다.
상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 도전사이고, 상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고,
단계 (a) 이전에, (1') 상기 섬유를 제공하는 단계; 및 (2') 상기 섬유 상에 금속을 코팅하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 전도성 섬유 상에 고분자 전해질을 코팅하는 방법을 나타내는 모식도이고, 도 2와 같이 단계 (a) 및 단계 (b)를 수행할 수 있다.
도 3은 1종 이상이 친수성 고분자로 코팅된 상기 제1 전극 및 제2 전극을 꼬아(twisting) 섬유형 에너지 하베스터를 제조하는 모습을 보여주는 이미지이고, 도 3과 같이 단계 (d)를 수행할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 탄소나노튜브 얀을 포함하는 섬유형 에너지 하베스터의 제조
먼저 다중벽 탄소나노튜브 포레스트(spinnable MWNT forest)부터 다중벽 탄소나노튜브 시트(MWNT sheet)를 뽑고(시트 밀도 1.7 ug/cm2), 상기 다중벽 탄소나노튜브 시트를 3겹 겹치고 겹친 다중벽탄소나노튜브 시트의 한쪽 끝을 모아 5g의 무게추를 달고 분당 120번 정도의 속도로 5분간 꼬아 꼬인 탄소나노튜브 얀(twisted CNT yarn)을 제조하였다. 이어서, 상기 꼬인 탄소나노튜브 얀(twisted CNT yarn)의 한쪽 끝에 5g을 달아 꼬인 것을 자연적으로 다 풀어서 꼬이지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted CNT yarn)을 제조하여 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유로 사용하였다.
상기 제1 전도성 섬유를 제1 고분자 전해질인 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA, Aldrich) 용액에 약 10분간 넣어둔 후(도 2 참조), 꺼내 건조하여 상기 제1 전도성 섬유 상에 상기 제1 고분자 전해질이 코팅된 제1 전극을 제조하였다.
이어서 상기 제2 전도성 섬유를 제2 고분자 전해질인 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS, Aldrich) 용액에 약 10분간 넣어둔 후(도 2 참조), 꺼내 건조하여 상기 제2 전도성 섬유 상에 상기 제2 고분자 전해질이 코팅된 제2 전극을 제조하였다.
다음으로 상기 제1 전극을 친수성 폴리우레탄(advansource biomaterials, D4)을 에탄올에 5wt%로 녹이고 이를 상기 제1 전극의 길이방향으로 드랍핑하여 표면을 코팅하여 친수성 폴리우레탄으로 코팅된 제1 전극을 제조하였다. 이때, 제1 전극이 아닌 제2 전극을 친수성 폴리우레탄으로 코팅해도 되며, 제1 전극 및 제2 전극 모두 친수성 폴리우레탄으로 코팅해도 된다.
다음으로 상기 친수성 폴리우레탄으로 코팅된 제1 전극 및 상기 제2 전극을 도 3과 같이 서로 마주하고 꼬고(twisting), 상온에서 건조하여 섬유형 에너지 하베스터를 제조하였다. 이때 상기 제1 전극을 작업전극(W.E), 상기 제2 전극을 상대전극 (C.E.)에 연결하여 사용하였다.
실시예 2: 나일론 섬유를 포함하는 섬유형 에너지 하베스터의 제조
실시예 1에서 꼬이지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted CNT yarn)을 제조하여 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유로 사용하는 대신에 은이 코팅된 나일론 섬유(직경: 약 200μm)를 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유형 에너지 하베스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 상대습도에 따른 전압변화
도 4는 실시예 2에 따른 하베스터의 상대습도 20% 환경에서 입김을 통해 상대습도를 높였을 때 발생하는 전압을 측정한 결과이고, 도 5는 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 20% 환경에서 입김을 통해 상대 습도를 높였을 때 발생하는 전압을 측정한 결과이고, 도 6은 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 변화량에 따른 생산 전압을 측정한 결과이다. 또한 도 7은 실시예 1에 따른 하베스터의 상대습도 50% 환경에서 날숨을 이용하여 반복함에 따라 발생하는 전압을 측정한 결과이고, 도 8은 실시예 1에 따른 하베스터의 사람의 들숨과 날숨을 통해 생산되는 전류를 측정한 결과이다.
도 4 및 5에 따르면, 입김을 통해 갑자기 상대습도를 99%까지 높였을 때, 전압이 발생했으며, 이는 본 발명의 섬유형 에너지 하베스터가 습도에 민감하게 반응하는 것을 의미한다. 또한 나일론 섬유를 포함하는 실시예 2보다 탄소나노튜브를 포함하는 실시예 1의 하베스터가 높은 전압을 발생시키는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 6 및 7에 따르면, 실시예 1에 따른 섬유형 에너지 하베스터는 상대습도가 변화함에 따라 발생하는 전압도 비례하여 변화하였고, 날숨을 반복하여 습도를 변화시킬 때마다 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 8에 따르면, 본 발명에 따른 섬유형 에너지 하베스터는 습도감응형 에너지 하베스터 뿐만 아니라, 외부 전압 필요없이 사람의 호흡을 인지하는 센서로도 활용이 가능함을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극;
    제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 코팅되고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연하는 친수성 고분자; 를 포함하고,
    상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 마주하여 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것이고,
    상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인 섬유형 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 얀은 꼬이거나(twisted) 꼬이지 않은(non-twisted) 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 얀이 탄소나노튜브 포레스트로부터 만들어진 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 만든 꼬인 탄소나노튜브 얀(twisted carbon nanotube yarn) 또는 상기 꼬인 탄소나노튜브 얀을 풀어서 만든 꼬이지 않은 탄소나노튜브 얀(non-twisted carbon nanotube yarn)인 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고,
    상기 금속은 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 니켈, 인듐, 알루미늄, 철, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 코발트, 몰리브덴, 아연, 바나듐, 텅스텐, 티탄, 망간, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 섬유는 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리나일론, 탄성중합체(elastomer), 그래핀, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속이 은을 포함하고, 상기 섬유는 폴리아미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 전해질 및 제2 고분자 전해질이 각각 폴리디알릴 디메틸 암모늄 클로라이드 (PDDA, (Poly(diallyldimethylammonium Chloride)), 폴리소듐 4-스티렌설포네이트 (PSS, (Poly (sodium 4- styrenesulfonate)), 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 고분자가 친수성 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리비닐알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 친수성 고분자가 물을 흡수하여 하이드로겔(hydrogel)을 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nanotube, MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 에너지 하베스터가 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유형 에너지 하베스터는 산화 환원 반응(redox reaction)이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터.
  13. 제1항에 따른 섬유형 에너지 하베스터를 포함하는 웨어러블 전자소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 웨어러블 전자소자가 습도를 감지하는 습도센서인 것을 특징으로 하는 웨어러블 전자소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 웨어러블 전자소자가 들숨과 날숨을 감지하는 호흡센서인 것을 특징으로 하는 웨어러블 전자소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 웨어러블 전자소자가 마스크에 부착되어 사용되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 전자소자.
  17. (a) 제1 전도성 섬유 및 제1 고분자 전해질을 포함하는 제1 전극을 제조하는 단계;
    (b) 제2 전도성 섬유 및 제2 고분자 전해질을 포함하는 제2 전극을 제조하는 단계;
    (c) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전극 상에 전기적으로 절연하는 친수성 고분자를 코팅하는 단계; 및
    (d) 1종 이상이 친수성 고분자로 코팅된 상기 제1 전극 및 제2 전극을 서로 마주하여 꼬거나(twisting), 꼬지 않은(non-twisting) 섬유형 에너지 하베스터를 제조하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1 고분자 전해질은 상기 제1 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제1 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 제2 고분자 전해질은 상기 제2 전도성 섬유 상에 코팅된 고분자 전해질 및 상기 제2 전도성 섬유 내부에 함침된 고분자 전해질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 제1 고분자 전해질은 상기 제2 고분자 전해질과 서로 다른 종류의 것인, 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀 및 도전사로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 각각 탄소나노튜브 얀이고,
    단계 (a) 이전에,
    (1) 탄소나노튜브 포레스트(forest)로부터 탄소나노튜브 시트를 뽑는(drawing) 단계; 및
    (2) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아(twisting) 탄소나노튜브 얀(yarn)을 제조하는 단계; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유가 각각 도전사이고,
    상기 도전사는 금속이 코팅된 섬유이고,
    단계 (a) 이전에,
    (1') 상기 섬유를 제공하는 단계; 및
    (2') 상기 섬유 상에 금속을 코팅하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 에너지 하베스터의 제조방법.
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