KR20220159572A - 광축전지 파이버, 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells (SF-OSCs))와 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitor (SF-SCs))를 적층한 후 파이버 형태로 캡슐화한 광축전지 파이버 및 모듈에 관한 것이다. 상기 광축전지 파이버의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다: 대면적 F-OSCs를 제조하는 단계; 대면적 F-SCs를 제조하는 단계; 상기 F-OSCs 및 F-SCs를 각각 절단하여 SF-OSCs 및 SF-SCs를 제조하는 단계; 및 1개 이상의 SF-OSC 및 1개 이상의 SF-SCs를 적층하고 캡슐화하는 단계.
Description
본 발명은 웨어러블한 기기에 적용될 수 있는 전력 공급원으로서, 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs)) 및 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 포함하는 광축전지 파이버, 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스마트폰, 스마트워치 및 의료센서 등과 같은 웨어러블 스마트 전자 기기는 지속가능한 자가 충전 전력 공급원의 결여로 인한 작동 수명의 한계라는 제약 때문에 보급 및 유행에 차질이 생긴다.
이에 연구자들은 유연성 에너지 생성 소자(flexible energy-harvesting devices)로서, 고효율의 유연성 PV 셀(photovoltaic cells), 예를 들면 친환경적인 염료 감응성 태양전지, 페롭스카이 태양전지 및 유기 태양전지(organic solar cells (OSCs))를 개발하고 있다. 염료 감응성 및 패롭스카이 태양전지와 비교할 때 OSCs는 유연성 및 극심한 기계적 변형 또는 왜곡의 상황에서도 높은 광전효율(PCE, Power Conversion Efficiency)의 유지를 나타낸다.
이것은 이들이 깨지지 않는 물성을 갖는 유기 고분자를 바탕으로 하기 때문이다. 또한, OSCs는 저비용, 인쇄가능성, 재생산성 및 가벼움으로 인해 미래의 웨어러블한 직물에의 응용이 기대된다.
그러나, 통상적인 필름 기반의 OSCs는 필름의 직각 방향으로만 유연성을 보이며, 웨어러블 기기에의 적용을 위한 직조 공정에 적합하지 않다. 다양한 제조 기술 및 구조적인 디자인을 위하여 기존의 필름 기반의 소자 y축을 스케일 다운함으로써 유연성 OSCs는 2D(필름)에서 1D(스트립)으로의 전환이 가능하다. 따라서 직조 공정에 완벽하게 부합되는 1D 스트립 형태가 수득될 수 있다.
스트립 형태의 OSCs는 평면 OSCs와 비교할 때 매우 높은 기계적 유연성과 같은 고유의 장점을 가지며, 이는 이들이 인간의 신체와 같은 임의의 형태로 변형될 수 있다는 것을 의미한다. 나아가, 직조 공정 후에 상대적으로 그늘지게 되는 활성 영역이 평면 형태의 구조와 비교할 때 스트립 형태의 구조에서 적다.
한편, 유연성 슈퍼커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs))는 빠른 충방전, 탁월한 수명, 높은 전력 밀도 및 인쇄 적응성과 같은 그들 특유의 특성으로 인하여, 미래지향의 스마트 기기에서 에너지 저장 시스템으로 사용되어 왔다.
스트립 형태의 SCs에서, 와이어 또는 스트립 형태를 갖는 높은 전도성의 집전체(current collector)는 빠른 전하 이동에서 결정적인 역할을 한다. 또한 고용량 및 큰 고유 비표면적을 갖는 활성전극 재료는 전도성 집전소자 위로 바로 인쇄될 수 있고, 따라서 본질적으로 모든 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.
OSCs 및 SCs는 구조, 작동 원리 및 메카니즘에서 완전히 구분되고, 따라서 웨어러블한 전자 기기에의 적용을 위해 하나의 시스템에 이들 두 소자를 통합하는 것은 매우 어려운 기술이다. 그러나, 에너지-생성 및 에너지 저장 소자를 하나의 시스템으로 통합하는 것에는 시너지 효과가 있다. 이때 에너지 생성을 최대로 하기 위하여 자가 충전 시스템 내에서 OSCs 모듈은 외부로 노출되는 반면 SCs 모듈은 감춰지게 하는 것이 바람직하다.
유연성 OSCs 및 SCs의 성능은 광전자적 특성 즉, 사용되는 유연성 투명 전도성 전극(flexible transparent conductive electrode (TCE))의 면저항(sheet resistance (Rsheet)) 및 광투과율(optical transmittance(T))에 매우 의존한다. 전도성 고분자 전극은 OSCs에 가장 통상적으로 사용되는 유연성 TCEs의 일종이다. 이러한 재료는 또한 SCs 내에서 전기이중층 커패시터(electric double layer capacitor)의 전극활물질(active electrode)으로도 많이 사용된다.
PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate))와 같은 전도성 고분자는 높은 광투과성, 전기 전도성, 기계적 내구성, 전기화학적 성능 및 롤-투-롤(roll-to-roll (R2R)) 공정에의 적합성으로 인하여 매력적이다.
PEDOT:PSS TCEs의 광전 특성은 금속 전극과 결합됨으로써 더 향상될 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이는 OSCs, 유기 발광 다이오드 및 나아가 SCs와 같은 유기 소자에서 우수한 성능을 나타낸다. 즉, Ag 금속전극이 기판 내부에 매립되어 있는 형태의 PEDOT:PSS/Ag 하이브리드 전극은 PEDOT:PSS 보다 우수한 전기전도성을 가지므로, 스트립형태의 소자 성능을 극대화 할 수 있다.
그러므로 고성능의 스트립 형태의 OSCs, SCs 및 그로부터 광축전지 파이버 및 모듈을 제조하기 위하여 스트립 형태의 매립형 하이브리드전극을 사용하는 것을 연구했고, 이로부터 스마트 기기에 사용될 수 있는 전력 공급원을 개발하고자 하였다.
본 발명은 직물 내로 직조될 수 있는 파이버 형태로서 적용성이 우수하며, 스마트 기기에 사용되기에 충분한 전력을 제공할 수 있는 광축전지 파이버 및 모듈, 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs))와 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 적층한 후 파이버 형태로 캡슐화한 광축전지 파이버를 제공한다.
바람직하게, 상기 SF-OSCs 및 SF-SCs은 매립형 하이브리드전극 포함한다.
바람직하게, 상기 매립형 하이브리드전극은 전도성 고분자층 상에 형성된 금속배선이 유연성 기판 내에 함몰되어 있는 구조이다.
바람직하게, 상기 금속배선은 은(Ag), 은나노와이어(Ag nanowire), 구리(Cu), 구리 나노와이어(Cu nanowire), 알루미늄(Al), 금(Au), 금 나노와이어(Au nanowire) 백금(Pt), 백금 나노와이어(Pt nanowire), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 금속합금으로부터 형성된다.
바람직하게, 상기 전도성 고분자층은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 또는 이들의 혼합물로부터 형성된다.
바람직하게, 상기 유연성 기판은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어진 군에서 선택된다.
바람직하게, 상기 SF-OSCs은 대면적 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells(F-OSCs)를 절단함으로써 제조되는 것이고, 상기 SF-SCs은 대면적 유연성 슈퍼커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs)를 절단함으로써 제조되는 것이다.
바람직하게, 상기 F-OSCs는 매립형 하이브리드전극, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2전극이 적층되어 있는 구조이고, 상기 F-SCs는 겔 전해질 및 분리막을 사이에 두고 양면으로 전극활물질 및 매립형 하이브리드전극이 적층되어 있는 구조이다.
바람직하게, 상기 전자수송층은 징크옥사이드(ZnO), 티타늄다이옥사이드(TiO2), 틴옥사이드(tin oxide (SnO)), 틴다이옥사이드(tin dioxide (SnO2)), 인듐옥사이드(indium oxide (In2O3)), 세슘카보네이트(cesium carbonate (Cs2CO3)) 또는 이들의 혼합물로부터 형성된다.
바람직하게, 상기 유기 광활성층은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene) 또는 이들의 혼합물의 도너 물질; 또는 PTB7-Th (Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl) benzo[1,2-b;3,3-b] dithiophene] {3-fluoro-2[(2-thylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl})), PC71BM ([6,6] -phenyl-C71 -butyric acid methyl ester), PC60BM, PC61BM, PC70BM, perylene, PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole), Dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole (DPP) 또는 이들의 혼합물의 억셉터 물질로부터 형성되는 것이다.
바람직하게, 상기 정공수송층은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자; 및 텅스텐옥사이드(WOx), 몰리브덴옥사이드(MoOx), 바나듐펜톡사이드(V2O5), 니켈옥사이드(NiOx), 크롬옥사이드(CrOx) 및 이들의 혼합물과 같은 반도체 물질로 이루어진 그룹에서 선택되는 것으로부터 형성된다.
바람직하게, 상기 제2전극은 Ag, Ni, Au 또는 Co와 같은 금속으로부터 제조될 수 있다.
바람직하게, 상기 전극활물질은 다공성 탄소(porous carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxides), 그래핀(graphene)과 같은 전기이중층 커패시터 유형의 활성 탄소(electric double layer capacitive type activated carbon); 루테늄옥사이드(RuO2), 산화질소(NiOx), 망간옥사이드(MnO2), 바나듐옥사이드(VOx), 티타늄옥사이드(TiO2), 코발트옥사이드(Co2O3), 산화은(Ag2O), 몰리브덴카바이드(MoCx), 몰리브덴질화물(MO2N), 텅스텐카바이드(WCx), 텅스텐질화물(WNx), 산화철(Fe2O3), 몰리브덴황화물(MoSx)과 같은 유사 커패시터 유형의 전이금속옥사이드(pseudocapacitive type transition metal oxide)류; 및 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함한다.
바람직하게, 상기 분리막은 셀룰로오스, 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 폴리비닐리덴 디플로라이드(polyvinylidene difluoride (PVDF)), 폴리에틸렌(polyethylene (PE)), 폴리이미드(polyimide (PI)) 또는 투석막(dialysis membrane)으로부터 제조될 수 있다.
바람직하게, 상기 겔 전해질은 폴리비닐알콜(polyvinyle alcohol (PVA)), 폴리(비닐리덴플로라이드)(poly(vinylidene fluoride) (PVDF)), 폴리(비닐리덴플로라이드)헥사플루오로포스페이트((poly(vinylidene fluoride) hexaflourophosphate (PVDF-HFP)), 폴리(에틸렌옥사이드)(poly(ethylene oxide) (PEO)), 폴리(아크릴로니트릴)(poly(acrylonitrile) (PAN)), 및 폴리(메틸메타크릴레이트)(poly(methyl methacrylate) (PMMA)), 에폭시 유도체(epoxy derivatives), 실리콘 유도체(silicone derivative)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 폴리머 네트워크 및
상기 폴리머 네트워크 내에 용해되어 있는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyle)imide (LiTFSI)), 리튬 헥사플루오로포스페이트(Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)), 리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate (LiClO4)) 및 리튬 클로라이드(Lithium chloride (LiCl))로 이루어지는 그룹에서 선택되는 염 또는
염화수소(HCl), 브롬화수소(HBr), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 및 요오드화수소산(HI)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 강산; 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(lithium hydroxide (LiOH)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강염기 및 염화나트륨(NaCl), 브롬화칼륨(KBr) 및 염화망간(MgCl)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 염을 포함하는 것이다.
바람직하게, 상기 광축전지 파이버는 1개 이상의 SF-OSCs 및 1개 이상의 SF-SCs가 적층되어 있으며, 캡슐화되어 있다.
본 발명은 상기 광축전지 파이버를 포함하여 직조된 직물을 제공한다.
본 발명은 상기 광축전지 파이버 다수 개를 연결하여 이루어지는 광축전지 파이버 모듈을 제공한다.
본 발명은 상기 광축전지 파이버 모듈을 전력 공급원으로 사용하는 스마트 기기를 제공한다.
본 발명은 하기 단계를 포함하는 광축전지 파이버의 제조방법을 제공한다:
대면적 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells(F-OSCs))을 제조하는 단계; 대면적 유연성 슈퍼 커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs)를 제조하는 단계; 상기 대면적 F-OSCs 및 F-SCs를 각각 절단하여 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs) 및 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 제조하는 단계; 및 1개 이상의 상기 SF-OSC와 1개 이상의 상기 SF-SCs를 적층하여 캡슐화하는 단계.
바람직하게, 상기 F-OSCs를 제조하는 단계에서는 매립형 하이브리드전극, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2전극을 적층하고; 상기 F-SCs를 제조하는 단계에서는 겔 전해질 및 분리막을 사이에 두고 양면으로 전극활물질 및 매립형 하이브리드전극을 적층한다.
바람직하게, 상기 절단에는 가위(scissor), 메스(scalpel), 또는 레이저 절단(laser cutting)의 방법을 사용한다.
바람직하게, 상기 캡슐화에는 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 사용한다.
본 발명에 의하면, 대면적 F-OSCs 및 F-SCs를 절단하여 SF-OSCs 및 SF-SCs를 얻는 과정에서 소자에 손상이나 기능적인 면에서의 성능저하가 발생하지 않으며, 상기 절단에 의해 얻어지는 SF-OSCs와 SF-SCs를 포함하는 광축전지 파이버는 직물 내로 직조될 수 있고 웨어러블 스마트 전자 기기의 휴대용 전력 공급원으로 사용되기에 적합하다. 즉, 본 발명의 광축전지 파이버 및 모듈은 높은 직조성을 가지며(highly tailorable) 기계적 물성이 강하다(mechanically robust). 따라서 본 발명에 의하면 미래의 웨어러블 기기의 자가 지속가능한(self-sustainable) 전력 공급원이 제공될 수 있다.
도 1은 F-OSCs 및 SF-OSCs의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 2는 F-OSCs의 평면도이다.
도 3은 F-OSCs 및 SF-OSCs의 광전효율(PCE, Power Conversion Efficiency)을 나타낸 것이다.
도 4는 F-SCs 및 SF-SCs의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 5는 F-SCs 및 SF-SCs의 전류 밀도의 함수로 나타낸 면적 용량(Areal capacitance)이다.
도 6은 본 발명의 광축전지 파이버 모듈의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 광축전지 파이버 모듈의 광변환 및 저장 효율을 나타낸 것이다.
도 8은 발광 녹색 및 적색 LED가 장착된 광축전지 파이버 모듈의 실제 적용 모습을 도시한 것이다.
도 2는 F-OSCs의 평면도이다.
도 3은 F-OSCs 및 SF-OSCs의 광전효율(PCE, Power Conversion Efficiency)을 나타낸 것이다.
도 4는 F-SCs 및 SF-SCs의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 5는 F-SCs 및 SF-SCs의 전류 밀도의 함수로 나타낸 면적 용량(Areal capacitance)이다.
도 6은 본 발명의 광축전지 파이버 모듈의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 광축전지 파이버 모듈의 광변환 및 저장 효율을 나타낸 것이다.
도 8은 발광 녹색 및 적색 LED가 장착된 광축전지 파이버 모듈의 실제 적용 모습을 도시한 것이다.
본 발명은 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs) 및 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 포함하는 광축전지 파이버에 관한 것이다.
상기 광축전지 파이버는 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs))와 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 적층한 후 파이버 형태로 캡슐화되어 있는 구조이다. 보다 구체적으로 본 발명의 광축전지 파이버는 1개 이상의 SF-OSCs와 1개 이상의 SF-SCs를 적층하고 캡슐화하여 제조되는 파이버 형태이다.
또한 본 발명은 이차적 전력 공급원으로서 충분한 출력을 위하여 상기 광축전지 파이버를 다수 개 연결시킨 광축전지 파이버 모듈을 제공한다.
본 발명의 광축전지 파이버 및 모듈의 제조에 사용되는 SF-OSCs 및 SF-SCs는 매립형 하이브리드전극을 포함한다. 상기 매립형 하이브리드전극은 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 단면 구조를 갖는 긴 스트립 형태의 전극으로서 금속배선(2)이 유연성 기판(1) 내에 함몰되어 있는 구조이다. 상기 금속배선의 형성에는 인쇄 방법을 사용한다. 또한 상기 유연성 기판은 일 실시예로 폴리우레탄(polyurethane)이다.
상기 SF-OSCs는 매립형 하이브리드전극을 사용하여 제조되는 대면적 유연성 유기 태양전지(large-area flexible organic solar cells (F-OSCs))를 메스 등으로 위에서 아래 방향으로 절단함으로써 제조된다. 또한 상기 SF-SCs는 매립형 하이브리드전극을 사용하여 제조되는 대면적 유연성 슈퍼커패시터(large-area flexible supercapacitors(F-SCs))를 메스 등으로 위에서 아래 방향으로 절단함으로써 제조된다.
상기 F-OSCs 내에는 도 1에 도시된 바와 같이, 하부 전극으로 사용되는 매립형 하이브리드전극(4), [전자수송층, 유기 광활성(광 흡수)층, 정공수송층](5) 및 제2전극(6)이 적층되어 있다. 이와 유사하게, 상기 F-SCs 내에는 도 4에 도시된 바와 같이, 집전체로 사용되는 매립형 하이브리드전극(4), 전극활물질(9) 및 겔 전해질(10)을 포함하는 분리막(11)이 적층되어 있다.
본 발명의 제조방법에 의하면, 대면적 F-OSCs 및 F-SCs를 절단하는 과정에서 소자 또는 전극에 어떠한 손상도 발생하지 않는다. 또한 결과적으로 얻어지는 본 발명의 광축전지 파이버 및 모듈은 의복으로 직조될 수 있고, 웨어러블 전자기기의 휴대용 전력 공급원으로 사용될 수 있다.
그러므로 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 광축전지 파이버의 제조방법을 제공한다:
대면적 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells(F-OSCs))을 제조하는 단계;
대면적 유연성 슈퍼 커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs)를 제조하는 단계;
상기 대면적 F-OSCs 및 F-SCs를 각각 절단하여 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs) 및 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitor(SF-SCs))를 제조하는 단계; 및
1개 이상의 상기 SF-OSC와 1개 이상의 상기 SF-SCs를 적층하고 캡슐화하는 단계.
도 1 및 도 4에서 매립형 하이브리드전극(4)을 형성하는 금속배선(2)은 은(Ag), 은나노와이어(Ag nanowire), 구리(Cu), 구리 나노와이어(Cu nanowire), 알루미늄(Al), 금(Au), 금 나노와이어(Au nanowire) 백금(Pt), 백금 나노와이어(Pt nanowire), 티타늄(Ti), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 금속합금을 코팅하여 형성된다.
금속배선의 형성을 위해서는 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 그라비아 오프셋, 에어로졸 프린팅, 스크린 프린팅, 전기도금, 진공증착 또는 포토리소그래피 공정 등 공지의 방법 중에서 적절히 선택될 수 있다. 이때, 형성되는 선형 패턴의 폭은 0.01 mm 내지 5 mm이고, 금속배선의 폭은 0.5 μm 내지 1000 μm이다. 금속배선의 폭이 0.5㎛ 미만인 경우에는 미세 패턴 형성을 위한 복잡한 공정이 요구되며 또한 금속배선의 저항이 증가하는 문제가 있으며, 1000㎛를 초과하는 경우에는 투과율이 저하되는 문제가 있다.
매립형 하이브리드전극 내의 전도성 고분자층(3)은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것으로부터 형성된다.
매립형 하이브리드전극의 기판(1)은 NOA 63 또는 NOA71과 같은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어진 군에서 선택된다. 이러한 기판은 유연성 소재로서 하기 실시예에서와 같이 그 안에 금속배선이 함몰되어 있는 구조로 제작된다.
상기 매립형 하이브리드전극은 SF-OSCs에서는 하부 전극으로, SF-SC에서는 집전체(current collector)로 사용된다.
상기 SF-OSCs의 제조를 위한 대면적의 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells (F-OSCs)) 내에는, 도 1에 도시된 바와 같이 매립형 하이브리드전극(하부 전극)(4), [전자수송층, 유기 광활성층(광 흡수층), 정공수송층](5) 및 제2전극(6)이 적층되어 있다.
상기 전자수송층으로는 징크옥사이드(ZnO), 티타늄다이옥사이드(TiO2), 틴옥사이드(tin oxide (SnO)), 틴다이옥사이드(tin dioxide (SnO2)), 인듐옥사이드(indium oxide (In2O3)), 세슘카보네이트(cesium carbonate (Cs2CO3)), 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 유기 광활성층은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene) 또는 이들의 혼합물의 도너 물질을 포함할 수 있다.
또한 상기 유기 광활성층은 억셉터 영역 또는 벌크 이종접합(BHJ) 구조 내에 PTB7-Th (Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl) benzo[1,2-b;3,3-b] dithiophene] {3-fluoro-2[(2-thylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl})), PC71BM ([6,6] -phenyl-C71 -butyric acid methyl ester), PC60BM, PC61BM, PC70BM, perylene, PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole), Dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole (DPP) 또는 이들의 혼합물의 억셉터 물질을 포함할 수 있다.
상기 정공수송층은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자 및 텅스텐옥사이드(WOx), 몰리브덴옥사이드(MoOx), 바나듐펜톡사이드(V2O5), 니켈옥사이드(NiOx), 크롬옥사이드(CrOx) 및 이들의 혼합물과 같은 반도체 물질로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것으로부터 제조될 수 있다.
상기 제2전극은 Ag, Ni, Au 또는 Co와 같은 금속으로부터 제조될 수 있다.
상기 F-OSCs의 구조는 인버티드일 수도 있고 넌-인버티드일 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 SF-OSCs는 대면적 F-OSCs를 제조한 다음 선형 패턴의 제2전극 사이를 절단하여 제조한다. 상기 F-OSCs는 절단되어 SF-OSCs(8)가 되며, 이 과정에서 소자에 어떠한 손상이나 기능적인 성능저하를 발생시키지 않는다.
상기 절단은 가위(scissor), 메스(scalpel), 또는 레이저 절단(laser cutting)의 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 대면적의 F-SCs 내에는, 도 4에 도시된 바와 같이 전류를 수집하는 집전체로서의 매립형 하이브리드전극(4), 전극활물질(9), 겔 형태의 전해질(10)을 포함하는 분리막(11)이 적층되어 있다. 구체적으로, 겔 전해질 및 분리막을 사이에 두고 양면으로 전극활물질 및 매립형 하이브리드전극이 적층되어 있는 구조이다.
상기 전극활물질은 다공성 탄소(porous carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxides), 그래핀(graphene)과 같은 전기이중층 커패시터 유형의 활성 탄소(electric double layer capacitive type activated carbon); 루테늄옥사이드(RuO2), 산화질소(NiOx), 망간옥사이드(MnO2), 바나듐옥사이드(VOx), 티타늄옥사이드(TiO2), 코발트옥사이드(Co2O3), 산화은(Ag2O), 몰리브덴카바이드(MoCx), 몰리브덴질화물(MO2N), 텅스텐카바이드(WCx), 텅스텐질화물(WNx), 산화철(Fe2O3), 몰리브덴황화물(MoSx)과 같은 유사 커패시터 유형의 전이금속옥사이드(pseudocapacitive type transition metal oxide)류; 및 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함한다.
상기 전극활물질은 닥터-블레이드 코팅, 스핀-코팅, 바-코팅, 잉크젯 프린팅 및 스크린 프린팅과 같은 인쇄 기법을 사용하여 형성될 수 있거나, 매립형 하이브리드전극 상에 전기화학적 증착, 증착, 스퍼팅 및 이들이 혼합된 방법에 의해 증착될 수 있다.
상기 분리막은 셀룰로오스, 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 폴리비닐리덴 디플로라이드(polyvinylidene difluoride (PVDF)), 폴리에틸렌(polyethylene (PE)), 폴리이미드(polyimide (PI)) 또는 투석막(dialysis membrane)으로부터 제조될 수 있다.
상기 겔 전해질은 전극활물질 상에 코팅되고, 분리막에 흡수된다.
겔 전해질은 폴리비닐알콜(polyvinyle alcohol (PVA)), 폴리(비닐리덴플로라이드)(poly(vinylidene fluoride) (PVDF)), 폴리(비닐리덴플로라이드)헥사플루오로포스페이트((poly(vinylidene fluoride) hexaflourophosphate (PVDF-HFP)), 폴리(에틸렌옥사이드)(poly(ethylene oxide) (PEO)), 폴리(아크릴로니트릴)(poly(acrylonitrile) (PAN)), 및 폴리(메틸메타크릴레이트)(poly(methyl methacrylate) (PMMA)), 에폭시 유도체(epoxy derivatives), 실리콘 유도체(silicone derivative)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 폴리머 네트워크를 포함할 수 있다.
겔 전해질은 상기 폴리머 네트워크 내에 용해되어 있는 형태의 리튬염으로서, 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyle)imide (LiTFSI)), 리튬 헥사플루오로포스페이트(Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)), 리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate (LiClO4)) 및 리튬 클로라이드(Lithium chloride (LiCl))로 이루어지는 그룹에서 선택되는 염을 포함한다.
또한 겔 전해질은 염화수소(HCl), 브롬화수소(HBr), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 및 요오드화수소산(HI)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 강산; 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(lithium hydroxide (LiOH)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강염기 및 염화나트륨(NaCl), 브롬화칼륨(KBr) 및 염화망간(MgCl)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 염을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 F-SCs은 SF-SCs(12)으로 절단되며 이 과정에서 상기 절단 공정은 소자에 어떠한 손상이나 기능적인 성능저하를 발생시키지 않는다.
상기 절단은 가위(scissor), 메스(scalpel), 또는 레이저 절단(laser cutting)의 방법으로 이루어질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광축전지 파이버는 1개 이상의 SF-OSC 및 1개 이상의 SF-SCs이 수직방향으로 적층되고, 일 실시예로서 폴리우레탄(13)으로 캡슐화되어 있는 구조이다. 이러한 캡슐화는 파이버 내 각 소자를 공기중의 산소/수분 들로부터 보호하기 위함이다. 이러한 캡슐화에서는 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 사용하여 캡슐화할 수 있다.
광축전지 파이버는 직물 내로 직조될 수 있으며, 웨어러블 스마트 전자 기기의 휴대용 전력 공급원으로 사용되기에 적합하다. 단, 상기 단일 광축전지 파이버의 출력은 실제 적용에서의 이차적 전력 공급원으로서는 충분하지 않다. 따라서 본 발명은 웨어러블 스마트 장치에 직접적인 이식을 가능하게 하기 위하여, 필요한 전력에 따라 선택되는 다수 개의 광축전지 파이버를 연결하여 광축전지 파이버 모듈을 제공한다. 이러한 모듈의 제조를 위해 광축전지 파이버를 직렬 Х 병렬 커넥션으로 연결하며, 이때 각각의 광축전지 파이버는 상술한 바와 같이 완전히 캡슐화되어 있고, 니켈 테이프 또는 은 페이스트를 이용하여 서로 연결되어 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
실시예
매립형 하이브리드전극의 제조: 세척된 글래스 기판(12cm x 12cm)을 N2 가스 플로우 하에서 플라즈마 처리하는 것으로 표면처리하였다. 상기 표면처리된 글래스 기판 상에 스핀코팅 방법으로 전도성 고분자(3) PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate))의 박막을 형성한 후 공기 중에서 어닐링하였다. 전도성 고분자의 모폴로지 및 전기전도성을 향상시키기 위하여 용매처리를 하였다. 상기 전도성 고분자 막 상에 긴 섬유 형태의 금속배선(2)으로 Ag를 그라비아 오프셋 프린터(DCN Co, Ltd., Roll printer)로 인쇄한 후, 실험실 오븐에서 소결하였다. 인쇄된 금속배선은 약 1.3μm의 높이 및 약 30μm의 폭을 갖는 것이다. 함몰 공정으로, UV 경화성 고분자(1)를 상기 전도성 고분자/금속배선 상에 스핀코팅한 후, UV 처리하여 경화시켰다. 마지막으로, 수득된 매립형 하이브리드전극(4)을 상기 글래스 기판으로부터 분리하였다.
SF-OSCs의 제조: 도 1에 도시된 바와 같은 방법으로 대면적 F-OSCs을 제조하고 이를 절단함으로써 SF-OSCs를 제조하였다.
먼저, 매립형 하이브리드전극/[전자수송층(ZnO)/유기 광활성층(PTB7-Th:PC71BM)/정공수송층(PEDOT:PSS)](5)/제2전극(Ag)(선형 패턴)(6)의 구조를 갖는 대면적 F-OSCs를 제조하였다. 이를 위해 상기 매립형 하이브리드전극 상에 전자수송층 ZnO를 스핀코팅한 후 대기 분위기에서 후열처리하였다. 그런다음 상기 ZnO 코팅된 기판을 추가 공정을 위해 N2 글러브박스로 옮겼다. 광활성층 고분자 용액(PTB7-Th:PC71BM)을 ZnO 코팅된 기판 상에 스핀코팅하였고, 약 90 nm 두께의 고분자층을 형성하였다. PEDOT:PSS (Clevios AI 4083)를 1:12로 IPA에서 희석시킨 후 약 5000 rpm의 속도로 상기 광활성층 상에 드롭캐스팅하여 약 12 nm 두께의 정공수송층을 수득하였다. 그런다음 제2전극(6) Ag를 1x10-6 토르의 초고진공 챔버에서 0.2 nm/s의 속도로 쉐도우 마스크를 통한 열증착법으로 증착하였다. 도 1의 (c)와 같은 단면 및 도 1의 (b) 및 도 2와 같은 평면을 갖는 F-OSC가 완성되었다.
후속적으로 절단 공정(7) (외과수술용 메스를 사용함)을 수행하였으며, F-OSC을 SF-OSCs으로 절단하였다(8). 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 하나의 SF-OSC에는 3개 라인의 금속배선과 1개 라인의 제2전극이 포함되어 있다.
도 3은 제조된 F-OSCs 및 SF-OSCs의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 결과 두 소자 모두에서 6.43%의 PCE(Power Conversion Efficiency)를 나타냈다. 따라서 절단 공정에서 어떠한 손상 및 기능적 성능저하가 일어나지 않았음을 알 수 있다.
SF-SCs의 제조: 도 4에 도시된 바와 같은 방법으로 대면적 F-SCs을 제조한 다음 이를 절단함으로써 SF-SCs를 제조하였다.
전극활물질(9) (rGO-PEDOT:PSS) 필름 전극을 매립형 하이브리드전극 (5 cm Х 5 cm) 상에 스프레이 코팅하였다. 스프레이 코팅 과정에서, 스프레이 노즐과 매립형 하이브리드전극 간의 거리는 12 cm로 유지하였다. 스프레이 속도 및 압력은 120 mL/h 및 6 Pa/s으로 각각 고정시켰으며, 핫플레이트 온도를 100 ℃로 하였다. 50 mL의 전극활물질 용액이 매립형 하이브리드전극 상으로 스프레이 코팅되었고, 약 7±2 μm 두께의 필름이 형성되었다. 겔 전해질(10)을 위해 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol (PVA))과 10mL 탈이온화수 내의 염화리튬(lithium chloride (Sigma Aldrich, 99%))을 준비하였다. 이들을 80℃에서 3 시간 동안 일정한 스터링 하에 용액 혼합물이 깨끗해질 때까지 스터링하였다. 상기 겔-전해질을 분리막(11)을 사용하여 전극활물질/매립형 하이브리드전극 사이에 동일하게 샌드위치시켰다. 제조된 F-SCs를 대기 분위기 하에서 고체화시켰다.
스트립 형태의 SF-SCs(12)를 제조하기 위하여, 상기 대면적 F-SCs를 외과수술용 메스로 절단하였다(7). 도 4의 (d)에서와 같이 그 결과 얻어진 SF-SCs는 0.6 (0.2 Х 3) cm2의 활성 면적을 가지는 것이었다.
도 5는 제조된 F-SCs 및 SF-SCs의 전류밀도 특성의 함수로서 면적 용량을 나타낸 것이다. 결과 두 소자 모두에서 52 mF/cm2 의 Ca를 나타냈다. 따라서 절단 공정에서 소자에 어떠한 손상 및 기능적 성능저하가 일어나지 않았음을 알 수 있다.
상기 제조된 SF-OSCs 및 SF-SCs의 치수는 0.6 (0.2 Х 3) cm2이었다. 이러한 구조는 SF-OSCs 및 SF-SCs을 샌드위치하여 광축전지를 제조하는 것을 가능하게 한다.
광축전지 파이버 및 모듈의 제조: 도 6에 도시된 바와 같이 1개의 SF-OSC와 7개의 SF-SCs를 수직으로 적층하고 폴리우레탄(13)으로 캡슐화함으로써 자가-충전 광축전지 파이버(self-charging photocapacitor (OSC-SC) fibers)를 제조하였다.
광축전지 파이버의 구조에서, 1개의 SF-OSC가 7개의 SF-SCs 위에 적층되었는데, 이는 에너지 생성의 목적에서 위하여 태양빛에 OSC을 최대한 노출시키기 위함이다. 표준 인공 태양 조명 (AM1.5G) 하에서, 광축전지 파이버 내의 1개의 SF-OSC는 1.86 mV/s의 유효 광충전 속도(광전류 출력 약 3.8 mA)를 나타내었으며, 7개의 SF-SCs는 56 μA/s의 유효 정전류 방전 속도를 나타냈다.
다음으로 광축전지 파이버 모듈의 제조를 위해, 8개의 광축전지 파이버를 2 직렬 Х 4 병렬 커넥션으로 연결하는 구조로 하였고, 모듈 내의 모든 광축전지 파이버는 니켈 테이프 및 은 페이스트를 이용하여 서로 연결하였다. 태양 빛에의 노출에 의해 직조된 모듈은 광충전하고, 생성된 에너지는 파이버 회로에 저장되어 사용을 위한 준비가 이루어졌다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제조된 모듈은 표준 인공 태양 조명 (AM1.5G) 하에서 1.03 mV/s의 유효 광충전 속도(광전류 출력 약 7.8 mA)를 나타내었다. 그리고 모듈의 유효 정전류 방전 속도는 3.0, 3.8 및 5.0 mA의 방전 전류에서 각각 7.83, 17.43 및 32.47 μA/s로 나타났다. 모듈 내의 광축전지의 감소되는 방전 속도는 회로 저항의 증가가 원인인 것으로 생각된다.
광축전지 모듈의 자가 충전 특성을 추가적으로 평가하기 위하여, 광축전지의 하나의 파이버 형태 및 모듈 형태에서의 싱크로너스(synchronous) 자가충전효율 η을 계산하였다.
기본적으로 광축전지의 상기 "η" 값은 SCs에 저장되는 에너지 (energy stored in the SCs, ηstorage) 및 OSC에 의해 생성되는 태양 에너지(incident solar energy harvested by OSCs, ηconversion)에 의해 정의된다.
이는 다음의 식으로 구해질 수 있다.
상기 식에서 I는 정전류 방전 전류, △V은 슈퍼커패시터의 전압범위, tdischarge은 방전 시간, Pin 은 입사되는 태양광 세기, tcharge은 광충전 시간, A는 모듈의 면적이다.
상기 식에서 단일 광축전지 파이버의 η은 5.02% 로 계산되고, 모듈의 η값은 3.0, 3.8 및 5.0 mA의 방전 전류에서 각각 4.94, 3.56 및 3.37%로 계산되었다.
한편 도 7의 (b)에서와 같이 본 발명의 광축전지 모듈은 500회의 광충전 및 정전류 방전 사이클 후에도 94.4%의 우수한 η의 유지를 보였다. 이는 본 발명 광축전지 모듈이 탁월한 에너지 생성 및 저장 성능을 보여주는 것이다.
보다 실질적인 응용을 위하여 의류에 직조된 광축전지 모듈 및 성공적으로 레드 및 그린 LEDs를 밝히는 것을 도 8에 나타내었다.
1. 기판
2. 금속배선
3. 전도성 고분자
4. 매립형 하이브리드전극
5. 전자수송층/유기 광활성층/정공수송층
6. 제2전극
7. 절단 공정
8. 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(SF-OSC)
9. 전극활물질
10. 겔 전해질
11. 분리막
12. 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(SF-SC)
13. 캡슐화된 광축전지 파이버
2. 금속배선
3. 전도성 고분자
4. 매립형 하이브리드전극
5. 전자수송층/유기 광활성층/정공수송층
6. 제2전극
7. 절단 공정
8. 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(SF-OSC)
9. 전극활물질
10. 겔 전해질
11. 분리막
12. 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(SF-SC)
13. 캡슐화된 광축전지 파이버
Claims (23)
- 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs))와 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 적층한 후 파이버 형태로 캡슐화한 광축전지 파이버.
- 제1항에서,
상기 SF-OSCs 및 SF-SCs은 매립형 하이브리드전극을 포함하는 광축전지 파이버. - 제2항에서,
상기 매립형 하이브리드전극은 전도성 고분자층 상에 형성된 금속배선이 유연성 기판 내에 함몰되어 있는 구조인 것인 광축전지 파이버. - 제3항에서,
상기 금속배선은 은(Ag), 은나노와이어(Ag nanowire), 구리(Cu), 구리 나노와이어(Cu nanowire), 알루미늄(Al), 금(Au), 금 나노와이어(Au nanowire) 백금(Pt), 백금 나노와이어(Pt nanowire), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 금속합금으로부터 형성되는 것인 광축전지 파이버. - 제3항에서,
상기 전도성 고분자층은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 또는 이들의 혼합물로부터 형성되는 것인 광축전지 파이버. - 제3항에서,
상기 유연성 기판은 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 광축전지 파이버. - 제1항에서,
상기 SF-OSCs은 대면적 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells(F-OSCs)를 절단함으로써 제조되는 것이고, 상기 SF-SCs은 대면적 유연성 슈퍼커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs)를 절단함으로써 제조되는 것인 광축전지 파이버. - 제7항에서,
상기 F-OSCs는 매립형 하이브리드전극, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2전극이 적층되어 있는 구조이고, 상기 F-SCs는 겔 전해질 및 분리막을 사이에 두고 양면으로 전극활물질 및 매립형 하이브리드전극이 적층되어 있는 구조인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 전자수송층은 징크옥사이드(ZnO), 티타늄다이옥사이드(TiO2), 틴옥사이드(tin oxide (SnO)), 틴다이옥사이드(tin dioxide (SnO2)), 인듐옥사이드(indium oxide (In2O3)), 세슘카보네이트(cesium carbonate (Cs2CO3)), 또는 이들의 혼합물로부터 형성되는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 유기 광활성층은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene) 또는 이들의 혼합물의 도너 물질; 또는 PTB7-Th (Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl) benzo[1,2-b;3,3-b] dithiophene] {3-fluoro-2[(2-thylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl})), PC71BM ([6,6] -phenyl-C71 -butyric acid methyl ester), PC60BM, PC61BM, PC70BM, perylene, PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole), Dihydropyrrolo [3,4-c] pyrrole (DPP) 또는 이들의 혼합물의 억셉터 물질로부터 형성되는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 정공수송층은 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자; 또는 텅스텐옥사이드(WOx), 몰리브덴옥사이드(MoOx), 바나듐펜톡사이드(V2O5), 니켈옥사이드(NiOx), 크롬옥사이드(CrOx) 및 이들의 혼합물과 같은 반도체 물질로 이루어진 그룹에서 선택되는 것으로부터 형성되는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 제2전극은 Ag, Ni, Au 또는 Co와 같은 금속으로부터 제조되는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 전극활물질은 다공성 탄소(porous carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxides), 그래핀(graphene)과 같은 전기이중층 커패시터 유형의 활성 탄소(electric double layer capacitive type activated carbon); 루테늄옥사이드(RuO2), 산화질소(NiOx), 망간옥사이드(MnO2), 바나듐옥사이드(VOx), 티타늄옥사이드(TiO2), 코발트옥사이드(Co2O3), 산화은(Ag2O), 몰리브덴카바이드(MoCx), 몰리브덴질화물(MO2N), 텅스텐카바이드(WCx), 텅스텐질화물(WNx), 산화철(Fe2O3), 몰리브덴황화물(MoSx)과 같은 유사 커패시터 유형의 전이금속옥사이드(pseudocapacitive type transition metal oxide)류; 및 폴리티오펜(polythiophene (PT)), 폴리피롤(polypyrrole (PPy)), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):폴리스티렌설포네이트(poly(styrenesulfonate)) (PDOET:PSS), 폴리아닐린(polyaniline (PANi)) 및 이들의 혼합물과 같은 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 분리막은 셀룰로오스, 폴리프로필렌(polypropylene (PP)), 폴리비닐리덴 디플로라이드(polyvinylidene difluoride (PVDF)), 폴리에틸렌(polyethylene (PE)), 폴리이미드(polyimide (PI)) 또는 투석막(dialysis membrane)으로부터 제조되는 것인 광축전지 파이버. - 제8항에서,
상기 겔 전해질은 폴리비닐알콜(polyvinyle alcohol (PVA)), 폴리(비닐리덴플로라이드)(poly(vinylidene fluoride) (PVDF)), 폴리(비닐리덴플로라이드)헥사플루오로포스페이트((poly(vinylidene fluoride) hexaflourophosphate (PVDF-HFP)), 폴리(에틸렌옥사이드)(poly(ethylene oxide) (PEO)), 폴리(아크릴로니트릴)(poly(acrylonitrile) (PAN)), 및 폴리(메틸메타크릴레이트)(poly(methyl methacrylate) (PMMA)), 에폭시 유도체(epoxy derivatives), 실리콘 유도체(silicone derivative)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 폴리머 네트워크 및
상기 폴리머 네트워크 내에 용해되어 있는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyle)imide (LiTFSI)), 리튬 헥사플루오로포스페이트(Lithium hexafluorophosphate (LiPF6)), 리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate (LiClO4)) 및 리튬 클로라이드(Lithium chloride (LiCl))로 이루어지는 그룹에서 선택되는 염 또는
염화수소(HCl), 브롬화수소(HBr), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4), 및 요오드화수소산(HI)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 강산; 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(lithium hydroxide (LiOH)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강염기 및 염화나트륨(NaCl), 브롬화칼륨(KBr) 및 염화망간(MgCl)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 염을 포함하는 것인 광축전지 파이버. - 제1항에서,
상기 광축전지 파이버는 1개 이상의 SF-OSCs 및 1개 이상의 SF-SCs가 적층되어 있으며, 캡슐화되는 있는 것인 광축전지 파이버. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 광축전지 파이버를 포함하여 직조된 직물.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 광축전지 파이버 다수 개를 연결하여 이루어지는 광축전지 파이버 모듈.
- 제18항의 광축전지 파이버 모듈을 전력 공급원으로 사용하는 스마트 기기.
- 하기 단계를 포함하는 광축전지 파이버의 제조방법:
대면적 유연성 유기 태양전지(flexible organic solar cells(F-OSCs))을 제조하는 단계;
대면적 유연성 슈퍼 커패시터(flexible supercapacitors(F-SCs)를 제조하는 단계;
상기 대면적 F-OSCs 및 F-SCs를 각각 절단하여 스트립 형태의 유연성 유기 태양전지(stripe-shape flexible organic solar cells(SF-OSCs) 및 스트립 형태의 유연성 슈퍼커패시터(stripe-shape flexible supercapacitors(SF-SCs))를 제조하는 단계; 및
1개 이상의 상기 SF-OSC와 1개 이상의 상기 SF-SCs를 적층하여 캡슐화하는 단계. - 제20항에서,
상기 F-OSCs를 제조하는 단계에서는 매립형 하이브리드전극, 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2전극을 적층하고, 상기 F-SCs를 제조하는 단계에서는 겔 전해질 및 분리막을 사이에 두고 양면으로 전극활물질 및 매립형 하이브리드전극을 적층하는 것인 광축전지 파이버의 제조방법. - 제20항에서,
상기 절단에는 가위(scissor), 메스(scalpel), 또는 레이저 절단(laser cutting)의 방법을 사용하는 광축전지 파이버의 제조방법. - 제20항에서,
상기 캡슐화에는 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀고분자(COP), 사이클로올레핀코고분자(COC), 디시클로펜타디엔고분자(DCPD), 시클로펜타디엔고분자(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘수지, 불소수지 및 변성에폭시수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 사용하는 광축전지 파이버의 제조방법.
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- 2021-05-26 KR KR1020210067322A patent/KR102493477B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130116403A (ko) * | 2012-03-09 | 2013-10-24 | 비나텍주식회사 | 리튬 도핑된 활성 탄소 섬유 직물로 구성된 전극을 포함하는 하이브리드 커패시터 및 이의 제조 방법 |
| KR20130140385A (ko) * | 2012-06-14 | 2013-12-24 | 한국기계연구원 | 금속 배선이 매립된 기판을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조방법 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Jiaqing Xiong et al., ‘Progress on wearable triboelectric nanogenerators in shapes of fiber, yarn, and textile’, Science and Technology of Advanced Materials, 2019, V.20, N.1, 837-857 (2019.08.23.) 1부* * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102493477B1 (ko) | 2023-01-27 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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