KR20230128836A - Multilayer structure and manufacturing method thereof, electricity generating element comprising said multilayer structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 구조체에 관한다. 본 발명은 상기 다층 구조체를 포함하는 발전 소자에 관한다. 본 발명은 다층 구조체의 제조 방법에 관한다. 본 발명은 상기 다층 구조체의 제조 방법을 이용하는 발전 소자의 제조 방법에 관한다. 본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 직접 직류 전력을 생성하므로, 정류기 등이 필요 없다. 본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 대기 중 수분을 이용하므로 안정적으로 전력을 생산할 수 있다. 본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 전하 차단(Charge Screening)을 이용하므로 전력을 지속적으로 생산할 수 있다. 본 발명의 다층 구조체 제조 방법과, 발전 소자의 제조 방법은 용액 공정을 이용하므로 비교적 간편하게 진행될 수 있다. 본 발명의 다층 구조체 제조 방법과, 발전 소자의 제조 방법은 용액 공정을 이용하므로 다층 구조체 및 이를 포함하는 발전 소자를 대량 생산할 수 있다.The present invention relates to multilayer structures. The present invention relates to a power generation device including the multilayer structure. The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer structure. The present invention relates to a method for manufacturing a power generation device using the method for manufacturing a multilayer structure. Since the power generation device including the multilayer structure of the present invention directly generates DC power, a rectifier or the like is not required. Since the power generation device including the multi-layered structure of the present invention uses moisture in the air, it is possible to stably produce power. Since the power generation device including the multilayer structure of the present invention uses charge screening, power can be continuously produced. Since the method of manufacturing a multilayer structure and the method of manufacturing a power generation device of the present invention use a solution process, they can be performed relatively simply. Since the multilayer structure manufacturing method and the power generation device manufacturing method of the present invention use a solution process, it is possible to mass-produce the multilayer structure and the power generation device including the same.
Description
본 발명은 다층 구조체에 관한다. 본 발명은 상기 다층 구조체를 포함하는 발전 소자에 관한다. 본 발명은 다층 구조체의 제조 방법에 관한다. 본 발명은 상기 다층 구조체의 제조 방법을 이용하는 발전 소자의 제조 방법에 관한다. The present invention relates to multilayer structures. The present invention relates to a power generation device including the multilayer structure. The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer structure. The present invention relates to a method for manufacturing a power generation device using the method for manufacturing a multilayer structure.
4차 산업 혁명은 초 연결로 대표된다. 이에 이르러 전자 장치의 소형화가 진행되고 있고, 이에 따라 사용자의 장치 사용 시간도 길어지고 있다. 전자 장치의 크기가 감소하고, 그 사용 시간이 길어지면, 이에 전력을 공급하는 배터리는 크기가 감소하고, 용량이 증가해야 한다. 배터리의 크기는 감소하고 있지만, 배터리의 용량은 크게 증가하지 못하여 전력의 지속적 공급에 한계가 있다. 특히 헬스케어, 인프라 구조, 환경 감시, 사물 인터넷, 국방 기술 등에서 마이크로- 및 나노 크기의 ICT 융복합 소자들이 다양하게 사용되고 있으며, 여기서 전력의 지속적 공급은 상당히 중요하다. 따라서, 새로운 형태의 자가 발전 가능한 전력 공급원으로서, 소형 전자 장치에 지속적 전력 공급을 가능하게 하여 기존의 대형 배터리를 대체할 수 있는 원천 기술을 개발하는 것이 큰 주목을 받고 있다. The 4th industrial revolution is represented by hyper-connectivity. As a result, miniaturization of electronic devices is progressing, and accordingly, a user's device usage time is getting longer. As the size of an electronic device decreases and its usage time increases, a battery that supplies power to the electronic device must decrease in size and increase in capacity. Although the size of the battery is decreasing, the capacity of the battery is not greatly increased, so there is a limit to the continuous supply of power. In particular, micro- and nano-sized ICT convergence devices are used in various fields such as healthcare, infrastructure, environmental monitoring, Internet of Things, and defense technology, where continuous supply of power is very important. Therefore, as a new type of self-generating power supply source, developing a source technology that enables continuous power supply to small electronic devices and can replace existing large-sized batteries is attracting great attention.
나노 발전기를 기반으로 하는 자가 발전 기술은 주변 환경으로부터 얻은 에너지로 전력을 공급하는 종합 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 최근에는 이와 관련한 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 이러한 나노 발전기는 대부분 압전 또는 마찰 전기를 이용하지만, 지속적인 직류 발전이 어렵다. 압전 또는 마찰 전기 에너지 생성 장치는 반복적인 기계적 움직임을 이용하여 전기 에너지를 생성하기 때문에, 교류 형태의 전기 에너지가 생성될 수 밖에 없다. 따라서, 이 경우, 직류 발전을 위해서는 별도의 정류 회로 또는 에너지 저장 장치가 필요하다. 그리고, 이렇게 기계적 움직임으로 작동하는 나노 발전기에 외력 혹은 마찰이 장시간 가해지면 발전 소재의 물성이 악화되어 안정적 에너지 생성은 어렵다. Self-powered technology based on nanogenerators aims to develop a comprehensive system that supplies power with energy obtained from the surrounding environment. Recently, researches related to this are being conducted all over the world. Most of these nanogenerators use piezoelectricity or triboelectricity, but continuous direct current generation is difficult. Since the piezoelectric or triboelectric energy generation device generates electrical energy using repetitive mechanical motion, electrical energy in the form of alternating current cannot but be generated. Therefore, in this case, a separate rectifier circuit or energy storage device is required for direct current generation. In addition, when an external force or friction is applied to the nanogenerator operated by mechanical movement for a long time, the physical properties of the power generation material are deteriorated, making it difficult to generate stable energy.
이러한 발전 방식을 대체하기 위해, 물 공급을 통한 발전 방식이 제안되었다. 하지만, 이 방식은 다량의 물이 요구되고, 물과 발전 물질이 직접 접촉해야 한다. 따라서, 이 방식은 적용 방법과 그 환경에 성능이 크게 좌우되고, 전력을 지속적으로 생산하지 못한다. To replace this power generation method, a power generation method through water supply has been proposed. However, this method requires a large amount of water and requires direct contact between the water and the power generation material. Therefore, the performance of this method is largely dependent on the application method and the environment, and cannot continuously generate power.
따라서, 추가의 장비 없이 직류 전력을 생산할 수 있고, 그 전력을 안정적이고, 지속적으로 생산할 수 있는 발전 기술이 필요하다. Therefore, there is a need for a power generation technology capable of generating DC power without additional equipment and stably and continuously producing the power.
종래 기술의 발전 소자는 교류 전력을 생성하므로 직류 전력을 생성하기 위해 정류기 등이 있어야만 한다.Since the power generation device of the prior art generates AC power, a rectifier or the like must be present to generate DC power.
종래 기술의 발전 소자는 외력을 인가하므로 안정적인 전력 생산이 어렵다.Since the power generation device of the prior art applies an external force, it is difficult to generate stable power.
종래 기술의 발전 소자는 장시간 사용하면 소자에 손상이 있으므로 지속적인 전력 생산이 어렵다. Since the power generation device of the prior art is damaged when used for a long time, it is difficult to continuously produce power.
종래 기술의 발전 소자는 제조하는데 고가의 장비와 복잡한 공정이 필요하다.Prior art power generation devices require expensive equipment and complicated processes to manufacture.
본 발명의 일 실시 상태는, 제1 층 및 상기 제1 층의 적어도 일면에 있는 제2 층을 포함하는 다층 구조체로서, 상기 제1 층은 전도성 고분자를 포함하고, 상기 제2 층은 친수성 작용기를 포함하며, 상기 제2 층은 섬유 및 상기 섬유의 표면에 있는 복합재를 포함하고, 상기 복합재는 단백질성 물질 및 탄소 나노 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조체를 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention is a multilayer structure including a first layer and a second layer on at least one surface of the first layer, wherein the first layer includes a conductive polymer, and the second layer includes a hydrophilic functional group. The second layer includes a fiber and a composite material on the surface of the fiber, wherein the composite material includes a proteinaceous material and a carbon nanomaterial.
본 발명의 일 실시 상태는, 기판; 상기 기판 위에 있는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 있는 전술한 다층 구조체; 및 상기 다층 구조체 위에 있는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극의 면적은 상기 다층 구조체의 면적보다 크며, 상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크고, 상기 제1 전극과 상기 다층 구조체의 제1 층은 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 발전 소자를 제공한다. One embodiment of the present invention, a substrate; a first electrode over the substrate; the aforementioned multilayer structure over the first electrode; and a second electrode over the multilayer structure, wherein an area of the first electrode is greater than an area of the multilayer structure, an area of the multilayer structure is greater than an area of the second electrode, and the first electrode and the multilayer structure have an area greater than an area of the multilayer structure. The first layer of the structure provides a power generating element characterized in direct contact.
본 발명의 일 실시 상태는, 단백질성 물질을 포함하는 용액 및 상기 용액에 분산된 탄소 나노 소재를 포함하는 분산액을 준비하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 준비된 분산액으로 섬유를 코팅하는 제2 단계; 전도성 고분자를 포함하는 층을 준비하는 제3 단계; 및 상기 제3 단계에서 준비된 층 위에 상기 제2 단계의 결과물의 층을 형성하는 제4 단계를 포함하는 다층 구조체의 제조 방법을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention includes a first step of preparing a dispersion containing a solution containing a proteinaceous material and a carbon nanomaterial dispersed in the solution; A second step of coating fibers with the dispersion prepared in the first step; A third step of preparing a layer containing a conductive polymer; and a fourth step of forming a layer resulting from the second step on the layer prepared in the third step.
본 발명의 일 실시 상태는, 기판 위에 형성된 제1 전극을 준비하는 제1 단계; 상기 제1 전극 위에 전술한 방법으로 다층 구조체를 형성하는 제2 단계; 및 상기 다층 구조체 위에 제2 전극을 형성하는 제3 단계를 포함하고, 상기 제1 전극의 면적은 상기 다층 구조체의 면적보다 크며, 상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크고, 상기 제1 전극과 상기 다층 구조체의 제1 층은 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 발전 소자의 제조 방법을 제공한다. An exemplary embodiment of the present invention includes a first step of preparing a first electrode formed on a substrate; a second step of forming a multi-layered structure on the first electrode by the method described above; and a third step of forming a second electrode on the multilayer structure, wherein an area of the first electrode is larger than an area of the multilayer structure, an area of the multilayer structure is larger than an area of the second electrode, and an area of the first electrode is larger than an area of the multilayer structure. One electrode and the first layer of the multi-layer structure provide a method of manufacturing a power generation element, characterized in that in direct contact.
본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 직접 직류 전력을 생성하므로, 정류기 등이 필요 없다. Since the power generation device including the multilayer structure of the present invention directly generates DC power, a rectifier or the like is not required.
본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 대기 중 수분을 이용하므로 안정적으로 전력을 생산할 수 있다. Since the power generation device including the multi-layered structure of the present invention uses moisture in the air, it is possible to stably produce power.
본 발명의 다층 구조체를 포함하는 발전 소자는 전하 차단(Charge Screening)을 이용하므로 전력을 지속적으로 생산할 수 있다. Since the power generation device including the multilayer structure of the present invention uses charge screening, power can be continuously produced.
본 발명의 다층 구조체 제조 방법과, 발전 소자의 제조 방법은 용액 공정을 이용하므로 비교적 간편하게 진행될 수 있다.Since the method of manufacturing a multilayer structure and the method of manufacturing a power generation device of the present invention use a solution process, they can be performed relatively simply.
본 발명의 다층 구조체 제조 방법과, 발전 소자의 제조 방법은 용액 공정을 이용하므로 다층 구조체 및 이를 포함하는 발전 소자를 대량 생산할 수 있다. Since the multilayer structure manufacturing method and the power generation device manufacturing method of the present invention use a solution process, it is possible to mass-produce the multilayer structure and the power generation device including the same.
도 1은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 모식도다.
도 2는 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 측단면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 디지털 카메라 사진이다.
도 4는 본 발명 발전 소자의 동작 기작의 모식도다.
도 5는 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 전류-전압 곡선이다.
도 6은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 개방 전압이다.
도 7은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 단락 전류다.
도 8은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 발전층 측단면 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 XPS 분석 결과다.
도 10은 본 발명 실시예(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 발전층에 대해 XPS 분석을 진행하여 얻은 고해상도 C1s peak를 통해 측정한 카르복실기의 원자 비율을 나타낸 것이다.
도 11은 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다.
도 12는 시간에 따라 습도를 변화시키면서 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전기 저항이다.
도 13은 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압이다.
도 14은 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 단락 전류다.
도 15은 상대 습도와 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압의 선형 회귀분석 결과다.
도 16은 상대 습도와 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압의 선형 회귀분석 결과다.
도 17은 본 발명 실시예 1(10 w/v%), 실시예 2(5 w/v%), 실시예 3(15 w/v%) 및 실시예 4(20 w/v%)에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다.
도 18은 본 발명 실시예 1(G:M=1:0.001), 비교예 3(G:M=1:0), 실시예 5(G:M=1:0.0001) 및 실시예 6(G:M=1:0.01)에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다.
도 19는 본 발명 실시예 1(With PEDOT:PSS) 및 비교예 4(Without PEDOT:PSS)에 따른 발전 소자의 시간-단락 전류 곡선이다.
도 20은 시간에 따라 상대 습도를 다르게 하여 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 시간-개방 전압 곡선이다.
도 21은 시간에 따라 상대 습도를 다르게 하여 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 시간-단락 전류 곡선이다.
도 22는 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 작동 시간에 따른 개방 전압 곡선 및 단락 전류를 도시한 것이다.
도 23은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자를 굽히기 전과 후의 개방 전압 비율(V/Vi)과 단락 전류 비율(I/Ii)을 변형률에 따라 나타낸 것이다.
도 24는 40%의 굽힘 변형률을 일정 시간 동안 유지하면서 실시간으로 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압 및 단락 전류를 도시한 것이다.
도 25는 40%의 변형률로 굽힌 주기에 따라 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압과 단락 전류를 도시한 것이다.
도 26은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 부하 저항에 따른 전기적 출력(전압 및 전류)을 도시한 것이다.
도 27은 도 26은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 부하 저항에 따른 출력 전력 밀도를 도시한 것이다.
도 28은 직렬 연결된 LED 전구를 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자를 이용하여 가동시켰음을 보여주는 사진이다.1 is a schematic diagram of a power generation device according to a first embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional side SEM photograph of a power generation device according to Example 1 of the present invention.
3 is a digital camera photograph of a power generation device according to Example 1 of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram of the operating mechanism of the power generation element of the present invention.
5 is current-voltage curves of power generating devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention.
6 is an open-circuit voltage of power generation devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention.
7 is a short-circuit current of power generating devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention.
8 is a side cross-sectional SEM image of a power generation layer of a power generation device according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. .
9 is an XPS analysis result of power generating devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention.
10 is an XPS analysis of the power generation layer of the power generation device according to Example (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. It shows the atomic ratio of the carboxyl group measured through the high-resolution C1s peak obtained by
11 is a voltage-current curve of a power generation device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity.
12 is the electrical resistance of the power generation element according to Example 1 of the present invention measured while changing the humidity over time.
13 is an open-circuit voltage of a power generating device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity.
14 is a short-circuit current of a power generation device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity.
15 is a linear regression analysis result of the relative humidity and the open-circuit voltage of the power generation device according to Example 1 of the present invention.
16 is a linear regression analysis result of the relative humidity and the open-circuit voltage of the power generation device according to Example 1 of the present invention.
17 is a diagram according to Example 1 (10 w/v%), Example 2 (5 w/v%), Example 3 (15 w/v%), and Example 4 (20 w/v%) of the present invention. It is the voltage-current curve of the power generation device.
Figure 18 is the present invention Example 1 (G: M = 1: 0.001), Comparative Example 3 (G: M = 1: 0), Example 5 (G: M = 1: 0.0001) and Example 6 (G: It is a voltage-current curve of the power generation device according to M = 1:0.01).
19 is a time-short circuit current curve of a power generation device according to Example 1 (With PEDOT: PSS) and Comparative Example 4 (Without PEDOT: PSS) of the present invention.
20 is a time-open voltage curve of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured by varying the relative humidity over time.
21 is a time-short circuit current curve of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured by varying the relative humidity over time.
22 shows an open-circuit voltage curve and a short-circuit current according to operating time of the power generation device according to Example 1 of the present invention.
23 shows the open-circuit voltage ratio (V/Vi) and the short-circuit current ratio (I/Ii) according to strain before and after bending the power generating device according to Example 1 of the present invention.
FIG. 24 shows the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured in real time while maintaining a bending strain of 40% for a certain period of time.
25 shows the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generating device according to Example 1 of the present invention measured according to the bending cycle at a strain of 40%.
26 illustrates electrical output (voltage and current) according to load resistance of the power generation device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 27 and FIG. 26 show output power densities according to load resistance of the power generation device according to the first embodiment of the present invention.
28 is a photograph showing that the series-connected LED bulbs were operated using the power generating element according to Example 1 of the present invention.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 실시 상태는 다층 구조체(multilayer structure)를 제공한다. One embodiment of the present invention provides a multilayer structure.
본 명세서에서, 다층 구조체는 적어도 2개의 층을 포함하는 구조체를 의미한다. In this specification, a multilayer structure means a structure including at least two layers.
본 발명의 다층 구조체는 제1 층 및 상기 제1 층의 적어도 일면에 있는 제2 층을 포함한다. 본 발명의 다층 구조체는 “제1 층/제2 층”, “제2 층/제1 층/제2 층”, “제1 층/제2 층/제1 층/제2 층”또는 “제1 층/제2 층/…/제1 층/제2 층”의 적층 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 층은 상기 제1 층 위에 있을 수 있다. 이 때 상기 다층 구조체는 “제1 층/제2 층”의 적층 구조를 가질 수 있다. The multilayer structure of the present invention includes a first layer and a second layer on at least one side of the first layer. The multilayer structure of the present invention is “first layer/second layer”, “second layer/first layer/second layer”, “first layer/second layer/first layer/second layer” or “second layer”. 1st floor/2nd floor/... / first layer / second layer” may have a laminated structure. Specifically, the second layer may be over the first layer. In this case, the multilayer structure may have a “first layer/second layer” laminated structure.
본 명세서에서, “제1” 또는 “제2”등의 서수를 이용하여 어떤 대상을 설명하는 경우, 어느 하나의 대상이 다른 하나의 대상에 우선하는 것은 아니다. In this specification, when an object is described using an ordinal number such as “first” or “second”, one object does not take precedence over another object.
후술하지만, 본 발명의 다층 구조체는 발전 소자, 구체적으로 대기 중 수분을 이용하여 전력을 생산하는 발전 소자, 보다 구체적으로 대기 중 수분의 hydrovoltaic 효과를 이용하여 전력을 생산하는 발전 소자에 적합하다. As will be described later, the multilayer structure of the present invention is suitable for a power generation device, specifically a power generation device generating power using moisture in the air, and more specifically, a power generating device using the hydrovoltaic effect of moisture in the air.
본 발명의 다층 구조체에서 어느 한 층은 대기 중 수분으로부터 이동성 양성자(mobile proton)를 생성 및 이동시켜 전위차를 부여할 수 있는 발전층의 역할을 한다. 상기 다층 구조체에서 다른 한 층은 전하 차단을 통해 위 전위차를 유지할 수 있는 전위차 유지층의 역할을 할 수 있다. In the multilayer structure of the present invention, any one layer serves as a power generation layer capable of imparting a potential difference by generating and moving mobile protons from moisture in the air. In the multilayer structure, another layer may serve as a potential difference maintaining layer capable of maintaining the above potential difference through charge blocking.
상기 제1 층은 전도성 고분자를 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 층은 전도성 고분자를 포함하여 전위차 유지층의 역할을 한다. 그 상세 작용 기작은 후술한다.The first layer includes a conductive polymer. Specifically, the first layer serves as a potential difference maintaining layer by including a conductive polymer. The detailed mechanism of action will be described later.
상기 제2 층은 친수성 작용기를 포함한다. 구체적으로, 상기 제2 층은 이의 표면에 있는 친수성 작용기를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 제2 층은 친수성 작용기를 포함하여 대기 중 수분으로부터 이동성 양성자를 생성 및 이동시켜 전위차를 부여할 수 있는 발전층의 역할을 한다. 그 상세 작용 기작은 후술한다. 친수성 작용기는 물과 반응성이 높은 화학적 모이어티(moiety)를 지칭한다.The second layer includes a hydrophilic functional group. Specifically, the second layer includes a hydrophilic functional group on its surface. More specifically, the second layer includes a hydrophilic functional group and serves as a power generation layer capable of imparting a potential difference by generating and moving mobile protons from moisture in the air. The detailed mechanism of action will be described later. A hydrophilic functional group refers to a chemical moiety highly reactive with water.
상기 제2 층은 섬유 구조를 기반으로 한다. 즉, 상기 제1 층은 전도성 고분자를 포함하고, 상기 제2 층은 섬유 구조를 기반으로 한다. 따라서, 굽힘 등의 방식으로 상기 구조체에 외력을 인가해도 상기 구조체가 제공하는 기능에는 영향이 거의 없다. 따라서, 상기 제2 층은 섬유를 포함한다. 후술하겠지만, 상기 제2 층이 포함하는 섬유는 추가로 처리된 기능성 섬유일 수 있다.The second layer is based on a fibrous structure. That is, the first layer includes a conductive polymer, and the second layer is based on a fiber structure. Therefore, even if an external force is applied to the structure in a manner such as bending, the function provided by the structure is hardly affected. Thus, the second layer includes fibers. As will be described later, fibers included in the second layer may be additionally treated functional fibers.
또한 상기 제2 층이 포함하는 섬유는 특정 물질과의 혼합으로 추가로 처리된다. 구체적으로, 상기 제2 층에서 섬유는 복합재(composite material)와 함께 작용한다. 보다 구체적으로, 상기 제2 층은 상기 섬유 및 복합재를 포함하고, 상기 복합재는 상기 섬유에 코팅되어 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 제2 층은 상기 섬유 및 상기 섬유의 표면에 있는 복합재를 포함한다. In addition, the fibers included in the second layer are further processed by mixing with a specific material. Specifically, in the second layer the fibers work together with a composite material. More specifically, the second layer includes the fiber and the composite material, and the composite material is coated on the fiber. Even more specifically, the second layer includes the fiber and a composite material on the surface of the fiber.
본 명세서에서, “복합재”는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 성분으로 복합화된 재료 내지 물질을 의미한다. In this specification, “composite material” refers to a material or a material composited with a plurality of components having different properties.
그러므로, 상기 제2 층이 포함하는 복합재는 서로 다른 특성을 가지는 복수의 성분을 포함한다. 구체적으로, 상기 복합재는 단백질성 물질(proteinaceous material) 및 탄소 나노 소재를 포함한다. 단백질성 물질은 단백질의 구성 단위인 아미노산을 최소 단위로 포함하는 화합물이다. Therefore, the composite material included in the second layer includes a plurality of components having different properties. Specifically, the composite material includes a proteinaceous material and a carbon nanomaterial. A proteinaceous material is a compound that contains amino acids, which are structural units of proteins, as a minimum unit.
상기 단백질성 물질은 주로 상기 섬유 또는 상기 기능성 섬유와 함께 상기 제2 층에 친수성 작용기를 제공하는 역할과 상기 섬유 또는 상기 기능성 섬유와 상기 탄소 나노 소재를 결합시키는 바인더(binder)의 역할을 한다. 일반적으로, 섬유 또는 기능성 섬유만을 적용하는 것으로는 제2 층에 친수성 작용기를 제공하기 충분하지 않으나, 단백질성 물질은 기능성 섬유 대비 적어도 5배의 친수성 작용기를 가질 수 있다. 따라서, 단백질성 물질이 적용되면, 상기 제2 층에는 친수성 작용기가 풍부하게 존재할 수 있다. The proteinaceous material mainly serves to provide a hydrophilic functional group to the second layer together with the fiber or the functional fiber and serves as a binder to bind the fiber or the functional fiber and the carbon nanomaterial. Generally, applying only fibers or functional fibers is not sufficient to provide hydrophilic functional groups in the second layer, but the proteinaceous material may have at least five times as many hydrophilic functional groups as functional fibers. Therefore, when a proteinaceous material is applied, hydrophilic functional groups may be abundantly present in the second layer.
탄소 나노 소재는 탄소를 주성분으로 하는 나노 크기 단위의 소재다. 이는 대기 중 수분을 빨아들일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 나노 소재는 대기 중 수분이 상기 제2 층에 보다 더 흡수가 잘 되도록 유도할 수 있다. Carbon nanomaterials are nano-scale materials with carbon as the main component. It can suck up moisture from the air. Specifically, the carbon nanomaterial may induce moisture in the air to be better absorbed into the second layer.
이렇게 구성된 제1 층과 제2 층을 포함하는 다층 구조체는 발전 소자로 적용 시 대기 중 수분을 흡착하여 직류 전력을 생성할 수 있고, 그 전력을 지속적으로 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 다층 구조체는 굽힘 등의 외력이 작용하더라도 그 성능이 장시간 지속될 수 있다. When applied as a power generation device, the multi-layered structure including the first layer and the second layer configured as described above can generate DC power by adsorbing moisture in the air and continuously maintain the power. In addition, the performance of the multilayer structure of the present invention can be maintained for a long time even if an external force such as bending is applied.
이론에 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 다층 구조체가 발전 소자로 적용되었을 때의 발전 원리는 다음과 같다. 대기 중의 물 분자가 상기 제2 층에 인접하게 되면, 상기 제2 층에 있는 친수성 작용기가 해리되어 이동성 양성자와 상기 친수성 작용기로부터 유래된 음이온성 성분의 구배가 생성된다. 이렇게 생성된 이동성 양성자는 상기 제2 층을 향하여 이동하고, 음이온성 성분은 위 이동성 양성자의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하게 된다. 여기서, 이동성 양성자는 Grotthuss 메커니즘과 Vehicle 메커니즘으로 이동하는 것으로 이해된다. 이동성 양성자가 가지는 전기적 인력은 상당히 강하기 때문에, 상기 이동성 양성자는 상기 제1 층에 포함되는 전도성 고분자의 전기적 결합을 끊는다. 그리고 이동성 양성자는 전도성 고분자의 음으로 대전된 화학적 모이어티와 이온 결합하여 전하 차단(Charge screening) 현상이 일어난다. 그 결과 제2 층 상부에는 음으로 대전된 성분이, 제1 층 하부에는 양으로 대전된 성분이 분포하여 이로 인한 전위차가 발생한다. 여기서, 전하 차단 현상에 의해 위의 전위차가 지속할 수 있게 된다. Although not limited by theory, the power generation principle when the multilayer structure of the present invention is applied to a power generation device is as follows. When water molecules in the atmosphere come into close proximity to the second layer, the hydrophilic functional groups in the second layer dissociate, creating a gradient of mobile protons and anionic components derived from the hydrophilic functional groups. The mobile protons generated in this way move toward the second layer, and the anionic component moves in a direction opposite to that of the mobile protons. Here, mobile protons are understood to migrate by Grotthuss mechanism and Vehicle mechanism. Since the electric attraction of the mobile protons is very strong, the mobile protons break the electrical coupling of the conductive polymer included in the first layer. In addition, the mobile proton ionically combines with the negatively charged chemical moiety of the conductive polymer, resulting in a charge screening phenomenon. As a result, negatively charged components are distributed in the upper portion of the second layer and positively charged components are distributed in the lower portion of the first layer, resulting in a potential difference. Here, the above potential difference can be sustained due to the charge blocking phenomenon.
즉, 위에서 설명한 구조를 충족하는 본 발명의 다층 구조체는 대기 중 수분을 이용하여 전력을 생산할 수 있고, 그 전력이 지속되도록 할 수 있다. That is, the multi-layered structure of the present invention satisfying the structure described above can generate power using moisture in the air, and the power can be sustained.
일 구현예에서, 상기 전도성 고분자는 전기 전도성 고분자 또는 이온 전도성 고분자일 수 있고, 바람직하게 이온 전도성 고분자일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 전도성 고분자는 이온 전도성 고분자로서, PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(4-styrenesulfonate), 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트), PANI:CSA(Polyaniline:Camphor sulfonicacid, 폴리아닐린:캠퍼술폰산), PANI:PSS(Polyaniline:Poly(4-styrenesulfonate), 폴리아닐린):폴리(4-스티렌술포네이트)), 및 PANI:DBSA(Polyaniline:Dodecylbenzenesulfonic acid, 폴리아닐린:도데실벤젠술폰산) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 보다 더 바람직하게, 상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS일 수 있다. PEDOT:PSS는 PSS-가 가지는 전자 친화적 특성 때문에 이동성 양성자와 쉽게 결합하여 전위차 유지층을 쉽게 형성할 수 있고, 그 결과 발전 소자에 보다 적합한 다층 구조체를 제공할 수 있기 때문이다. In one embodiment, the conductive polymer may be an electrically conductive polymer or an ion conductive polymer, preferably an ion conductive polymer. More preferably, the conductive polymer is an ion conductive polymer, PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): Poly (4-styrenesulfonate), poly-3,4-ethylenedioxythiophene: polystyrene sulfonate), PANI :CSA (Polyaniline:Camphor sulfonicacid, polyaniline:camphorsulfonic acid), PANI:PSS (Polyaniline:Poly(4-styrenesulfonate), polyaniline):poly(4-styrenesulfonate)), and PANI:DBSA (Polyaniline:Dodecylbenzenesulfonic acid, polyaniline: dodecylbenzenesulfonic acid). Even more preferably, the conductive polymer may be PEDOT:PSS. This is because PEDOT:PSS can easily form a potential difference maintaining layer by being easily combined with mobile protons due to the electrophilic nature of PSS-, and as a result, a multilayer structure more suitable for power generation devices can be provided.
일 구현예에서, 친수성 작용기는 물의 작용 시 해리되어 이동성 양성자를 생성할 수 있는 작용기라면 그 종류에는 제한이 없다. 친수성 작용기는, 예를 들어 히드록시기, 카르복시기, 에테르기, 에스테르기 및 아미노기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 친수성 작용기는, 바람직하게 히드록시기 또는 카르복시기일 수 있고, 보다 바람직하게 카르복시기일 수 있다. In one embodiment, the type of the hydrophilic functional group is not limited as long as it is a functional group capable of dissociating under the action of water to generate mobile protons. The hydrophilic functional group may include, for example, at least one of a hydroxy group, a carboxy group, an ether group, an ester group, and an amino group. The hydrophilic functional group may be preferably a hydroxy group or a carboxy group, more preferably a carboxy group.
일 구현예에서, 상기 제2 층이 포함하는 섬유에는 추가 처리가 되어있을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 층이 포함하는 섬유는 물리적 및/또는 화학적 자극을 통해 기능화된 기능성 섬유(engineered fiber)일 수 있다. 이러한 자극을 통해 상기 기능성 섬유는 기존 섬유 대비 확장된 다공성 구조를 가질 수 있고, 이렇게 확장된 다공성 구조는 미처리된 섬유 보다 많이 대기 중 수분을 포집할 수 있고, 상기 복합재의 표면적 증가를 유도할 수 있다. 또한 상기 기능성 섬유는 다층 구조체의 지지체 역할도 할 수 있다. In one embodiment, fibers included in the second layer may be additionally treated. Specifically, the fibers included in the second layer may be engineered fibers functionalized through physical and/or chemical stimuli. Through this stimulus, the functional fiber can have an expanded porous structure compared to conventional fibers, and this expanded porous structure can collect more moisture in the atmosphere than untreated fibers, and can induce an increase in the surface area of the composite material. . In addition, the functional fiber may also serve as a support for a multilayer structure.
일 구현예에서, 상기 제2 층이 포함하는 섬유의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 섬유는 천연 섬유 또는 합성 섬유를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유는 셀룰로오스 섬유, 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 섬유는 셀룰로오스 섬유일 수 있다. In one embodiment, the type of fibers included in the second layer is not particularly limited. For example, the fibers may include natural fibers or synthetic fibers. Specifically, the fibers may include at least one of cellulose fibers, polypropylene fibers, and polyethylene fibers. Preferably, the fibers may be cellulosic fibers.
일 구현예에서, 상기 단백질성 물질은 전술한 것처럼 상기 제2 층에 친수성 작용기를 부여할 수 있다. 즉, 상기 단백질성 물질의 종류는 친수성 작용기를 부여할 수 있다면 제한이 없다. 예를 들어, 상기 단백질성 물질은 콜라겐, 젤라틴, 엘라스틴, 피브린 및 피브로넥틴 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 단백질성 물질은 콜라겐 또는 젤라틴일 수 있다. 보다 바람직하게 상기 단백질성 물질은 젤라틴일 수 있다. In one embodiment, the proteinaceous material may impart a hydrophilic functional group to the second layer as described above. That is, the type of the proteinaceous material is not limited as long as it can impart a hydrophilic functional group. For example, the proteinaceous material may include at least one of collagen, gelatin, elastin, fibrin, and fibronectin. Preferably, the proteinaceous material may be collagen or gelatin. More preferably, the proteinaceous material may be gelatin.
일 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재는 전술한 것처럼 대기 중 수분의 흡수를 돕는다. 즉, 상기 탄소 나노 소재의 종류는 수분 흡수성이 있다면 제한이 없다. 예를 들어, 상기 탄소 나노 소재는 다중벽 탄소 나노 튜브, 단일벽 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유, 그래핀, 산화 그래핀 및 셀룰로오스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 탄소 나노 소재는 탄소의 동소체로서, 소수성이지만 내부로 물을 빨아들이는 성질이 있는 다중벽 탄소 나노 튜브 또는 단일벽 탄소 나노 튜브일 수 있다. 보다 바람직하게 상기 탄소 나노 소재는 다중벽 탄소 나노 튜브일 수 있다. In one embodiment, the carbon nanomaterial helps absorb moisture in the air as described above. That is, the type of the carbon nanomaterial is not limited as long as it has moisture absorbency. For example, the carbon nanomaterial may include at least one of multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and cellulose. Preferably, the carbon nanomaterial is an allotrope of carbon and may be a multi-walled carbon nanotube or a single-walled carbon nanotube that is hydrophobic but has a property of absorbing water into the inside. More preferably, the carbon nanomaterial may be a multi-walled carbon nanotube.
일 구현예에서, 상기 제2 층이 포함하는 친수성 작용기의 유래는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 상기 친수성 작용기는 제2 층이 포함할 수 있는 기능성 섬유, 상기 복합재가 포함하는 단백질성 성분 및 탄소 나노 섬유로부터 유래될 수 있다. 상기 친수성 작용기는 바람직하게 기능화 처리를 통해 친수성 작용기가 부여된 기능성 섬유 및 아미노산이 가지는 친수성 작용기를 가지는 단백질성 성분으로부터 유래될 수 있다. 상기 친수성 작용기는 보다 바람직하게 대부분 단백질성 성분으로부터 유래될 수 있다. In one embodiment, the origin of the hydrophilic functional group included in the second layer is not particularly limited. That is, the hydrophilic functional group may be derived from functional fibers that may be included in the second layer, protein components and carbon nanofibers included in the composite material. The hydrophilic functional group may be derived from a protein component having a hydrophilic functional group having a functional fiber and an amino acid to which the hydrophilic functional group is preferably imparted through functionalization treatment. The hydrophilic functional group may more preferably be derived from a predominantly proteinaceous component.
일 구현예에서, 상기 제2 층이 포함하는 친수성 작용기의 양도 적당히 있는 것이 좋다. 상기 제2 층에는 대기 중 수분과 접촉했을 때 이동성 양성자를 생성할 수 있는 최소한의 친수성 작용기는 있는 것이 좋다. 그 함량의 구체적인 값은 적용되는 성분 및/또는 제작 조건에 따라 크게 달라지기 때문에, 특별히 한정하지는 않는다. 상기 제2 층에 있는 친수성 작용기의 함량은 예를 들어, XPS를 통해 검출되는 신호의 세기를 분석하여 측정될 수 있다. In one embodiment, it is preferable that the amount of hydrophilic functional groups included in the second layer is appropriate. Preferably, the second layer has at least a hydrophilic functional group capable of generating mobile protons when in contact with moisture in the air. Since the specific value of the content varies greatly depending on the applied component and / or manufacturing conditions, it is not particularly limited. The content of the hydrophilic functional group in the second layer may be measured by analyzing the intensity of a signal detected through XPS, for example.
일 구현예에서, 상기 제2 층에 제공되는 친수성 작용기의 함량은 주로 단백질성 물질의 양에 따라 결정된다. 따라서, 상기 제2 층에 포함되는 단백질성 물질의 함량도 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 또한, 단백질성 물질은 과량 존재하면 이의 높은 응집력 때문에 단백질성 물질 간의 응집이 일어나 대기 중 수분을 흡수하기 어렵게 될 수도 있다. 나아가, 단백질성 물질은 부족하면 대기 중 수분 흡착에 필요한 작용기 수 자체가 부족하게 될 수도 있다. 따라서 상기 제2 층에 포함되는 단백질성 물질의 함량도 제어하는 것이 좋다 그 함량의 구체적인 값은 적용되는 성분 및/또는 제작 조건에 따라 크게 달라지기 때문에, 특별히 한정하지는 않는다. In one embodiment, the content of the hydrophilic functional group provided in the second layer is mainly determined according to the amount of proteinaceous material. Therefore, the content of the proteinaceous material included in the second layer may also have a significant effect on performance. In addition, if proteinaceous materials are present in excess, aggregation between proteinaceous materials may occur due to their high cohesive force, making it difficult to absorb moisture in the air. Furthermore, if the proteinaceous material is insufficient, the number of functional groups necessary for adsorbing moisture in the air may be insufficient. Therefore, it is good to control the content of the proteinaceous material included in the second layer. Since the specific value of the content varies greatly depending on the applied component and / or manufacturing conditions, it is not particularly limited.
일 구현예에서, 상기 탄소 나노 소재는 전술한 것처럼 수분을 빨아들일 수 있기 때문에, 그 함량은 적절히 조절되는 것이 좋다. 또한, 상기 탄소 나노 소재의 함량은 상기 단백질성 물질의 양과 함께 조절해야 유의미하다. 단백질성 물질은 대기 중 수분을 끌어들이고, 탄소 나노 소재는 위 수분을 보다 내부로 빨아들이기 때문이다. 예를 들어, 상기 제2 층은 상기 단백질성 물질(P)와 상기 탄소 나노 소재(C)의 중량 비(P:C)가 1:0.0001 내지 1:0.01의 범위 내일 수 있다. 바람직하게, 상기 비(P:C)의 하한은 1:0003, 1:0005, 1:0007, 1:0009 또는 1:001일 수 있다. 바람직하게, 상기 비(P:C)의 상한은 1:009, 1:007, 1:005, 1:004, 1:003, 1:002 또는 1:001일 수 있다. In one embodiment, since the carbon nanomaterial can absorb moisture as described above, it is preferable that the content thereof is appropriately adjusted. In addition, the content of the carbon nanomaterial is meaningful when adjusted together with the amount of the proteinaceous material. This is because protein materials attract moisture from the air, and carbon nanomaterials absorb moisture from above. For example, in the second layer, the weight ratio (P:C) of the proteinaceous material (P) and the carbon nanomaterial (C) may be in the range of 1:0.0001 to 1:0.01. Preferably, the lower limit of the ratio (P:C) may be 1:0003, 1:0005, 1:0007, 1:0009 or 1:001. Preferably, the upper limit of the ratio (P:C) may be 1:009, 1:007, 1:005, 1:004, 1:003, 1:002 or 1:001.
상기 다층 구조체를 구성하는 각 층의 두께도 조절되는 것이 좋다. It is preferable that the thickness of each layer constituting the multilayer structure is also adjusted.
일 구현예에서, 상기 제1 층의 두께는 100 ㎛ 미만일 수 있다. 상기 제1 층의 두께는 상기 다층 구조체를 발전 소자에 적용하였을 때 적어도 발전 성능을 구현할 수 있는 정도의 범위로 조절하는 관점에서 적당히 조절될 수 있다. In one embodiment, the thickness of the first layer may be less than 100 μm. The thickness of the first layer may be appropriately adjusted from the viewpoint of adjusting at least within a range capable of realizing power generation performance when the multilayer structure is applied to a power generation device.
일 구현예에서, 상기 제2 층의 두께는 50 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 범위 내에서 대기 중 수분이 잘 투과될 수 있고, 이를 통해 충분한 전력 생산이 가능해질 수 있다. 바람직하게, 상기 두께의 하한(단위: ㎛)은 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330 또는 340일 수 있다. 바람직하게, 상기 두께의 상한(단위: ㎛)은 690, 680, 670, 660, 650, 640, 630, 620, 610, 600, 590, 580, 570, 560, 550, 540, 530, 520, 510, 500, 490, 480, 470, 460, 450, 440, 430, 420, 410, 400, 390, 380, 370, 360, 350 또는 340일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the second layer may be in the range of 50 μm to 700 μm. Within the above range, moisture in the air may well permeate, and through this, sufficient power generation may be possible. Preferably, the lower limit of the thickness (unit: μm) is 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240 , 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330 or 340. Preferably, the upper limit of the thickness (unit: μm) is 690, 680, 670, 660, 650, 640, 630, 620, 610, 600, 590, 580, 570, 560, 550, 540, 530, 520, 510 , 500, 490, 480, 470, 460, 450, 440, 430, 420, 410, 400, 390, 380, 370, 360, 350 or 340.
본 발명의 일 실시 상태는 상기 다층 구조체를 포함하는 발전 소자(electricity generating element)에 관한다. 구체적으로, 상기 발전 소자는 수분 유도(moisture-driven) 발전 소자일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 발전 소자는 수분 유도 자가 발전 소자(self-electricity generating element)일 수 있다. One embodiment of the present invention relates to an electricity generating element including the multilayer structure. Specifically, the power generation device may be a moisture-driven power device. More specifically, the power generation element may be a water-induced self-power generation element (self-electricity generating element).
본 발명의 발전 소자는 기판; 상기 기판 위에 있는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 있는 다층 구조체; 및 상기 다층 구조체 위에 있는 제2 전극을 적어도 포함한다. 본 발명의 발전 소자에서 상기 다층 구조체는 위에서 설명한 다층 구조체다. 따라서, 본 발명 발전 소자에 대해서 설명하면서 상기 다층 구조체에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 기재를 생략할 수 있다. The power generation device of the present invention includes a substrate; a first electrode over the substrate; a multilayer structure over the first electrode; and at least a second electrode over the multilayer structure. In the power generation device of the present invention, the multilayer structure is the multilayer structure described above. Therefore, while explaining the power generation device of the present invention, the description of overlapping parts with the description of the multilayer structure may be omitted.
상기 발전 소자에서, 상기 다층 구조체의 제1 층은 상기 제1 전극 측에 위치할 수 있고, 상기 다층 구조체의 제2 층은 상기 제2 전극 측에 위치할 수 있다. In the power generation device, a first layer of the multi-layer structure may be positioned on a side of the first electrode, and a second layer of the multi-layer structure may be positioned on a side of the second electrode.
상기 발전 소자는 비대칭 구조의 발전 소자다. 구체적으로, 상기 발전 소자에서 상기 제1 및 제2 전극과 상기 다층 구조체는 상이한 면적을 가진다. 여기서, 면적은 각 층의 두께를 제외한 나머지 두 축이 형성하는 면의 넓이를 의미한다. 보다 구체적으로, 상기 발전 소자에서 상기 제1 전극의 면적은 상기 다층 구조체의 면적보다 크고, 상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크다. 즉, 상기 발전 소자에서 각 층의 단면적은 제1 전극>다층 구조체>제2 전극 순으로 나열된다. 상기 발전 소자가 위 관계를 충족해야 외부의 물이 상부에서 하부를 향하는 방향으로 침투 및 이동할 수 있기 때문이다. The power generation element is a power generation element having an asymmetric structure. Specifically, in the power generation device, the first and second electrodes and the multilayer structure have different areas. Here, the area means the area of the surface formed by the remaining two axes excluding the thickness of each layer. More specifically, in the power generation device, an area of the first electrode is larger than an area of the multilayer structure, and an area of the multilayer structure is larger than an area of the second electrode. That is, the cross-sectional area of each layer in the power generation device is arranged in the order of first electrode>multilayer structure>second electrode. This is because the external water can permeate and move from the top to the bottom only when the power generation element meets the above relationship.
상기 발전 소자에서 상기 다층 구조체와 상기 발전 소자를 구성하는 전극은 방식으로 구조를 형성해야 한다. 구체적으로, 상기 발전 소자에서 상기 다층 구조체의 제1 층과 상기 발전 소자의 제1 전극 사이에는 어느 층도 존재하지 않아야 한다. 보다 구체적으로, 상기 발전 소자에서 상기 다층 구조체의 제1 층과 상기 제1 전극은 직접 접촉하는 것이다. 만약 상기 제1 전극과 다층 구조체의 제2 층이 접촉하는 경우, 일정한 전력을 장시간 생성할 수 없다. 제2 층에서 생성된 양성자는 에너지 평형 달성을 위해 하부 전극으로 전부 이동하게 되어 일정 시간 동안만 전력이 생성될 수 있기 때문이다. 즉, 상기 다층 구조체의 제1 층은 상기 제2 층에서 생성된 양성자가 유출되는 것을 막고, 상기 다층 구조체에서 형성된 전위 차이를 유지할 수 있기 때문에, 상기 제1 전극과 직접 접촉해야 한다. In the power generation element, the multilayer structure and the electrode constituting the power generation element must form a structure in a manner. Specifically, in the power generation device, no layer should exist between the first layer of the multilayer structure and the first electrode of the power generation device. More specifically, in the power generation device, the first layer of the multilayer structure and the first electrode are in direct contact. If the first electrode and the second layer of the multilayer structure are in contact, constant power cannot be generated for a long time. This is because protons generated in the second layer are all transferred to the lower electrode to achieve energy balance, and thus power can be generated only for a certain period of time. That is, since the first layer of the multilayer structure can prevent protons generated in the second layer from flowing out and maintain a potential difference formed in the multilayer structure, it must directly contact the first electrode.
상기 제1 전극과 제2 전극의 종류와 특성은 특별히 제한되지 않는다. 발전 소자의 박형화 내지 소형화가 가능하게 하고, 충분한 전력을 안정적으로 생성할 수 있는 소재라면 제한 없이 적용하여 상기 제1 및 제2 전극을 제조할 수 있다. 예를 들어, 은 전극을 이용하여 상기 제1 및 제2 전극을 구성할 수 있다. 이렇게 구성된 발전 소자는 대기 중 수분으로부터 직류 전력을, 안정적으로, 지속적으로 생성해낼 수 있다. The types and characteristics of the first electrode and the second electrode are not particularly limited. The first and second electrodes may be manufactured by applying without limitation any material capable of reducing the thickness or miniaturization of the power generation device and stably generating sufficient power. For example, the first and second electrodes may be formed using silver electrodes. The power generation device constructed in this way can stably and continuously generate DC power from moisture in the air.
본 발명의 발전 소자는 추가로, 굽힘 등의 외력 인가 시에도 전기적 성능에 큰 지장이 없다. 이는 다층 구조체의 제2 층을 섬유 재료를 기반하여 구성한 것에도 기인하나, 발전 소자의 지지체인 기판을 유연 기판으로 구성한 것에도 기인한다. 본 발명의 발전 소자는 강성 기판뿐 아니라, 유연 기판을 기판으로 적용할 수 있다. 즉, 일 구현예에서, 상기 기판은 유연 기판일 수 있다. 유연 기판이란, 용어 그대로 고분자(예: PET) 등으로 구성되어 쉽게 휘어지는 특성을 가지는 기판을 지칭한다. In addition, the power generation element of the present invention does not significantly interfere with electrical performance even when an external force such as bending is applied. This is due to the fact that the second layer of the multi-layer structure is made of a fiber material, but also to the fact that the substrate serving as a support for the power generation element is made of a flexible substrate. The power generation device of the present invention can be applied to a flexible substrate as well as a rigid substrate. That is, in one embodiment, the substrate may be a flexible substrate. A flexible substrate, as the term implies, refers to a substrate composed of a polymer (eg, PET) or the like and having a property of being easily bent.
본 발명의 일 실시 상태는 상기 다층 구조체를 제조하는 방법에 관한다. One embodiment of the present invention relates to a method of manufacturing the multilayer structure.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 적어도 4 단계를 포함한다. The method for manufacturing a multilayer structure of the present invention includes at least four steps.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 단백질성 물질을 포함하는 용액 및 상기 용액에 분산된 탄소 나노 소재를 포함하는 분산액을 준비하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 준비된 분산액으로 섬유를 코팅하는 제2 단계; 전도성 고분자를 포함하는 층을 준비하는 제3 단계; 및 상기 제3 단계에서 준비된 층 위에 상기 제2 단계의 결과물의 층을 형성하는 제4 단계를 포함한다. 여기서, 특별히 다르게 언급하지 않는 한, 각 단계를 서수로 기재하였다고 해서 서수가 낮은 단계가 반드시 서수가 높은 단계보다 앞서 진행되는 것을 의미하지는 않는다. The method for manufacturing a multilayer structure of the present invention includes a first step of preparing a solution containing a proteinaceous material and a dispersion containing a carbon nanomaterial dispersed in the solution; A second step of coating fibers with the dispersion prepared in the first step; A third step of preparing a layer containing a conductive polymer; and a fourth step of forming a layer of the product of the second step on the layer prepared in the third step. Here, unless otherwise specified, the fact that each step is described as an ordinal number does not necessarily mean that a step with a lower ordinal number proceeds ahead of a step with a higher ordinal number.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법을 통해 제조되는 다층 구조체는 위에서 설명한 다층 구조체일 수 있다. 따라서, 본 발명 다층 구조체의 제조 방법에 대해서 설명하면서 상기 다층 구조체에 대한 설명과 중복되는 부분은 그 기재를 생략할 수 있다. The multilayer structure manufactured through the manufacturing method of the multilayer structure of the present invention may be the multilayer structure described above. Therefore, while explaining the manufacturing method of the multilayer structure of the present invention, the description of overlapping parts with the description of the multilayer structure may be omitted.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 제1 단계에서 단백질성 물질을 포함하는 용액 및 상기 용액에 분산된 탄소 나노 소재를 포함하는 분산액을 준비한다. 이는 이후 본 발명의 다층 구조체에서 복합재를 구성한다. 여기서 특정 성분이 용액에서 분산된다는 것은, 그 성분이 용액에 잘 녹지 않아 상기 용액에서 관찰 가능한 상태로 존재하는 것을 의미할 수 있다.In the method for manufacturing a multilayer structure of the present invention, in a first step, a solution containing a proteinaceous material and a dispersion containing a carbon nanomaterial dispersed in the solution are prepared. This then constitutes the composite material in the multilayer structure of the present invention. Here, that a specific component is dispersed in a solution may mean that the component does not dissolve well in the solution and exists in an observable state in the solution.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 제2 단계에서 상기 제1 단계에서 준비된 분산액으로 섬유를 코팅한다. 즉 상기 제2 단계에서는 상기 분산액이 상기 섬유의 표면에 있도록 한다. In the method for manufacturing a multilayer structure of the present invention, in a second step, fibers are coated with the dispersion prepared in the first step. That is, in the second step, the dispersion is on the surface of the fiber.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 제3 단계에서 전도성 고분자를 포함하는 층을 준비한다. 본 단계는 상기 다층 구조체의 제1 층을 준비하는 단계로서, 본 단계에서는 이미 전도성 고분자를 포함하게 된 층을 입수하거나, 그러한 층을 제조할 수 있다. In the method for manufacturing a multilayer structure of the present invention, in a third step, a layer containing a conductive polymer is prepared. This step is a step of preparing the first layer of the multilayer structure, and in this step, a layer containing a conductive polymer may be obtained or such a layer may be prepared.
본 발명의 다층 구조체의 제조 방법은, 제4 단계에서 상기 제3 단계에서 준비된 층 위에 상기 제2 단계의 결과물의 층을 형성한다. 즉 상기 제4 단계는 전도성 고분자의 층 위에 상기 분산액으로 만들어진 층을 형성하는 단계다. In the manufacturing method of the multi-layered structure of the present invention, in a fourth step, a layer of the product of the second step is formed on the layer prepared in the third step. That is, the fourth step is a step of forming a layer made of the dispersion on the conductive polymer layer.
일 구현예에서, 상기 제2 단계는 상기 분산액으로 기능성 섬유를 코팅하는 것일 수 있다. 기능성 섬유는 전술한 것처럼, 섬유에 소정의 처리를 가하여 형성된 것으로, 기존 섬유 대비 확장된 다공성 구조를 가질 수 있고, 이렇게 확장된 다공성 구조는 미처리된 섬유 보다 많이 대기 중 수분을 포집할 수 있으며, 상기 복합재의 표면적 증가를 유도할 수 있다. 또한 상기 기능성 섬유는 다층 구조체의 지지체 역할도 할 수 있다. In one embodiment, the second step may be coating functional fibers with the dispersion. As described above, the functional fiber is formed by applying a predetermined treatment to the fiber, and may have an expanded porous structure compared to the existing fiber, and the expanded porous structure can collect more moisture in the atmosphere than the untreated fiber. It can lead to an increase in the surface area of the composite. In addition, the functional fiber may also serve as a support for a multilayer structure.
상기 제2 단계에서 상기 기능성 섬유는 시중에서 입수한 것일 수 있고, 직접 제조되는 것일 수 있다. 후자에 해당하는 경우, 상기 기능성 섬유는 섬유에 열응력(thermal stress)을 가하여 제조되는 것일 수 있다. 상기 구체적으로, 상기 열응력을 가하는 과정은, (i) 상기 섬유를 제1 내지 제3 용매의 순서로 세척하는 과정 및 (ii) 상기 세척된 섬유를 수열 처리한 후, 급냉하는 과정으로 진행될 수 있다. 여기서 상기 제1 내지 제3 용매는 각각 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알코올일 수 있다. 또한 상기 (ii) 과정은 3회 이상 반복될 수 있다. 이와 같은 과정을 거치면 미처리 섬유 대비 조밀한 배열을 가지고, 표면에 친수성 작용기를 가지는 기능성 섬유가 제조될 수 있다. In the second step, the functional fibers may be commercially available or directly manufactured. In the latter case, the functional fiber may be manufactured by applying thermal stress to the fiber. Specifically, the process of applying the thermal stress may be performed by (i) washing the fibers in the order of the first to third solvents and (ii) hydrothermally treating the washed fibers and then rapidly cooling them. there is. Here, the first to third solvents may be acetone, methanol, and isopropyl alcohol, respectively. In addition, the process (ii) may be repeated three or more times. Through such a process, functional fibers having a dense arrangement compared to untreated fibers and having hydrophilic functional groups on the surface can be prepared.
일 구현예에서, 상기 제1 단계에서 준비하는 분산액은 단백질성 물질을 포함하는 용액을 포함한다. 여기서 단백질성 물질은 전술한 것과 같다. 즉, 상기 용액은 전술한 단백질성 물질을 용질로 포함하는 용액이다. 이 용액의 용매의 종류는 제한이 없으나, 물일 수 있다. 바람직하게 이 용액의 용매는 탈이온수다. 이 용액은 소정의 열을 인가하며 상기 단백질성 물질을 용매에 녹이는 과정으로 제조될 수 있다. In one embodiment, the dispersion prepared in the first step includes a solution containing a proteinaceous material. Here, the proteinaceous material is as described above. That is, the solution is a solution containing the above-described proteinaceous material as a solute. The type of solvent of this solution is not limited, but may be water. Preferably the solvent of this solution is deionized water. This solution may be prepared by dissolving the proteinaceous material in a solvent while applying predetermined heat.
일 구현예에서, 상기 단백질성 물질을 포함하는 용액은 상기 단백질성 물질을 소정 량 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 단백질성 물질을 포함하는 용액의 단백질성 물질의 농도는 5 %(w/v) 내지 40 %(w/v)의 범위 내일 수 있다. 바람직하게, 상기 단백질성 물질의 농도의 하한(단위: %(w/v))은 7, 7.5, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5 또는 10.0일 수 있다. 바람직하게, 상기 단백질성 물질의 농도의 상한(단위: %(w/v))은 35, 30, 25, 20, 17.5, 15.0, 12.5, 12.0, 11.5, 11.0, 10.5 또는 10.0일 수 있다. 상기 범위 내에서, 대기 중 수분을 원활히 흡수할 수 있는 다층 구조체를 얻을 수 있다. In one embodiment, the solution containing the proteinaceous material may include a predetermined amount of the proteinaceous material. Specifically, the concentration of the proteinaceous material in the solution containing the proteinaceous material may be in the range of 5% (w/v) to 40% (w/v). Preferably, the lower limit (unit: % (w/v)) of the concentration of the proteinaceous material may be 7, 7.5, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5 or 10.0. Preferably, the upper limit of the concentration of the proteinaceous material (unit: % (w / v)) may be 35, 30, 25, 20, 17.5, 15.0, 12.5, 12.0, 11.5, 11.0, 10.5 or 10.0. Within the above range, a multilayer structure capable of smoothly absorbing moisture in the air can be obtained.
일 구현예에서, 상기 분산액에서 상기 단백질성 물질과 상기 탄소 나노 소재가 차지하는 비율 또한 제어되는 것이 좋다. 예를 들어, 탄소 나노 소재의 함량이 지나치게 많으면 이동성 양성자의 이동 방향이 상기 다층 구조체의 제1 층을 향하지 않을 가능성이 높다. 단백질성 물질은 대기 중 수분을 끌어들이고, 탄소 나노 소재는 위 수분을 보다 내부로 빨아들이기 때문이다. 예를 들어, 상기 분산액은 상기 단백질성 물질(P)와 상기 탄소 나노 소재(C)의 중량 비(P:C)가 1:0.0001 내지 1:0.01의 범위 내일 수 있다. 바람직하게, 상기 비(P:C)의 하한은 1:0003, 1:0005, 1:0007, 1:0009 또는 1:001일 수 있다. 바람직하게, 상기 비(P:C)의 상한은 1:009, 1:007, 1:005, 1:004, 1:003, 1:002 또는 1:001일 수 있다. In one embodiment, the ratio of the proteinaceous material and the carbon nanomaterial in the dispersion may also be controlled. For example, if the content of the carbon nanomaterial is too large, it is highly likely that the moving direction of mobile protons will not be directed toward the first layer of the multilayer structure. This is because protein materials attract moisture from the air, and carbon nanomaterials absorb moisture from above. For example, in the dispersion, the weight ratio (P:C) of the proteinaceous material (P) and the carbon nanomaterial (C) may be in the range of 1:0.0001 to 1:0.01. Preferably, the lower limit of the ratio (P:C) may be 1:0003, 1:0005, 1:0007, 1:0009 or 1:001. Preferably, the upper limit of the ratio (P:C) may be 1:009, 1:007, 1:005, 1:004, 1:003, 1:002 or 1:001.
상기 제2 단계는 전술한 것처럼, 제1 단계에서 얻은 분산액으로 섬유를 코팅하는 단계다. 일 구현예에서, 상기 코팅의 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 분산액을 상기 섬유에 도포하거나, 상기 분산액에 상기 섬유를 담근 후 건져 내는 방식으로 상기 섬유를 상기 분산액으로 코팅할 수 있다. 바람직하게, 상기 코팅은 상기 분산액에 상기 섬유를 담근 후 건져 내는 방식으로 진행될 수 있다. As described above, the second step is a step of coating the fibers with the dispersion obtained in the first step. In one embodiment, the coating method is not particularly limited. For example, the fibers may be coated with the dispersion by applying the dispersion to the fibers or dipping the fibers in the dispersion and then taking them out. Preferably, the coating may be performed in a manner in which the fiber is immersed in the dispersion and then taken out.
상기 제3 단계는 전술한 것처럼 상기 다층 구조체의 제1 층을 준비하는 단계다. 상기 제1 층을 직접 제조하는 경우, 상기 제3 단계는 전도성 고분자를 포함하는 용액을 기재 등에 도포한 후, 이를 건조하는 방식으로 제조할 수 있다. 일 예시에서, 상기 제3 단계는 전도성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하고, 상기 코팅된 전도성 고분자를 포함하는 용액을 30 ℃ 내지 300 ℃의 범위 내의 온도에서 열처리하는 것일 수 있다. The third step is a step of preparing the first layer of the multilayer structure as described above. In the case of directly manufacturing the first layer, the third step may be prepared by applying a solution containing a conductive polymer to a substrate and then drying it. In one example, the third step may be coating a solution containing a conductive polymer and heat-treating the solution containing the coated conductive polymer at a temperature in the range of 30 °C to 300 °C.
상기 제4 단계는 상기 다층 구조체의 제2 층을 제조하는 단계다. 상기 제1 층 위에 상기 제2 단계의 결과물(즉 상기 분산액으로 코팅된 상기 섬유)을 위치, 구체적으로 침전(deposition) 시키고, 상기 침전된 결과물을 30 ℃ 내지 300 ℃의 범위 내의 온도에서 열처리하는 것일 수 있다. The fourth step is a step of manufacturing the second layer of the multilayer structure. Positioning, specifically depositing the product of the second step (ie, the fiber coated with the dispersion) on the first layer, and heat-treating the precipitated product at a temperature in the range of 30 ° C to 300 ° C can
위의 과정을 거치면 본 발명에서 언급하는 수분 유도 발전이 가능한 다층 구조체를 제조할 수 있다. Through the above process, it is possible to manufacture a multi-layered structure capable of generating moisture-induced electricity mentioned in the present invention.
본 발명의 일 실시 상태는, 발전 소자의 제조 방법에 관한다. 이 방법으로 제조되는 발전 소자는 전술한 발전 소자다. 따라서, 이 방법에 대해서 설명하면서 전술한 발전 소자에 대한 설명과 중복되는 부분은 생략한다. One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a power generation element. The power generating element manufactured by this method is the power generating element described above. Therefore, while explaining this method, overlapping parts with the description of the power generation element described above will be omitted.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은, 적어도 3 단계를 포함한다.The method for manufacturing a power generation element of the present invention includes at least three steps.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 제1 단계에서 기판 위에 형성된 제1 전극을 준비한다. 즉 기판 위에 이미 제1 전극이 준비된 형태의 구조체를 입수하거나, 미리 준비된 기판 위에 제1 전극을 형성하는 방법 등으로 기판 위에 형성된 제1 전극을 준비할 수 있다. In the method of manufacturing a power generation device of the present invention, in a first step, a first electrode formed on a substrate is prepared. That is, the first electrode formed on the substrate may be prepared by obtaining a structure in which the first electrode is already prepared on the substrate or by forming the first electrode on the substrate prepared in advance.
일 예시에서, 본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 제1 단계에서 기판 상에 제1 전극을 코팅 방식으로 침전시킬 수 있다. 코팅 방식으로는 예를 들어, 바 프린팅(bar printing) 법을 적용할 수 있다. 상기 방법은, 필요에 따라, 제1 전극을 코팅한 후 소정의 온도 및 시간 조건에서 어닐링(annealing)할 수 있다.In one example, in the manufacturing method of the power generation device of the present invention, in a first step, the first electrode may be deposited on the substrate in a coating manner. As the coating method, for example, a bar printing method may be applied. In the method, if necessary, after coating the first electrode, annealing may be performed under predetermined temperature and time conditions.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 제2 단계에서 상기 제1 전극 위에 형성된 다층 구조체를 제조한다. 여기서 다층 구조체는 전술한 방법으로 제조되는 것이다. 또한, 전술한 것처럼 다층 구조체의 제1 층은 발전 소자의 제1 전극 측에 있을 수 있다. 따라서, 즉 상기 다층 구조체의 제조 방법의 제3 단계는 상기 제1 전극 위에 전도성 고분자를 포함하는 층을 준비하는 방식으로 진행될 수 있다. In the method for manufacturing a power generation device of the present invention, a multilayer structure formed on the first electrode is manufactured in a second step. Here, the multilayer structure is manufactured by the method described above. Also, as described above, the first layer of the multi-layer structure may be on the first electrode side of the power generation element. Therefore, that is, the third step of the manufacturing method of the multilayer structure may be performed by preparing a layer including a conductive polymer on the first electrode.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 제3 단계에서 상기 다층 구조체 위에 제2 전극을 형성한다. 전술한 것처럼, 다층 구조체의 제2 층은 발전 소자의 제2 전극 측에 있을 수 있다. 즉 상기 제3 단계는 상기 다층 구조체의 제2 층 측에 제2 전극을 침전시킬 수 있다. In the method of manufacturing a power generation device of the present invention, a second electrode is formed on the multilayer structure in a third step. As described above, the second layer of the multilayer structure may be on the side of the second electrode of the power generating element. That is, the third step may deposit the second electrode on the second layer side of the multi-layer structure.
일 예시에서, 상기 제3 단계는 상기 다층 구조체의 제2 층 측에 제2 전극을 코팅한 후 어닐링 할 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 단계는 상기 다층 구조체의 제2 층 측에 (제2 전극을 형성할 수 있는) 전도성 은 페이스트를 코팅한 후 소정의 온도 및 시간 조건에서 어닐링할 수 있다.In one example, the third step may be annealing after coating the second electrode on the second layer side of the multilayer structure. Specifically, in the third step, a conductive silver paste (capable of forming the second electrode) is coated on the second layer side of the multilayer structure and then annealed under predetermined temperature and time conditions.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 또한, 상기 제1 전극, 상기 다층 구조체 및 상기 제2 전극이 전술한 면적 대소 관계를 충족하도록 제조한다. 즉, 본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 상기 제1 전극의 면적이 상기 다층 구조체의 면적보다 크도록 하고, 상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크도록 한다. In the manufacturing method of the power generation element of the present invention, the first electrode, the multilayer structure, and the second electrode are manufactured to satisfy the above-described area size relationship. That is, in the manufacturing method of the power generation device of the present invention, the area of the first electrode is larger than the area of the multi-layer structure, and the area of the multi-layer structure is larger than the area of the second electrode.
본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 또한 상기 다층 구조체의 제1 층과 상기 발전 소자의 제1 전극 사이에는 어느 층도 존재하지 않도록 진행해야 한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 발전 소자의 제조 방법은 상기 발전 소자에서 상기 다층 구조체의 제1 층과 상기 제1 전극이 직접 접촉하도록 진행해야 한다. The manufacturing method of the power generation element of the present invention should also proceed so that no layer exists between the first layer of the multilayer structure and the first electrode of the power generation element. More specifically, the manufacturing method of the power generation device of the present invention should proceed so that the first layer of the multilayer structure and the first electrode are in direct contact with the power device.
적어도 위의 과정을 진행하면 대기 중 수분을 이용하여, 안정적이고, 지속적으로 자가 발전이 가능한 발전 소자를 제조할 수 있다. 또한 위의 과정은 용액 공정을 수반하기 때문에, 기존의 발전 소자 제법 대비 훨씬 간편하며, 소자의 대량 생산 또한 가능하다. If at least the above process is carried out, a power generation element capable of stable and continuous self-power generation can be manufactured using moisture in the air. In addition, since the above process involves a solution process, it is much simpler than conventional power generation device manufacturing methods, and mass production of devices is also possible.
이하, 실시예로 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예. 발전 소자(MG-EF)Example. Power generation element (MG-EF)
아래 과정을 통해 발전 소자를 제조하였다. A power generation device was manufactured through the following process.
1. PET 기판 상에 바 프린팅을 이용하여 은 전극을 침전시킨다. 이어서 80 ℃에서 5 분 동안 어닐링한다. 1. Deposit a silver electrode on a PET substrate using bar printing. This is followed by annealing at 80 °C for 5 min.
2. Airbrush gun을 이용하여 1 mL의 PEDOT:PSS 용액(Sigma Aldrich)을 상기 은 전극 상에 스프레이 코팅한다. 여기서, 스프레이 코팅은 5 cm의 이격 거리와 5 cm/s의 이동 속도의 조건으로 진행한다. 2. Using an airbrush gun, 1 mL of PEDOT:PSS solution (Sigma Aldrich) is spray coated on the silver electrode. Here, the spray coating proceeds under conditions of a separation distance of 5 cm and a moving speed of 5 cm/s.
3. 위 2.에서 코팅된 PEDOT:PSS를 대기 조건, 120 ℃의 온도에서, 30 분 간 건조한다.3. Dry the PEDOT:PSS coated in 2. above for 30 minutes under atmospheric conditions at a temperature of 120 °C.
4. 하기 과정에 따라 복합재 분산액을 제조한다:4. Prepare the composite dispersion according to the following procedure:
4.1 돼지 피부에서 추출한 젤라틴 파우더(Sigma Aldrich)를 준비한다. 4.1 Prepare gelatin powder (Sigma Aldrich) extracted from pig skin.
4.2 80 ℃에서 30분 동안 젤라틴 파우더를 Deionized Water(탈이온수, DI water)에 10 w/v%의 농도로 녹인다.4.2 Dissolve the gelatin powder in Deionized Water (DI water) at a concentration of 10 w/v% at 80 °C for 30 minutes.
4.3 다중벽 탄소 나노튜브(Sigma Aldrich)를 (4-2)의 결과물에 투입하고, 80 ℃에서 24시간 동안 초음파 처리한다. 여기서, 투입된 다중벽 탄소 나노튜브(M)와 위 4.2에서 투입한 젤라틴 파우더(G)의 중량비(G:M)은 1:0.001이다.4.3 Multi-walled carbon nanotubes (Sigma Aldrich) were added to the product of (4-2), and sonicated at 80 ° C for 24 hours. Here, the weight ratio (G:M) of the multi-walled carbon nanotubes (M) introduced and the gelatin powder (G) introduced in 4.2 above is 1:0.001.
5. 하기 과정에 따라 기능성 섬유(Engineered Fabric, EF)를 얻는다:5. Obtain functional fibers (Engineered Fabric, EF) according to the following process:
5.1 아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올 각각에 10분 동안 셀룰로오스 피브린(Sigma Aldrich)를 초음파 세척한다. 5.1 Ultrasonic wash cellulose fibrin (Sigma Aldrich) in acetone, methanol, and isopropyl alcohol for 10 minutes each.
5.2 위 5.1 과정에서 세척한 섬유를 150 ℃에서 1시간 동안 열수 처리(hydrothermal treatment)한다. 5.2 Hydrothermal treatment of the fibers washed in step 5.1 above at 150 ℃ for 1 hour.
5.3 위 5.2 과정의 결과물을 10 ℃ 이하의 탈이온수를 사용하여 급랭시킨다. 5.3 Rapidly cool the result of the above 5.2 process using deionized water below 10 ℃.
5.4 위 5.2 및 5.3 과정을 적어도 3회 반복 진행한다. 5.4 Repeat steps 5.2 and 5.3 at least three times.
6. 위 4. 과정에서 얻은 복합재 분산액으로 위 5. 과정에서 얻은 기능성 섬유를 코팅한다. 구체적으로, 상기 복합재 분산액에 상기 기능성 섬유를 담근 후 건져낸다. 6. Coat the functional fibers obtained in step 5 above with the composite dispersion obtained in step 4 above. Specifically, the functional fibers are immersed in the composite dispersion and then taken out.
7. 위 6. 과정에서 코팅된 기능성 섬유를 위 3. 과정에서 얻은 구조체(은/PEDOT:PSS 전극) 위에 침전시킨 후, 70 ℃에서 20분 동안 어닐링한다. 7. After precipitating the functional fiber coated in step 6. above on the structure (silver/PEDOT:PSS electrode) obtained in step 3. above, annealing was performed at 70 °C for 20 minutes.
8. 위 7. 의 결과물의 상부에 전도성 은 페이스트(ED Chemical)를 한 변의 길이가 0.3 cm인 정사각형 형태로 도포한다. 이어서 80 ℃에서 5 분 동안 어닐링한다.8. Apply conductive silver paste (ED Chemical) on top of the result of 7. above in a square shape with a side length of 0.3 cm. This is followed by annealing at 80 °C for 5 min.
실시예 2. 발전 소자(G 농도 5 w/v%)Example 2. Power generation device (G concentration 5 w/v%)
위 4.2 과정에서 젤라틴을 5 w/v%의 농도로 녹인 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was performed except that the gelatin was dissolved at a concentration of 5 w / v% in the above process 4.2.
실시예 3. 발전 소자(G 농도 15 w/v%)Example 3. Power generation device (G concentration 15 w/v%)
위 4.2 과정에서 젤라틴을 15 w/v%의 농도로 녹인 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was carried out, except that the gelatin was dissolved at a concentration of 15 w / v% in the above process 4.2.
실시예 4. 발전 소자(G 농도 20 w/v%)Example 4. Power generation device (G concentration 20 w/v%)
위 4.2 과정에서 젤라틴을 20 w/v%의 농도로 녹인 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was performed except that the gelatin was dissolved at a concentration of 20 w / v% in the above process 4.2.
실시예 5. 발전 소자(G:M=1:0.0001)Example 5. Power generation element (G:M=1:0.0001)
위 4.3 과정에서 젤라틴(G)과 다중벽 탄소 나노 튜브(M)의 중량비(G:M)을 1:0.0001로 한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. In the process of 4.3 above, the same process as in Example was performed except that the weight ratio (G:M) of gelatin (G) and multi-walled carbon nanotubes (M) was 1:0.0001.
실시예 6. 발전 소자(G:M=1:0.01)Example 6. Power generation element (G:M=1:0.01)
위 4.3 과정에서 젤라틴(G)과 다중벽 탄소 나노 튜브(M)의 중량비(G:M)을 1:0.01로 한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다.In the process of 4.3 above, the same process as in Example was performed, except that the weight ratio (G:M) of gelatin (G) and multi-walled carbon nanotubes (M) was set to 1:0.01.
비교예 1. 발전 소자(EF)Comparative Example 1. Power Generation Element (EF)
위 4. 의 과정과 6. 의 과정을 진행하지 않고, 위 7. 과정에서 코팅된 기능성 섬유 대신 기능성 섬유를 적용하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was carried out except for applying the functional fiber instead of the coated functional fiber in the above process 7. without proceeding with the process of 4. and 6. above.
비교예 2. 발전 소자(M-EF)Comparative Example 2. Power Generation Element (M-EF)
위 4. 과정을 진행하지 않는 것, 위 6. 과정에서 다중벽 탄소 나노튜브로 기능성 섬유를 코팅하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. 구체적으로 위 6. 과정에서 실시예에서 사용한 다중벽 탄소 나노튜브를 물에 분산시킨 용액을 얻고, 그 용액에 기능성 섬유를 담근 후 건져내는 과정을 진행한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was performed, except that the above process 4. was not performed, and the functional fibers were coated with the multi-walled carbon nanotubes in the above process 6. Specifically, in step 6. above, the same process as in Example was performed except that a solution obtained by dispersing the multi-walled carbon nanotubes used in the example in water was obtained, and the functional fiber was immersed in the solution and then scooped out. did.
비교예 3. 발전 소자(G-EF)Comparative Example 3. Power Generation Element (G-EF)
위 4.3 과정을 진행하지 않아서 물에 녹인 젤라틴을 얻는 것, 위 6. 과정에서 물에 녹인 젤라틴으로 기능성 섬유를 코팅하는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다.The same process as in Example was carried out, except that the gelatin dissolved in water was obtained by not proceeding with the process 4.3 above, and the functional fiber was coated with the gelatin dissolved in water in the process 6. above.
비교예 4. 발전 소자(Without PEDOT:PSS)Comparative Example 4. Power Generation Element (Without PEDOT: PSS)
위 2. 및 3. 과정을 진행하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 과정을 진행했다. The same process as in Example was performed except that the above 2. and 3. processes were not performed.
본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 모식도를 도 1에 나타내었다. 도 1에 따르면, 본 발명의 발전 소자는 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 젤라틴 나노 복합체 분산액으로 코팅된 기능성 섬유가, 은/PEDOT:PSS 전극 위에 증착되는 구조를 가진다.A schematic diagram of a power generation device according to Example 1 of the present invention is shown in FIG. 1 . According to FIG. 1, the power generation device of the present invention has a structure in which functional fibers coated with a multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and gelatin nanocomposite dispersion are deposited on a silver/PEDOT:PSS electrode.
도 2는 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 측단면 SEM 사진이다. 도 2를 통해 본 발명 실시예에 따른 발전 소자에서 MWCNT와 젤라틴 나노 복합체 분산액으로 코팅된 기능성 섬유의 층(MG-EF) 두께는 약 340 ㎛임을 확인하였다. 이를 통해 대기 중 수분이 충분히 통과할 수 있음을 알 수 있었다. 2 is a cross-sectional side SEM photograph of a power generation device according to Example 1 of the present invention. It was confirmed through FIG. 2 that the thickness of the functional fiber layer (MG-EF) coated with the MWCNT and gelatin nanocomposite dispersion in the power generation device according to the embodiment of the present invention was about 340 μm. Through this, it was found that moisture in the air could pass through sufficiently.
도 3은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 디지털 카메라 사진이다. 구체적으로, 도 3은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자를 손으로 굽힌 모습을 디지털 카메라로 촬영한 사진이다. 도 3을 통해 본 발명의 발전 소자는 외력을 가해 굽힐 수 있는 점을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명의 소자를 유연 하베스팅 소자(Flexible Harvesting Element)로서 적용할 수 있음을 예상할 수 있다.3 is a digital camera photograph of a power generation device according to Example 1 of the present invention. Specifically, FIG. 3 is a photograph taken with a digital camera of a state in which the power generating element according to the first embodiment of the present invention is bent by hand. It can be seen from FIG. 3 that the power generation element of the present invention can be bent by applying an external force. Through this, it can be expected that the device of the present invention can be applied as a flexible harvesting element.
도 4는 본 발명 발전 소자의 동작 기작의 모식도다. 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 발전 소자의 작용 기작을 설명한다. 소자가 수분에 노출되어 MG-EF가 수화 작용하면, MG-EF 내의 친수성 작용기(예: -COOH)가 해리되어 이동성 양성자(H+)가 생성된다. 이동성 양성자는 두 가지 주요 메커니즘(Grotthuss 메커니즘과 Vehicle 메커니즘)에 따라 MG-EF의 하부 표면으로 이동된다. 그 결과 MG-EF의 상부 표면에는 친수성 작용기의 음이온(COO-)이 존재하고 하부에는 이동성 양성자가 존재하게 된다. 이에 따라 MG-EF의 상부 및 하부 간에 전위차가 발생하게 된다. 위 이동성 양성자는 MG-EF에 인접한 PEDOT:PSS와 반응한다. 이동성 양성자와 PSS- 사이의 이온 결합은 PEDOT+와 PSS- 사이의 쿨롱 힘보다 강하기 때문에, 위 반응의 결과 양으로 대전된 PEDOT+과 PSSH가 생성된다(아래 식 참조). Figure 4 is a schematic diagram of the operating mechanism of the power generation element of the present invention. Referring to FIG. 4 , the mechanism of operation of the power generation element according to the present invention will be described. When the device is exposed to moisture and MG-EF undergoes hydration, a hydrophilic functional group (eg -COOH) in MG-EF dissociates to generate a mobile proton (H + ). Mobile protons migrate to the lower surface of MG-EF by two main mechanisms: Grotthuss mechanism and Vehicle mechanism. As a result, an anion (COO - ) of a hydrophilic functional group exists on the upper surface of MG-EF, and mobile protons exist on the lower surface. Accordingly, a potential difference is generated between the upper and lower portions of the MG-EF. Gastric mobile protons react with PEDOT:PSS adjacent to MG-EF. Since the ionic bond between the mobile proton and PSS- is stronger than the Coulombic force between PEDOT + and PSS - , the above reaction results in the production of positively charged PEDOT+ and PSSH (see equation below).
또한 이동성 양성자와 PSS- 사이의 이온 결합으로 인한 전하 차단(Charge Screening)은 PEDOT:PSS 층 하부에 PEDOT+ 응집 영역을 형성한다. 그 결과, MG-EF 층 상부 표면의 친수성 작용기의 음이온(COO-) 영역과 PEDOT:PSS 층 하부 표면의 PEDOT+ 응집 영역 사이에서 전위차가 발생한다. 이로써 전력을 생산할 수 있다. In addition, charge screening due to ionic bonding between mobile protons and PSS- forms PEDOT+ aggregation regions at the bottom of the PEDOT:PSS layer. As a result, a potential difference is generated between the anion (COO-) region of the hydrophilic functional group on the upper surface of the MG-EF layer and the PEDOT+ aggregation region on the lower surface of the PEDOT:PSS layer. This can generate power.
친수성 작용기의 구배가 없는 기존 발전 소자에서 생성된 전력은 장치의 포화 수화로 인해 대기 중 수분을 이용한 전력 생산이 지속하기 어렵다. 그러나 MG-EF에서 친수성 작용기의 구배가 일정하게 유지되는 본 발명 발전 소자는 연속적으로 전력을 생산할 수 있고, 이는 양성자와 PSS- 사이의 상호 작용에 의하여 양으로 대전된 PEDOT+ 영역을 통해 구현될 수 있다.It is difficult to sustain power generation using moisture in the air due to saturated hydration of the device in the power generated from existing power generation devices without a hydrophilic functional group gradient. However, the power generation device of the present invention, in which the gradient of the hydrophilic functional group is maintained constant in MG-EF, can continuously generate power, which can be realized through the positively charged PEDOT + region by the interaction between protons and PSS - . there is.
도 5는 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 전류-전압 곡선이다. 구체적으로, 도 5는 90 RH% 및 상온(24 ℃ 내지 27 ℃)에서 측정한 본 발명 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3에 따른 발전 소자의 전류-전압 곡선이다. 전류-전압 곡선은 Keithley 2400 장비(Keithley社)를 이용하여 각 시편을 prove station에 위치시키고, 양 전극에 + 및 - 탐침(prove)을 접촉시켜서 측정했다. 도 5에 따르면, 비교예의 발전층은 높은 습도 분위기에도 절연 또는 절연에 가까운 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 반면, 도 5에 따르면 실시예의 발전층은 양성자의 생성으로 인해 높은 전류 값을 가지는 것을 알 수 있다. 5 is current-voltage curves of power generating devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. Specifically, FIG. 5 is a current-voltage curve of the power generation device according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention measured at 90 RH% and room temperature (24 ° C to 27 ° C). The current-voltage curve was measured by placing each specimen in a prove station using Keithley 2400 equipment (Keithley Co.) and contacting both electrodes with + and - probes. According to FIG. 5, it can be seen that the power generation layer of Comparative Example exhibits insulating or close to insulating characteristics even in a high humidity atmosphere. On the other hand, according to FIG. 5, it can be seen that the power generation layer of the embodiment has a high current value due to the generation of protons.
또한, 하기 식에 따라 각 발전층의 전기 전도도를 계산하였으며, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 실시예에 따른 발전 소자의 전기 전도도는 각각 84.0 pS/cm, 0.43μS/cm, 0.36 mS/cm 및 2.55 mS/cm으로 실시예에 따른 발전 소자가 가장 전기 전도도가 높았다:In addition, the electrical conductivity of each power generation layer was calculated according to the following formula, and the electrical conductivity of the power generation device according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Example was 84.0 pS/cm, 0.43 μS/cm, and 0.36, respectively. At mS/cm and 2.55 mS/cm, the power generation device according to the example had the highest electrical conductivity:
(σ: 전기 전도도, G: 컨덕턴스, l: 발전층의 두께 및 A: 발전층의 면적)(σ: electrical conductivity, G: conductance, l: thickness of power generation layer and A: area of power generation layer)
도 6 및 도 7은 도 5의 전류-전압 곡선을 통해 얻은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 개방 전압 및 단락 전류다. 구체적으로 도 6 및 도 7은 도 5의 전류-전압 곡선을 통해 얻은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 개방 전압 및 단락 전류다. 6 and 7 show the present invention Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF) and Comparative Example 3 (G-EF) obtained through the current-voltage curve of FIG. ) is the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation element according to Specifically, FIGS. 6 and 7 show the present invention Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G) obtained through the current-voltage curve of FIG. 5 -EF) is the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation element.
도 6에 따르면 본 발명 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압은 각각 0.02 V, 0.05 V, 0.66 V 및 0.95 V임을 확인할 수 있다. 도 7에 따르면 본 발명 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 1에 따른 발전 소자의 단락 전류는 각각 0.13 nA, 0.43 nA, 6.03 μA 및 51.7 μA임을 확인할 수 있다. According to FIG. 6, it can be seen that the open-circuit voltages of the power generation devices according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Example 1 of the present invention are 0.02 V, 0.05 V, 0.66 V, and 0.95 V, respectively. According to FIG. 7 , it can be seen that the short-circuit currents of the power generation devices according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Example 1 of the present invention are 0.13 nA, 0.43 nA, 6.03 μA, and 51.7 μA, respectively.
도 5 내지 도 7을 종합하면, 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자만이 우수한 전기전도도 및 출력으로 전력 생산이 가능한 점을 확인할 수 있다. 또한, 위의 결과는 섬유가 가지는 친수성 작용기와 이에 코팅된 탄소 나노 소재와 젤라틴의 복합적 작용에 의한 것임을 알 수 있다. 5 to 7, it can be confirmed that only the power generation device according to the first embodiment of the present invention can generate power with excellent electrical conductivity and output. In addition, it can be seen that the above result is due to the complex action of the hydrophilic functional group of the fiber and the carbon nanomaterial and gelatin coated thereon.
도 8은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 발전층 측단면 SEM 사진이다. 도 8을 통해 젤라틴이 적용되지 않은 비교예 1과 비교예 2에 따른 발전 소자는 서로 유사한 구조를 보여주는 것을 확인할 수 있다. 그리고 도 8을 통해 비교예 3과 실시예 1에 따른 발전 소자의 발전층은 서로 유사한 구조를 보여주는 것 및 이들이 젤라틴이 적용되지 않은 비교예 1 및 비교예 2에 따른 발전 소자의 발전층과 비교하여 더 거친 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다. 8 is a side cross-sectional SEM image of a power generation layer of a power generation device according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. . It can be seen from FIG. 8 that the power generation devices according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 to which gelatin was not applied show similar structures to each other. And through FIG. 8, the power generation layers of the power generation devices according to Comparative Example 3 and Example 1 show similar structures to each other, and they are compared with the power generation layers of the power generation devices according to Comparative Examples 1 and 2 to which gelatin is not applied. It can be seen that it has a rougher surface.
도 9는 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 XPS 분석 결과다. XPS 분석은 ThermoFisher Scientific 사의 K-Alpha+를 이용하여 진행했다. 구체적으로 도 9는 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 발전층에 대해 XPS 분석을 진행하여 얻은 고해상도 C1s peak를 도시한 것이다. 도 9에서 각 스펙트럼은 sp2와 sp3로 혼성화된 탄소(C-C, 284.78 eV), 에폭사이드기(C-O-C, 286.16 eV) 및 카르복실기(O=C-O, 287.88 eV)로 디컨벌루션(deconvolution) 되어 있다.9 is an XPS analysis result of power generating devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. XPS analysis was performed using K-Alpha+ from ThermoFisher Scientific. Specifically, FIG. 9 shows XPS analysis of power generation layers of power generation devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF). It shows the high-resolution C 1s peak obtained by the process. In FIG. 9, each spectrum is deconvolved into a carbon (CC, 284.78 eV) hybridized with sp 2 and sp 3 , an epoxide group (COC, 286.16 eV), and a carboxyl group (O=CO, 287.88 eV).
도 10은 본 발명 실시예 1(MG-EF), 비교예 1(EF), 비교예 2(M-EF) 및 비교예 3(G-EF)에 따른 발전 소자의 발전층에 대해 XPS 분석을 진행하여 얻은 고해상도 C1s peak를 통해 측정한 카르복실기의 원자 비율을 나타낸 것이다. 도 10을 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자가 가장 높은 카르복시기(친수성 작용기)를 가지기 때문에 비교예에 따른 발전 소자 대비 더 많은 양성자를 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 카르복실기가 물로 해리되면 양성자를 생성하며, 각 소자의 카르복시기의 비율을 알면 이의 성능을 정량적으로 확인할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 발전 소자가 비교예에 따른 발전 소자 대비 더 우수한 발전 성능을 가지는 것을 알 수 있다.10 is an XPS analysis of power generation layers of power generation devices according to Example 1 (MG-EF), Comparative Example 1 (EF), Comparative Example 2 (M-EF), and Comparative Example 3 (G-EF) of the present invention. It shows the atomic ratio of the carboxyl group measured through the high-resolution C 1s peak obtained by the process. 10, it can be confirmed that since the power generation device according to Example 1 of the present invention has the highest carboxyl group (hydrophilic functional group), more protons can be generated compared to the power generation device according to the comparative example. Protons are generated when the carboxyl group dissociates into water, and its performance can be quantitatively confirmed by knowing the ratio of carboxyl groups in each element. Therefore, it can be seen that the power generation device according to the embodiment has better power generation performance than the power generation device according to the comparative example.
도 11은 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다. 도 11을 통해 10 %, 30 %, 50 %, 70 % 및 90 %의 상대 습도 조건에서 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전기 전도도는 각각 8.42 nS/cm, 14.0 nS/cm, 0.17 μS/cm, 0.34 mS/cm 및 2.55 mS/cm이다. 이는 습도가 증가하면 발전층 표면에서 흡착하는 물 분자의 농도가 증가하고, 물에 의한 친수성 작용기의 해리 과정에서 발생하여 전력 생성에 관여하는 이동성 양성자가 증가하기 때문이라고 이해된다. 11 is a voltage-current curve of a power generation device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity. 11, the electrical conductivities of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured under relative humidity conditions of 10%, 30%, 50%, 70%, and 90% were 8.42 nS/cm, 14.0 nS/cm, and 0.17, respectively. μS/cm, 0.34 mS/cm and 2.55 mS/cm. It is understood that this is because when the humidity increases, the concentration of water molecules adsorbed on the surface of the power generation layer increases, and the number of mobile protons involved in power generation increases due to the dissociation of hydrophilic functional groups by water.
도 12는 시간에 따라 습도를 변화시키면서 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전기 저항이다. 도 12를 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전기 저항은 습기(Moist)에 노출 시 급감하지만, 저습도 조건(N2)에서는 절연 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명 발전 소자에서 진행하는 친수성 작용기의 이온화는 가역적으로 진행되는 것을 알 수 있다. 또한 도 12를 통해 이러한 가역성이 10000초 동안 지속되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 발명 발전 소자는 지속적으로 전력을 생산할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 10000초는 측정 여건에 따라 결정된 것이며, 이보다 훨씬 더 긴 시간 동안 전력 생산이 가능할 것이라 예상된다.12 is the electrical resistance of the power generation element according to Example 1 of the present invention measured while changing the humidity over time. 12, it can be seen that the electrical resistance of the power generation device according to Example 1 of the present invention rapidly decreases when exposed to moisture, but exhibits insulating characteristics under low humidity conditions (N2). Through this, it can be seen that the ionization of the hydrophilic functional group in the power generation device of the present invention proceeds reversibly. In addition, it can be confirmed through FIG. 12 that this reversibility lasts for 10000 seconds, and through this, it can be seen that the power generation device of the present invention can continuously produce power. Here, 10000 seconds is determined according to measurement conditions, and it is expected that power generation will be possible for a much longer time than this.
도 13은 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압이다. 도 14는 상대 습도를 다르게 하여 도시한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 단락 전류다. 도 13 및 도 14를 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압 및 단락 전류는 상대 습도에 따라 증가하고, 90 %의 RH에서는 각각 0.95 V 및 51.73 μA임을 확인할 수 있다. 이는 친수성 작용기가 해리되어 양성자를 생성한 것을 의미한다. XPS 분석을 통해 대기 중 수분이 높으면 소자의 전기적 성능을 높아지는 점을 알아 냈고, 양성자가 위 전기적 성능을 향상시키는데 관여하는 것을 알고 있기 때문이다. 13 is an open-circuit voltage of a power generating device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity. 14 is a short-circuit current of a power generating device according to Example 1 of the present invention shown with different relative humidity. 13 and 14, it can be seen that the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation device according to Example 1 of the present invention increase with relative humidity and are 0.95 V and 51.73 μA, respectively, at 90% RH. This means that the hydrophilic functional group is dissociated to generate a proton. Through XPS analysis, it was found that the electrical performance of the device increases when the moisture content in the air is high, and it is known that protons are involved in improving the above electrical performance.
도 15은 상대 습도와 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압의 선형 회귀분석 결과다. 도 16은 상대 습도와 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압의 선형 회귀분석 결과다. 도 15 및 도 16에서 기울기가 각각 0.01 V/RH% 및 0.66 μA/RH%인 선형 함수를 확인할 수 있다. 15 is a linear regression analysis result of the relative humidity and the open-circuit voltage of the power generation device according to Example 1 of the present invention. 16 is a linear regression analysis result of the relative humidity and the open-circuit voltage of the power generation device according to Example 1 of the present invention. 15 and 16, linear functions having slopes of 0.01 V/RH% and 0.66 μA/RH%, respectively, can be seen.
도 17은 본 발명 실시예(10 w/v%), 실시예 2(5 w/v%), 실시예 3(15 w/v%) 및 실시예 4(20 w/v%)에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다. 도 17을 통해 본 발명 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4 각각의 전기 전도도는 각각 0.13 mS/cm, 73.0 nS/cm, 0.22 μS/cm 및 0.16 μS/cm임을 확인할 수 있다. 이를 통해 발전 소자의 전기적 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 그 제조 과정에서 단백질성 물질의 용액 내 농도를 적당히 조절해야 함을 알 수 있다.단백질성 성분의 농도가 지나치게 높으면, 삼중 나선 구조의 밀도가 증가하여 단백질성 성분 간의 응집이 일어나고, 이 응집에 따라 발전층의 삼투압이 높아지며, 그 결과 대기 중 수분의 흡착이 억제되기 때문이다. 또한, 단백질성 성분의 농도가 지나치게 낮으면 수분 흡착에 필요한 젤라틴 사슬의 수가 부족하기 때문이다. 17 shows power generation according to Example (10 w/v%), Example 2 (5 w/v%), Example 3 (15 w/v%), and Example 4 (20 w/v%) of the present invention. It is the voltage-current curve of the device. 17, it can be seen that the electrical conductivities of Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 of the present invention are 0.13 mS/cm, 73.0 nS/cm, 0.22 μS/cm, and 0.16 μS/cm, respectively. . From this, it can be seen that in order to further improve the electrical performance of the power generation device, the concentration of the proteinaceous material in the solution should be properly adjusted during the manufacturing process. If the concentration of the proteinaceous component is too high, the density of the triple helix structure increases, This is because aggregation between protein components occurs, and the osmotic pressure of the power generation layer increases according to this aggregation, and as a result, the adsorption of moisture in the air is suppressed. Also, if the concentration of the proteinaceous component is too low, the number of gelatin chains required for moisture adsorption is insufficient.
도 18은 본 발명 실시예 1(G:M=1:0.001), 비교예 3(G:M=1:0), 실시예 5(G:M=1:0.0001) 및 실시예 6(G:M=1:0.01)에 따른 발전 소자의 전압-전류 곡선이다. 도 18에 따르면 실시예, 비교예 3, 실시예 5 및 실시예 6 발전 소자의 전기 전도도는 각각 2.55 mS/cm, 0.13 mS/cm, 1.85 mS/cm 및 0.34 mS/cm임을 확인할 수 있다. 이를 통해 발전 소자의 전기적 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 그 제조 과정에서 단백질성 물질과 탄소 나노 소재 사이의 비율 또한 적절히 조절해야 함을 알 수 있다. 탄소 나노 소재는 이동성 양성자와 제2 층의 친수성 작용기 사이의 상호 작용을 증가시켜서 그 비율이 지나치게 높으면 이동성 양성자가 제2 층과 제1 층 사이의 전위차를 형성시키는 방향으로 이동하지 못하기 때문이다. 또한, 탄소 나노 소재의 비율이 지나치게 낮으면 발전 성능이 충분히 확보될 수 없기 때문이다. Figure 18 is the present invention Example 1 (G: M = 1: 0.001), Comparative Example 3 (G: M = 1: 0), Example 5 (G: M = 1: 0.0001) and Example 6 (G: It is a voltage-current curve of the power generation device according to M = 1:0.01). According to FIG. 18, it can be seen that the electrical conductivities of the power generation devices of Example, Comparative Example 3, Example 5, and Example 6 are 2.55 mS/cm, 0.13 mS/cm, 1.85 mS/cm, and 0.34 mS/cm, respectively. Through this, it can be seen that in order to further improve the electrical performance of the power generation device, the ratio between the proteinaceous material and the carbon nanomaterial must also be properly adjusted during the manufacturing process. This is because the carbon nanomaterial increases the interaction between the mobile protons and the hydrophilic functional groups of the second layer, and if the ratio is too high, the mobile protons cannot move in a direction that forms a potential difference between the second layer and the first layer. In addition, this is because power generation performance cannot be sufficiently secured if the proportion of the carbon nanomaterial is too low.
도 19는 본 발명 실시예 1(With PEDOT:PSS) 및 비교예 4(Without PEDOT:PSS)에 따른 발전 소자의 시간-단락 전류 곡선이다. 도 19를 통해 비교예 4 발전 소자의 단락 전류는 시간에 따라 감소하지만, 실시예 발전 소자의 단락 전류는 전기적 안정성이 지속되는 것을 확인할 수 있다. 이는 친수성 작용기의 구배로 발생하는 전력은 수분 포화에 영향을 받아 감소하지만, 제2 층(PEDOT:PSS 등의 전도성 고분자를 포함하는 층)을 적용하면 이동성 양성자와 전도성 고분자의 음이온 성분(PSS-) 사이의 이온 결합으로 인한 전하 차단으로 수분 포화를 방지할 수 있기 때문이다. 19 is a time-short circuit current curve of a power generation device according to Example 1 (With PEDOT: PSS) and Comparative Example 4 (Without PEDOT: PSS) of the present invention. 19, it can be seen that the short-circuit current of the power generation device of Comparative Example 4 decreases with time, but the electrical stability of the short-circuit current of the power generation device of Example continues. This is because the power generated by the gradient of the hydrophilic functional group decreases under the influence of water saturation, but when the second layer (a layer containing a conductive polymer such as PEDOT:PSS) is applied, the mobile proton and anion component of the conductive polymer (PSS - - ) This is because water saturation can be prevented by blocking charges due to ionic bonds between the layers.
도 20은 시간에 따라 상대 습도를 다르게 하여 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 시간-개방 전압 곡선이다. 도 20을 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 최대 개방 전압은 약 0.95 V임을 확인할 수 있다. 20 is a time-open voltage curve of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured by varying the relative humidity over time. 20, it can be confirmed that the maximum open-circuit voltage of the power generation device according to Example 1 of the present invention is about 0.95 V.
도 21은 시간에 따라 상대 습도를 다르게 하여 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 시간-단락 전류 곡선이다. 도 21을 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 최대 단락 전류는 약 50 μA임을 확인할 수 있다. 여기서 질소 기체 주입을 통해 상대 습도를 감소시키면 발전 소자의 출력(개방 전압, 단락 전류)이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 MG-EF에 흡착된 물 분자가 탈착되고, 이동성 양성자는 친수성 작용기와 결합하기 때문이다. 또한, 도 21을 통해 이러한 결과가 5주기 동안 안정적으로 지속하는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 발전 소자가 우수한 가역성을 가지는 점을 나타낸다. 21 is a time-short circuit current curve of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured by varying the relative humidity over time. 21, it can be seen that the maximum short-circuit current of the power generation device according to Example 1 of the present invention is about 50 μA. Here, it can be seen that when the relative humidity is decreased by injecting nitrogen gas, the output (open voltage, short circuit current) of the power generation device is reduced. This is because water molecules adsorbed on MG-EF are desorbed and mobile protons bind to hydrophilic functional groups. In addition, it can be confirmed through FIG. 21 that these results are stably maintained for 5 cycles. This indicates that the power generation element of the present invention has excellent reversibility.
도 22는 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 작동 시간에 따른 개방 전압 곡선 및 단락 전류를 도시한 것이다. 도 22를 통하여 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압과 단락 전류는 100 시간 가량 높은 값을 유지하였음을 확인할 수 있다. 이는 양전하를 띠는 PEDOT+과 음전하를 띠는 COO- 사이의 전위차에 의한 출력이 장시간 지속될 수 있어서 본 발명의 발전 소자가 수분 유도 발전기에 적합하다는 점을 의미한다. 22 shows an open-circuit voltage curve and a short-circuit current according to operating time of the power generation device according to Example 1 of the present invention. 22, it can be confirmed that the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation device according to Example 1 of the present invention maintained high values for about 100 hours. This means that the power generation device of the present invention is suitable for a moisture-induced generator because the output due to the potential difference between positively charged PEDOT+ and negatively charged COO- can last for a long time.
도 23은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자를 굽히기 전과 후의 개방 전압 비율(V/Vi)과 단락 전류 비율(I/Ii)을 변형률에 따라 나타낸 것이다. 도 23을 통해, 변형률이 40 %에 이르러도 전기적 성능의 감소량은 3 % 미만임을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 발전 소자는 신뢰할 수 있는 기계적 안정성을 가지는 것을 알 수 있다. 40 % 초과의 변형률, 예를 들어, 60 % 변형률에서 일어나는 전기적 성능 저하는 일반적인 유연 센서에서 발생하는 물리적 변형으로 인한 반응 물질의 불균일한 응답 특성에 기인하는 것으로 보인다. 이를 통해 본 발명의 발전 소자는 기계적 외력으로 인한 물리적 변형에 대해서도 지속적이며 안정적인 에너지 효율을 확보할 수 있어서, 곡면에도 효과적으로 적용할 수 있는 에너지 하베스팅 소자로 적용 가능성이 있음을 알 수 있다. 23 shows the open-circuit voltage ratio (V/Vi) and the short-circuit current ratio (I/Ii) according to strain before and after bending the power generating device according to Example 1 of the present invention. 23, it can be confirmed that the decrease in electrical performance is less than 3% even when the strain reaches 40%. Through this, it can be seen that the power generation device of the present invention has reliable mechanical stability. The electrical degradation that occurs at strains greater than 40%, for example, 60%, appears to be due to the non-uniform response characteristics of the reactants due to the physical strain that occurs in typical flexible sensors. Through this, it can be seen that the power generation device of the present invention can secure continuous and stable energy efficiency even against physical deformation due to mechanical external force, and thus has applicability as an energy harvesting device that can be effectively applied to curved surfaces.
도 24는 40%의 굽힘 변형률을 일정 시간 동안 유지하면서 실시간으로 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압 및 단락 전류를 도시한 것이다. 도 24를 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 전기적 성능은 상당히(40%) 굽힌 상태가 긴 시간(100 시간) 동안 지속되어도 큰 영향을 받지 않은 것을 확인할 수 있다. FIG. 24 shows the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generation device according to Example 1 of the present invention measured in real time while maintaining a bending strain of 40% for a certain period of time. 24, it can be seen that the electrical performance of the power generation element according to Example 1 of the present invention is not significantly affected even when the significantly (40%) bent state lasts for a long time (100 hours).
도 25는 40%의 변형률로 굽힌 주기에 따라 측정한 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 개방 전압과 단락 전류를 도시한 것이다. 도 25를 통해 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자는 40%의 변형률로 10000회를 굽혀도 전기적 특성을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 발전 소자는 유연 에너지 하베스팅 소자로의 적용에 매우 적합함을 알 수 있다. 25 shows the open-circuit voltage and short-circuit current of the power generating device according to Example 1 of the present invention measured according to the bending cycle at a strain of 40%. 25, it can be confirmed that the power generation element according to Example 1 of the present invention can maintain electrical characteristics even after bending 10000 times at a strain rate of 40%. Through this, it can be seen that the power generation device of the present invention is very suitable for application to a flexible energy harvesting device.
도 26은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 부하 저항에 따른 전기적 출력(전압 및 전류)을 도시한 것이다. 도 26를 통해 부하 저항이 증가함에 따라 출력 전압은 증가하다가 약 10 MΩ에서 포화되는 반면, 출력 전류는 높은 저항 때문에 전압과는 반대의 양상을 보인다. 26 illustrates electrical output (voltage and current) according to load resistance of the power generation device according to the first embodiment of the present invention. 26, the output voltage increases as the load resistance increases and then saturates at about 10 MΩ, while the output current shows the opposite aspect to the voltage due to the high resistance.
도 27은 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자의 부하 저항에 따른 출력 전력 밀도를 도시한 것이다. 도 27을 통해 90 % 상대 습도에서 최대 출력 밀도는 약 2.4 μW/cm2임을 확인할 수 있다. 27 illustrates output power density according to load resistance of the power generation device according to the first embodiment of the present invention. It can be seen from FIG. 27 that the maximum power density at 90% relative humidity is about 2.4 μW/cm 2 .
도 28은 직렬 연결된 LED 전구를 본 발명 실시예 1에 따른 발전 소자를 이용하여 가동시켰음을 보여주는 사진이다. 도 28을 통해 본 발명의 발전 소자로 구성된 셀은 대기 습도 환경에서 정류 회로 혹은 축전기가 없어도 직류 전력을 생산할 수 있음을 알 수 있다. 28 is a photograph showing that the series-connected LED bulbs were operated using the power generating element according to Example 1 of the present invention. It can be seen from FIG. 28 that the cell composed of the power generation device of the present invention can produce DC power without a rectifier circuit or capacitor in an atmospheric humidity environment.
Claims (16)
상기 제1 층은 전도성 고분자를 포함하고,
상기 제2 층은 친수성 작용기를 포함하며,
상기 제2 층은 섬유 및 상기 섬유의 표면에 있는 복합재를 포함하고,
상기 복합재는 단백질성 물질 및 탄소 나노 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. A multilayer structure comprising a first layer and a second layer on at least one side of the first layer,
The first layer includes a conductive polymer,
The second layer includes a hydrophilic functional group,
the second layer comprises fibers and a composite material on the surface of the fibers;
Characterized in that the composite material includes a proteinaceous material and a carbon nanomaterial
multi-layer structure.
상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS, PANI:CSA, PANI:PSS, 및 PANI:DBSA 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the conductive polymer includes at least one of PEDOT: PSS, PANI: CSA, PANI: PSS, and PANI: DBSA
multi-layer structure.
상기 친수성 작용기는 히드록시기, 카르복시기, 에테르기, 에스테르기 및 아미노기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the hydrophilic functional group includes at least one of a hydroxy group, a carboxy group, an ether group, an ester group, and an amino group.
multi-layer structure.
상기 섬유는 기능성 섬유인 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the fiber is a functional fiber
multi-layer structure.
상기 섬유는 셀룰로오스 섬유, 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the fiber comprises at least one of cellulose fibers, polypropylene fibers and polyethylene fibers
multi-layer structure.
상기 단백질성 물질은 콜라겐, 젤라틴, 엘라스틴, 피브린 및 피브로넥틴 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the proteinaceous material comprises at least one of collagen, gelatin, elastin, fibrin and fibronectin
multi-layer structure.
상기 탄소 나노 소재는 다중벽 탄소 나노 튜브, 단일벽 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유, 그래핀, 산화 그래핀 및 셀룰로오스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the carbon nanomaterial includes at least one of multi-walled carbon nanotubes, single-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphene, graphene oxide, and cellulose.
multi-layer structure.
상기 제2 층의 두께는 50 ㎛ 내지 700 ㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는
다층 구조체.According to claim 1,
Characterized in that the thickness of the second layer is in the range of 50 μm to 700 μm
multi-layer structure.
상기 제1 층의 두께는 100 nm 이상 100 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는
다층 구조체. According to claim 1,
Characterized in that the thickness of the first layer is 100 nm or more and less than 100 μm
multi-layer structure.
상기 기판 위에 있는 제1 전극;
상기 제1 전극 위에 있는 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 다층 구조체; 및
상기 다층 구조체 위에 있는 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극의 면적은 상기 다층 구조체의 면적보다 크며,
상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크고,
상기 제1 전극과 상기 다층 구조체의 제1 층은 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는
발전 소자. Board;
a first electrode over the substrate;
a multilayer structure according to any one of claims 1 to 9 above the first electrode; and
a second electrode over the multilayer structure;
The area of the first electrode is larger than the area of the multilayer structure,
The area of the multilayer structure is larger than the area of the second electrode,
Characterized in that the first electrode and the first layer of the multi-layer structure are in direct contact
power element.
상기 기판은 유연 기판인 것을 특징으로 하는
발전 소자. According to claim 10,
The substrate is characterized in that the flexible substrate
power element.
상기 제1 단계에서 준비된 분산액으로 섬유를 코팅하는 제2 단계;
전도성 고분자를 포함하는 층을 준비하는 제3 단계; 및
상기 제3 단계에서 준비된 층 위에 상기 제2 단계의 결과물의 층을 형성하는 제4 단계를 포함하는
다층 구조체의 제조 방법. A first step of preparing a dispersion containing a solution containing a proteinaceous material and a carbon nanomaterial dispersed in the solution;
A second step of coating fibers with the dispersion prepared in the first step;
A third step of preparing a layer containing a conductive polymer; and
And a fourth step of forming a layer of the product of the second step on the layer prepared in the third step.
A method for manufacturing a multilayer structure.
상기 제2 단계는 상기 분산액으로 기능성 섬유를 코팅하는 것이고,
상기 기능성 섬유는 섬유에 열응력을 가하여 제조되는 것을 특징으로 하는
다층 구조체의 제조 방법.According to claim 12,
The second step is to coat functional fibers with the dispersion,
Characterized in that the functional fiber is prepared by applying thermal stress to the fiber
A method for manufacturing a multilayer structure.
상기 제3 단계는 전도성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하고, 상기 코팅된 전도성 고분자를 포함하는 용액을 30 ℃ 내지 300 ℃의 범위 내의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체의 제조 방법. According to claim 12,
The third step is characterized by coating a solution containing a conductive polymer and heat-treating the solution containing the coated conductive polymer at a temperature in the range of 30 ℃ to 300 ℃
A method for manufacturing a multilayer structure.
상기 제4 단계는 상기 제3 단계에서 준비된 층 위에 상기 제2 단계의 결과물을 침전시키고, 상기 침전된 결과물을 30 ℃ 내지 300 ℃의 범위 내의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는
다층 구조체의 제조 방법. According to claim 12,
The fourth step is characterized by precipitating the product of the second step on the layer prepared in the third step, and heat-treating the precipitated product at a temperature in the range of 30 ℃ to 300 ℃
A method for manufacturing a multilayer structure.
상기 제1 전극 위에 제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 다층 구조체를 형성하는 제2 단계; 및
상기 다층 구조체 위에 제2 전극을 형성하는 제3 단계를 포함하고,
상기 제1 전극의 면적은 상기 다층 구조체의 면적보다 크며,
상기 다층 구조체의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 크고,
상기 제1 전극과 상기 다층 구조체의 제1 층은 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는
발전 소자의 제조 방법. A first step of preparing a first electrode formed on the substrate;
a second step of forming a multilayer structure on the first electrode by the method according to any one of claims 12 to 15; and
A third step of forming a second electrode on the multilayer structure,
The area of the first electrode is larger than the area of the multilayer structure,
The area of the multilayer structure is larger than the area of the second electrode,
Characterized in that the first electrode and the first layer of the multi-layer structure are in direct contact
A method for manufacturing a power generation element.
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Citations (3)
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| KR20160005958A (en) | 2014-07-08 | 2016-01-18 | 전북대학교산학협력단 | Cnt-pzt nanoparticle composite, piezoelectric elememt using the same and manufacturing method thereof |
| KR20200055537A (en) | 2018-11-13 | 2020-05-21 | 조선대학교산학협력단 | Fibrous turboelectric generator, fabric woven using thererof and method of manufacturing fibrous triboelectric genarator |
| KR20210135158A (en) | 2020-05-04 | 2021-11-12 | 한국과학기술원 | Mxene layer coated hydrophilic fiber membrane based electrokineticic power generator and manufacturing method thereof |
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