KR101594138B1 - 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법으로, 더욱 상세하게는 전도성 물질로 이루어진 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 이용하여 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 제조함으로써 해수 속 해류의 운동에너지에 대응하여 생산되는 전기 에너지를 획득하기 위한 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 나피온(Nafion) 재질의 전기 발생용 이온폴리머층(10); 및 상기 이온폴리머층(10)을 기준으로 양면에 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 각각 도포되는 필름층(20);을 포함하며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 그래핀, 나피온, 전도성 금속, 전도성 폴리머 및 용매를 포함하되, 나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량% 및 부틸셀로솔브 1~20중량%를 포함하여 이루어지며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 입자 크기를 다양하게 이루어 상기 입자 사이의 공극을 줄임으로써, 상기 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법{Electrogenerated Ionic Polymer Conductive Film Composite and method of manufacturing the same}
본 발명은 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법으로, 더욱 상세하게는 전도성 물질로 이루어진 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 이용하여 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 제조함으로써 해수 속 해류의 운동에너지에 대응하여 생산되는 전기 에너지를 획득하기 위한 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 이온 폴리머 금속 복합체(IPMC: Ionic Polymer Metal Composite)는, 외부의 전기적인 자극에 의하여 형상이 변화하는 전기활성 고분자(EAPs: Electro Active Polymers)의 하나로써, 생물학적 근육과 유사한 탄성력을 가지며 1~5V의 낮은 인가전압 하에서 매우 큰 굽힘 변형을 산출하기 때문에 인공근육이라고도 불린다.
이온 폴리머 금속 복합체는 불소로 치환된 이온 폴리머층의 양면에 금속 전극 층이 입혀진 구조로써, 이온 폴리머층은 주로 수용액 내에서 확장하고 친수성을 가진 나피온이 사용된다.
이러한 이온 폴리머 금속 복합체는, 이온 폴리머층 양면의 금속 전극 층에 전압이 인가되면 이온 폴리머층의 내부에 존재하는 양이온과 물이 금속 전극층 중 음극 방향으로 이동하여 음으로 하전된 전극층은 팽창이, 양으로 하전된 전극 층은 수축이 발생하여 양 전극층 간의 부피변화 차이에 의해 굽힘 변형이 일어난다.
여기서 이온 폴리머 금속 복합체의 이온 폴리머층은 높은 보습력과 프로톤 전도도 및 기계적 강도를 지니고, 금속 전극 층에는 주로 백금(Platinum)으로 무전해 도금과정을 통하여 5㎛ 정도의 두께로 코팅된다.
상기 금속 전극층을 이용한 종래기술에는, 아래 특허문헌 1의 '이온성 고분자-금속 복합체 및 이의 제조방법'이 있다.
상기한 특허문헌 1은, 이온성 고분자 막의 양면에 금속 전극들이 형성되되, 상기 금속 전극들 중 적어도 하나의 전극은 나노구조물이 형성되는 것을 특징으로 하여 전기적 연결을 유지하여 이온 폴리머 금속 복합체의 성능을 향상시키고자 하였다.
그러나 종래의 무전해 도금 과정을 통한 백금의 코팅 기술은, 이온 폴리머층의 표면적을 증가시키기 위한 표면 처리단계, 백금이온을 이온 폴리머층에 흡착시키는 이온 흡착 단계, 백금 이온의 환원단계로 이루어져 절차가 복잡하고 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 백금의 높은 가격으로 인해 기존의 방식으로는 이온 폴리머 금속 복합체의 대면적 생산이 힘들다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 이온 폴리머 금속 복합체는 단위면적당 전력 생산 밀도가 낮으므로, 효율적인 에너지원이 되기 위해서 소재의 대면적 생산 기술이 필요하다.
특히, 해수 속에서 오랜 시간 동안 벗겨지지 않는 소재를 활용하여 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 제조하여 해류의 운동에너지로부터 가해지는 물리적 자극에 대응하여 생산된 전기 에너지로 신재생 에너지를 획득할 수 있는 이온 폴리머 전도성 필름 복합체에 관한 개발이 요구되는 시점이다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0024041호, 2010.03.05.자 공개.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 금속 전극 대신 나피온, 그래핀, 탄소나노튜브, 아세틸렌블랙, 몰리브덴, 니켈, 폴리아닐린, 이소프로필알코올, 및 부틸셀로솔브가 포함되어 전도성이 우수한 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 제조함으로써, 전기 발생을 안정적으로 향상시키고 대면적 생산에 유리한 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는데에 그 목적이 있다.
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상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 나피온(Nafion) 재질의 전기 발생용 이온폴리머층; 및 상기 이온폴리머층을 기준으로 양면에 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 각각 도포되는 필름층;을 포함하며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 그래핀, 나피온, 전도성 금속, 전도성 폴리머 및 용매를 포함하되, 나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량% 및 부틸셀로솔브 1~20중량%를 포함하여 이루어지며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 입자 크기를 다양하게 이루어 상기 입자 사이의 공극을 줄임으로써, 상기 전기 발생용 이온폴리머층의 양면에 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 기술적 요지로 한다.
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상기 필름층 각각에는, 전극이 결합되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 조성하는 제1단계; 및 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 나피온(Nafion) 재질의 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 각각 도포하고 건조시켜 필름층(20)을 형성시키는 제2단계;를 포함하며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 그래핀, 나피온, 전도성 금속, 전도성 폴리머 및 용매를 포함하되, 나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량% 및 부틸셀로솔브 1~20중량%를 포함하여 이루어지며, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 입자 크기를 다양하게 이루어 상기 입자 사이의 공극을 줄임으로써, 상기 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법을 기술적 요지로 한다.
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상기 필름층 각각에는 전극을 결합시키는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해 본 발명에 따른 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법은, 기존 이온 폴리머 금속 복합체의 금속 전극층에 비해 전도성을 향상시킨 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 제조가 가능하여 이를 통해 대면적의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 제조할 수 있으므로 단위면적당 전력생산 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 단일 전도성 소재를 혼합한 경우와 크기가 다양한 전도성 소재를 혼합한 경우에 따른 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 표면 입자 분포도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 폴리머 전도성 필름 복합체에 전극이 결합되는 형상을 나타낸 모식도.
도 3는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법을 간략하게 나타낸 개략도.
도 4은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 종래 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체의 SEM 비교도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 종래 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체의 성능 비교도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 차례대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 단일 전도성 소재를 혼합한 경우와 크기가 다양한 전도성 소재를 혼합한 경우에 따른 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 표면 입자 분포도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 폴리머 전도성 필름 복합체에 전극이 결합되는 형상을 나타낸 모식도이며, 도 3는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법을 간략하게 나타낸 개략도이다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은, 비전도성 용액인 나피온(Nafion), 전도성 소재인 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT), 아세틸렌블랙(Acetylene black), 몰리브덴(Molybdenum), 니켈(Nickel), 폴리아닐린(Polyaniline), 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 및 부틸셀로솔브(Butyl cellosolve)로 이루어지며, 각각의 소재는 지르코늄 베드를 사용하여 고속분사과정을 거치면서 혼합되어 액체형태를 가지게 된다.
이때, 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 입자크기에 따라 탄소계, 금속계, 및 전도성 폴리머계로 나눌 수 있는데, 탄소계인 그래핀과 탄소나노튜브는 50~100㎚, 금속인 니켈과 몰리브덴은 15~20㎛, 전도성 폴리머인 아세틸렌블랙과 폴리아닐린은 30~100㎚로 구분된다.
도 1을 참조하면, 도 1의 A에는 단일 입자를 사용한 경우 전도성 입자들 사이에 발생하는 공극이 크므로 전도성이 낮다는 것을 도시하였고, 도 1의 B에서는 다양한 크기의 전도성 소재들을 사용한 경우 공극을 메워주므로 공극이 줄어들어 내구성과 전도성이 향상되는 것을 도시하였다.
여기서 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 소재들의 구성 비율은 아래의 표 1에 나타내었다.
소재 나피온 그래핀 탄소나노튜브 아세틸렌블랙 몰리브덴 니켈 폴리아닐린 이소프로필알코올 부틸셀로솔브
비율
(중량%)		 40~80 1~10 0.1~1 0.1~1 0.2~2 0.2~2 0.2~2 10~30 1~20
표 1에 대해 설명하면, 상기 나피온(Nafion)은, 미국 듀퐁사에서 개발된 상품명으로 불소 수지계의 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머를 일컫는 것이며, 이소프로필알코올에 20중량%로 용해되어 주로 두께가 0.178㎜인 필름 형태로 생산된다.
이때 40~80중량%의 나피온을 첨가한 이유는 이온폴리머층(10)인 나피온과 같은 성질로 만들어줌으로써 이온폴리머층(10)에 도포되는 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착력을 높이기 위함이다. 여기서 나피온 함량이 40중량% 미만이면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착력이 미미해질 수 있고, 80중량%를 초과하면 비전도성인 나피온의 함량이 많아져 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 전도성이 약해질 수 있으므로, 나피온의 함량은 40~80중량%의 범위 내에서 적절하게 조절한다.
나피온의 화학구조는 아래의 화학식 1과 같다.
Figure 112014014253105-pat00001
특히, 화학식 1에서와 같이, 나피온은 소수성인 CF2CF2 결합구조를 가지므로 화학적으로 매우 안전할 뿐만 아니라, 친수성인 SO3가 열적으로 안정한 물성을 가지므로 이온폴리머층(10)의 소재로 바람직하다.
상기 그래핀(Graphene)은, 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양의 격자구조를 이루는 2차원 평면구조로 가지는 물질로써, 전기 및 열 전도성, 유연성, 투명성, 기계적 강도가 우수하고, 화학적 안정성이 높으며 열팽창 계수가 낮아 신축성이 뛰어나므로 1~10중량%로 혼합되는 것이 바람직하다. 그래핀 함량이 1중량% 미만이면 전도성이 충분히 발현되기 어렵고, 10중량%를 초과하면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 점도가 상승하여 그래핀이 균일하게 분산되지 못하여 뭉치는 현상이 발생할 수 있고 결과적으로 크랙(crack), 핀홀(pin hole) 등을 형성하여 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 전도성을 감소시키는 원인이 될 수 있다.
상기 탄소나노튜브(CNT)는, 탄소원자 하나와 다른 탄소원자 3개와 결합하여 형성하는 물질로써, 밴드갭(band gap)이 0인 도체의 성격을 가진 그래핀을 보완하기 위하여 첨가된다.
이러한 탄소나노튜브는 전자를 방출하는 성질을 가지므로 0.1~1중량%로 혼합되는데, 탄소나노튜브의 함량이 0.1중량% 미만이면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물로 구성되는 필름층(20) 내의 전자가 부족하게 되어 이온폴리머층(10) 내의 양이온과 물이 필름층(20)으로 이동하지 못하여 필름층(20)의 팽창이 일어날 수 없으므로 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 굽힘 변형이 약해지며, 1중량%를 초과하면 필름층(20) 내의 과량의 전자로 인해 필름층(20) 내에 존재하는 양이온이 상대적으로 부족하게 되어 필름층(20)의 수축이 일어나지 못하여 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 굽힘 변형이 일어나지 않아 전기를 발생시키지 못하는 결과를 나타낼 수 있으므로, 본 발명에 있어 탄소나노튜브는 0.1~1중량%가 바람직하다.
상기 아세틸렌블랙은, 탄소의 양이 99.5% 이상인 고순도 물질로써, 침상형의 단위 입자들이 서로 연결된 형태로 사슬 구조를 형성하고 있기 때문에 전기 전도성이 높고, 넓은 표면적을 가지므로 전도성 소재들 사이를 연결시키는 역할을 하여 코팅면의 내구성, 내마모성, 전도성을 향상시킨다. 아세틸렌블랙의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 전도성 소재들이 상호작용하기 어려워 서로 결합시키기 어렵고, 1중량%를 초과한 경우에는 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 물성(이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 경도, 탄성)을 유지하기 위한 기타 전도성 소재의 함량이 부족하게 되어 생산 작업성에 어려움이 있으므로 0.1~1중량%의 범위 내에서 적절히 조절하여 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 몰리브덴은, 은회색의 금속으로써, 소량으로도 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 도포된 이온폴리머층(10)을 단단하게 유지시켜주므로 0.2~2중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
즉, 몰리브덴 자체는 고온에서도 내열성과 내식성이 뛰어나므로 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 경도를 증가시켜 내마모성을 향상시켜준다.
이때, 몰리브덴이 0.2중량% 미만이면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 도포된 이온폴리머층(10)의 경도를 유지시키기 힘들며, 2중량%를 초과하면 기타 전도성 소재들의 함량이 부족하게 되어 물성(이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 경도, 탄성)을 저하시킬 수 있다.
상기 니켈은, 공기 중에서 변하지 않고 산화 반응을 일으키지 않아 내식성과 내마모성이 우수한 광택이 있는 금속으로써, 이온 폴리머 전도성 필름 복합체가 부식되지 않는 역할을 할 수 있도록 0.2~2중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
여기서 니켈이 0.2중량% 미만이면 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 부식 방지 효과가 떨어지며, 2중량%를 초과하면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 유동성을 억제하고 점도를 상승시켜 취급시 어려움을 겪을 수 있다.
상기 폴리아닐린은, 전도성 고분자로써 전기전도성과 열적 안정성이 높고 전자의 이동도를 증가시켜 높은 전도성을 나타내므로 0.2~2중량%로 혼합되는 것이 바람직한데, 0.2중량% 미만이면 전도성이 충분히 발현되기 어렵고, 2중량%를 초과하면 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물로 구성되는 필름층(20)의 표면 슬립성이 저하되고 표면이 떨어져 나가는 현상을 보일 수 있다.
상기 이소프로필알코올은, 분자식이 C3H8O인 무색의 인화성을 가진 것으로, 이온폴리머층(10)인 나피온은 플루오르화 구조로 되어 있기 때문에 표면 접착력이 낮아 이온폴리머층(10)의 표면 처리를 하지 않으면 도포된 전도성 필름 형성용 조성물이 쉽게 떨어져 나간다. 따라서 각각의 전도성 소재들을 용해시키고 이온폴리머층(10)의 표면을 녹이는 역할을 하는 이소프로필알코올은 전도성 필름 형성용 조성물이 이온폴리머층(10)에 강하게 접착될 수 있도록 10~30중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
이때, 이소프로필알코올의 함량이 10중량% 미만이면 이온폴리머층(10)의 표면을 녹이지 못하여 이온폴리머층(10)에 도포되는 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착력 효과가 미미할 수 있고, 30중량%를 초과하면 기타 전도성 소재의 함량이 부족하게 되어 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 물성(이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 경도, 탄성)을 저하시킬 수 있다.
상기 부틸셀로솔브는, 분자식 C6H14O2의 무색 액체로, 이온폴리머층(10)에 도포된 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 휘발성을 조절할 수 있도록 1~20중량%로 혼합되는 것이 바람직한데, 1중량% 미만이면 휘발성 조절량을 제어하기 어렵고, 20중량%를 초과하면 휘발성이 너무 높아 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 생산 작업성에 어려움이 생길 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체는, 전기 발생용 이온폴리머층(10)과 상기 이온폴리머층(10)의 양면에 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 도포되는 필름층(20)으로 구성된다.
상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은, 나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량%, 및 부틸셀로솔브 1~20중량%로 이루어지고, 상기 이온폴리머층(10)은, 나피온(Nafion)을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 필름층(20) 각각에는 전극(30)이 더 결합되어 형성되는데, 이는 이온폴리머층(10)과 필름층(20)의 작용에 의해 생산되는 전기를 외부로 전달하기 위한 것이다. 단, 상기 전극(30)은 흑연 전극을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법은, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 이온폴리머층(10)의 양면에 도포하여 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 형성하는 제조방법이다.
즉, 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 제조하는 제1단계와, 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 도포하여 건조시키는 제2단계로 나누어진다.
그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 조성단계
본 발명의 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 조성단계에 사용되는 전도성 소재는 나피온, 그래핀, 탄소나노튜브, 아세틸렌블랙, 몰리브덴, 니켈, 폴리아닐린, 이소프로필알코올, 부틸셀로솔브 및 이의 혼합으로 이루어진다.
상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은, 나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량%, 및 부틸셀로솔브 1~20중량%로 이루어지고, 상기 이온폴리머층(10)은, 나피온(Nafion)을 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 각각의 전도성 소재들은 용해, 분쇄기능이 우수한 지르코늄 베드를 이용해 고속 분사하여 혼합하는 것이 바람직하며, 전도성 소재들의 균질화를 위하여 초음파 균질기(ultrasonic homogenizer)를 더 이용할 수 있다.
그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 전기 발생용 이온폴리머층(10) 의 양면에 도포하고 건조시켜 필름층(20)을 형성하는 단계
도 3을 참조하면, 상기에서 제조한 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물(metal ink)을 스프레이(ink metal printer)를 이용해 분사(ink injection)하여 이온폴리머층(10)(Nafion film)에 도포한 후, 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 도포된 이온폴리머층(10)을 120~150℃에서 1~2시간 건조시켜 폴리머층의 양면에 각각 필름층(20)이 형성된 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조를 완료한다.
여기서 도 2에 도시된 바와 같이, 필름층(20) 각각에는 전극(30)을 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 전극(30)은 상기한 바와 같이, 폴리머층과 필름층(20)의 작용에 의해 생산되는 전기를 외부로 전달하기 위한 것으로서, 흑연전극을 사용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법에 대한 구체적인 실시예와 비교예를 기술하나, 발명의 권리범위가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조
먼저, 이소프로필알코올에 20중량%로 용해되어 있는 나피온 용액을 테프론 몰드에 붓고 35℃로 유지된 건조기에서 충분히 건조시키는데, 나피온의 막 표면에 남아있을 수 있는 잔류물을 제거하기 위해 2N HCl 용액에 30분동안 담지시킨 후 다시 증류수로 나피온 막의 표면을 세척하였다. 기계적 강도를 증가시키고 물에 녹지 않도록 하기 위해 140℃로 유지하면서 2시간 동안 어닐링(annealing)하여 이온폴리머층(10)을 제조하였다.
다음으로, 나피온 61g, 그래핀 5g, 탄소나노튜브 0.25g, 아세틸렌블랙 0.25g, 몰리브덴 0.5g, 니켈 0.5g, 폴리아닐린 0.5g, 이소프로필알코올 25g, 부틸셀로솔브 7g을 반응기에 주입하고 혼합물의 보호를 위해 반응기의 작동과 휴식 cycle을 짧게 설정하고 지르코늄 베드를 이용하여 10분간 고속으로 혼합시킴으로써 균질화된 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 100g을 제조하였다.
이후 전도성 필름 형성용 조성물을 스프레이에 주입하여 이온 폴리머 층의 양면에 분사하면서 도포하였다. 전도성 필름 형성용 조성물이 도포된 이온 폴리머 층을 140℃로 예열된 오븐기에서 1시간 동안 건조 과정을 진행하여 최종적으로 폴리머층의 양면에 각각 필름층(20)이 형성된 이온 폴리머 전도성 필름 복합체를 완성하였다.
(비교예 1)
비교예 1은 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체로써, 종래 기술에 따라 이온폴리머층(10)인 나피온에 백금 금속 전극층을 입혀 만들었다.
상기 실시예 1과 비교예 1에 따른 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 이온 폴리머 금속 복합체의 SEM 형상도를 비교하였고 성능을 시험하였다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체(실시예 1)와 종래 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체(비교예 1)의 SEM 비교도인데, 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 표면(도 4의 A)과 단면(도 4의 B) SEM 이미지와 종래 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체의 표면(도 4의 C)과 단면(도 4의 D) SEM 이미지를 도시하였다.
여기서 도 4의 C에 비하여 도 4의 A에 도시된 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 표면에서는 전도성 소재들이 강한 상호 작용에 의하여 응집된 형태로 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4의 D에 도시된 단일 백금 소재와는 달리 도 4의 B에 도시된 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 단면에서는 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 이온폴리머층(10)에 더 강하게 접착되어 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체(실시예 1)와 종래 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체(비교예 1)의 성능 비교도인데, 시간에 따라 반응하는 전압을 나타내었으며, x축은 시간(s), y축은 전압(V)이다.
이를 정확히 비교하기 위해서는 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 이온 폴리머 금속 복합체의 굽힘 각도는 동일하게 하고, 굽힘 속도만 0.03Hz에서 1Hz로 변화시키는 것이 바람직하다.
도 5의 A는 공기 중에서 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체의 성능 비교도이고, 도 5의 B는 해수 속에서 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체와 백금 기반의 이온 폴리머 금속 복합체의 성능 비교도이다.
도 5의 A와 도 5의 B 참조하면, 일반적으로 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 에너지 생성 능력은 이온폴리머층(10)인 나피온 내부에 포함된 물의 양에 영향을 받기 때문에 공기 중에서는 해수 속에서보다 작은 전압을 생성하고, 해수 속에서는 공기 중에서의 성능을 비교할 때 생성 전압의 크기가 증가하므로, 그래핀 기반의 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 성능은 공기 중에서는 58% 정도 낮으나, 해수 속에서는 18%까지 성능의 차이가 감소하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 및 이의 제조방법은, 우수한 전도성을 가진 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 이용하여, 단위면적당 전력 생산 밀도를 높여 소재의 대면적 생산 기술이 향상된 이온 폴리머 전도성 필름 복합체 제조를 효과적으로 달성할 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 나피온(Nafion) 재질의 전기 발생용 이온폴리머층(10); 및
    상기 이온폴리머층(10)을 기준으로 양면에 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물이 각각 도포되는 필름층(20);을 포함하며,
    상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 그래핀, 나피온, 전도성 금속, 전도성 폴리머 및 용매를 포함하되,
    나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량% 및 부틸셀로솔브 1~20중량%를 포함하여 이루어지며,
    상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 입자 크기를 다양하게 이루어 상기 입자 사이의 공극을 줄임으로써, 상기 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    상기 필름층(20) 각각에는,
    전극(30)이 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체.
  8. 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 조성하는 제1단계; 및
    상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물을 나피온(Nafion) 재질의 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 각각 도포하고 건조시켜 필름층(20)을 형성시키는 제2단계;를 포함하며,
    상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물은 그래핀, 나피온, 전도성 금속, 전도성 폴리머 및 용매를 포함하되,
    나피온 40~80중량%, 그래핀 1~10중량%, 탄소나노튜브 0.1~1중량%, 아세틸렌블랙 0.1~1중량%, 몰리브덴 0.2~2중량%, 니켈 0.2~2중량%, 폴리아닐린 0.2~2중량%, 이소프로필알코올 10~30중량% 및 부틸셀로솔브 1~20중량%를 포함하여 이루어지며,
    상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물 입자 크기를 다양하게 이루어 상기 입자 사이의 공극을 줄임으로써, 상기 전기 발생용 이온폴리머층(10)의 양면에 상기 그래핀 기반의 전도성 필름 형성용 조성물의 접착성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 필름층(20) 각각에는,
    전극(30)을 결합시키는 제3단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생용 이온 폴리머 전도성 필름 복합체의 제조방법.
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