KR102172609B1 - Conductive polymer coated hydrophilic fiber membrane based large-area electrical energy generator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온을 함유한 극성 양성자성 용매가 전도성 고분자의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 양이온/음이온 슈도캐패시터 흡착 메커니즘을 활용하여, 제작된 용액 뿐만 아니라 자연에서 얻을 수 있는 용액을 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭 젖음 (wetting)을 수행하여, 생성되는 높은 전위 차 및 전류를 장시간 유지하고 직류 형태의 전기 에너지를 전도성 고분자 층이 개별 섬유의 표면에 결착된 친수성 섬유 멤브레인 에너지 생성 장치, 에너지 생성 장치의 제조방법, 그리고 다수의 에너지 생성 장치가 적층되거나 병렬/직렬로 결합된 대면적 에너지 생성 장치와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention utilizes a cation/anion pseudocapacitor adsorption mechanism formed in the process of adsorption of a polar protic solvent containing ions on the surface of a conductive polymer. A hydrophilic fiber membrane energy generating device in which a conductive polymer layer is bound to the surface of individual fibers by maintaining a high potential difference and current generated by performing asymmetric wetting on the coated hydrophilic fiber membrane for a long time, and transmitting electrical energy in the form of direct current, A method of manufacturing an energy generating device, and a large-area energy generating device in which a plurality of energy generating devices are stacked or combined in parallel/series, and a method of manufacturing the same.

Description

전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 대면적 전기 에너지 생성 장치 {CONDUCTIVE POLYMER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED LARGE-AREA ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}{CONDUCTIVE POLYMER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED LARGE-AREA ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭 젖음 (asymmetric wetting) 및 유체의 흐름에 의해 표면에 음이온과 양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 특유의 높은 전압 생성 효율을 활용하여, 높은 성능의 전기 에너지로 전환하는 에너지 생성 장치 및 에너지 생성 장치의 제조방법, 그리고 복수의 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 전기 에너지 생성 장치에 관한 것이다. 구체적으로 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 개별 전기 에너지 생성 장치는 물에 분산된 전도성 고분자 용액을 활용한 침지 공정 (dipping process)을 통해, 균일한 전도성 고분자 층을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포한다. 전도성 고분자가 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 떨어뜨리면, 표면 에너지를 낮추기 위한 물리적 흡착으로 인해 발생하는 전기 이중층에 의한 캐패시턴스 차이로 유발되는 전위 차가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 유도된 전위 차는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. 또한, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온 (proton)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위한 전도성 고분자의 전자 흐름을 유발하여 전력을 생성할 수 있다. The present invention is a pseudocapacitor material capable of adsorbing both anions and cations on a surface by asymmetric wetting of a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) and flow of a fluid. An energy generating device that converts to high-performance electric energy by utilizing the unique high voltage generation efficiency formed in the process of being adsorbed on the conductive polymer surface, a manufacturing method of the energy generating device, and a large area in which a plurality of energy generating devices are combined It relates to an electrical energy generating device. Specifically, an individual electric energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer uses a dipping process using a conductive polymer solution dispersed in water to deposit a uniform conductive polymer layer on the surface of the fiber strands of the hydrophilic fiber membrane. Apply evenly. When a polar solvent is dropped on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer, a potential difference caused by a difference in capacitance caused by the electric double layer caused by physical adsorption to lower surface energy is formed between the wet and dry areas. The potential difference induced by the difference in capacitance can be maintained for a long time until the polar solvent completely evaporates. In addition, the high polar solvent absorption ability of the hydrophilic fabric strands moves the protons contained in the polar solvent from wet to dry areas, and electron flow of conductive polymers to maintain charge neutrality. To generate power.

4차 산업 혁명의 중추적 기술인 사물 인터넷은 헬스케어, 편의성과 결합하여 수요가 급증하고 있고, 센서 네트워크 및 무선 데이터 송수신 기술 기반 전자기기와 결합하여 삶의 질을 향상시키는 잠재성이 무궁무진한 분야이다. 하지만, 인체의 정보 송수신에 발생하는 사물 인터넷 전자기기에 전력을 공급해야 하므로, 이를 뒷받침할 수 있는 에너지 공급체는 필수불가결하다. 에너지 공급 시스템의 후보군 중의 하나로 에너지 생성 장치가 에너지 공급원으로 제시되고 있다. IoT, the pivotal technology of the 4th industrial revolution, is rapidly increasing in demand in combination with healthcare and convenience, and the potential of improving the quality of life by combining electronic devices based on sensor networks and wireless data transmission/reception technology is endless. However, since it is necessary to supply power to electronic devices of the Internet of Things that occur in the transmission and reception of information by the human body, an energy supply that can support this is indispensable. As one of the candidates for energy supply systems, energy generating devices are being proposed as energy sources.

현재까지 개발된 에너지 생성 시스템 중에서 태양전지, 열전 시스템은 100 mW 이상의 높은 전력을 생성 가능한 장점이 있다. 하지만, 전기 에너지를 지속적으로 생성하기 위해서 항상 온도 차이를 유지해야 하고, 지속적인 태양광의 조사가 필요하다. 특히 고온이 발생하기 때문에, 인체 부착 가능한 시스템의 에너지 공급원으로 활용하기 어렵다. 따라서, 인체에서 자연스럽게 발생하는 기계적 압력 및 마찰에 의해 전위 차가 발생하는 압전 (piezoelectric), 마찰 전기 (triboelectric) 등이 대안으로 제시되고 있다. 각각의 에너지 생성 장치들은 높은 전압과 수십 μW ~ mW의 높은 전력을 발생시키는 장점이 있다. 특히, 압전과 마찰 전기 에너지 생성 장치들은 인체의 움직임을 전기 에너지로 전환하는 것이 가능하여, 인체에 착용 가능한 (wearable) 에너지 생성 장치에 활용 가능하다. Among the energy generation systems developed so far, solar cells and thermoelectric systems have the advantage of generating high power of 100 mW or more. However, in order to continuously generate electric energy, a temperature difference must be maintained at all times, and continuous irradiation of sunlight is required. In particular, since high temperatures are generated, it is difficult to use as an energy source for a system that can be attached to the human body. Accordingly, a piezoelectric, triboelectric, and the like, in which a potential difference is generated by mechanical pressure and friction naturally occurring in the human body, have been proposed as alternatives. Each energy generating device has the advantage of generating high voltage and high power of several tens of μW to mW. In particular, piezoelectric and triboelectric energy generating devices are capable of converting the movement of the human body into electrical energy, and thus can be utilized in a wearable energy generating device.

하지만, 기계적 변형 및 마찰에 의한 에너지 생성 장치는, 생성 원리에 의해 전기 에너지가 고주파 (high frequency) 교류 (AC) 전압 및 전류의 형태로 발생한다. 기계적 변형 및 마찰이 인가되었을 때만 순간적으로 전압 차가 발생하게 된다. 인가된 기계적인 작용이 제거되면 반대 방향으로 전압 차가 다시 형성되고, 이 때문에 전기 에너지는 높은 진동수의 교류 형태를 갖는다. 이 때문에 압전, 마찰 전기 에너지 생성 장치는 별도의 정류 회로 (rectifier circuit) 및 에너지 저장 장치가 항상 동반되어야 에너지 생성 장치에서 발생된 에너지를 사용할 수 있다. 또한 반복적인 기계적 변형, 마찰, 열 흐름은 디바이스를 손상시켜, 에너지 생성 장치의 생성 효율이 지속적으로 하락하는 문제점을 야기시킨다. However, in an energy generating device by mechanical deformation and friction, electrical energy is generated in the form of a high frequency alternating current (AC) voltage and current according to a generation principle. The voltage difference occurs instantaneously only when mechanical deformation and friction are applied. When the applied mechanical action is removed, the voltage difference is re-formed in the opposite direction, and for this reason, the electric energy has a high frequency alternating current form. For this reason, the piezoelectric and triboelectric energy generating devices must always be accompanied by a separate rectifier circuit and an energy storage device to use the energy generated by the energy generating device. In addition, repeated mechanical deformation, friction, and heat flow damage the device, causing a problem that the generation efficiency of the energy generating device continues to decline.

에너지 발생 장치의 손상 없이 지속적으로 전압 차를 손쉽게 만들어 낼 수 있는 발전기 설계 및 대면적 제조 기술 개발은, 인체에 착용 가능한 대용량 에너지 생성 장치 개발을 위해 필수적으로 선행되어야 한다. 또한, 발생하는 전기 에너지가 교류가 아닌 직류의 형태로 발생하는 에너지 생성 장치 구현으로, 추가적인 회로 없이 전자기기에 직접 전력을 공급할 수 있는 장치 개발이 필요하다. 이는, 에너지 생성 장치의 단순화를 가능케 하여 생산비 절감 및 활용 가능성을 향상 시킬 수 있다. Generator design and large-area manufacturing technology development that can easily create a voltage difference continuously without damage to the energy generating device must be preceded inevitably for the development of a large-capacity energy generating device that can be worn on the human body. In addition, it is necessary to develop a device capable of directly supplying power to an electronic device without an additional circuit by implementing an energy generating device in which the generated electric energy is generated in the form of direct current instead of alternating current. This makes it possible to simplify the energy generating device, thereby reducing production cost and improving the possibility of utilization.

전도성 고분자가 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 떨어뜨리면, 극성 용매를 포함되어 있는 양이온과 음이온들이 표면 에너지를 낮추기 위해 물리적으로 흡착이 가능한 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 층의 표면에 흡착되어 전기 이중층을 형성하게 되고, 이로 인해 젖은 부분과 마른 부분 간에 캐패시턴스 차이에 의한 전위 차가 유발된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 장기적으로 유지된다. 그리고, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 이온 (proton)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 빠르게 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하게 되어 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 전류가 지속적으로 흐르게 된다. 본 발명의 실시예들에서는 직류 (DC) 형태의 높은 생성 전압 및 전류를 갖는 전기 에너지를 발생하는 고성능 에너지 생성 장치 및 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.When a polar solvent is dropped on the hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer, cations and anions containing the polar solvent are adsorbed on the surface of the conductive polymer layer, a pseudocapacitor material that can be physically adsorbed to lower the surface energy. An electric double layer is formed, which causes a potential difference due to a difference in capacitance between the wet and dry portions. The potential difference formed by the difference in capacitance is maintained for a long time until the polar solvent completely evaporates. In addition, the high polar solvent absorption ability of the hydrophilic fabric strands allows the hydrogen ions contained in the polar solvent to quickly move from wet to dry areas, and to maintain charge neutrality inside the conductive polymer. Electrons also move in the same direction, and current flows continuously until the polar solvent completely evaporates. Embodiments of the present invention provide a high-performance energy generating device and a method of manufacturing an energy generating device for generating electric energy having a high generation voltage and current in a direct current (DC) form.

사물 인터넷 전자기기에 전력을 공급하거나 이차 전지 및 슈퍼캐패시터에 생성된 에너지를 저장하는 등 다양한 조건과 환경에서 활용할 수 있도록 개별의 에너지 생성 장치를 복수 개 결합한 대면적 전기 에너지 생성 장치를 제공한다.It provides a large-area electric energy generation device that combines a plurality of individual energy generation devices so that they can be used in various conditions and environments, such as supplying power to IoT electronic devices or storing energy generated in secondary batteries and supercapacitors.

음이온과 양이온을 표면에 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는다. 특히, 대표적인 슈도캐패시터 물질인 전도성 고분자 계열은 전기 전도성도 있어 전자의 빠른 이동이 가능하다. 전도성 고분자가 도포된 친수성 멤브레인에 있어서, 전도성 고분자 표면에 흡착된 양이온과 음이온들에 의해 전기 이중층이 형성되어 젖은 부분과 마른 부분 사이에 캐패시턴스 차이에 의한 전압 차이가 유도되고, 친수성 멤브레인의 높은 극성 용매 흡수력에 의해 발생하는 수소 이온의 이동으로 인해 유발되는 전자의 흐름을 활용하여, 직류 형태의 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 에너지 생성 장치를 제공한다.Pseudocapacitor materials capable of adsorbing anions and cations on the surface have higher adsorption efficiency than conventional electrical double layer materials such as carbon. In particular, the conductive polymer series, which is a representative pseudocapacitor material, also has electrical conductivity, allowing rapid movement of electrons. In a hydrophilic membrane coated with a conductive polymer, an electric double layer is formed by the cations and anions adsorbed on the surface of the conductive polymer, leading to a voltage difference due to the difference in capacitance between the wet and dry areas, and the highly polar solvent of the hydrophilic membrane An energy generating device is provided, characterized in that electric energy in the form of direct current is generated by utilizing the flow of electrons caused by the movement of hydrogen ions generated by the absorption force.

일측에 따르면, 고분자가 흡착하는 양이온과 음이온에 의해 형성되는 캐패시턴스 차이에 의한 전위 차이와, 친수성 멤브레인의 높은 극성 용매 흡수력에 의해 발생하는 유체 흐름에 의한 수소 이온의 이동으로 인해 유발되는 전자의 흐름에 의해 지속적으로 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the potential difference caused by the difference in capacitance formed by the positive and negative ions adsorbed by the polymer, and the flow of electrons caused by the movement of hydrogen ions by the fluid flow caused by the high polar solvent absorption capacity of the hydrophilic membrane. It may be characterized in that the electrical energy is continuously generated.

다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역의 극성 용매 내의 양이온과 음이온이 상기 극성 용매의 상기 친수성 섬유 멤브레인의 극성 용매 흡수에 따른 유동에 의해 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역 방향으로 이동함에 따라, 지속적으로 전류가 생성됨을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, cations and anions in the polar solvent of the wet region of the hydrophilic fiber membrane move toward the non-wet region of the hydrophilic fiber membrane by flow of the polar solvent according to the absorption of the polar solvent of the hydrophilic fiber membrane. Accordingly, it may be characterized in that the current is continuously generated.

또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고, 상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온과 음이온이 상기 젖음 영역의 헬름홀츠 외각 면 (outer Helmholtz plane)에 추가적으로 배열 되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the polar solvent includes a polar protic solvent containing ions, and the cations and anions contained in the polar protic solvent are additionally arranged on the outer Helmholtz plane of the wetting region. It can be characterized.

또 다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치는 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역과 연결되는 제1 전극; 및 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the energy generating device comprises: a first electrode connected to the wet region of the hydrophilic fiber membrane; And a second electrode connected to a non-wet region of the hydrophilic fiber membrane.

또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the polar solvent is (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol, methanol ( A synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent of methanol) and water, or (2) a solution existing in nature, such as at least one of seawater and sweat, may be included.

또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC), poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the conductive polymer material constituting the conductive polymer layer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV ), Poly(acetylene)s (PAC), and poly(p-phenylene sulfide) (PPS). It may be characterized by including at least one conductive polymer material.

또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층은 전기전도도 특성 및 양이온과 음이온을 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 특성을 활용하기 위해 상기 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질이 0차원, 1차원 또는 2차원으로 복합화되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the conductive polymer layer is a zero-dimensional, one-dimensional or two-dimensional composite of the selected at least one conductive polymer material in order to utilize the electrical conductivity properties and the pseudocapacitor properties capable of adsorbing cations and anions. It can be characterized.

또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재하여 코팅되고, 상기 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 상기 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the conductive polymer layer is coated by loading a conductive polymer within the range of 2.1 mg/cm 3 to 0.024 mg/cm 3 per unit volume on the hydrophilic fiber membrane, and the formation of the conductive polymer through the amount of the loaded conductive polymer. It may be characterized in that the voltage and current of the electrical energy to be adjusted.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fiber membrane is selected from cotton fabric, mulberry paper, polypropylene membrane, nonwoven fabric treated with oxygen plasma, fabric with hydrophilic surface treatment, and nanofibers. It may be characterized in that it is composed of at least one material.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적 및 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 향상을 위해 친수성 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자가 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fiber membrane is made of hydrophilic fiber strands in order to improve the specific surface area and absorption of the polar protic solvent, and a conductive polymer is bound to the surface of the individual fibers.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the diameter of the hydrophilic fiber strands included in the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that it is included in the range of several tens of nm to several hundred μm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that included in the range of 5 μm to 1 mm.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 양 극의 비대칭 젖음을 통한 전압 차이를 유지하기 위해 가로 세로의 종횡비가 3 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fibrous membrane may have an aspect ratio of 3 or more in order to maintain a voltage difference through asymmetric wetting of both electrodes.

또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층이 코팅된 적어도 하나의 다른 친수성 섬유 멤브레인을 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 연결하여 생성되는 전기 에너지의 양, 전압, 전력 밀도, 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the amount of electrical energy generated by laminating at least one other hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer on the hydrophilic fiber membrane or connecting in parallel or series, voltage, power density, polar protic solvent It may be characterized in that at least one of the absorption power is controlled.

에너지 생성 장치의 제조방법에 있어서, (a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계; (b) 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계; (c) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계를 포함하고, 상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing an energy generating device, the method comprising: (a) cutting a hydrophilic fiber membrane into a designed size; (b) coating a conductive polymer layer on the surface of individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane by immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive polymer coating solution; (c) drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer, wherein the polarity is applied to the conductive polymer in the wetted region by asymmetric wetting of the surface of the conductive polymer layer with a polar solvent. As the solvent is adsorbed, the wet region and the non-wet region form opposite poles to each other to generate electric energy.

일측에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (d) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one side, the method of manufacturing the energy generating device may further include (d) laminating two or more hydrophilic fiber membranes coated with a conductive polymer layer.

다른 측면에 따르면, 상기 에너지 생성 장치의 제조방법은 (e) 전도성 고분자 층이 코팅된 복수의 친수성 섬유 멤브레인을 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another aspect, the method of manufacturing the energy generating device may further include (e) connecting a plurality of hydrophilic fiber membranes coated with a conductive polymer layer in parallel or in series.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 양이온과 음이온을 모두 흡착할 수 있는 전도성 고분자 물질로서, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 물에 분산시켜 1wt%의 질량비를 갖도록 상기 전도성 고분자 코팅 용액을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step (b) is a conductive polymer material capable of adsorbing both cations and anions, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy) , Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) and poly(p-phenylene sulfide) (PPS) by dispersing at least one conductive polymer material selected from water to have a mass ratio of 1 wt% It may be characterized in that to generate the conductive polymer coating solution.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계는, 상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 전도성 고분자의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the step (b) may be characterized in that the loading amount of the conductive polymer is controlled by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the conductive polymer coating solution.

또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계는, 상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, step (c) may be characterized in that the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer is placed flat on a tray and then dried in an oven.

또 다른 측면에 따르면, 상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 연결된 두 전극 중 하나의 전극과 연결된 부분에만 극성 용매를 부분적으로 떨어뜨려 상기 극성 용매에 의해 젖은 부분의 전극과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전력을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, a polar solvent is partially dropped only on a portion connected to one of the two electrodes connected to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer, so that the electrode in the wet portion and the electrode in the non-wet portion by the polar solvent It may be characterized in that it is connected to form a circuit to generate DC power.

또 다른 측면에 따르면, 상기 극성 용매는 이온을 포함하는 극성 양성자성 용매로서, (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중에서 선택된 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액을 포함하거나 또는 (2) 바닷물이나 땀과 같은 자연에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the polar solvent is a polar protic solvent containing ions, (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol (n- propanol), ethanol (ethanol), methanol (methanol), and a synthetic solution in which ions are dissolved in a polar protic solvent selected from water, or (2) a solution existing in nature such as seawater or sweat. It can be characterized.

본 발명의 실시예들에 따르면 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 떨어뜨리는 행위로 고성능의 직류 전력을 생성하는 전기 에너지 생성 장치를 제작할 수 있다.According to embodiments of the present invention, an electric energy generating device generating high-performance direct current power by dropping a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer. Can be produced.

침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 고분자를 극성 용매의 흡수가 용이한 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여, 극성 용매의 존재만으로 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 또한 개별의 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치가 복수 개 결합된 대면적 전기 에너지 생성 장치를 제공함으로써, 생성되는 전압과 전류를 증가시켜 고전력 전자기기의 구동을 위한 전기 에너지를 생성할 수 있다.Through a dipping process, a conductive polymer is evenly applied to the surface of the fiber strands of a hydrophilic fiber membrane that is easily absorbed by a polar solvent, so that electric energy can be generated only with the presence of a polar solvent. By providing a large-area electrical energy generating device in which a plurality of energy generating devices are combined, it is possible to generate electrical energy for driving a high-power electronic device by increasing a generated voltage and current.

예를 들어, 침지 공정을 이용하여 제조된 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 양이온과 음이온을 모두 흡착할 수 있는 대표적인 슈도캐패시터 물질인 전도성 고분자와, 친수성 섬유 멤브레인의 우수한 젖음성 (wetting) 및 기공도를 기반으로 높은 효율의 직류 전력을 친환경적으로 생성할 수 있다. 일실시예로, 규격이 3 cm (세로) × 9 cm (가로)의 크기를 갖는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.25 ml 이하의 소량의 물로 1시간 이상 동안 직류 전력을 발생할 수 있고, 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 활용 가능성이 높다.For example, an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer manufactured using an immersion process is a representative pseudocapacitor material capable of adsorbing both positive and negative ions, a conductive polymer, and excellent wettability of a hydrophilic fiber membrane. Based on (wetting) and porosity, high-efficiency DC power can be environmentally generated. As an example, in the case of a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer having a size of 3 cm (length) × 9 cm (horizontal), DC power can be generated for 1 hour or more with a small amount of water of 0.25 ml or less. In addition, since mass production is easy, it is highly likely to be used as an auxiliary power supply for a home energy auxiliary device, a portable power auxiliary device, and a wearable electronic device.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제작 과정인 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용하여 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 방법 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 적층된 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 에너지 생성 장치의 모식도이다.
도 4는 일 비교예 1 에 따라 같은 저항 값을 갖는 탄소 입자가 도포된 에너지 생성 장치와 양이온/음이온을 표면에 모두 흡착하는 전도성 고분자인 PANI와 PEDOT:PSS 가 도포된 에너지 생성 장치에 비대칭 젖음을 수행하고 생성 개방 전압을 비교한 결과이다.
도 5는 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 물의 비대칭 젖음 생성 개방 전압 측정 결과이다.
도 6은 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 물의 비대칭 젖음 생성 개방 단락 전류 측정 결과이다.
도 7은 인체에서 발생하는 대표적인 염을 함유하고 있는 액체인 인공 땀을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 생성 개방 전압들을 측정한 결과이다.
도 8는 대표적인 염을 함유하고 있고 지구상에 충분하게 존재하고 있는 액체인 인공 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 생성 개방 전압을 측정한 결과이다.
도 9는 실제 동해와 남해 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 다르게 나타나는 생성 전압 거동을 확인한 결과이다.The drawings, which are included as part of the detailed description to aid in understanding of the present invention, provide embodiments for the present invention, and together with the detailed description will be described the technical idea of the present invention.
1 is a schematic view of manufacturing an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer, which is a manufacturing process of the present invention.
2 is a flow chart of a method of manufacturing an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer by using an immersion process according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a large-area energy generating device in which individually stacked energy generating devices according to an embodiment of the present invention are combined.
4 is asymmetric wetting in an energy generating device coated with carbon particles having the same resistance value and an energy generating device coated with PANI and PEDOT:PSS, which are conductive polymers that adsorb both cations/anions on the surface, according to Comparative Example 1. This is the result of comparing the open-circuit voltage generated and generated.
5 is a result of measuring an open circuit voltage for generating asymmetrical wetting of water according to a change in resistance of an energy generating device of a cotton fabric coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer.
6 is a result of measuring an open short-circuit current generating asymmetrical wetting of water according to a change in resistance of an energy generating device of a cotton fabric coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer.
7 is a result of measuring the generated open-circuit voltages by utilizing artificial sweat, which is a liquid containing a typical salt generated in the human body, to an energy generating device of a cotton fabric coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer.
FIG. 8 is a result of measuring the generated open-circuit voltage by utilizing artificial seawater, which is a liquid containing a representative salt and sufficiently present on the earth, to an energy generating device of a cotton fabric coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer. .
9 is a result of confirming the different generated voltage behavior by utilizing the actual East Sea and South Sea seawater in a cotton fabric energy generating device coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention may apply various transformations and may have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 극성 용매 (바람직하게는, 이온을 함유한 극성 양성자성 용매) 의 비대칭 젖음 (asymmetric wetting) 및 유체의 흐름에 의해 표면에 음이온/양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질인 전도성 고분자 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 특유의 높은 전압 생성 효율을 활용하여, 극성 용매(바람직하게는 적은 양의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매)를 전도성 고분자층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 비대칭으로 떨어뜨리는 행위를 통해 전기 에너지를 발생시키는 에너지 생성 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 표면 에너지를 낮추기 위한 물리적 흡착으로 인해 발생하는 캐패시턴스 차이로 전위 차가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 장기적으로 유지가 가능하다. 그리고, 친수성 천 섬유 가닥이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 극성 용매가 함유하고 있는 수소 분자(수소 이온)를 젖은 부분에서 마른 부분으로 이동시키고, 전하적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 유발되는 전도성 고분자 내부의 전자 흐름을 활용하는 것을 특징으로 할 수 있다. The present invention is a pseudocapacitor material capable of adsorbing both anions/cations on the surface by asymmetric wetting of a polar solvent (preferably, a polar protic solvent containing ions) and flow of a fluid. A polar solvent (preferably a polar protic solvent containing a small amount of ions) is connected to a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer by utilizing the unique high voltage generation efficiency formed in the process of being adsorbed on the conductive polymer surface. It relates to an energy generating device that generates electrical energy by asymmetrically dropping only one of the two electrodes to the connected area, and a method of manufacturing the same.A part in which the potential difference is wet due to the difference in capacitance caused by physical adsorption to lower surface energy Formed between the skin and the dry part. The potential difference formed by the difference in capacitance can be maintained for a long time until the polar solvent completely evaporates. And, the high polar solvent absorption ability of the hydrophilic cloth fiber strands is a conductive polymer that is induced to move hydrogen molecules (hydrogen ions) contained in the polar solvent from wet to dry and maintain charge neutrality. It may be characterized by utilizing the internal electron flow.

본 발명의 일실시예는 표면에 음이온/양이온을 모두 흡착할 수 있는 슈도캐패시터 (pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는 것을 기반으로, 고성능의 직류 전압-전류 형태의 전기 에너지를 발생시키는 개별 에너지 생성 장치와, 이러한 개별 에너지 생성 장치를 복수 개 결합한 대면적 전기 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 전기 이중층만 형성하는 탄소층 (탄소입자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등)에 비해 양이온과 음이온 모두를 흡착 할 수 있는 전도성 고분자를 활용함으로써 에너지 생성 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 슈도캐패시터 물질은 기존의 전기 이중층 흡착과 달리, 음이온과 양이온을 모두 이용할 수 있기 때문에 높은 에너지 생성 효율을 가질 수 있다. 전도성 고분자 기반 에너지 생성 장치를 통해 형성된 직류 형태의 전기 에너지는 별도의 정류 회로 없이 직접 고전력의 전자기기에 연결하여 구동할 수 있다.An embodiment of the present invention is based on the fact that pseudocapacitor materials capable of adsorbing both anions/cations on the surface have higher adsorption efficiency than conventional electrical double layer materials such as carbon, It provides an individual energy generating device for generating high-performance direct current voltage-current form of electrical energy, and a method of manufacturing a large-area electrical energy generating device in which a plurality of such individual energy generating devices are combined. The present invention can greatly improve energy generation efficiency by utilizing a conductive polymer capable of adsorbing both cations and anions compared to a carbon layer (carbon particles, graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, etc.) forming only an electric double layer. have. Unlike conventional electric double layer adsorption, the pseudocapacitor material can have high energy generation efficiency because both anions and cations can be used. Electric energy in the form of direct current formed through an energy generating device based on a conductive polymer can be driven by directly connecting to a high-power electronic device without a separate rectifier circuit.

이처럼 본 발명의 실시예들은 간단한 침지 공정으로 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 저비용으로 대량생산 할 수 있으며, 대면적 (large-area)의 에너지 생성 장치의 제조가 용이하며, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인들간의 적층을 통해 생성 전압 및 전류의 조절이 용이하다는 장점이 있다.As described above, the embodiments of the present invention can mass-produce a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer at low cost by a simple immersion process, and it is easy to manufacture a large-area energy generating device, and the conductive polymer layer is There is an advantage in that it is easy to control the generated voltage and current through lamination between the coated hydrophilic fiber membranes.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제작과정 모식도이다. 일정 규격(일례로, 3 cm (세로) × 9 cm (가로))으로 절삭한 친수성 섬유 멤브레인(101)을 전도성 고분자가 분산되어 있는 전도성 고분자 코팅 용액(102)에 침지한다. 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 도포되는 전도성 고분자 층의 두께와 균일도를 제어할 수 있다. 전도성 고분자 층이 균일하게 코팅된 침지된 친수성 섬유 멤브레인(103)은 건조 오븐에서 건조 과정(104)을 거친 후 완성될 수 있다. 건조 후의 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치의 저항은 1 kΩ ~ 100 MΩ의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 친수성 섬유 멤브레인(103)이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 수십 nm 내지 수백 μm의 범위(일례로, 50 nm ~ 500 μm의 범위) 내에서 구성된다.1 is a schematic diagram of a manufacturing process of an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer, which is an embodiment of the present invention. The hydrophilic fiber membrane 101 cut to a certain standard (for example, 3 cm (length) × 9 cm (horizontal)) is immersed in the conductive polymer coating solution 102 in which the conductive polymer is dispersed. During the immersion process, the thickness and uniformity of the conductive polymer layer applied to the surface of the hydrophilic fiber membrane may be controlled by adjusting the number of immersions. The immersed hydrophilic fiber membrane 103 in which the conductive polymer layer is uniformly coated may be completed after passing through the drying process 104 in a drying oven. The resistance of the hydrophilic fiber membrane-based energy generating device after drying may be in the range of 1 kΩ to 100 MΩ. In addition, the diameter of the hydrophilic fiber strands included in the hydrophilic fiber membrane 103 is configured within a range of several tens of nm to several hundred μm (for example, a range of 50 nm to 500 μm).

다시 말해, 음이온과 양이온을 모두 흡착할 수 있는 복합 흡착 특성을 갖는 슈도캐패시터(pseudocapacitor) 물질들은 기존의 탄소 계열과 같은 전기 이중층 (electrical double layer) 물질에 비해서 높은 흡착 효율을 갖는 것을 기반으로, 고성능의 직류 전압-전류 형태의 전기 에너지를 발생시키는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함할 수 있다. 이때, 에너지 생성 장치는 상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 일례로, 극성 용매에 의해 젖은 전도성 고분자와 젖지 않은 전도성 고분자간의 전기 이중층의 존재 유무로 형성된 캐패시턴스에 의해 유발된 전위 차 (전압 차)를 이용하여 전기 에너지가 생성될 수 있다. 양이온과 음이온을 함유한 용액과 같은 극성 용매에 의해 젖은 영역(wetted region)은 전도성 고분자의 표면에서 전기 이중층에 의해 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성하게 된다. 이로 인해 극성 용매에 의해 젖은 부분과 젖지 않은 영역(dry region)간에 전위차가 형성될 수 있다. 이 경우, 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역과 연결되는 제1 전극, 그리고 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 연결되는 제2 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류 및 전력을 생산할 수 있게 된다.In other words, pseudocapacitor materials with complex adsorption properties capable of adsorbing both anions and cations are based on having high adsorption efficiency compared to electrical double layer materials such as existing carbon, It may include a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer that generates electrical energy in the form of a DC voltage-current. At this time, the energy generating device is asymmetrically wetted by a polar solvent on the surface of the conductive polymer layer, and as the polar solvent is adsorbed to the conductive polymer in the wetted region, the wetted region and the non-wet It may be characterized in that the regions form opposite poles to generate electrical energy. For example, electric energy may be generated using a potential difference (voltage difference) caused by a capacitance formed by the presence or absence of an electric double layer between a conductive polymer wet and a conductive polymer that is not wet by a polar solvent. In the wetted region by a polar solvent such as a solution containing positive and negative ions, the surface of the conductive polymer is negatively charged by an electric double layer and a negative potential is formed. As a result, a potential difference may be formed between a wet part and a dry region by a polar solvent. In this case, when the first electrode connected to the wet region of the hydrophilic fiber membrane and the second electrode connected to the non-wet region of the hydrophilic fiber membrane are connected by a circuit, DC voltage, DC current, and power can be produced.

또한, 이러한 에너지 생성 장치는 제 1영역과 제 2영역간의 캐패시턴스 차이에 의해 유발된 전위 차를 지속적으로 유지할 수 있어, 전기 에너지를 지속적으로 생성할 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자가 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은, 전도성 고분자와 친수성 섬유 멤브레인 (일례로, 면 직물)로부터 다량의 양이온 (수소 이온을 포함)이 유동하고, 극성 용매 (유체)에 포함되어 있는 양이온과 음이온들이 면 직물의 젖어 있는 영역에서 젖어 있지 않은 영역으로 유동하며, 전도성 고분자 내의 전하적 중성도를 유지하기 위한 전자의 흐름을 유발한다. 그렇기 때문에, 본 발명은 전위 차/전류가 지속적으로 발생되어 직류 형태의 전기 에너지가 지속적으로 생성될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 이중층 기반 전기 에너지 생성 장치는 기존의 증발 흐름 전위 (Evaporation driven streaming potential)에서는 나타나지 않는 다양한 현상들을 확인할 수 있다. In addition, such an energy generating device can continuously maintain a potential difference caused by a difference in capacitance between the first region and the second region, thereby continuously generating electric energy. For example, in a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer, a large amount of cations (including hydrogen ions) flow from a conductive polymer and a hydrophilic fiber membrane (for example, cotton fabric), and are contained in a polar solvent (fluid). Cations and anions flow from wet to non-wet areas of the cotton fabric, causing electrons to flow to maintain charge neutrality in the conductive polymer. Therefore, in the present invention, electric energy in the form of direct current can be continuously generated by continuously generating a potential difference/current. The bilayer-based electric energy generation device proposed by the present invention can confirm various phenomena that do not appear in the existing evaporation driven streaming potential.

기존 증발 흐름 전위는 유체의 지속적인 증발에 의해서 흐름이 발생되고, 유체의 흐름이 유지되는 환경에서 전위 차가 발생하는 특징이 있다. 상대습도가 높은 환경에서는 증발 속도가 현저하게 떨어지며 유체의 흐름이 정체되기 때문에, 기존의 증발 흐름 전위는 전력을 생성하기 어렵다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 이중층 기반 에너지 생성 장치에서는 물 흡수력이 뛰어난 천이 유체의 빠른 흐름을 제공하기 때문에, 전기 에너지의 생성이 습도에 거의 영향을 받지 않게 된다. The existing evaporation flow potential is characterized in that a flow is generated by continuous evaporation of a fluid, and a potential difference occurs in an environment in which the flow of fluid is maintained. In an environment with high relative humidity, the evaporation rate is significantly lowered and the flow of the fluid is stagnant, so that the existing evaporation flow potential is difficult to generate power. On the other hand, since the double layer-based energy generating device according to an embodiment of the present invention provides a fast flow of a transition fluid having excellent water absorption capacity, generation of electrical energy is hardly affected by humidity.

또한, 기존 증발 흐름 전위에 따른 전압이 양이온의 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보이는 반면, 본 발명의 이중층을 통해 발생하는 전기 에너지의 전압과 전류는 다양한 종류의 이온의 추가에 따라 모두 증가하는 경향을 보인다. 예를 들어, 기존 증발 흐름 전위에서는 유체의 흐름이 증발에 의존하기 때문에 유체가 흐르는 속도가 한정되고, 따라서 유체의 양 자체가 한정되기 때문에 한정된 유체의 양에 포함되는 양이온 농도가 증가는 증기압의 감소로 인한 유체의 증발량의 감소로 이어진다. 증발량의 감소는 결국 유체의 흐름을 정체시킬 수 있기 때문에 기존 증발 흐름 전위에서는 양이온 농도의 증가에 따라 전압이 감소하는 모습을 보인다. 반면, 본 발명의 친수성 섬유 멤브레인은 극성 용매의 비대칭적인 젖음에 따라 자체적인 유체의 흐름을 유도할 뿐만 아니라, 외각 헬름홀츠 면 (outer Helmholtz plane)에 다양한 양이온들을 배열할 수 있어 농도의 증가는 상대적으로 더 큰 전위 차로 이어질 수 있다. 따라서 양이온 농도의 증가에 따라 전압과 전류가 모두 증가할 수 있다. 뿐만 아니라, 슈도캐패시터 전도성 고분자는 표면에 매우 가까운 내각 헬름홀츠 면 (inner Helmholtz plane)에 음이온을 배열할 수 있어, 양이온과 음이온을 모두 전력 생성에 활용할 수 있다. In addition, while the voltage according to the existing evaporation flow potential tends to decrease as the concentration of cations increases, the voltage and current of the electric energy generated through the double layer of the present invention all increase with the addition of various kinds of ions. Show a tendency. For example, in the existing evaporation flow potential, since the flow of the fluid depends on evaporation, the flow rate of the fluid is limited, and thus the amount of fluid itself is limited, so an increase in the concentration of cations contained in the limited amount of fluid decreases the vapor pressure. This leads to a decrease in the amount of evaporation of the fluid. Since a decrease in the evaporation amount may eventually stagnate the flow of the fluid, the voltage decreases with an increase in the concentration of cations in the existing evaporation flow potential. On the other hand, the hydrophilic fiber membrane of the present invention not only induces the flow of its own fluid according to the asymmetric wetting of the polar solvent, but also can arrange various cations on the outer Helmholtz plane, thus increasing the concentration relatively. It can lead to a larger potential difference. Therefore, both voltage and current may increase as the cation concentration increases. In addition, the pseudocapacitor conductive polymer can arrange anions on the inner Helmholtz plane very close to the surface, so that both positive and negative ions can be used for power generation.

한편, 전도성 고분자로서 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 물질이 활용될 수 있다. 우수한 전기전도도 및 전기 이중층-산화/환원 복합 흡착 특성을 가지며, 친수성 섬유 멤브레인과 결착이 잘 이루어지는 전도성 고분자는 특정 고분자 물질에 제약을 두지 않으며, 박층 형태로 코팅된 전도성 고분자 층이 활용될 수 있으며, 0차원, 1차원, 2차원의 전도성 고분자 층이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다. Meanwhile, as a conductive polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) and poly At least one polymer material selected from (p-phenylene sulfide) (PPS) may be used. A conductive polymer that has excellent electrical conductivity and electrical double-layer-oxidation/reduction complex adsorption properties, and is well bonded to a hydrophilic fiber membrane, does not place any restrictions on a specific polymer material, and a conductive polymer layer coated in a thin layer can be used. The 0-dimensional, 1-dimensional, and 2-dimensional conductive polymer layers may be used alone or in combination.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용한 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 기반한 에너지 생성 장치의 제조방법에 따른 순서도를 보여준다. 도 2의 순서도에서 확인할 수 있듯이, 에너지 생성 장치의 제조방법은 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계(201), 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 용액에 침지시켜 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계(202), 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 오븐 건조를 통해 수분을 제거하는 단계(203)를 포함할 수 있다. 개별의 에너지 생성 장치는 이러한 단계(201) 내지 단계(203)를 통해 제조될 수 있으며, 복수 개의 개별의 에너지 생성 장치들을 결합하여 대면적 에너지 생성 장치가 제조될 수 있다. 이러한 대면적 에너지 생성 장치를 제조하기 위해, 도 2에 나타난 바와 같이 에너지 생성 장치의 제조 방법은 단계(204)를 더 포함할 수 있다. 또한, 개별 에너지 생성 장치 또는 대면적 에너지 생성 장치를 통해 전기 에너지를 생성하기 위해, 에너지 생성 장치의 제조방법은 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 멤브레인에 대한 극성 용매의 비대칭적인 젖음을 통해 전기 에너지를 생성하는 단계(205)를 더 포함할 수 있다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer using an immersion process according to an embodiment of the present invention. As can be seen in the flow chart of FIG. 2, the method of manufacturing an energy generating device includes steps 201 of cutting a hydrophilic fiber membrane into a designed size, and coating a conductive polymer layer by immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive polymer solution (202). ), removing moisture through oven drying of the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer (203). Individual energy generating devices may be manufactured through these steps 201 to 203, and a large-area energy generating device may be manufactured by combining a plurality of individual energy generating devices. In order to manufacture such a large-area energy generating device, the method of manufacturing the energy generating device may further include step 204 as shown in FIG. 2. In addition, in order to generate electric energy through an individual energy generating device or a large-area energy generating device, the manufacturing method of the energy generating device generates electrical energy through asymmetric wetting of a polar solvent to a hydrophilic membrane coated with a conductive polymer layer. It may further include a step (205).

단계(201)는 개별 에너지 생성 장치의 프레임이 되어, 일부 영역에서 극성 용매를 함유하게 되는 친수성 섬유 멤브레인을 미리 설정된 크기(일례로, 3 cm (세로) × 9 cm (가로))로 절삭하는 과정일 수 있다. 이때, 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함될 수 있다. 이러한 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다.Step 201 is a process of cutting the hydrophilic fibrous membrane, which becomes the frame of the individual energy generating device, and contains a polar solvent in some regions, to a preset size (for example, 3 cm (length) × 9 cm (horizontal)). Can be At this time, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may be included in the range of 5 μm to 1 mm. The hydrophilic fiber membrane is made of at least one material selected from cotton fabric, mulberry paper, polypropylene membrane, oxygen plasma treated nonwoven fabric, fabric with hydrophilic surface treatment, and nanofibers. Can be configured.

단계(202)는 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층을 코팅하는 과정일 수 있다. 이를 위해 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자가 물에 분산된 전도성 고분자 용액에 침지시킬 수 있다. 예를 들어, 전도성 고분자 물질은 물에 0.5~1wt%의 질량비를 갖도록 물에 분산될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 고분자 물질을 포함할 수 있다. 이러한 전도성 고분자 층은 우수한 전기전도도 특성과 전기 이중층-산화/환원 복합 흡착 특성을 가질 수 있으며, 0 차원, 1 차원 또는 2차원으로 복합화되어 친수성 섬유 멤브레인에 결착될 수 있다. 전도성 고분자 층은 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재함으로써 코팅될 수 있으며, 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절될 수 있다. 예를 들어, 친수성 섬유 멤브레인에 적재되는 전도성 고분자의 양을 조절하기 위해, 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하거나 및/또는 전도성 고분자의 물에 대한 질량비를 조절할 수 있다.Step 202 may be a process of coating a conductive polymer layer on the hydrophilic fiber membrane. To this end, as described with reference to FIG. 1, the hydrophilic fiber membrane may be immersed in a conductive polymer solution in which a conductive polymer is dispersed in water. For example, the conductive polymer material may be dispersed in water to have a mass ratio of 0.5 to 1 wt% in water. As described above, the conductive polymer material constituting the conductive polymer layer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), It may include at least one polymer material selected from poly(acetylene)s (PAC) and poly(p-phenylene sulfide) (PPS). Such a conductive polymer layer may have excellent electrical conductivity properties and electric double-layer-oxidation/reduction complex adsorption properties, and may be combined in a zero-dimensional, one-dimensional or two-dimensional manner to be bound to a hydrophilic fiber membrane. The conductive polymer layer can be coated by loading a conductive polymer within the range of 2.1 mg/cm 3 ~ 0.024 mg/cm 3 per unit volume on the hydrophilic fiber membrane, and the voltage and current of electrical energy generated through the amount of the loaded conductive polymer are Can be adjusted. For example, in order to control the amount of the conductive polymer loaded on the hydrophilic fiber membrane, the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the conductive polymer coating solution and/or the mass ratio of the conductive polymer to water may be adjusted.

단계(203)는 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키기 위한 과정일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 극성 용매를 떨어뜨리는 영역을 제외한 영역은 건조된 상태여야 극성 용매에 의해 젖은 영역과의 전위차를 통해 전기 에너지를 발생시킬 수 있기 때문에, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 기본적으로 건조된 상태에서 사용될 수 있다. 이 과정에서 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 트레이상에 평평하게 배치될 수 있으며, 오븐을 통해 건조(일례로, 80℃)될 수 있다.Step 203 may be a process for drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer. As described above, since the area except the area where the polar solvent is dropped must be dried to generate electric energy through the potential difference with the area wet by the polar solvent, the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer is basically It can be used in a dried state. In this process, the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer may be flatly disposed on a tray, and may be dried (eg, 80° C.) through an oven.

단계(204)는 대면적의 에너지 생성 장치를 제조하기 위해 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 결합하는 고정일 수 있다. 개별 에너지 생성 장치들간의 적층은 생성되는 전류의 양을 늘리고, 극성 용매의 증발을 효과적으로 억제하여 전기 에너지의 생성을 장시간 지속시키기 위해 활용될 수 있다. 또한, 개별 에너지 생성 장치들을 병렬 또는 직렬로 연결하는 것은 대면적화-극대화된 전류 및 전압을 생성하기 위해 활용될 수 있다. 여기서 개별 에너지 생성 장치들간의 적층은 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인들이 물리적으로 적층되는 것을 의미할 수 있다. 반면, 개별 에너지 생성 장치들간의 병렬/직렬 연결/결합은 전기적인 연결/결합을 의미할 수 있다.Step 204 may be a fixation in which two or more hydrophilic fibrous membranes coated with a conductive polymer layer are stacked or bonded in parallel or series to produce a large-area energy generating device. The lamination between individual energy generating devices can be utilized to increase the amount of electric current generated, effectively suppress evaporation of the polar solvent, and sustain the generation of electric energy for a long time. In addition, connecting individual energy generating devices in parallel or in series can be utilized to generate large-area-maximized currents and voltages. Here, lamination between individual energy generating devices may mean that the hydrophilic fiber membranes coated with the conductive polymer layer are physically laminated. On the other hand, parallel/serial connection/combination between individual energy generating devices may mean electrical connection/combination.

단계(205)는 제조된 에너지 생성 장치를 이용하여 전기 에너지를 생성하기 위해 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 비대칭적으로 떨어뜨리는 과정일 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 일부분만 극성 용매를 떨어뜨리는 경우, 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 극성 용매가 흡착됨에 다라 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성함에 따라 전기 에너지가 생성될 수 있다.Step 205 may be a process of asymmetrically dropping a polar solvent on the hydrophilic fiber membrane to generate electrical energy using the manufactured energy generating device. As described above, when only a part of the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer is dropped with the polar solvent, the wet and non-wet areas are mutually adsorbed by the polar solvent to the conductive polymer in the wetted area. Electrical energy can be generated by forming the opposite pole.

추가적으로, 극성 용매로는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매들이 활용될 수 있다. 예를 들어, 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함할 수 있다. 유전 상수가 20 이상 되는 수소 이온 (proton)을 함유하고 있는 극성 양성자성 용매(polar protic solvents)로서, 메탄올 (methanol), 폼산 (formic acid), 물 등이 활용될 수 있으며, 특히 유전 상수가 가장 높은 물에 H+, Li+, Na+, K+ 이온들을 용해하면, 외각 헬름홀츠 면에 추가로 이온들이 배열되어 전기 에너지의 전류 및 전압이 증가하게 된다. 인체에 닿아도 무해하며 에너지 생성 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 이온은 Na+, K+ 등이 해당한다.Additionally, polar protic solvents containing ions may be used as the polar solvent. For example, polar solvents include (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol, methanol, and A synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent among water, or (2) a solution existing in nature, such as at least one of seawater and sweat, may be included. As polar protic solvents containing protons with a dielectric constant of 20 or more, methanol, formic acid, and water can be used. In particular, the dielectric constant is the most. When H + , Li + , Na + , and K + ions are dissolved in high water, additional ions are arranged on the outer Helmholtz surface to increase the electric energy current and voltage. Ions that are harmless to the human body and can improve the performance of energy generating devices include Na + and K + .

제작된 에너지 생성 장치는 소량의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매로도 장시간 동안 고성능의 직류 전력을 발생할 수 있고 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 응용이 가능하다. The manufactured energy generating device can generate high-performance direct current power for a long time even with a polar protic solvent containing a small amount of ions and is easy to mass-produce, so it is an auxiliary device for home energy assistance devices, portable power assistance devices, and wearable electronic devices. It can be applied as a power supply.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 적층된 에너지 생성 장치가 결합된 대면적 에너지 생성 장치의 모식도이다. 앞서 설명한 바와 같이 전도성 고분자가 코팅된 개별 에너지 생성 장치들을 활용하여 대용량 전자 기기를 구동하기 위해서는, 개별 에너지 생성 장치들의 적층이나 병렬/직렬 연결을 통해 대면적 에너지 생성 장치를 제조할 필요성이 있다. 도 3은 그 일실시예로서, 복수 개의 개별 에너지 생성 장치들이 적층된 적층 에너지 생성 장치 (302)를 나타내고 있으며, 복수 개의 적층 에너지 생성 장치들이 지지체 (301)가 제공하는 공간을 통해 설치되어 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결/결합됨에 따라 대면적 에너지 생성 장치 (303)를 형성하는 실시예를 나타내고 있다. 이러한 대면적 에너지 생성 장치 (303)를 통해 높은 구동 전압 및 전류가 요구되는 전자기기를 소량의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매와 같은 극성 용매로 구동하는 것이 가능하다.3 is a schematic diagram of a large-area energy generating device in which individually stacked energy generating devices according to an embodiment of the present invention are combined. As described above, in order to drive a large-capacity electronic device using individual energy generating devices coated with a conductive polymer, there is a need to manufacture a large-area energy generating device through stacking of individual energy generating devices or parallel/series connection. 3 shows a stacked energy generating device 302 in which a plurality of individual energy generating devices are stacked as an embodiment, and a plurality of stacked energy generating devices are installed through a space provided by the support body 301 in series and It shows an embodiment of forming a large-area energy generating device 303 by being electrically connected/coupled in parallel. Through this large-area energy generating device 303, it is possible to drive an electronic device requiring a high driving voltage and current with a polar solvent such as a polar protic solvent containing a small amount of ions.

하기에서는 실시예 및 비교예들을 통하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예들에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail through examples and comparative examples. Examples and comparative examples are for illustrative purposes only, and the present invention is not limited by the following examples.

비교예 1: 흡착 특성이 다른 물질이 도포된 에너지 생성 장치의 성능 비교Comparative Example 1: Performance comparison of an energy generating device coated with a material having different adsorption properties

도 4는 같은 저항을 갖는 탄소 입자가 친수성 섬유 멤브레인에 도포(코팅)된 에너지 생성 장치(이하, 제1 에너지 생성 장치)와, 음이온과 양이온을 모두 표면에 흡착할 수 있는 전도성 고분자 PANI와 전도성 고분자 PEDOT:PSS가 각각 친수성 섬유 멤브레인에 도포(코팅)된 에너지 생성 장치들(이하, 제2 에너지 생성 장치 및 제3 에너지 생성 장치)에 각각 이온을 함유한 극성 양성자성 용매의 비대칭 젖음을 수행하고 생성되는 전기 에너지의 개방 전압을 비교하였다. 그 결과, 탄소 입자가 도포된 제1 에너지 생성 장치에 비해서 전도성 고분자 PANI 또는 PEDOT:PSS가 도포된 제2 에너지 생성 장치 및 제3 에너지 생성 장치의 개방 전압이 모두 높게 나타났으며, 전도성 고분자 PEDOT:PSS가 도포된 제3 에너지 생성 장치가 제1 에너지 생성 장치에 비해 30% 이상 높은 개방 전압을 보였다. 상기 비교 결과를 기반으로 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 도포한 제3 에너지 생성 장치가 생성 전압 및 전류를 극대화 가능한 시스템의 예임을 확인할 수 있다. 4 is an energy generating device (hereinafter, referred to as a first energy generating device) in which carbon particles having the same resistance are coated (coated) on a hydrophilic fiber membrane, and a conductive polymer PANI and conductive polymer capable of adsorbing both anions and cations on the surface. PEDOT: PSS is each applied (coated) to the hydrophilic fiber membrane, each of the energy generating devices (hereinafter, the second energy generating device and the third energy generating device) to perform asymmetric wetting of a polar protic solvent containing ions and generate The open-circuit voltage of the electrical energy to be obtained was compared. As a result, compared to the first energy generating device coated with carbon particles, the open circuit voltage of the second energy generating device and the third energy generating device coated with the conductive polymer PANI or PEDOT:PSS were both higher, and the conductive polymer PEDOT: The third energy generating device to which the PSS is applied showed an open circuit voltage higher than that of the first energy generating device by 30% or more. Based on the comparison result, it can be seen that the third energy generating device coated with the conductive polymer PEDOT:PSS is an example of a system capable of maximizing the generated voltage and current.

실시예 1: PEDOT:PSS 침지 공정을 이용한 에너지 생성 장치의 제작 Example 1: Fabrication of an energy generating device using a PEDOT:PSS immersion process

도 5는 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치(앞서 도 4를 통해 설명한 제3 에너지 생성 장치)의 저항 변화에 따른 개방 전압을 보여주는 결과이다. 면 직물을 PEDOT:PSS가 분산되어 있는 용액에 함침하는 횟수를 달리하여 조절하였다. 함침 횟수가 늘어날수록 표면에 PEDOT:PSS가 적재 되는 양이 많아 지면서 저항이 낮아지며, 저항이 각각 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, 2400 kΩ인 8개의 에너지 생성 장치들을 샘플로서 준비하였다. 도 5의 개방 전압 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 높을수록 높은 개방 전압 (2.4 MΩ 샘플: 0.87V) 특성이 나타나며, 저항이 가장 낮은 2 kΩ의 샘플에서는 소수성을 갖는 PEDOT:PSS가 두껍게 적재되어 0.24 V 수준의 낮은 개방 전압 특성이 관찰이 되었다. 높은 개방 전압 특성을 얻기 위해서 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 베이스 저항 (base resistance)과 소수성을 갖는 전도성 고분자의 적재량 조절이 중요함을 알 수 있다.FIG. 5 is a result showing an open circuit voltage according to a resistance change of a conductive polymer PEDOT:PSS layer-coated cotton fabric energy generating device (a third energy generating device described with reference to FIG. 4 above). The cotton fabric was adjusted by varying the number of times impregnating the solution in which PEDOT:PSS was dispersed. As the number of impregnation increases, the resistance decreases as the amount of PEDOT:PSS loaded on the surface increases, and the resistance decreases, and the resistance is 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, 2400 kΩ. Energy generating devices were prepared as samples. As observed in the open-circuit voltage graph of FIG. 5, the higher the resistance of the energy generating device, the higher the open-circuit voltage (2.4 MΩ sample: 0.87V). In the sample of 2 kΩ with the lowest resistance, PEDOT:PSS having hydrophobicity Due to the thick loading, a low open-circuit voltage characteristic of 0.24 V level was observed. It can be seen that in order to obtain high open-circuit voltage characteristics, it is important to control the base resistance of the hydrophilic fiber membrane-based energy generating device and the loading amount of the conductive polymer having hydrophobicity.

도 6은 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치의 저항 변화에 따른 단락 전류를 보여주는 결과이다. 앞서 도 5에서의 결과와 마찬가지로 각각 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, 2400 kΩ의 저항 분포를 갖는 샘플들의 생성 단락 전류를 측정하였다. 도 6의 단락 전류의 그래프에서 관찰 되듯이, 에너지 생성 장치의 저항이 낮을수록 높은 단락 전류의 (2 kΩ 샘플: ~60 μA) 특성이 나타나며, 저항이 가장 높은 2.4 MΩ의 샘플에서는 1 μA 이하의 낮은 단락 전류 특성이 관찰되었다. 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 베이스 저항 (base resistance)은 생성 전류에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 6 is a result showing a short-circuit current according to a resistance change of a cotton fabric energy generating device coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer. Like the results in FIG. 5, the generated short-circuit currents of samples having resistance distributions of 2 kΩ, 8 kΩ, 17 kΩ, 35 kΩ, 70 kΩ, 410 kΩ, 1100 kΩ, and 2400 kΩ, respectively, were measured. As observed in the graph of the short-circuit current of FIG. 6, the lower the resistance of the energy generating device, the higher the short-circuit current (2 kΩ sample: ~60 μA) is, and the 2.4 MΩ sample with the highest resistance shows 1 μA or less. A low short-circuit current characteristic was observed. It can be seen that the base resistance of the hydrophilic fiber membrane-based energy generating device directly affects the generated current.

실시예 2: 염을 함유한 인공 땀을 이용한 전도성 고분자가 도포된 에너지 생성 장치의 생성 전압 생성Example 2: Generation of generated voltage of an energy generating device coated with a conductive polymer using artificial sweat containing salt

도 7은 인체에서 발생하는 대표적인 염을 함유하고 있는 액체인 땀을 극성 용매로서 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해서, 상기 도 6의 저항 변화와 동일한 저항 변화를 갖는 샘플들의 개방 전압들을 측정하였다. 인공 땀은 NaCl 0.6%, KCl 0.1%, CaCl2 0.1%의 질량비로 구성하여 용해하였으며, 상기 도 5 및 도 6과 같은 방법으로 에너지 생성 장치의 한 극에 비대칭 젖음을 수행하였다. 최대 개방 전압은 2.4 MΩ의 샘플에서 나타났으며, 최대 1.1 V에 가까운 개방 전압을 나타내어 순수 물 대비 30% 가량 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는, 인체에 부착 가능한 에너지 공급체로 활용할 때, 인체에서 발생하는 땀을 에너지 공급원으로 자연스럽게 활용할 수 있음을 의미한다. 7 is a diagram to confirm the possibility that sweat, which is a liquid containing a typical salt generated in the human body, can be used as a polar solvent in a cotton fabric energy generating device coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer. The open-circuit voltages of the samples having the same resistance change as the resistance change of 6 were measured. Artificial sweat was dissolved in a mass ratio of 0.6% NaCl, 0.1% KCl, and 0.1% CaCl 2 , and asymmetric wetting was performed on one pole of the energy generating device in the same manner as in FIGS. 5 and 6. The maximum open-circuit voltage was observed in the sample of 2.4 MΩ, and it was confirmed that the open-circuit voltage was close to 1.1 V, which was increased by about 30% compared to pure water. This means that when used as an energy supply that can be attached to the human body, sweat generated in the human body can be naturally used as an energy supply source.

실시예 3: 염을 함유한 인공 바닷물을 이용한 전도성 고분자가 도포된 에너지 생성 장치의 생성 전압 생성Example 3: Generation of voltage generated by an energy generating device coated with a conductive polymer using artificial seawater containing salt

도 8은 대표적인 염을 함유하고 있고 지구상에 충분하게 존재하고 있는 액체인 바닷물을 극성 용매로서 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용할 수 있는 가능성을 확인하기 위해서, 상기 도 6의 저항 변화와 동일한 저항 변화를 갖는 샘플들의 개방 전압들을 측정하였다. 인공 바닷물은 실제 바닷물의 구성을 참고해서 순수 물 40 ml 기준으로 1.08 g의 NaCl과 0.15 g의 MgCl2, 0.07 g의 MgSO4, 0.05 g의 KSO4의 염들을 용해하였으며, 상기 도 5, 도 6 및 도 7과 같은 방법으로 에너지 생성 장치의 한 극에 비대칭 젖음을 수행하였다. 최대 개방 전압은 2.4 MΩ의 샘플에서 나타났으며, 최대 1.1 V에 가까운 30% 가량 향상된 개방 전압을 확인할 수 있다. 이는, 대면적으로 제작된 부유물 형태의 3차원 에너지 저장 시스템으로 확장하면, 바다상의 부유물 형태의 전자기기에서 바닷물을 이용하여 대용량 전력을 생성하는 에너지 생성 장치를 활용 가능함을 의미한다. FIG. 8 is to confirm the possibility that seawater, which is a liquid that contains a representative salt and is sufficiently present on the earth, can be used as a polar solvent in a cotton fabric energy generating device coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer. , The open-circuit voltages of samples having the same resistance change as that of FIG. 6 were measured. Artificial seawater dissolves salts of 1.08 g of NaCl, 0.15 g of MgCl 2 , 0.07 g of MgSO 4 , and 0.05 g of KSO 4 based on 40 ml of pure water, referring to the composition of actual sea water, and FIGS. 5 and 6 And asymmetric wetting to one pole of the energy generating device in the same manner as in FIG. 7. The maximum open-circuit voltage was found in a sample of 2.4 MΩ, and an open-circuit voltage improved by about 30%, close to 1.1 V, can be confirmed. This means that when expanding to a 3D energy storage system in the form of a floating object manufactured on a large area, an energy generating device that generates large-capacity power using seawater can be utilized in an electronic device in the form of a floating object on the sea.

도 9는 실제 동해와 남해 바닷물을 전도성 고분자 PEDOT:PSS 층이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 에너지 생성 장치에 활용하여 다르게 나타나는 생성 전압 거동을 확인하였다. 저항은 35 kΩ의 전도성 고분자가 동일하게 적재되어 있는 에너지 생성 장치를 기반으로 비대칭 젖음을 수행하였으며, 발생하는 생성 개방 전압들을 측정하였다. 동해의 바닷물을 일부 영역에 떨어뜨린 에너지 생성 장치에서 남해의 바닷물을 일부 영역에 떨어드린 에너지 생성 장치 대비 10% 가량 높은 생성 개방 전압이 나타나는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 동해의 염분 함유량 (3.45%)이 남해 (3.4%)에 비해 높기 때문으로 분석할 수 있었다. 상기 에너지 생성 장치의 생성 전압 및 전류는 염분에 함유량에 영향을 받았으며, 이는 에너지 생성 장치에서 더 나아가 염분의 차이를 감지할 수 있는 시스템으로의 활용 가능성을 의미한다. 특히 전세계 어디서나 손쉽게 얻을 수 있는 바닷물을 직접 전도성 고분자가 코팅된 멤브레인 상에 적용할 수 있는 결과를 보여주는 점에서 그 의미가 크다.FIG. 9 shows different generated voltage behaviors by utilizing the actual East Sea and South Sea waters in an energy generating device of a cotton fabric coated with a conductive polymer PEDOT:PSS layer. As for the resistance, asymmetric wetting was performed based on an energy generating device in which a conductive polymer of 35 kΩ was equally loaded, and the generated open-circuit voltages were measured. It was confirmed that the energy generating device in which the seawater of the East Sea was dropped into a part of the region showed a 10% higher generated open-circuit voltage compared to the energy generating device in which the seawater of the South Sea was dropped into a part of the region. This could be analyzed because the salt content of the East Sea (3.45%) is higher than that of the South Sea (3.4%). The generated voltage and current of the energy generating device were affected by the salt content, which means the possibility of using the energy generating device as a system capable of detecting a difference in salt. In particular, it is significant in that it shows the result that seawater, which can be easily obtained anywhere in the world, can be directly applied on a membrane coated with a conductive polymer.

이상에서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반의 에너지 생성 장치는 침지 공정 (dipping process)을 통해 전도성 고분자를 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 전도성 고분자 층을 형성한다. 극성 용매(바람직하게는, 이온을 함유한 극성 용매)에 대한 높은 흡수력을 갖는 친수성 섬유 멤브레인은 극성 용매와 전도성 고분자 층간의 양이온 및 음이온 흡착에 의해 발생하는 캐패시턴스로 유발되는 전위 차를 장시간으로 생성할 수 있다. 특히 적은 양 (0.25 ml)의 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 사용하여 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 비대칭 젖음을 유지해주는 것만으로도, 1시간 이상 직류의 전기 에너지를 생성 및 유지가 가능하다. 이러한 고성능의 에너지 생성 장치 복수 개를 서로 적층하거나, 직렬 또는 병렬의 형태로 결합하여 대면적화함으로써 생성되는 전압 및 전류를 극대화할 수 있다. 이렇게 생성된 직류 형태의 전력은 높은 구동 전력을 갖는 사물 인터넷 기반 전자기기를 별도의 정류 회로나 에너지 저장 장치 없이 구동할 수 있으며, 에너지 저장 시스템에 저장 가능하여 고전력이 필요한 전자기기의 구동 등에 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 극성 용매로서 땀이나 바닷물 등을 활용할 수 있음은 웨어러블 기기나 바다 위의 구조물 등의 전력 생산을 위해 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 생성 장치가 이용될 수 있음을 의미할 수 있다.As described above, an energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer forms a conductive polymer layer by uniformly applying a conductive polymer to the surface of the fiber strands of the hydrophilic fiber membrane through a dipping process. . Hydrophilic fiber membranes with high absorption power for polar solvents (preferably polar solvents containing ions) can generate a potential difference for a long time caused by capacitance caused by adsorption of cations and anions between the polar solvent and the conductive polymer layer. I can. In particular, by using a polar protic solvent containing a small amount (0.25 ml) of ions to maintain the asymmetrical wetness of the hydrophilic fiber membrane-based electric energy generating device coated with a conductive polymer layer, the electric energy of direct current for more than 1 hour It is possible to create and maintain. The generated voltage and current can be maximized by stacking a plurality of such high-performance energy generating devices on each other or combining them in series or parallel to form a large area. The generated power in the form of direct current can drive IoT-based electronic devices with high driving power without a separate rectifier circuit or energy storage device, and can be stored in an energy storage system to be used for driving electronic devices that require high power. I can. In addition, the fact that sweat or seawater can be used as a polar solvent may mean that an energy generating device according to embodiments of the present invention can be used for power generation such as a wearable device or a structure on the sea.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and are not limited to these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (28)

전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함하고,
상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되고,
상기 친수성 섬유 멤브레인의 극성 용매 흡수력에 의해 극성 용매의 양이온이 유동함에 의해 유발되는 지속적인 전자의 흐름을 기반으로 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치. Including a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer,
By asymmetric wetting of the surface of the conductive polymer layer by a polar solvent, the polar solvent is adsorbed to the conductive polymer in the wetted region, so that the wet and non-wet regions form opposite poles. To generate electrical energy,
An energy generating device, characterized in that an electric current is generated based on a continuous flow of electrons caused by the flow of cations of the polar solvent due to the absorption of the polar solvent of the hydrophilic fiber membrane. 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 젖음은 전도성 고분자 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고, 이로 인해 젖은 영역 (wetted region)과 마른 영역 (dry region) 사이에 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
Wetting of the polar solvent on the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer forms an electric double layer on the surface of the conductive polymer layer, and thereby capacitance between the wetted region and the dry region. An energy generating device, characterized in that electric energy is generated by making a voltage difference induced by the difference. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양이온이 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖은 영역에서 마른 영역의 방향으로 이동함에 따라, 전하적 중성도를 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자가 양이온의 이동과 같은 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치The method of claim 1,
As the cation moves from the wet region to the dry region of the hydrophilic fiber membrane, electrons inside the conductive polymer flow in the same direction as the cation to maintain charge neutrality. 제2항에 있어서,
상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고,
상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온이 상기 젖은 영역에서 상기 마른 영역의 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 2,
The polar solvent includes a polar protic solvent containing ions,
An energy generating device, characterized in that cations contained in the polar protic solvent move from the wet area to the dry area. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있는 영역 및 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖어 있지 않은 영역과 각각 연결되는 전극
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
Electrodes respectively connected to wet regions of the hydrophilic fibrous membrane and non-wet regions of the hydrophilic fibrous membrane
Energy generating device, characterized in that it further comprises. 제1항에 있어서,
상기 극성 용매는 (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중 적어도 하나의 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액 또는 (2) 바닷물 및 땀 중 적어도 하나와 같이 자연상에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The polar solvent is (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol, methanol, and water. ), a synthetic solution in which ions are dissolved in at least one polar protic solvent or (2) a solution existing in nature such as at least one of seawater and sweat. 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The conductive polymer material constituting the conductive polymer layer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene) Energy generating device comprising at least one conductive polymer material selected from s (PAC) and poly(p-phenylene sulfide) (PPS). 제8항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층은 양이온과 음이온이 동시에 흡착되는 특성을 지니며, 상기 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질이 0차원, 1차원 또는 2차원으로 복합화되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 8,
The conductive polymer layer has a property of adsorbing cations and anions at the same time, and the selected at least one conductive polymer material is combined in a 0-dimensional, 1-dimensional, or 2-dimensional manner. 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층은 상기 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 2.1 mg/cm3 ~ 0.024 mg/cm3 범위내의 전도성 고분자를 적재하여 코팅되고,
상기 적재되는 전도성 고분자의 양을 통해 상기 생성되는 전기 에너지의 전압 및 전류가 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The conductive polymer layer is coated by loading a conductive polymer within the range of 2.1 mg/cm 3 to 0.024 mg/cm 3 per unit volume on the hydrophilic fiber membrane,
An energy generating device, characterized in that the voltage and current of the generated electrical energy are controlled through the amount of the loaded conductive polymer. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물 (cotton fabric), 한지 (mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인 (polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물, 및 나노 섬유 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The hydrophilic fiber membrane is at least one material selected from cotton fabric, mulberry paper, polypropylene membrane, oxygen plasma-treated nonwoven fabric, fabric with hydrophilic surface treatment, and nanofibers. Energy generating device, characterized in that configured. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인은 비표면적 및 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 향상을 위해 친수성 섬유 가닥으로 이루어지며, 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자가 결착되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The hydrophilic fiber membrane is made of hydrophilic fiber strands to improve absorption of a specific surface area and a polar protic solvent, and a conductive polymer is bound to the surface of each fiber. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인이 포함하는 친수성 섬유 가닥의 직경은 50 nm 내지 500 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The energy generating device, characterized in that the diameter of the hydrophilic fiber strands included in the hydrophilic fiber membrane is included in the range of 50 nm to 500 μm. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 5 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
Energy generating device, characterized in that the thickness of the hydrophilic fiber membrane is included in the range of 5 μm to 1 mm. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인은 양 극의 비대칭 젖음을 통한 전압 차이를 유지하기 위해 가로 세로의 종횡비가 3 이상인 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
The hydrophilic fiber membrane has an aspect ratio of 3 or more in order to maintain a voltage difference through asymmetric wetting of both poles. 제1항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인에 전도성 고분자 층이 코팅된 적어도 하나의 다른 친수성 섬유 멤브레인을 적층하거나 또는 병렬이나 직렬로 연결하여 생성되는 전기 에너지의 양, 전압, 전력 밀도, 극성 양성자성 용매에 대한 흡수력 중 적어도 하나가 조절되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.The method of claim 1,
At least one of the amount of electrical energy generated by stacking at least one other hydrophilic fiber membrane coated with a conductive polymer layer on the hydrophilic fiber membrane or connecting in parallel or series, voltage, power density, and absorption for polar protic solvents Energy generating device, characterized in that the control. 에너지 생성 장치의 제조방법에 있어서,
(a) 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계;
(b) 친수성 섬유 멤브레인을 전도성 고분자 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 전도성 고분자 층을 코팅하는 단계;
(c) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계
를 포함하고,
상기 전도성 고분자 층의 표면의 극성 용매에 의한 비대칭적인 젖음에 의해, 상기 극성 용매가 젖어 있는 영역의 전도성 고분자에 상기 극성 용매가 흡착됨에 따라, 상기 젖어 있는 영역과 젖어 있지 않은 영역이 서로 반대 극을 형성하여 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.In the manufacturing method of the energy generating device,
(a) cutting the hydrophilic fibrous membrane into a designed size;
(b) coating a conductive polymer layer on the surface of individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane by immersing the hydrophilic fiber membrane in a conductive polymer coating solution;
(c) drying the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer
Including,
By asymmetric wetting of the surface of the conductive polymer layer by a polar solvent, the polar solvent is adsorbed to the conductive polymer in the wetted region, so that the wet and non-wet regions form opposite poles. Forming the method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the electrical energy is generated. 제17항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 대한 극성 용매의 젖음은 전도성 고분자 층의 표면에 전기 이중층을 형성시키고, 이로 인해 젖은 영역 (wetted region)과 마른 영역 (dry region) 사이의 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
Wetting of the polar solvent to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer forms an electric double layer on the surface of the conductive polymer layer, and thus the capacitance between the wetted region and the dry region. A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that electric energy is generated by making a voltage difference induced by the difference. 제17항에 있어서,
상기 친수성 섬유 멤브레인에 함유된 극성 용매의 양이온이 유동함에 의해 유발되는 지속적인 전자의 흐름을 기반으로 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
A method of manufacturing an energy generating device, characterized in that an electric current is generated based on a continuous flow of electrons caused by the flow of cations of a polar solvent contained in the hydrophilic fiber membrane. 제19항에 있어서,
상기 양이온이 상기 친수성 섬유 멤브레인의 젖은 영역에서 마른 영역의 방향으로 이동함에 따라, 전하적 중성도를 유지하기 위해 전도성 고분자 내부의 전자가 양이온의 이동과 같은 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 19,
As the cation moves from the wet region to the dry region of the hydrophilic fiber membrane, electrons inside the conductive polymer flow in the same direction as the cation to maintain charge neutrality. Manufacturing method. 제19항에 있어서,
상기 극성 용매는 이온을 함유한 극성 양성자성 용매를 포함하고,
상기 극성 양성자성 용매가 함유하는 양이온이 상기 젖은 영역에서 상기 마른 영역의 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 19,
The polar solvent includes a polar protic solvent containing ions,
A method of manufacturing an energy generating device, wherein the cations contained in the polar protic solvent move from the wet area to the dry area. 제17항에 있어서,
(d) 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 두 개 이상 적층하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
(d) a method of manufacturing an energy generating device further comprising the step of laminating two or more hydrophilic fiber membranes coated with a conductive polymer layer. 제17항에 있어서,
(e) 전도성 고분자 층이 코팅된 복수의 친수성 섬유 멤브레인을 병렬 또는 직렬로 연결하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
(e) a method of manufacturing an energy generating device further comprising the step of connecting a plurality of hydrophilic fiber membranes coated with a conductive polymer layer in parallel or in series. 제17항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
표면에 양이온/음이온을 모두 흡착 가능한 전도성 고분자 물질로서, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly(acetylene)s (PAC) 및 poly(p-phenylene sulfide) (PPS) 중에서 선택된 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 물에 분산시켜 0.5~1wt%의 질량비를 갖도록 상기 전도성 고분자 코팅 용액을 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
The step (b),
As a conductive polymer material capable of adsorbing both cations and anions on the surface, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT:PSS), polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), Poly(p-phenylene vinylene) (PPV), Poly Dispersing at least one conductive polymer material selected from (acetylene)s (PAC) and poly(p-phenylene sulfide) (PPS) in water to create the conductive polymer coating solution to have a mass ratio of 0.5 to 1 wt% Method of manufacturing an energy generating device 제17항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 전도성 고분자 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 전도성 고분자의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. The method of claim 17,
The step (b),
The method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the loading amount of the conductive polymer is controlled by adjusting the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the conductive polymer coating solution. 제17항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 위치시킨 후 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
The step (c),
The method of manufacturing an energy generating device, characterized in that the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer is placed flat on a tray and then dried in an oven. 제17항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 연결된 두 전극 중 하나의 전극과 연결된 부분에만 극성 용매를 부분적으로 떨어뜨려 상기 극성 용매에 의해 젖은 부분의 전극과 젖지 않은 부분의 전극을 연결하여 회로를 구성하여 직류 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법. The method of claim 17,
A circuit is formed by partially dropping a polar solvent only at the portion connected to one of the two electrodes connected to the hydrophilic fiber membrane coated with the conductive polymer layer, and connecting the electrode of the wet portion and the electrode of the non-wet portion by the polar solvent. Method of manufacturing an energy generating device, characterized in that to generate direct current power. 제17항에 있어서,
상기 극성 용매는 이온을 포함하는 극성 양성자성 용매로서, (1) 폼산 (formic acid), n-부탄올 (n-butanol), 아이소프로판올 (isopropanol), n-프로판올 (n-propanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol) 및 물 (water) 중에서 선택된 극성 양성자성 용매에 이온이 용해된 합성 용액을 포함하거나 또는 (2) 바닷물이나 땀과 같은 자연에 존재하는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치의 제조방법.The method of claim 17,
The polar solvent is a polar protic solvent containing ions, (1) formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol ), methanol (methanol), and a synthetic solution in which ions are dissolved in a polar protic solvent selected from water, or (2) a solution existing in nature such as seawater or sweat. Method of making the device.
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