KR20200092293A

KR20200092293A - Carbon layer coated hydrophilic fiber membrane based electrical energy generator and manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR20200092293A
Application number: KR1020200092236A
Authority: KR
Inventors: 김일두; 윤태광; 배진국
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2020-08-03
Also published as: KR20190054893A

Abstract

The present invention relates to a novel conceptual electrical energy generating apparatus and a manufacturing method thereof. The apparatus generates electrical energy by continuously maintaining a potential difference formed by asymmetric wetting of a solvent by simply dropping a small amount of a solvent only to an area where an electrode of two electrodes connected to a carbon layer coated hydrophilic fiber membrane is connected, using an electrical double layer formed in a process of allowing a polar solvent to be adsorbed to the surface of carbon. More specifically, a carbon layer coated hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating apparatus forms a carbon layer by uniformly applying carbon particles onto the surface of a fiber strand of a hydrophilic fiber membrane through a dipping process. The hydrophilic fiber membrane having a large surface area and high polar solvent absorption capacity allows carbon particles to be applied to the widest possible area and can absorb polar solvents for a long period of time, thereby effectively forming an electric double layer and potential difference between the polar solvents and the carbon particles for a long period of time. In particular, electrical energy can be generated for 1 hour or more only by an action of dropping a small amount (0.25 ml) of a polar solvent to the surface of the carbon layer coated hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating apparatus. The carbon layer coated hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating apparatus may increase voltage and current in stacked, serial and parallel forms. Generated direct current type power can drive an LED without a separate rectifier circuit or an energy storage device and can be stored in a supercapacitor to drive a high-power electronic device (electric fan).

Description

탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치 {CARBON LAYER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Electric energy generating device based on hydrophilic fiber membrane coated with carbon layer {CARBON LAYER COATED HYDROPHILIC FIBER MEMBRANE BASED ELECTRICAL ENERGY GENERATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 극성 용매가 탄소의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 이중층 (double layer)을 활용하여, 적은 양의 극성 용매를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 떨어뜨려 젖은 (wetting) 영역과 마른 (dry) 영역이 비대칭적으로 유지됨에 의한 개방전압과 단략전류 형성을 바탕으로 지속적인 전기 에너지를 발생시키는 신개념 전기 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치는 침지 공정 (dipping process)을 통해 탄소 입자들을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 탄소층을 형성한다. 탄소입자들이 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 한쪽 전극 위에 떨어뜨리면, 표면 에너지를 낮추기 위해 이온들의 물리적 흡착이 탄소층 표면에 이루어진다. 이로 인해 전기 이중층이 형성되고 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전위차 (potential difference)가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 유지된다. 그리고, 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 위해 탄소 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하기 때문에 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 전류가 지속적으로 흐르게 된다. 특히 적은 양 (0.25 ml)의 물을 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 표면에 떨어뜨려 발생하는 비대칭적인 전기 이중층의 생성으로 물이 증발되기 전까지 1시간 이상 전기 에너지를 생성하는 탄소층-친수성 섬유 복합 발전기 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention utilizes a double layer formed in a process in which a polar solvent is adsorbed on the surface of carbon, so that a small amount of polar solvent is connected to a region in which one of the two electrodes is connected to a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer. The present invention relates to a new concept electric energy generating device and a method of manufacturing the same, which generate continuous electric energy based on the formation of an open voltage and a short current by keeping the wet region and the wet region asymmetric. Specifically, the carbon-coated hydrophilic fiber membrane-based electric energy generating device uniformly applies carbon particles to the surface of the fiber strand of the hydrophilic fiber membrane through a dipping process to form a carbon layer. When a polar solvent is dropped on one electrode on a hydrophilic fiber membrane coated with carbon particles, physical adsorption of ions is performed on the surface of the carbon layer to lower surface energy. As a result, an electric double layer is formed, and a potential difference induced by a difference in capacitance is formed between the wet and dry parts. The potential difference formed by the difference in capacitance is maintained until the polar solvent evaporates completely. In addition, the high polar solvent absorption power of the hydrophilic cloth fiber strands moves hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent from the wet part to the dry part, and the electrons inside the carbon are also maintained to maintain charge neutrality. Because it moves in the same direction, a current flows continuously until the polar solvent evaporates completely. In particular, a small amount (0.25 ml) of water is dropped on the surface of a hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating device coated with a carbon layer, resulting in an asymmetric electric double layer, which generates electrical energy for more than 1 hour before the water evaporates. It relates to a carbon layer-hydrophilic fiber composite generator and a method of manufacturing the same.

에너지 생성 장치는 우리의 생활 속에 항상 존재하는 물, 공기, 태양과 같이 자연에 존재하는 친환경적 풍부한 물질 혹은 자연스럽게 얻어지는 에너지를 활용하여, 환경 오염이 전혀 없으며 인체에 무해하고 오랫동안 지속 가능한 전기 에너지를 제공한다. 이러한 방식으로 얻은 에너지는 센서 네트워크 및 무선 데이터 송수신 기술 기반 전자기기와 결합하여 삶의 질을 향상시키고 있다. The energy generating device utilizes environmentally-friendly, abundant materials or natural energy, such as water, air, and sun, which are always present in our lives, to provide electric energy that is harmless to the human body and sustainable for a long time without any environmental pollution. . The energy obtained in this way is combined with sensor networks and electronic devices based on wireless data transmission and reception technology to improve the quality of life.

현재까지 개발된 에너지 생성 장치는 기계적 압력에 의한 구조 변형으로 전위 차가 발생하는 압전 (piezoelectric), 기계적 마찰에 의해 발생하는 정전기 대전으로 전위 차가 발생하는 마찰 전기 (triboelectric), 열의 흐름으로 전위 차를 발생시키는 열전 (thermoelectric) 등이 대표적인 에너지 생성 장치로 활용되고 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, 착용 가능한 (wearable) 에너지 생성 장치에 활용되고 있다. The energy generating device developed to date generates piezoelectric (electric piezoelectric), which generates a potential difference due to structural deformation due to mechanical pressure, triboelectric (electrical charge, triboelectric) that generates a potential difference due to electrostatic charging caused by mechanical friction, and heat potential. Thermoelectrics are used as representative energy generating devices. Each energy generating device has an 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 have been utilized in wearable energy generating devices.

하지만, 이미 개발된 에너지 생성 장치들은 몇 가지 명확한 단점들이 있다. 첫 번째로는 에너지 생성 원리에 의해 전기 에너지가 고주파 (high frequency) 교류 (AC) 전압 및 전류의 형태로 생성된다는 점이다. 기계적인 변형 및 마찰에 의해서 전기 에너지가 생성되는 압전, 마찰 전기 에너지 생성 장치의 경우, 기계적 변형 및 마찰이 인가되었을 때만 순간적으로 전압 차가 형성된다. 인가된 기계적인 작용이 제거되면 반대 방향으로 전압 차가 다시 형성되고, 이 때문에 전기 에너지는 높은 진동수의 교류 형태를 갖는다. 이렇게 생성된 고주파의 교류 전기 에너지는 전자기기에 직접 연결하여 전자기기를 구동할 수 없다. 이 때문에 압전, 마찰 전기 에너지 생성장치는 별도의 정류 회로 (rectifier circuit)와 에너지 저장 장치가 항상 동반되어야 에너지 생성 장치에서 발생된 에너지를 사용할 수 있다는 단점이 있다.However, the energy generating devices already developed have some obvious disadvantages. The first is that electric energy is generated in the form of high frequency alternating current (AC) voltage and current by the energy generation principle. In the case of a piezoelectric and triboelectric energy generating device in which electrical energy is generated by mechanical deformation and friction, a voltage difference is instantaneously formed only when mechanical deformation and friction are applied. When the applied mechanical action is removed, the voltage difference is formed again in the opposite direction, and thus the electrical energy has a high frequency of alternating current. The high-frequency alternating current electrical energy thus generated cannot be directly connected to the electronic device to drive the electronic device. For this reason, the piezoelectric and triboelectric energy generators have a drawback that energy generated by the energy generators can be used only when separate rectifier circuits and energy storage devices are always accompanied.

또 다른 문제점은 반복적인 기계적 변형, 마찰, 열 흐름은 디바이스를 손상시켜, 에너지 생성 장치의 생성 효율이 지속적으로 하락한다는 점이다. 지속적으로 발생하는 기계적 변형, 마찰 및 열 흐름은 불가피하게 에너지 생성 장치의 핵심 재료 및 물질을 파손시키거나 변형시키기 때문이다. 더불어 에너지 생성 장치에 사용되는 물질은 일반적으로 전기 전도성이 없는 물질을 기반으로 하고 있어, 대부분의 에너지 생성 장치에는 전기 전도성을 제공하는 집전체 (금속 기판)가 부착되어 있다. 기계적 변형, 마찰 및 열 흐름에 의한 소자의 변형은 전류 집전체로부터 에너지 생성 물질이 탈착 (delamination)되는 주요 원인이 되어, 에너지 생성 효율의 하락 및 소자 신뢰성이 떨어지게 된다. Another problem is that repetitive mechanical deformation, friction, and heat flow damage the device, and the production efficiency of the energy generating device continues to drop. This is because the continuous mechanical deformation, friction and heat flow inevitably damage or deform the core materials and materials of the energy generating device. In addition, since materials used in energy generating devices are generally based on materials that are not electrically conductive, a current collector (metal substrate) providing electrical conductivity is attached to most energy generating devices. Deformation of the device due to mechanical deformation, friction, and heat flow is a major cause of delamination of the energy generating material from the current collector, resulting in a decrease in energy generation efficiency and deterioration of device reliability.

에너지 발생 장치의 손상 없이 지속적으로 전압 차를 손쉽게 만들어 낼 수 있는 발전기 설계 및 제조기술 개발은 높은 신뢰성을 가진 고효율 에너지 생성 장치 개발을 위해 필수적으로 선행되어야 한다. 또한, 발생하는 전기 에너지가 교류가 아닌 직류의 형태로 발생하는 에너지 생성 장치를 구현할 수 있다면, 추가적인 회로 또는 별도의 회로 없이 전자기기에 직접 전력을 공급할 수 있다. 이는, 에너지 생성 장치의 단순화를 가능케 하여 생산비 절감 및 활용 가능성을 향상 시킬 수 있다. Development of a generator design and manufacturing technology that can easily create a voltage difference continuously without damaging the energy generating device should be essential for the development of a high-efficiency energy generating device with high reliability. In addition, if it is possible to implement an energy generating device in which the generated electrical energy is generated in the form of direct current rather than alternating current, power can be directly supplied to the electronic device without additional circuits or separate circuits. This makes it possible to simplify the energy generating device, thereby improving production cost and improving possibility.

본 발명의 목적은 전도성 탄소 입자들이 코팅된 친수성 멤브레인에 극성 용매의 비대칭적인 젖음에 의해 직류 (DC) 에너지를 지속적으로 생성하는 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 탄소의 표면에 흡착된 극성 용매는 전기 이중층을 형성하여 캐패시턴스/전위 차를 발생시키고, 친수성 섬유는 탁월한 극성 용매 흡수력을 바탕으로 젖은 부분에서 마른 부분으로 유체 (물분자 및 수소이온)를 이동시키며, 전하적 중성 (charge neutrality)을 유지하기 위해 전자이동이 동시에 발생하게 된다. 전위 차의 형성과 전자의 이동을 통해 직류 (DC) 형태의 전기 에너지를 발생시켜 전자기기에 전력을 공급하거나 이차전지 및 슈퍼캐패시터에 생성된 에너지를 저장할 수 있는 지속 가능한 에너지 생성 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for manufacturing the same, which continuously generate direct current (DC) energy by asymmetric wetting of a polar solvent in a hydrophilic membrane coated with conductive carbon particles. The polar solvent adsorbed on the surface of the carbon forms an electric double layer to generate a capacitance/potential difference, and the hydrophilic fiber moves the fluid (water molecules and hydrogen ions) from the wet part to the dry part based on the excellent polar solvent absorption power, Electron movement occurs simultaneously to maintain charge neutrality. It is to provide a sustainable energy generating device capable of generating electric energy in the form of direct current (DC) through the formation of a potential difference and the movement of electrons to supply power to electronic devices or to store energy generated in secondary batteries and supercapacitors. .

본 발명을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 침지 공정 (dipping process)을 통해 탄소층을 극성 용매의 흡수가 용이한 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여, 단순한 극성 용매의 존재만으로 에너지를 생성할 수 있는 대량 생산 및 대면적 제조가 용이한 에너지 생성 장치의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved through the present invention is to uniformly apply the carbon layer to the surface of the fiber strand of the hydrophilic fiber membrane, which is easy to absorb the polar solvent through a dipping process, and generate energy only by the presence of a simple polar solvent. It is to provide a method of manufacturing an energy generating device that can be easily mass-produced and large-area capable.

섬유 멤브레인을 사용하여 탄소층이 도포될 수 있는 표면적을 증가시킴으로써, 적은 양의 극성 용매와 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치로 직접 전자기기를 구동할 수 있는 에너지 생성 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An energy generating device capable of driving an electronic device directly with a hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating device coated with a small amount of a polar solvent and a carbon layer by increasing the surface area where the carbon layer can be applied using a fiber membrane, and It is an object to provide a manufacturing method.

본 발명의 한 측면에 따른, 탄소층-친수성 섬유 복합 발전기 및 그 제조방법에 있어서, 탄소층의 한 예시인 탄소 입자가 분산되어 있는 용액을 제조하고, 친수성 섬유 멤브레인을 일정한 크기로 절삭하며, 절삭된 친수성 섬유 멤브레인을 탄소 입자가 분산되어 있는 카본 코팅 용액에 침지하여 친수성 섬유 멤브레인에 탄소입자들로 이루어진 탄소층을 고르게 코팅하고, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 80 ℃ 오븐에서 건조시키는 과정을 통해 직류 전기 에너지를 생산할 수 있는 에너지 생성 장치 (탄소층-친수성 섬유 복합 발전기)를 제조하며, 개별 복합 발전기를 적층, 직렬, 병렬로 연결하여 직류 전압 및 전류를 형성할 수 있는 극성 용매의 비대칭적 젖음 구조를 갖는 탄소층이 개별 섬유의 표면에 결착된 친수성 섬유 멤브레인 복합 발전기의 제조방법을 제공한다. In accordance with an aspect of the present invention, in a carbon layer-hydrophilic fiber composite generator and a manufacturing method thereof, a solution in which carbon particles, which are an example of a carbon layer, are dispersed, a hydrophilic fiber membrane is cut to a certain size, and cut The process of drying the hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer evenly by coating the hydrophilic fiber membrane with carbon particles dispersed therein, and drying the hydrophilic fiber membrane coated with the carbon layer in an oven at 80°C. It produces an energy generating device (carbon layer-hydrophilic fiber composite generator) capable of producing direct current electrical energy, and assembles individual composite generators in a stacked, series, parallel connection to form an asymmetrical polar solvent capable of forming DC voltage and current. It provides a method for manufacturing a hydrophilic fiber membrane composite generator in which a carbon layer having a wetting structure is attached to the surface of individual fibers.

본 발명에 따른 친수성 섬유 멤브레인에 코팅된 탄소층과 극성 용매가 형성하는 전기 이중층을 기반으로 하는 전기에너지 생성 장치 제조 방법은 (a) 탄소층을 형성하는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계, (b) 친수성 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계, (c) 친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지 시켜 탄소층을 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 코팅하는 단계, (d) 오븐에서 탄소층이 코팅된 친수성 멤브레인을 건조시키는 단계, (e) 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층하여 적층형 발전기를 제조하는 단계, (f) 상기 적층된 멤브레인 발전기 서로 직렬 및 병렬로 연결하고 극성 용매를 비대칭적으로 떨어뜨려 직류 전압 및 전류를 형성하는 단계를 포함한다. A method for manufacturing an electric energy generating device based on an electric double layer formed by a carbon layer coated on a hydrophilic fiber membrane and an electric polar solvent according to the present invention comprises: (a) preparing a carbon coating solution forming a carbon layer, (b) Cutting the hydrophilic membrane to the designed size, (c) immersing the hydrophilic fiber membrane in a carbon coating solution to coat the carbon layer on the surface of the individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane, (d) the carbon layer in the oven Drying the coated hydrophilic membrane, (e) laminating two or more hydrophilic fiber membrane generators coated with a carbon layer to produce a laminated generator, (f) connecting the laminated membrane generators in series and in parallel with each other, and polarizing And asymmetrically dropping the solvent to form a direct current voltage and current.

상기 (a) 단계는 탄소 입자를 극성 용매에 분산시켜 침지 공정에 쓰일 카본 코팅 용액을 제조하는 단계로 구체적으로는 상기 탄소 입자는 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P), 아세틸렌 블랙 (acetylene black), 케첸블랙 (Ketjen black) 중에 선택된 하나 일 수 있으며, 탄소층은 그래핀 (graphene) 내지는 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 한가지 혹은 두 가지 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 우수한 전기 전도도를 가지며, 친수성 섬유 멤브레인과 잘 결착이 이루어지는 탄소 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않으면, 0차원의 탄소입자, 1차원의 탄소나노튜브, 2차원의 그래핀 또는 그래핀 산화물이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다. 상기 탄소 입자를 분산하는 과정에서 사용되는 용매는 물 (deionized water), 아세토니트릴 (acetonitrile), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 에탄올 (ethanol), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 아세톤 (acetone), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide), 암모니아 (ammonia), 피리딘 (pyridine) 중 한 종류 혹은 두 종류 이상의 혼합 용매를 선택할 수 있다. 극성이 높고, 유전상수가 크며 손쉽게 사용 가능한 물을 이용하는 것이 바람직하다. 침지 공정에 활용하는 용액의 농도 조건은 균일하게 도포가 가능한 0.1 - 50 wt%의 농도 범위(바람직하게는 0.1 ~ 10 wt% 농도 범위)의 용액을 만들어서 사용한다. 상기 침지 공정에 사용될 분산도가 높은 탄소 용액을 제작하기 위해 탄소 입자가 분산된 용액에 계면활성제 (surfactant)를 첨가한다. 계면활성제가 첨가된 탄소 입자 분산 용액을 음파처리 (sonication)하여 탄소 입자를 용액 내에 고르게 분산시켜 사용한다. 상기 계면활성제는 음이온계, 양이온계, 무극성 계면활성제 중 한 종류 혹은 두 종류 이상의 혼합 계면활성제를 사용하며, 계면활성제의 비율은 표면 전하를 갖는 나노입자와 10:1 ~ 1:100 의 범위 내의 질량비를 기준으로 첨가한다. 계면활성제는 SDBS(sodium dodecylbenzenesulfonate), Span 20, Span 60, Span 65, Span 80, Tween 20, Tween 40, Tween 60, Tween 65, Tween 80 및 Tween 85 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 계면활성제의 양은 물 대비 0.1 ~ 20 wt%의 범위에 포함될 수 있다.The step (a) is a step of preparing a carbon coating solution to be used in an immersion process by dispersing the carbon particles in a polar solvent. Specifically, the carbon particles are activated carbon, super P (super-P), acetylene black (acetylene black), Ketjen black (Ketjen black) may be one selected from, the carbon layer may further include a mixture of one or two or more of graphene (graphene) or carbon nanotubes (carbon nanotube). Carbon materials with excellent electrical conductivity and good binding to hydrophilic fiber membranes are not limited to a specific material, 0-dimensional carbon particles, 1-dimensional carbon nanotubes, 2-dimensional graphene or graphene oxide alone. It can be used or used in combination. The solvent used in the process of dispersing the carbon particles is water (deionized water), acetonitrile, methanol (methanol), isopropanol (isopropanol), ethanol (ethanol), dimethylformamide (DMF, dimethylformamide), acetone (acetone), ethylene glycol (EG, ethylene glycol), dimethyl sulfoxide (DMSO, dimethyl sulfoxide), ammonia (ammonia), pyridine (pyridine) or a mixture of two or more solvents can be selected. It is preferable to use water having a high polarity, a large dielectric constant, and readily available. The concentration conditions of the solution used in the immersion process are used by making a solution in a concentration range of 0.1 to 50 wt% (preferably in the range of 0.1 to 10 wt%) that can be uniformly applied. A surfactant is added to a solution in which carbon particles are dispersed in order to prepare a carbon solution having a high degree of dispersion for use in the immersion process. The carbon particle dispersion solution to which the surfactant is added is sonicated and used to disperse the carbon particles evenly in the solution. The surfactant is an anionic, cationic, or non-polar surfactant, or a mixture of two or more surfactants. The ratio of the surfactant is nanoparticles having a surface charge and a mass ratio within the range of 10:1 to 1:100. It is added based on. The surfactant may include at least one of sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), Span 20, Span 60, Span 65, Span 80, Tween 20, Tween 40, Tween 60, Tween 65, Tween 80 and Tween 85, and The amount may be included in a range of 0.1 to 20 wt% compared to water.

상기 (b) 단계는 친수성 섬유 멤브레인을 일정한 크기로 절삭하여 전기 생성 장치의 규격을 조절한다. 상기 친수성 섬유 멤브레인의 재료로는 높은 물 흡수력을 가지는 면과 종이가 사용 될 수 있으며, 높은 비표면적을 가지기 위해 섬유 가닥으로 이루어질 수 있으며, 이러한 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 섬유 가닥의 직경은 50 nm ~ 500 μm 의 범위에서 선택되는 다공성 멤브레인을 사용한다. 에너지 생성 장치에 적용할 친수성 섬유 멤브레인의 규격은 물을 효과적으로 흡수하며 비대칭적인 적심 (wetting)을 유지할 수 있도록 종횡비 1 이상, 100 이하의 크기 범위 안에서 절삭하며, 이때 사용하는 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm ~ 1 mm 인 것을 사용한다. In step (b), the hydrophilic fiber membrane is cut to a certain size to adjust the specification of the electricity generating device. As the material of the hydrophilic fiber membrane, cotton and paper having high water absorption may be used, and may be made of fiber strands to have a high specific surface area, and the diameter of the fiber strands constituting such hydrophilic fiber membranes is 50 nm ~ A porous membrane selected in the range of 500 μm is used. The specifications of the hydrophilic fiber membrane to be applied to the energy generating device are cut within a size range of aspect ratio 1 or more and 100 or less to effectively absorb water and maintain asymmetric wetting, and the thickness of the hydrophilic fiber membrane used is 10 Use a μm ~ 1 mm.

상기 (c) 단계는 친수성 섬유 멤브레인을 탄소 입자가 분산된 용액에 침지 시키는 단계로, 침지 횟수를 조절하여 탄소 입자를 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 고르게 도포할 수 있다. 일정 크기로 절삭된 친수성 섬유 멤브레인을 (a) 단계에서 제작한 카본 코팅 용액에 침지 시켜 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제작한다. 이때 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절해서 친수성 섬유 멤브레인에 도포된 탄소 입자의 적재 양을 손쉽게 조절할 수 있으며, 이를 통해 에너지 생성 장치를 구성하는 탄소층의 저항을 조절할 수 있다. 탄소층의 저항은 생성되는 전압뿐만 아니라 전류의 흐름에도 큰 영향을 주기 때문에, 100 Ω ~ 100 MΩ의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. In the step (c), the hydrophilic fiber membrane is immersed in a solution in which carbon particles are dispersed, and the number of immersions can be adjusted to uniformly apply the carbon particles to the surface of the hydrophilic fiber membrane. The hydrophilic fiber membrane cut to a certain size is immersed in the carbon coating solution prepared in step (a) to produce a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer. At this time, during the immersion process, it is possible to easily control the loading amount of the carbon particles applied to the hydrophilic fiber membrane by controlling the number of immersions, thereby controlling the resistance of the carbon layer constituting the energy generating device. Since the resistance of the carbon layer greatly affects not only the generated voltage but also the flow of current, it is preferable to select from the range of 100 Ω to 100 MΩ.

상기 (d) 단계의 건조 과정은 상기 코팅 용액에 침지 된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이 (tray)에 평평하게 위치시킨 후 80 ℃ 오븐에서 건조 시켜 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 제작한다. In the drying process of step (d), the hydrophilic fiber membrane immersed in the coating solution is placed flat on a tray, and then dried in an oven at 80° C. to produce a hydrophilic fiber membrane generator coated with a carbon layer.

상기 (e) 단계는 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층시키는 단계로, 적층된 멤브레인 내에 극성 용매와 탄소 입자간의 전기 이중층 형성 면적을 넓히고, 극성용매 (대표적으로 물)의 증발을 효율적으로 막아 젖음이 오래 지속되는 적층된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 제작한다. 이러한 친수성 섬유 멤브레인의 적층에 의해 멤브레인 사이에 극성용매가 효과적으로 가두어 지면서, 전기 발생 시간이 더욱 증가될 수 있다.The step (e) is a step of laminating two or more hydrophilic fiber membrane generators coated with a carbon layer, widening the area of formation of an electric double layer between the polar solvent and the carbon particles in the laminated membrane, and evaporating the polar solvent (typically water). Efficiently prevents and produces a hydrophilic fiber membrane generator coated with a laminated carbon layer that lasts a long time. As the polar solvent is effectively trapped between the membranes by the lamination of the hydrophilic fiber membranes, electricity generation time can be further increased.

상기 (f) 단계는 적층된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기 복수 개를 직렬 및 병렬로 연결시키고, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 전기 에너지 생성 장치와 연결된 두 전극 중 한 전극에만 물을 부분적으로 떨어뜨려 젖은 부분 (wetted region)과 젖지 않은 부분 (dry region)이 나뉘도록 전극을 연결하여 회로를 구성한다. 물에 의해 젖은 부분의 탄소 입자 표면에는 전기 이중층 형성에 의해 탄소층 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성한다. 이 때문에 물에 의해 젖은 전극과 젖지 않은 부분과 연결된 전극 사이에는 명확한 전위 차가 형성된다. 또한, 친수성 섬유 멤브레인이 갖는 높은 극성 용매 흡수력은 다량의 양이온 (일례로, 수소 이온)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 이동시키며, 전하적 중성도를 유지하기 위해 탄소 내부의 전자들이 양이온의 이동 방향과 동일한 방향으로 움직이며 DC 전류를 형성한다. 정공 (hole)의 경우 수소 이온의 이동과 반대 방향으로 이동함에 의해 DC 전류가 형성될 수 있다. 이때 두 전극을 회로로 연결하면 직류 전압, 직류 전류, 전력이 생성되게 된다. 단, 떨어뜨리는 물의 양이 너무 많아 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 두 전극에 물이 다 접촉하면 전위 차를 상실하게 될 수 있다. 따라서, 일정 크기의 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에는 적절한 양의 극성 용매가 적용되어야 한다. 예를 들면 종횡비 3을 가지는 3 cm (세로) × 9 cm (가로) 크기의 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.5 ml의 물을 탄소층-친수성 섬유 복합 발전기의 좌측 내치는 우측 끝에 한번 떨어뜨려지면 정적으로 직류 전력을 생산할 수 있다. 물이 완전히 증발이 될 때까지 지속적으로 에너지가 생성 (발전)되기 때문에, 물은 충분히 적셔주는 것이 바람직하다.In step (f), a plurality of hydrophilic fiber membrane generators coated with a stacked carbon layer are connected in series and in parallel, and water is only partially applied to one electrode of the two electrodes connected to a hydrophilic fiber membrane electric energy generating device coated with a carbon layer. The circuit is constructed by connecting the electrodes to divide the wet region and the wet region by dropping them. On the surface of the carbon particles in the wet part by water, the surface of the carbon layer exhibits a negative charge and forms a negative potential by forming an electric double layer. For this reason, a clear potential difference is formed between the electrode wetted by water and the electrode connected to the wetted portion. In addition, the high polar solvent absorption capacity of the hydrophilic fiber membrane moves a large amount of cations (eg, hydrogen ions) from a wet portion to a dry portion, and electrons inside the carbon move with the direction of movement of the cations to maintain charge neutrality. It moves in the same direction and forms a DC current. In the case of holes, a DC current may be formed by moving in the opposite direction to the movement of hydrogen ions. At this time, when the two electrodes are connected by a circuit, DC voltage, DC current, and power are generated. However, the potential difference may be lost when water is in contact with both electrodes of the hydrophilic fiber membrane coated with the carbon layer due to the excessive amount of water being dropped. Therefore, an appropriate amount of polar solvent should be applied to the hydrophilic fiber membrane coated with a certain size of carbon layer. For example, in the case of a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer of 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal) having an aspect ratio of 3, 0.5 ml of water is applied once to the left end of the carbon layer-hydrophilic fiber composite generator at the right end. If dropped, DC power can be produced statically. Since water is continuously generated (generated) until water is completely evaporated, it is desirable to sufficiently moisten the water.

본 발명에 따르면 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 단순히 물 (극성용매)을 떨어뜨리는 행위로 직류 전력을 생산할 수 있는 전기 에너지 생성 장치를 제작할 수 있다.According to the present invention, it is possible to manufacture an electric energy generating device capable of producing DC power by simply dropping water (polar solvent) onto a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer.

침지 공정을 이용하여 제조된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 전기 에너지 생성 장치 (탄소층-친수성 섬유 멤브레인 복합 발전기)는 탄소층의 높은 표면적과 강한 극성 용매 흡착 성능, 친수성 섬유 멤브레인의 우수한 젖음성 (wetting)과 기공도, 그리고 다량의 양이온 함유를 기반으로 높은 효율의 직류 전력을 생성하는 친환경적인 에너지 생성 장치이다. 특히 규격이 3 cm (세로) × 9 cm (가로)인 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 경우, 0.5 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.The carbon layer-coated hydrophilic fiber membrane electrical energy generator (carbon layer-hydrophilic fiber membrane composite generator) manufactured using an immersion process has high surface area of carbon layer, strong polar solvent adsorption performance, and excellent wettability of the hydrophilic fiber membrane. ), porosity, and an eco-friendly energy generating device that generates high-efficiency DC power based on a large amount of cations. In particular, in the case of a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer of 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal), DC power can be generated for 1 hour or more with a small amount of water of 0.5 ml or less, and mass production is easy. , It is highly likely to be used as an auxiliary power supply for home energy assistive devices, portable power assistive devices, and wearable electronic devices.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제작과정인 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용하여 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치의 제조 방법 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 1에 따라 제조된 탄소층이 코팅된 면 직물, 한지, 폴리프로필렌 멤브레인의 주사전자 현미경 사진이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 전기 에너지 생성 원리를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 습도 변화에 따른 전압의 변화 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 양이온 농도에 따른 전압의 변화 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층이 코팅된 면 직물, 한지, 폴리프로필렌 멤브레인 기반 발전기로부터 얻어진 전압을 측정한 데이터이다.
도 9A와 도 9B는 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 반복적인 물 젖음에 따른 개방 전압 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 물 젖음양 (0.15 ml, 0.25 ml, 0.5 ml)과 물 젖음 위치의 변화에 따른 개방 전압 그래프 특성을 보여주는 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 저항 변화에 따른 개방 전압 (도 11A), 단락 전류 (도 11B), 얻어진 파워 (도 11C) 그래프를 보여주는 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 에너지 밀도 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예 2에 따라 제조된 탄소층으로 탄소나노튜브 (CNTs)와 그래핀산화물 (Graphene Oxide)로 코팅된 코튼 섬유 발전기로 형성된 전압을 측정한 데이터이다.
도 14는 비교예 1에 따라 탄소층이 코팅된 유리기판 발전기의 실제 사진이다.
도 15는 비교예 1에 따라 탄소층이 코팅된 유리기판 발전기로 형성된 전압을 측정한 데이터이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예 4에 따라 제조된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기의 사진과 발전기들을 적층한 사진이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예 4에 따라 제조된 에너지 생성 장치들을 직렬, 병렬로 적층 하거나 서로 연결한 후 물을 떨어뜨린 후 20 mA, 1.8 V의 구동 전류 및 전압을 갖는 LED가 구동되는 모습을 관찰한 사진이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예 4에 따라 제조된 에너지 생성 장치들을 직렬, 병렬로 적층 및 연결하여 10 mW의 정격 전력을 갖는 모터를 물을 떨어뜨려 실제 구동하는 모습을 관찰한 사진이다.The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention and describe the technical spirit of the present invention together with the detailed description.
1 is a schematic diagram of the manufacturing process of the energy generating device based on the hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer, which is a manufacturing process of the present invention.
Figure 2 is a flow chart of a method of manufacturing a hydrophilic fiber membrane-based energy generating device coated with a carbon layer using an immersion process according to an embodiment of the present invention.
3 is a scanning electron micrograph of a carbon layer-coated cotton fabric, Korean paper, and polypropylene membrane prepared according to Example 1 of the present invention.
4 and 5 are schematic diagrams showing the principle of electrical energy generation of a hydrophilic fiber membrane-based electrical energy generating device coated with a carbon layer of the present invention.
6 is a view showing an example of a change in voltage according to a change in humidity in an embodiment of the present invention.
7 is a view showing an example of a change in voltage according to a cation concentration in an embodiment of the present invention.
8 is a voltage measurement data obtained from a carbon-coated cotton fabric, Korean paper, and a polypropylene membrane-based generator prepared according to Example 1 of the present invention.
9A and 9B are graphs showing the open-voltage characteristics of repetitive water wetting of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black) prepared according to Example 1 of the present invention.
10 is a change in the water wetting amount (0.15 ml, 0.25 ml, 0.5 ml) and the water wetting position of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black) prepared according to Example 1 of the present invention. It is a result showing the characteristics of the open-voltage graph according to.
FIG. 11 shows the open voltage (FIG. 11A), short-circuit current (FIG. 11B) according to the resistance change of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black) prepared according to Example 1 of the present invention. This is the result showing the power (Figure 11C) graph.
12 is an energy density graph of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black) prepared according to Example 1 of the present invention.
Figure 13 is a carbon layer prepared according to Example 2 of the present invention is a carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide (Graphene Oxide) coated with a voltage measured by the voltage formed by the cotton fiber generator.
14 is an actual photo of a glass substrate generator coated with a carbon layer according to Comparative Example 1.
15 is a voltage measurement data formed by a glass substrate generator coated with a carbon layer according to Comparative Example 1.
FIG. 16 is a photograph of a stack of generators and a photo of a hydrophilic fiber membrane generator coated with a carbon layer prepared according to Example 4 of the present invention.
17 is a state in which the LEDs having a driving current and a voltage of 20 mA, 1.8 V are driven after dropping water after stacking or connecting energy generating devices manufactured according to Example 4 of the present invention in series or in parallel. It is a picture of observing.
FIG. 18 is a photograph observing a state in which a motor having a rated power of 10 mW is actually dripped by dropping water by stacking and connecting energy generating devices manufactured according to Example 4 of the present invention in series and in parallel.

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 can be applied to various transformations and can 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 the description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

이하, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus for generating electrical energy based on a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 극성 용매가 탄소의 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 이중층 (double layer)을 활용하여, 적은 양의 극성 용매를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인과 연결된 두 전극 중 한 전극이 연결된 영역에만 떨어뜨려 젖은 (wetting) 영역과 마른 (dry) 영역이 비대칭적으로 유지됨에 의한 개방전압과 단략전류 형성을 바탕으로 지속적인 전기 에너지를 발생시키는 전기 에너지 생성 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치는 침지 공정 (dipping process)을 통해 탄소 입자들을 친수성 섬유 멤브레인의 섬유 가닥 표면에 균일하게 도포하여 탄소층을 형성한다. 탄소입자들이 도포된 친수성 섬유 멤브레인에 극성 용매를 한쪽 전극 위에 떨어뜨리면, 표면 에너지를 낮추기 위해 이온들의 물리적 흡착이 탄소층 표면에 이루어진다. 이로 인해 전기 이중층이 형성되고 캐패시턴스 (capacitance) 차이에 의해 유도된 전위 차 (potential difference)가 젖은 부분과 마른 부분 간에 형성된다. 캐패시턴스의 차이에 의해 형성된 전위 차는 극성 용매가 완전히 증발하기 전까지 유지된다. 그리고, 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 위해 탄소 내부의 전자도 같은 방향으로 이동하기 때문에 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 전류가 지속적으로 흐르게 된다.The present invention utilizes a double layer formed in a process in which a polar solvent is adsorbed on the surface of carbon, so that a small amount of polar solvent is connected to a region in which one of the two electrodes is connected to a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer. The present invention relates to an apparatus for generating electric energy and a method for manufacturing the same, which generates continuous electric energy based on the formation of an open voltage and a short current by keeping the wet and dry regions asymmetric by dropping them. Specifically, the carbon-coated hydrophilic fiber membrane-based electric energy generating device uniformly applies carbon particles to the surface of the fiber strand of the hydrophilic fiber membrane through a dipping process to form a carbon layer. When a polar solvent is dropped on one electrode on a hydrophilic fiber membrane coated with carbon particles, physical adsorption of ions is performed on the surface of the carbon layer to lower surface energy. As a result, an electric double layer is formed, and a potential difference induced by a difference in capacitance is formed between the wet and dry parts. The potential difference formed by the difference in capacitance is maintained until the polar solvent evaporates completely. In addition, the high polar solvent absorbing power of the hydrophilic cloth fiber strands moves hydrogen ions (protons) contained in the polar solvent from the wet part to the dry part, and the electrons inside the carbon are also maintained to maintain charge neutrality. Because it moves in the same direction, a current flows continuously until the polar solvent evaporates completely.

현재까지 개발된 에너지 생성 장치들은 고주파 교류 전압 및 전류의 형태로 전기 에너지가 생성된다. 이는 기계적인 변형 및 마찰에 의해서 전기 에너지가 생성되는 압전 소자 및 마찰 전기 에너지 생성 장치들은 변형, 마찰이 인가되었을 때만 순간적으로 전압 차가 형성되고, 인가된 기계적인 작용이 제거되면 반대 부호의 전압 차가 다시 형성되기 때문이다. 이러한 고주파 교류 전력을 생성하는 에너지 생산 장치는 별도의 정류 회로나 에너지 저장 장치가 항상 수반되어야만 전자기기를 구동할 수 있다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 직접 전자기기에 연결하여 사용할 수 있는 직류 전력을 발생하는 에너지 생성 장치의 필요성이 대두되고 있다. The energy generating devices developed to date generate electric energy in the form of high-frequency alternating voltage and current. This is because the piezoelectric element and the devices for generating electrical energy generated by electrical deformation by mechanical deformation and friction instantaneously generate a voltage difference only when deformation and friction are applied, and when the applied mechanical action is removed, the voltage difference of the opposite sign again Because it is formed. The energy production device that generates such high-frequency AC power has a problem in that a separate rectifying circuit or an energy storage device can always drive electronic devices. In order to solve this, there is a need for an energy generating device that generates DC power that can be directly connected to electronic devices.

뿐만 아니라, 지속적인 기계적 변형, 마찰, 가열은 디바이스를 손상시키고, 에너지 생성 장치의 에너지 생성 효율을 저하 한다. 또한, 기계적 변형, 마찰 및 열 흐름들은 에너지 생성 물질이 집전체 기판에서 탈리되게 하는 원인이 되어, 에너지 생성 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 전압 차를 발생시키는 작용이 지속 가능하고 에너지 저장 장치가 반복적인 사용에도 손상되지 않는다면 전기 에너지를 장시간 발생할 수 있는 높은 신뢰성을 가진 에너지 생성 장치를 구현할 수 있다. 이러한 에너지 생성 장치를 구현하기 위해서는 동적인 (dynamic) 힘이 작용하지 않는 정적인 (static) 작용만으로 전위차를 발생할 수 있는 신개념 에너지 생성 장치가 필요하다. In addition, continuous mechanical deformation, friction, and heating damage the device and degrade the energy generation efficiency of the energy generating device. In addition, mechanical deformation, friction, and heat flows cause the energy generating material to be detached from the current collector substrate, and there is a problem in that energy generation efficiency is lowered. If the action of generating a voltage difference is sustainable and the energy storage device is not damaged even through repeated use, it is possible to implement a highly reliable energy generating device capable of generating electric energy for a long time. In order to implement such an energy generating device, a new concept energy generating device capable of generating a potential difference only by a static action without a dynamic force is required.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 탄소 표면과 극성 용매 간에 형성된 이중층으로 인해 젖은 영역과 마른 영역에서의 캐패시턴스 차이에 의해 유도된 전위 차와 친수성 천 섬유의 높은 극성 용매 흡수력에 의해 이동 되는 수소 이온이 지속적으로 유발 하는 전류에 의해 직류 전력을 생성하는 에너지 생성 장치 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 표면적이 넓은 탄소층 (수퍼 P (Super P), 덴카블랙 (Denka black), 아세틸랜 블랙 (acetylene black), 케첸블랙 (Ketjen black) 중에서 선택된 탄소입자 내지는, 활성 탄소 (activated carbon), 그래핀 (graphene), 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 중 한 가지 혹은 두 가지 이상의 탄소)들을 비표면적이 넓은 친수성 섬유 멤브레인에 도포하여 에너지 생성 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 극성 용매가 탄소층에 흡착되어 형성하는 전기 이중층을 이용하기 때문에 직류 형태의 전기 에너지를 생산할 수 있다. 상기 에너지 생성 장치를 통해 형성된 직류 형태의 전기 에너지는 별도의 정류 회로 없이 직접 전자기기에 연결하여 구동할 수 있다. 본 발명은 간단한 침지 공정으로 탄소층과 같은 전도성 흡착 물질이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 저비용으로 대량생산 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 대면적 제조가 용이하며, 복수의 멤브레인을 적층하여 발전기의 용량을 쉽게 높일 수 있는 장점이 있다. In order to solve this problem, in the present invention, the hydrogen ions moved by the high polar solvent absorption of the hydrophilic cloth fibers and the potential difference induced by the difference in capacitance in the wet and dry regions due to the double layer formed between the carbon surface and the polar solvent. Provided is an energy generating device and a method of manufacturing the same, which generate DC power by the continuously induced current. The present invention is a carbon layer having a large surface area (super P (Super P), Denka black (Denka black), acetylene black (acetylene black), Ketjen black (Ketjen black) selected from carbon particles, activated carbon (activated carbon), Graphene, one or more carbons of carbon nanotubes, can be applied to a hydrophilic fiber membrane with a large specific surface area to significantly improve energy generation efficiency, and a polar solvent adsorbs on the carbon layer. Since it uses an electric double layer to be formed, it is possible to produce electric energy in the form of direct current. The electric energy in the form of direct current formed through the energy generating device can be driven by directly connecting to an electronic device without a separate rectifying circuit. The present invention has a feature that it is possible to mass-produce a hydrophilic fiber membrane coated with a conductive adsorbent material such as a carbon layer at a low cost by a simple immersion process. It is easy to manufacture a large area and has the advantage of easily increasing the capacity of the generator by stacking a plurality of membranes.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 에너지 생성 장치 (탄소층-친수성 섬유 멤브레인 복합 발전기)의 제작과정 모식도이다. 일정 규격으로 절삭한 친수성 섬유 멤브레인(101)을 탄소입자가 분산되어 있는 카본 코팅 용액(102)에 침지한다. 침지 공정 중, 침지 횟수를 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 도포되는 탄소 입자의 양과 균일도를 제어할 수 있다. 탄소층이 코팅된 침지된 친수성 섬유 멤브레인(103)은 건조 오븐에서 건조과정(104)을 거친 후 완성된다. 건조 후의 친수성 섬유 멤브레인 전기 에너지 생성 장치의 저항은 100 Ω ~ 100 MΩ의 범위를 가질 수 있으며, 높은 전압과 전류 특성을 얻기 위해 바람직하게 10 kΩ ~ 20 MΩ의 범위의 저항을 갖게 하는 것이 유리하다. 본 도 1에서는 탄소 입자로 구성된 탄소층을 예시로 들었다. 상기 탄소 입자는 활성 탄소 (activated carbon), 수퍼 P (super-P), 아세틸랜 블랙 (acetylene black), 케첸블랙 (Ketjen black) 중에 선택된 하나일 수 있으며, 탄소층은 그래핀 (graphene) 내지는 카본나노튜브 (carbon nanotube) 중 한가지 혹은 두 가지 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 우수한 전기 전도도를 가지며, 친수성 섬유 멤브레인과 잘 결착이 이루어지는 탄소 물질이면 특정 소재에 제약을 두지 않으면, 0차원의 탄소입자, 1차원의 탄소나노튜브, 2차원의 그래핀 또는 그래핀 산화물이 단독으로 사용되거나 복합화되어 사용될 수 있다. 탄소층-친수성 섬유 멤브레인 복합 발전기에 있어서 친수성 섬유를 구성하는 개별 섬유에 코팅되는 탄소 소재는 비표면적이 높은 탄소 입자가 균일하게 코팅되는 것이 바람직하며 제조공정 관점에서도 가장 간단하다. 탄소층은 친수성 섬유 멤브레인에 단위 부피당 0.9 mg/cm³ ~ 0.007 mg/cm³ 범위로 탄소를 적재하고, 탄소의 양을 조절하여 친수성 섬유 멤브레인의 저항을 변화시켜 생성 전류의 조절을 통해 생성 전력을 조절할 수 있다.1 is a schematic diagram of a manufacturing process of a carbon layer coated hydrophilic fiber membrane-based energy generating device (carbon layer-hydrophilic fiber membrane composite generator), which is an embodiment of the present invention. The hydrophilic fiber membrane 101 cut to a certain standard is immersed in a carbon coating solution 102 in which carbon particles are dispersed. During the immersion process, it is possible to control the amount and uniformity of carbon particles applied to the surface of the hydrophilic fiber membrane by controlling the number of immersions. The carbon layer-coated immersed hydrophilic fiber membrane 103 is completed after a drying process 104 in a drying oven. The resistance of the hydrophilic fiber membrane electrical energy generating device after drying may have a range of 100 Ω to 100 MΩ, and it is advantageous to have a resistance of preferably 10 kΩ to 20 MΩ in order to obtain high voltage and current characteristics. In this FIG. 1, a carbon layer composed of carbon particles is exemplified. The carbon particles may be one selected from activated carbon, super P (super-P), acetylene black, and Ketjen black, and the carbon layer may be graphene or carbon. One or more mixtures of two or more of nanotubes may be further included. Carbon materials with excellent electrical conductivity and good binding to hydrophilic fiber membranes are not limited to a specific material, 0-dimensional carbon particles, 1-dimensional carbon nanotubes, 2-dimensional graphene or graphene oxide alone. It can be used or used in combination. In the carbon layer-hydrophilic fiber membrane composite generator, the carbon material coated on the individual fibers constituting the hydrophilic fiber is preferably uniformly coated with carbon particles having a high specific surface area, and is also the simplest in terms of the manufacturing process. The carbon layer is loaded with carbon in the hydrophilic fiber membrane in a range of 0.9 mg/cm ³ to 0.007 mg/cm ³ per unit volume, and the amount of carbon is adjusted to change the resistance of the hydrophilic fiber membrane to control the generated electric current to control the generated electric power. Can be adjusted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침지 공정을 이용한 탄소 입자들이 탄소층을 이루며 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 제조 방법에 따른 순서도를 보여준다. 도 2의 순서도에서 확인할 수 있듯이, 탄소 입자를 계면활성제와 함께 물 용매에 첨가하고 음파처리를 통해 높은 분산도를 갖는 카본 코팅 용액을 제조하는 단계(201), 친수성 섬유 멤브레인을 설계한 크기로 절삭하는 단계(202), 친수성 섬유 멤브레인을 카본 코팅 용액에 침지시켜 친수성 섬유 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면에 탄소층을 코팅하는 단계(203), 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 트레이에 평평하게 배치하고 오븐에서 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 건조시키는 단계(204), 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 2개 이상 적층하여 적층형 발전기를 제조하는 단계(205), 상기 적층된 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 발전기를 직렬 및 병렬로 연결하고 극성 용매를 비대칭적으로 떨어뜨려 직류 전압 및 전류를 형성하는 단계(206)를 포함하여 구성된다. Figure 2 shows a flow chart according to the manufacturing method of the electric energy generating device based on a hydrophilic fiber membrane coated with carbon particles forming a carbon layer using an immersion process according to an embodiment of the present invention. As can be seen in the flow chart of Figure 2, adding carbon particles to a water solvent together with a surfactant and preparing a carbon coating solution having a high dispersibility through sound treatment (201), cutting the hydrophilic fiber membrane to a designed size Step 202, coating the carbon layer on the surface of the individual fibers constituting the hydrophilic fiber membrane by immersing the hydrophilic fiber membrane in a carbon coating solution (203), placing the coated hydrophilic fiber membrane flat in a tray and oven In step (204) of drying the carbon layer-coated hydrophilic fiber membrane, manufacturing at least two carbon layer-coated hydrophilic fiber membrane generators to produce a laminated type generator (205), the laminated carbon layer coated It comprises a step 206 of connecting a hydrophilic fiber membrane generator in series and in parallel and asymmetrically dropping the polar solvent to form a DC voltage and current.

제작된 전기 에너지 생성 장치는 소량의 물로 장시간 동안 직류 전력을 발생할 수 있고 대량생산이 용이하기 때문에, 가정 에너지 보조 장치나 휴대용 전원 보조 장치 및 웨어러블 전자기기의 보조 전원 장치로 응용이 가능하다. Since the produced electric energy generating device can generate DC power for a long time with a small amount of water and mass production is easy, it can be applied as a home energy assisting device, a portable power assisting device, and a secondary power supply for wearable electronic devices.

하기에서는 실시예들을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어 있는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1: 침지 공정을 이용한 케첸블랙이 코팅된 면 직물 (cotton fabric), 한지 (Korean mulberry paper), 폴리프로필렌 (polypropylene) 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 제작Example 1: Fabrication of an electric energy generating device based on a ketchen black coated cotton fabric, Korean mulberry paper, polypropylene membrane using a immersion process

케첸블랙 코팅 용액을 제작하기 위해 케첸블랙 (ketjen black) 0.2 g과 계면활성제 (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) 0.05g을 20 ml의 탈이온수와 혼합한다. 혼합된 케첸블랙 용액을 음파처리 (ultrasonication process)로 고르게 혼합 및 분산시켜 케첸블랙이 분산된 용액을 제작한다. 친수성 섬유 멤브레인은 일례로, 면 직물 (cotton fabric), 한지 (Korean mulberry paper), 폴리프로필렌 (polypropylene) 멤브레인, 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물 내지는 나노섬유 중에서 선택될 수 있으며, 본 실시예에서는 친수성 섬유 멤브레인을 3 cm (세로) × 9 cm (가로) 의 규격으로 종횡비 3을 맞추어서 절삭하였다. 절삭된 각각의 멤브레인은 탄소 입자들이 분산된 용액에 1회 침지하였다. 침지된 케첸블랙이 도포된 코튼 멤브레인은 평평한 트레이에 올려져 80 ℃ 건조오븐에서 건조 과정을 거쳐 최종적으로 케첸블랙 입자들이 각각의 멤브레인을 구성하는 개별 섬유의 표면층에 코팅된 탄소층-섬유 멤브레인 복합 전기 에너지 생성 장치를 제조하였다. 복합 전기 에너지 생성 장치에서 생성되는 전력을 평가하기 위해, 용액-습도의 변인을 조절하며 개방 전압 (open circuit voltage) 및 단락 전류 (short circuit voltage)를 측정하였다. 측정 방법은 탄소층-섬유 멤브레인 발전기의 한쪽 전극에 0. 15 ml ~ 0.5 ml 의 극미량의 물 또는 다양한 반경을 갖는 1가의 양이온을 포함하는 (리튬, 나트륨, 칼륨) 용액을 떨어뜨린 후에 바로 개방 전압 및 단락 전류 특성을 평가하였다. 추가된 1가의 양이온들은 탄소 표면과 용액 사이에 형성된 외곽의 헬름홀츠 층 (outer Helmholtz layer)의 농도 및 전하를 변화시키기 때문에, 생성 전압 및 전류에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그리고, 생성 전력과 습도와의 상관 관계를 확인하기 위해서, 상대 습도를 유지할 수 있는 아크릴 박스 내에서 25%, 50%, 85%의 상대 습도 환경에서 개방 전압 및 단락 전류를 측정하였다. To prepare a ketjen black coating solution, 0.2 g ketjen black and 0.05 g surfactant (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) are mixed with 20 ml of deionized water. The mixed Ketjen black solution is evenly mixed and dispersed by an ultrasonication process to prepare a Ketjen black dispersed solution. The hydrophilic fiber membrane may be selected from cotton fabric, Korean mulberry paper, polypropylene membrane, non-woven fabric treated with oxygen plasma, fabric or nanofiber with hydrophilic surface treatment. In the example, the hydrophilic fiber membrane was cut with an aspect ratio of 3 according to a standard of 3 cm (length) × 9 cm (width). Each cut membrane was immersed once in a solution in which carbon particles were dispersed. The carbon membrane-fiber membrane composite electricity coated with the quenched black coated cotton membrane is placed on a flat tray and dried in an 80° C. drying oven and finally coated with the surface of the individual fibers constituting each membrane. An energy generating device was prepared. In order to evaluate the power generated by the complex electrical energy generating device, the open-circuit voltage and short-circuit voltage were measured while adjusting the variable of the solution-humidity. The measurement method is an open voltage immediately after dropping 0.15 ml to 0.5 ml of trace water or a solution containing monovalent cations having various radii (lithium, sodium, potassium) to one electrode of a carbon-fiber membrane generator. And short-circuit current characteristics. Since the added monovalent cations change the concentration and charge of the outer Helmholtz layer formed between the carbon surface and the solution, it can have a great influence on the generated voltage and current. Then, in order to confirm the correlation between the generated power and humidity, open voltage and short-circuit current were measured in an environment of 25%, 50%, and 85% relative humidity in an acrylic box capable of maintaining relative humidity.

도 3은 제작된 케첸블랙이 도포된 면 직물, 한지, 폴리프로필렌 멤브레인 전기 에너지 생성 장치의 주사전자현미경 사진이다. 직경이 10 μm의 코튼 섬유 가닥, 직경이 8 μm 의 한지 섬유 가닥, 직경이 2 μm 의 폴리프로필렌 멤브레인 가닥에 탄소층이 코팅된 입자가 고르게 도포된 것을 확인할 수 있다. FIG. 3 is a scanning electron microscope photograph of the produced ketjen black coated cotton fabric, Korean paper, and polypropylene membrane electrical energy generating device. It can be seen that the carbon fiber-coated particles were evenly applied to the cotton fiber strand having a diameter of 10 μm, the Korean paper fiber strand having a diameter of 8 μm, and the polypropylene membrane strand having a diameter of 2 μm.

도 4는 상기 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치의 에너지 생성 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 물에 의해 젖은 부분 (wetted region)의 탄소 입자 표면에는 이중층에 의해 표면이 음전하를 띄고 음 전위를 형성한다. 이 때문에 물에 의해 젖은 영역 (wet region)과 젖지 않은 영역 (dry region) 사이에는 캐패시턴스 차이에 의해 유도된 전위 차가 형성된다. 다시 말해, 물에 의해 젖은 탄소층과 젖지 않은 탄소층 간의 전기 이중층의 존재 유무에 의한 전압 차이를 이용하여 전기 에너지가 생성될 수 있다. 이때 두 전극을 회로로 연결하면 직류 전압 및 전력을 생산할 수 있다.Figure 4 is a schematic diagram showing the energy generation mechanism of the electrical energy generating device based on the hydrophilic fiber membrane coated with the carbon layer. The surface of the carbon particles in the wetted region (wetted region) is negatively charged by a double layer and forms a negative potential. Because of this, a potential difference induced by the difference in capacitance is formed between the wet region and the wet region by water. In other words, electric energy may be generated using a voltage difference between the presence and absence of an electric double layer between a carbon layer wet and a carbon layer not wet. At this time, if the two electrodes are connected as a circuit, DC voltage and power can be produced.

또한, 도 5는 케첸블랙(KB)이 도포된 면 직물(cotton)이 갖는 우수한 물 흡수력이 극성 용매 내에 존재하는 양이온 (수소 이온)을 젖은 부분에서 마른 부분으로 빠르게 이동시키고, 전하적 중성도를 유지하기 위해 탄소 내부의 전자가 양이온의 이동 방향과 같은 방향으로 이동하며 지속적으로 전류를 생성하는 과정을 나타내고 있다. 이렇게 형성된 전류는 극성 용매가 완전 증발하기 전까지 지속적으로 발생하기 때문에, 직류 형태의 전류와 전력을 나타내는 특징을 갖는다. 이는, 기존 증발 흐름 전위에서 볼 수 없는 현상들을 야기하는 주요 원인이 된다. 대표적으로, 기존의 흐름 전위에서는 습도에 따른 전압은 상대습도 90%에서 전압이 거의 0V에 가깝게 떨어지는 것과 같이 습도 변화에 매우 민감하게 반응한다. 이는 기존 증발 흐름 전위가 지속적인 증발에 의해서만 유체의 흐름이 발생하고, 이러한 유체의 흐름이 유지되어야만 전위 차가 발생할 수 있으나, 상대습도가 높은 경우에는 증발이 잘 이루어지지 않기 때문에 유체의 흐름이 정체되기 때문이다.In addition, Figure 5 is a chenchen black (KB) coated cotton fabric (cotton) has excellent water absorption ability to quickly move the cations (hydrogen ions) present in the polar solvent from the wet to the dry, charge neutrality In order to maintain, electrons inside the carbon move in the same direction as the direction of movement of the cation, and represent a process of continuously generating electric current. Since the current thus formed is continuously generated until the polar solvent is completely evaporated, it has a characteristic of indicating the current and power in the form of direct current. This is a major cause of phenomena not seen at the existing evaporation flow potential. Typically, at a conventional flow potential, the voltage according to humidity reacts very sensitively to changes in humidity, such as the voltage drops near 0 V at 90% relative humidity. This is because the flow of the fluid occurs only by the constant evaporation of the existing evaporation flow potential, and the potential difference may occur only when the flow of the fluid is maintained. However, when the relative humidity is high, the flow of the fluid is stagnant because evaporation does not work well. to be.

반면, 본 발명의 일실시예에 따른 이중층 기반 에너지 생성 장치를 통해 발생하는 전기 에너지의 전압은 도 6에서와 같이 상대습도 변화 (특히 85%에서 40% 사이의 변화)에 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 이는 친수성 섬유 멤브레인이 극성 용매 내에 존재하고 있는 양이온을 증발과는 비교할 수 없을 정도로 빠르게 이동시키기 때문에, 습도에 전혀 영향을 받지 않는 에너지 생성 거동을 나타낸다.On the other hand, the voltage of the electric energy generated through the bi-layer-based energy generating device according to an embodiment of the present invention is hardly affected by the relative humidity change (especially between 85% and 40%) as shown in FIG. Able to know. This shows an energy generation behavior that is not affected by humidity at all, because the hydrophilic fiber membrane moves the cations present in the polar solvent so quickly that it cannot be compared with evaporation.

또한, 기존 증발 흐름 전위에 따른 전압은 양이온의 농도가 증가함에 따라 감소한다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 이중층에 의해 형성된 전위를 통해 발생하는 전기 에너지의 전압과 전류는 도 7에 나타난 바와 같이 다양한 종류의 0.1M 양이온의 추가에 따라 모두 증가함을 알 수 있다. 특히, 이온 반경이 작은 수소, 리튬, 나트륨, 칼륨의 순으로 스턴 (stern) 층에 영향을 크게 미치며, 생성 전압의 증가를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. In addition, the voltage according to the existing evaporation flow potential decreases as the concentration of the cation increases. On the other hand, it can be seen that the voltage and current of the electric energy generated through the electric potential formed by the double layer according to an embodiment of the present invention are all increased according to the addition of various types of 0.1M cations as shown in FIG. 7. In particular, it can be seen that hydrogen, lithium, sodium, and potassium having a small ionic radius have a great influence on the stern layer in order, and generate an increase in the generated voltage.

예를 들어, 기존 증발 흐름 전위에서는 유체의 흐름이 증발 자체에 의존하기 때문에 유체의 흐름 속도가 한정된다. 따라서 유체의 양 자체가 한정되기 때문에 한정된 유체의 양에 포함되는 양이온 농도의 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 상대적으로 매우 넓은 표면적에서 상대적으로 매우 높은 극성 용매 흡수력을 통해 극성 용매의 비대칭적인 젖음에 따라 자체적인 유체의 흐름을 유도할 뿐만 아니라, 기존 증발 흐름 전위에서와 비교할 때 상대적으로 매우 많은 양의 유체의 흐름을 갖게 되기 때문에 양이온 이동 속도의 증가는 보다 큰 전류 생성으로 이어질 수 있다. For example, in the existing evaporation flow potential, the flow rate of the fluid is limited because the flow of the fluid depends on the evaporation itself. Therefore, since the amount of fluid itself is limited, an increase in the concentration of cations included in the limited amount of fluid leads to a decrease in the amount of evaporation of the fluid due to a decrease in vapor pressure. Since the decrease in the amount of evaporation can eventually stagnate the flow of the fluid, in the existing evaporation flow potential, the voltage decreases with increasing cation concentration. On the other hand, the hydrophilic fiber membrane of the present invention not only induces its own fluid flow according to the asymmetric wetting of the polar solvent through a relatively very high polar solvent absorption power at a relatively very large surface area, but also compares with that at the existing evaporation flow potential. When a relatively large amount of fluid flow occurs, an increase in the cation transfer rate can lead to the generation of a larger current.

도 8은 케첸블랙이 도포된 면 직물, 한지, 폴리프로필렌 멤브레인 전기 에너지 생성 장치로 생성된 개방 전압 (V_OC, open-circuit voltage)을 측정한 데이터이다. 실험을 위해 케첸블랙이 도포된 면 직물, 한지, 폴리프로필렌 멤브레인 발전기의 한쪽 전극에 0.25 ml의 소량의 물을 떨어뜨린 후 특성 평가를 진행하였다. 3 종류의 친수성 섬유 멤브레인 중 케첸블랙 탄소층이 코팅된 면 직물에서 가장 높은 개방 전압 (0.4 V)이 관찰되었으며, 케첸블랙 탄소층이 코팅된 한지 (V_OC, 0.32 V), 케첸블랙 탄소층이 코팅된 폴리로필렌 멤브레인 (V_OC, 0.36 V) 보다 높은 개방 전압 특성을 보여주었다. 특히 0.4 V의 개방 전압 값은 흔들림이나 감소 없이 2200 초 동안 안정적으로 유지되는 특성이 관찰되었다. 본 발명에서 이용한 케첸블랙 (ketjen black)은 1400 m²/g 으로 매우 높은 비표면적을 가지고 있는 특징이 있다. 계면활성제 (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate)에 의해 친수성 처리가 이루어진 케첸블랙이 물 흡수율이 매우 뛰어난 면 직물에 코팅이 되면서, 극성 용매인 물의 흡착이 안정적으로 균일하게 일어나며, 친수성 섬유 멤브레인이 갖는 물 흡수력에 의해 안정적인 개방 전압 특성이 나타남을 확인할 수 있었다. FIG. 8 is data measuring open-circuit voltage (V _OC ) generated by a Ketchen Black-coated cotton fabric, Korean paper, and a polypropylene membrane electrical energy generating device. For the experiment, a characteristic evaluation was performed after a small amount of 0.25 ml of water was dropped on one electrode of a cotton fabric coated with Ketjen Black, Korean paper, and a polypropylene membrane generator. Among the three types of hydrophilic fiber membranes, the highest open voltage (0.4 V) was observed in the cotton fabric coated with the Ketjen black carbon layer, and the paper with the Ketjen black carbon layer (V _OC , 0.32 V) and the Ketjen black carbon layer It showed higher open voltage characteristics than the coated polypropylene membrane (V _OC , 0.36 V). In particular, it was observed that the open voltage value of 0.4 V was kept stable for 2200 seconds without shaking or reduction. The ketjen black used in the present invention is characterized by having a very high specific surface area of 1400 m ² /g. Ketchen Black, which is hydrophilic treated with a surfactant (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate), is coated on a cotton fabric with excellent water absorption, and the adsorption of water, a polar solvent, occurs stably and uniformly. It was confirmed that stable open-voltage characteristics were exhibited.

도 9A와 도 9B는 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 반복적인 물 젖음에 따른 개방 전압 특성을 보여주는 그래프이다. 0.5 ml의 물을 발전기의 한쪽 전극에 떨어 뜨려, 특성을 평가하였으며 완벽한 물 증발을 위해 200 시간 간격을 두고 3회에 걸쳐 특성 평가를 진행하였다. 도 9A에서 보여지듯이, 0.5 ml의 극미량의 물 첨가에 0.4 V의 전압이 생성되었으며 물이 완전히 증발이 되고 난 후에는 0 V 값을 나타냈다. 다시 물을 0.5 ml 첨가하는 경우 동일한 형상의 0.4 V개방 전압 특성이 나타났고, 3회에 걸친 실험에서도 동일한 거동이 관찰됨을 확인할 수 있었다. 도 9B는 탄소층-친수성 섬유 멤브레인 (면 직물) 발전기의 뛰어난 재현성을 나타내는 그래프로 53회에 걸친 물 첨가 (dropping)에도 매우 균일한 거동이 반복됨을 알 수 있다. 9A and 9B are graphs showing the open-voltage characteristics of repetitive water wetting of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black). The properties were evaluated by dropping 0.5 ml of water on one electrode of the generator, and the properties were evaluated three times at 200-hour intervals for complete water evaporation. As shown in FIG. 9A, a voltage of 0.4 V was generated in the addition of a very small amount of water of 0.5 ml, and the value of 0 V was shown after the water was completely evaporated. When 0.5 ml of water was added again, 0.4 V open voltage characteristics of the same shape appeared, and it was confirmed that the same behavior was observed in three experiments. 9B is a graph showing excellent reproducibility of the carbon layer-hydrophilic fiber membrane (cotton fabric) generator, and it can be seen that a very uniform behavior is repeated even after 53 drops of water.

도 10은 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 물 젖음양 (0.15 ml, 0.25 ml, 0.5 ml)과 물 젖음 위치의 변화에 따른 개방 전압 그래프 특성을 보여주는 결과이다. 물의 첨가 양이 적은 경우 충분한 면적으로 젖음이 일어나지 않기 때문에, 개방 전압이 다소 낮게 형성이 되는 반면 (0.15 ml의 경우 최대 전압 0.45 V), 물의 양이 더 늘어 남에 따라 (0.25 ml의 경우 최대 전압 0.5 V) 전압이 증가됨을 알 수 있으며, 0.5 ml의 물이 떨어뜨려 지는 경우 0.6 V의 전압이 더 긴 시간으로 유지됨을 알 수 있었다. 특히 물이 떨어뜨려지는 전극의 위치를 반대편으로 바꾸는 경우, 전압이 - 0.6 V로 반대 전압이 형성됨으로부터, 전기 이중층이 형성되는 위치 변화가 개방 전압 극의 변화를 유도함을 확인할 수 있었다. Figure 10 is a carbon layer (Ketjen black) coated cotton fabric (cotton fabric) is a result of the graph showing the characteristics of the open voltage graph according to the change in the water wetting amount (0.15 ml, 0.25 ml, 0.5 ml) and the location of the water wetting. Since the wetting does not occur in a sufficient area when the amount of water added is small, the open voltage is formed somewhat lower (maximum voltage of 0.45 V for 0.15 ml), while the amount of water increases further (maximum voltage for 0.25 ml) 0.5 V) It can be seen that the voltage is increased, and when 0.5 ml of water is dropped, the voltage of 0.6 V is maintained for a longer time. Particularly, when the position of the electrode from which water is dropped is changed to the opposite side, since the opposite voltage is formed at a voltage of-0.6 V, it can be confirmed that the position change where the electric double layer is formed induces a change in the open voltage pole.

도 11은 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 저항 변화에 따른 개방 전압 (도 11A), 단락 전류 (도 11B), 얻어진 파워 (도 11C) 그래프를 보여주는 결과이다. 탄소층 (케첸블랙)-친수성 섬유 (코튼) 멤브레인 발전기의 저항은 실시예 1에서 설명하였듯이, 면 직물을 케첸블랙이 분산되어 있는 용액에 함침하는 횟수를 달리하여 조절하였다. 함침 횟수가 늘어날수록 표면에 코팅되는 탄소 입자의 양이 많아 지면서 저항이 낮아지게 되며, 저항은 31 kΩ, 63 kΩ, 120 kΩ, 220 kΩ, 550 kΩ, 1200 kΩ, 2800 kΩ, 5500 kΩ, 10000 kΩ 으로 증가 되도록 9개의 샘플을 준비하였다. 도 11A의 개방 전압 그래프에서 관찰이 되듯이, 발전기의 저항이 높을수록 높은 개방 전압 (10 MΩ 샘플: 0.54V) 특성이 나타나며, 저항이 가장 낮은 31 kΩ 의 샘플에서는 0.18 V 수준의 낮은 개방 전압 특성이 관찰이 되었다. 높은 개방 전압 특성을 얻기 위해서 탄소층-친수성 섬유 멤브레인 기반 발전기의 베이스 저항 (base resistance) 조절이 중요함을 알 수 있다. 도 11B는 발전기의 저항 변화에 따른 단락 전류 특성 그래프로, 31 kΩ의 저항을 갖는 발전기에서 가장 높은 단락 전류 (4.4 μA) 특성이 관찰이 되고, 저항이 낮아질수록 단락 전류 특성이 감소함을 확인할 수 있었다. 특히 10 MΩ의 저항을 가진 샘플의 경우 0.2 μA 수준의 낮은 단락 전류 특성이 관찰이 되었다. 파워는 전류와 전압의 곱으로 결정이 되기 때문에, 높은 개방 전압과 높은 단락 전류 특성 값을 동시에 부여하는 것이 중요한데, 본 탄소층-친수성 섬유 멤브레인 기반 발전기의 경우 개방 전압과 단락 전류 값이 서로 반대되는 저항 값에서 최대치가 관찰이 되기 때문에, 최적의 파워를 얻을 수 있는 저항 대를 관찰하기 위해 도 11C와 같이 파워 그래프를 그려 보았다. 최대 파워 (P_max)는 63 kΩ을 갖는 발전기에서 약 260 nW 정도의 수치를 보여주었다. FIG. 11 is a graph showing a graph of open voltage (FIG. 11A), short circuit current (FIG. 11B) and obtained power (FIG. 11C) according to the resistance change of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black). The resistance of the carbon layer (Ketjenblack)-hydrophilic fiber (cotton) membrane generator was adjusted by varying the number of times the cotton fabric was impregnated with a solution in which Ketjenblack is dispersed, as described in Example 1. As the number of impregnation increases, the resistance decreases as the amount of carbon particles coated on the surface increases, and the resistance is 31 kΩ, 63 kΩ, 120 kΩ, 220 kΩ, 550 kΩ, 1200 kΩ, 2800 kΩ, 5500 kΩ, 10000 kΩ Nine samples were prepared so as to increase. As can be seen in the open voltage graph of FIG. 11A, the higher the resistance of the generator, the higher the open voltage (10 MΩ sample: 0.54 V) characteristic, and the lower the resistance of 0.18 V level in the sample of 31 kΩ with the lowest resistance. This observation was made. It can be seen that it is important to control the base resistance of the carbon layer-hydrophilic fiber membrane-based generator in order to obtain high open voltage characteristics. 11B is a graph of a short-circuit current characteristic according to a change in resistance of a generator, and the highest short-circuit current (4.4 μA) characteristic is observed in a generator having a resistance of 31 kΩ, and it can be confirmed that the short-circuit current characteristic decreases as the resistance decreases. there was. In particular, in the case of a sample having a resistance of 10 MΩ, a low short-circuit current characteristic of 0.2 μA was observed. Since the power is determined by the product of current and voltage, it is important to simultaneously give high open voltage and high short-circuit current characteristics. For this carbon layer-hydrophilic fiber membrane-based generator, the open voltage and short-circuit current values are opposite. Since the maximum value is observed from the resistance value, a power graph is drawn as shown in FIG. 11C to observe the resistance band capable of obtaining optimal power. The maximum power (P _max ) showed a value of about 260 nW in a generator with 63 kΩ.

도 12는 본 발명의 일 실시예 1 에 따라 제조된 탄소층 (케첸블랙)이 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 발전기의 에너지 밀도 그래프이다. 도 12에서 보여지는 에너지 밀도 계산 값에서도 63 kΩ을 갖는 샘플에서 가장 높은 1200 μWh/cm³의 에너지 밀도 특성 값이 관찰되었다. 31 kΩ에서 시작하여 저항이 올라 갈수록 점진적으로 에너지 밀도 또한 증가하다가, 63 kΩ에서 최대치를 찍고, 저항이 더 증가하면서 에너지 밀도는 점진적으로 감소하고 10 MΩ에서는 60 μWh/cm³수준으로 31 kΩ에서의 에너지 밀도 수치 (750 μWh/cm³) 보다 더 낮게 떨어짐을 확인할 수 있었다. 따라서 전압, 전류, 전력을 발생 시킴에 있어서 최적의 저항대를 갖는 탄소층-친수성 섬유 멤브레인 기반 복합 발전기 제조가 중요하다12 is an energy density graph of a cotton fabric generator coated with a carbon layer (Ketchen Black) prepared according to Example 1 of the present invention. In the energy density calculation value shown in FIG. 12, the highest energy density characteristic value of 1200 μWh/cm ³ was observed in a sample having 63 kΩ. Starting at 31 kΩ, the energy density increases gradually as the resistance increases, then peaks at 63 kΩ, the energy density gradually decreases as the resistance increases further, and at 10 MΩ, the level of 60 μWh/cm ³ at 31 kΩ It was confirmed that the drop was lower than the energy density value (750 μWh/cm ³ ). Therefore, in generating voltage, current, and power, it is important to manufacture a carbon layer-hydrophilic fiber membrane-based composite generator having an optimum resistance band.

실시예 2: 침지 공정을 이용한 그래핀 옥사이드 (GO)와 탄소나노튜브 (CNTs)가 코팅된 면 직물 (cotton fabric) 기반 전기 에너지 생성 장치의 제작Example 2: Fabrication of an electrical energy generating device based on a cotton fabric coated with graphene oxide (GO) and carbon nanotubes (CNTs) using an immersion process

GO 코팅 용액을 제작하기 위해 GO 0.2 g과 계면활성제 (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) 0.05 g을 20 ml의 탈이온수와 혼합하였다. 혼합된 GO 용액을 음파처리로 고르게 혼합 및 분산시켜 GO 코팅 용액을 제작하였다. 면 직물을 3 cm (세로) × 9 cm (가로)의 규격으로 절삭해서 GO가 분산된 용액에 1회 침지하였다. 침지된 GO가 도포된 면 직물은 평평한 트레이에 올려져 80 ℃ 건조오븐에서 건조 과정을 거쳐 최종적으로 GO가 도포된 코튼 멤브레인 전기 에너지 생성 장치를 제작하였다. To prepare a GO coating solution, 0.2 g of GO and 0.05 g of a surfactant (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) were mixed with 20 ml of deionized water. GO coating solution was prepared by uniformly mixing and dispersing the mixed GO solution by sound treatment. The cotton fabric was cut to a size of 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal) and immersed once in a solution in which GO was dispersed. The cotton fabric coated with the immersed GO was placed on a flat tray, dried in an 80° C. drying oven, and finally a cotton membrane electrical energy generating device coated with GO was manufactured.

CNTs 코팅 용액을 제작하기 위해 CNTs 0.2 g과 계면활성제 (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) 0.05g을 20 ml의 탈이온수와 혼합하였다. 혼합된 CNTs 용액을 음파처리로 고르게 혼합 및 분산시켜 CNTs 코팅 용액을 제작하였다. 면 직물을 3 cm (세로) × 9 cm (가로)의 규격으로 절삭해서 CNTs 가 분산된 용액에 1회 침지하였다. 침지된 CNTs 가 도포된 면 직물은 평평한 트레이에 올려져 80 ℃ 건조오븐에서 건조 과정을 거쳐 최종적으로 CNTs 가 도포된 코튼 멤브레인 전기 에너지 생성 장치를 제작하였다. To prepare a CNTs coating solution, 0.2 g of CNTs and 0.05 g of a surfactant (SDBS, sodium dodecylbenzenesulfonate) were mixed with 20 ml of deionized water. CNTs coating solution was prepared by uniformly mixing and dispersing the mixed CNTs solution by sound treatment. The cotton fabric was cut to a size of 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal) and immersed once in a solution in which CNTs were dispersed. The cotton fabric coated with the immersed CNTs was placed on a flat tray, dried in an 80° C. drying oven, and finally a cotton membrane electric energy generating device coated with CNTs was manufactured.

도 13은 각각 탄소나노튜브 (CNTs)와 그래핀산화물 (Graphene Oxide)가 도포된 면 직물 전기 에너지 생성 장치들로 생성된 전압을 측정한 데이터이다. GO와 CNTs 가 코팅된 면 직물 발전기의 경우 유사하게 최대 0.3 V의 개방 전압 특성을 보여주었다. 그러나 그래핀 산화물이 코팅된 면 직물 발전기의 경우 다소 불안정한 개방 전압 개형을 나타냈으며, 탄소나노튜브가 코팅된 면 직물 발전기의 경우 초기 0.3 V의 개방 전압을 찍은 후 지속적으로 전압이 감소하는 그래프 특성을 나타내었다. 2차원의 그래핀 산화물과 1차원의 탄소나노튜브가 분산된 용액에 면 직물을 딥코팅하였기 때문에, 면 직물을 구성하는 개별 섬유들에 균일한 도포가 되지 않아서 탄소 입자가 코팅된 면 직물 발전기에 비교하여 불안정하면서 낮은 개방 전압 특성이 관찰됨을 알 수 있었다. 비록 개방 전압 값에서는 서로 차이가 나타났지만, 다양한 탄소 소재들에 대해서 극성 용매의 비대칭적인 코팅으로 전압 차가 생성됨을 확인할 수 있었다. FIG. 13 is data measuring voltages generated by electric energy generating devices for cotton fabric coated with carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide, respectively. The cotton fabric generator coated with GO and CNTs similarly showed an open voltage characteristic of up to 0.3 V. However, the graphene oxide-coated cotton fabric generator exhibited a somewhat unstable open-voltage modification, and the carbon nanotube-coated cotton fabric generator exhibited a graph characteristic of continuously decreasing voltage after taking the initial 0.3 V open voltage. Shown. Since the cotton fabric was deep coated in a solution in which the 2D graphene oxide and the 1D carbon nanotube were dispersed, it was not uniformly applied to the individual fibers constituting the cotton fabric, so that the carbon particle coated cotton fabric generator was not applied. By comparison, it was found that unstable and low open-voltage characteristics were observed. Although there was a difference between the open voltage values, it was confirmed that a voltage difference was generated by an asymmetric coating of a polar solvent for various carbon materials.

비교예 1: 탄소층이 코팅된 유리기판 기반 전기 에너지 생성 장치의 제작Comparative Example 1: Fabrication of an electric energy generating device based on a glass substrate coated with a carbon layer

소수성 특성을 갖는 유리 기판 위에 고분자 바인더가 첨가되지 않아 점도가 없는 탄소 입자를 균일하게 코팅하는 것은 공정상 어렵기 때문에, 본 비교예에서는 면 직물 위에 코팅된 케첸블랙 입자들을 유리 기판에 전사하는 공정을 이용하여, 케첸블랙이 코팅된 유리기판을 제조하였다. 실시예 1에서는 케첸블랙 탄소층의 하부에 젖음 특성이 뛰어난 면 직물을 포함하는 섬유 멤브레인이 지지체로 사용된 반면, 본 비교예 1에서는 친수성이 없는 유리 기판을 이용하여 특성 평가를 하였다. 표면 플라즈마 처리가 안된 유리 기판의 경우는 개방 전압 특성이 거의 0에 가깝게 관찰이 되었기 때문에, 산소 플라즈마 처리를 한 유리 기판 위에 케첸블랙 탄소층을 전사하여 유리기판 상에도 젖음이 일어나도록 하여 특성 평가를 진행하였다.Since it is difficult in the process to uniformly coat the carbon particles having no viscosity because the polymer binder is not added on the glass substrate having hydrophobic properties, in this comparative example, the process of transferring the ketjen black particles coated on the cotton fabric to the glass substrate By using, a glass substrate coated with Ketjen Black was prepared. In Example 1, a fiber membrane including a cotton fabric having excellent wetting properties was used as a support at the bottom of the Ketjen Black carbon layer, whereas in Comparative Example 1, a property evaluation was performed using a glass substrate having no hydrophilicity. In the case of a glass substrate without surface plasma treatment, since the open voltage characteristic was almost observed, the ketjen black carbon layer was transferred onto a glass substrate subjected to oxygen plasma treatment so that wetting occurred on the glass substrate to evaluate the properties. Proceeded.

도 14는 상기 케첸블랙이 코팅된 유리기판 기반 전기 에너지 생성 장치의 실제 형상을 찍은 사진이다. 유리 기판 상에 일부 코팅이 되지 않는 부분도 존재하였지만, 전체적으로 얇고 균일하게 탄소층이 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 14 is a photograph of an actual shape of the electric energy generating device based on the glass substrate coated with Ketjen Black. There were also some non-coated parts on the glass substrate, but it was confirmed that the carbon layer was thinly and uniformly coated on the whole.

도 15는 탄소층이 코팅된 유리기판 기반 전기 에너지 생성 장치들로 생성된 전압을 측정한 데이터이다. 유리기판에서는 면 직물 보다 0.2 V 낮은 전압이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 유리 기판의 경우는 특수한 플라즈마 처리가 이용된 기판이 이용이 되었기 때문에, 일정 수준 (0.2 V)의 개방 전압이 관찰 되었으나, 반복적인 측정에서 점진적으로 특성이 떨어짐을 알 수 있다. 탄소 표면에 산소 플라즈마 처리로 생성된 인위적인 산소 기능기들은 한시적인 친수성 특성을 부여하고 시간이 지남에 따라 특성이 감소되기 때문에, 특수한 처리가 필요한 기판 보다는 면 직물과 같이 친수성이 뛰어나고, 물을 장시간 담지할 수 있는 흡수력이 있어서 더 오랫동안 안정적으로 동작하는 발전기를 제조할 수 있음을 실시예와 비교예 실험을 통해 확인할 수 있다. FIG. 15 is data measuring voltages generated by electrical energy generating devices based on a glass substrate coated with a carbon layer. In the glass substrate, it was confirmed that a voltage of 0.2 V lower than that of the cotton fabric was formed. In the case of a glass substrate, since a substrate using a special plasma treatment was used, an open voltage of a certain level (0.2 V) was observed, but it can be seen that the characteristics gradually decreased in repeated measurement. Artificial oxygen functional groups produced by oxygen plasma treatment on the carbon surface give temporary hydrophilic properties and decrease properties over time, so they have superior hydrophilic properties like cotton fabrics and hold water for a long time than substrates requiring special treatment. It can be confirmed through experiments of Examples and Comparative Examples that it is possible to manufacture a generator that operates stably for a longer time because it has absorbable power.

실시예 3: 케첸블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치를 이용한 LED의 구동Example 3: Driving an LED using a cotton fabric-based electrical energy generating device coated with Ketjen Black

도 16은 상기 케첸블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치의 실제 모습이다. 제작된 케첸블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치의 규격은 물을 효과적으로 흡수하며 비대칭적 적심 상태를 잘 유지할 수 있는 종횡비 3에 해당하는 3 cm (세로) × 9 cm (가로) 크기로 만들어 졌으며, 사용된 면 직물의 두께는 10 μm ~ 1 mm 범위에서 선택하였다. 또한, 케첸블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기에너지 생성 장치는 적층된 구조로 사용될 수 있다. 적층은 최소 2개 이상 최대 200 층 까지도 적층이 가능하며 특정 적층 두께에 제약을 두지 않는다. 적층의 가장 큰 장점은 손쉽게 에너지 밀도를 높일 수 있다는 점이며, 특히 적층된 두 층 사이에 물을 더 포함할 수 있는 여유 공간이 생기기 때문에 적층수가 많아질수록 물의 흡수량이 더 높아져, 더 오래 지속되는 발전기를 제조할 수 있다. 16 is a real view of the electric energy generating device based on the cotton fabric coated with ketjen black. The specifications of the fabricated electric energy generating device based on ketchen black coated cotton fabric are 3 cm (vertical) × 9 cm (horizontal) corresponding to an aspect ratio of 3, which effectively absorbs water and maintains an asymmetrical wet condition. The thickness of the cotton fabric used was selected in the range of 10 μm to 1 mm. In addition, the device for generating electric energy based on a cotton fabric coated with ketjen black may be used in a stacked structure. The lamination can be at least two or up to 200 layers, and there is no restriction on the specific lamination thickness. The biggest advantage of lamination is that it can easily increase the energy density. Especially, the more the number of laminations, the higher the water absorption, the longer it lasts, because there is a free space to contain more water between the two layers. Generators can be manufactured.

도 17은 직렬-적층 구조로 연결된 케첸블랙이 도포된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치에서 발생한 직류 전력으로 1.8 V의 구동 전압과 20 mA의 최대 정격 전류를 갖는 발광 다이오드 (LED)를 정류 회로 없이 직접 연결하여 구동하는 사진을 보여준다. 4개의 적층 연결된 에너지 생성 장치 6개를 다시 직렬 연결하여 발광 다이오드의 밝기를 최대화 하였다. 총 24개의 탄소층 (케첸블랙)-친수성 섬유 멤브레인이 사용되었으며, 단순히 12 ml의 물을 떨어뜨리는 행위만을 통해서 mW 이상의 전력이 필요한 발광 다이오드를 최대 2시간 이상 구동하였다. FIG. 17 is a direct current generated by a chenchen black coated cotton fabric-based electrical energy generating device connected in a series-stacked structure, wherein a light emitting diode (LED) having a driving voltage of 1.8 V and a maximum rated current of 20 mA is directly without a rectifying circuit. Shows a photo that is connected and driven. The six stacked connected energy generating devices were again connected in series to maximize the brightness of the light emitting diodes. A total of 24 carbon layers (Ketchen Black)-hydrophilic fiber membranes were used, and the light emitting diodes that required more than mW of power were driven for at least 2 hours by simply dropping 12 ml of water.

실시예 4: 케첸블랙이 코팅된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치를 이용하여 수퍼캐패시터에 에너지를 충전하고 충전된 에너지를 이용한 전기 선풍기의 구동Example 4: Using a Ketchen Black coated cotton fabric-based electrical energy generating device to charge energy to the supercapacitor and drive the electric fan using the charged energy

도 18은 직렬-적층 구조로 연결된 케첸블랙이 도포된 면 직물 기반 전기 에너지 생성 장치를 옷에 부착하여 직류 전력을 발생시켰다. 3개의 적층 연결된 에너지 생성 장치 3개를 다시 직렬 연결하여 10 F 수퍼캐패시터를 0.85 V까지 충전하였다. 그리고, 충전을 완료시킨 수퍼캐패시터에 케첸블랙이 도포된 코튼 멤브레인 기반 전기 에너지 생성 장치들의 극을 반대로 연결하여, 인위적으로 0 V까지 방전시켰다. 케첸블랙이 도포된 코튼 멤브레인 발전기로 충전된 수퍼캐패시터는 10.8 mW의 모터를 성공적으로 40초 동안 성공적으로 구동 시켰다. 실생활에서 쉽게 구할 수 있는 천과 탄소를 통해 에너지 생성 장치를 제작하고, 단순한 물을 떨어뜨리는 행위를 통해 지속적으로 전기 에너지를 장시간 쉽게 생성 및 저장 가능한 결과를 확인할 수 있다. Figure 18 is attached to a cloth-based electrical energy generating device coated with ketjen black connected in series-laminated structure to generate DC power. Three stacked connected energy generating devices were again connected in series to charge a 10 F supercapacitor to 0.85 V. Then, the poles of the electric energy generating devices based on cotton membrane coated with Ketjen Black were reversely connected to the supercapacitor that had been charged, and artificially discharged to 0 V. A supercapacitor charged with a Ketchen Black-coated cotton membrane generator successfully ran a 10.8 mW motor for 40 seconds. It is possible to check the result of making and storing energy easily and continuously for a long time through the act of simply dropping water by making an energy generating device using cloth and carbon, which are readily available in real life.

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 skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain them, 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 spirits within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims

흡착 물질이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인
을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전기.Hydrophilic fiber membrane coated with adsorbent
Composite generator comprising a.