Demonstration and mechanism analysis of energy conversion device (ionovoltaic device) driven by water (electrolyte) movement :

박준우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박준우 (서울대학교, 서울대학교 대학원)

발행연도: 2018

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이용수2

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

Identification of operation principle and ion specificity of energy conversion device (ionovoltaic device) driven by droplet flow

박준우 , 양영준 , 윤선근 외 1명 한국진공학회 학술발표회초록집 2018.02 학술대회자료

Demonstration and mechanism analysis of energy conversion device (ionovoltaic device) driven by water (electrolyte) movement

박준우 융합과학부 2018.01 학위논문

2017

Development and mechanism analysis of energy conversion device driven by flowing water droplet on electrolyte-insulator-semiconductor structure

박준우 , 양영준 , 윤선근 외 1명 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2017.10 학술대회자료

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최근, 액체와 고체 표면의 접촉에서 전기 신호가 발생하는 현상은 많은 관심을 받았다. 이 현상을 이용한 에너지 전환 소자를 개발하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 하지만 제시된 소자를 실용적으로 사용하기에 출력 에너지 밀도가 낮고, 복잡한 공정이 필요하며, 구동이 인위적이다 (예시: 미세유체소자, 외부전원, 빠른 진동). 더욱이, 밝혀지지 않은 소자의 구동 원리는 소자 성능의 발전을 가로막고 있다. 여기에서, 이 학위 연구는 2가지 사안을 다룬다.
첫째, 기존의 한계를 뛰어 넘어, 물의 움직임으로 구동되는 실용적인 에너지 전환 소자를 구현하고자 한다. 여기에서 실용적으로 사용될 수 있는 소자는, (1) 제작이 값싸고 간단하며, (2) 소자 구조가 간단하고 안정적이고 확장성이 있으며, (3) 다양한 자연의 물의 움직임(비, 파도)으로 에너지 생성이 가능하며, (4) 에너지 전환 효율이 높은 소자를 말한다. 우리는 간단하고 값싸고 안정적이고 확장성 있는, 물의 움직임으로 구동되는 에너지 전환 소자를 만드는데 성공하였다. 특히, 우리는 물방울 흐름으로 구동하는, 수돗물 한 방울(30 μl)로 LED를 점등하는, 능동 형 에너지 전환 소자를 최초로 구현하였다. 개발된 박막 형 에너지 전환 소자는 외부 전원이나 모터와 같은 구동 장치 없이 동작한다. 또한, 전해질 ? 절연 층 ? 반도체 구조를 소자의 구조로 도입함으로써, 물방울의 운동에너지의 29.8%에 달하는 전기에너지를 연속적으로 발생하는 소자를 구현하였다. 이 소자는 근본적으로 이온에 의해 구동되는 소자이기에, 이 에너지 전환 소자를 ‘ionovoltaic device’라 명명하였다.
둘째, 액체와 고체 표면의 접촉이 전기 신호를 발생하는 현상의 원리를 분자 수준에서 설명하고자 한다. 본 현상은 이전에 보고된 바가 없기에, 우리는 원리를 규명하기 위해 다양한 방법을 고려하였다. 액체의 표면에 대한 실험적 특성 평가가 어렵다는 점이 구동 원리를 규명하는데 가장 큰 장애물이다. 이 학위 연구에서, 상호 보완적인 이론, 실험, 컴퓨터 시뮬레이션을 총체적으로 사용하여 본 현상을 설명하는 가설을 제시하고 검증하였다.

Recently, the phenomenon that electric signals are generated through the contact of a liquid with a solid surface has received an amount of attention. Numerous studies to develop energy conversion devices using the phenomenon have been conducted. However, the proposed devices have a low output energy density, a complicated fabrication process, and an artificial operation condition (e.g. microfluidics, external source, and fast vibration) for practical usage. Moreover, the development of the device performance was impeded by the unrevealed working principle of the device. Here, this thesis focuses on two issues.
First is, beyond the conventional limitations, to demonstrate a practical energy conversion device driven by water movement. Here, a device that can be practically used refers to a device that (i) is simple and inexpensive in fabrication process, (ii) is simple, stable, and scalable in device structure, (iii) can generate energy with various natural water movements (e.g. rain, wave) in operation mode, (iv) operates actively (beyond passive property) in operation condition, and (v) has a high energy conversion efficiency in performance. We demonstrated simple, inexpensive, stable, and scalable energy conversion device driven by natural water movement, such as rain, wave, and vibration. The proposed thin-film energy conversion device was operated without an external source or a massive equipment. Further, by introducing an electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structure as a device structure, the ratio of generated electric energy to the kinetic energy of water droplet (Eout/Ek) reaches 29.8 %. Eout and Ek are the output electrical energy and the kinetic energy of water droplet, respectively. Because the device was fundamental driven by ion dynamics near solid-liquid interface. We call the energy conversion device an ‘ionovoltaic device’.
Second is to elucidate the origin of interfacial phenomena in which electric energy is generated by the contact of a liquid with a solid surface at molecular level. The phenomenon we have observed has not been previously reported, so we had to contemplate various methodologies to figure out the origin. The difficulty in identifying the origin is that the difficulties of experimental characterization of the ionovoltaic device because experimental measurements probing liquid surfaces require more demanding conditions than solid surfaces. With the complementary theory, experiments, and computer simulation as a whole, we verified our hypothesis about the phenomenon.

#에너지 전환 소자 #고체-액체 계면 #계면 과학 #물 움직임 #Energy conversion device #solid-liquid interface #ionovoltaic device #interface science

Chapter 1. Introduction 1
1.1 Overview 1
1.2 References 2
Chapter 2. Water movement-induced electric signals 3
2.1 Introduction 3
2.2 Device demonstration: signals from natural water movement 4
2.2.1 rain 4
2.2.2 wave 7
2.2.3 vibration 9
2.3 Conclusion 11
2.4 Experimental details 11
2.5 References 13
Chapter 3. Approaching the working principle 15
3.1 Introduction 15
3.2 Device fabrication and performance 15
3.3 Hypotheses of working principle . 19
3.4 Results and discussion 21
3.4.1 Influence of surface properties 21
3.4.2 Influence of ionic properties 23
3.4.3 Scale-up potential 28
3.5 Conclusion 30
3.6 References 31
Chapter 4. Ionovoltaic device 35
4.1 Introduction 35
4.2 Pulsed electric signal to renewable energy 36
4.2.1 Charge accumulation by cation adsorption 36
4.2.2 Device demonstration 39
4.3 Theory of ionovoltaic device 43
4.3.1 Characteristic equation 43
4.3.2 Experimental verification 48
4.3.3 Influence of potential profile 50
4.4 Conclusion 54
4.5 Experimental details 54
4.6 References 58
Chapter 5. Horizontal to vertical measurement 63
5.1 Introduction 63
5.2 Device demonstration 65
5.3 Device analysis 68
5.4 Ionic properties 74
5.4.1 Ion species 74
5.4.2 Ion concentration 75
5.5 Applications 78
5.6 Conclusion 81
5.7 Experimental details 81
5.8 References 83
Chapter 6. Ion specificity 87
6.1 Introduction 87
6.2 Device fabrication and performance 88
6.3 Ion specificity on performance 91
6.4 Principle Analysis 94
6.4.1 F-d curve in liquid 94
6.4.2 Potential profile 97
6.4.3 DFT calculations 99
6.5 Conclusion 100
6.6 Experimental details 101
6.7 References 104
Chapter 7. Conclusion and future works 109
Appendix 111
List of publications 111
List of patents 113
List of conference presentation 114
초록 (국문) 116

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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