증산 구동형 전기동역학적 에너지 발전용 고효율 양친화성 탄소 나노섬유 소자 개발 = High-efficiency amphiphilic carbon nanofiber energy device for transpiration-driven electrokinetic power generation

국문 초록 (Abstract)

아주 소량의 물을 이용해 전기를 생산하는 수력 기반 나노 발전 (hydroelectric nanogenerator) 기술은 구조적 단순성과 환경 친화성으로 주 목받고 있으나, 낮은 에너지 변환 효율과 짧은 구동 시간으로 실용화에 한 계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 부분 질산 처리된 탄소나노섬유(Hemi-N-CNF)를 적용한 증산 구동 전기동역학적 발전기(TEPG) 를 제안한다. Hemi-N-CNF는 시트의 절반만 질산 처리하여 친수성 기능기를 도입함으로써 친수성과 소수성이 공존하는 양친매성(amphiphilic) 구조를 갖 는다. 이러한 비대칭 표면 특성은 물의 흡수·이동·증발 과정에서 젖은 영 역과 건조 영역 간 전위차를 크게 증가시키고, 전기이중층 형성과 이온 이 동을 안정적으로 유지해 에너지 생성 효율을 향상시킨다. 그 결과, 본 연구 의 Hemi-N-CNF 기반 TEPG는 외부 에너지 개입 없이 자연증산만으로 21일 이상 연속 동작하였으며, 최대 전력 196.8 μW와 에너지 밀도 57.5 mWh cm–3를 기록하였다. 이는 Hemi-N-CNF의 양친매성 구조가 장기 구동성과 출 력 향상에 효과적임을 보여준다. 본 연구는 친수성/소수성 비대칭 표면 설계가 TEPG 성능 향상의 핵심 요 소임을 규명하였으며, 향후 자가발전 센서 및 저전력 IoT 기반 에너지 하베 스팅 기술로의 응용 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hydroelectric nanogenerators that generate electricity using minimal water have gained attention for their simplicity and environmental friendliness, while their practical use is limited by low efficiency and short operating lifetimes. In this study, we introduce a transpiration-driven electrokinetic power generator (TEPG) based on partially nitric acid–treated carbon nanofiber (Hemi-N-CNF). By treating only half of the CNF sheets, Hemi-N-CNF develop an amphiphilic surface with coexisting hydrophilic and hydrophobic regions. This asymmetric structure enhances the potential difference between wet and dry areas and stabilizes electrical double-layer formation, thereby improving energy harvesting efficiency. The Hemi-N-CNF TEPG operated continuously for over 21 days without external energy input, achieving a maximum power of 196.8 μW and an energy density of 57.5 mWh cm–3 . These results demonstrate that amphiphilic surface engineering effectively improves both durability and output performance. This study highlights the potential of Hemi-N-CNF–based TEPG for self-powered sensors and low-power IoT energy-harvesting applications.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 국문초록 ⅴ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 연구 동향 및 의의 2
• 제3절 연구 목적 및 과정 4
• 제2장 TEPG 작동 원리와 실험 설계 5
• 제1절 TEPG 에너지 생산 원리 5
• 제2절 실험 방법 및 설계 6
• 1. 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNF) 제조6
• 2. N-CNF, Hemi-N-CNF 제조 7
• 3. 물성 평가7
• 4. TEPG 성능 평가 7
• 5. 인공 해수(artificial seawater) 제조 8
• 제3절 질산처리에 따른 탄소나노섬유의 화학적 개질 9
• 제3장 결과 및 고찰 12
• 제1절 물성 분석 12
• 1. Scanning electron microscopy(SEM) 12
• 2. X-ray diffraction(XRD) & Raman spectroscopy 14
• 3. Elemental analysis(EA) 16
• 4. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 20
• 제2절 TEPG 성능 평가 22
• 1. 초순수(DI water) 낙하에 의한 TEPG 성능 22
• 2. 해수(Sea water) 낙하에 의한 TEPG 성능 27
• 3. 해수(Sea water) 담금에 의한 장시간 TEPG 성능 평가 30
• 제4장 결론 32
• 참고문헌 33
• ABSTRACT 37