Effect of the Conformation Changes of Polyelectrolytes on Organic Thermoelectric Performances

최경후,손지훈,박용태,조중상,조충연 한국고분자학회 2020 Macromolecular Research Vol.28 No.11

The relationship between the conformation of a polyelectrolyte and the performance of organic thermoelectric multilayers was studied. The conformational change of a weak polyelectrolyte via controlling assembling pH gave rise to a different thermoelectric behaviour in thin films. Organic thermoelectric multilayers were fabricated by alternately depositing bilayers (BL) of a positively-charged polyaniline (PANi) and multiwalled carbon nanotubes (MWNT), stabilized in poly(acrylic acid) (PAA), via a layer-by-layer assembly technique. The electrical conductivity and Seebeck coefficient of PANi/MWNT-PAA nanocomposites were measured by varying assembly pH of PAA solutions. Altering the deposition pH of PAA resulted in different thermoelectric performances. A 40 BL thin film (~210 nm thick) of PANi/MWNT-PAA assembled at pH 2.5/6.5 exhibited electrical conductivity of 95.2 S/cm and a Seebeck coefficient of 35 μV/K. This translates to a power factor of 11.7 μW/m∙K2, which is 50 times higher than that of the same film with all components deposited at pH 2.5. Enhancement of thermoelectric behaviour in PANi/MWNT-PAA nanocomposites is attributed to a conjugated π-π network, together with a tightly packed nanostructure.

신설 전문연구회 위원장 인터뷰: 에너지 하벤스팅 전문연구회

최경후 한국전기전자재료학회 2024 전기전자재료 Vol.37 No.2

항공우주 분야에 적용 가능한 에너지 하베스팅 기술

최경후(Kyungwho Choi) 한국추진공학회 2021 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5

집중 태양열에 의한 온도구배가 열전발전모듈의 출력 성능에 미치는 영향

최경후(Kyungwho Choi),안다훈(Dahoon Ahn),부준홍(Joon Hong Boo) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.10

일반적으로 열전발전 소자를 사용하여 에너지 하베스팅을 하는 경우, 시스템의 작동환경에 의해 주어지는 온도구배를 활용하게 된다. 따라서 열전소자의 특성상 큰 온도구배를 기대하기 어려운 작동환경에서는 원하는 출력을 얻을 수 없으며, 작동 온도가 높을 때 얻어지게 되는 최적의 발전효율을 기대하기 힘들다. 자연환경에서 얻을 수 있는 태양에너지를 활용한 신재생 에너지의 활용은 그 동안 태양광발전이나 태양열발전에 국한되어 왔다. 태양광발전은 태양광의 일정 파장대만 사용하고 빛의 산란에 의해 발전효율이 낮아지는 단점이 있으며, 태양열발전은 일반적으로 대규모 설비를 갖춰야 하는 공간상의 제약이 있다. 본 연구에서는 태양열을 집광하여 열전소자에 조사함으로서 큰 온도구배를 형성하여 상용 열전소자의 출력을 향상시킬 수 있는 간단한 소형 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 장시간 태양열 집중을 위해 태양 추적 장치를 설치하였으며, 열전소자 하부에 고온의 태양열이 전달되어 온도 편차가 줄어드는 현상을 막기 위해 액체 순환식 냉각기를 설치하여 큰 온도구배를 유지할 수 있도록 설계한 후, 일련의 실험으로 시험하여 그 유용성과 타당성을 검증하였다. Energy harvesting through a thermoelectric module normally makes use of the temperature gradient in the system"s operational environment. Therefore, it is difficult to obtain the desired output power when the system is subjected to an environment in which a low temperature gradient is generated across the module, because the power generation efficiency of the thermoelectric device is not optimized. The utilization of solar energy, which is a form of renewable energy abundant in nature, has mostly been limited to photovoltaic solar cells and solar thermal energy generation. However, photovoltaic power generation is capable of utilizing only a narrow wavelength band from the sunlight and, thus, the power generation efficiency might be lowered by light scattering. In the case of solar thermal energy generation, the system usually requires large-scale facilities. In this study, a simple and small size thermoelectric power generation system with a solar concentrator was designed to create a large temperature gradient for enhanced performance. A solar tracking system was used to concentrate the solar thermal energy during the experiments and a liquid circulating chiller was installed to maintain a large temperature gradient in order to avoid heat transfer to the bottom of the thermoelectric module. Then, the setup was tested through a series of experiments and the performance of the system was analyzed for the purpose of evaluating its feasibility and validity.

철도차량 차축 베어링 발열부의 열전발전 적용에 대한 기초연구

최경후(Kyungwho Choi),김재훈(Jaehoon Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.4

철도차량의 안정성과 신뢰성을 위해 상시 자가진단 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 통상적으로 이러한 모니터링 시스템에는 유선 센서가 쓰여 왔는데, 설치 장소의 제약이 적은 무선 센서의 활용과 유지보수의 문제를 위해서는 무선 센서의 전원 문제를 해결하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 고속으로 주행하는 차량 주변의 에너지를 활용하여 친환경적이면서 반영구적인 자가 발전의 방편으로 열전 발전의 적용성을 검토하였다. 차량의 주행 조건에 따라 열전 발전 모듈이 설치될 차축 베어링 커버의 온도 차이에 대한 측정이 먼저 이루어졌고, 여기에 상용 열전 소자 모듈을 장착하여 그 성능을 테스트하였다. 주어진 조건에서 출력을 높이기 위해 부하 저항 및 열전 소자 전용 회로를 적용하여 효과를 분석한 결과, 저온부의 효과적인 냉각 및 열손실의 최소화를 통해 열전 발전을 통한 무선 센서 전원 공급이 가능할 것으로 판단된다. There has been intense research on self-diagnosis systems in railway applications, since stability and reliability have become more and more significant issues. Wired sensors have been widely used in the railway vehicles, but because of the difficulty in their maintenance and accessibility, they ar not considered for self-diagnosis systems. To have a self-monitoring system, wireless data transmission and self-powered sensors are required. For this purpose, a thermoelectric energy harvesting module that can generate electricity from temperature gradient between the bogie axle box and ambient environment was introduced in this work. The temperature gradient was measured under actual operation conditions, and the behavior of the thermoelectric module with an external load resistance and booster circuits was studied. The proposed energy harvesting system can be applied for wireless sensor nodes in railroad vehicles with optimization of thermal management.

압전 페인트 센서를 활용한 충격 모니터링 활용 방안

최경후(Kyungwho Choi),강동훈(Donghoon Kang),박승복(Seung-Bok Park),강래형(Lae-Hyong Kang) 한국비파괴검사학회 2015 한국비파괴검사학회지 Vol.35 No.5

압전 페인트 센서는 압전 세라믹의 주성분인 압전 파우더와 에폭시의 결합으로 이루어진 페인트형 센서이다. 이 센서는 일반 페인트와 같이 구조물에 도포되기 때문에 다른 어느 센서보다 구조물에 부착이 용이하다. 본 연구에서는 압전 페인트센서가 도포된 구조물의 충격 감지 정도를 판단하고자 하였다. 특히, 철도차량을 대상으로 연구를 진행하고자 하였다. 철도차량 운용 중에 발생하는 자갈 비산으로 인해 발생하는 충격손상이 많이 보고되고 있고, 이러한 충격손상을 방지하고자 차량 하부구조물 전체 표면에 발생하는 충격신호를 실시간으로 감지할 필요가 있다. 철도차량이 운행되는 환경을 고려하여 압전 페인트시편을 -20~60℃의 열사이클 환경에 노출시켜 센서의 감도 변화를 측정하였다. 알루미늄 시편에 압전 페인트센서를 도포하여 감도 측정을 수행한 결과, 열사이클 환경 전후에 감도 차이가 크지 않음을 확인하였고 이를 통해 환경 노출 후에도 압전 페인트센서로 충격 감지가 가능함을 확인하였다. The piezoelectric paint sensor is a paint type sensor comprising of an epoxy and piezoelectric powder, which is the main component of a piezoelectric material. This sensor can be easily attached to any type of structure as compared to other sensors because it is viable to directly apply it on structures, as in the case with a typical paint. In this study, the capability of piezoelectric paint sensor for impact detection was evaluated. In Particular, the applications of the piezoelectric paint sensor for railroad vehicles were considered. There have been various cases reported about the damages caused by flying gravel to the under-cover of the railroad vehicle during operation. In order to prevent this, real-time monitoring of the large under-cover surface of the railroad vehicle is unavoidable. Under the assumption of vehicle application, sensor sensitivities were measured after multiple and prolonged exposure to thermal cycle environment (-20~60℃). Sensitivity evaluation of paint sensor under environmental conditions was conducted in an aluminum specimen. In results, despite the small variations in sensitivity, we could confirm the applicability of this paint sensor for impact detection even after a severe environmental exposure test.

탄소나노튜브 기반 다층박막코팅의 난연성 향상 분석

최경후(Kyungwho Choi),권태순(Tae-Soon Kwon),김진홍(Jinhong Kim),윤세희(Sehui Yun),조중상(Jung Sang Cho),박용태(Yong Tae Park),류지현(Jihyun Ryu),조충연(Chungyeon Cho) 한국고분자학회 2021 폴리머 Vol.45 No.1

본 연구에서는 다층박막적층 방식을 통해 고분자복합소재를 제조하여 박막필름의 물리적 성질과 난연 특성을 분석하였다. 키토산-카테콜(CH-C)과 몬모릴로나이트(MMT)를 교대로 적층하여 CH-C/MMT를 제조하였고 소수성탄소나노재료인 탄소나노튜브(CNT)를 MMT 수용액에서 안정화시킨 후 다층박막 방식을 이용하여 CH-C/CNTMMT를 제작하였다. 두 시스템 모두 적층횟수에 따라 필름 두께가 선형적으로 증가하는 특성을 보였으며 주사탐침 현미경(AFM)과 주사전자 현미경(SEM) 분석을 통해 나노스케일의 MMT와 CNT 구조를 확인할 수 있었다. 수직/수평 화염 테스트와 콘 칼로리미터 분석을 통해 복합소재의 난연성을 확인할 수 있었다. 층상 무기물인 MMT에 의해 연소 시 char가 형성되어 연소를 방해하고 이를 통해 면직물과 PU 폼에 대한 난연성이 부여되었다. 나아가, 탄소나노재료인 CNT의 첨가를 통해 MMT와 CNT간 상호인력과 CNT의 높은 열적 안정성으로 인해 CH-C/CNT-MMT의 난연성이 더욱 향상되었다. The polymer nanocomposites were prepared via layer-by-layer assembly and their physical and flame retardancy were analyzed. Chitosan-catechol (CH-C)/montmorillonite (MMT) thin films were fabricated by alternately depositing positively charged CH-C and negatively charged MMT in an aqueous solution. CH-C/carbon nanotube (CNT)- MMT nanocomposites were assembled with the CNT stabilized in MMT aqueous solutions. Both polymer nanocomposites exhibited that the film thickness increased linearly with the number of layers deposited, and that nano-scaled MMT and CNT structures were visualized using atomic force microscopy (AFM) and scanning electronic microscope (SEM). The flame retardancy of CH-C/MMT and CH-C/CNT-MMT assemblies were confirmed by vertical/horizontal flame tests and cone calorimeter. Layered inorganic MMT creates the char upon the flame, which impedes combustion and consequently imparts flame retardancy. By introducing CNT into the nanocomposites, the flame retarding characteristics in CH-C/CNT-MMT films were further improved, which is most likely due to the strong interaction between MMT and CNT and high thermal stability of CNT.

모니터링 센서를 위한 고분자 열전소자 성능개선에 대한 기초연구

최경후(K. Choi),김재철(J. C. Kim) 한국정밀공학회 2014 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2014 No.10월

열차 주행 폐에너지를 활용한 열전모듈의 출력성능 검증

최경후(K. Choi),안다훈(D. Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2019 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2019 No.5월

열전소재의 성능지수 측정법

최경후(Kyungwho Choi),강동훈(Donghoon Kang) 한국비파괴검사학회 2017 한국비파괴검사학회지 Vol.37 No.3