버섯 폐골목 유래 바이오차 기반 수분확산 에너지 수확장치의 코발트 혼합 및 PVA 코팅에 따른 성능 향상

황현오1*, 최준원1

(1서울대학교 국제농업기술대학원)

Biochar-based moisture-diffusion energy harvesters enhanced by cobalt mixing and PVA coating

Hyeonoh Hwang1*, Joon Weon Choi1

(1Graduate School of International Agricultural Technology, Seoul National University)

요약: 본 연구에서는 버섯재배 후 폐기된 참나무 골목(Oak Mushroom Logwood, OML) 유래 바이오차 기반 수분확산 에너지 수확장치(MDEH)의 성능 향상을 위해 코발트(Co) 혼합과 폴리비닐알코올(PVA) 코팅을 적용하였다. 최적화된 바이오차 (5분 밀링, 5 M HNO₃ 3 h)를 전극 소재로 사용하고 Co를 5–20 wt% 범위에서 도입해 전하 전달 경로와 계면 전하 활성도를 강화하였다. 그 결과 Co20 조건에서 단일 소자 단락전류(Isc)가 18.7 ± 4.7 μA에서 44.1 ± 0.4 μA로 증가했고, 개방전압(Voc)도 333 ± 7 mV에서 368 ± 15 mV로 향상되어 Co 혼합이 전류 출력을 크게 개선함을 확인하였다. 또한 9 wt% PVA를 1–4 mL로 단계 코팅하여 젖음 동역학과 수분 구배를 제어하였다. 무코팅 시편은 4 cm 젖음이 약 3 s 내 완료된 반면, PVA 코팅 시 17–45 s로 지연되어 PVA가 수분 유입 속도를 완충·조절함을 보였다. 전기적 성능에서는 PVA-2ml에서 Isc 39.2 ± 0.7 μA와 Voc 572 ± 22 mV로 가장 우수한 균형 성능을 달성하였다.

Abstract: In this work, we improved the output of moisture-diffusion energy harvesters (MDEHs) made from oak mushroom logwood (OML)–derived biochar by combining cobalt (Co) mixing with a poly(vinyl alcohol) (PVA) coating. The base electrode was prepared from structure-optimized OML biochar (KOH activation at 700 °C, 5 min dry milling, and 5 M HNO₃ oxidation for 3 h). Co was then added at 5–20 wt% to enhance charge transport and interfacial activity. With 20 wt% Co, the short-circuit current (Isc) increased from 18.7 ± 4.7 to 44.1 ± 0.4 µA, and the open-circuit voltage (Voc) rose from 333 ± 7 to 368 ± 15 mV, showing that Co mainly boosts current generation. To control moisture movement and maintain a stable moisture gradient, we drop-coated a 9 wt% PVA solution (1–4 mL). The wetting time over 4 cm slowed from ~3 s (uncoated) to 17–45 s after PVA coating, indicating that PVA moderates capillary infiltration by acting as a moisture-buffering layer. Electrical measurements also showed a coating-level trade-off between current and voltage. An intermediate coating (PVA2) gave the best overall performance with Isc of 39.2 ± 0.7 µA and Voc of 572 ± 22 mV.

Keywords: bio-char, KOH catalyst, moisture diffusion energy harvesting

사사: 본 연구는 산림청 목재자원의 고부가가치 첨단화 기술개발 (No. 2023483A00-2325-AA01)의 지원에 의해 이루어진 것임.