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최근 새로운 에너지 공급 시스템인 Triboelectric nanogenerator(TENG)는 휴대용 전자기기를 위한 유용한 자가발전 전력 공급 장치로써 제시되고 있다. 사람들의 생활 에서 신체 활동으로부터 발생하는 기계적 에너지는 사용되지 못하고 자연스럽게 사라진다. 이러한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환 하기 위해 나노 제네레이터에 대한 연구가 진행되었으며, TENG는 이중 하나이다. TENG로부터 발생되는 전기 에너지를 극대화 시키기 위해 많은 기존 연구에서는 소자의 구조 및 표면에 변형을 주어 출력 에너지를 향상 시켜왔다. 하지만 이러한 접근으로 TENG 소자는 높은 두께를 지닐 뿐 아니라 bulk 형태로 구현 됨으로써 높은 stiffness를 야기 시킨다. 따라서 기존 논문에서 구조적 제약과 두께의 한계로 인하여, 웨어러블 및 인체 부착 형 소자로의 구현이 불가능하다. 본 논문에선 이러한 한계에서 ...

최근 새로운 에너지 공급 시스템인 Triboelectric nanogenerator(TENG)는 휴대용 전자기기를 위한 유용한 자가발전 전력 공급 장치로써 제시되고 있다. 사람들의 생활 에서 신체 활동으로부터 발생하는 기계적 에너지는 사용되지 못하고 자연스럽게 사라진다. 이러한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환 하기 위해 나노 제네레이터에 대한 연구가 진행되었으며, TENG는 이중 하나이다. TENG로부터 발생되는 전기 에너지를 극대화 시키기 위해 많은 기존 연구에서는 소자의 구조 및 표면에 변형을 주어 출력 에너지를 향상 시켜왔다. 하지만 이러한 접근으로 TENG 소자는 높은 두께를 지닐 뿐 아니라 bulk 형태로 구현 됨으로써 높은 stiffness를 야기 시킨다. 따라서 기존 논문에서 구조적 제약과 두께의 한계로 인하여, 웨어러블 및 인체 부착 형 소자로의 구현이 불가능하다. 본 논문에선 이러한 한계에서 벗어나기 위해서 낮은 young’ modulus와 낮은 질량을 갖는 물질을 이용해 TENG소자를 총 2m 두께로 구현했으며, 두께 조절로 소자의 stiffness를 제어하여 굴곡진 피부 위에 conformal 하게 부착할 수 있는 Conformal TENG를 구현했다. 이러한 Conformal TENG의 기계적 특성을 극대화 시켜 소자의 높은 stiffness로부터 야기될 수 있는 피부의 자극이나 이물감을 완전히 제거하고 사람의 움직임, 외부의 압력에도 소자를 인지 할 수 없는 인체 부착 형 자가발전 시스템을 구현했다. 출력 에너지를 향상시키기 위해 기존 방법에서 벗어나 Conformal TENG에 적용가능 한 O2 plasma 와SF6 plasma를 순차적으로 처리하면서, 소자 표면 위에 나노 구조체를 형성 하고 Fluor 원자로 기능화를 형성했다. 이 처리기법을 통해 Conformal TENG의 출력 전압을 11배 이상 향상시켰으며, 기존 보고된 TENG 와 비교 할 수 있는 전기 에너지를 공급 할 수 있다. 신체 피부 위에 전사된 Conformal TENG를 응용하기 위해, 신체 움직임으로 옷과 마찰시키고 이로부터 발생하는 전기 에너지를 실제 외부 소자 LED에 공급하고 소자가 동작하는 것을 확인했다. 또한 접촉 면적에 따라 출력 전압을 제어 할 수 있는 TENG 소자의 특성을 적용시켜, 손가락 개수로 Conformal TENG 소자와 접촉되는 면적을 조절하고 출력 전압을 제어하여 morse code를 모방한 통신 시스템을 구축했다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent progresses in electronic industries are heading toward the human-friendly interfaces represented by the wearable electronics. For this purpose, the electronic systems are following the general trend of developing miniaturization, portability, and flexibility. Most of these components such as ...

Recent progresses in electronic industries are heading toward the human-friendly interfaces represented by the wearable electronics. For this purpose, the electronic systems are following the general trend of developing miniaturization, portability, and flexibility. Most of these components such as processors and memories have already been successfully miniaturized and integrated into wearable electronic system. However, scaling down the battery, the one of the most important components to operate electronic system, is still challenging due to its linear correlation of the capacity to the value of surface/volume. Therefore, novel power system for wearable electronics is highly recommended for the wearable/embedded electronics. Recently, a energy harvester named triboelectric nanogenerator (TENG) has been demonstrated to be usable energy source for powering portable electronics and self-powered system. In this study, we demonstrate the conformal TENG with extremely reduced total thickness less than 3μm to reduce the stiffness of device. Additionally we approach a novel technique to modify the TENG surface and strengthen its output performance via the oxygen and fluorine plasma treatment. Conformal TENG consist of graphene as electrode which has good optical and mechanical property and PDMS as negative type electrification material with 2.8μm thickness has been fabricated, using the wearable material like the hand, gloves and fabric as positive type electrification material. As a result, very thin TENG is possible to contact on the curved human skin in conformal manner. In addition, O2 plasma treatment has been performed to form the nano scale roughness (~17 nm) which increases the PDMS surface instead of microstructure pattern. Consequently, PDMS surface is treated by the SF6 plasma to enhance the output performance by forming the fluorine functionalization. After the optimization of both O2 and SF6 plasma treatment, the TENG performance is enhanced by about eleven times.

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