[논문]역전기습윤현상을 이용한 소형 에너지 수확장치

조진현; 김길연; 최상백; 전태준; 김선민

doi:10.5293/kfma.2015.18.6.027

역전기습윤현상을 이용한 소형 에너지 수확장치
Micro Energy Harvesting System Based On Reverse Electro Wetting On Dielectric (REWOD) 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.6, 2015년, pp.27 - 30

조진현 (삼성전자 영상디스플레이 사업부) , 김길연 (인하대학교 기계공학과) , 최상백 (인하대학교 생명공학과) , 전태준 (인하대학교 생명공학과) , 김선민 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we attempted to harvest energy using water droplet based on Reverse Electro Wetting On Dielectric (REWOD) phenomenon between water droplet and dielectric surface without external bias. REWOD device can be fabricated via simple coating process, which is highly economic and easy. We believe that our system is well-suited for IoT(Internet of Things) embedded electronics that require low but consistent electricity. Moreover, our device can be integrated with window to generate electricity upon raindrops.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

Poly(4-vinyl phenol), Poly(melamine-co-formaldehyde) methylated, Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA)를 무게비 2 : 1 : 17로 혼합한 후, 전극 코팅된 시편위에 스핀코팅을 하였다. 스핀코팅은 3000 rpm에서 35초간 진행하였다.
REWOD장치의 전극을 각각 전압측정장치(VersaSTAT4, Princeton Applied Research)의 양극과 음극에 연결하였다. REWOD장치를 설치한 후, 주사기펌프로 물방울을 떨어뜨려주면서 전압측정장치에 표시되는 전위차를 컴퓨터로 기록하였다.
주사기펌프(Syringe pump)를 이용하여 60 μl 의 물방울을 만들도록 설정한 후 REWOD장치 위 약 30 cm에서 물방울을 떨어뜨렸다. REWOD장치와 물방울의 높이 또한 물방울의 속도와 관련이 있고 너무 높은 곳에서 떨어뜨릴 경우 속도가 너무 증가하여 물방울이 REWOD장치와 만나는 순간 부서져 REWOD장치의 전극 위를 제대로 흐르지 못하는 경우가 발생할 수 있기 때문에 물방울이 부서지지 않을 높이에서 실험을 진행하였다.
REWOD장치의 전극을 각각 전압측정장치(VersaSTAT4, Princeton Applied Research)의 양극과 음극에 연결하였다. REWOD장치를 설치한 후, 주사기펌프로 물방울을 떨어뜨려주면서 전압측정장치에 표시되는 전위차를 컴퓨터로 기록하였다.
Gold sputtering machine은 전체 면적에 금을 흩뿌려주는 기계로 전극모양대로 코팅을 하기 위해서는 마스킹이 필요하다. 마스킹은 레이저 조각기(laser engraving machine)를 이용하여 1 mm 두께 아크릴을 잘라 만들었다. 슬라이드 글라스위에 레이저 조각기로 잘라 만든 아크릴 마스킹을 올려놓은 후, Gold sputtering machine을 이용하여 2분간 금코팅을 하였다.
본 연구에서는 실험용 슬라이드 글라스(Slide glass) 위에 전극, 유전물질층, 소수성층이 차례로 코팅한 REWOD장치를 제작하여 물방울의 움직임을 이용한 에너지 하베스팅을 시도하였다. 본 연구의 REWOD장치는 외부전원이 필요하지 않고, 단순코팅공정을 통해 만들 수 있기 때문에 쉽고 경제적인 장점이 있다.
본 연구에서는 역전기습윤현상을 기반으로, 한 쌍의 전극 위에 유전체물질과 소수성물질을 코팅한 REWOD장치를 제작하였다. 이렇게 제작된 REWOD장치 위로 물방울을 흘려주어 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 시도하였고, 하나의 물방울로 약 4 V의 전위차 발생을 확인하였다.
마스킹은 레이저 조각기(laser engraving machine)를 이용하여 1 mm 두께 아크릴을 잘라 만들었다. 슬라이드 글라스위에 레이저 조각기로 잘라 만든 아크릴 마스킹을 올려놓은 후, Gold sputtering machine을 이용하여 2분간 금코팅을 하였다.
본 연구에서는 역전기습윤현상을 기반으로, 한 쌍의 전극 위에 유전체물질과 소수성물질을 코팅한 REWOD장치를 제작하였다. 이렇게 제작된 REWOD장치 위로 물방울을 흘려주어 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅을 시도하였고, 하나의 물방울로 약 4 V의 전위차 발생을 확인하였다.

대상 데이터

다양한 폴리머가 사용될 수 있으며, 특히 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene), FEP(Fluorinated Ethylene Propylene copolymer)등의 불소계 폴리머들이 많이 사용되어진다.⁽⁵⁾ 본 연구에서는 Poly(4-vinyl phenol)를 유전물질로 사용하였다.
사진에서 가장 아래는 슬라이드 글라스, 그 위로 전극, 유전물질층 그리고 소수성층이 코팅되어 있다. REWOD장치는 가로 25 mm, 세로 75 mm 크기의 슬라이드 글라스를 기반으로 제작되었다. 그 위로 한 쌍의 전극이 코팅되어 있고, Poly(4-vin yl phenol)로 코팅된 유전물질층과 EKG-6015N으로 코팅된 소수성층으로 이루어져 있다.
소수성층 코팅은 나노캅 발수코팅(EKG-6015N)이라는 표면에 나노크기의 돌기를 형성하는 실리카무기계의 상업적 발수코팅 제품을 이용하였다. 제품을 마른 천에 적셔 표면을 문질러 준 후, 안정화를 위해 하루 동안 상온에 보관하였다.

성능/효과

(4) 유전물질 표면이 음전하로 대전됨과 동시에, 유전물질 내부에 서는 유전분극이 일어나고 전극과 닿는 면은 양전하를 띠게된다. 이로 인해 유전물질 아래 전극을 통해 전자의 이동이 일어나 전류가 흐르게 된다.
Fig. 4는 주사기펌프를 이용하여 일정한 간격으로 물방울을 만들어 흘려주었을 때, 물방울의 떨어지는 주기에 따라 전위차가 발생하는 것을 확인할 수 있었고, REWOD장치의 크기나 물방울의 크기 및 개수를 증가시킬 수 있는 가능성이 있음을 보여준다. 또한, 주사기펌프를 통해 일정한 주기로 물방울이 장치에 떨어지므로 이를 통해 전기발생 주기등을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
이 유전분극은 그 유전 물질 아래의 전극에 전자의 흐름을 유도하여 도선에 전기가 흐르게 된다. 물방울이 전극 위를 통과하는 시간은 약 0.1초 였고, 이 때 순간 최대 약 4 V의 전위차를 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 물방울과 전극의 면적의 크기를 변화시키면 더 큰 전위차를 얻을 수 있다.

후속연구

아직은 그 출력이 약해 실용화하긴 어렵겠지만, 전극배열의 설계와 유전물질과 소수성물질에 대한 연구를 통해 출력이 향상된다면, 현재 주목받고 있는 IOT, 센서기술, 웨어러블 장비와 같은 특히 전력소비가 크진 않지만 지속적으로 전력공급이 필요한 전자장비들에 배터리를 대신해 전원공급장치로의 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	REWOD현상이란 무엇인가?	역전기습윤현상(Reverse electro wetting on dielectric, REWOD)은 물과 같은 극성물질이 폴리머(Polymer)와 같은 유전물질(Dielectric materials)과 접할 때, 물은 평소에 전하를 띠지 않음에도 불구하고, 두 물질의 경계면에서 서로 다른 전하를 띠게 되는데, 이를 REWOD현상이라고 부르며, 이러한 전기적 현상으로 전자의 이동을 유도할 수 있어 전류를 만들 수 있다.(1-3)
	REWOD장치에서 물방울의 움직임에 의해 전기가 생산되는 작동원리를 설명하시오.	1(2)은 REWOD장치에서 물방울의 움직임에 의해 전기가 생산되는 작동원리를 설명하고 있다. REWOD장치는 전극, 유전물질층, 소수성층이 코팅되어 있는 간단한 장치이다. REWOD장치를 코팅면이 위로가게 기울여 놓고, 그 위로 물방울을 REWOD장치를 향해 자유낙하 시킨다. 물방울이 유전물질과 닿으면 두 물질의 경계면에서 물방울은 양전하를 띠고, 유전물질은 음전하를 띠는 전기이중층을 형성한다. 유전물질 내부에서는 유전분극이 일어나고 전극과 닿는 면은 양전하를 띤다. 이 양전하가 전극의 전자이동을 유도하고 도선에서 전류가 흐르게 된다. 이어 중력에 의해 물방울이 아래쪽 두 번째 전극과 닿으면 마찬가지 현상이 발생하고 처음과 반대방향으로 도선에 전류가 흐르게 된다. 이러한 원리로 REWOD장치를 통해 전원을 생산할 수 있다.
	최근 에너지 하베스팅 기술이 주목 받는 이유는 무엇인가?	에너지 하베스팅(Energy harvesting)기술은 주변에 활용되지 않고 버려지는 빛에너지, 열에너지, 운동에너지 등을 수집하여 재사용하는 것을 뜻한다. 활용의 번거로움에 비해 출력이 낮아 그간 관심을 받지 못하고 있었으나, 최근 사물인터넷(Internet of things, IOT)이나 유비쿼터스(Ubiquitous) 기술의 발달로 저출력임에도 지속적인 전원공급이 가능한 에너지 하베스팅 기술이 주목 받고 있다.

참고문헌 (6)

Krupenkin, T. and Taylor, J. A., 2011, "Reverse electrowetting as a new approach to high-power energy harvesting", Nature Communications, Vol. 2. No. 448, pp. 1-7.
Kwon, S. H., et al., 2014, "An effective energy harvesting method from a natural water motion active transducer", Energy & Environmental Science, Vol. 7, No. 10, pp. 3279-3283.

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Zhu, G., et al., 2014, "Harvesting water wave energy by asymmetric screening of electrostatic charges on a nanostructured hydrophobic thin-film surface", ACS Nano, Vol. 8, No. 6, pp. 6031-6037.

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Moon, J. K., Jeong, J., Lee, D., and Pak, H. K., 2013, "Electrical power generation by mechanically modulating electrical double layers", Nature Communications, Vol. 4. No. 1487, pp. 1-6.
Park, J., Yang, Y., Kwon, S. H., and Kim, Y. S., 2015, "influences of surface and ionic properties on electricity generation of an active transducer driven by water motion", Journal of Physical Chemistry Letters, Vol. 6, No. 4, pp. 745-749.

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Lim, M. H., Jung, W. S., and Park, J. H., 2013, "Curing temperature-and concentration-dependent dielectric properties of cross-linked poly-4-vinylphenol (PVP)", Current Applied Physics, Vol. 13, No. 8, pp. 1554-1557.

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