[논문]자가구동형 전자소자 구현을 위한 에너지 발전/저장 소자 융합 기술 동향

이주혁

doi:10.5229/jkes.2018.21.4.68

자가구동형 전자소자 구현을 위한 에너지 발전/저장 소자 융합 기술 동향
Hybridization of the Energy Generator and Storage Device for Self-Powered Electronics 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.21 no.4, 2018년, pp.68 - 79

이주혁 (대구경북과학기술원에너지공학전공)

초록
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최근 늘어나는 배터리 수요를 대처하기 위하여 배터리를 대체하거나 배터리의 구동시간을 늘리기 위한 방법으로 제시되고 있는 에너지 발전소자와 에너지 저장소자의 융합연구는 에너지 관련 기술분야에서 가장 관심받고 있는 분야중 하나이다. 본 리뷰논문에서는 물리에너지 발전소자의 최근 연구동향과 함께 에너지 발전소자와 저장소자의 융합연구 동향을 소개하고자 한다. 먼저, 물리에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 특성과 마찰대전 특성을 이용한 에너지 발전소자 관련 연구동향을 소개한다. 또한 압전/마찰대전 에너지 발전소자와 에너지 저장소자의 융합 연구동향을 소개한다. 특히 자가충전 에너지소자의 물리에너지를 전기화학적 에너지로 변환하는 새로운 접근방법을 소개하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, hybridization of energy generator and storage devices is considered to be one of the most important energy-related technologies due to the possibility of replacing batteries or extending the lifetime of a batteries in accordance with increasing battery demand. This review aims to describe current progress on the mechanical energy generator and hybridization of energy generator and energy storage devices for self-powered electronics. First, the research trends related to energy generation devices using piezoelectric and triboelectric effect that convert physical energy into electric energy is introduced. In addition, integration of energy generators and energy storage devices is introduced. In particular, self-charging energy cells provide an innovative approach to the direct conversion of mechanical energy into electrochemical energy to decrease energy conversion loss.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 (a) Invention of piezoelectric nanogenerator using vertically grown ZnO nanorods array with AFM tip.⁵⁾ (b) Stretchable piezoelectric nanogenerator using wavy structured PZT Nanoribon on PDMS substrate.²³⁾ (c) Piezoelectric nanogenerator using micropatterned piezoelectric polymer P(VDF-TrFE).²⁸⁾
그림 Fig. 2 (a) Monolayer top view geometry of (a) boron nitride (h-BN) and trigonal prismatic molybdenum disulfide (2HMoS₂) with piezoelectric polarization, and calculated piezoelectric coefficient of TMDC.³⁷⁾ (b) Probing the piezoelectric property of free-standing monolayer MoS₂ using piezoresponse force microscopy technique.³⁸⁾ (c) Experimental demonstration of the piezoelectric property of monolayer MoS₂ based piezoelectric device.⁶⁾ (d) Investigation of piezoelectric property of turbostratic stacking structured bilayer WSe₂ based piezoelectric device.³⁹⁾
그림 Fig. 3. (a) Supramolecular packing directs piezoelectric response in glycine amino acid crystals (left), and Simple energy harvesting method using ¥ᾶ-glycine crystals (right).⁴³⁾ (b) Growth of vertical FF peptide microrod arrays with controlled polarization and statistics of piezoelectric polarization direction of vertically grown FF peptide microrod measured by PFM method.⁴⁶⁾ (c) Schematic diagram depicting the fabrication process to create large-scale peptide nanotube arrays through meniscus-driven self-assembly, and unidirectional polarization of FF piezoelectric nanotubes measured by PFM method.⁴⁷⁾
그림 Fig. 4 (a) Schematic illustration of power generation mechanism of triboelectric nanogenerator. (b) The four fundamental modes of triboelectric nanogenerator (vertical contact mode, lateral sliding mode, single electrode mode, and free-standing mode).
그림 Fig. 5 (a) Development of the triboelectric nanogenerator using micropatterned PDMS layer.⁴⁹⁾ (b) Development of the triboelectric nanogenerator using nano-porous structured PDMS layer.⁵⁰⁾ (c) Development of the textile-based wearable triboelectric nanogenerator using nanostructured PDMS layer, and demonstration of the Self-powered commercial LCD, LEDs, and a remote control (keyless vehicle entry system).⁵¹⁾
그림 Fig. 6 Schematic diagram of module circuit for driving applications using energy generator and storage device.
그림 Fig. 7 (a) Device structure of self-charging power cell by hybridizing a piezoelectric PVDF layer and a Li-ion battery, and (b) the working mechanism of the self-charging power cell driven by compressive strain.⁵⁷⁾
그림 Fig. 8 (a) Schematic illustration for the working mechanism of the self-charging of hybrid piezoelectric-supercapacitor. (b) Self-charging profile of the hybrid piezoelectric-supercapacitor under an applied compressive force, and comparison of the charging voltage of the hybrid piezoelectric-supercapacitor under various applied compressive forces.⁶⁵⁾

AI 본문요약
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문제 정의

먼저 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전/마찰대전 에너지 발전소자에 대해서 소개하고자 한다. 또한 에너지 발전소자와 에너지 저장 소자의 단순 결합과 하이브리드 구조를 통한 융합 연구에 대한 연구 동향을 소개하고자 한다.
본 리뷰논문에서는 최근 에너지 발전소자와 에너지 저장소자의 통합 기술 동향에 대해서 소개하고자 한다. 먼저 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전/마찰대전 에너지 발전소자에 대해서 소개하고자 한다. 또한 에너지 발전소자와 에너지 저장 소자의 단순 결합과 하이브리드 구조를 통한 융합 연구에 대한 연구 동향을 소개하고자 한다.
양의마찰대전 물질로는 주로 알루미늄(al), 금 (Au), 은(Ag) 등과 같은 메탈물질을 이용하며 음의마 찰대전 물질로는 Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polydimethylsiloxane (PDMS), Polyimide (PI), Polyvinyl chloride (PVC) 등 폴리머 물질을 주로 사용한다. 본 리뷰논문에서는 음의 마찰대전 물질로 유용하게 사용되는 PDMS 폴리머 물질의 구조적 변화에 따른 연구동향을 알아보고자 한다. 먼저 PDMS를 실리콘 마이크로패턴 몰드를 이용하여 다양한 형태의 마이크로구조물로 형성하는 연구가 발표되었다.
본 리뷰논문에서는 자가구동형 전자소자 구현을 위한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 압전/마찰 대전 기반 에너지 발전소자와 이를 이용한 에너지 발전/저장 융합소자에 대한 최근 연구동향을 요약 하였다. 현재까지, 압전, 마찰 전기 에너지 발전소자 개발에 큰 발전이 이루어졌으며 에너지 발전소자의 출력 성능은 소형 전자소자를 자가구동형으로 구동시킬 수있는 수준에 이르렀다.
본 리뷰논문에서는 최근 에너지 발전소자와 에너지 저장소자의 통합 기술 동향에 대해서 소개하고자 한다. 먼저 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전/마찰대전 에너지 발전소자에 대해서 소개하고자 한다.

제안 방법

49) PDMS를 라인, 큐브, 그리고 피라미드 형태의 마이크로 구조물로 형성하여 마찰대전 에너지 발전소자의 출력을 평가하였으며 출력 효율은 박막<라인<큐브<피라미드의 순으로 검증되었다 (Fig.
다음으로 텍스타일 형태의 높은 표면적을 가지는 기판상에 PDMS 나노구조물을 이용한 고출력 마찰대전 에너지 발전소자가 개발되었다.⁵¹⁾ PDMS의 마찰면적을 획기적으로 향상시키기 위하여 은(Ag)이 코팅된 신축성 텍스타일상에 ZnO 나노와이어를 성장시키고 그위에 PDMS 마찰물질을 코팅하여 PDMS 나노구조물을 형성하였다. 단순박막 PDMS를 이용한 소자의 경우 약 30 V, 20 uA의 출력을 나타낸 반면 나노구조 물을 이용한 소자의 경우 약 120 V, 65 uA의 향상된 출력을 나타내었다.
또한 내부 포어의 크기가 감소함에 따라 전하 발생 면적이 증가하여 출력이 증가하는 양상을 보였다. 다음으로 텍스타일 형태의 높은 표면적을 가지는 기판상에 PDMS 나노구조물을 이용한 고출력 마찰대전 에너지 발전소자가 개발되었다.⁵¹⁾ PDMS의 마찰면적을 획기적으로 향상시키기 위하여 은(Ag)이 코팅된 신축성 텍스타일상에 ZnO 나노와이어를 성장시키고 그위에 PDMS 마찰물질을 코팅하여 PDMS 나노구조물을 형성하였다.
⁵⁷⁾ 본배터리에 외부응력이 가해지는 경우 PVDF로부터 발생하는 압전 포텐셜이 LiCoO₃ 로부터 TiO₂ 나노튜브로 Li⁺ 이온을 움직이는 힘으로 작용하며 전극에서 충전반응을 발생시킨다. 이 반응은 압전에너지를 전기에너지로 변환하는 중간 단계를 거치지 않고 직접 물리에너지가 전기화학적 에너지로 변환되는 2개의 과정이 1개의 과정으로 혼합된 새로운 메커니즘을 제안한다. Fig.
하지만 단층 구조를 가지는 경우 반전중심이 사라져 압전특성을 나타낸다. 이러한 단층 TMDC물질의 압전 특성이 DFT 시뮬레이션과 PFM 측정을 통해 증명되 었으며 압전소자로 제작되어 특성이 평가되었다. 먼저 단층 구조를 가지는 h-BN 및 TMDC의 압전 계수가제1원리 계산법을 이용하여 이론적으로 예측되었으며 예측된 압전상수 d₁₁ 값은 기존 압전재료와 필적하는 수치를 나타내었다 (Fig.

성능/효과

18) 즉기계에너지를 전기에너지로 변환이 가능하며 또한 전기에너지를 기계에너지로 변환이 가능하다. 압전 재료에 기계적 에너지를 가하면 압전 재료의 결정 구조가 변형되어 전기적 모멘트가 발생한다.
최근 외부 전기장을 가해주어 자가조립된 FF 나노튜브의 분극을정렬하는 방법이 발표되었다.⁴⁶⁾ 자가조립특성을 이용 하여 FF 나노튜브를 생성하는 공정과정도중 강한 외부전기장을 가해주어 분극의 방향을 정렬하였으며 외부전기장의 방향에 따라 분극의 방향을 제어할 수 있음을 보여주었다 (Fig. 3(b)).
또한 최근 외부전기장 없이 기판의 전하와 펩타이드의 분극간 상호작용을 이용하여 분극방향을 정렬하는 방법이 발표되었다.⁴⁷⁾ 친환경 공정방법인 풀링(pulling) 공정을 이용한 메니스커스힘을 기반으로 자가조립 FF 나노튜브를 형성하였으며 공정도중 기판과 펩타이드의 전하-분극 상호작용을 제어하여 FF 나노튜브의 분극방향을 정렬 및 제어할 수 있음을 보여주었다 (Fig. 3(c)).
대표적으로 PDMS를 나노포로스 형태로 제어하여 마찰대전 에너지 발전소자의 출력을 향상시켰다.⁵⁰⁾ 나노포로스 구조를 가지는 PDMS는 표면의 마찰면적을 향상시킬 뿐만 아니라 내부포어에서도 전하를 발생시키기 때문에 소자의 출력을 향상 시킬수 있다 (Fig. 5(b)).
^62-65)특히 2018년 제주대학교 김상재 교수 연구그룹에서는 2차원 MoSe₂ 나노구조물을 슈퍼 캐패시터의 전극으로 사용하고, PVDF-NaNbO₃ 하이브리드막을 압전세퍼레이터로 이용하여 자가충전 슈퍼캐패시터를 개발하였다.⁶⁵⁾ 자가충전 슈퍼캐패시터의 구동 원리는 자가충전 배터리와는 약간 상이하다 (Fig. 8(a)).
1 mA cm^-2의 높을 출력을 나타내었다. 또한 내부 포어의 크기가 감소함에 따라 전하 발생 면적이 증가하여 출력이 증가하는 양상을 보였다. 다음으로 텍스타일 형태의 높은 표면적을 가지는 기판상에 PDMS 나노구조물을 이용한 고출력 마찰대전 에너지 발전소자가 개발되었다.
단순박막 PDMS를 이용한 소자의 경우 약 30 V, 20 uA의 출력을 나타낸 반면 나노구조 물을 이용한 소자의 경우 약 120 V, 65 uA의 향상된 출력을 나타내었다. 또한 이렇게 제작된 여러소자의 적층형 구조를 개발하여 약 170 V, 120 uA의 높은 출력이 나타남을 확인하였다. 이렇게 개발된 고출력 마찰대전 에너지 발전소자는 발광다이오드 (LED), 액정디스플레이 (LCD)를 구동시킬수 있으며 추가적인 전력없이 차량용 리모컨을 구동 할 수 있었다 (Fig.
특히 β-Glycine의 경우 약 200 pm V^-1 의 전단 압전 계수 d₁₆ 를 나타내었으며 상대적으로 낮은 유전율을 가지기 때문에 기존의 압전세라믹보다 더 높은 출력 전압을 예측할 수 있다. 또한 자가조립법으로 합성된 diphenylalanine (FF) 펩타이드 나노튜브에서 높은 전단 압전특성 (d₁₅ = 80 pm V^-1)이 나타남이 밝혀졌다.^44,45) 현재 바이오 압전소재를 이용하여 압전소자를 구현하기 위한 가장 큰 장애물은 바이오 압전소재의 분극방향을 한 방향으로 정렬하는 것이다.
단일층 MoS₂기반의 압전소자에서 오픈서킷 전압 (V_oc) 약 15 mV, 쇼트서키 전류(I_sc) 약 30 pA의 출력을 나타냈으며 최대 약 2mWm^-2의 전력을 발전하였다. 또한 최근 터보 스태틱 스태킹 (turbostratic stacking) 구조를 가지는 이중층 (Bilayer) TMDC 기반의 압전소자가 단층 TMDC 기반 압전소자보다 기계적으로 더 뛰어난 내구성을 나타내었다.³⁹⁾
이러한 단층 TMDC물질의 압전 특성이 DFT 시뮬레이션과 PFM 측정을 통해 증명되 었으며 압전소자로 제작되어 특성이 평가되었다. 먼저 단층 구조를 가지는 h-BN 및 TMDC의 압전 계수가제1원리 계산법을 이용하여 이론적으로 예측되었으며 예측된 압전상수 d₁₁ 값은 기존 압전재료와 필적하는 수치를 나타내었다 (Fig. 2(a)).
특히 아미노산중 가장 기본요소인글라이신 (Glycine)에서 굉장히 높은 전단 압전특성이 나타남을 이론적, 실험적으로 입증하였다 (Fig.3

후속연구

^14-17) 이러한 에너지 발전소자와 저장소 자의 일체형 통합 기술은 지속적으로 에너지를 공급할 수 있는 에너지 기술로, 최근 빠르게 발전하고 있는 전자소자의 지속적인 구동을 위한 에너지원으로 관심을 받고 있다. 이것은 마이크로/나노 시스템에 전력을 공급하기 위한 나노물질 및 나노기술의 응용과 관련된 에너지 기술로서 새롭게 부상하는 분야로 배터리를 대체하거나 적어도 배터리의 수명을 연장하여 전자소자의 구동시간을 획기적으로 증가시키는데 사용될 것이다.
자가충전형 배터리 및 슈퍼캐패시터는 에너지 발전소자에서 발생된 에너지의 외부 회로에서의 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 기계 에너지를 전기 화학 에너지로 바로 변환하여 에너지 변환과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄인다. 이러한 혁신적인 에너지 변환 기술은 미래 마이크로 / 나노 시스템 및 모바일 / 휴대용 전자 기기의 지속 가능하고 유지 보수가 필요없는 동작을 가능하게 하는 중요한 연구 분야이며 앞으로도 활발히 연구될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지하베스팅 기술이란?	최근, 주변에서 버려지는 에너지원을 전기에너지로 변환하는 에너지하베스팅 기술이 활발히 연구되고 있다. 특히 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 및마찰대전 특성을 이용한 에너지 발전소자 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
	신재생 에너지 개발이 에너지 분야에서 중요한 이유는?	화석연료의 사용에 따른 대기/수질 오염 및 석유 고갈 문제 해결을 위하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지 개발 문제는 현재 에너지분야에서 가장 중요하고 도전적인 분야중 하나이다. 특히 햇빛, 바람, 비, 조수/파도, 지열 등을 이용한 신재생 에너지원 연구는 활발하게 연구되어 왔으며 이러한 에너지 원은 메가/기가 와트 크기의 전력을 생산해내는 에너지원으로 주요 파워그리드와 통합되어질 것이다.
	자가충전형 에너지소자가 에너지 손실을 줄이는 방법은?	자가충전형 에너지소자는 에너지 발전소자를 에너지 저장소자와 융합하는 혁신적인 방법을 제공하였다. 자가충전형 배터리 및 슈퍼캐패시터는 에너지 발전소자에서 발생된 에너지의 외부 회로에서의 손실을 획기적으로 줄일수 있으며 기계 에너지를 전기 화학 에너지로 바로 변환하여 에너지 변환과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄인다. 이러한 혁신적인 에너지 변환 기술은 미래 마이 크로 / 나노 시스템 및 모바일 / 휴대용 전자 기기의 지속 가능하고 유지 보수가 필요없는 동작을 가능하게 하는 중요한 연구 분야이며 앞으로도 활발히 연구될 것으로 전망된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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