입체 자수 기법을 적용한 마찰 에너지 수확 증대형 직물 구조의 탐색 An Exploratory Study on the Structure of Fabric of Increasing Triboelectric Energy Harvesting by Applying Three-dimensional Embroidery Technique원문보기
본 연구의 목적은 첫째 마찰 시 직물의 면적을 증가시켜 에너지 수확의 효율을 높일 수 있는 입체 자수 기법 및 전도성 직물 재료를 탐색하고, 둘째 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법을 토대로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하며, 셋째 이를 근거로 마찰 에너지 수확 증대형 직물의 구조를 탐색하는 것이다. 이를 위해 다음의 두 가지 실험을 실시하였다. "실험 I"에서는 인체로부터 마찰 에너지를 수확하는 효율에 영향을 미치는 직물 내 주요 변인으로, 1) 입체 자수 기법(사틴 기법, 파일 기법), 2) 전도성 직물 재료(구리 기반 MPF, 니켈 기반 MPF)를 선정하고, 이 두 변인들의 조합에 따른 4개의 시료를 제작하여 마찰 시 발생 전압의 차이를 비교 분석하였다. "실험 II"에서는 높은 효율을 보이는 입체 자수 방식의 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하였다. 그 결과, 두 전도성 직물 재료 모두에 있어서 파일 자수 직물 구조가 사틴 자수 직물 구조에 비해 높은 마찰 에너지 수확 효율을 보였고, 이러한 결과는 마찰 면적에 따른 전하 밀도와 발생 전압이 비례하는 마찰 에너지 수확의 원리와 일치하였다. 이를 통해 마찰 면적이 큰 파일 자수 직물 구조가 마찰 면적이 상대적으로 작은 사틴 자수 직물 구조에 비해 에너지 수확 효율을 증대시키는데 유리한 방식임을 알 수 있었다. 또한 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율도 마찰 면적 증대로 인해 가공 전에 비해 높게 나타나, 브러싱 가공 방식이 마찰 에너지 수확 증대에 있어서 유리한 가공 방식임을 알 수 있었다.
본 연구의 목적은 첫째 마찰 시 직물의 면적을 증가시켜 에너지 수확의 효율을 높일 수 있는 입체 자수 기법 및 전도성 직물 재료를 탐색하고, 둘째 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법을 토대로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하며, 셋째 이를 근거로 마찰 에너지 수확 증대형 직물의 구조를 탐색하는 것이다. 이를 위해 다음의 두 가지 실험을 실시하였다. "실험 I"에서는 인체로부터 마찰 에너지를 수확하는 효율에 영향을 미치는 직물 내 주요 변인으로, 1) 입체 자수 기법(사틴 기법, 파일 기법), 2) 전도성 직물 재료(구리 기반 MPF, 니켈 기반 MPF)를 선정하고, 이 두 변인들의 조합에 따른 4개의 시료를 제작하여 마찰 시 발생 전압의 차이를 비교 분석하였다. "실험 II"에서는 높은 효율을 보이는 입체 자수 방식의 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하였다. 그 결과, 두 전도성 직물 재료 모두에 있어서 파일 자수 직물 구조가 사틴 자수 직물 구조에 비해 높은 마찰 에너지 수확 효율을 보였고, 이러한 결과는 마찰 면적에 따른 전하 밀도와 발생 전압이 비례하는 마찰 에너지 수확의 원리와 일치하였다. 이를 통해 마찰 면적이 큰 파일 자수 직물 구조가 마찰 면적이 상대적으로 작은 사틴 자수 직물 구조에 비해 에너지 수확 효율을 증대시키는데 유리한 방식임을 알 수 있었다. 또한 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율도 마찰 면적 증대로 인해 가공 전에 비해 높게 나타나, 브러싱 가공 방식이 마찰 에너지 수확 증대에 있어서 유리한 가공 방식임을 알 수 있었다.
The purpose of this study is to investigate three-dimensional embroidery techniques for creating conductive fabric materials. Such techniques can increase the efficiency of energy harvesting by increasing the fabric's area during rubbing and brushing. We also investigate the fabric structure of the ...
The purpose of this study is to investigate three-dimensional embroidery techniques for creating conductive fabric materials. Such techniques can increase the efficiency of energy harvesting by increasing the fabric's area during rubbing and brushing. We also investigate the fabric structure of the triboelectric energy harvesting type. Two experiments were conducted for this purpose. In Experiment I, the three-dimensional embroidery technique(satin technique, file technique) and the conductive fabric material(copper-based MPF, nickel-based MPF) were selected as the main variables affecting the efficiency of triboelectric energy harvesting from the human body. Four samples were fabricated according to a combination of two variables. In Experiment II, the harvesters fabricated by the three-dimensional embroidery method showing the highest efficiency were subjected to brushing processes and the voltages generated after processing were analyzed. As a result, in both conductive fabric materials, the pile embroidery fabric structure showed a higher efficiency than the satin structure. These results show the triboelectric energy harvesting principle, which is proportional to the charge density and the generated voltage. It can be seen that the structure of pile embroidery fabric with a large friction area is advantageous for increasing efficiency compared to satin embroidery-fabric structure with a relatively small friction area. Moreover, the energy harvesting efficiency after brushing was higher than that before processing due to the increased friction area, and it was found that the brushing method is advantageous for increasing the triboelectric-energy harvest.
The purpose of this study is to investigate three-dimensional embroidery techniques for creating conductive fabric materials. Such techniques can increase the efficiency of energy harvesting by increasing the fabric's area during rubbing and brushing. We also investigate the fabric structure of the triboelectric energy harvesting type. Two experiments were conducted for this purpose. In Experiment I, the three-dimensional embroidery technique(satin technique, file technique) and the conductive fabric material(copper-based MPF, nickel-based MPF) were selected as the main variables affecting the efficiency of triboelectric energy harvesting from the human body. Four samples were fabricated according to a combination of two variables. In Experiment II, the harvesters fabricated by the three-dimensional embroidery method showing the highest efficiency were subjected to brushing processes and the voltages generated after processing were analyzed. As a result, in both conductive fabric materials, the pile embroidery fabric structure showed a higher efficiency than the satin structure. These results show the triboelectric energy harvesting principle, which is proportional to the charge density and the generated voltage. It can be seen that the structure of pile embroidery fabric with a large friction area is advantageous for increasing efficiency compared to satin embroidery-fabric structure with a relatively small friction area. Moreover, the energy harvesting efficiency after brushing was higher than that before processing due to the increased friction area, and it was found that the brushing method is advantageous for increasing the triboelectric-energy harvest.
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문제 정의
본 연구에서는 마찰 에너지 수확 증대형 직물 구조의 탐색을 위해 다음의 두 가지 실험을 실시하였다. “실험 Ⅰ”에서는 인체로부터 마찰 에너지를 수확하는 효율에 영향을 미치는 직물 내 주요 변인으로, 1) 입체 자수 기법(사틴 기법, 파일 기법), 2) 전도성 직물 재료(구리 기반 MPF, 니켈 기반 MPF)를 선정하고, 이 두 변인들의 조합에 따른 4개의 시료를 제작하여 마찰 시 발생 전압의 차이를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 입체 자수 기법 및 전도성 직물 재료를 달리한 4가지 종류의 직물 구조를 고안하여, 직물 구조에 따른 에너지 수확 효율의 차이를 분석하고 마찰에너지 수확 증대형 직물 구조를 도출하고자 하였다.
본 연구의 목적은 첫째 마찰 시 직물의 면적을 증가시켜 에너지 수확의 효율을 높일 수 있는 입체 자수 기법 및 전도성 직물 재료를 탐색하고, 둘째 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법을 토대로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하며, 셋째 이를 근거로 마찰 에너지 수확 증대형 직물의 구조를 탐색하는 것이다.
제안 방법
“실험 I”을 통해 사틴 자수 구조에 비해 에너지 수확 효율이 더 높은 것으로 나타난 파일 자수 구조의 구리 기반 MPF(Pile-on-Cu) 및 니켈 기반 MPF(Pile-on-Ni)의 발생 전압 Vp-p(Ｖ)을 측정하였다.
“실험 Ⅰ”에서는 4개 시료의 마찰 시 발생 전압의 차이를 비교 분석함으로써, 마찰 직물의 면적을 증가시키기 위한 입체 자수 기법 및 전도성 직물 재료의 조합을 탐색하였다.
“실험 Ⅱ”에서는 “실험 Ⅰ”의 측정 결과 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법의 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하여, 가공 전·후의 발생 전압을 비교 분석하였다.
“실험Ⅱ”에서는 높은 효율을 보이는 입체 자수 방식의 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하였다.
본 연구에서는 마찰 에너지 수확 증대형 직물 구조의 탐색을 위해 다음의 두 가지 실험을 실시하였다. “실험 Ⅰ”에서는 인체로부터 마찰 에너지를 수확하는 효율에 영향을 미치는 직물 내 주요 변인으로, 1) 입체 자수 기법(사틴 기법, 파일 기법), 2) 전도성 직물 재료(구리 기반 MPF, 니켈 기반 MPF)를 선정하고, 이 두 변인들의 조합에 따른 4개의 시료를 제작하여 마찰 시 발생 전압의 차이를 비교 분석하였다. “실험Ⅱ”에서는 높은 효율을 보이는 입체 자수 방식의 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하여 가공 후의 발생 전압을 분석하였다.
두 실험 모두 실험실의 환경은 섭씨온도 25°, 습도 50％가 일정하게 유지되는 공간에서 실시하였다.
마찰 에너지 수확 기능의 직물 시료는 전도성 직물로 된 전극 면과 그 표면을 자수 처리한 마찰 면으로 구성하여 제작하였다(Fig. 4). 시료의 전체 크기는 가로 9.
본 연구에서는 의류 분야의 직물 가공 기법의 하나인 입체 자수 기법 및 브러싱 가공 방식을 사용하여 마찰 에너지 수확 증대형 직물 구조를 도출하였다. 본 마찰 에너지 수확 증대형 직물은 유연성과 인체 착용성이 뛰어나므로 의류가 가지고 있는 본연의 감성을 살려 디자인하기에 매우 유리하다.
실험 Ⅰ의 결과, 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법의 직물 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하였다. 브러싱 가공은 브러싱 가공 도구를 통해 가로 방향 10초, 세로 방향 10초의 총 20초 동안 직물의 표면을 브러싱하는 작업을 수행하였다. 이때 박절기를 통해 4㎐의 일정한 속도를 유지하였다.
사틴 자수 기법과 파일 자수 기법으로 직물의 마찰면적을 달리 하고, 구리 기반 MPF와 니켈 기반 MPF로 직물의 전도성 수준을 달리한 4가지 구조의 마찰시 발생 전압을 측정한 결과는 다음과 같다.
(c)와 같이 일정한 힘으로 누른다. 시료를 누르는 힘과 속도는 7Ｎ, 4㎐를 유지하였으며, 직물을 누르는 속도는 박절기(metronome)를 작동시켜 일정하게 통제하였다. 이때 가해진 힘(force)에 의해 직물의 접촉 표면에서 마찰 대전력이 발생하고 Fig.
10). 실험 Ⅰ과 마찬가지로 출력되는 발생 전압을 오실리스코프를 통해 기록하여 Vp-p (Ｖ)값을 도출하였다.
실험 Ⅰ의 결과, 높은 효율을 보이는 입체 자수 기법의 직물 시료를 대상으로 브러싱 가공을 실시하였다. 브러싱 가공은 브러싱 가공 도구를 통해 가로 방향 10초, 세로 방향 10초의 총 20초 동안 직물의 표면을 브러싱하는 작업을 수행하였다.
(g)와 같이 다시동일한 힘과 속도(7Ｎ, 4㎐)로 4초 동안 반복하였다. 이때 누르는 동작에 의해 출력되는 발생 전압(open circuit voltage)을 오실리스코프(oscilloscope)를 통해 기록하여 Vp-p (Ｖ)값을 도출하였다.
자수 기법으로는 사틴(satin)기법과 파일(pile) 기법의 두 기법을 적용하였으며, 두 자수 기법 모두에서 1×1㎝의 면적 내 바늘 땀 수는 64개로 동일하게 컨트롤하였다.
대상 데이터
두 MPF 직물의 폭은 110㎝였고, 두께는 0.2㎜, 섬유 혼용률은 Nylon 100％인 S&S Technologies社의 제품을 사용하였다.
4). 시료의 전체 크기는 가로 9.5㎝, 세로 5.5㎝였고, 시료 위에 입체 자수를 놓은 면적은 왼쪽에 구리 도체(Cu-feedthrough)가 배치되는 공간인 가로 1㎝를 제외하여 가로 8.5㎝, 세로 5.5㎝로 제한하였다(Fig. 5). 이는 표준체형의 성인 남성을 기준으로 할 때 인체 동작 시 마찰이나 눌림이 빈번히 발생하는 인체 부위들의 일반적 면적을 고려하여 산정하였다.
이상의 전도성 직물 재료 및 입체 자수 기법의 조합에 따른 4개의 시료는 구리 기반 MPF에 사틴 자수 기법을 적용한 시료(이하 Satin-on-Cu), 구리 기반 MPF에 파일 자수 기법을 적용한 시료(이하 Pile-on-Cu), 니켈 기반 MPF에 사틴 자수 기법을 적용한 시료(이하 Satin-on-Ni), 니켈 기반 MPF에 파일 자수 기법을 적용한 시료(이하 Pile-on-Ni)이다(Table 2). Fig.
전극 면의 전도성 직물 재료로는 구리(Cu) 기반의 MPF(metal plated fabric) 직물과 니켈(Ni) 기반의 MPF 직물을 사용하였다(Fig. 6). 두 MPF 직물의 폭은 110㎝였고, 두께는 0.
이론/모형
이때 박절기를 통해 4㎐의 일정한 속도를 유지하였다. 브러싱 가공 도구는 MARU JAPAN社의 Magic Hub를 사용하였다 (Fig. 10). 실험 Ⅰ과 마찬가지로 출력되는 발생 전압을 오실리스코프를 통해 기록하여 Vp-p (Ｖ)값을 도출하였다.
입체 자수 기법은 컴퓨터 자수 방식을 통해 구현하였고, 사용된 자수 기계는 썬스타社의 컴퓨터 자수 기종(SWF/E-WD912-75)과 아드리社에서 개발한 자수 프로그램을 사용하였다. 자수 기법으로는 사틴(satin)기법과 파일(pile) 기법의 두 기법을 적용하였으며, 두 자수 기법 모두에서 1×1㎝의 면적 내 바늘 땀 수는 64개로 동일하게 컨트롤하였다.
성능/효과
“실험 I”을 통해 사틴 자수 구조에 비해 에너지 수확 효율이 더 높은 것으로 나타난 파일 자수 구조의 구리 기반 MPF(Pile-on-Cu) 및 니켈 기반 MPF(Pile-on-Ni)의 발생 전압 Vp-p(Ｖ)을 측정하였다. 그 결과, 구리 기반 MPF의 브러싱 가공 후의 발생 전압은 평균 22Ｖ로 나타나, 브러싱 가공 전의 11.5Ｖ에비해 약 1.9배 높은 에너지 수확 효율을 보였다. 니켈 기반 MPF의 브러싱 가공 후의 발생 전압은 평균 28V로 나타나, 브러싱 가공 전의 12Ｖ에 비해 약 2.
그 결과, 직물 재료의 전도성 수준이 다른 두 경우 모두에 있어 파일 자수 직물 구조가 사틴 자수 직물 구조에 비해 월등히 높은 마찰 에너지 수확 효율을 보였고, 이러한 결과는 마찰 면적에 따른 전하 밀도와 발생 전압이 비례하는 마찰 에너지 수확의 원리와 일치하였다. 이를 통해 마찰 면적이 큰 파일 자수 직물 구조가 마찰 면적이 상대적으로 작은 사틴 자수 직물 구조에 비해 에너지 수확 효율을 증대시키는데 유리한 방식이며, 결과적으로 본 연구의 입체 자수 기법은 마찰 에너지 수확에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
9배 높은 에너지 수확 효율을 보였다. 니켈 기반 MPF의 브러싱 가공 후의 발생 전압은 평균 28V로 나타나, 브러싱 가공 전의 12Ｖ에 비해 약 2.3배 높은 에너지 수확 효율을 보였다. 두 전도성 직물 재료 모두의 경우에서 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율이 높게 나타났다(Fig.
3배 높은 에너지 수확 효율을 보였다. 두 전도성 직물 재료 모두의 경우에서 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율이 높게 나타났다(Fig. 13).
반면, 파일 자수 구조(Pile-on-Ni)의 Vp-p (Ｖ)값은 평균 12Ｖ로 나타났다. 따라서 Vp-p (Ｖ)값을 기준으로 볼 때, 파일 자수 구조의 경우가 사틴 자수 구조에 비해 약 8.3배의 높은 에너지 수확 효율을 보이는 것으로 도출되었다(Fig. 12).
5Ｖ로 나타났다. 따라서 Vp-p (Ｖ)값을 기준으로 볼 때, 파일 자수 구조의 경우가 사틴 자수 구조에 비해 약 8.8배의 높은 에너지 수확 효율을 보이는 것으로 도출되었다(Fig. 11).
이를 통해 마찰 면적이 큰 파일 자수 직물 구조가 마찰 면적이 상대적으로 작은 사틴 자수 직물 구조에 비해 에너지 수확 효율을 증대시키는데 유리한 방식이며, 결과적으로 본 연구의 입체 자수 기법은 마찰 에너지 수확에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율도 마찰면적 증대로 인해 가공 전에 비해 높게 나타나, 브러싱 가공 방식이 마찰 에너지 수확 증대에 있어서 유리한 가공 방식임을 알 수 있었다.
그 결과, 직물 재료의 전도성 수준이 다른 두 경우 모두에 있어 파일 자수 직물 구조가 사틴 자수 직물 구조에 비해 월등히 높은 마찰 에너지 수확 효율을 보였고, 이러한 결과는 마찰 면적에 따른 전하 밀도와 발생 전압이 비례하는 마찰 에너지 수확의 원리와 일치하였다. 이를 통해 마찰 면적이 큰 파일 자수 직물 구조가 마찰 면적이 상대적으로 작은 사틴 자수 직물 구조에 비해 에너지 수확 효율을 증대시키는데 유리한 방식이며, 결과적으로 본 연구의 입체 자수 기법은 마찰 에너지 수확에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한 브러싱 가공 후의 에너지 수확 효율도 마찰면적 증대로 인해 가공 전에 비해 높게 나타나, 브러싱 가공 방식이 마찰 에너지 수확 증대에 있어서 유리한 가공 방식임을 알 수 있었다.
이상의 결과를 볼 때, 직물 재료의 전도성 수준이 다른 두 경우 모두에 있어 파일 자수 구조가 사틴 자수 구조에 비해 월등히 높은 마찰 에너지 수확 효율을 지님을 고찰할 수 있었다.
이상의 결과를 통해 브러싱 가공이 마찰 면적의 증대에 영향을 미쳤고, 마찰 면적에 따른 전하 밀도와 발생 전압이 비례하는 원리에 따라 에너지 수확 효율이 증대되었음을 파악할 수 있었다.
마찰 에너지 발생의 원리는 마찰 전기 소자가 접촉을 통한 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 방식이다. 직물을 통한 마찰 에너지 수확의 장점은 첫째, 직물을 에너지 수확의 매개체로 사용하므로 의류에 적용하기 유리하고 둘째, 시간과 장소의 제약 없이 인체의 반복적인 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있으며 셋째, 비교적 발생 전압이 높은 편이고 넷째, 전기 음성도 차이를 갖는 직물 소재의 선택 폭이 넓어 다양한 의류 제품으로 개발하기에 적합하다는 점이다. 그러나 현재 마찰 에너지 수확에 관한 연구는 물체 간 접촉을 통해 발생하는 정전기로부터 에너지를 수확하는 에너지 수확 모듈에 관한 연구가 대부분이고, 이를 직물에 적용한 연구는 부족한 실정이다.
한편 니켈 기반의 MPF가 구리 기반의 MPF에 비해, 사틴 자수 구조에서 약 1.2배, 파일 자수 구조에서 약 1.04배 높은 전압을 보였다. 이는 두 직물 간 표면 물성의 차이에 의해 입체 자수 작업 시 바늘 땀의 장력 등으로 인하여 근소한 표면적의 차이가 발생했기 때문으로 판단된다.
후속연구
향후 인체의 반복적인 움직임으로부터 발생하는 마찰 에너지를 지속적으로 수확할 수 있는 본 직물 구조를 스마트 의류 및 웨어러블 감성 제품에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인체 및 의복을 통한 에너지 수확에는 어떤 것들이 있는가?
인체 및 의복을 통한 에너지 수확은 인체의 움직임이나 압력을 통한 압전 에너지 수확(piezoelectric energy harvesting), 인체와 외부 환경과의 온도차를 이용한 열전 에너지 수확(heat energy harvesting), 물체의 운동과 진동을 통한 진동 에너지 수확(vibration energy harvesting), 접촉을 통해 정전기를 유도하는 마찰 에너지 수확(triboelectric energy harvesting) 등이 있다. 현재 미세 열전 에너지 및 진동 에너지 수확, 압전 에너지 수확 등의 기초적인 연구가 진행되었으나 개념 정립의 단계이고, 기존의 대형 발전 원리의 소형화에 치중되어 있어, 휴대용 전자 장치의 주 에너지원 후보인 인체에 직접 적용하기에는 어렵다는 한계점을 지닌다.
직물을 통한 마찰 에너지 수확의 장점은?
마찰 에너지 발생의 원리는 마찰 전기 소자가 접촉을 통한 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기 에너지로 전환하는 방식이다. 직물을 통한 마찰 에너지 수확의 장점은 첫째, 직물을 에너지 수확의 매개체로 사용하므로 의류에 적용하기 유리하고 둘째, 시간과 장소의 제약 없이 인체의 반복적인 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있으며 셋째, 비교적 발생 전압이 높은 편이고 넷째, 전기 음성도 차이를 갖는 직물 소재의 선택 폭이 넓어 다양한 의류 제품으로 개발하기에 적합하다는 점이다. 그러나 현재 마찰 에너지 수확에 관한 연구는 물체 간 접촉을 통해 발생하는 정전기로부터 에너지를 수확하는 에너지 수확 모듈에 관한 연구가 대부분이고, 이를 직물에 적용한 연구는 부족한 실정이다.
현재까지의 인체 및 의복을 통한 에너지 수확의 한계는?
인체 및 의복을 통한 에너지 수확은 인체의 움직임이나 압력을 통한 압전 에너지 수확(piezoelectric energy harvesting), 인체와 외부 환경과의 온도차를 이용한 열전 에너지 수확(heat energy harvesting), 물체의 운동과 진동을 통한 진동 에너지 수확(vibration energy harvesting), 접촉을 통해 정전기를 유도하는 마찰 에너지 수확(triboelectric energy harvesting) 등이 있다. 현재 미세 열전 에너지 및 진동 에너지 수확, 압전 에너지 수확 등의 기초적인 연구가 진행되었으나 개념 정립의 단계이고, 기존의 대형 발전 원리의 소형화에 치중되어 있어, 휴대용 전자 장치의 주 에너지원 후보인 인체에 직접 적용하기에는 어렵다는 한계점을 지닌다.
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