[논문]3차원 기공구조를 이용한 정전기반 에너지 하베스팅 나노발전기 소자제조

전상헌; 정정화; 홍석원

doi:10.6117/kmeps.2019.26.1.009

3차원 기공구조를 이용한 정전기반 에너지 하베스팅 나노발전기 소자제조
3D Porous Foam-based Triboelectric Nanogenerators for Energy Harvesting 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.1, 2019년, pp.9 - 15

전상헌 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과) , 정정화 (부산대학교 광메카트로닉스공학과) , 홍석원 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과)

초록
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본 연구에서는 3차원 기공구조를 지닌 금속 및 고분자 소재를 이용한 수직 마찰모드의 정전기반 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG) 제조기술을 소개하고 이에 관한 응용 연구를 수행하였다. 다양한 장점을 지닌 3차원 기공구조를 활용하여 설계된 간단하며 효율적인 나노발전기로, 반복적인 접촉/분리를 통해, 120 V에 이르는 순간 전압특성과 최대 출력 $0.74mW/m^2$을 획득하였다. 실제적인 응용 연구로 48개의 발광소자 구동 실험을 실시하였으며, 저전력 소비 전자소자 장치로의 응용 확장성을 확인하기 위해 회로 구성을 통한 커패시터 축적기능을 확인하였다. 본 연구에서 소개하는 정전기반 에너지 하베스팅 기술은 매우 경제적으로 제조할 수 있는 실용적인 접근방식으로, 반복적으로 가해지는 마찰에 의한 정전력을 효율적으로 획득하여 가까운 미래에 자가발전(self-powered)형 소형 전기소자 구동, 휴대형 전자기기 및 대규모의 전자 발전 장치에 적용 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Here, we present a facile route to fabricate a vertically stacked 3D porous structure-based triboelectric nanogenerator (TENG) that can be used to harvest energy from the friction in a repetitive contact-separation mode. The unit component of TENG consists of thin Al foil electrodes integrated with microstructured 3D foams such as Ni, Cu, and polyurethane (PU), which provide advantageous tribo-surfaces specifically to increase the friction area to the elastomeric counter contact surfaces (i.e., polydimethylsiloxane, PDMS). The periodic contact/separation-induced triboelectric power generation from a single unit of the 3D porous structure-based TENG was up to $0.74mW/m^2$ under a mild condition. To demonstrate the potential applications of our approach, we applied our TENGs to small-scale devices, operating 48 LEDs and capacitors. We envision that this energy harvesting technology can be expanded to the applications of sustainably operating portable electronic devices in a simple and cost-effective manner by effectively harvesting wasted energy resources from the environment.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. 3D porous foam-based TENG. (a) A schematic illustration of a TENG structure and a representative SEM image of 3D Ni foam. (b-d) The construction process of a vertically stacked TENG using PMMA sheets connected with struts and springs, a 3D porous foam, and a sheet of flat PDMS
그림 Fig. 2. Schematics of operating principle of a 3D foam-based TENG. (a) Initial state where the external load is not applied and separated with an optimum distance, dn. (b) When the 3D porous foam is brought into contact with the PDMS sheet by the external load, the triboelectric charge can be generated on each surface of the two materials to balance the surface charge. (c) A potential difference is generated by the separation of the two materials, and the electrons can be induced to the upper electrode. (d) When the two surfaces are fully separated, the surface charge accumulates and equilibrates. (e) By the sequential engagement of the external load, the electrons can be inversely induced to the lower electrode.
그림 Fig. 3. Electrical measurements of the Ni foam-based TENG in vertical contact-separation mode. (a) The open-circuit voltage and (b) the short-circuit current by the repetitive periodic contact-separation. (c) Dependence of the output voltage and current with the increased load resistance. (d) Load resistance versus power peak value of the nanogenerator.
그림 Fig. 4. Electrical performance of Cu and Pu foam-based TENGs. (a) The optical microscope image of the surface of Cu foam (left). The open-circuit voltage and the short-circuit current density were ~80 V and ~1.5 μA, respectively (middle-right). (b) The optical microscope image of the surface of PU foam (left). The open-circuit voltage and the short-circuit current density were ~42 V and ~0.2 μA, respectively (middle-right).

AI 본문요약
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문제 정의

1(a)에서 보여주는 바와 같이 간편한 기계적 구동방식을 설계하였으며, 이는 수직형 구조를 갖는 접촉-분리 모드 구동에 매우 적합한 구조로 널리 알려져 있다. 기존에 보고되고 있는 수직형 또는 슬라이딩 구조를 갖는 나노발전기 효율증대를 위한 요철구조는 다소 번거로운 리소그래피 공정, 실리콘 식각 및 복제공정을 이용하는데 반해, 본 연구에서는 이러한 복잡한 공정 과정을 생략할 수 있는 3차원 기공구조의 물질을 선택함으로써 매우 경제적인 접근방법을 제시하고 있다. 3차원 기공구조로 선택된 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 폴리우레탄(polyurethane,PU) 소재는 수십 마이크로 뼈대(scaffold)로 구성되어 있고, 3차원 기공구조는 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 바와 같이 400 μm 크기로 고르게 분포되어 있으며, 내부기공(porosity, >95%)은 모두 연결되어 있는 형태(open-cell)를 지니고 있다.
본 연구에서는 기계적으로 안정적인 특성을 지닌 다양한 3차원 기공구조 물질들을 이용하여 마찰전기 기반 수직형 나노발전기 제조 및 에너지 하베스팅 시스템을 구현하였다. 플라스틱 기판 및 스프링으로 구성된 매우 간편하게 사용이 가능한 경제적인 소형 나노발전기 설계를 시도하였으며, 이를 이용하여 3차원 기공구조 물질들을 점탄성 PDMS 물질표면에 접촉-분리의 반복하중을 적용함으로써 비교적 높은 에너지 하베스팅 능력을 확인하였다.

제안 방법

3차원 기공소재 적용의 확장으로 니켈 이외에 다른 3차원 다공성 마이크로 기공구조를 이용하여 수직형 마찰전기 나노발전기 성능을 확인하였다. 그 결과 Fig.
구동거리(dn= 5 mm)를 유지하여 3차원 기공구조를 갖는 물질과 PDMS 고분자의 수평을 맞추어 준 후 실험을 진행하였다(Fig 2
플라스틱 기판 및 스프링으로 구성된 매우 간편하게 사용이 가능한 경제적인 소형 나노발전기 설계를 시도하였으며, 이를 이용하여 3차원 기공구조 물질들을 점탄성 PDMS 물질표면에 접촉-분리의 반복하중을 적용함으로써 비교적 높은 에너지 하베스팅 능력을 확인하였다. 기공도 95% 이상의 3차원 니켈 폼/PDMS 기반 나노발전기의 경우 가장 높은 출력 전압을 보여주었으며,비교 대상으로 유사한 기공도를 지닌 3차원 구리 및 폴리우레탄 폼을 사용하여 마찰전기 시리즈에 따른 출력 전류/전압 변화를 측정하였다. 또한 커패시터를 이용한 용량성 전압 측정 실험은 자가발전 시스템으로의 응용 확장성의 가능성을 보여주며 저전력 발광소자 구동을 통해 안정적인 전원공급이 가능하다는 것을 확인하였다.
1(d)). 나노발전기 성능 측정은 디지털 오실로스코프(oscilloscope, Keysight DSOX2014A)와 저잡음 전류증폭기(Stanford Research, SR570)를 사용하여 출력 전압과 전류를 각각 수집하였으며, 커패시터 충전량은 디지털 멀티미터 (Fluke, 8808A)를 사용하여 측정하였다. 수직 접촉-분리 모드는 사용방식의 편의성을 위해 반복적으로 손을 수직으로 눌러 측정하였으며, 이때 손으로 누르는 움직임은 대략 10 Hz~20 Hz 사이의 작동범위에서 진행하였다.
실험을 통해 확인된 마찰전기 수확을 위한 3차원 기공 물질기반의 나노발전기는 서로 다른 극성을 갖는 물질 계면에서 주기적인 접촉 분리에 의한 효율적인 출력 밀도 향상을 보여주었으며, 내부 회로의 마찰 대전 및 외부 회로의 정전기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 신호로 변환할 수 있는 자가전원 공급장치를 완성하였다. 또한 마찰전기 시리즈 차이로 유추할 수 있는 물질간 서로 다른 전위차를 분석하여, 다공성 3차원 물질과 탄성체(예: PDMS)에 관한 최적의 마찰대전 조건을 확립하였다. 이의 실제적인 응용으로 회로 설계에 의한 48개의 광소자(예: LED) 동시 전원 공급 및 커패시터 축적 기능을 확인하여 본 연구를 완성하였다.
또한 수직형 나노발전기의 외형 구조물로 모서리에 0.5mm의 구멍이 뚫린 고분자 기판(polymethylmethacrylate,PMMA, 4 × 4 cm2)을 준비하고, 각각의 접촉 물질들의 알루미늄 외부전극 하단에 구리선으로 된 측정전극을 접합하였다 (Fig.
1(b)). 마지막으로 외부단자가 연결된 각각의 물질들을 상하부 기판에 부착하여 정렬시키고 각 모서리에 원통 축을 포함하는 코일(coil)형 스프링을 삽입하여 외부 압력에 의한 접촉-분리가 용이하게 구성하였다 (Fig. 1(c)).
위와 같은 메커니즘을 기초로 본 연구에서는 여러가지 3차원 마이크로 크기의 뼈대로 구성된 다공성 폼(foam)형태의 물질과 점탄성 물체(예: PDMS 필름)의 마찰을 이용하여 수직형 접촉-분리 모드 나노발전기의 다양한 성능을 측정하였다. 실험적으로 최적화된 다공성 폼의 기공 크기는 400 μm로 판명되었으며, 기공 크기가 400 μm 이하의 샘플과 1200 μm 이상의 기공크기를 갖는 니켈 폼기반의 나노발전기는 비교 성능평가 결과 표면전하의 수확 성능이 감소하는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 기계적으로 안정적인 특성을 지닌 다양한 3차원 기공구조 물질들을 이용하여 마찰전기 기반 수직형 나노발전기 제조 및 에너지 하베스팅 시스템을 구현하였다. 플라스틱 기판 및 스프링으로 구성된 매우 간편하게 사용이 가능한 경제적인 소형 나노발전기 설계를 시도하였으며, 이를 이용하여 3차원 기공구조 물질들을 점탄성 PDMS 물질표면에 접촉-분리의 반복하중을 적용함으로써 비교적 높은 에너지 하베스팅 능력을 확인하였다. 기공도 95% 이상의 3차원 니켈 폼/PDMS 기반 나노발전기의 경우 가장 높은 출력 전압을 보여주었으며,비교 대상으로 유사한 기공도를 지닌 3차원 구리 및 폴리우레탄 폼을 사용하여 마찰전기 시리즈에 따른 출력 전류/전압 변화를 측정하였다.

대상 데이터

나노발전기 제조를 위해 가로와 세로 2 × 2 cm²의 크기로 잘라서 준비된 균일한 판상형태의 3차원 기공소재(니켈, 구리 및 폴리우레탄)를 알루미늄 포일(Al foil, 15 μm) 전극 기판상에 접합한다. 그리고 음전하 대전체로는 유연한 기계적 성능을 지닌 점탄성 고분자 (polydimethylsiloxane, PDMS, E = ~600 kPa)를 선택하였으며, 이의 제조과정은 일반적으로 사용되는 주제(prepolymer)와 경화제(curing agent)의 비율을 10:1 중량비로 섞어 진공 데시케이터 내에서 기포를 제거한 다음 플라스틱 기판(plastic petri dish)에 부어준다. 이를 오븐에 넣어 70oC에서 1시간 동안 경화시켜 PDMS 필름을 제작하였다.
나노발전기 제조를 위해 가로와 세로 2 × 2 cm2의 크기로 잘라서 준비된 균일한 판상형태의 3차원 기공소재(니켈, 구리 및 폴리우레탄)를 알루미늄 포일(Al foil, 15 μm) 전극 기판상에 접합한다.
본 연구에서는 효율적이고 경제적인 마찰전기 나노발전기(TENG)의 제작을 위해, 최근 많은 주목을 받고 있는 마이크로 3차원 기공구조(porous structure)의 금속 소재를 이용하였으며, 최소의 요구조건을 만족하는 소재(compressive strength, Ni foam: ~20 MPa, Cu foam: ~20-30 MPa)를 선택하여 효율적으로 응용하였다. 또한 기존의 평평한 형상의 금속 필름 보다 비표면적이 넓은 다공성(area density: ~1150g/cm², geometric surface area: ~7.

성능/효과

(a) 그래프에서 보인 바와 같이 구리 폼 기반의 나노발전기 출력 전압과 전류는 각각 ~80 V 및 ~1.5 μA로 측정되었으며, 이를 통해 마찰전기 시리즈에서 구리 폼은 니켈 폼보다 낮은 양극성을 나타내는 것을 실험적으로 비교하여 확인하였다.
결론적으로, 본 연구에서 획득한 결과값은 기존에 다수 논문으로 보고된 화학적(나노섬유 맴브레인, 0.33 μW/m2 )또는물리적(직물 기반 나노패턴 맴브레인, 70 μW/m2)표면 개질(surface modification)에 의한 결과와 견주어 매우 간단한 방법으로 비교적 높은 소자 성능(3차원 기공구조, 0.74 mW/m2)을 보여주었다.
2μA를 각각 나타내었다. 니켈과 구리보다 매우 낮은 폴리우레탄의 탄성계수는 출력 전압 및 전류에 영향을 주지 않는 것을 실험적으로 확인하였고, 이러한 경향은 폴리우레탄 기공구조는 마찰전기 시리즈에서 금속보다 낮은 양극성을 가지기 때문에 접촉-분리 모드에서 두 물질 간 표면 전하의 발생량의 차이가 관찰되었다.
본 연구에서는 효율적이고 경제적인 마찰전기 나노발전기(TENG)의 제작을 위해, 최근 많은 주목을 받고 있는 마이크로 3차원 기공구조(porous structure)의 금속 소재를 이용하였으며, 최소의 요구조건을 만족하는 소재(compressive strength, Ni foam: ~20 MPa, Cu foam: ~20-30 MPa)를 선택하여 효율적으로 응용하였다. 또한 기존의 평평한 형상의 금속 필름 보다 비표면적이 넓은 다공성(area density: ~1150g/cm², geometric surface area: ~7.8 m²/ℓ)의 장점을 효과적으로 적용하여, 수직 접촉-분리 모드에서 표면 전하의 높은 수확 성능을 보여주었다. 실험을 통해 확인된 마찰전기 수확을 위한 3차원 기공 물질기반의 나노발전기는 서로 다른 극성을 갖는 물질 계면에서 주기적인 접촉 분리에 의한 효율적인 출력 밀도 향상을 보여주었으며, 내부 회로의 마찰 대전 및 외부 회로의 정전기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 신호로 변환할 수 있는 자가전원 공급장치를 완성하였다.
이는 니켈로 이루어진 3차원 기공구조(E ~ 2 MPa)가 고무로 이루어진 대전체에 균일하게 눌려서 압착되는 특성을 이용한 것이며, 눌려지는 일정한 외부 압력에 의해 순간적으로 변하는 PDMS의 탄성변형이 니켈과의 접촉 면적을 증가시키는 현상을 효율적으로 이용하여 실험을 완성하였다. 또한 이 과정에서 외부 응력을 제거하는 순간 PDMS의 변형은 완벽하게 회복되며 처음의 상태로 돌아가게 되는데, 외부 응력에 의한 치수변화는 관찰되지 않았으며 PDMS의 점탄성 변형 및 응착/마찰특성에 의해 비교적 높은 출력 결과값을 보여주었다. 이와 같은 수직접촉-분리 모드에서 100회 이상의 반복 후에도 측정 값이 균일하게 나타나는 것을 확인하였으며, 또한 상부의 PDMS가 충격흡수를 하여 장기간 구동 가능하다는 장점을 직접적으로 보여준다.
기공도 95% 이상의 3차원 니켈 폼/PDMS 기반 나노발전기의 경우 가장 높은 출력 전압을 보여주었으며,비교 대상으로 유사한 기공도를 지닌 3차원 구리 및 폴리우레탄 폼을 사용하여 마찰전기 시리즈에 따른 출력 전류/전압 변화를 측정하였다. 또한 커패시터를 이용한 용량성 전압 측정 실험은 자가발전 시스템으로의 응용 확장성의 가능성을 보여주며 저전력 발광소자 구동을 통해 안정적인 전원공급이 가능하다는 것을 확인하였다. 이는 무선 전력 전송시스템 도입으로 휴대용의 전자기기, 자동차 산업 또는 공공시설의 전원공급 시스템 등에 유용할 것으로 기대된다.
8 m²/ℓ)의 장점을 효과적으로 적용하여, 수직 접촉-분리 모드에서 표면 전하의 높은 수확 성능을 보여주었다. 실험을 통해 확인된 마찰전기 수확을 위한 3차원 기공 물질기반의 나노발전기는 서로 다른 극성을 갖는 물질 계면에서 주기적인 접촉 분리에 의한 효율적인 출력 밀도 향상을 보여주었으며, 내부 회로의 마찰 대전 및 외부 회로의 정전기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 신호로 변환할 수 있는 자가전원 공급장치를 완성하였다. 또한 마찰전기 시리즈 차이로 유추할 수 있는 물질간 서로 다른 전위차를 분석하여, 다공성 3차원 물질과 탄성체(예: PDMS)에 관한 최적의 마찰대전 조건을 확립하였다.
실험적으로 최적화된 다공성 폼의 기공 크기는 400 μm로 판명되었으며, 기공 크기가 400 μm 이하의 샘플과 1200 μm 이상의 기공크기를 갖는 니켈 폼기반의 나노발전기는 비교 성능평가 결과 표면전하의 수확 성능이 감소하는 것으로 확인되었다.
5(b)에서의 디지털 이미지는 동시에 최대 48개의 발광소자를 작동할 수 있는 나노발전기 성능을 나타내고 있다. 위의 결과로 종합해본다면, 본 연구로 제조된 직립형 나노발전기의 주기적인 접촉 및 분리 반복운동에 의해 간단한 회로 설계를 통한 소형 전기장치의 전원 공급이 가능하다는 것을 입증하였다. 이 결과를 더욱 발전시킨다면 미래형 자가발전 시스템의 적용으로 배터리 보조장치로의 박막형 커패시터 도입 및 회로설계에 의한 저전력 전자소자 전원공급 등의 응용 확장성이 매우 클 것으로 예상된다.
이에 더하여 최근에는 정전기반 에너지 하베스팅 기술이 소개되고 있는데, 정전기 효과를 이용한 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)는 두 개의 서로 다른 물질의 간단한 접촉을 통해 물질에서 전하들이 서로 다른 전하로 대전되는 전기 이중층을 발생시킴으로써 전위차에 의한 전하 이동을 유도해내는 매우 간단한 방식이다. 이 기술은 다른 자가발전 방법에 비교해에너지 밀도가 높다는 장점이 있으며, 기존의 압전소자에서 수확되는 출력보다 좀 더 향상된 성능을 보이고 있다.^4-7) 정전기반 에너지획득 구동 방식으로는 나노발전기설계 기술에 따라, 수직 접촉-분리 모드(vertical contactseparationmode), 측면 슬라이딩 모드(lateral sliding mode) 그리고 단일 전극 모드(single electrode mode)와 같은 다양한 작동 방식이 있으며, 응용 범위의 확장으로 자체구동 능동센서 및 화학센서, 인체의 움직임 측정, 불규칙한 환경 진동의 에너지 수확 및 유체 흐름 기반의 발전기를 포함하는 다양한 전기/전자 장치에 적용이 가능하다.
3(c)에서 보인 바와 같이 부하저항(external load resistance)에대한 출력 전압 및 전류가 산출되었으며, 순간 전류 진폭(instantaneous current amplitude)은 저항 손실(resistive loss)로 인한 부하저항의 증가와 함께 10⁸Ω 대역에서 감소하며, 반대로 출력 전압이 증가하는 경향을 나타내었다. 이결과값을 토대로 나노발전기의 출력밀도(power density)를 추출해 낼 수 있었으며, 그 값이 최대 0.74 mW/m²로 나타났다 (Fig. 3(d)).
3(a), (b)에서 보여주는 바와 같이 다공성 니켈 폼 기반의 마찰전기 발전기의 출력 변환을 측정하였으며, 개방-회로 전압(open-circuit voltage) 및 단락-회로 전류(short-circuit current)는 각각 ~140 V와 ~8 μA의 최대값을 보였다. 이는 니켈로 이루어진 3차원 기공구조(E ~ 2 MPa)가 고무로 이루어진 대전체에 균일하게 눌려서 압착되는 특성을 이용한 것이며, 눌려지는 일정한 외부 압력에 의해 순간적으로 변하는 PDMS의 탄성변형이 니켈과의 접촉 면적을 증가시키는 현상을 효율적으로 이용하여 실험을 완성하였다. 또한 이 과정에서 외부 응력을 제거하는 순간 PDMS의 변형은 완벽하게 회복되며 처음의 상태로 돌아가게 되는데, 외부 응력에 의한 치수변화는 관찰되지 않았으며 PDMS의 점탄성 변형 및 응착/마찰특성에 의해 비교적 높은 출력 결과값을 보여주었다.
또한 이 과정에서 외부 응력을 제거하는 순간 PDMS의 변형은 완벽하게 회복되며 처음의 상태로 돌아가게 되는데, 외부 응력에 의한 치수변화는 관찰되지 않았으며 PDMS의 점탄성 변형 및 응착/마찰특성에 의해 비교적 높은 출력 결과값을 보여주었다. 이와 같은 수직접촉-분리 모드에서 100회 이상의 반복 후에도 측정 값이 균일하게 나타나는 것을 확인하였으며, 또한 상부의 PDMS가 충격흡수를 하여 장기간 구동 가능하다는 장점을 직접적으로 보여준다.
또한 마찰전기 시리즈 차이로 유추할 수 있는 물질간 서로 다른 전위차를 분석하여, 다공성 3차원 물질과 탄성체(예: PDMS)에 관한 최적의 마찰대전 조건을 확립하였다. 이의 실제적인 응용으로 회로 설계에 의한 48개의 광소자(예: LED) 동시 전원 공급 및 커패시터 축적 기능을 확인하여 본 연구를 완성하였다. 이러한 방식의 마찰전기 기술기반의 나노발전기 설계기술을 개선한다면, 향후 다양한 웨어러블 전자장치에 직접 적용이 가능할 것으로 예상된다.
이의 종합적인 측정 결과를 통해 다공성 기공 구조는 금속 필름보다 넓은 비표면적을 통해 보다 많은 표면 전하 수확을 유도하며, 물질이 가지고 있는 극성을 변화시키지 않는 것을 증명하였다. 추가적으로 제한된 두께(~2 mm)의 다공성 기공구조를 이용하여 다중층을 구성하여 측정하였을 때도 출력 변화에 영향을 주지 않았다.
추가적으로 제한된 두께(~2 mm)의 다공성 기공구조를 이용하여 다중층을 구성하여 측정하였을 때도 출력 변화에 영향을 주지 않았다. 즉, 수직형 나노발전기 소자 성능의 변화 경향은 마찰전기 시리즈에 의존적인 출력 전압 및 전류를 나타내며, 이와 동시에 수직 압축응력에 의한 두 물질 간의 기계적 강도의 차이는 접촉 면적(contact area)의 미세한 변화로서 마찰전기 생성에 매우 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 향후 진보된 나노발전기 설계를 위해서는 3차원 마이크로 기공 구조물과 PDMS 계면간의 서로 다른 강성에서 유래된 저항력 감소 영향을 고려해야할 것으로 사료된다.

후속연구

이는 무선 전력 전송시스템 도입으로 휴대용의 전자기기, 자동차 산업 또는 공공시설의 전원공급 시스템 등에 유용할 것으로 기대된다. 또한 앞으로 전개될 4차산업혁명에 따른 사물인터넷 기술 발전으로 에너지 하베스팅 시스템이 집적된 웨어러블 전기/전자기기의 새로운 원천 기술연구가 시작될 것으로 예상되며, 효율적이고 합리적인 나노발전기 설계를 통한 출력증대 기술로 새로운 산업 분야에 통합 응용이 가능할 것으로 기대된다.^22-23)
위의 결과로 종합해본다면, 본 연구로 제조된 직립형 나노발전기의 주기적인 접촉 및 분리 반복운동에 의해 간단한 회로 설계를 통한 소형 전기장치의 전원 공급이 가능하다는 것을 입증하였다. 이 결과를 더욱 발전시킨다면 미래형 자가발전 시스템의 적용으로 배터리 보조장치로의 박막형 커패시터 도입 및 회로설계에 의한 저전력 전자소자 전원공급 등의 응용 확장성이 매우 클 것으로 예상된다.²¹⁾
향후 진보된 나노발전기 설계를 위해서는 3차원 마이크로 기공 구조물과 PDMS 계면간의 서로 다른 강성에서 유래된 저항력 감소 영향을 고려해야할 것으로 사료된다. 이는 3차원 다공성 구조내부를 마찰력 증대를 위한 나노소재 코팅 공정의 도입 또는 마이크로 구조를 갖는 PDMS 제조를 통한 점탄성 성능 변환과정을 통해 더욱 높은 출력 변환 효율을 나타낼 것으로 기대된다.
또한 커패시터를 이용한 용량성 전압 측정 실험은 자가발전 시스템으로의 응용 확장성의 가능성을 보여주며 저전력 발광소자 구동을 통해 안정적인 전원공급이 가능하다는 것을 확인하였다. 이는 무선 전력 전송시스템 도입으로 휴대용의 전자기기, 자동차 산업 또는 공공시설의 전원공급 시스템 등에 유용할 것으로 기대된다. 또한 앞으로 전개될 4차산업혁명에 따른 사물인터넷 기술 발전으로 에너지 하베스팅 시스템이 집적된 웨어러블 전기/전자기기의 새로운 원천 기술연구가 시작될 것으로 예상되며, 효율적이고 합리적인 나노발전기 설계를 통한 출력증대 기술로 새로운 산업 분야에 통합 응용이 가능할 것으로 기대된다.
이의 실제적인 응용으로 회로 설계에 의한 48개의 광소자(예: LED) 동시 전원 공급 및 커패시터 축적 기능을 확인하여 본 연구를 완성하였다. 이러한 방식의 마찰전기 기술기반의 나노발전기 설계기술을 개선한다면, 향후 다양한 웨어러블 전자장치에 직접 적용이 가능할 것으로 예상된다.¹⁹⁾
향후 PDMS의 응착특성(adhesive characteristics), 거칠기(roughness) 및 탄성력 등의 표면 성질 조절에 의해 하중 조건에 따른 접촉 양상이 다르게 나타날 것으로 판단되며, 마찰 특성의 변화가 예견되므로 이에 관한 연구 확장이 가능하리라 판단된다. 3차원 니켈 폼 기반의 마찰전기 나노발전기의 정확한 성능을 판명하기 위해, Fig.
즉, 수직형 나노발전기 소자 성능의 변화 경향은 마찰전기 시리즈에 의존적인 출력 전압 및 전류를 나타내며, 이와 동시에 수직 압축응력에 의한 두 물질 간의 기계적 강도의 차이는 접촉 면적(contact area)의 미세한 변화로서 마찰전기 생성에 매우 큰 영향을 줄 것으로 예상된다. 향후 진보된 나노발전기 설계를 위해서는 3차원 마이크로 기공 구조물과 PDMS 계면간의 서로 다른 강성에서 유래된 저항력 감소 영향을 고려해야할 것으로 사료된다. 이는 3차원 다공성 구조내부를 마찰력 증대를 위한 나노소재 코팅 공정의 도입 또는 마이크로 구조를 갖는 PDMS 제조를 통한 점탄성 성능 변환과정을 통해 더욱 높은 출력 변환 효율을 나타낼 것으로 기대된다.

질의응답

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	에너지 하베스팅 기술의 특징은 무엇인가?	우리가 현재 사용하고 있는 소형 전자기기들의 구동을 위한 에너지원으로는 이차전지 기술이 가장 발전된 형태이며 유·무기 태양전지 또는 열전재료를 이용한 자가발전기술은 대체 에너지의 필요성이 증가함에 따라 많은 주목을 받아왔다. 또한 자연에서 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅 기술로는 바람을 이용한 풍력 발전과 파도로부터 전기에너지를 생산해내는 압전소재 기반의 발전장치가 있다. 이러한 기술들은차세대 에너지 수확 기술로 잘 알려져 있으며, 점진적으로 개발되고 있는 추세이다.
	정전기 효과를 이용한 나노발전기의 장점은 무엇인가?	이에 더하여 최근에는 정전기반 에너지 하베스팅 기술이 소개되고 있는데, 정전기 효과를 이용한 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)는 두 개의 서로 다른 물질의 간단한 접촉을 통해 물질에서 전하들이 서로 다른 전하로 대전되는 전기 이중층을 발생시킴으로써 전위차에 의한 전하 이동을 유도해내는 매우 간단한 방식이다. 이 기술은 다른 자가발전 방법에 비교해에너지 밀도가 높다는 장점이 있으며, 기존의 압전소자에서 수확되는 출력보다 좀 더 향상된 성능을 보이고 있다.4-7) 정전기반 에너지획득 구동 방식으로는 나노발전기설계 기술에 따라, 수직 접촉-분리 모드(vertical contactseparationmode), 측면 슬라이딩 모드(lateral sliding mode) 그리고 단일 전극 모드(single electrode mode)와 같은 다양한 작동 방식이 있으며, 응용 범위의 확장으로 자체구동 능동센서 및 화학센서, 인체의 움직임 측정, 불규칙한 환경 진동의 에너지 수확 및 유체 흐름 기반의 발전기를 포함하는 다양한 전기/전자 장치에 적용이 가능하다.
	압전 나노발전기는 어떤 기대효과를 창출할 수 있는가?	이러한 기술들은차세대 에너지 수확 기술로 잘 알려져 있으며, 점진적으로 개발되고 있는 추세이다.1-3) 기계적에너지를 전력으로 전환하는 새로운 발전방식 중 하나인 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)는 마이크로 및 나노 스케일 범위의 작동환경에서 에너지를 수확하여 소형 전자기기 및 환경 모니터링, 사물인터넷(internet of things, IoT)의 구동을 가능하게 하였으며, 뛰어난 안정성과 성능을갖춘 미래형 자가전원공급 에너지원으로의 큰 잠재력을지니고 있다. 이에 더하여 최근에는 정전기반 에너지 하베스팅 기술이 소개되고 있는데, 정전기 효과를 이용한 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)는 두 개의 서로 다른 물질의 간단한 접촉을 통해 물질에서 전하들이 서로 다른 전하로 대전되는 전기 이중층을 발생시킴으로써 전위차에 의한 전하 이동을 유도해내는 매우 간단한 방식이다.

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저자의 다른 논문 :

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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