[논문]금속-금속 표면 접촉을 활용한 정전 소자

정지훈; 허덕재; 이상민

doi:10.7234/composres.2019.32.6.301

금속-금속 표면 접촉을 활용한 정전 소자
Triboelectric Nanogenerator Utilizing Metal-to-Metal Surface Contact 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.6, 2019년, pp.301 - 306

정지훈 (School of Mechanical Engineering, Chung-ang University) , 허덕재 (School of Mechanical Engineering, Chung-ang University) , 이상민 (School of Mechanical Engineering, Chung-ang University)

초록
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정전 소자는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꿀 수 있는 소자로, 제작 공정이 간단하고 높은 전기적 출력을 발생시키는 장점이 부각되어 주목받고 있는 소자이다. 정전 소자가 소개된 이례 높은 출력으로 휴대형 전자기기를 충전할 수 있는 시스템이 소개되었으나, 최근 연구에서는 기체 항복과 전계 방출 현상으로 인한 출력의 한계가 보고되고 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 금속-금속 표면 간 접촉을 활용하여 정전 소자에 이온 강화 전계 방출 현상과 전자 사태를 유도해 전자가 직접적으로 전극 사이를 흐를 수 있는 정전 소자 설계를 소개한다. 본 정전 소자의 출력은 평균 피크 개로 전압 340 V, 평균 피크 폐회로 전류 10 mA 정도로 측정되었고, 표면 전하 생성층의 표면 전하의 양에 따라 출력이 변화하였다. 본 연구에서 개발된 정전 소자는 실효 출력이 약 0.9 mW로, 기존 정전 소자에 비해 2.4배 높은 일률을 보였다. 본 정전 소자는 높은 출력을 통해 배터리, 커패시터 등을 사용하는 휴대형 전자기기 및 센서들을 독립적으로 충전시켜 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Triboelectric nanogenerator (TENG) is one of the energy harvesting methods in spotlight that can convert mechanical energy into electricity. As TENGs produce high electrical output, previous studies have shown TENGs that can power small electronics independently. However, recent studies have reported limitations of TENG due to air breakdown and field emission. In this study, we developed a triboelectric nanogenerator that utilizes the metal-to-metal surface contact to induce ion-enhanced field emission and electron avalanche for electrons to flow directly between two electrodes. The average peak open-circuit voltage of this TENG was measured as 340 V, and average peak closed-circuit current was measured as 10 mA. The electrical output of this TENG has shown different value depending on the surface charge of surface charge generation layer. The TENG developed in this study have produced RMS power of 0.9 mW, which is 2.4 times higher compared to conventional TENGs. The TENG developed in this study can be utilized in charging batteries and capacitors to power portable electronics and sensors independently.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Structure of triboelectric nanogenerator (TENG) that utilizes metal-to-metal contact mechanism
그림 Fig. 2. Photograph of TENG bottom part
그림 Fig. 3. Electron direct flow mechanism inside metal-to-metal contact TENG
그림 Fig. 4. Photograph of electrostatic discharge (ESD) between top electrode and metal-to-metal contact point during TENG operation
그림 Fig. 6. Open-circuit voltage (V_OC) of (a) polyimide based and (b) nylon based metal-to-metal TENG
그림 Fig. 7. RMS power output comparison between metal-to-metal contact TENG and conventional TENG
그림 Fig. 5. (a) Open-circuit voltage (VOC) and (b) closed-circuit current (ICC) of metal-to-metal TENG

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 정전 소자의 출력을 비약적으로 향상시킬 수 있는 금속-금속 표면 접촉을 활용한 정전 소자의 발전 메커니즘을 소개한다. 본 정전 소자는 금속-금속간 접촉부를 정전소자에 접목하여 이온 강화 전계 방출 현상(ion-enhanced field emission)과 전자 사태(electron avalanche)를 유도하여 전자가 직접적으로 반대 전극으로 이동할 수 있게 설계되었다.

제안 방법

본 연구에서는 기존 정전 소자의 출력을 비약적으로 향상시킬 수 있는 금속-금속 표면 접촉을 활용한 정전 소자의 발전 메커니즘을 소개한다. 본 정전 소자는 금속-금속간 접촉부를 정전소자에 접목하여 이온 강화 전계 방출 현상(ion-enhanced field emission)과 전자 사태(electron avalanche)를 유도하여 전자가 직접적으로 반대 전극으로 이동할 수 있게 설계되었다. 전자가 직접적으로 이동할 수 있는 층을 통해 본 정전 소자는 전기적 출력, 특히 출력 전류를 증가시킬 수 있다.

대상 데이터

소자의 아래 부분에는 위 전극을 제외한 모든 구조가 포함되어 있다. 본 정전 소자는 10 cm × 10 cm 크기의 아크릴 기판 위에 제작되었으며 전극으로는 알루미늄(Ducksung Hitech Co.)이 사용되었고 실험에 따라 각기 다른 고분자 필름(폴리테트라 플루오로에틸렌; PTFE, 폴리이미드, 나일론)이 사용되었다. 2개의 아크릴 기판 위에 5 cm × 6 cm 크기의 알루미늄 전극을 각각 붙이고 전극 측면에 아래 전극과 위 전극을 연결하기 위한 구리 와이어(AWG 30)을 연결한다.

데이터처리

금속-금속 표면 접촉형 정전 소자는 앞서 설명한 것과 같이 정전 방전을 통해 피크가 크고 지속 시간이 짧은 피크 전류를 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 기존 정전 소자와 금속-금속 표면 접촉형 정전 소자의 일률을 비교하기위해 외부 저항에 따라 각 소자에서 발생한 제곱평균제곱근(root mean square, RMS)을 계산하여 실효 전력을 측정했다. 두 정전 소자 모두 20 Hz의 기계적인 진동이 주어졌으며, 측정한 실효 출력은 Fig.

성능/효과

7의 그래프와 같다. 기존 정전 소자와 금속-금속 표면 접촉형 정전 소자 모두 외부 저항이 10 MΩ 일 때 최대 일률이 측정되었으며, 금속-금속 표면 접촉형 정전소자는 약 0.9 mW, 기존 정전 소자는 약 0.37 mW로 금속-금속 표면 접촉형 정전 소자가 약 2.4배 정도 높은 출력을 발생시켰다.
본 연구에서는 금속-금속 표면 간 고분자 필름 표면의 높은 표면 전하를 이용하여 이온 강화 전계 방출 현상과 전자사태를 유도하여 전자가 두 전극 사이를 직접 흐를 수 있도록 설계하여 정전 소자의 출력을 향상시켰다. 고분자 필름의 표면 전하가 공기 중에 있는 이온들을 금속-금속 접촉부로 유도하여 지속적으로 전자가 직접 이동할 수 있도록함으로써 지속적으로 높은 출력을 발생시켰다.
고분자 필름의 표면 전하가 공기 중에 있는 이온들을 금속-금속 접촉부로 유도하여 지속적으로 전자가 직접 이동할 수 있도록함으로써 지속적으로 높은 출력을 발생시켰다. 본 정전 소자는 평균 피크 개로 전압 340 V, 평균 피크 폐회로 전류 10 mA 정도를 발생하였으며, 표면 전하 생성층의 표면 전하의 양에 따라 출력이 변화하는 경향을 보였다. 본 연구에서 개발된 정전 소자는 20 Hz의 입력 아래 실효출력이 약 0.

후속연구

4배 높은 출력을 보였다. 본 정전 소자는 높은 출력을 통해 배터리, 커패시터 등을 사용하는 휴대형 전자기기 및 센서들을 독립적으로 충전시켜 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

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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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