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문제 정의
- 본 연구에서는 PZT 압전분말과 P(VDF-TrFE) 압전 폴리머를 이용해 제작한 유기-무기 하이브리드 압전 나노 복합소재를 플렉서블 금속 foil에 코팅하여, 기존의 비압전 폴리머를 기상으로 사용한 소자보다 발전성능이 향상되고 굴곡이 심한 표면(curvy surface)에 부착이 가능 하며 미세한 기계적 에너지를 감지 할 수 있는 에너지 하베스터를 제작하였다. 단순 저비용 공정인 스핀 코팅(spin-coating) 방법을 이용하여 압전 나노복합소재 층을 얇은 알루미늄(Al) 금속 foil 위에 형성하여 소자를 제작하고, 굽힘 장치를 이용하여 일정하고 반복적인 조건 하에서 성능을 평가한 결과 약 9.
가설 설정
- (b,c) The measured open-circuit voltage (b) and Short-circuit current (c) of f-PEH. (d) Output voltage and current signals after two-step poling processes. (e) The harvested output signals from the energy devices with various ratio of PZT NPs inside P(VDF-TrFE).
제안 방법
- Fig. 3(a)와 같이 상부와 하부 금속 foil 사이에 구형 PZT 입자가 고르게 분산된 폴리머 기상을 모델로 사용하였으며, 한쪽 모서리에 고정 제약(fixed constraint)을 주고, 맞은편에 위치한 모서리에 -y축 방향으로 지정 변위(prescribed displacement)를 설정하여 제작한 모델을 0.132 %의 변형률로 굽히는 형태로 해석을 실시하였다. Fig.
- PZT 압전 나노입자를 압전 폴리머인 P(VDF-TrFE)에 분산시켜 만든 압전 나노복합소재를 이용하여 플렉서블 압전 에너지 하베스터를 제작하였다. Fig.
- 제작된 소자를 8,500회의 반복적인 굽힘을 통해 발전성능을 평가한 결 과 큰 성능적 저하없이 비교적 일정한 전기적 신호를 생성하여 제작된 소자가 우수한 기계적 안정성을 보임을 확인했다. 또한, 다중물리(multiphysics) 시뮬레이션 프로 그램인 COMSOL을 이용한 유한요소해석(finite element analysis)를 실시하여 본 실험의 가정과 결과를 뒷받침하였다.
- 본 연구에서는 PZT 압전 나노입자를 P(VDF-TrFE) 폴리머 기상에 분산시키고 매우 얇은 금속 foil 위에 스핀 코팅하여 미세한 기계적 변위로부터 전기적 신호를 생성할 수 있는 압전 복합체 기반의 에너지 하베스터를 제작하였다. 제작된 소자는 2단계로 이루어진 폴링 공정을 거쳤으며, 1단계 공정에서 8 V의 전압과 100 nA의 전류를 출력했고, 2단계 공정을 거친 후 약 18.
- 압전 폴리머 기상을 압전 복합체 기반의 에너지 하베스터에 도입할 경우 발전 성능이 향상됨을 확인하기 위해 다중물리 COMSOL 시뮬레이션 프로그램을 이용한 3차원 유한요소해석을 진행하였다. 사용된 물질의 매개변수들(parameters)는 COMSOL v5.
- 열처리 공정(900 °C, 2 hr)을 통해 상용 분말 제작 공정의 과립화(granulation) 과정에서 사용된 유기 첨가제들을 제거하였으며, 볼 밀링(ball-milling) 과정을 진행한 후, 70°C의 진공오븐에서 건조하였다.
- 제작된 소자는 출력 성능을 높이기 위해 2단계로 이루어진 폴링 공정을 실시하며, 1단계에서는 120 °C의 온도에서 300 kV/cm의 전 기장(electric field)를 인가해 압전 폴리머를 분극시키고, 2단계에서는 50 °C의 온도와 100 kV/cm의 전계를 인가하여 압전 세라믹을 폴링한다. 이때, 유기 압전소재와 무기 압전소재의 압전 전하 상수가 서로 반대이므로 전기장의 방향을 반대로 연결하여 폴링 공정을 진행하였다.27,31)
- 제작된 소자는 출력 성능을 높이기 위해 2단계로 이루어진 폴링 공정을 실시하며, 1단계에서는 120 °C의 온도에서 300 kV/cm의 전 기장(electric field)를 인가해 압전 폴리머를 분극시키고, 2단계에서는 50 °C의 온도와 100 kV/cm의 전계를 인가하여 압전 세라믹을 폴링한다.
- 제작된 에너지 하베스터의 출력 전력을 평가하기 위해 다양한 외부 저항에 따른 부하 전압과 전류를 측정하였고[Fig. 4(a)], 이를 통해 도출된 출력 전력을 Fig.
- 제작된 유기-무기 하이브리드 압전 나노복합소재 기반의 에너지 하베스터를 자체 제작된 굽힘 장치에 연결한 후 일정한 크기의 변위를 반복적으로 인가하도록 설정하여 개방 회로 전압(open-circuit voltage)와 단락 회로 전류(short-circuit current)를 측정하였다. 이때 발생된 전기적 신호는 전위계(electrometer, Keithley 6514)에 의해 측정되었으며, 측정 시스템과 연결되어있는 PC에 실시간으로 기록되었다.
대상 데이터
- P(VDF-TrFE) 분말(VDF/TrFE = 70/30 mol%, QUINTESS)을 7:3 비율로 혼합된 acetone과 DMAc 용매에 15 wt% 비율로 넣은 후, 열 교반기(hotplate stirrer)를 이용해 30 °C에서 교반하고 PZT 분말과 혼합하여 에너지 하베스터 제작에 이용할 압전 나노복합소재를 제조한다.
- 본 연구에서 이용된 PZT 분말은 상용 PZT 분말(sunnytec)을 추가적인 최적화 공정을 거쳐 제조하였다. 열처리 공정(900 °C, 2 hr)을 통해 상용 분말 제작 공정의 과립화(granulation) 과정에서 사용된 유기 첨가제들을 제거하였으며, 볼 밀링(ball-milling) 과정을 진행한 후, 70°C의 진공오븐에서 건조하였다.
- 본 연구에서는 PZT 압전 나노입자를 P(VDF-TrFE) 폴리머 기상에 분산시키고 매우 얇은 금속 foil 위에 스핀 코팅하여 미세한 기계적 변위로부터 전기적 신호를 생성할 수 있는 압전 복합체 기반의 에너지 하베스터를 제작하였다. 제작된 소자는 2단계로 이루어진 폴링 공정을 거쳤으며, 1단계 공정에서 8 V의 전압과 100 nA의 전류를 출력했고, 2단계 공정을 거친 후 약 18.75 %와 60 % 향상된 9.4 V와 160 nA의 전기 신호가 측정되었다. 100 MΩ의 외부 저항이 연결된 상태에서 4.
성능/효과
- (c)는 압전 나노복합소재의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석결과로, PZT 압전 세라믹이 잘 결정화 되어 있음을 확인할 수 있으며, 결정화 공정 이후 P(VDFTrFE) 압전 폴리머가 All Trans(TTTT)구조의 β상으로 잘 결정화 되었음을 확인하였다.
- Fig. 4(c)는 제작된 소자를 다양한 변위(mm)와 굽힘 속력(mm/s)에서 측정한 결과로 변위가 증가함에 따라 신호가 4 V에서 9.5 V로 증가하고, 굽힘 속도에 따라 5.8 V에서 9.1 V로 더 큰 전기적 신호가 출력됨을 확인하였다. Fig.
- Fig. 4(d)는 8,500회 이상의 일정한 변위로 굽힘이 반복되는 조건에서 제작된 소자의 출력 전압을 평가한 결과로, 측정되는 신호가 비교적 일정하게 유지됨을 확인하여 본 연구에서 제작된 하이브리드 압전나노복합체 기반의 에너지 하베스터가 기계적으로 매우 안정함을 확인하였다.
- 100 MΩ의 외부 저항이 연결된 상태에서 4.2 V의 부하 전압과 80 nA의 부하 전류가 발생하여 약 336 nW의 가장 높은 출력 전력을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 PZT 압전분말과 P(VDF-TrFE) 압전 폴리머를 이용해 제작한 유기-무기 하이브리드 압전 나노 복합소재를 플렉서블 금속 foil에 코팅하여, 기존의 비압전 폴리머를 기상으로 사용한 소자보다 발전성능이 향상되고 굴곡이 심한 표면(curvy surface)에 부착이 가능 하며 미세한 기계적 에너지를 감지 할 수 있는 에너지 하베스터를 제작하였다. 단순 저비용 공정인 스핀 코팅(spin-coating) 방법을 이용하여 압전 나노복합소재 층을 얇은 알루미늄(Al) 금속 foil 위에 형성하여 소자를 제작하고, 굽힘 장치를 이용하여 일정하고 반복적인 조건 하에서 성능을 평가한 결과 약 9.4 V의 전압과 160 nA의 전류 신호가 출력됨을 확인할 수 있었다. 외부 저항(external resistor)를 연결하여 부하 전압(load voltage) 및 전류(load current)를 측정하여 최대 출력 전력(effective power)를 평가하였으며, 100 MΩ의 외부 저항에서 약 336 nW의 출력을 보임을 확인하였다.
- 2 V의 부하 전압과 80 nA의 부하 전류가 발생하여 약 336 nW의 가장 높은 출력 전력을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, 압전 폴리머를 기상 소재로 도입함에 따른 에너지 하베스터의 발전성능 향상은 다중물리 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 추가적으로 진행된 응용 실험을 통해 제작된 소자가 미세한 움직임으로부터 에너지를 생성할 수 있음을 확인하여 웨어러블 전자기기의 무한 전력공 급원으로 사용되거나 신체에 부착하여 미세 움직임을 실시간으로 감지하는 센서로의 적용 가능성을 확인하였다.
- 5에서는 얇은 금속 foil을 이용해 제작한 유기-무기 압전나노복합체 기반의 에너지 하베스터를 신체에 부착하여 지속적으로 발생하는 미세한 움직임(떨림)을 감 지하는 센서로 적용이 가능한지를 평가한 결과를 나타내었다. 본 연구에서 제작한 압전 에너지 하베스터는 목에 부착하여 말하는 동안 발생하는 목 근육의 미세한 떨림으로부터 약 3.5 V의 전압을 반복적으로 생성하였으며, 본 응용 실험을 통해 신체의 미세한 움직임으로터 전기를 생성하거나 실시간으로 감지할 수 있는 센서로의 적용 가능성을 확인하였다.
- 3(b)와 (c)는 PDMS 기상과 P(VDF-TrFE) 기상을 이용한 모델에서의 시뮬레이션 해석 결과를 보여주고 있다. 비압전성 폴리머인 PDMS를 기상으로 적용한 경우 약 2 V 이하의 압전 포텐셜 차이가 존재함을 알 수 있으며, 압전 폴리머인 P(VDF-TrFE) 기상을 적용한 모델 에서는 약 8 V의 전위차가 형성됨을 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 도출된 결과는 모델을 제작할 때 기상 내에 분산된 PZT입자의 수를 실제 소자와 동일하게 맞출 수 없기 때문에 실제 성능과의 차이가 존재하지만, 나노복합소재의 기상 소재 차이에 따른 에너지 하베스터의 발전성능의 비교/예측은 가능하였다.
- 비압전성 폴리머인 PDMS를 기상으로 적용한 경우 약 2 V 이하의 압전 포텐셜 차이가 존재함을 알 수 있으며, 압전 폴리머인 P(VDF-TrFE) 기상을 적용한 모델 에서는 약 8 V의 전위차가 형성됨을 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 도출된 결과는 모델을 제작할 때 기상 내에 분산된 PZT입자의 수를 실제 소자와 동일하게 맞출 수 없기 때문에 실제 성능과의 차이가 존재하지만, 나노복합소재의 기상 소재 차이에 따른 에너지 하베스터의 발전성능의 비교/예측은 가능하였다. 즉, 기존의 나노 복합소재 기반의 에너지 하베스터에서 주로 사용되고 있는 PDMS 기상을 대체하여 P(VDF-TrFE) 기상을 이용할 경우, 압전 에너지 하베스터의 발전 성능이 매우 향상될 수 있음을 이론적으로 확인하였다.
- 4 V의 전압과 160 nA의 전류 신호가 출력됨을 확인할 수 있었다. 외부 저항(external resistor)를 연결하여 부하 전압(load voltage) 및 전류(load current)를 측정하여 최대 출력 전력(effective power)를 평가하였으며, 100 MΩ의 외부 저항에서 약 336 nW의 출력을 보임을 확인하였다. 제작된 소자를 8,500회의 반복적인 굽힘을 통해 발전성능을 평가한 결 과 큰 성능적 저하없이 비교적 일정한 전기적 신호를 생성하여 제작된 소자가 우수한 기계적 안정성을 보임을 확인했다.
- 외부 저항을 100 kΩ에서 1GΩ까지 달리 하여 부하 전압과 전류를 측정한 결과, 연결된 저항이 증가됨에 따라 부하 전압은 점차 증가하고, 부하 전류는 감소하는 그래프를 얻을 수 있었다.
- 외부 저항(external resistor)를 연결하여 부하 전압(load voltage) 및 전류(load current)를 측정하여 최대 출력 전력(effective power)를 평가하였으며, 100 MΩ의 외부 저항에서 약 336 nW의 출력을 보임을 확인하였다. 제작된 소자를 8,500회의 반복적인 굽힘을 통해 발전성능을 평가한 결 과 큰 성능적 저하없이 비교적 일정한 전기적 신호를 생성하여 제작된 소자가 우수한 기계적 안정성을 보임을 확인했다. 또한, 다중물리(multiphysics) 시뮬레이션 프로 그램인 COMSOL을 이용한 유한요소해석(finite element analysis)를 실시하여 본 실험의 가정과 결과를 뒷받침하였다.
- 시뮬레이션을 통해 도출된 결과는 모델을 제작할 때 기상 내에 분산된 PZT입자의 수를 실제 소자와 동일하게 맞출 수 없기 때문에 실제 성능과의 차이가 존재하지만, 나노복합소재의 기상 소재 차이에 따른 에너지 하베스터의 발전성능의 비교/예측은 가능하였다. 즉, 기존의 나노 복합소재 기반의 에너지 하베스터에서 주로 사용되고 있는 PDMS 기상을 대체하여 P(VDF-TrFE) 기상을 이용할 경우, 압전 에너지 하베스터의 발전 성능이 매우 향상될 수 있음을 이론적으로 확인하였다.
- 또한, 압전 폴리머를 기상 소재로 도입함에 따른 에너지 하베스터의 발전성능 향상은 다중물리 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 추가적으로 진행된 응용 실험을 통해 제작된 소자가 미세한 움직임으로부터 에너지를 생성할 수 있음을 확인하여 웨어러블 전자기기의 무한 전력공 급원으로 사용되거나 신체에 부착하여 미세 움직임을 실시간으로 감지하는 센서로의 적용 가능성을 확인하였다.
- 2(e)는 동일한 측정 조건에서 5~20 wt%의 PZT 비율에 따라 변화하는 출력 신호의 변화를 보여주고 있다. 측정값은 입자의 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 20 wt%보다 높은 함량을 갖는 조건에서는 대부분이 제작 공정과 폴링 공정에서 기계적/전기적으로 파괴되어 측정이 불가능하였다. 이는 이전에 수행되었던 연구들과 유사한 결과로 높은 무기 소재의 농도와 점도 상승으로 인한 결과로 생각된다.
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