[논문]에너지 변환 소재용 플렉서블 압전 나노섬유 연구 개발 동향

지상현; 윤지선

doi:10.31613/ceramist.2019.22.2.02

에너지 변환 소재용 플렉서블 압전 나노섬유 연구 개발 동향
Recent Research Trends of Flexible Piezoelectric Nanofibers for Energy Conversion Materials 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.22 no.2, 2019년, pp.122 - 132

지상현 (한국세라믹기술원, 에너지환경본부) , 윤지선 (한국세라믹기술원, 에너지환경본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Wearable electronic devices with batteries must be lightweight, flexible and highly durable. Most importantly, the battery should be able to self-generate to operate the devices without having to be too frequently charged externally. An eco-friendly energy harvesting technology from various sources, such as solar energy, electromagnetic energy and wind energy, has been developed for a self-charging flexible battery. Although the energy harvesting from such sources are often unstable according to the surrounding environment, the energy harvesting from body movements and vibrations has been less affected by the surrounding environment. In this regard, flexible piezoelectric modules are the most attractive solution for this issue, because they convert mechanical energy to electrical energy and harvest energy from the human body motions. Among the various flexible piezoelectric modules, piezoelectric nanofibers have advantages when used as an energy harvester in wearable devices, due to their simple manufacturing process with good applicability to polymers and ceramics. This review focused on diverse flexible piezoelectric nanofibers and discusses their applications as various energy harvesting systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 원고에서는 플렉서블 압전 에너지 변환 소재로 주로 사용되는 압전 나노섬유의 제조 방법 및 압전 나노섬유를 이용한 플렉서블 압전 에너지 하베스팅 모듈의 연구 결과를 고찰하고 다양한 적용분야를 소개하고자 한다.

제안 방법

또한, Fig. 9(b)와 같이 압전 나노섬유로 제작된 압전 발전 모듈로 제작하여 손목에 부착 후 손목의 굽힘 움직임에 따른 출력전압 및 전류의 상대적인 값 차이를 이용해 움직임 센서로의 적용 가능성을 확인한 실험을 수행하였다. Fig.
11은 플렉서블한 압전 발전 소자를 이용하여 의류에 부착하여 신체 움직임에 따른 전압 출력량 측정 실험이다³⁰⁾. 본 실험은 압전 나노섬유 안에 압전 세라믹 입자가 복합화된 압전 나노섬유 복합체의 상/하부에 인장 가능한 은(Ag) 기반의 전극을 이용하여 모듈이 약 200%까지 늘려도 기계적 안정성을 보이면서 약 4V의 전압과 500nA의 전류를 생성할 수 있는 소자를 개발하여 출력 값 측정 실험을 실시하였다. 압전 나노섬유 기반의 섬유 모듈이 부착된 스타킹을 착용하고 인체 무릎을 굽힐 때마다, 약 0.

후속연구

다만 Fig. 5(b)-(c)와 같이 세라믹의 함량이 지나치게 높으면 압전 나노섬유의 강도 및 압전 특성이 줄어드는 경향을 보이므로 조성을 최적화할 필요가 있다.
특히 웨어러블 전자기기의 수요 증가는 플렉서블한 에너지변환 소재의 높은 에너지 변환 효율을 요구할 것이며 이 요구를 해결하기 위해 고성능 압전 나노섬유는 분명 유망한 에너지 변환 소재가 될 것이다. 또한 웨어러블 압전 나노섬유에 대한 연구는 아직 초기 단계이기 때문에 원천 기술 확보 및 국가의 경제력 향상을 위한 국가 차원의 연구비 지원과 상용화 연구 발전을 위한 기업, 학교, 연구소의 산·학·연 간의 공동연구 추진 및 산업에 적용하기 위한 노력이 지속되어야할 것으로 전망된다.
가장 최근에는 플렉서블한 성질을 극대화하고 웨어러블 기기에 착용시 이질감을 줄여주는 압전 나노 실(yarn)형태로 한국세라믹 기술원에서 개발되었다²⁸⁾. 또한 최근 서울대, 연세대, 영남대 그리고 한국세라믹기술원은 공동연구를 통하여 실제 압전 나노섬유를 yarn으로 제조 후 직조하여 천 형태의 플렉서블 압전 발전 소자를 개발하고 있으며 향후 3년 안에 실제 등산복과 같은 스포츠 의류에 적용되어 사용될 것으로 판단된다.
측정 결과 움직임에 따라 최대 1.91V, 0.38 μA의 출력 전압 및 전류을 얻었고 이는 전극화 공정 최적화 및 모듈의 구조 설계를 통해 앞으로도 계속 발전될 것으로 전망된다.
하지만 실제 우리 실생활에서 사용하기에는 아직도 에너지 변환 효율이 낮은 상황으로 추가적인 기술 개발이 절실히 요구된다. 특히 웨어러블 전자기기의 수요 증가는 플렉서블한 에너지변환 소재의 높은 에너지 변환 효율을 요구할 것이며 이 요구를 해결하기 위해 고성능 압전 나노섬유는 분명 유망한 에너지 변환 소재가 될 것이다. 또한 웨어러블 압전 나노섬유에 대한 연구는 아직 초기 단계이기 때문에 원천 기술 확보 및 국가의 경제력 향상을 위한 국가 차원의 연구비 지원과 상용화 연구 발전을 위한 기업, 학교, 연구소의 산·학·연 간의 공동연구 추진 및 산업에 적용하기 위한 노력이 지속되어야할 것으로 전망된다.
하지만 대부분의 플렉서블 압전 나노섬유는 PVDF-TrFE 고분자를 단독으로 사용되고 있으며, 최근에서야 압전 세라믹인 PZT 또는 BNT 계열 둥이 복합화된 나노섬유 연구가 진행되는 단계이다. 하지만 실제 우리 실생활에서 사용하기에는 아직도 에너지 변환 효율이 낮은 상황으로 추가적인 기술 개발이 절실히 요구된다. 특히 웨어러블 전자기기의 수요 증가는 플렉서블한 에너지변환 소재의 높은 에너지 변환 효율을 요구할 것이며 이 요구를 해결하기 위해 고성능 압전 나노섬유는 분명 유망한 에너지 변환 소재가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하베스팅 기술이란 무엇인가?	따라서 최근에는 조금 더 쉽게 에너지를 얻을 수 있는 친환경 에너지 하베스팅 및 변환 기술이 개발 되어 에너지 변환을 조금 더 쉽게 할 수 있는 기술 개발이 이루어 지고 있다. 친환경을 사용한 에너지 하베스팅 기술은 태양, 바람, 동물 움직임, 진동, 자동차의 폐열, 방송 전파 등 주변에서 버려지는 에너지를 모아 전력으로 재활용하여 사용하는 기술이다1-3). 특히 다양한 에너지 하베스팅의 기술 중 압전 에너지 하베스팅 기술은 Fig.
	압전 에너지 하베스팅 기술의 원리는 무엇인가?	특히 다양한 에너지 하베스팅의 기술 중 압전 에너지 하베스팅 기술은 Fig. 1 과 같이 압전체에 인장력이나 압축력을 가하면 압전 물체의 결정을 구성하는 분자 혹은 이온간에서 전기 쌍극자의 크기가 변화하며 전기장이 형성되는 원리로 전기가 발생 된다4). 이러한 이유로 바람 및 태양 등과 같은 외부 신 재생에너지원이 제공되지 않는 상황에서도 미세한 움직임에 의해 발생되는 진동, 굽힘 및 하중 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 차세대 에너지 생성 소자로 주목 받고 있다.
	압전 에너지 하베스팅의 어떠한 장점으로 차세대 에너지 생성 소자로 주목을 받고있는가?	이러한 이유로 바람 및 태양 등과 같은 외부 신 재생에너지원이 제공되지 않는 상황에서도 미세한 움직임에 의해 발생되는 진동, 굽힘 및 하중 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 차세대 에너지 생성 소자로 주목 받고 있다. 따라서 주위 환경에 대한 영향을 최소화 하고 에너지원이 고갈될 문제가 없으며, 친환경적인 장점이 있기 때문에 많은 연구자들이 압전 에너지 하베스팅 기술을 개발하고 있다. Fig.

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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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