[논문]나노 분말 복합체 형성을 통한 PVDF 기반 에너지 하베스팅 소자 성능 향상 기술 동향

최건주; 박일규

doi:10.4150/kpmi.2020.27.3.247

나노 분말 복합체 형성을 통한 PVDF 기반 에너지 하베스팅 소자 성능 향상 기술 동향
Recent Development in Performance Enhancement of PVDF-Nanopowder Composite-based Energy Harvesting Devices 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.3, 2020년, pp.247 - 255

최건주 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 박일규 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, interest in technology for eco-friendly energy harvesting has been increasing. Polyvinylidene fluoride (PVDF) is one of the most fascinating materials that has been used in energy harvesting technology as well as micro-filters by utilizing an electrostatic effect. To enhance the performance of the electrostatic effect-based nanogenerator, most studies have focused on enlarging the contact surface area of the pair of materials with different triboelectric series. For this reason, one-dimensional nanofibers have been widely used recently. In order to realize practical energy-harvesting applications, PVDF nanofibers are modified by enlarging their contact surface area, modulating the microstructure of the surface, and maximizing the fraction of the ν-phase by incorporating additives or forming composites with inorganic nanoparticles. Among them, nanocomposite structures incorporating various nanoparticles have been widely investigated to increase the β-phase through strong hydrogen bonding or ion-dipole interactions with -CF2/CH2- of PVDF as well as to enhance the mechanical strength. In this study, we report the recent advances in the nanocomposite structure of PVDF nanofibers and inorganic nanopowders.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

최근 세라믹계, 탄소계, 무기금속 원소 및 금속 나노분말들을 이용하여 PVDF기반 나노 파이버 정전성 향상을 위한 나노제너레이터의 성능을 향상시키는 메커니즘들이 연구되었다. 그 중에서 본 논문에서는 PVDF에 ZnO[10], BaTiO₃[11], ZnSnO₃[12], Fe₃O₄[13], TiO₂[14] 등의 무기물 나노 입자와 탄소나노튜브[15], 그래핀 양자점(graphene quantum dots; GQDs)[16]등의 탄소 나노 입자, 희토류 원소[17], silver nanowires[18] 등을 첨가하여 TENG 성능을 향상시켰던 서로 다른 메커니즘들에 대해 리뷰하고자 한다. 이러한 연구들은 에너지 하베스팅 기술뿐 아니라, 향 후 응용이 가능한 정전성 나노 필터, 멤브레인 및 광촉매성 소재 등으로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 세라믹계부터 탄소계와 금속 나노 분말과의 복합화를 통해 PVDF 기반의 나노제너레이터의 성능향상 및 그 메커니즘 규명에 관한 최근 연구 동향에 관한 최신 연구들을 리뷰 하였다. 공통적으로 전기방사 과정에서 가해진 전기장에 의해 PVDF 소스 용액의 쿨롱 힘의 제어를 통해 나노 파이버의 형상을 제어할 수 있음을 알 수 있으며, 이를 통해 개별 나노 파이버의 직경 변화에 의해 기인한 표면적 증가를 통해 나노제너레이터의 성능이 크게 향상될 수 있음을 보고하고 있다.

가설 설정

5. The XRD pattern of (a) pristine PVDF and (b) TiO₂/PVDF mats. (c) FT-IR spectra of PVDF powder and pristine PVDFand TiO₂/PVDF mats.

성능/효과

XRD 분석에서, Fe3O4 나노 분말의 양이 증가함에 따라 β-상의 분율이 증가하는 것이 확인되었다.
ZnSnO3 나노 분말을 이용한 PVDF 기반 나노제너레이터의 성능 향상은 상반전이라는 매우 간단한 방법을 이용하여 β-상의 분율이 높였을 뿐만 아니라, 멤브레인 상태에서 압전특성을 이용해 정전효과까지 극대화할 수 있었다.
그 결과로 그래핀 양자점을 함유한 PVDF 나노 파이버 기반의 TENG 성능은 35 µW에서 97 µW까지 큰 폭으로 증가하였다.
특히 큰 종횡비를 갖는 ZnO 나노 로드는 나노 분말 형상보다 PVDF 나노 파이버의 β-상을 효과적으로 형성시킬 수 있다는 결과가 보고되었다[10]. 또한 ZnO에 의해 PVDF의 결정성 또한 증가시키게 되어 복합화를 통해 약 8% 높은 53.1%의 결정성을 가짐을 확인하였다. 이 두가지 효과로 인해 PVDF/ZnO 나노로드 복합체 기반의 나노제너레이터는 85 V의 출력전압과 2.
또한 다양한 물질계 나노 분말과의 복합화를 통해 PVDF 결정내에서 -CF2/CH2-의 배열을 이온-쌍극자 상호작용이나 수소결합을 이용해 가장 큰 극성을 띄는 β-상의 분율을 극대화 함으로써 소재의 정전성을 증가시킴으로써 나노제너레이터의 성능이 크게 개선됨을 알 수 있다.
그림-3에서 보여주는 바와 같이 순수한 PVDF 멤브레인의 β-상의 분율은 49% 이지만, ZnSnO₃/PVDF 나노 분말 복합체 멤브레인은 72%로 PVDF의 극성을 향상시키는 것으로 보고하고 있으며, ZnSnO₃ 나노 분말이 함유된 PVDF의 경우, 멤브레인의 경우 기공도도 향상하는 결과를 보여준 바 있다[12]. 이러한 PVDF 멤브레인을 통한 나노제너레이터의 성능 결과는 순수 PVDF에 비해서 PVDF-ZnSnO₃의 VOC와 ISC의 값은 각각 70%와 200%만큼 향상되었다. 성능이 향상된 첫번째 이유는 PVDF의 β-상 분율이 23%만큼 증가했기 때문이고, 두번째로는 측정 시 가해진 힘에 의해 ZnSnO₃의 압전 성능때문에 멤브레인 내의 표면전하밀도가 높아졌기 때문으로 보고하고 있다.

후속연구

이러한 압전 및 정전 효과를 이용한 나노제너레이터의 성능 향상과 내구성 향상은 PVDF 물질계에만 국한되지 않고 다른 폴리머와의 복합화에도 응용될 수 있을 것으로 보인다. 또한 이러한 원리는 최근 수요가 급증하고 있는 정전성 나노필터, 멤브레인 및 광촉매성 소재 등으로의 응용이 가능할 것으로 기대된다.
특히 압전 및 정전 기반의 나노제너레이터의 경우, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 원리의 특성상 내구성이 중요한데, 일부 세라믹계 나노 분말과 복합화된 PVDF의 경우 기계적 물성을 크게 증가시켜 내구성을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이러한 압전 및 정전 효과를 이용한 나노제너레이터의 성능 향상과 내구성 향상은 PVDF 물질계에만 국한되지 않고 다른 폴리머와의 복합화에도 응용될 수 있을 것으로 보인다. 또한 이러한 원리는 최근 수요가 급증하고 있는 정전성 나노필터, 멤브레인 및 광촉매성 소재 등으로의 응용이 가능할 것으로 기대된다.
그 중에서 본 논문에서는 PVDF에 ZnO[10], BaTiO₃[11], ZnSnO₃[12], Fe₃O₄[13], TiO₂[14] 등의 무기물 나노 입자와 탄소나노튜브[15], 그래핀 양자점(graphene quantum dots; GQDs)[16]등의 탄소 나노 입자, 희토류 원소[17], silver nanowires[18] 등을 첨가하여 TENG 성능을 향상시켰던 서로 다른 메커니즘들에 대해 리뷰하고자 한다. 이러한 연구들은 에너지 하베스팅 기술뿐 아니라, 향 후 응용이 가능한 정전성 나노 필터, 멤브레인 및 광촉매성 소재 등으로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 에너지 하베스팅 기술이 꾸준이 연구되는 배경은 무엇인가	최근 Internet of things(IoT) 기술 및 인공지능 기반 4차산업 혁명 기술에 대한 관심의 증가로 친환경 에너지 하베스팅 기술이 꾸준히 연구되고 있다[1-3]. 에너지 하베스팅이란 자연에서 버려지는 빛, 열, 기계적 에너지 등을 전기에너지로 전환하여 웨어러블 기기나 MEMS 등 IoT용 소형 소자의 에너지원으로 사용하는 기술이다.
	에너지 하베스팅 기술 중 TENG의 특징은 무엇인가	이러한 조건에 가장 부합할 수 있는 에너지 하베스팅 기술 중 하나로 정전 효과를 이용한 Triboelectric Nanogenerator(TENG)이 각광 받고 있다. TENG은 외부에너지원이 따로 필요하지 않으면서 일반적인 기계적 에너지는 물론이고 미세한 떨림도 전기에너지로 변환할 수 있는 특징이 있다[3-6]. TENG 성능의 출력 향상을 위해서는 정전 효과를 일으키는 두 물질 간의 전자 친화도 차이가 커야 한다.
	에너지 하베스팅이란 무엇인가	최근 Internet of things(IoT) 기술 및 인공지능 기반 4차산업 혁명 기술에 대한 관심의 증가로 친환경 에너지 하베스팅 기술이 꾸준히 연구되고 있다[1-3]. 에너지 하베스팅이란 자연에서 버려지는 빛, 열, 기계적 에너지 등을 전기에너지로 전환하여 웨어러블 기기나 MEMS 등 IoT용 소형 소자의 에너지원으로 사용하는 기술이다. 최근 지구온난화 문제가 심각해지면서, 친환경적인 에너지원으로써 에너지 하베스팅 기술은 많은 주목을 받았다.

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표제어: PCR

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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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