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마찰전기 발전기의 전기 효율을 향상하기 위한 macroscale 패턴 제조 방식 연구
A novel method for manufacturing macroscale patterns to enhance electrical efficiency by Triboelectric generator 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.1, 2020년, pp.75 - 84  

양준호 (서울대학교 기계항공공학부) ,  이재영 (한동대학교 기계제어공학부)

초록
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본 연구에서는 간단하면서, 효과적이고, 지속가능성이 높은 3차원 프린터를 활용한 마찰 전기 발전기 제작 방식을 소개하고자 합니다. 본 연구는 매크로 사이즈의 표면 패턴을 생성하는 방식으로써, 새롭게 소개되는 마찰전기 발전기 제작 방식입니다. 모든 실험은 특별히 제작된 test-bed에서 수행되었으며, test-bed는 마찰을 일으키는 무게와 빈도수, 상대 습도 등을 조정할 수 있는 실험 환경입니다. 추가적으로, 본 연구를 통하여 본연구진은 어떠한 공정을 거치지 않은 마찰전기 발전기에 비해 공정을 거친 마찰전기 발전기가 1.6배가량 전압의 성능이 향상된 것을 확인하였습니다. 기존의 마이크로 그리고 나노 사이즈의 패턴들과 비교하여 3차원 프린터를 활용한 본 연구의 방식은 제작이 훨씬 빠르고, 용이하며, 대량 생산에 적합한 방법이 될 수 있습니다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study investigates a simple, yet effective and affordable, manufacturing method to increase the electrical efficiency by triboelectric generator (TEG) applying 3D printers. In this study, we propose the newly manufacturing method for producing a macroscale surface patterning. Overall experiment...

주제어

#마찰전기 발전기   #에너지 하버스팅   #3D 프린터   #전압 발전  

표/그림 (10)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이때 본 연구에서 제안한 방식으로 TEG 내의 알루미늄 필름의 마찰 표면적이 14% 가량 상승하였다는 것을 확인하였습니다. 기존의 마이크로 그리고 나노 스케일의 패턴 작업과 비교하여, 높은 수준의 전압 상승은 하지 못하였지만 화학적 전처리나 복잡한 공정이 없이 1~3초 정도의 실시간 공정을 통하여 높은 전기적 출력 상승률을 가지는 방식에 대한 연구를 수행하였습니다. 추가적으로, 누르는 힘, 힘의 빈도, 상대 습도와 같은 TEG 출력과 연관된 변수들에 대한 독립적인 연구를 수행하여, TEG가 에너지 하베스팅을 최대 효율로 할 수 있는 최적의 환경에 대한 연구를 수행하였습니다.
  • 나노 스케일의 패터닝은 다단계인 drying, etching, mixing, degassing, spin coating를 통해 포토 리소그래피로 수행되었습니다. 따라서 본 논문에서는 3차원 프린터를 이용하여 mold를 제작하고 제작된 mold를 알루미늄 필름에 새겨 매크로 스케일의 패턴을 알루미늄 필름에 생성하는 효율적인 방법을 제안하였습니다. 제안된 방법은 기존의 화학적 전처리나 복잡한 공정을 사용하는 대신에 mold를 TEG 표면에 눌러 패턴을 인쇄합니다.
  • 따라서 본 논문은 쉽게 접근 할 수 있는 3D 프린터를 사용하여 전체 TEG 효율을 향상시키기위한 저렴하며 효율적인 제조 공정을 제안합니다. 제안된 방법은 다음과 같이 설명될 수 있습니다.
  • 제안된 방법은 기존의 화학적 전처리나 복잡한 공정을 사용하는 대신에 mold를 TEG 표면에 눌러 패턴을 인쇄합니다. 본 공정 방식은 기존 방식과 비교하여 쉽고 빠르기 때문에 TEG 대량 생산에 적합하며, 결과 부분에서 거시적 패턴이 실제 응용을 위해 어느정도의 TEG 전압 출력 상승이 가능한 지 실험하였다. Mold를 모델링한 그림과 실제 mold, mold를 알루미늄에 새긴 상황에서 실제 알루미늄 필름의 모습을 Fig 3에서 확인할 수 있습니다.
  • 본 연구에는 간편하면서 동시에 효과적인 마찰전기 발전기 필름 제작 방식에 대한 제안을 수행하였습니다. 3차원 프린터를 통하여, 패턴을 새길 수 있는 mold를 제작하고 알루미늄 필름위에 일정한 압력으로 필름위에 패턴을 새기는 과정으로써 TEG 출력 전압이 67% 가량 상승하는 것을 확인할 수 있었습니다.
  • 특별하게 green technology에서도 에너지 하베스팅과 에너지 저장방식은 매우 특별한 연구 주제입니다 [1, 2]. 본 연구에서는 새롭게 각광을 받고 있는 마찰전기 발전기를 이용하여, 기존의 마찰전기 발전기의 에너지 하베스팅 효율을 증대하는 연구를 수행하고자 하였습니다. 마찰 전기 효과란 전기 전도도가 다른 두 물질이 마찰력이 발생하는 비비거나 누르는 힘에 의해 전기가 발생하는 것을 의미합니다.
  • TEG의 전압 생성은 마찰력의 크기와 빈도수, 접촉 표면의 면적, 온도와 습도와 같은 여러 외부 요인의 영향을 받습니다. 여러 요인이 TEG 결과에 영향을 미치므로 TEG 특성을 분석할 때 이러한 요인을 개별적으로 제어할 수 있는 시스템을 만들고자 하였습니다. 따라서 본 논문에서 활용된 test-bed chamber는 압축력의 크기, 힘의 빈도 및 상대 습도를 제어할 수 있도록 설계되었습니다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TEG 효율을 향상시키기 위한 방법으로 제안된 것은? 따라서 본 논문은 쉽게 접근 할 수 있는 3D 프린터를 사용하여 전체 TEG 효율을 향상시키기위한 저렴하며 효율적인 제조 공정을 제안합니다. 제안된 방법은 다음과 같이 설명될 수 있습니다.
마찰 전기 효과란 본 연구에서는 새롭게 각광을 받고 있는 마찰전기 발전기를 이용하여, 기존의 마찰전기 발전기의 에너지 하베스팅 효율을 증대하는 연구를 수행하고자 하였습니다. 마찰 전기 효과란 전기 전도도가 다른 두 물질이 마찰력이 발생하는 비비거나 누르는 힘에 의해 전기가 발생하는 것을 의미합니다. 마찰전기 효과는 제어가 되지 않는 상황에서는 위험하게 인식되었습니다.
제어되지 않을 때 마찰전기 효과가 위험하다고 인식된 이유는 무엇인가? 마찰전기 효과는 제어가 되지 않는 상황에서는 위험하게 인식되었습니다. MOSFET 트렌지스터나 CMOS 통합회로와 같은 상황에서 그러하며, 이때 마찰 전기는 원하지 않던 정적인 전극 형태가 되어 먼지나 휘발성 물질, 발화성 가스에 의하여 점화를 일으킬 수 있기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 최근에 마찰전기 발전 효과는 전기적 에너지를 독자적으로 만드는 잠재성과 소형 에너지 하베스팅을 하기 위하여 주목을 받고 있습니다 [3].
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참고문헌 (15)

  1. Chu, W. S.; Chun, D. M.; Ahn, S. H., 2014, Research Advancement of Green Technologies, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 15, pp. 973-977. 

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  2. Park, C. W.; Kwon, K. S.; Kim, W. B.; Min, B. K.; Park, S. J.; Sung, I. H.; Yoon, Y.S.; Lee, K. S.; Lee, J.; Seok, J., 2009, Energy Consumption Reductive Technology in Manufacturing-A Selective Review of Policies, Standards, Research, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 10, pp. 151-173. 

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  3. Wang, Z. L., 2013, Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-Powered Systems and as Active Mechanical and Chemical Sensors, ACS Nano, Vol. 7, pp. 9533-9557. 

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  4. Fan, F. R.; Tian, Z. Q.; Wang, Z. L., 2012, Flexible Triboelectric Generator, Nano Energy Vol. 1, pp. 328-334. 

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  5. Kim, S.; Gupta, M. K.; Lee, K. Y.; Sohn, A.; Kim, T. Y.; Shin, K.; Kim, D.; Kim, S. K.; Lee, K. H.; Shin, H. J., 2014, Transparent Flexible Graphene Triboelectric Nanogenerators, Adv. Mater. Vol. 26, pp. 3918-3925. 

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  6. Lee, K. Y.; Chun, J.; Lee, J. H.; Kim, K. N.; Kang, N. R.; Kin, J. Y.; Kim, M. H.; Shin, K.; Gupta, M. K.; Baik, J. M., 2014, Hydrophobic Sponges Structure Based Triboelectric Nanogenerator, Adv. Mater. Vol. 26, pp. 5037-5042. 

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  7. Fan, F.; Lin, L.; Zhu, G.; Wu, W.; Zhang, R.; Wang, Z. L., 2012, Transparent Triboelectric Nanogenerators and Self-powered Pressure Sensors Based on Micropatterned Plastic Films, Nano Lett. Vol. 12, pp. 3109-3114. 

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  8. Yang, Y.; Lin, L.; Zhang, Y.; Jing, Q.; Hou, T. C.; Wang, Z. L., 2012, Self-Powered Magnetic Sensor Based on a Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano, Vol. 6, pp. 10378-10383. 

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  9. Wang, S.; Lin, L.; Wang, Z. L., 2012, Nanoscale Triboelectric-Effect-Enabled Energy Conversion for Sustainably Powering Portable Electronics, Nano Lett., Vol. 12, pp. 6339-6346. 

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  10. Zhu, G.; Lin, Z. H.; Jing, Q.; Bai, P.; Pan, C.; Yang, Y.; Zhou, Y.; Wang, Z. L., 2013, Toward Large-scale Energy Harvesting by a Nanoparticleenhanced Triboelectric Nanogenerator, Nano Lett., Vol. 13, pp. 847-853 

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  11. Lin, Z.; Zhu, G.; Zhou, Y. S.; Yang, Y.; Bai, P.; Chen, J.; Wang, Z. L., 2013, A Self-Powered Triboelectric Nanosensor for Mercury Ion Detection. Angew. Chem. Int. Ed. Vol. 52, pp. 1-6. 

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  12. Yang, X.; Zhu, G.; Wang, S.; Zhang, R.; Lin, L.; Wu, W.; Wang, Z. L., 2012, A Self-Powered Electrochromic Device Driven by a Nanogenerator, Energy Environ. Sci., Vol. 5, pp. 9462-9466. 

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  13. Lin, Z.; Cheng, G.; Wu, W.; Pradel, K. C.; Wang, Z. L., 2014, Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Water Energy and as a Self-Powered Ethanol Nanosensor, ACS Nano, Vol. 8, pp. 6440-6448. 

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  14. Zhong, J.; Zhong, Q.; Fan, F.; Zhang, Y.; Wang, S.; Hu, B.; Wang, Z. L.; Zhou, J., 2012, Finger Typing Driven Triboelectric Nanogenerator and Its Use for Instantaneously Lighting up LEDs, Nano Energy, Vol. 2, pp. 491-497. 

  15. Hou, T.; Yang, Y.; Zhang, H.; Chen, J.; Chen, L.; Wang, Z. L., 2013, Triboelecric Nanogenerator Built Inside Shoe Insole for Harvesting Walking Energy, Nano Energy Vol. 2, pp. 856-862. 

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