초록 ▼

□ 연구개요
○본 연구과제를 통해 신체활동 및 신체 주변으로부터 압전에너지를 수확/변환할 수 있는 유연성 하이브리드 소재를 개발하고자 하였음. 연구목표를 달성하기 위해서 전기방사 및 열처리법으로 우수한 압전 또는 열전에너지 하베스팅 특성의 무기나노섬유 제조 및 분석하였고, 압전/열전성 무기나노섬유와 개질된 탄소나노 소재를 유연성 또는 기능성 고분자와 융복합하여 하이브리드 소재를 제조하였으며, 하이브리드 소재의 압전/열전에너지 하베스팅 특성 규명과 더불어 기능성 향상을 체계적으로 고찰하였음.

□ 연구 목표대비 연구결

□ 연구개요
○본 연구과제를 통해 신체활동 및 신체 주변으로부터 압전에너지를 수확/변환할 수 있는 유연성 하이브리드 소재를 개발하고자 하였음. 연구목표를 달성하기 위해서 전기방사 및 열처리법으로 우수한 압전 또는 열전에너지 하베스팅 특성의 무기나노섬유 제조 및 분석하였고, 압전/열전성 무기나노섬유와 개질된 탄소나노 소재를 유연성 또는 기능성 고분자와 융복합하여 하이브리드 소재를 제조하였으며, 하이브리드 소재의 압전/열전에너지 하베스팅 특성 규명과 더불어 기능성 향상을 체계적으로 고찰하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
○1차연도(기간: 12개월)에는 효율적인 전기방사법 및 소결 공정을 통해 잘 정렬된 BaTiO₃ 나노섬유를 제조하였음. PDMS 매트릭스와 조합하여, BaTiO₃ 나노섬유가 PDMS 매트릭스에서 수직 또는 수평 또는 무작위로 정렬되는 3종의 유연한 BaTiO₃ 나노섬유/PDMS 압전소자(BTNF-V, BTNF-H 및 BTNF-R)를 제조하였음. 특히 BTNF-V는 0.002 MPa의 낮은 기계적 압력에서 2.67V의 최고 출력전압과 261.40 nA의 높은 출력전류를 보여 BTNF-H 및 BTNF-R에 비해 ~0.1841 μW의 평균 전력을 수확할 수 있었음. 결과적으로 BTNF-V 압전소자에 의해 생성된 전력은 상용 LED를 밝히고 34초 안에 1 μF 커패시터를 0.46 V로 충전하는 것이 가능하였음.
○2차연도(기간: 10개월)에는 PDMS 매트릭스 기반 압전소자의 전기, 유전 및 압전 특성에 MWCNT (0.0-5.0 wt%) 및 BaTiO₃ 나노섬유 (10-50 wt%)의 역할을 체계적으로 고찰하였음. MWCNT가 2.0 wt% 및 40 wt% BaTiO₃ 나노섬유를 갖는 PDMS 기반 압전소자의 경우 ~3.73 V의 출력전압, ~1.37 mA의 전류 및 ~ 0.33 mW의 전력이라는 최고의 압전 성능을 보였음. 또한 주기적 압축변형에 의해 생성된 압전 전력은 상용 LED를 밝히고 정류 후 커패시터를 충전하는 것이 가능하였음.
○3차연도(기간: 10개월)에는 BaTiO3 나노입자와 자연적으로 풍부한 나노셀룰로스 매트릭스를 사용하여 수분산 현탁액 캐스팅법을 통해 압전특성의 친환경적인 복합필름을 제조하고, 그들의 미세구조, 유전/전기적 특성, 열안정성, 기계적 물성 및 압전 성능을 30-60 wt%의 BaTiO₃ 함량을 고려하여 고찰하였음. 5 kPa의 주기적 압력 하에서 40 wt% BaTiO₃를 갖는 나노셀룰로스 복합필름에 대해 ~2.86 V의 출력전압, ~262 nA의 출력전류 및 ~373 nW의 최대 압전 성능이 달성되었음.
○4차연도(기간: 4개월)에는 무기열전재료 NaCo₂O₄와 탄소나노섬유를 이용한 열전기능성의 하이브리드 탄소나노섬유를 제조하였음. 탄화온도 850 ℃에서 제조된 NaCo₂O₄/탄소나노섬유 열전소자는 795 S/m의 매우 높은 전기전도도, 16 μV/K의 제백계수, 및 2.83×10^-4의 가장 높은 열전성능지수를 가지고 있었음.
○본 과제의 연구기간 3년(36개월) 동안 BaTiO₃ 나노섬유/PDMS 압전소자, BaTiO₃ 나노입자/MWCNT/PDMS 압전소자, BaTiO₃ 나노입자/나노셀룰로스 압전소자 및 NaCo₂O₄/탄소나노섬유 열전소자를 제조하였으며, 이들의 압전 및 열전특성을 체계적으로 고찰하였음. 본 연구과제를 통해 SCI급 논문 10편, 국내/국제 학술대회 논문발표 27건, 수상실적 1건, 박사 1명, 석사 4명을 배출하였음. 결과적으로 본 연구과제에서 제시한 정성적 연구목표와 내용을 충실하게 달성하였다고 사료됨.

□ 연구개발결과의 중요성
○본 연구과제에서 BaTiO₃ 나노섬유/PDMS 압전소자, BaTiO₃ 나노입자/MWCNT/PDMS 압전소자, BaTiO₃ 나노입자/나노셀룰로스 압전소자 및 NaCo₂O₄/탄소나노섬유 열전소자를 제조하였으며, 이들의 압전 및 열전특성을 체계적으로 고찰하였음. 특히 본 연구를 통해 제조된 압전소자들은 상대적으로 낮은 기계적 에너지로부터 상용 LED를 점등시키거나, 정류 후 마이크로 커패시터를 충전시킬 정도의 전기에너지를 효과적으로 하베스팅 할 수 있음을 발견하였음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구개발의 필요성 ... 4
• 2) 연구의 최종목표 ... 6
• 3) 연구의 내용 및 범위 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 1차연도: BaTiO3 나노섬유가 다양한 배향으로 도입된 PDMS 복합체의 제조와 압전특성 연구 ... 6
• 2) 2차연도: BaTiO3 나노섬유 및 탄소나노튜브(MWCNT)가 도입된 PDMS 복합체의 제조와 압전특성 연구 ... 12
• 3) 3차연도: 나노셀룰로스 기반 압전기능성 나노복합필름 제조와 특성평가 ... 18
• 4) 4차년도: 열전기능성 하이브리드 탄소나노섬유의 제조와 특성평가 ... 22
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 25
• 4. 참고문헌 ... 26
• 5. 연구성과 ... 29
• 끝페이지 ... 30