KR20210051201A - Flexible nanogenerator using mesh-shaped electrodes - Google Patents

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KR20210051201A
KR20210051201A KR1020190136166A KR20190136166A KR20210051201A KR 20210051201 A KR20210051201 A KR 20210051201A KR 1020190136166 A KR1020190136166 A KR 1020190136166A KR 20190136166 A KR20190136166 A KR 20190136166A KR 20210051201 A KR20210051201 A KR 20210051201A
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Abstract

A flexible nanogenerator and a wearable energy device including the same are provided. According to embodiments of the present invention, the flexible nanogenerator comprises: a first nanogenerator comprising a first fabric and a first material pattern and a second material pattern alternately disposed on the first fabric; and a second nanogenerator including a second fabric and a third material pattern and a fourth material pattern alternately disposed on the second fabric. The first material pattern, the second material pattern, the third material pattern, and the fourth material pattern may have different surface roughness. The wearable energy device comprises: the flexible nanogenerator disposed on a commercial fabric; and a supercapacitor disposed on the commercial fabric and electrically coupled to the flexible nanogenerator.

Description

메쉬형태의 전극을 이용한 플렉시블 나노발전기{omitted}Flexible nanogenerator using mesh-shaped electrode{omitted}

본 발명은 메쉬형태의 전극을 이용한 플렉시블 나노발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible nanogenerator using a mesh-type electrode.

웨어러블 전자 장치는 모바일 장치의 급속한 보급뿐만 아니라 플렉시블하고 신축적인 전자 장치와 함께 큰 주목을 받고 있다. 상기 플렉시블 전자 장치는 예를 들어, 무기 반도체에 기반을 둔 표피 전자 장치, 유기 전자 장치, 피부에 접합되는 유기 전자 장치, 인간 피부를 모방할 수 있는 고도로 민감한 압력 및 압박 센서들, 전자 피부용 액티브-매트릭스 기계 센서 및 운동 장애의 진단과 치료를 위한 다기능 전자 패치에 적용될 수 있는 등 인간 신체로부터 생리적 및 전기 생리적 정보를 수집하는데 큰 관심을 받고 있다.Wearable electronic devices are receiving great attention along with the rapid spread of mobile devices as well as flexible and flexible electronic devices. The flexible electronic device includes, for example, an inorganic semiconductor-based epidermal electronic device, an organic electronic device, an organic electronic device bonded to the skin, highly sensitive pressure and pressure sensors capable of imitating human skin, and active electronic skin. There is a great interest in collecting physiological and electrophysiological information from the human body, such as being applied to a matrix mechanical sensor and a multifunctional electronic patch for diagnosis and treatment of movement disorders.

그러나, 대부분의 플렉시블 전자 장치는 긴 와이어를 통한 외부 전원과의 연결에 의존하기 때문에 모바일 장치로의 적용에 한계가 있다. 따라서, 웨어러블 장치에 포함되는 집적화된 전기 발생 및 저장 장치의 개발이 요구된다.However, most flexible electronic devices have limitations in their application to mobile devices because they rely on connection with an external power source through a long wire. Accordingly, there is a need to develop an integrated electricity generation and storage device included in a wearable device.

나노발전기는 웨어러블 장치에 사용될 수 있는 에너지 장치이다. 나노발전기는 컨택/릴리스(contact/release) 및 슬라이딩(sliding) 동작 등의 기계적 마찰을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 컨택/릴리스형 마찰은 수직 동작 중에 가장 많이 이루어진다. 컨택 상태에서 전자는 서로 다른 두 물질의 계면에서 이동된다. 릴리스 상태로 변하는 과정에서 두 계면에서 형성된 에어 갭은 전기 포텐셜의 균형을 유지하고, 정전기 유도에 의해 외부 와이어를 통해 전류를 발생한다. 한편, 상기 마찰은 수평 동작 중에 더 흔하게 발생한다. 최근 수평 마찰을 이용하려는 노력은 빈 에어갭을 형성하기 위해 폴리머 어레이를 패터닝하는 것에 의해 물결 구조를 형성하는데 집중되어 있다. 그러나, 상기 구조(에어갭)를 유지하기 위해서는 단단한 물질을 사용하는 것이 필요하고, 이는 플렉시블 장치에 적용될 수 없다. 웨어러블 전자 장치에 에너지원으로 수평 마찰을 이용하기 위해서는 플렉시블하면서도 에어갭에 의존하지 않는 새로운 형태의 마찰 전기 발생기가 필요하다. 또, 독립적으로 작동하기 위해서는 마찰 전기 발생기에 의해 발생한 전기를 웨어러블 시스템 내에 저장될 수 있어야 한다.Nanogenerators are energy devices that can be used in wearable devices. Nanogenerators can convert mechanical friction such as contact/release and sliding motions into electrical energy. Contact/release friction occurs most during vertical motion. In the contact state, electrons move at the interface between two different materials. In the process of changing to the release state, the air gap formed at the two interfaces maintains the electric potential balance, and generates a current through the external wire by induction of static electricity. On the other hand, the friction occurs more commonly during horizontal motion. Recent efforts to exploit horizontal friction have focused on forming undulating structures by patterning polymer arrays to form empty air gaps. However, it is necessary to use a hard material to maintain the structure (air gap), which cannot be applied to a flexible device. In order to use horizontal friction as an energy source for wearable electronic devices, a new type of triboelectric generator that is flexible and does not depend on an air gap is required. In addition, in order to operate independently, electricity generated by the triboelectric generator must be stored in the wearable system.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 플렉시블 나노발전기를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a flexible nanogenerator.

본 발명은 상기 플렉시블 나노발전기를 포함하는 웨어러블 에너지 장치를 제공한다.The present invention provides a wearable energy device including the flexible nanogenerator.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

본 발명의 실시예들에 따른 플렉시블 나노발전기는, 제1 직물 및 상기 제1 직물 상에 교대로 배치되는 제 1 소재 패턴과 제2 소재 패턴을 포함하는 제1 나노발전기 및 제2 직물 및 상기 제2 직물 상에 교대로 배치되는 제3 소재 패턴과 제4 소재 패턴을 포함하는 제2 나노발전기를 포함한다. 상기 제1 소재 패턴, 상기 제2 소재 패턴, 상기 제3 소재 패턴, 및 상기 제4 소재 패턴은 표면 거칠기가 서로 다를 수 있다.The flexible nanogenerator according to the embodiments of the present invention includes a first nanogenerator and a second fabric including a first material pattern and a second material pattern alternately disposed on the first fabric and the first fabric, and the second fabric. 2 It includes a second nanogenerator including a third material pattern and a fourth material pattern alternately disposed on the fabric. The first material pattern, the second material pattern, the third material pattern, and the fourth material pattern may have different surface roughnesses.

상기 제1 직물 및 상기 제2 직물은 전도성 탄소 직물일 수 있다.The first fabric and the second fabric may be conductive carbon fabrics.

상기 제1 소재 패턴은 폴리우레탄을 포함할 수 있고, 상기 제2 소재 패턴은 폴리이미드를 포함할 수 있고, 상기 제3 소재 패턴은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있으며, 상기 제4 소재 패턴은 알루미늄을 포함할 수 있다.The first material pattern may include polyurethane, the second material pattern may include polyimide, the third material pattern may include polydimethylsiloxane, and the fourth material pattern is aluminum It may include.

상기 제1 소재 패턴과 상기 제2 소재 패턴이 같은 두께를 가질 수 있고, 상기 제3 소재 패턴과 상기 제4 소재 패턴이 같은 두께를 가질 수 있다.The first material pattern and the second material pattern may have the same thickness, and the third material pattern and the fourth material pattern may have the same thickness.

본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는, 상업용 직물 상에 배치되는 상기 플렉시블 나노발전기 및 상기 상업용 직물 상에 배치되고 상기 플렉시블 나노발전기에 전기적으로 연결되는 수퍼커패시터를 포함한다.A wearable energy device according to embodiments of the present invention includes the flexible nanogenerator disposed on a commercial fabric and a supercapacitor disposed on the commercial fabric and electrically connected to the flexible nanogenerator.

상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 각각 복수개 포함될 수 있고, 상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 병렬로 연결될 수 있다.Each of the first nanogenerator and the second nanogenerator may be included in plurality, and the first nanogenerator and the second nanogenerator may be connected in parallel.

상기 상업용 직물은 의류를 포함할 수 있고, 상기 제1 나노발전기는 상기 의류의 팔 부분에 배치될 수 있고, 상기 제2 나노발전기는 상기 의류의 몸체 부분에 배치될 수 있다. 상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 서로 마찰되는 것에 의해 전기를 발생할 수 있다. 상기 수퍼커패시터는 상기 의류의 가슴 부분에 배치되어 상기 전기를 저장할 수 있다.The commercial fabric may include clothing, the first nanogenerator may be disposed on the arm portion of the clothing, and the second nanogenerator may be disposed on the body portion of the clothing. The first nanogenerator and the second nanogenerator may generate electricity by rubbing against each other. The supercapacitor may be disposed on the chest of the clothing to store the electricity.

상기 플렉시블 나노발전기와 상기 플렉시블 수퍼커패시터는 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합될 수 있고, 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합되는 전도성 실에 의해 서로 연결될 수 있다.The flexible nanogenerator and the flexible supercapacitor may be sewn and bonded to the commercial fabric, and may be connected to each other by conductive threads that are sewn and bonded to the commercial fabric.

본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는 플렉시블 나노발전기와 플렉시블 수퍼커패시터를 포함한다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 인간 활동을 통하여 발생한 에너지를 수확하고 저장할 수 있다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 상기 활동을 모니터할 뿐만 아니라 외부 센서나 장치에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.The wearable energy device according to embodiments of the present invention includes a flexible nanogenerator and a flexible supercapacitor. The wearable energy device may harvest and store energy generated through human activities. The wearable energy device can be used to supply power to external sensors or devices as well as to monitor the activity.

상기 플렉시블 나노발전기는 네가지 다른 소재로 형성되어 에어갭을 필요로하지 않으므로 유연성과 신축성을 가질 수 있다. 이에 의해 상기 플렉시블 나노발전기는 의류 등의 상업용 직물에 부착될 수 있고, 자주 구부러지는 것에 대한 내구성을 가질 수 있다. 상기 플렉시블 나노발전기는 수평 및 수직 마찰에 의해 전기를 발생할 수 있다.Since the flexible nanogenerator is formed of four different materials and does not require an air gap, it may have flexibility and elasticity. Thereby, the flexible nanogenerator may be attached to commercial fabrics such as clothing, and may have durability against frequent bending. The flexible nanogenerator may generate electricity by horizontal and vertical friction.

상기 플렉시블 수퍼커패시터는 탄소 직물 상에 형성된 수직 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 나노입자 전극을 이용하는 것에 의해 그 성능이 향상될 수 있다. 또한 4000회 충전-방전 사이클 후에도 안정적인 우수한 내구성을 가질 수 있다.The performance of the flexible supercapacitor may be improved by using a vertical carbon nanotube (CNT)/RuO2 nanoparticle electrode formed on a carbon fabric. In addition, it can have excellent durability, which is stable even after 4000 charge-discharge cycles.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 구조 및 작동 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 전기 마찰 발생기의 구조 및 메카니즘을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 나노발전기의 연속 마찰 또는 분리 마찰에 의해 발생하는 짧은 회로 전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 수퍼커패시터의 구조 및 전기화학 특성을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 전기 신호의 작동 및 측정을 설명하기 위한 도면이다.
1 schematically shows the structure and operating principle of a wearable energy device according to an embodiment of the present invention.
2 schematically shows the structure and mechanism of an electric friction generator.
3 is a diagram for explaining a short circuit current generated by continuous friction or separation friction of a nanogenerator.
4 schematically shows the structure and electrochemical properties of a supercapacitor.
5 is a view for explaining the operation and measurement of an electrical signal of a wearable energy device according to an embodiment of the present invention.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein, and may be embodied in other forms.

여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.The embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently transmitted to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the drawings, the sizes of elements, or the relative sizes between elements, may be somewhat exaggerated for a clearer understanding of the present invention. In addition, the shape of the elements shown in the drawings may be slightly changed due to variations in the manufacturing process. Accordingly, the embodiments disclosed in the present specification should not be limited to the shapes shown in the drawings unless otherwise specified, and should be understood as including some degree of modification.

본 명세서에서 사용된 용어인 상업용 직물은 인간이 착용할 수 있는 의류 등을 포함하는 직물을 의미한다.As used herein, the term commercial fabric means a fabric including clothing that can be worn by humans.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 구조 및 작동 원리를 개략적으로 나타낸다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 전도성 탄소 직물 상에 제조되고, 상기 전도성 탄소 직물은 상기 웨어러블 에너지 장치가 의류의 특정 위치에 직조될 수 있게 하고 전도성 실에 의해 연결될 수 있게 한다.1 schematically shows the structure and operating principle of a wearable energy device according to an embodiment of the present invention. The wearable energy device is fabricated on a conductive carbon fabric, which allows the wearable energy device to be woven at a specific location on a garment and connected by a conductive thread.

도 1a에 나타난 바와 같이, 나노발전기(TEG)는 마찰을 최대화하는 겨드랑이 영역에 배치될 수 있고, 수퍼 커패시터(SC)는 마찰 손상으로부터 안전하고 나노발전기(TEG)에 인접한 영역인 가슴 영역에 배치될 수 있다. 보행 중에 이루어지는 스윙 동작에 의해 전기가 발생하고 저장될 수 있다.As shown in FIG. 1A, the nanogenerator (TEG) may be disposed in the armpit area to maximize friction, and the super capacitor (SC) is safe from friction damage and disposed in the chest area, which is an area adjacent to the nanogenerator (TEG). I can. Electricity can be generated and stored by swing movements made while walking.

도 1b에 집적화된 에너지 장치의 회로 다이아그램이 도시된다. 복수개의 나노발전기(TEG)가 충분한 전기를 발생시켜 수퍼커패시터(SC)를 충전하도록 병렬로 연결된다. 나노발전기(TEG)와 수퍼커패시터(SC) 사이에 배치되는 정류기(Rectifier)는 발생한 교류 전류(AC)를 직류 전류(DC)로 변환하여 수퍼커패시터(SC)를 충전한다.A circuit diagram of an integrated energy device is shown in FIG. 1B. A plurality of nanogenerators (TEG) are connected in parallel to generate sufficient electricity to charge the supercapacitor (SC). A rectifier disposed between the nanogenerator (TEG) and the supercapacitor (SC) converts the generated alternating current (AC) into direct current (DC) to charge the supercapacitor (SC).

도 1c 내지 도 1e를 참조하면, 나노발전기(TEG)의 설계는, 팔과 몸체 사이에 발생한 수평 및 수직 마찰을 모두 이용할 수 있도록 네개의 상보적인 소재(complementary material)의 제어된 배열에 따라 이루어질 수 있다. 팔의 안쪽에는 폴리우레탄(PU, 제곱 평균 거칠기(Rq)=158nm) 및 폴리이미드(PI, Rq=23.5nm)가 탄소 직물상에 교대로 패터닝되어 제1 나노발전기(TEG I)을 형성한다. 반대쪽 면에 폴리디메틸실록산(PDMS, Rq=49.4nm) 및 알루미늄(Al, Rq=200nm)이 탄소 직물 상에 교대로 패터닝되어 제2 나노발전기(TEG II)를 형성한다. 각각의 소재는 자기 자신의 상대적인 마찰 전기 극성을 갖고, 알루미늄(Al)은 전자를 폴리머 표면으로 이동시키는 전도성 소재로서 회로에 연결된다. 발생한 전기는 집적화된 직물 기반 수퍼커패시터(SC)에 저장된다. 수퍼커패시터(SC)는 탄소 직물, 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극, 폴리비닐 알코올(PVA)/H3PO4 젤 전해질, 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극, 및 탄소 직물이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다.1C to 1E, the design of a nanogenerator (TEG) can be made according to a controlled arrangement of four complementary materials so that both horizontal and vertical friction generated between the arm and the body can be used. have. On the inside of the arm, polyurethane (PU, mean square roughness (Rq) = 158 nm) and polyimide (PI, Rq = 23.5 nm) are alternately patterned on the carbon fabric to form the first nanogenerator (TEG I). On the opposite side, polydimethylsiloxane (PDMS, Rq=49.4nm) and aluminum (Al, Rq=200nm) are alternately patterned on the carbon fabric to form a second nanogenerator (TEG II). Each material has its own relative triboelectric polarity, and aluminum (Al) is a conductive material that moves electrons to the polymer surface and is connected to the circuit. The generated electricity is stored in an integrated fabric-based supercapacitor (SC). The supercapacitor (SC) has a structure in which a carbon fabric, a carbon nanotube (CNT)/RuO2 electrode, a polyvinyl alcohol (PVA)/H3PO4 gel electrolyte, a carbon nanotube (CNT)/RuO2 electrode, and a carbon fabric are sequentially stacked. I can.

도 2는 전기 마찰 발생기의 구조 및 메카니즘을 개략적으로 나타낸다.2 schematically shows the structure and mechanism of an electric friction generator.

도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 각 소재의 상대적인 위치에 의해 유도 전류의 극성이 결정된다. 예를 들어, 알루미늄(Al)이 폴리우레탄(PU)과 폴리이미드(PI)에 정렬될 때 포지티브 및 네커티브 피크가 나타난다. 알루미늄(Al) 전도층은 전자를 전극으로 이동시키기때문에 전하 저장소로서 역할을 수행한다. 전류는 제1 나노발전기(TEG I) 및 제2 나노발전기(TEG II)를 각각 그라운드 및 신호 라인에 연결하는 것에 의해 모니터링된다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 알루미늄(Al)이 폴리우레탄(PU) 쪽으로 드래그(drag)되면 전자를 공급함으로써 양전하로 충전된 폴리우레탄(PU) 표면이 중성화된다. 이는 도 2c에서 상부 피크로 나타난다. 알루미늄(Al)이 폴리이미드(PI) 쪽으로 드래그되면 음전하로 충전된 폴리이미드(PI) 층으로부터 전자가 인출된다. 이는 도 2c에서 하부 피크로 나타난다. 양전하로 충전된 폴리우레탄(PU)과 음전하로 충전된 폴리이미드(PI)의 표면들이 폴리디메틸실록산(PDMS)과 마찰 컨택을 통해 형성되고, 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)때문에 폴리디메틸실록산(PDMS)과 폴리우레탄(PU)은 전자와 홀로 각각 채워진다. 전자로 채워진 폴리디메틸실록산(PDMS)이 폴리이미드(PI)쪽으로 슬라이드되면 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 폴리이미드(PI)로 전자가 이동하여 폴리디메틸실록산과 폴리이미드는 전자를 공유한다. 도 2d에 나타난 바와 같이, 이동된 전하량은 흐름 방향과 상관없이 거의 같다.2A to 2D, the polarity of the induced current is determined by the relative position of each material. For example, positive and negative peaks appear when aluminum (Al) is aligned with polyurethane (PU) and polyimide (PI). Since the aluminum (Al) conductive layer moves electrons to the electrode, it acts as a charge storage. The current is monitored by connecting the first nanogenerator (TEG I) and the second nanogenerator (TEG II) to ground and signal lines, respectively. As shown in FIG. 2B, when aluminum (Al) is dragged toward the polyurethane (PU), the surface of the polyurethane (PU) charged with a positive charge is neutralized by supplying electrons. This is indicated by the upper peak in Fig. 2c. When aluminum (Al) is dragged toward the polyimide (PI), electrons are extracted from the negatively charged polyimide (PI) layer. This appears as a lower peak in Fig. 2c. The surfaces of positively charged polyurethane (PU) and negatively charged polyimide (PI) are formed through frictional contact with polydimethylsiloxane (PDMS), and because of the triboelectric series, polydimethylsiloxane (PDMS) And polyurethane (PU) are filled with electrons and holes, respectively. When electron-filled polydimethylsiloxane (PDMS) slides toward polyimide (PI), electrons move from polydimethylsiloxane (PDMS) to polyimide (PI), and polydimethylsiloxane and polyimide share electrons. As shown in FIG. 2D, the amount of transferred charges is almost the same regardless of the flow direction.

도2e는 나노발전기가 컨택/릴리스 모드에서의 수직 마찰을 전기 에너지로 변환하는 원리의 개략적인 다이아그램을 나타낸다.Fig. 2e shows a schematic diagram of the principle that a nanogenerator converts vertical friction into electrical energy in a contact/release mode.

도 2f 및 도 2g를 참조하면, 나노발전기(TEG)의 성능을 확인하기 위해 5mm의 마찰 거리를 이용하여, 보통의 보행 속도에서 사람 팔의 스윙 속도(swing speed)와 유사한 3cm/s의 러빙 속도(rubbing speed)에서 Isc(short-circuit current)와 Voc(open-circuit voltage)를 측정하였다. Isc는 나노발전기(TEG)의 제조에 사용되는 소재의 반복되는 라인(길이:1.5cm, 폭:0.5cm, 넓이:0.75㎠)의 수에 비례하는 관계(6 라인:23nA, 12라인:43nA, 18 라인:55nA)를 나타낸다. 또, Voc는 6V까지 증가하여도 측정 시스템의 입력 임피던스때문에 면적이 12 라인 이상 증가함에 따라 정체하는 것으로 나타난다.2F and 2G, a rubbing speed of 3 cm/s similar to the swing speed of a human arm at a normal walking speed using a friction distance of 5 mm to confirm the performance of a nanogenerator (TEG) Isc (short-circuit current) and Voc (open-circuit voltage) were measured at (rubbing speed). Isc is a relationship proportional to the number of repetitive lines (length: 1.5cm, width: 0.5cm, area: 0.75cm2) of the material used in the manufacture of a nanogenerator (TEG) (6 lines: 23nA, 12 lines: 43nA, 18 line: 55nA). In addition, even if Voc increases to 6V, it appears to stagnate as the area increases by more than 12 lines due to the input impedance of the measurement system.

도 2h 및 도 2i를 참조하면, 컨택/릴리스 마찰 하에서 같은 표면적을 갖는 나노발전기들은 130nA의 전류와 15V의 전압 출력을 발생한다.2H and 2I, nanogenerators having the same surface area under contact/release friction generate a current of 130nA and a voltage output of 15V.

도 2j 내지 도 2m을 참조하면, 교류(AC) 출력은 정류 다이오드를 통해 직류(DC)로 변환된다. 도 2j는 러빙 동안 축적된 전류를 나타내고, 도 2k는 컨택/릴리스 동안 축적된 전류를 나타낸다. 러빙에 의해 유도된 Isc의 피크값(도 2l 참조)은 컨택/릴리스 마찰에 의한 피크 값(도 2m 참조)처럼 규칙적이지 않지만, 각 피크의 적분 면적이 유사하기 때문에 축적된 전류는 러빙 마찰과 컨택/릴리스 마찰에서 모두 선형 증가를 나타낸다.2j to 2m, an alternating current (AC) output is converted to direct current (DC) through a rectifier diode. Fig. 2J shows the accumulated current during rubbing, and Fig. 2K shows the accumulated current during contact/release. The peak value of Isc induced by rubbing (see Fig. 2L) is not as regular as the peak value due to contact/release friction (see Fig. 2m), but since the integrated area of each peak is similar, the accumulated current is applied to the rubbing friction and the contact. All show a linear increase in /release friction.

도 3은 나노발전기의 연속 마찰 또는 분리 마찰에 의해 발생하는 짧은 회로 전류를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 첫번째 행의 도면들은 연속 마찰인 경우를 나타내고 두번째 행의 도면들은 분리 마찰인 경우를 나타낸다. 또, 도 3a는 알루미늄 층의 두께가 0.4mm인 경우를 나타내고, 도 3b는 알루미늄 층의 두께가 0.1mm인 경우를 나타내며, 도 3c는 알루미늄 층의 두께가 0.2mm인 경우를 나타낸다. 다른 모든 폴리머(폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 및 폴리이미드) 층들의 두께는 0.2mm로 일정하다. 위에 배치되고 폴리우레탄 층과 폴리이미드 층을 포함하는 나노발전기는 제1 나노발전기이고, 아래에 배치되고 폴리디메틸실록산 층과 알루미늄 층을 포함하는 나노발전기는 제2 나노발전기이다.3 is a diagram for explaining a short circuit current generated by continuous friction or separation friction of a nanogenerator. In FIG. 3, the drawings in the first row indicate the case of continuous friction, and the drawings in the second row indicate the case of separation friction. In addition, FIG. 3A shows the case where the thickness of the aluminum layer is 0.4 mm, FIG. 3B shows the case where the thickness of the aluminum layer is 0.1 mm, and FIG. 3C shows the case where the thickness of the aluminum layer is 0.2 mm. The thickness of all other polymer (polydimethylsiloxane, polyurethane, and polyimide) layers is constant at 0.2 mm. The nanogenerator disposed above and comprising a polyurethane layer and a polyimide layer is a first nanogenerator, and the nanogenerator disposed below and comprising a polydimethylsiloxane layer and an aluminum layer is a second nanogenerator.

도 3a를 참조하면, 러빙 동안 알루미늄만이 제1 나노발전기의 폴리머들과 컨택하고, 알루미늄은 마찰 전기 효과에 의해 폴리이미드와 폴리우레탄 각각에 대하여 전자를 이동시키거나 인출한다. 탄소 직물에서 폴리디메틸실록산에 의해 덮힌 영역은 알루미늄의 전화(electrification)와 함께 정전기 유도에 의해 전자를 앞뒤로 이동시킨다. 알루미늄 내 자유 전자에 의해 포지티브 및 네거티브 피크에서 모두 특이한 전류 출력이 자주 나타난다. 알루미늄은 제1 나노발전기의 폴리머 내에 마찰 전기 전하를 유도하고 전자를 주거나 받을 수 있다.Referring to FIG. 3A, during rubbing, only aluminum contacts the polymers of the first nanogenerator, and aluminum moves or withdraws electrons for each of the polyimide and polyurethane by a triboelectric effect. The area covered by polydimethylsiloxane in the carbon fabric transfers electrons back and forth by electrostatic induction with the electrification of aluminum. The free electrons in the aluminum often produce a peculiar current output at both the positive and negative peaks. Aluminum can induce triboelectric charges and give or receive electrons in the polymer of the first nanogenerator.

도 3b를 참조하면, 폴리디메틸실록산만이 제1 나노발전기의 폴리머들과 컨택하고, 전류 출력의 극성은 인버스된다. 이는 정전기 유도와 동적 전화의 두 종류의 전류 유도의 합에 의해 설명될 수 있다. 정전기 유도는 러빙 동안 폴리디메틸실록산의 컨택/릴리스 거동에 의해 유도된다. 음전하로 충전된 폴리디메틸실록산이 폴리우레탄으로부터 폴리이미드로 드래그되면, 공기에 노출된 폴리우레탄은 네거티브 환경을 잃고(릴리스), 폴리이미드는 네커티브 환경을 얻는다(컨택). 같은 폴리디메틸실록산에 의해 유도되는 컨택/릴리스때문에 유도 전류의 양은 같고 유도 전류의 방향은 서로 반대로 총 제로 출력 전류를 형성한다. 동적 전화는 폴리디메틸실록산과 제 1 나노발전기의 폴리머들 사이의 마찰에 의해 유도된다. 폴리우레탄에 의해 전화된 폴리디메틸실록산은 전자가 하부 직물로 흐르게 하고, 폴리이미드에 의해 전화된 폴리디메틸실록산은 전자가 상부 직물로 흐르게 한다.Referring to FIG. 3B, only polydimethylsiloxane contacts the polymers of the first nanogenerator, and the polarity of the current output is inverse. This can be explained by the sum of the two kinds of current induction: static induction and dynamic induction. Electrostatic induction is induced by the contact/release behavior of polydimethylsiloxane during rubbing. When negatively charged polydimethylsiloxane is dragged from the polyurethane to the polyimide, the polyurethane exposed to the air loses the negative environment (release), and the polyimide acquires a negative environment (contact). Because of the contact/release induced by the same polydimethylsiloxane, the amount of induced current is the same and the direction of the induced current is opposite to each other, forming a total zero output current. The dynamic conversion is induced by friction between the polydimethylsiloxane and the polymers of the first nanogenerator. Polydimethylsiloxane converted by polyurethane allows electrons to flow to the lower fabric, and polydimethylsiloxane converted by polyimide allows electrons to flow to the upper fabric.

도 3c를 참조하면, 폴리디메틸실록산과 알루미늄이 모두 제1 나노발전기의 폴리머들과 컨택하면 전류 피크는 방향과 상관없이 동일한 흐름을 나타낸다.Referring to FIG. 3C, when both polydimethylsiloxane and aluminum are in contact with the polymers of the first nanogenerator, the current peak shows the same flow regardless of the direction.

도 4는 수퍼커패시터의 구조 및 전기화학 특성을 개략적으로 나타낸다.4 schematically shows the structure and electrochemical properties of a supercapacitor.

도 4a 내지 도 4d는 수퍼커패시터를 형성하기 위한 제조 공정과 공정 단계별 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸다. 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 단일벽 탄소나노튜브(CNT)가 전자 빔 증발 철촉매(electron-beam-evaporated iron catalyst) 층을 이용한 화학 기상 증착을 통하여 탄소 섬유들의 직물에 합성된다. 탄소나노튜브(CNT)의 수직 성장은 전기 이중층(electrical double layer)을 위한 표면적을 최대화하는 30~40㎛ 높이의 탄소나노튜브 숲(CNT forest)을 형성한다. 이어서 전기화학 증착을 수행하여 탄소나노튜브(CNT) 상에 RuO2 나노입자들이 형성된다.4A to 4D illustrate a manufacturing process for forming a supercapacitor and scanning electron microscopy (SEM) images at each process step. 4A to 4D, single-walled carbon nanotubes (CNTs) are synthesized into fabrics of carbon fibers through chemical vapor deposition using an electron-beam-evaporated iron catalyst layer. Vertical growth of carbon nanotubes (CNTs) forms a 30-40㎛ high carbon nanotube forest that maximizes the surface area for an electrical double layer. Subsequently, electrochemical deposition is performed to form RuO2 nanoparticles on the carbon nanotubes (CNT).

도 4e를 참조하면, 5 및 100mV/s 간 스캔 속도들에서 획득된 CV 곡선들은 전형적인 수퍼커패시터의 유사 직사각형 형상을 나타낸다. 도 4f를 참조하면, 정전류 충전-방전(Galvanostatic charge-discharge) 곡선들로부터 10, 5, 2, 및 1mA/㎠의 전류 밀도에서 면적 커패시턴스는 각각 74.6, 80.0, 85.2, 및 87.9mF/㎠로 나타난다.4E, CV curves obtained at scan rates between 5 and 100 mV/s represent a similar rectangular shape of a typical supercapacitor. Referring to FIG. 4F, area capacitances at current densities of 10, 5, 2, and 1mA/cm2 are shown as 74.6, 80.0, 85.2, and 87.9mF/cm2, respectively, from galvanostatic charge-discharge curves. .

도 4g 및 도 4h를 참조하면, 사용된 젤 전해질은 물 기반이기때문에 포텐셜 윈도우는 H2 발생에 의해 야기되는 손상을 방지하기 위해 0.8V로 제한된다. 직렬연결에서의 포텐셜 윈도우와 병렬 연결에서의 총 커패시턴스는 복수개의 수퍼커패시터를 연결하는 것에 의해 용이하게 조절될 수 있다. 직렬 또는 병렬로 연결된 두개의 수퍼커패시터는 각각 단일 수퍼커패시터에 비해 포텐셜 한계 또는 커패시턴스가 두배가 된다.4G and 4H, since the gel electrolyte used is water-based, the potential window is limited to 0.8V to prevent damage caused by H2 generation. The potential window in series connection and the total capacitance in parallel connection can be easily adjusted by connecting a plurality of supercapacitors. Two supercapacitors connected in series or parallel each have double the potential limit or capacitance compared to a single supercapacitor.

도 4i 내지 도 4l을 참조하면, 수퍼커패시터의 성능은 135°까지 구부러져도 변하지 않고 유지될 수 있고, 이는 각 구성요소의 높은 유연성에 기인한다. 또, 4000회의 충전-방전 사이클 수행 후에도 면적 커패시턴스에 거의 차이가 나타나지 않는다.4I to 4L, the performance of the supercapacitor can be maintained unchanged even when bent up to 135°, which is due to the high flexibility of each component. In addition, there is little difference in area capacitance even after 4000 charge-discharge cycles are performed.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 에너지 장치의 전기 신호의 작동 및 측정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the operation and measurement of an electrical signal of a wearable energy device according to an embodiment of the present invention.

도 5a를 참조하면, 직물 기반 나노발전기(TEG)(5cm×9cm, 18 라인) 및 수퍼커패시터(SC)는 셔츠와 같은 의류에 쉽게 바느질되어 붙여질 수 있고 전도설 탄소 실에 의해 연결될 수 있다.5A, a fabric-based nanogenerator (TEG) (5cm×9cm, 18 lines) and a supercapacitor (SC) can be easily sewn and pasted onto clothing such as a shirt, and can be connected by a conductive carbon thread.

도 5b 및 도 5c를 참조하면, 달리기나 보행과 같은 규칙적이고 일상적인 활동을 통한 에너지 수확이 다양한 속도에서 나노발전기(TEG)를 러빙함으로써 축적된다. 1.5Hz 속도에서 평균 출력 전압 및 정류 전류는 각각 33V와 0.25㎂로 측정된다. 이렇게 발생하여 수퍼커패시터에 저장되는 전류는 LED를 밝힐만큼 강력하다.5B and 5C, energy harvesting through regular and routine activities such as running or walking is accumulated by rubbing the nanogenerator (TEG) at various speeds. At 1.5Hz rate, the average output voltage and rectified current are measured as 33V and 0.25µA, respectively. The current generated in this way and stored in the supercapacitor is strong enough to illuminate the LED.

도 5d를 참조하면, 러빙 주기는 0.67~4Hz의 범위 내에서 비례하는 관계를 나타내고, 전하 축적의 기울기를 결정한다. 이는 상기 웨어러블 에너지 장치가 웨어러블 자기 전원 인간 활동 모니터(self-powered human activity monitor)로 기능하게 한다.Referring to FIG. 5D, the rubbing period shows a proportional relationship within the range of 0.67 to 4 Hz, and determines the slope of charge accumulation. This allows the wearable energy device to function as a wearable self-powered human activity monitor.

도 5e는 일반적인 조깅 과정인 스트레칭, 보행, 달리기, 스프린팅 및 쿨다운 보행으로부터 기록된 정류 출력 전류(흑색, 좌측 세로축)와 전하 축적(적색, 우측 세로축)을 나타낸다. 전하 축적의 기울기가 모니터링되면, 상기 웨어러블 에너지 장치를 착용한 실험 대상자의 활동이 추적될 수 있다. 스트레칭, 보행, 달리기, 스프린팅, 및 쿨다운과 관련된 기울기는 각각 0.48, 8.4, 22, 53, 및 9.6nC/s이다.5E shows the rectified output current (black, left vertical axis) and charge accumulation (red, right vertical axis) recorded from stretching, walking, running, sprinting, and cooldown walking, which are general jogging processes. When the slope of the charge accumulation is monitored, the activity of the test subject wearing the wearable energy device may be tracked. The slopes associated with stretching, walking, running, sprinting, and cooldown were 0.48, 8.4, 22, 53, and 9.6 nC/s, respectively.

도 5f는 1, 10, 및 100nF의 커패시턴스를 갖는 세개의 다른 커패시터의 전압 대 시간 그래프를 나타낸다. 빠른 충전/방전 커패시터(1nF)는 인간 활동 모니터링에 더 나은 감도를 제공하는 반면, 높은 커패시턴스의 커패시터(100nF)는 장기간 모니터링에 적합하다.Figure 5f shows a graph of voltage versus time for three different capacitors with capacitances of 1, 10, and 100nF. A fast charge/discharge capacitor (1nF) provides better sensitivity for human activity monitoring, while a high capacitance capacitor (100nF) is suitable for long-term monitoring.

도 5g 및 도 5h를 참조하면, 나노발전기에 의해 충전된 수퍼커패시터는 다른 센서들에 전원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 나노발전기에 의해 충전된 수퍼커패시터는 압력 센서에 필요한 전류를 제공할 수 있다.5G and 5H, a supercapacitor charged by a nanogenerator may supply power to other sensors. For example, a supercapacitor charged by a nanogenerator can provide the required current to a pressure sensor.

상기 압력 센서는 탄소 직물 사이에 샌드위치된 다공성 감압 러버(porous pressure-sensitive rubber, PPSR)로 구성될 수 있다.The pressure sensor may be composed of a porous pressure-sensitive rubber (PPSR) sandwiched between carbon fabrics.

도 5i 및 도 5j를 참조하면, 다공성 감압 러버(PPSR)의 저항은 적용된 압력에 대하여 선형으로 변한다.5I and 5J, the resistance of the porous pressure-sensitive rubber PPSR changes linearly with respect to the applied pressure.

도 5k를 참조하면, 전류에서의 변화를 측정하는 것에 의해 상기 적용된 압력을 결정하는 것이 가능하다. 이는 상기 센서 상에 20, 50, 100, 및 200g 중량의 물체를 각각 배치하는 것에 의해 확인될 수 있다.5K, it is possible to determine the applied pressure by measuring the change in current. This can be confirmed by placing objects weighing 20, 50, 100, and 200 g, respectively, on the sensor.

본 발명의 실시예들에 따른 웨어러블 에너지 장치는 인간 활동을 통하여 발생한 에너지를 수확하고 저장할 수 있다. 상기 웨어러블 에너지 장치는 상기 활동을 모니터할 뿐만 아니라 외부 센서나 장치에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.The wearable energy device according to embodiments of the present invention may harvest and store energy generated through human activities. The wearable energy device can be used to supply power to external sensors or devices as well as to monitor the activity.

본 발명의 실시예들에 따른 나노발전기는 네가지 다른 소재로 형성되어 에어갭을 필요로하지 않는 독특한 구조를 갖는다. 상기 나노발전기는 수평 및 수직 마찰에 의해 전기를 발생할 수 있고, 달리기의 전형적인 조건인 1.5Hz에서 0.18㎼/㎠의 평균 출력 전력 밀도를 가질 수 있다.The nanogenerator according to the embodiments of the present invention is formed of four different materials and has a unique structure that does not require an air gap. The nanogenerator may generate electricity by horizontal and vertical friction, and may have an average output power density of 0.18㎼/cm2 at 1.5Hz, which is a typical condition of running.

본 발명의 실시예들에 따른 수퍼커패시터는 탄소 직물 상에 형성된 수직 탄소나노튜브(CNT)/RuO2 나노입자 전극을 이용하는 것에 의해 그 성능이 향상될 수 있고, 1mA/㎠의 방전 전류에서 85.2mF/㎠의 커패시턴스를 가질 수 있다. 또한 4000회 충전-방전 사이클 후에도 안정적인 우수한 내구성을 가지고 있어 상기 마찰 전기 마찰기를 통한 웨어러블 전력 발생에 적합하다.The supercapacitor according to the embodiments of the present invention can improve its performance by using a vertical carbon nanotube (CNT)/RuO2 nanoparticle electrode formed on a carbon fabric, and 85.2mF/ at a discharge current of 1mA/cm2. It can have a capacitance of cm2. In addition, it has excellent durability that is stable even after 4000 charge-discharge cycles, so it is suitable for generating wearable power through the triboelectric friction machine.

탄소 직물 상에 플렉시블 나노발전기의 제조 Fabrication of flexible nanogenerators on carbon fabrics

탄소 직물 상에 5mm 폭의 폴리이미드(PI) 테이프를 5mm 간격으로 이격되도록 배치한다. 상기 탄소 직물 위에 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)를 붓고, 그 위에 PET 필름을 배치한 후 눌러서 균일한 두께의 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 필름을 형성한다. 상기 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)를 자외선 램프 아래에서 12시간 동안 배치하여 굳게한 후 상기 폴리이미드(PI) 테이프를 제거한다. 상기 탄소 직물의 노출된 영역에 표면이 평탄해질 때까지 폴리이미드(PI) 테이프를 적층한다. 이에 의해, 제1 나노발전기가 형성된다.On the carbon fabric, 5 mm wide polyimide (PI) tapes were placed at intervals of 5 mm. Polyurethane acrylate (PUA) is poured onto the carbon fabric, a PET film is placed thereon, and pressed to form a polyurethane acrylate (PUA) film having a uniform thickness. The polyurethane acrylate (PUA) is placed under an ultraviolet lamp for 12 hours to harden, and then the polyimide (PI) tape is removed. A polyimide (PI) tape is laminated on the exposed areas of the carbon fabric until the surface is flat. Thereby, the first nanogenerator is formed.

탄소 직물 상에 5mm 폭의 알루미늄(Al) 테이프를 5mm 간격으로 이격되도록 배치한다. 상기 알루미늄(Al) 테이프를 폴리이미드(PI) 테이프로 덮고, 폴리디메틸실록산(PDMS)(프리폴리머와 경화제의 10:1 혼합물)을 상기 탄소 직물 상에 붓는다. 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 상에 폴리이미드로 덮힌 PET 필름을 배치하고 3kg 스테인레스-스틸 플레이트로 누른 후 균일한 두께의 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름을 형성한다. 상기 폴리디메틸실록산을 90℃의 대류 오븐에서 12시간 이상 동안 경화한 후 상기 폴리이미드(PI) 테이프를 제거한다. 상기 알루미늄(Al) 테이프 상에 표면이 평탄해질 때까지 알루미늄(Al) 테이프를 적층한다. 이에 의해, 제2 나노발전기가 형성된다.On the carbon fabric, 5mm wide aluminum (Al) tapes are placed at 5mm intervals. The aluminum (Al) tape is covered with a polyimide (PI) tape, and polydimethylsiloxane (PDMS) (a 10:1 mixture of prepolymer and curing agent) is poured onto the carbon fabric. A PET film covered with polyimide is placed on the polydimethylsiloxane (PDMS), pressed with a 3 kg stainless-steel plate, and then a polydimethylsiloxane (PDMS) film having a uniform thickness is formed. After curing the polydimethylsiloxane in a convection oven at 90° C. for 12 hours or more, the polyimide (PI) tape is removed. An aluminum (Al) tape is laminated on the aluminum (Al) tape until the surface is flat. Thereby, a second nanogenerator is formed.

상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 직물 결합제에 의해 상업용 직물에 부착된 후 전도성 실로 바느질되어 병렬 연결된 나노발전기가 형성된다.The first nanogenerator and the second nanogenerator are attached to a commercial fabric by a fabric binder and then sewn with a conductive thread to form a parallel connected nanogenerator.

탄소 직물 상에 수퍼커패시터의 제조Preparation of supercapacitors on carbon fabrics

열 증발기를 이용하여 탄소 직물 상에 10nm 두께의 알루미늄 층을 증착하고, 그 위에 전자빔 증발기를 이용하여 3.5nm 두께의 철 층을 증착하여 촉매를 형성한다. 석영 플레이트 상에 촉매가 코팅된 탄소 직물을 배치한 후 1in 직경의 CVD 석영 실린더 내에 로딩하여 대기압에서 탄소나노튜브를 형성한다. 99.999% 순수 아르곤의 100sccm 흐름과 물을 포함하는 아르곤의 50sccm 흐름 하에 온도를 730℃로 증가시킨다. 상기 온도에 도달하면 75sccm의 에틸렌과 100sccm 수소를 각각 전구체 및 캐리어 가스로서 10분 동안 반응기로 도입한다.A 10 nm-thick aluminum layer is deposited on the carbon fabric using a thermal evaporator, and a 3.5 nm-thick iron layer is deposited thereon using an electron beam evaporator to form a catalyst. After placing a carbon fabric coated with a catalyst on a quartz plate, it is loaded into a 1 inch diameter CVD quartz cylinder to form carbon nanotubes at atmospheric pressure. The temperature was increased to 730°C under a 100 sccm flow of 99.999% pure argon and a 50 sccm flow of argon containing water. When this temperature is reached, 75 sccm of ethylene and 100 sccm of hydrogen are introduced into the reactor for 10 minutes as precursors and carrier gases, respectively.

탈이온수 내 5mM 루테늄(III) 클로라이드 하이드레이트, 0.1M KCl, 및 0.01M HCl을 이용하여 RuO2 전기 도금 용액을 준비한다. 상기 전기 도금 용액의 pH가 2.0에 도달할 때까지 3M NaOH 용액을 천천히 첨가한다. 도금에 앞서 상기 탄소나노튜브는 반응성 이온 식각기(reactive ion etcher)를 이용한 O2 플라즈마에 의해 친수성화된다.A RuO2 electroplating solution was prepared using 5mM ruthenium(III) chloride hydrate, 0.1M KCl, and 0.01M HCl in deionized water. 3M NaOH solution is slowly added until the pH of the electroplating solution reaches 2.0. Prior to plating, the carbon nanotubes are hydrophilized by O2 plasma using a reactive ion etcher.

상기 도금 용액을 수조에서 50℃로 가열하고, Pt 카운터 전극과 NaCl 내 Ag/AgCl 레퍼런스 전극을 갖는 정전압기(potentiostat)를 이용하여 0.05mV/s의 스캔 속도로 -0.2V 및 1.0V 사이의 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)를 적용한다.The plating solution was heated to 50° C. in a water bath, and between -0.2 V and 1.0 V at a scan rate of 0.05 mV/s using a potentiostat having a Pt counter electrode and an Ag/AgCl reference electrode in NaCl. Apply cyclic voltammetry.

9g의 H3PO4를 포함하는 60mL의 탈이온수에 6g의 폴리비닐 알코올(PVA)(MW:146000~186000g/mol)을 첨가하여 수퍼커패시터용 전해질을 준비한다. 상기 혼합물을 미네랄 오일조에서 계속 저으면서 104℃로 가열하여 투명한 용액을 획득한다. 상기 용액을 페트리 접시에 붓고 실온에서 건조시켜서 젤 전해질 필름을 형성한다.An electrolyte for a supercapacitor was prepared by adding 6 g of polyvinyl alcohol (PVA) (MW: 146000 to 186000 g/mol) to 60 mL of deionized water containing 9 g of H3PO4. The mixture is heated to 104° C. while continuously stirring in a mineral oil bath to obtain a clear solution. The solution is poured into a Petri dish and dried at room temperature to form a gel electrolyte film.

탄소나노튜브(CNT)/RuO2 전극이 형성된 탄소 직물 사이에 폴리비닐 알코올(PVA)/H3PO4 젤 전해질을 배치하여 수퍼커패시터가 형성된다.A supercapacitor is formed by disposing a polyvinyl alcohol (PVA)/H3PO4 gel electrolyte between carbon fabrics with carbon nanotubes (CNT)/RuO2 electrodes formed thereon.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관심에서 고려 되어야 한다.So far, specific examples of the present invention have been looked at. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative interest rather than a limiting point of view.

본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

제1 직물 및 상기 제1 직물 상에 교대로 배치되는 제1 소재 패턴과 제2 소재 패턴을 포함하는 제1 나노발전기; 및
제2 직물 및 상기 제2 직물 상에 교대로 배치되는 제3 소재 패턴과 제4 소재 패턴을 포함하는 제2 나노발전기를 포함하고,
상기 제1 소재 패턴, 상기 제2 소재 패턴, 상기 제3 소재 패턴, 및 상기 제4 소재 패턴은 표면 거칠기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플렉시블 나노발전기.
A first nanogenerator including a first fabric and a first material pattern and a second material pattern alternately disposed on the first fabric; And
A second fabric and a second nanogenerator including a third material pattern and a fourth material pattern alternately disposed on the second fabric,
The first material pattern, the second material pattern, the third material pattern, and the fourth material pattern have different surface roughnesses.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 직물 및 상기 제2 직물은 전도성 탄소 직물인 것을 특징으로 하는 플렉시블 나노발전기.
The method of claim 1,
The first fabric and the second fabric is a flexible nanogenerator, characterized in that the conductive carbon fabric.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 소재 패턴은 폴리우레탄을 포함하고,
상기 제2 소재 패턴은 폴리이미드를 포함하고,
상기 제3 소재 패턴은 폴리디메틸실록산을 포함하며,
상기 제4 소재 패턴은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉시블 나노발전기.
The method of claim 1,
The first material pattern includes polyurethane,
The second material pattern includes polyimide,
The third material pattern includes polydimethylsiloxane,
The fourth material pattern is a flexible nanogenerator, characterized in that comprising aluminum.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 소재 패턴과 상기 제2 소재 패턴이 같은 두께를 갖고,
상기 제3 소재 패턴과 상기 제4 소재 패턴이 같은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플렉시블 나노발전기.
The method of claim 1,
The first material pattern and the second material pattern have the same thickness,
The flexible nanogenerator, characterized in that the third material pattern and the fourth material pattern have the same thickness.
상업용 직물 상에 배치되는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 플렉시블 나노발전기; 및
상기 상업용 직물 상에 배치되고 상기 플렉시블 나노발전기에 전기적으로 연결되는 수퍼커패시터를 포함하는 웨어러블 에너지 장치.
The flexible nanogenerator of any one of claims 1 to 4 disposed on a commercial fabric; And
A wearable energy device comprising a supercapacitor disposed on the commercial fabric and electrically connected to the flexible nanogenerator.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 각각 복수개 포함되고,
상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.
The method of claim 5,
Each of the first nanogenerator and the second nanogenerator is included in plurality,
The wearable energy device, characterized in that the first nanogenerator and the second nanogenerator are connected in parallel.
제 5 항에 있어서,
상기 상업용 직물은 의류를 포함하고,
상기 제1 나노발전기는 상기 의류의 팔 부분에 배치되고,
상기 제2 나노발전기는 상기 의류의 몸체 부분에 배치되어,
상기 제1 나노발전기와 상기 제2 나노발전기는 서로 마찰되는 것에 의해 전기를 발생하고,
상기 수퍼커패시터는 상기 의류의 가슴 부분에 배치되어 상기 전기를 저장하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.
The method of claim 5,
The commercial fabric comprises apparel,
The first nanogenerator is disposed on the arm of the clothing,
The second nanogenerator is disposed on the body portion of the clothing,
The first nanogenerator and the second nanogenerator generate electricity by rubbing against each other,
The supercapacitor is disposed on a chest of the clothing to store the electricity.
제 5 항에 있어서,
상기 플렉시블 나노발전기와 상기 수퍼커패시터는 상기 상업용 직물에 바느질되어 결합되고, 상기 상업용직물에 바느질되어 결합되는 전도성 실에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 에너지 장치.
The method of claim 5,
The flexible nanogenerator and the supercapacitor are sewn and bonded to the commercial fabric, and are connected to each other by conductive threads that are sewn and bonded to the commercial fabric.
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