KR20230103263A - 3d 스페이서 직물을 포함하는 마찰전기 나노발전기의 개선 비대칭 구조 - Google Patents

3d 스페이서 직물을 포함하는 마찰전기 나노발전기의 개선 비대칭 구조 Download PDF

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Abstract

폴리에스터(PE)/스판덱스(SP) 혼방 3D 스페이서 직물을 사용하여 마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전압을 개선하기 위해 구조적 비대칭의 중요성을 조사하였다. 3D 스페이서 직물, 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름 및 스택 구성이 다른 전극을 적층하여 다양한 유형의 TENG를 제작하였다. 구조적 비대칭성이 높게 제작될수록 3D 스페이서 직물 TENG는 높은 출력 전압을 나타냈다. 특히 PDMS/직물/직물 구성의 TENG는 가장 높은 최대 피크 대 피크 출력 전압을 나타냈다. TENG 출력 전압의 증가는 장치 구성의 구조적 비대칭성과 마찰 전하의 높은 유효 밀도에 기인한다.

Description

3D 스페이서 직물을 포함하는 마찰전기 나노발전기의 개선 비대칭 구조{Importance of Architectural Asymmetry for Improved Triboelectric Nanogenerators with 3D Spacer Fabrics}
본 발명은 마찰전기 나노발전기에 관한 것이다. 상세하게, 3D 스페이서 직물을 포함하는 마찰전기 나노발전기에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 환경 에너지원을 활용한 친환경 기술의 특별한 개념으로 각광을 받고 있다. 주변 에너지를 전기 에너지와 같은 사용 가능한 에너지 형태로 변환하는 장치가 요구된다. 다양한 유형의 에너지 하베스터 중에서 마찰전기 나노발전기(TENG)는 뛰어난 에너지 변환 효율과 자가 전원 센서 시스템에의 적용 가능성으로 인해 큰 주목을 받고 있다. 특히 직물(fabric) 기반의 TENG는 유연성, 신축성, 질감 면에서 인체 및 피부와의 호환성이 높다. 또한 직물 기반 TENG는 내부의 섬유 대 섬유의 고밀도 기계적 상호 작용으로 인해 우수한 잠재력을 갖고 있다. 따라서, 직물 기반 TENG는 웨어러블(wearable) 전자 제품의 가장 유망한 후보라고 볼 수 있다.
표준 2D 직물, 3D 직교 직물 및 3D 스페이서 직물과 같은 다양한 유형의 직물을 TENG 활성층에 사용할 수 있다. 3D 스페이서 직물이 표준 2D 직조 직물보다 TENG 성능에 더 나은 옵션을 제공한다는 점은 주목할 가치가 있다. 기존 연구에서 3D 스페이서 직물 TENG는 약 240V의 피크 대 피크 출력 전압(Vo,p-p)을 나타냈다. 반면, 표준 2D 직물 TENG는 약 35V만 생성한다. 그럼에도 불구하고 3D 스페이서 직물 TENG의 성능은 다차원 엔지니어링 방법 및 접근 방식을 통해 최대화될 필요성이 있다.
(1) P. Vincent, S.-C. Shin, J. S. Goo, Y.-J. You, B. Cho, S. Lee, D.-W. Lee, S. R. Kwon, K.-B. Chung, J.-J. Lee, J.-H. Bae, J. W. Shim, and H. Kim, Dyes Pigm., 159, 306 (2018). (2) C. Chen, A. Sharafi, and J.-Q. Sun, Appl. Energy, 269, 115073 (2020). (3) G. Verma and V. Sharma, IEEE Trans. Ind. Electron., 66, 3530 (2019). (4) Y. Wu, H. Zhang, and L. Zuo, Energy Convers. Manag., 157, 215 (2018). (5) M.-L. Seol, J.-W. Han, D.-I. Moon, and M. Meyyappan, Nano Energy, 32, 408 (2017). (6) R. Zhang, C. Dahlstrφm, H. Zou, J. Jonzon, M. Hummelgεrd, J. Φrtegren, N. Blomquist, Y. Yang, H. Andersson, M. Olsen, M. Norgren, H. Olin, and Z. L. Wang, Adv. Mater., 32, 2002824 (2020). (7) Y. Han, Y. Han, X. Zhang, L. Li, C. Zhang, J. Liu, G. Lu, H.-D. Yu, and W. Huang, ACS Appl. Mater. Interface, 12, 16442 (2020). (8) K. Dong, X. Peng, and Z. L. Wang, Adv. Mater., 32, 1902549 (2020). (9) J. Xiong, M.-F. Lin, J. Wang, S. L. Gaw, K. Parida, and P. S. Lee, Adv. Energy Mater., 7, 1701243 (2017). (10) T. Huang, J. Zhang, B. Yu, H. Yu, H. Long, H. Wang, Q. Zhang, and M. Zhu, Nano Energy, 58, 375 (2019). (11) M. Zhu, Y. Huang, W. S. Ng, J. Liu, Z. Wang, Z. Wang, H. Hu, and C. Zhi, Nano Energy, 27, 439 (2016). (12) Y. Hu and Z. Zheng, Nano Energy, 56, 16 (2019). (13) D.-K. Kim, J. B. Jeong, K. Lim, J. Ko, P. Lang, M. Choi, S. Lee, J.-H. Bae, and H. Kim, J. Nanosci. Nanotechnol., 20, 4666 (2020). (14) J. H. Bae, H. J. Oh, J. Song, D. K. Kim, B. J. Yeang, J. H. Ko, S. H. Kim, W. Lee, and S. J. Lim, Polymers, 12, 658 (2020). (15) J. Jeong, J.-H. Kwon, K. Lim, S. Biswas, A. Tibaldi, S. Lee, H. J. Oh, J.-H. Kim, J. Ko, D.-W. Lee, H. Cho, P. Lang, J. Jang, S. Lee, J.-H. Bae, and H. Kim, Polymers, 11, 1443 (2019).
본 발명의 기술적 과제는 전기적 성능이 향상된 직물 기반 마찰전기 나노발전기(TENG)를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 3D 스페이서 직물 및 PDMS 층을 포함하고 구조적 비대칭성 증가를 통해 전기적 성능이 향상된 직물 기반 마찰전기 나노발전기를 개시한다.
본 발명에 따라 제조된 직물 기반 마찰전기 나노발전기는 종래 직물 기반 마찰전기 나노발전기에 비해 출력 전압이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따라 3D 스페이서 직물, PDMS 필름 및 상단 전극 및 하단 전극을 적층하여 제작된 TENG의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 3D 스페이서 직물의 표면과 단면 및 섬유의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 3D 스페이서 직물의 표면 및 단면에 대한 투과광 현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 유형 내지 제3 유형 TENG의 출력 전압(Vo)를 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
에너지 하베스팅(energy harvesting)은 환경 에너지원을 활용한 친환경 기술의 특별한 개념으로 각광을 받고 있다. 주변 에너지를 전기 에너지와 같은 사용 가능한 에너지 형태로 변환하는 장치가 요구된다. 다양한 유형의 에너지 하베스터 중에서 마찰전기 나노발전기(TENG)는 뛰어난 에너지 변환 효율과 자가 전원 센서 시스템에의 적용 가능성으로 인해 큰 주목을 받고 있다. 특히 직물(fabric) 기반의 TENG는 유연성, 신축성, 질감 면에서 인체 및 피부와의 호환성이 높다. 또한 직물 기반 TENG는 내부의 섬유 대 섬유의 고밀도 기계적 상호 작용으로 인해 우수한 잠재력을 갖고 있다. 따라서, 직물 기반 TENG는 웨어러블(wearable) 전자 제품의 가장 유망한 후보라고 볼 수 있다.
표준 2D 직물, 3D 직교 직물 및 3D 스페이서 직물과 같은 다양한 유형의 직물을 TENG 활성층에 사용할 수 있다. 3D 스페이서 직물이 표준 2D 직조 직물보다 TENG 성능에 더 나은 옵션을 제공한다는 점은 주목할 가치가 있다. 기존 연구에서 3D 스페이서 직물 TENG는 약 240V의 피크 대 피크 출력 전압(Vo,p-p)을 나타냈다. 반면, 표준 2D 직물 TENG는 약 35V만 생성한다. 그럼에도 불구하고 3D 스페이서 직물 TENG의 성능은 다차원 엔지니어링 방법 및 접근 방식을 통해 최대화될 필요성이 있다.
구성 재료의 조성 불균일성은 고성능 TENG 제조에 중요한 요소로 널리 알려져 있다. 또한, TENG가 기본적으로 마찰 전하의 불균형 공간 분포를 활용하기 때문에, 장치 구성의 아키텍처 비대칭을 수정하는 것은 3D 스페이서 직물 TENG의 성능을 개선하기 위한 중요한 고려 사항이 될 수 있다. 그러나 3D 스페이서 직물 TENG에 대한 비대칭 아키텍처의 중요성은 아직 완전히 이해되지 않았다.
본 발명에서 3D 스페이서 직물 TENG의 출력 전압(Vo)을 향상시키기 위해 장치 구성의 아키텍처 비대칭의 중요성이 조사되었다. 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 3차원 스페이서 직물의 표면 및 단면 형태를 조사하였다. 또한, 투과광 현미경을 이용하여 3차원 스페이서 직물을 관찰하여 그 기본 구조를 보다 포괄적으로 이해하였다. 레이어의 구성을 변경하여 세 가지 유형의 3D 스페이서 직물 TENG이 제작되었다. 이후, TENG의 Vo를 특성화하고 비교하였다. TENG의 다양한 성능은 아키텍처 관점에서 조사되었다.
3D 스페이서 직물을 기반으로 하는 TENG는 샌드위치 스택 구성으로 제작되었다. 도 1의 (a)는 3D 스페이서 직물의 상면과 하면 시트 표면을 나타낸다. 3D 스페이서 직물은 PAKA INTERTEX(대한민국 서울)에서 구입하였다. 3D 스페이서 직물의 상면 및 하면 시트는 루프(loop)가 있는 니트 구조, 즉 싱글 저지(single jersey)를 사용하였다. 상면과 하면 시트의 사이에 3D 스페이서가 삽입된다. 또한 3D 스페이서 직물은 폴리에스터(polyester) 92%, 스판덱스(spandex) 8%의 혼방으로 구성되었다. PDMS 필름은 Dow Corning(미국 MI 미들랜드)의 탄성 PDMS 키트인 Sylgard-184를 사용하여 준비하였다. 10:1 비율 PDMS 베이스/경화제 혼합물을 진공 환경에 저장하여 기포를 제거한 후 평판 플레이트에 부었다. 그 다음, 혼합물을 핫 플레이트에서 100℃에서 1시간 동안 구웠다.
잘 알려진 탄성중합체인 PDMS의 기계적 탄성은 폴리에스터/스판덱스 혼방 직물과 잘 매칭된다.
또한, 전극(상단 전극, 하단 전극)으로 구리 테이프를 사용하였다. 3D 스페이서 직물, PDMS 필름 및 전극의 두께는 각각 1.68 mm, 1 mm 및 50 μm이다.
도 1의 (b)와 같이 3D 스페이서 직물, PDMS 필름 및 상단 전극 및 하단 전극을 적층하여 TENG를 제작하였다. 구체적으로, 도 1의 (c)와 같이 구성 레이어의 구성을 변경하여 세 가지 유형의 TENG(제1 유형 내지 제3 유형으로 표시)를 제작하였다.
본 실시예에서 제작된 TENG의 치수는 8cm Х 8cm이다. 직물 층이 PDMS 필름 사이에 끼워진(즉, PDMS/직물/PDMS) 제1 유형 TENG와 달리, 제2 유형(PDMS/PDMS/직물) 및 제3 유형(PDMS/직물/직물) TENG는 적층 구성에서 더 높은 아키텍처 비대칭성을 띤다. 더욱이, 제1 유형 및 제2 유형 TENG에서 하단 전극은 단일 직물 층과 접촉하고 있는 반면, 제3 유형 TENG에서 하단 전극은 상단 및 하단 직물 층 사이에 삽입된다. 각 TENG의 Vo는 실온(296K) 및 습도 29% RH에서 low-noise 전류 전치 증폭기(SR570; Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA, USA)를 사용하여 반복적인 압력 적용 및 해제 하에서 측정되었다. 측정에 적용된 압력은 0.156 N/cm2이다.
도 2의 (a)와 (b)는 3D 스페이서 직물의 상면과 하면의 SEM 이미지를 보여준다. 기본적으로 상면과 하면은 싱글 저지 직조 구조의 실이 얽혀 있지만 상면과 하면의 형태적 차이가 있다. 도 2의 (b)와 같이 하면은 상면보다 3D 스페이서 루프의 밀도가 더 높다. 즉, 3차원 스페이서 직물 자체가 비대칭적인 형태를 가지고 있어 마찰 전하의 공간적 불균형 분포를 유발할 수 있다. 도 2의 (c)는 단일 섬유 가닥인 구성사의 표면 SEM 이미지를 보여준다. 3D 스페이서 직물의 수많은 섬유는 외부에서 적용된 압축 하에서 서로 기계적으로 상호 작용할 수 있다.
도 2의 (d)는 단일 섬유의 표면 SEM 이미지를 나타낸다. 섬유가 고르지 않고 울퉁불퉁한 표면을 나타내어 TENG의 설계에 있어 바람직한 형태가 될 수 있다. 또한, 도 2의 (e)는 3D 스페이서 직물의 단면 SEM 이미지를 나타낸다. 직물의 단면은 상면과 하면 시트 사이에 수직으로 놓이고 기울어져 있는 3D 스페이서 섬유를 나타낸다. 가늘고 긴 원통형 구조의 3차원 스페이서 섬유가 상면 및 하면 시트의 실과 얽혀 있다.
TENG의 마찰 전하 생성을 근본적으로, 형태학적으로 이해하기 위해 투과광 현미경을 사용하여 3D 스페이서 직물을 관찰하였다. 도 3의 (a)는 3D 스페이서 직물의 투과광 현미경 이미지를 나타낸다. 3D 스페이서 직물은 섬유와 원사 사이에 매우 조밀한 미세 간극을 나타내어 3D 공간 분포를 암시한다.
섬유 간 및 원사 간 미세 간극의 3D 분포는 섬유의 순간적인 운동 역학 및 외부에서 적용된 압축 하에서 섬유 대 섬유 기계적 상호 작용의 결과적인 공간 밀도에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 섬유의 표면은 직물의 순간적인 변형 과정에서 서로 지속적으로 상호 작용하는 것으로 간주된다. 따라서, 이러한 미세 간극은 외부에서 적용된 압축 하에서 고밀도 마찰전하의 생성을 초래한다.
본 발명에서 사용된 3D 스페이서 원단은 폴리에스터/스판덱스 혼방 원단이다. 스판덱스에서 유래된 탄성은, 섬유의 순간적인 운동 역학을 향상시켜, 마찰 전하의 활발한 생성에 유리한 것으로 볼 수 있다. 구성 재료의 조성 불균일성도 TENG의 마찰 대전에 기여한다.
도 3의 (b)는 3D 스페이서 직물의 단면에 대한 투과광 현미경 이미지를 나타낸다. 3D 스페이서 섬유 사이에서 관찰된 고밀도 미세 간극은 외부에서 적용된 압축 하에서 표면에 고밀도 마찰 전하를 생성할 수 있다. 3D 스페이서 섬유와 상면 및 하면 시트 사이의 계면에서도 마찰 전하가 생성될 수 있다. 또한, 3D 스페이서 섬유는 탄성 위치 에너지 저장소 역할을 하여, 섬유의 순간적인 운동 역학을 최대화하는 것으로 볼 수 있다. 3D 스페이서 섬유가 직물의 상면과 하면 시트의 원사와 얽혀 있다는 점에 다시 주목할 필요가 있다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 각각 제1 유형 내지 제3 유형 TENG의 Vo를 나타내는 그래프이다.
제1 유형 TENG의 측정된 Vo로 표시되는 내부 극성은 상술한 3D 스페이서 직물 자체의 형태적 비대칭성 때문일 수 있다. 대조적으로, 제2 유형 및 제3 유형 TENG는 제1 유형 TENG보다 더 높은 Vo를 나타냈다. 제2 유형 및 제3 유형 TENG의 더 높은 Vo는 장치 구성의 상대적으로 높은 아키텍처 비대칭성에 기인한다. 구체적으로, 제1 유형 내지 제3 유형의 최대 Vo,p-p는 도 4의 (d)에 나타난 바와 같이, 각각 205.0, 306.0, 701.2V이다. 더욱이 제3 유형 TENG는 제2 유형 TENG보다 더 높은 최대 Vo,p-p를 나타냈다. 하단 전극이 단일 직물 층과 접촉하는 제1 유형 TENG와 달리 제3 유형 TENG의 하단 전극은 상단 및 하단 패브릭 층 사이에 삽입되어 있다. 이러한 이중 직물/전극 접합 구성은 도 4의 (e)에 나타난 바와 같이 전극 표면에서 마찰 전하의 유효 밀도를 증가시킨다. 여기서 마찰 전하의 유효밀도는 도 4의 (e)에 나타난 바와 같이 전극이 받는 마찰 전하의 상면 밀도와 하면 밀도의 합으로 정의된다. 따라서, 모든 유형 중 제3 유형 TENG의 가장 높은 최대 Vo,p-p는 장치 구성의 아키텍처 비대칭성과 마찰 전하의 증가된 유효 밀도에 기인하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 결과를 통해, 장치 구성 비대칭성을 수정하고 적층 아키텍처에서 전극 표면의 마찰 전기 전하의 유효 밀도를 증가시켜 3D 스페이서 직물 TENG의 Vo가 현저하게 향상될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에서는 폴리에스터/스판덱스 혼방 3D 스페이서 직물을 사용하는 세 가지 실시예의 TENG를 구성 층을 변경하여 제작하고 Vo를 비교하였다. 3D 스페이서 직물은 SEM 이미지에서 고르지 않고 울퉁불퉁한 섬유 표면뿐 아니라 수많은 얽힌 실과 섬유를 나타낸다. 또한, TENG의 마찰 전하 생성을 더 잘 이해하기 위해 투과광 현미경을 사용하여 3D 스페이서 패브릭의 고밀도 섬유 및 원사 간 미세 간극을 관찰하였다. 가장 중요한 것은 PDMS/직물/PDMS, PDMS/PDMS/직물 및 PDMS/직물/직물 구성의 TENG가 각각 205.0, 306.0 및 701.2V의 최대 Vo,p-p를 나타냈다는 것이다. PDMS 층은 TENG의 절연체로서, 구조적 비대칭성과 전극 사이의 불균형 전하 분포를 실현하기 위해 사용되었다. PDMS/직물/직물 TENG의 가장 높은 최대 Vo,p-p는 장치 구성의 아키텍처 비대칭성과 효과적인 마찰 전하 밀도의 증가에 기인한다. 본 발명에 따라 웨어러블 직물 기반 TENG의 성능을 향상시키고 최적화될 수 있을 것이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (3)

  1. 상면 시트 및 하면 시트가 결합되고 상기 상면 시트 및 하면 시트의 사이에 3D 스페이서가 삽입되는 하단 3D 스페이서 직물;
    상기 하단 3D 스페이서 직물의 상측에 적층되며 상면 시트 및 하면 시트가 결합되고 상기 상면 시트 및 하면 시트의 사이에 3D 스페이서가 삽입되는 상단 3D 스페이서 직물;
    상기 상단 3D 스페이서 직물의 상측에 적층되고 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질인 PDMS 층;
    상기 상단 3D 스페이서 직물 및 상기 하단 3D 스페이서 직물 사이에 삽입되는 하단 전극; 및
    상기 상단 3D 스페이서 직물 및 상기 PDMS 층 사이에 삽입되는 상단 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 나노발전기(TENG).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상면 시트 및 하면 시트는,
    루프(loop)가 있는 니트 구조인 싱글 저지(single jersey) 형태 직물인 것을 특징으로 하는 마찰전기 나노발전기(TENG).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단 3D 스페이서 직물 및 한단 3D 스페이서 직물은,
    폴리에스터(PE)/스판덱스(SP) 혼방 3D 스페이서 직물인 것을 특징으로 하는 마찰전기 나노발전기(TENG).
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