정전기를 이용한 차세대 친환경 에너지 수확

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정전기를 이용한 차세대 친환경 에너지 수확
제안자 이주혁
자문교원 이주혁
연도 2020
타입 A형 과제
코스 장영실
매칭여부 Yes
참여학생수 4
소개동영상

제안 배경

  • 석유, 석탄 등 화석연료가 고갈되어가며 지속가능하고 친환경적인 새로운 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 이런 에너지원으로 전기에너지가 급부상하며 세계적으로 많은 연구와 상용화가 활발하게 이루어지고 있고, IOT(사물인터넷) 시대가 다가오면서 센서나 다기능성 스마트 전자 기기가 우리 생활에 보급되고 있다(smart watch, smart phone 등). 이러한 기기들의 기능이 많아질수록 소비전력이 늘어나며 앞으로 나올 모든 전자기기, 센서의 전력문제를 배터리 하나만으로 해결하기엔 어려운 상황이다. 따라서 독립적이고 유지 보수가 필요 없는 지속적인 전력 에너지원의 필요성이 증가되고 있다.
  • 이를 해결하기 위해 최근 각광받고 있는 분야가 에너지 하베스팅(Energy harvesting)이다. 에너지 하베스팅은 우리 생활 속에서 버려지는 에너지를 수확하여 재활용하는 기술이다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 지속적으로 에너지를 공급할 수 있는 기술로, 전자 기기들의 지속적인 구동을 위한 차세대 에너지원으로 관심을 받고 있다. 특히 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 및 마찰대전 특성을 이용한 에너지 발전소자 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이는 배터리를 대체 하거나 배터리의 수명을 연장하여 전자소자의 구동시간을 획기적으로 증가시키는데 사용될 것으로 예상된다.
  • 겨울철 문고리나 금속에 닿았을 때 인체와 물질간의 순간적인 전기에너지가 발생하는 정전기(마찰대전) 현상을 겪어보았을 것이다. 작게는 인체와 물체의 전기에너지에서 크게는 낙뢰까지 마찰대전으로 인한 현상에 속한다. 이처럼 큰 에너지를 발생시킬 수 있는 마찰대전은 최근 압전보다 높은 출력을 보이며 에너지 하베스팅 분야에서 큰 이슈로 떠올랐다. 마찰대전 소자를 통해 전기에너지를 생성하는 소자를 제작하면 다른 에너지 수확 소자보다 더 큰 에너지를 생성할 수 있을 것이다.
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  Fig.1 Mechanical Energy Harvesting 기술의 응용 분야

과제 목표

본 연구는 마찰대전 소자의 출력을 높이고 이를 실생활에 응용될 수 있게 하는 것이 목표이다. 이를 위한 세부적인 목표로는 • 마찰대전 에너지 소자의 구동 원리 이해 • 물리/화학적인 방법을 통해 고출력 에너지발전 소재/소자 개발 및 개선 • 여러 기기를 사용해 에너지 재료의 특성 조사(XRD, SEM, Keithely) • 실생활, 상업적인 부분에 에너지 수확 소자 응용 이 있다.

과제 내용

• 마찰대전 에너지 발전소자의 구동 원리는 마찰전기 및 정전기 유도에 기반한다. 먼저 서로 다른 두 물질이 접촉을 이루었을 때 마찰대전 배열표 (Triboelectric series table)에 따라 한 물질에서 다른 물질로 전하의 이동이 발생하며 한쪽물질의 표면은 양전하, 다른 물질의 표면은 음전하로 대전되는 정전기를 형성하게 된다. 두 물질이 분리되면 두 물질이 다시 마찰될 때 발생되었던 분극이 사라지고 반대 방향으로 전자의 흐름이 발생한다(Fig. 2). 이렇게 외부응력이 가해짐에 따라 서로 다른 두 가지 물질의 마찰대전효과에 의해 발생하는 Voc 와 Isc는 아래와 같다.

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  Fig.2 마찰대전 에너지 발전소자의 구동 원리

• σ는 대전된 마찰대전 전하밀도, x는 두 물질간 거리, ε0는 진공유전율, S 는 마찰면적, v는 이동속도, d 는 물질두께, εr는 물질의 유전율을 나타낸다. 식 및 물리에너지의 유형, 그리고 마찰대전 발전소자의 구동원리에 기초하여 지속적인 에너지를 공급하는 마찰대전 에너지 발전소자의 설계에 중요한 방향을 제시할 수 있다. 그 중에 소자를 구성하는 물질간의 거리 x, 재료의 두께 d 그리고 물질의 유전 상수인 ε을 제어하면 소자의 구동능력을 향상시킬 수 있는 점에 집중하려 한다.

• 마찰대전 발전소자의 재료중 하나인 PDMS의 dielectric constant(유전 상수)는 2.3-2.8로 알려져 있다. PDMS보다 더 큰 유전상수를 가진 물질을 PDMS에 섞음으로써 유전상수를 증가시키고, 발전기의 효율을 높이는 연구들이 진행중이다.(Fig.3) 본 연구에서는 유전 상수가 높은 세라믹 계열의 물질을 합성하여 PDMS에 섞고 이를 통해 마찰대전 발전소자를 제작하여 출력을 향상시킬 것이다. 또한 재료의 두께, 유전체 사이의 거리등을 조절하여 소자의 최대출력조건을 찾을 예정이다.

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   Fig.3 PDMS에 세라믹 계열을 혼합한 마찰대전 소자 (ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 1, 736-744)

참고자료

  1. . F.-R. Fan, Z.-Q. Tian, Z. L. Wang, Flexible triboelectric generator, Nano Energy, 1, 328 (2012)
  2. . J.-H. Lee, H.-J. Yoon, T. Y. Kim, M. K. Gupta, J. H. Lee, W. Seung, H. Ryu, S.-W. Kim, Micro-patterned P(VDF-TrFE) films-based piezoelectric nanogenerators for highly sensitive self-powered pressure sensors, Advanced Functional Materials, 25, 3203 (2015)
  3. . Chen, Jie, et al. "Enhancing performance of triboelectric nanogenerator by filling high dielectric nanoparticles into sponge PDMS film." ACS applied materials & interfaces 8.1 (2015)

희망학생

201711043 김유석