Triboelectric nanogenerators have attracted considerable attention to reduce battery dependence in the field of wearable devices, since they have a wide selection of configurable materials and can be manufactured with a light weight. However, wearable triboelectric generators have their own limitations that perform low power generation to operate the devices. Metal organic frameworks, which have excellent intrinsic chemical flexibility, have been recently studied to improve power performance and introduce the subsystem for triboelectric nanogenerators. However, the research has been conducted mainly on the well-known synthesized species leading to the limitations on output performance. Although composite-based friction layer has been suggested as a solution to the lack of performance since they have advantage to enhance contact surface area, performance deteriorates occur at high weight fraction due to structural destruction. This thesis proposes a high-loading based triboelectrification layer using the gravity sedimentation method by introducing the new amorphous cobalt metal organic framework. In addition, a flexible wrinkled silver nanowire electrode is suggested through the gelation method. A systematic study was conducted according to the particle ratio for optimization of the performance of the triboelectric generator. The composite was analyzed through mechanical and chemical analysis. In the future, the fabrication method can be flexibly applied to the friction layer of a composite material based on a metal-organic framework with the potential of a self-charging wearable system.
마찰전기 나노발전기는 구성가능한 재료의 선택폭이 넓고 경량으로 제작할 수 있어 웨어러블 디바이스 분야에서 배터리 의존도를 저감하기위한 해결책으로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 상용 디바이스의 요구 출력을 만족시키기 위해서는 기존 마찰 발전기의 성능 향상이 필요하며, 때문에 마찰면의 마찰특성 개선에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 그 중 화학적 유연성이 뛰어난 금속유기골격체가 마찰전기 발전기의 서브시스템 구성 및 발전 성능 향상을 위해 연구되고 있으나, 기존에 합성된 금속유기골격체 기반으로 활용되어 여전히 출력에 대한 한계점이 존재한다. 또한, 금속유기골격체 등의 기능성 물질을 삽입하여 제작된 복합재 기반 마찰 발전기의 경우 접촉면적에 이점이 있어 출력부족의 해결 방안으로 적합하나, 높은 파티클 비중에서 구조의 파괴로 인해 성능이 저하되는 문제점이 여전히 존재한다. 본 연구에서는 새로운 구조의 비정질 코발트 금속유기골격체를 합성하고, 이를 중력 침전 방법을 이용해 높은 파티클 비율에서 구동 가능한 마찰면을 제시하였다. 또한 겔레이션 방법을 통해 유연성 있는 주름구조 실버 나노 와이어 전극을 개발하였다. 파티클 비율에 따른 마찰전기 발전기 성능에 관한 체계적인 연구 및 최적화를 진행하였으며, 기계적 강도 및 물질 분석을 통해 개발된 마찰면을 해석하였다. 본 논문에서 활용된 제작 방법은 향후 금속유기골격체 기반의 복합재 마찰면에 유연하게 적용 가능하며, 자가 충전 웨어러블 시스템으로의 가능성을 제시한다.
