In this work, we propose a 3D stacked triboelectric nanogenerator (TENG) that harvests ambient air-flow energy by wind-induced membrane vibration. By placing identical triple-layered membrane as bridge array between two aluminum plates, very thin (~1mm) device is developed. The output characteristics are observed to be multiplied through stacking the devices vertically. Three stacked device shows 1μA of peak short circuit current, 400nA of average short circuit current for 10 m/s wind velocity and 0.14μA/m/s of wind sensitivity. Harvesting wind energy for two differently oriented wind directions is also demonstrated through cross stacking. This work can be applied to various self-powered systems such as wireless sensor network and self-sustainable electronic devices.
본 연구는 PDMS 박막 기반 접촉대전 발전기의 수직 적층에 관한 연구이다. 마이크로 피라미드 구조가 표면에 만들어진 PDMS 층이 내부 알루미늄 전극을 감싸고 있는 3층 박막을 평행한 브릿지(bridge) 형태로 나열한 다음, 상부와 하부에 알루미늄 판막을 이용한 외부 전극을 형성시켜 바람에 의한 진동으로 접촉 대전이 일어나도록 한 소자를 제작하였다. 포토리소그래피와 식각 공정을 통해 피라미드 구조를 이용한 틀(template)을 제작하였고, Self-assembled monolayer의 형성 후 액체 상태의 PDMS를 코팅하여 열경화 과정을 거친 다음 사다리구조로 이루어진 내부 전극을 형성한 뒤에 도장(stamping) 후 경화(curing) 방식으로 소자를 제작하였다. 제작된 소자는 3.5cm × 3cm (면적) × 1mm (높이)의 부피를 가진다.
제작된 소자는 단락 전류(short circuit current)를 측정함으로써 평가 되었고, 바람은 질소 에어건을 이용하여 가해 주었다.
첫 번째 특성 평가로써, 세 개의 박막 각각이 나타내는 단락 전류를 측정하였다. 1번과 2번 박막(바람에 의해 직접적으로 영향을 받는)에 의한 전류가 전체 전류의 대부분을 차지함을 확인하였고, 수평적으로 박막 개수를 늘이는 것 보다 수직으로 적층하는 구조가 유리함을 확인하였다.
두 번째 측정 평가는 세 개의 단일 소자 3개를 수직 적층한 경우 출력 향상에 관한 것이었다. 1층,2층 및 3층으로 적층했을 경우 각각의 평균 단락 전류 ($I_SCA$) 를 계산한 결과 선형으로 증가함이 확인되었으며 적층수에 거의 근사하게 비례하는 것을 확인하였다. 또 다른 수직 적층의 활용 예로써 적층하는 각도를 바꾸면서 실행한 결과, 서로 다른 방향의 풍력에 대해서도 에너지 하베스팅이 되는 것을 증명하였다.
마지막으로, 3단 적층 소자를 활용하여 다양한 바람 세기에 대해 소자의 단락 전류가 어떻게 변하는지 측정하였다. 10MΩ 의 부하 저항을 이용한 측정의 경우, 최대 민감도는 약 0.14 μA/m/s로 측정되었다. 100μF 의 부하 용량을 이용한 측정의 경우, 최대 민감도가 더욱 향상된 0.21 μA/m/s 로 확인되었다. 최대 순간 전력은 21 μW/unit 가 10MΩ 의 부하 저항일 때 관측되었다.
이 연구는 다양한 환경에서 무선 센서 네트워크나 자가 발전 시스템 등이 접촉 대전 발전기를 통해 동작하기 위한 분야로 응용될 수 있다.