The ongoing worldwide energy exhaustion and environmental pollution issues caused by conventional energy sources such as fossil fuels have become serious concerns over the past few decades. Energy harvesting is an efficient and eco-friendly technique to convert various environmental energies to useful electrical energy. As mobile electronic devices and wireless sensors have dramatically advanced recently, the importance of small-size energy harvesters is rapidly increasing. Power requirements of such mobile devices are small enough that they can be operated with a battery, but the unavoidable recharging and replacement process is a critical limitation. A primary purpose of energy harvesters is to extend the operation time of batteries and, ultimately, to allow for self-powered systems that do not require batteries. A great deal of research efforts have been devoted for the effective harvest of ambient energy sources such as solar energy, wind, ocean waves, subtle mechanical vibration and so on. This paper includes three types of energy harvester using triboelectricity for self-powered system.
In the first part, large-area nanopatterning is introduced on a flexible gold substrate by block copolymer (BCP) lithography. Applying this method, we fabricate ultrahigh power energy harvesting harvester based on contact-electrification principle exploiting the effective contact area enhancement. Owing to surface area enhancement by BCP nanopatterning, significant enhancement of triboelectric charge induction is achieved. Those values indicate one of the highest device performance ever reported for the TENGs based on contact-separation mode thus far.
In the second part, a casting process with various grain sizes of a sugar template for different pore sizes by three-dimensional soft lithography is proposed to fabricate a triboelectric sponge (TES) with superhydrophobicity and elasticity, which are essential factors for immunity to the effects of humidity and to impart good mechanical stability. This unique micro-nano structure in the TES enhances the electrical output performance due to an increased effective contact area. Additionally, the fabricated TES films have the property of superior robustness and superhydrophobicity of the flat film due to resistance against external environments stemming from its porous morphology.
In the last part, powder-based triboelectric energy harvester using polytetrafluoroethylene powder as a freestanding triboelectric layer is introduced. By employing powder, which has fluid-like characteristics, the device is able to harvest random vibrational energy from all directions and can be fabricated regardless of the size or shape of its container.
일을 수 있는 소자 (wearable electronics), 인체 삽입형 소자 (implantable electronics) 및 무선 센서 노드 (wireless sensor node)를 필두로 한 소형 전자 소자의 발전이 급속히 진전되고 있다. 이런 소형 소자들의 핵심 성능은 작은 크기로 오랜 시간 동작할 수 있어야 한다는 점이다. 그러나 시스템의 소형화에 따라, 기존에 전원으로 사용되는 배터리(battery) 의 크기 및 재충전 문제가 점점 부각되고 있다. 시스템 전체에서 배터리가 차지하는 면적이 점점 커지고 있으며, 특히 재충전이 힘든 환경 (인체 내부, 환경 모니터링 등)에서 사용될 경우 배터리를 대체해야 할 근본적인 필요성이 생긴다. 이런 orud에서 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 다양한 에너지를 전기 에너지로 변환하는 ‘에너지 하베스팅 (energy havesting)’ 기술의 중요성이 커지고 있다.
다양한 형태의 에너지들 중에서도, 운동 에너지, 광 에너지, 열 에너지가 가장 에너지 하베스팅에 적합한 기술로 분류된다.특히 운동 에너지는 인체의 움직임, 주위의 진동, 바람, 소리, 파도 등 다양한 형태로 주위 어떠한 곳이든지 존재하며, 날씨 및 환경에 크게 구애받지 않고 지속적으로 공급되고, 에너지량 자체가 크다는 장점이 있어 매력적이다.
기존의 고전적인 운동 에너지 하베스터는 전자기적 방식 또는 압전체를 이용해 제작되어 왔다. 전자기적 방식의 경우 발전소 스케일의 대형화에 적합한 구조를 가지지만, 에너지 하베스터용으로 소형화 하였을 때 에너지 변환 효율이 낮아 출력 에너지를 높이기 힘든 문제점이 있다.압전 방식의 경우 에너지 변환 효율이 더 높지만, 유전체 재료의 비싼 가격과, 공정 과정에 수반되는 고온 공정(crystallization) 및 고얍 공정 (polling) 때문에 실용화 제품으로의 발전이 더디게 진행되고 있다. 이런 상황에서 2012 년 1 월 최초로 제안된 마찰-대전 현상 (contactelectrification)을 이용한 에너지 하베스터 (energy harvester)는 높은 에너지 출력, 다양한 소재, 낮은 재료비, 다양한 응용분야, 간단한 디자인, 저온 공정의 장점을 가지고 급속히 발전하고 있다. Wearable device, implantable device 등 소형 전자소자의 발전으로 에너지 하베스팅 기술의 중요성이 날로 커지고 있다. 다양한 에너지원 중에서도 운동 에너지 하베스터가 급속한 성장폭을 보일 것으로 기대된다. 특히 기존의 고온 공정, 고비용의 유전체를 필요로 하던 압전 기반의 운동 에너지 하베스터 대신 높은 에너지, 재료 다양성, 가격 경쟁력 등의 장점을 가진 마찰-대전 기반 에너지 하베스터가 최근 주목받고 있다. 하지만 현 단계에서는 마찰-대전 에너지 하베스터의 에너지 출력 수준이 실제 전자소자의 배터리 충전을 위한 상용화 수준에는 아직 못 미치고 있으므로 마찰-대전 에너지 하베스터가 상용화 수준으로 가기 위해서는 출력 에너지 향상을 위한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 마찰-대전 에너지 하베스터의 출력향상에 중점을 두고 크게 세 부분으로 나누어 연구를 소개하고 결과를 심도있게 분석해 보았다.
첫 번째 파트에서는 블록공중합체를 이용한 나노 패턴을 접촉 표면에 형성하여 마찰-대전시의 유효접촉면적을 극대화 시켰다 유효접촉면적이 커짐에 따라 그로 인한 표면 전하밀도가 증가하게 되어 출력 전압과 전류가 패턴이 없는 표면대비 16 배 증가함을 확인하였고, 그때 생성되는 전기 에너지 또한 계산을 하였다. 입력에너지와 출력에너지를 측정하여 에너지 생성 효율을 계산하였고, 패턴이 없는 하베스터에 비해 효율이 5 배 증가함을 확인하였다.
두 번째 파트에서는 다공성 스펀지를 마찰-대전 에너지 하베스터의 접촉면으로 사용하였따. 기존의 딱딱한 기판에 비해 다공성 스펀지를 사용하게 되면 스펀지 자체의 거친 표면으로 인한 유효접촉면적이 증가하게 되어 표면전하량이 증가하여 출력이 향상됨을 알 수 있었고, 또한 힘을 인가했을 때, 두께의 변화가 생기게 되어 그로 인해 캐패시턴스의 증가로 출력 향상이 추가적으로 생기게 된다. 또한 스펀지 자체의 다공성으로 인하여 초발수성의 특성을 지니게 되어 주변 습도의 변화에도 출력의 변화폭이 기존의 딱딱한 고분자기판을 썼을 때보다 줄어들어 실제 외부에서 사용 가능한 잠재성을 보였다.
마지막 파트에서는 기존의 방식이었던 기판끼리의 마찰-대전 방식이 아니라 마찰-대전 물질로 불소계 고분자 가루를 사용하였다. 단방향의 mechanical vibration 뿐만 아니라 모든 방향의 진동을 전기 에너지로 만들 수 있고, 모양 변형이 용이해 패키지 디자인에 맞추어 소자제작이 가능하므로 소형화 제작이 쉽다. 마찰-대전 에너지 하베스터의 실제 상용화를 위해서는 출력 에너지량이 외부 환경 변화에 민감하지 않고 오랫동안 지속적으로 출력 성능이 확보가 되어야 한다. 기존 선행 연구에서 제안한 에너지 하베스터는 외부에 노출이 되어있는 구조를 가지기 때문에 습도, 온도 등의 외부 환경의 변화에 출력 에너지량의 변화가 매우 심하고, 오랜 시간 가동 시에는 성능저하가 두드러지게 나타나 실제 제품화하기에는 무리가 있다. 하지만 보 ㄴ연구에서는 이를 해결하기 위하여 구조적 패키징을 통하여 패키지 일체형 에너지 하베스터를 개발 하여 주변 환경의 민감도를 없애서 상용화 가능한 수준의 소자를 제작하였다.
직접적이 ㄴ전력 수급이 불가능한 wearable device, wireless sensor network 등에 본 연구에서 수행한 마찰-대전 에너지 하베스터를 적용한다면 제품의 성능, 수명, 크기, 가격 경쟁력 등을 획기적으로 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다. 마찰-대전 에너지 하베스터는 기존의 실리콘 기반 공정을 그대로 적용 할 수 있고 물질 선택의 자유도가 높아 가격 경쟁력, 양산성, 접근용이성이 커 현재 제한적으로 적용되어 오던 운동 에너지 하베스팅 기술을 모바일 기기 등 다양한 응용으로 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 실제 상용화 및 사업화를 위해서 패키징 형태의 에너지 하베스터를 구현함으로써 실제 환경에서의 적용가능성이 높아질 것으로 기대된다.
