With recent advances of electronics, size and operating power of a wearable as well as portable device, an implantable device, and a wireless sensor networks (WSN) has been intensively scaled down. These small-scale wireless systems are usually powered by a battery, but an inevitable recharging process and limited lifetime of the battery demand an alternative powering method. Small-scale energy harvesting from the wasted ambient energy becomes an attractive solution for implementing a sustainable, reliable, and cost-effective system. In particular, the triboelectric energy harvester (TEH) attracts special interests based on distinguished advantages such as high power, design flexibility, wide material spectrum, wide energy sources available, low temperature fabrication, and wide application area. From the four parts of this paper, progresses on structural engineering of TEH are discussed.
In the first part, TEH with nature-replicated surfaces are introduced. Output electrical energy is en-hanced due to the enlarged contact area stemmed from the micro and nanostructures in nature. In addition, improvement of humidity resistance property is firstly observed after the interfacial structural formation.
In the second part, the interfacial structure of TEH is discussed in analytical viewpoints. In particular, deformation behavior of interfacial structures with applied force is determined. A force-voltage relationship stemmed from the deformation of interfacial structures is discussed in detail. Based on the analysis, design guideline of interfacial structures of TEH is suggested.
In the third part, a TEH with new structure platform is suggested. External mechanical vibration re-peats an oscillating motion of a polymer-coated metal oscillator floating inside a surrounding tube. Continu-ous sidewall friction at the contact interface of the oscillator induces current between the inner oscillator elec-trode and the outer tube electrode to convert mechanical vibrations into electrical energy. The floating oscilla-tor embedded TEH is versatile for almost any kinds of external vibration form.
In the last part, a TEH with hybrid mechanism of triboelectricity and induced electricity is introduced. The triboelectric generator (TEG) part and the electromagnetic generator (EMG) part are independently but simultaneously yielding power by sharing the floating oscillator. There is clear energy benefit not only in the equal-displacement condition but also in the equal-energy condition with consideration of increased mass. Based on the collected electrical energy, actual charging of the smart phone and real-time operating the wire-less illuminance sensor as well as turning on the LED lamp and driving the portable fan are successfully demonstrated.
에너지 하베스팅은 주위에 존재하지만 사용되지 못하는 다양한 에너지원을 활용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 변환된 전기 에너지는 무선 센서 네트워크, 입을 수 있는 소자, 사물인터넷 등의 소형 무선 전자기기의 구동 에너지원으로 활용될 수 있다. 반영구적이고 재충전이 필요 없는 장점에 기반해, 에너지 하베스터는 기존의 배터리를 보완, 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다. 특히 마찰 대전 현상을 이용해 운동 에너지를 변환하는 마찰 대전 에너지 하베스터가 주목 받고 있다. 마찰 대전 에너지 하베스터는 높은 출력 파워와 디자인 자유도, 다양한 가용 물질 스펙트럼과 에너지원들, 저온 공정 및 다양한 적용처 등의 장점을 가진다. 이 논문에서는 마찰 대전 에너지 하베스터의 구조적 개선 및 분석을 다룬 네 가지 연구 성과를 소개하였다.
첫 번째 파트에서는 자연의 마이크로, 나노 구조를 마찰 계면에 형성한 마찰 대전 에너지 하베스터에 대해 다루었다. 오랜 진화 과정을 통해 형성된 자연계의 마이크로, 나노 구조를 대전 특성이 좋은 폴리머로 복제 하여 마찰 대전 에너지 하베스터에 적용하였다. 실험 결과 증대된 유효 마찰 면적으로 인해 출력 에너지 밀도가 최대 3.0배 증가함을 확인하였다. 또한 마이크로, 나노 구조 형성 후 외부 습도에 대한 저항성이 증가되는 현상을 발견하고 분석하였다.
두 번째 파트에서는 마찰 대전 에너지 하베스터의 계면 구조 디자인에 대해 분석적인 측면에서 다루었다. 특히 마찰 시 발생하는 힘에 따른 마찰 계면 구조의 압축 현상을 규명하고, 이로부터 기인한 힘-에너지 관계에 대해 분석하였다. 분석 결과를 토대로 마찰 대전 에너지 하베스터의 적용처에 따른 마이크로, 나노 구조 디자인에 대한 가이드라인을 제시하였다.
세 번째 파트에서는 새로운 원리의 소자 디자인을 제시하고 분석하였다. 속이 빈 케이스 안에 자석의 척력으로 부유하고 있는 진동자를 삽입하고, 케이스와 진동자 옆면의 마찰 계면에서 폴리머-메탈 간 슬라이딩-모드 마찰 대전 발전이 수행되도록 디자인 하였다. 임의의 형태를 가지는 외부의 운동 에너지는 먼저 진동자의 내부 진동으로 변환된 후, 마찰 대전 현상을 일으켜 전기 에너지로 변환된다. 이 부유 진동자 기반 마찰 대전 에너지 하베스터는 순간적인 펄스 형태의 충격이나 지속적인 진동 등에 대해 모두 동작 가능함을 확인하였다.
마지막 네 번째 파트에서는 마찰 대전 메커니즘과 전자기 유도 메커니즘을 혼합한 혼성 에너지 하베스터에 대한 디자인을 제시하고 분석하였다. 폴리머가 코팅된 자석 진동자가 운동할 때 생기는 슬라이딩 마찰 대전 현상과 자력의 변화를 동시에 활용해, 상호 보완적이면서도 증강된 아웃풋 에너지를 가질 수 있음을 증명하였다. 이를 활용해 스마트폰 충전 등의 상용화된 전자기기에 활용할 수 있음을 실험적으로 증명하였다.
