A triboelectric nanogenerator (TENG) is a promising type of energy harvester which converts ambient mechanical energy into electrical energy efficiently as part of the effort to overcome the energy depletion issue. To enhance the electrical output of the TENGs, the surface morphology is intentionally created on the surface of a friction layer of these harvesters. In this work, the shape dependency of the geometric morphology of a TENG, in terms of the electrical output, force sensitivity, and durability, is investigated by measurements and simulations with the aid of ANSYS. A well-ordered pillar-shaped and dome-shaped nanostructure was created on polydimethylsiloxane (PDMS), which is commonly used as a friction layer in TENGs. It was found here that the TENG with dome-shaped PDMS (DP-TENG) showed greater force sensitivity than the TENG with pillar-shaped PDMS (PP-TENG). However, the PP-TENG was found to be more durable than the DP-TENG. These results stem from the fact that the dome-shaped nanostructure will deform more easily than the pillar-shaped nanostructure. This study suggests a guideline for the structural engineering of the surface morphology of the friction layer with the consideration of the geometric shape to maximize the important properties of the TENGs.
에너지 고갈 문제를 해결하기 위해, 마찰 대전 발전기는 기계적 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 유망한 에너지 하베스터이다. 마찰 대전 발전기의 출력을 증가시키기 위한 방법으로 마찰 층 표면에 나노 구조를 형성시키는 기술을 주로 사용해왔다. 본 연구에서는, 나노 구조의 모양에 따라 마찰 대전 발전기의 출력, 힘 감도, 내구성이 어떻게 변하는지에 대해서 측정과 시뮬레이션을 통해 조사하였다. 이를 위해, 종래에 자주 사용되는 원통 모양과 돔 모양의 나노 구조를 폴리디메틸실록산 위에 잘 정렬하여 형성시켰다. 돔 모양의 나노 구조가 형성된 마찰 대전 발전기는 원통 모양의 나노 구조가 형성된 마찰 대전 발전기보다 높은 힘 감도를 가지고, 낮은 내구성을 가진다는 것이 입증되었다. 이러한 결과는 돔 모양의 구조가 원통 모양의 구조보다 외부의 힘에 의해 쉽게 변형이 일어난다는 사실에 기인한다. 본 연구는 마찰 대전 발전기의 중요 특성을 최적화하기 위한 나노 구조의 모양이 어떨지에 대한 표면 개질 가이드 라인을 제시한다.
