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Engineering of contact interface, device structure, sensor system of wind based triboelectric energy harvester = 바람 기반 마찰 대전 에너지 하베스터의 표면, 소자 구조, 센서 시스템 제작 및 그 응용
서명 / 저자 Engineering of contact interface, device structure, sensor system of wind based triboelectric energy harvester = 바람 기반 마찰 대전 에너지 하베스터의 표면, 소자 구조, 센서 시스템 제작 및 그 응용 / Sang-Jae Park.
저자명 Park, Sang-Jae ; 박상재
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

Energy harvesting generates electrical energy from various ambient environments energy sources such as vibration, water, wind, etc. Moreover, there are various energy harvesting methods to generate electrical energy from electromagnetic, electrostatic, piezoelectric properties. In recent, triboelectric based energy harvesting has been actively studied. Triboelectric energy harvester (TEH) is getting attention, because of high output power, simple fabrication, a wide material spectrum, and low-cost fabrication process. Moreover, TEH collects various mechanical energy sources in various environments. Among the various environment energy sources, wind is the one of the cleanest, sustainable, semi-permanent source for energy harvesting. In the first part, we report a simple and effective route to forming nanostructures on the metal surface was proposed, using a water-assisted oxidation (WAO) process. The one-step WAO process requires only hot water without any complicated equipment and treatment. Using the WAO process, densely packed micro and nanostructures were successfully formed on three target metal surfaces: aluminum, copper, and zinc. The output power of the TEH was enhanced after the nanostructure formation because of the increased contact area. The influence of the process conditions on the nanostructure morphology was additionally analyzed to maximize the output power. The simple and low-cost WAO process is advantageous in terms of practicality. In the second part, we demonstrated a multi direction tied wind based triboelectric energy harvester (MD WTEH) with a single stack structure, which stably collects wind energy blowing from all directions. The proposed MD WTEH is composed of two metal electrodes at the top and the bottom with an intercalated polymer membrane, which is driven to alternately flip and flop between both metal electrodes by an external wind. The overall shape is square, and the polymer membrane is supported by spacers at 4 corners. Structural parameters such as the thickness of the polymer membrane, the length or width of the square device, and the height of the spacers were optimized to investigate the relation between wind frequency and the amount of transferred charge. The analyzed data were supported by numerical simulations. By providing in-depth understanding this study can contribute to the development of general WTEH s. In the third part, we reported self-sustained wind speed sensor system (SSWSSS) operation with onmi-directional wind based triboelectric energy harvester (OD WTEH). The proposed OD WTEH provide the both signal for sensing and energy for storing. The SSWSSS composed of wind speed sensor part and energy storage part. In the wind speed sensor part, it count the frequency of electrical signal from OD WTEH which cross the reference voltage. As wind speed is increased, frequency of electrical signal from OD WTEH also increased. Therefore, wind speed can be sensed from linear correlation between each other. In the energy storage part, it storing the electrical energy from OD WTEH. For transferring maximized power the partial energy from OD WTEH control the rectifier voltage, ant the rest energy stored to capacitor or battery. These self-sustained sensor system was operated as planned, and it will be guideline for self-powered sensor system. In the last part, we reported about output performance of the multi direction tied wind based triboelectric energy harvester (MD WTEH) in various environment. For practical using, the TEH device will be exposed to various environments, such as low or high humidity, low or high temperature, and dusty air. And these environment factors are greatly affected to power performance of the TEH. Therefore, we studied about MD WTEH operation in various environment. We newly designed enclosed measurement setup with aluminum shielding box for measuring humidity, temperature and dust effect. The output performance of the MD TEH was degraded in high relative humidity, high temperature, and any dusty conditions. The relative humidity and temperature are reversible environment factors in output performance of the MD WTEH. However, the dust can be irreversible environment factor in output performance of the MD WTEH

에너지 하베스팅은 진동, 물의 흐름, 바람 등의 주위 환경 에너지원으로부터 전기에너지를 생성시키는 기술이다. 더욱이 에너지 하베스팅의 기술로는 전자기유도 방식, 정전기 방식, 압전 방식 등이 존재한다. 최근에 이르러 마찰 대전을 기반으로 하는 에너지 하베스팅 연구사 활발히 진행되고 있다. 마찰 대전 에너지 하베스터(Triboelectric energy harvester (TEH))는 큰 출력, 간단한 공정 과정, 다양한 물질 선택성, 낮은 비용 소모 등의 이유로 주목받고 있다. 더욱이 TEH는 다양한 환경에서 다양한 기계적 에너지가 수확 가능하다. 다양한 환경에너지원 중에서도 바람은 가장 깨끗하고, 지속적이며, 반 영구적인 에너지 하베스팅의 공급원이 될 수 있다. 첫 번째 파트에서는 간단하고 효과적인 방법으로 금속 표면에 마이크로 및 나노 구조를 형성하는 물 기반 산화 공정(water-assisted oxidation (WAO))에 관한 연구를 진행하였다. WAO 공정은 한 단계 공정으로 오직 뜨거운 물만 필요로 하며 기타 장비나 공정이 필요로 하지 않는다. WAO 공정을 이용하여 알루미늄, 구리, 아연의 금속 표면에 마이크로 및 나노구조를 밀도 있게 형성시켰다. 이러한 WAO 공정을 통해 생성된 금속(알루미늄, 구리, 아연)표면을 TEH에 적용하여, 접촉 면적이 극대화되 발전능력이 향상됨을 확인하였다. 출력이 극대화되는 조건을 찾기위해서 WAO 공정의 최적화 과정 및 화학적 분석이 이루어졌다. 두 번째 파트에서는 다 방향 바람을 수확할 수 있는 마찰 대전 에너지 하베스터(multi direction tied wind based triboelectric energy harvester (MD WTEH))에 관한 연구를 진행하였다. MD WTEH는 단일 층으로 이루어져 있으면서, 안정적으로 다양한 방향에서 불어오는 바람을 수확 할 수 있다. 제안된 MD WTEH는 위층과 아래층 두 개의 금속 전극으로 이루어져 있으며, 그 중간에는 바람에 의해 반복적으로 두 전극 사이를 왕복하며 펄럭이며 접촉 할 수 있는 polymer 막으로 형성되어 있다. 전체적인 모양은 사각형이며, 중간의 polymer막은 각 모서리의 spacer에 의해 고정되어 있다. polymer 막의 두께, 소자의 길이나 넓이, spacer의 높이와 같은 구조적인 변수들이 최적화 되었으며, 바람의 주파수와 전달되는 전하량의 관계에 대해 연구되었다. COMSOL simulation을 통하여 실측 data를 검증하였다. 세 번째 파트에서는 전 방향 바람 수확 마찰 대전 에너지 하베스터 (onmi-directional wind based triboelectric energy harvester (OD WTEH))와 함께 스스로 동작하는 풍속 측정 센서 시스템(self-sustained wind speed sensor system (SSWSSS)) 동작에 관한 연구를 진행하였다. OD WTEH는 풍속을 측정 할 수 있는 신호와 에너지를 저장 할 수 있는 전기적 신호 두 가지 모두 SSWSSS에 공급한다. SSWSSS는 바람의 속도를 측정할 수 있는 회로 부분과 에너지를 저장시키는 회로 부분 두 가지로 구성되어있다. 바람의 속도를 측정할 수 있는 회로에서는 OD WTEH에서 생성되는 전기적 신호가 일정 표준 전압을 넘을 때를 계산하면서 주파수를 측정한다. 바람의 세기가 강해질 수록 OD WTEH에서 발생되는 전기적 신호의 주파수 또한 증가함으로, 이 둘의 선형 관계를 통하여 풍속을 측정 할 수 있다. 에너지를 저장하는 회로 부분에서는 OD WTEH에서 발생되는 전기적 에너지를 최대한으로 축전기나 배터리에 저장하기 위해서, 발생되는 에너지의 일부분을 정류 전압을 유지하는데 사용하고 남는 부분은 축전기나 배터리에 저장되는 시스템을 구축하였다. 마지막 파트에서는 여러가지 환경 요소들, 습도, 온도, 먼지들이 바람 기반 마찰 대전 에너지 하베스터에 미치는 영향에 관한 연구를 진행하였다. 대부분의 실험들은 통제된 환경에서 진행되지만, 실제 생활에서 사용하기 위해서는 여러가지 환경 요소들을 고려해야한다. 마찰 대전 에너지 하베스터는 접촉 대전을 기반으로 전하가 유도되기 때문에 습도, 온도, 먼지들에 의해 방해 받을 수 있다. 습도가 높은 경우 물 분자들이 대기중에 많기 때문에 이들에 의해서 폴리머와 금속 표면에 유도되는 전하가 일부 차폐가 되며 이는 바람 기반 마찰 대전 에너지 하베스터의 출력 감소를 야기시킨다. 온도가 높은 경우에는 접촉 대전으로 폴리머 표면에 생성된 전하가 열적 요동이 심화됨에 따라 반대로 금속표면에 전달됨에 따라 출력 감소를 야기 시킨다. 또한 온도 변화에 의해 폴리머의 기계적 성질이 딱딱하거나 부드럽게 변화되어 접촉되는 효율 변하게 되고 이는 출력 변화를 야기 시킨다. 습도와 온도는 원래의 값으로 돌아 왔을 경우 별도의 처치 없이 출력도 원상 복구 되었다. 마지막으로 먼지의 경우에는 어떤 물질이 되었던지 폴리머와 금속 사이에 침착 되면 접촉 대전 방해로 인해 출력 감소로 이어졌고, 고습한 환경이나 물로 씻어도 회복되지 않고, 이소프로필알콜과 같은 용매로 닦아주어야 원상 복귀 됨을 검증하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 19033
형태사항 x, 77 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박상재
지도교수의 영문표기 : Yang-Kyu Choi
지도교수의 한글표기 : 최양규
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 Including references
주제 Energy harvester
triboelectric energy harvester
water-assist oxidation
oxidized metal
contact electrification
wind
frequency
transferred charge quantity
self-sustained system
wind speed sensor
storing circuit
environment factor
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