웨어러블 에너지 하베스팅을 위한 코어-쉘 구조를 갖는 원통형 마찰전기 하베스터에 대한 연구

Abstract

Energy-harvesting technologies continuously generate power from human movement through wearable devices, and have attracted increasing attention and demand. However, in traditional fiber-based triboelectric nanogenerators, the triboelectric material and electrodes are placed outside the fiber, with consequent issues such as short-circuiting. In addition, limited harvesting capability is inevitable due to the small frictional surfaces. In this study, we propose a new core-shell structured cylindrical triboelectric nanogenerator (CCTENG) with a core-shell structure that can generate power through various deformations and body movements, and that has high durability and resilience. In the CCTENG, the frictional charged materials are located inside a flexible cylindrical silicone tube, where sufficient air gaps can be formed without additional spacers, thereby protecting the frictional charged materials from external influence. Deterioration of the friction efficiency of the friction materials is also prevented by limiting the internal space of the cylindrical silicon tubes. These tubes are composed of conductive silicone rubber and a conductive fiber with a helical structure. A triple-structured CCTENG was fabricated using three strands of the CCTENG, and vertical forces were applied to generate a maximum voltage of 169 V and current of 18.9 μA. The friction materials were located inside the tube to prevent short-circuiting, and the flexible characteristics of the CCTENG were exploited to generate energy from various deformations. The proposed CCTENG can be used in wearable energy harvesting systems, where it collects physical data and harvests energy from arbitrary motion when attached to the body.|웨어러블 디바이스의 수요 증가에 따라 신체로부터 지속적인 전력 생성이 가능한 에너지 하베스팅 기술이 주목 받고 있다. 그러나 기존 파이버 기반의 마찰전기 하베스터는 대전 물질과 전극이 파이버의 겉면에 위치하여 섬유 및 대면적 제작 시 합선과 같은 문제점이 발생된다. 또한 한정된 마찰면적으로 인하여 제한적인 하베스팅 동작이 강요되었다. 본 연구에서는 다양한 변형 및 신체의 움직임을 통해 전력생성이 가능하며 내구성 및 복원력이 뛰어난 코어-쉘(Core-shell) 구조를 갖는 원통형 마찰전기 하베스터(Core-shell structured cylindrical triboelectric nanogenerator)를 제안한다. CCTENG는 신축성 있는 원통형의 실리콘 튜브를 이용하여 마찰대전 물질들을 내부에 위치시킴으로써 추가적인 스페이서(spacer) 제작 없이 충분한 에어 갭 형성이 가능하고 외력으로 인한 마찰대전 물질들의 손상 보호한다. 또한 마찰물질들은 전도성의 실리콘 고무와 나선형 구조의 전도성 실을 이용하여 원통형 실리콘 튜브의 제한적인 내부 공간에 의한 마찰 효율 저하를 방지하였다. 제안된 CCTENG 세 가닥을 이용하여 Triple CCTENG를 제작하였고 수직 힘을 인가하여 169 V 및 18.9 uA의 전력을 생성하였다. 마찰대전 물질들은 내부에 위치하여 단락 현상을 방지할 수 있었고 신축성 있는 물질들로 인해 다양한 변형으로부터 에너지 생성이 가능하다. 결과적으로 신체에 부착 시 임의의 행동에 의한 신체 데이터 수집 및 에너지 하베스팅이 가능하여 웨어러블 하베스팅 시스템으로써 응용 될 수 있다.