Development of Woven Structured and Skin-attachable Nanogenerator for Wearable Energy Harvesting

Abstract

최근 스마트 의류, 전자 피부와 같은 착용형 시스템의 전원 공급 문제를 해결하기 위해 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 본 논문에서는 사용자가 이질감 없이 착용하여 신체의 움직임으로부터 필요한 에너지를 수확하고 이를 다양한 분야에 응용 가능한 나노발전기를 제안하였다. 특히 웨어러블 에너지 하베스팅 소자의 핵심 요구 조건인 내구성과 유연성의 확보, 효율적인 발전 성능 향상을 위한 방법을 제시하였다. 이를 위해 본 논문에서는 파이버형, 직물 구조형, 신체 부착형, 전자 피부형 나노발전기를 제작하고 물리적, 전기적 특성을 측정하여 각 parameter의 영향을 분석하였다. 고분자 탄성중합체 및 전도성사의 복합화를 통해 신축성과 내구성을 동시에 확보하였고, 간단하고 효율적인 주조 방식으로 대전체 표면을 패터닝하여 전하 밀도를 증가시키고 소자의 발전 효율을 향상 시켰다. 제작된 소자는 100% 이상의 신축성, 5000회 동작 주기에 걸친 우수한 내구성, 최대 154 mW/㎡의 전력을 생성하여 전자 기기를 동작시킬 수 있는 응용 가능성을 입증하였고 신체 움직임에 따른 에너지 수확뿐만 아니라 전자 피부형의 경우 일체형 압력 감지 센서로 응용하여 생체신호를 측정할 수 있었다. 개발된 나노발전기는 웨어러블 시스템에 전력 공급이 가능하고 전자 텍스타일, 유연전자소자, 휴먼-머신 인터페이스, 생체 모니터링 등의 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.|Recently, wearable energy harvesting technology has been attracting attention to solve the power supply problem in wearable systems, such as smart clothing and E-skin. This study proposes a nanogenerator that can be worn comfortably by a human being. It can harvest energy through human movements and can be applied in various fields. In particular, methods for securing durability and flexibility and improving efficient power generation performance, which are core requirements of wearable energy harvesting devices, were presented. We developed fiber, woven-structured, body-attachable, and E-skin-based nanogenerators and analyzed the effects of each parameter by measuring the physical and electrical properties of the nanogenerators. Stretchability and durability were secured through a composite of polymer elastomers and conductive yarns, and the charge density was increased by patterning the surface of the triboelectric material through a simple and efficient casting method. Consequently, the nanogenerators demonstrated an elasticity ≥100%, excellent durability over 5000 operating cycles, and power generation of up to 154 mW/㎡ to operate electronic devices. In addition, in the case of the E-skin type, bio-signals were measured by applying an integrated pressure sensor; moreover, energy harvesting was possible owing to body movements. The developed nanogenerator can supply power to wearable systems and is expected to be used in applications such as electronic textiles, flexible electronic devices, human-machine interfaces, and bio-monitoring.