A study of Flexible Material-based Triboelectric Nanogenerators for Self-powered Systems

Abstract

최근 웨어러블 디바이스의 사용과 친환경 에너지의 수요가 증가하면서 경제적으로 에너지를 수확할 수 있는 triboelectric nanogenerator (TENG)에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 논문에서는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하여 간단하게 제작할 수 있고 이를 다양한 분야에서 응용 가능한 flexible material 기반 나노발전기를 제안하였다. 특히 반복적인 외력 및 비틀거나 구부리는 변형에도 효율적으로 에너지를 생성할 수 있는 내구성 향상을 위한 방법을 제시하였다. 이를 위해, 본 논문에서는 flexible material 중 paper와 textile을 기반으로 한 TENG를 제작하고 물리적, 전기적 특성을 측정하여 각 parameter의 영향을 분석하였다. 제작된 소자는 상단과 하단의 마찰전기 대전체의 접촉-분리 과정에 의해 최대 572 mW/m2의 전력을 생성하고, 접을수록 마찰 단면적이 넓어져 전기적 출력이 증가한다. 또한, 5000 사이클의 반복적인 푸싱 모션에도 출력 저하 없이 뛰어난 내구성을 나타내었고, 외부 전원 없이 제작된 소자의 출력만으로 전자시계판과 발광 다이오드의 작동을 성공적으로 시연하였다. 따라서 개발된 나노발전기는 소형 전자기기의 지속 가능하고 유망한 친환경 에너지원으로 활용될 것으로 기대되며, 향후 e-textile 및 self-powered electronics에서 실질적으로 적용 가능한 textile 기반 전원을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.|Recently, as the use of wearable devices and the demand for eco-friendly energy have increased, many studies have been conducted on triboelectric nanogenerators (TENGs), which can economically harvest energy. In this paper, we proposed a flexible material-based nanogenerator that can be easily fabricated using readily available materials and can be applied in various fields. In particular, a method for improving durability that can efficiently generate energy in spite of repeated external force and twisting or bending deformation was presented. To this end, in this paper, TENG based on paper and textile among flexible materials was fabricated and the effects of each parameter were analyzed by measuring the physical and electrical properties. The fabricated device generates power of up to 572 mW/m2 by the contact-separation process of the triboelectric electrified body at the top and bottom, and as it folds, the friction cross-sectional area becomes wider, increasing the electrical output. In addition, it exhibits excellent durability without degrading output even in the repetitive pushing motion of 5000 cycles. In addition, we successfully demonstrated the operation of the electronic clock panel and the light emitting diode only with the output of the manufactured device without an external power source. Therefore, the developed nanogenerator is expected to be used as a sustainable and promising eco-friendly energy source for small electronic devices, and is expected to provide a textile-based power source that can be practically applied in e-textile and self-powered electronics in the future.