문홍철 교수님 1조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 이온젤 전극 기반의 늘어나는 마찰전기 나노발전기
영문 : Stretchable Triboelectric Nanogenerator based Ionogel Electrode
과제 팀명
문홍철교수님 1조
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 한*혜(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 임*현
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 최근 웨어러블하고 신축성이 있는 자가 동력 장치를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되면서 마찰전기 나노발전기(TENG)가 주목받고 있다. TENG(triboelectric nanogenerator)이란, 두 물질이 마찰할 때 발생하는 대전현상과 정전기적 유도 현상을 통해 전기에너지를 생성하는 소자로, 압력 등의 자극을 감지하거나, 발생한 전기를 저장하여 사용할 수 있는 소자이다. TENG의 간단한 원리 덕분에 복잡한 과정없이 자연에서 발생하는 다양한 형태의 에너지들을 효과적으로 수확할 수 있다.
◇ TENG은 이온 전도체와 전기 전도체(전극)를 필요로 하는데, 이번 연구에서는 이온 전도체로 이온젤을 사용한다. 이온젤(ion gel)은 고분자와 이온성 액체(ionic liquid, IL)로 구성된 복합물질로, 구부러지고 늘어나면서도 높은 이온전도성을 갖는다.
◇ 이온젤을 통해 늘어나는 소자를 구현할 수 있지만, 늘어난 상태에서도 전극으로서 구동이 가능한 물질을 사용해야 한다. 따라서 이온젤 자체를 전극으로 활용할 수 있도록 은 나노 와이어(silver nanowire, AgNW)를 이온젤 위에 코팅하는 방식을 택하였다. 이를 통해 늘어나는 전극을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 고분자, 이온성 액체의 종류 및 비율 등을 변화시키며 각각의 성능을 비교한다.
◇ 위의 분석을 바탕으로 AgNW의 코팅 적합성이 가장 좋은 이온젤을 결정하고자 한다. 또한 제작한 이온젤을 활용하여 TENG의 성능을 확인하고 최종적으로 출력된 전기 에너지를 이용하여 LED를 작동시킬 것이다.
개발 과제의 배경
◇ 우수한 기계적 강도와 이온전도도를 가진 이온젤은 기존에 많이 사용되던 고체 전해질과 액체 전해질의 단점을 보완할 수 있으며, 초소형 및 웨어러블 기기 기술의 발전에 따라 이러한 이온젤을 TENG에 구현하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
◇ 현재 가장 널리 쓰이고 있는 ITO (indium tin oxide)는 전기적 특성이 매우 뛰어나며, 물질 자체의 안정성이 매우 높아 휴대폰, TV, 모니터 및 여러 디스플레이 소자에 사용되고 있다. 하지만 ITO는 낮은 변형률을 지니며 가격이 매우 높고 친환경적이지 못해 언젠가는 대체되어야 하는 물질이다. 이에 따라 여러 산화물들과 다양한 구조의 금속물질들이 개발되고 있다.
◇ 은 나노 와이어(silver nanowire, AgNW)는 직경이 nm, 길이가 μm 단위인 기둥 모양의 전도성 물질로써 유연하고 투명한 전극 제작에 필요한 핵심 소재이다. 용액상의 분산이 가능해 다양한 코팅 방법으로 기판 위에 쉽게 코팅이 가능하며 균일한 면저항을 구현할 수 있다. 또한 제조 방법이 간단하여 대량 생산이 가능하며 비교적 저렴한 가격의 금속 물질에 해당한다. 이러한 특성으로 인해 AgNW는 ITO를 대체할 물질로 제시되고 있다.
◇ 기존의 IoT 디바이스는 전기를 공급하기 위해 배터리를 사용하고 있다. 하지만 배터리는 수명이 한정되어 있으며, 배터리 교체나 충전을 위해 사용자가 수동적으로 개입해야 하는 불편함이 있다. 또한, 배터리의 처리나 폐기에 따른 환경 문제도 존재한다. 반면 TENG 기술은 마찰이나 충격과 같은 자연적인 에너지를 이용하여 전기를 생성하기 때문에 배터리 없이도 디바이스에서 필요한 전기를 공급할 수 있다.
◇ 본 연구에서는 신축성 있는 이온젤 전극을 기반으로 한 TENG을 제작하고자 하며, 이는 지속적인 전력 공급 및 자가 발전 시스템의 발전에 기여할 수 있을 것이다. 더불어 차세대 디스플레이 기술이나 웨어러블 디바이스 및 자극 감지 센서 등 다양한 분야에서의 활용을 기대할 수 있을 것이다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 이번 연구에서는 고분자와 이온성 액체를 가교하여 이온젤을 제작한 후 은 나노 와이어(AgNW)를 젤 위에 코팅하여 뛰어난 전도성과 유연성을 가진 전극을 제작하는 것이다. 이러한 전극을 TENG에 적용하여 기존의 TENG에서 더 발전된 stretchable TENG을 구현할 것이다. 이러한 목표 달성을 위해 다음과 같은 세부적인 목표를 세웠다.
◇ 은 나노 와이어가 코팅되기에 적합한 고분자와 이온성 액체를 선정하고 UV-curing을 통해 이온젤을 제작한다.
◇ 이온젤의 기계적 강도 및 이온전도도 분석을 통해 최적의 고분자와 이온성 액체의 비율을 찾는다.
◇ Spray coating을 통해 이온젤 표면 위에 AgNW를 코팅하여 이온젤 전극을 제작하고 전극의 성능을 확인한다.
◇ 이온젤 전극을 TENG에 적용하여 생성되는 전압 및 전류를 측정한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Ultrastretchable, transparent triboelectric nanogenerator as electronic skin for biomechanical energy harvesting and tactile sensing (Pu et al., Sci. Adv. 2017;3: e1700015)
본 연구에서는 elastomer(PDMS, VHB)와 ionic hydrogel(PAAm-LiCl)의 복합체에 Cu wire를 연결하여 에너지를 수확하고 피부 촉감을 감지하는 Skin-like TENG (STENG)을 제작하였다. 기존 TENG의 경우, elastomer substrates 위에 electrical conductive material(carbon nanotube, graphene)을 고정하여 stretchability 및 flexibility를 구현했지만, 늘어나는 정도나 strain이 굉장히 제한적이고 elastomer의 strain에는 한참 미치지 못하는 경우가 많았다. 해당 연구는 ionic conductive material, 그중에서도 hydrogel을 사용했는데, 이는 hydrogel이 고체이면서도 늘어나는 성질을 가졌으며 인체에도 사용할 수 있기 때문이다. 또한 굉장히 투명하여 visible 영역의 스펙트럼을 관찰하는 것에 방해가 되지 않는다.
◇ Highly transparent AgNW/PDMS stretchable electrodes for elastomeric electrochromic devices (Nanoscale, 2017, 9, 2633-2639)
Indium tin oxide (ITO)는 최근 투명한 전도체 개발에 가장 흔히 쓰이는 물질이다. 이는 전기적으로 여러 장점이 있지만, 값이 비싸고 단단하다는 단점이 있다. 이러한 ITO를 대체할 물질로 AgNW가 제시되고 있다. Silver nanowires (AgNW)는 ITO만큼의 전기적 장점을 지니고 있으며 값이 저렴할 뿐만 아니라 투명하고 flexible한 substrate와 함께 사용할 수 있다. 이 논문에서는 AgNW를 stretchable한 polymer와 함께 사용하여 conductivity와 stretchability를 모두 가지는 전도체를 개발하기 위해 polymer로 PDMS를 사용한다. PDMS는 높은 투명도와 상온에서의 높은 신축성을 가지고 있지만, AgNW와 서로 잘 접착되지 않는 문제점을 가지고 있다. 이 때문에 낮은 저항과 높은 투명도를 구현해내는 것에 어려움을 겪고 있다. 따라서 이 문제점을 해결하기 위해 hybrid technique를 사용하여 AgNW를 PDMS와 효과적으로 접촉시킬 수 있는 방법을 고안하였다.
◇ Control of skin potential by Triboelectrification with Ferroelectric Polymers (J.-H. Lee et al, Adv. Mater. 2015, 27, 5553-5558)
본 연구에서는 사람의 피부에 positive가 아니라 negative를 유도하기 위해 결정화된 강유전체 고분자를 사용해서 TENG을 구현했다. 사람의 피부는 positive triboelectric property가 매우 강하다. 따라서 대부분의 물질과 마찰이 일어나면 주로 positive로 유도되기 쉬운 편인데, 사람의 신체는 전자(negative electrons)를 필요로 한다. 그 이유는 전자들이 몸 안의 활성산소종을 중화하고, 그 과정에서 신체 면역을 증진하고 염증 반응을 도와주기 때문이다. 사람의 피부에 positive가 대전된 것은 기분이나 신체 컨디션을 좋지 못하게 만드는 역할을 한다. 그러나 현대 사회는 지구의 전자들이 신체로 유입되기에는 적합하지 못한 환경이다. 따라서 본 논문에서는 TENG의 마찰전기 유도 과정에서 피부에 negative를 유도하게 할 수 있는, 즉 피부보다 triboelectric positive 성질이 강한 고분자인 P(VDF-TrFF)을 이용했다. 그 결과 유도된 전압이 Nylon보다 높은 유의미한 전압값이 나왔다는 것을 확인할 수 있다.
- 특허조사
◇ 이온성 젤 및 이를 포함하는 변형 센서
출원일: 19.09.18 출원번호: 10-2019-0114570 출원인: 서울시립대학교 산학협력단
본 발명은 이온성 젤 및 이를 포함하는 변형 센서에 관한 것으로, 이온성 젤은 이온성 액체에 녹지 않는 반복 단위 및 이온성 액체에 녹는 반복 단위를 포함하여 마이크로 상분리(microphase separation)된 공중합체, 그리고 공중합체와 복합화된 이온성 액체(ionic liquid)를 포함한다. 본 발명의 이온성 젤은 새로운 초연신성 전도체로서 연신율(elongation)이 300% 이상이다. 또한 이온전도도와 기계적 강도가 모두 뛰어나고, 비휘발성으로서 상온(20℃)에서 안정적이며 추가적인 후처리 공정 없이 이온성 젤 자체로 센서를 구성할 수 있다.
◇ 전도성 고분자가 코팅된 그래핀-은나노와이어 나노복합체 전극 및 이의 제조방법
출원일: 18.12.17 출원번호: 10-2018-0163538 출원인: 국방과학연구소
본 발명은 전도성 고분자가 코팅된 그래핀-은나노와이어 나노복합체 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 그래핀과 은나노와이어를 이용해 면 저항이 우수한 나노복합체 전극에 전도성 고분자인 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)를 코팅해 전도성 고분자 박막을 형성함으로써, 그래핀-은나노와이어 나노복합체 전극의 산화를 막고 표면 거칠기를 개선시킨다.
◇ 하이드로젤 기반의 마찰전기 나노발전기 및 이를 포함하는 웨어러블 센서
출원일: 21.05.31 출원번호: 10-2021-0069981 출원인: 한국과학기술원
본 발명은 하이드로젤 기반의 마찰전기 나노발전기 및 이를 포함하는 웨어러블 센서에 관한 것으로, 카테콜-키토산-다이아톰(catechol-chitosan-diatom)을 합성하여 하이드로젤을 형성하였다. 또한 음의 대전체인 PDMS 필름이 하이드로젤을 감싸도록 형성되었으며 양의 대전체는 알루미늄 금속 재질을 사용하여 PDMS의 일부와 접촉되고 분리되도록 구성하였다. 본 발명은 인체에 착용되었을 때 높은 신축성 및 유연성을 가지고 자가 치료가 가능한 하이드로젤 기반의 마찰전기 나노발전기를 제공하며, 저주파 진동 운동에 민감하게 반응하여 파킨슨병 환자의 증상인 손떨림을 효과적으로 측정할 수 있는 웨어러블 센서를 제공한다.
◇ Triboelectric generator comprising stretchable electrode (연신전극을 포함하는 마찰발전소자)
출원일: 20.11.23
출원번호: PCT/KR2020/016569
출원인: 한국화학연구원 (Korea Research Institute of Chemical Technology)
본 발명은 마찰발전소자에 연신전극을 포함함으로써 접촉(contact) 또는 슬라이딩(sliding) 방식 외에도 평면 방향으로의 연신에 의한 전기 에너지 생성이 가능하여 에너지 전환율이 현저히 높은 효과가 있다. 또한 종래 대비 높은 유연성을 가지며 높은 내구성을 장기간 유지할 수 있는 마찰발전소자를 제공한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ Energy Harvesting 기술의 발전 Energy Harvesting이란, 버려지는 에너지를 다시 수확하여 전기 에너지로 전환하여 사용하는 기술이다. TENG의 가장 큰 장점 중 하나는 자가 발전 기술을 이용하여 태양, 물, 바람 같은 자연의 원천으로부터 에너지 수확이 가능하다는 점이다. 친환경적인 센서와 에너지 소자를 적용하여 전력 공급이 어려운 오지나 극한 환경에서도 외부 전원 없이 작동할 수 있다. 이는 신재생에너지와 TENG이 만나 산불 감지, 해저 광케이블, 사막 송유관 등 다양한 곳에 적용되는 자가 발전 센서 시스템을 개발을 기대할 수 있다.
◇ 배터리가 없는 사물인터넷(IoT) 기기 상용화 기존의 IoT 디바이스는 전기를 공급하기 위해 배터리를 사용하고 있다. 하지만 배터리는 수명이 한정되어 있으며, 배터리 교체나 충전을 위해 사용자가 수동적으로 개입해야 하는 불편함이 있다. 또한, 배터리의 처리나 폐기에 따른 환경 문제도 존재한다. 반면 TENG 기술은 마찰이나 충격과 같은 자연적인 에너지를 이용하여 전기를 생성하기 때문에 배터리 없이도 디바이스에서 필요한 전기를 공급할 수 있습니다. 예를 들어, TENG 기술을 적용한 스마트 스니커즈는 걷는 동작으로 전기를 생성하여 내장된 센서나 LED 등을 작동시킬 수 있다. 이러한 자체 발전 기능을 가진 기기들이 공급되면 전기 공급에 어려움이 있는 산골 지역에서 유용하게 쓰일 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 친환경 에너지 하베스팅 시장 규모 증가 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인하여, 전 세계적으로 지속 가능한 친환경 에너지의 확보가 중요한 문제로 떠오르고 있다. 이런 문제의 해결책으로 에너지 하베스팅이 떠오르고 있다. 에너지 하베스팅은 버려지는 에너지 자원을 재활용하는 것이기 때문에 지구 온난화 문제의 해결방안으로 주목받고 있으며, 에너지 수요 증가로 인한 에너지 자원 고갈 문제도 일정 부분 해결할 수 있다. 시장 조사 전문 기관 마켓츠 앤 마켓츠(Markets and Markets)에 따르면 2016년 Energy harvesting 시장 규모는 약 3.1억 달러였는데 2017년부터 2023년까지 연평균 10.62%의 성장을 이어 나가 2023년에는 6.5억 달러에 이를 것으로 전망됐다. TENG의 발전은 에너지 하베스팅 시장의 성장을 촉진하며 환경 문제 개선에 기여할 수 있다.
◇ 높은 에너지 효율 및 간단한 제조 과정으로 비용 절약 TENG은 발전원으로써 매우 높은 변환 효율을 가지고 있다. 기존의 발전소에서는 열 엔진을 이용하여 전기를 생산한다. 따라서 전기 생산에 필요한 연료를 구매해야 하고, 그에 따른 유지비용이 많이 발생한다. 하지만 TENG은 마찰 에너지만으로 전기를 생성하기 때문에, 연료나 전기를 생산하기 위한 추가 비용이 필요하지 않다. 또한, TENG은 제조가 비교적 간단하며 저렴한 재료를 사용할 수 있기 때문에 경제적인 측면에서도 매우 유리하다.
◇ 디스플레이 산업의 성장 스트레처블 전극의 개발은 차세대 디스플레이 기술로 이어져 주목받고 있다. 4차 산업혁명을 주도할 자율주행 자동차, 웨어러블 증강현실 기기 등의 제품 완성은 어떤 제품에도 적용 가능한 스트레처블 디스플레이 기술 확보를 전제로 하고 있다. 스트레처블 디스플레이의 출하량은 2015년 20만대 수준으로 시작하여 2023년에는 3억 4,241만대 규모로 성장하여 연간 160%의 성장률 전망을 보이고 있다. 스트레처블 디스플레이의 핵심 요소기술 선점을 통해 전 세계 디스플레이 산업의 주도권 강화가 가능하고, 경쟁국과의 격차 확보가 가능할 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ UV-curing을 통한 이온젤 합성 (한지혜, 임소현)
hydrophilic한 특성을 갖는 monomer와 IL를 선정하여 적절한 비율로 혼합한 후 UV polymerization을 통해 이온젤을 합성한다.
◇ 이온젤의 강도 및 capacitance 측정 (한지혜, 임소현)
IL 비율을 다르게 하여 제작한 이온젤의 기계적 강도와 capacitance를 측정한다. 강도는 Mark-10을 통해 얻은 Tensile strain-stress curve를 통해 분석하고 capacitance는 EIS를 통해 측정한다.
◇ contact angle 측정 (한지혜)
IL 비율을 다르게 하여 제작한 gel-solution을 유리에 얇게 깔고 DI-water drop의 접촉각을 측정하여 hydrophilicity를 비교한다.
◇ AgNW spray coating 및 저항 측정 (한지혜, 임소현)
spray coater를 통해 이온젤의 표면에 AgNW를 코팅하고 면저항을 측정한다. 또한 strain에 따른 저항값의 변화를 측정한다.
◇ TENG output 측정 및 application (한지혜, 임소현)
위에서 코팅한 이온젤 전극을 이용하여 TENG을 제작하고 oscilloscope를 통해 voltage값을 얻는다. 또한 TENG으로 생성한 전기 에너지를 통해 LED 전구를 켜본다.
설계
실험방법
1. Ion gel production
◇ Materials
- Monomer : 2-Hydroxyethyl Acrylate (HEA)
- UV-initiator : 2-hydroxy-2-methylropiophenone
- Ionic liquid : 1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (EMI-DCA)
◇ Process
- ① HEA 3.536g, UV-initiator 0.05g을 바이알에 넣고 10분간 stirring 시켜준다. 이때 monomer : initiator = 1000 : 10 (mol%)의 비율로 제작하며, ionic liquid는 monomer 대비 10~40wt%를 넣는다.
- ② 스포이드를 이용하여 용액을 mold에 넣고 180초 (3분)간 UV-curing을 진행한다. (UV의 세기는 10로 설정한다.)
- ③ 만들어진 이온젤을 85℃ 진공오븐에 30분간 말려 반응하지 않은 monomer를 제거한다.
2. Ion gel electrode production
◇ AgNW spray coating
- ① AgNW 0.5wt% 용액 3g에 isopropyl alcohol(IPA) 3g을 넣어 0.25wt%로 희석시킨다.
- ② 희석된 AgNW solution을 spray coater에 넣고 분사량과 압력을 조절한다.
- ③ 분사 판 위에 젤을 올리고 1초간 분사하고 4초간 말리는 것을 20번 반복한다.
- ④ 코팅이 끝난 후 100℃~150℃에서 10분간 말린다.
개념설계안
본 연구에서는 고분자와 ionic liquid를 UV 중합하여 이온젤을 만들고 TENG에 적용하는 연구를 진행하였다. 이온젤을 제작하기 위해 모노머로는 HEA를 사용하였으며 ionic liquid로는 hydrophilic한 성질을 갖는 EMI-DCA를 사용하였다. 또한 UV-curing을 진행하기 위해 UV-initiator를 첨가하였다. 이 세 가지 물질을 일정한 비율에 맞추어 섞고, 용액을 몰드에 넣고 3분 동안 UV-curing을 하여 이온젤을 합성하였다. 그리고 제작한 이온젤 표면 위에 AgNW를 spray coating하여 늘어나는 이온젤 전극을 제작하였다. 이를 뒤집어서 AgNW를 코팅한 부분이 아래의 전극 역할을 하도록 하였고, 이를 통해 늘어나는 이온젤 TENG을 구현하였다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
실험 결과
1. Hydrophilic Test
우리가 제작한 이온젤이 hydrophilic한 성질을 갖는지 확인해보기 위해 contact angle을 측정해보았다. 접촉각 측정 방법은 물질의 친수성 및 소수성을 확인하는 기준으로, 물질 위에 물을 떨어뜨렸을 때 그 물방울과 표면의 접촉각이 크면 hydrophobic, 작으면 hydrophilic한 성질을 갖는다고 판단할 수 있다. 먼저 늘어나는 소재로 가장 흔하게 쓰이는 고분자인 PDMS와 SBS의 경우, 80~90 이상의 접촉각을 보였지만 우리가 제작한 이온젤은 40 이하의 낮은 접촉각을 보여 hydrophilic한 성질을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
그 다음으로 hydrophilic한 표면이 AgNW와 코팅 적합성이 정말로 좋은지를 판단하기 위해 세가지 물질의 표면 위에 AgNW를 동일하게 코팅해 보았다. 가운데 사진은 코팅 표면을 확대한 사진이고 오른쪽 그림은 코팅 표면을 OM으로 관찰한 사진이다. hydrophobic한 PDMS와 SBS는 AgNW 용액이 뭉치는 현상이 발견되었지만 이온젤은 AgNW가 표면 위에 고르게 코팅되었다는 것을 눈으로 확인할 수 있었다.
2. Mechnical properties
Ionic liquid의 농도를 다르게 하여 이온젤을 제작한 후 Mark-10을 통해 Tensile strain-stress curve를 측정해보았다. 그래프에서 가로축은 이온젤이 늘어난 정도, stretchability를 나타내고 기울기는 elastic modulus를 의미하며, 그래프의 적분값은 toughness를 의미한다. Toughness란, 물질이 에너지를 흡수하여 끊어지지 않고 변형할 수 있는 능력을 의미하는데, IL농도별 stretchability와 toughness값을 오른쪽 그림에 표시해두었다. 이온젤에서 IL wt%가 증가할수록 강도는 낮아지지만 더 잘 늘어나는 것을 확인하였고, toughness를 계산하였을 때 IL 40wt%에서 가장 높은 값을 나타낸 것으로 보아, IL 40wt%의 이온젤이 높은 응력과 변형률을 가장 잘 버틸 수 있음을 알 수 있었다.
3. EIS analysis
IL의 농도에 따른 이온의 거동을 살펴보기 위해 EIS를 측정해보았다. EIS를 통해 얻은 |Z| plot에서 high frequency의 임피던스 값을 왼쪽의 식에 대입하면 이온젤의 이온전도도를 계산할 수 있다. IL 농도별로 이온전도도를 계산하여 오른쪽 그래프에 나타내었는데, IL의 양이 많아질수록 이온전도도가 높아짐을 확인하였다.
왼쪽의 그래프는 EIS를 통해 이온젤의 capacitance를 측정한 결과이다. frequency가 작은 범위에서 보았을 때 IL의 양이 많아질수록 capacitance가 증가하는 경향을 보였다. IL의 양이 많다는 것은 젤 내부의 이온의 양이 많아진다는 것을 의미하므로 전극에 쌓이는 이온의 양이 증가하기 때문에 capacitance가 증가한 것이다.
이러한 결과가 나타난 이유는 젤 내부에 전류가 흐르는 현상 때문이다. IV curve를 측정하여 젤 내부에 흐르는 전류 값을 측정해보았을 때 IL 50wt%에서 가장 높은 값을 나타내었다. 왼쪽의 그림을 보면 젤 내부의 이온의 양이 너무 많아질 경우 외부 회로로 흘러야 할 전하가 젤 내부로 흐르게 되어 전류 손실이 발생하게 된다. 따라서 IL의 비율은 40wt%가 가장 적합했음을 확인할 수 있었다.
포스터
완료작품의 평가
최종적으로 성능이 가장 좋은 IL 40wt%의 비율로 이온젤 전극을 제작하였다. AgNW를 코팅한 이온젤은 코팅하지 않은 이온젤보다 stretchability가 훨씬 감소하였지만 200% 이상으로 늘어날 수 있었음을 확인하였다. AgNW를 코팅한 이온젤 전극이 늘린 상태에서도 전극으로 구동할 수 있는지 확인하기 위해 strain 범위에 따른 면저항을 측정해 보았다. 지그를 사용하여 10%씩 늘려가며 면저항을 측정하였고 80%까지 AgNW의 연결이 유지될 수 있음을 알 수 있었다. 80% 이후로는 은 와이어의 네트워크가 끊어졌기 때문에 저항이 kΩ, MΩ 단위로 급격하게 증가하였다. 따라서 이온젤 전극이 소재 자체로는 200%까지 늘릴 수 있었고 전기적으로 구동할 수 있는 범위는 80%까지임을 확인하였다.
제작한 이온젤 전극을 TENG에 적용하였을 때 전기에너지를 효과적으로 생성할 수 있는지 확인해보기 위해 TENG에 전구를 연결하여 실험해보았다. 빵판과 전선을 이용하여 전구와 TENG을 연결하고 ITO/PET로 이온젤을 때려보았을 때 7개의 LED 전구가 켜짐을 확인하였다. 그 다음으로는 이온젤 전극을 늘리면서 실험해보았을 때 점점 늘릴수록 켜지는 LED의 수와 밝기가 점점 감소함을 확인하였다. 이러한 결과는 80%까지 전기에너지 생성이 가능하다는 것을 보여주며 이러한 구동 범위는 인체에 사용되는 wearable device에 적용하기에 문제가 없다고 판단하였다.
