문홍철 교수님 1조 - 편집 역사

Uosche231: /* 관련 기술의 현황 */

2023-12-19T08:00:55Z

‎관련 기술의 현황

Uosche236: /* 결과 및 평가 */

2023-12-19T07:59:50Z

‎결과 및 평가

Uosche231: /* 설계 */

2023-12-19T07:58:51Z

‎설계

Uosche231: /* 설계사양 */

2023-12-19T07:58:22Z

‎설계사양

Uosche231: /* 완료작품의 평가 */

2023-12-19T07:57:59Z

‎완료작품의 평가

Uosche231: /* 완료작품의 평가 */

2023-12-19T07:57:14Z

‎완료작품의 평가

Uosche231: /* 결과 및 평가 */

2023-12-19T07:56:17Z

‎결과 및 평가

Uosche236: /* 개념설계안 */

2023-12-19T07:48:35Z

‎개념설계안

Uosche236: /* 개발 일정 */

2023-12-19T07:48:11Z

‎개발 일정

Uosche236: /* 구성원 및 추진체계 */

2023-12-19T07:47:31Z

‎구성원 및 추진체계

← 이전 판		2023년 12월 19일 (화) 08:00 판
126번째 줄:		126번째 줄:

	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.		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.
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−	*특허 전략 분석
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−	~~◇ 기술 분야~~
−	~~본 연구는 늘어나는 이온젤 전극 기반의 마찰전기 나노발전기(TENG)에 관한 것이다.~~
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−	~~◇ 배경 기술~~
−	최근 웨어러블하고 신축성 있는 디바이스의 연구가 활발히 진행됨에 따라 변형이 자유로운 유연한 전극의 개발이 요구되고 있다. 특히 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅 기술이 이러한 웨어러블 디바이스의 구동 전력원으로서 각광받고 있는데, 그 중 하나인 마찰전기 나노발전기는 인체에서 발생하는 다양한 움직임을 통해 전기 에너지의 수확이 가능하다.
−	기존에 개발된 유연한 전극은 굽혔을 때 저항 변화가 크지 않더라도 늘렸을 때에는 전도성 입자간의 거리가 늘어나 전기 전도성이 감소한다는 한계가 있었다. 따라서 늘렸을 때에도 저항의 증가 및 전기 전도성 감소를 최소화할 수 있는 전극의 개발과 내구성 및 에너지 전환율이 우수한 마찰발전소자의 연구가 필요하다.
−
−	~~◇ 해결하려는 과제~~
−	본 연구의 목적은 뛰어난 전도성과 유연성을 가진 전극 재료인 은 나노 와이어를 젤 위에 코팅하여 늘어나는 이온젤 전극을 제작하는 것이다. 은 나노 와이어가 코팅되기 적합한 고분자와 이온성 액체를 선정하여 적절한 비율을 통해 이온젤을 합성하고 그 위에 직접 코팅하여 늘어나는 전극을 제작할 수 있다. 최적의 이온젤 전극을 마찰전기 나노발전기에 적용하여 늘리면서 전기 에너지를 생성할 수 있는 자가 발전 시스템을 제공한다.
−
−	~~◇ 과제의 해결 수단~~
−	은 나노 와이어는 소수성을 띠는 표면에서 낮은 결합력을 가진다는 특징이 있다. 따라서 OH기를 가진 친수성 고분자인 Hydroxyethyl acrylate(HEA)와 친수성을 띠는 이온성 액체인 [EMI][DCA]를 사용하여 은 나노 와이어와 강하게 결합할 수 있도록 한다.
−	은 나노 와이어는 isoproply alcohol(IPA) 용매에 0.25 wt%로 희석시키며 분산된 AgNW 용액을 spray coating법을 이용하여 이온젤 표면 위에 분사시킨다. HEA와 [EMI][DCA]의 비율은 이온젤의 물성 및 이온 성능 비교를 통해 최적의 비율을 선정한다.
−
−	~~◇ 발명의 효과~~
−	본 연구의 이온젤 전극은 신축성과 전도도가 뛰어난 AgNW를 활용하여 이온젤 자체를 전극으로 활용할 수 있으며, 변형이 자유로운 유연한 전극으로 인해 웨어러블 디바이스에 적용할 수 있다. 또한 이온 전도성과 안정성이 뛰어난 이온젤을 마찰발전소자에 활용함으로써 에너지 전환율을 향상시키는 효과가 있다.

	===개발과제의 기대효과===		===개발과제의 기대효과===

@@ 226번째 줄: / 226번째 줄: @@
 ====실험 결과====
 . Hydrophilic Test
-[[파일:Contact.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|DI-water drop test]]
+[[파일:Contact.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|DI-water drop 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.
-[[파일:OM.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅 표면 사진]]
+[[파일:OM.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅 표면 사진]]
 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.
 . Mechnical properties
-[[파일:SS.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 Tensile strain-stress curve]]
+[[파일:SS.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 Tensile strain-stress curve]]
 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.
 . EIS analysis
-[[파일:Ionic.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 이온전도도 계산]]
+[[파일:Ionic.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 이온전도도 계산]]
 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.
-[[파일:Voltage.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 capacitance와 open circuit voltage]]
+[[파일:Voltage.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|IL 농도에 따른 capacitance와 open circuit voltage]]
 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.
-[[파일:Leakage.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|이온젤 내부의 current leakage]]
+[[파일:Leakage.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|이온젤 내부의 current leakage]]
 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====
-[[파일:포스.jpg|200픽셀]]
+[[파일:포스.jpg|500픽셀|가운데]]
 ===완료작품의 평가===
-[[파일:젤전극.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅된 이온젤의 s-s curve와 면저항]]
+[[파일:젤전극.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅된 이온젤의 s-s curve와 면저항]]
 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.
-[[파일:LED.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|strain에 따른 green LED]]
+[[파일:LED.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|strain에 따른 green LED]]
 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.
 [[파일:평가표.jpg|500픽셀|가운데]]

@@ 205번째 줄: / 205번째 줄: @@
 ◇ Process
-:①HEA 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.
+: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.

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195번째 줄:		195번째 줄:

	==설계==		==설계==
−	~~===설계사양===~~
−	~~====제품의 요구사항====~~
−	~~◇ Mechanical strength: 이온젤 소재 자체로는 2~300%의 strain이 요구된다.~~
−
−	~~◇ Electrical conductivity: 늘린 상태에서도 전기전도도가 유지될 수 있는 저항 값을 가져야 한다.~~
−
−	~~◇ TENG voltage: TENG에서 생성할 수 있는 전기 에너지는 50V 이상이어야 한다.~~
−
	====실험방법====		====실험방법====

@@ 262번째 줄: / 262번째 줄: @@
 ===완료작품의 평가===
-[[파일:전극.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅된 이온젤의 s-s curve와 면저항]]
+[[파일:젤전극.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|AgNW 코팅된 이온젤의 s-s curve와 면저항]]
 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.

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268번째 줄:		268번째 줄:
	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.		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.

−	[[파일:평가표.jpg\|~~200픽셀~~]]	+	[[파일:평가표.jpg\|500픽셀\|가운데]]

@@ 227번째 줄: / 227번째 줄: @@
 ===개념설계안===
-[[파일:Teng1.jpg|200픽셀|섬네일|가운데|실험 방법 개요도]]
+[[파일:Teng1.jpg|300픽셀|섬네일|가운데|실험 방법 개요도]]
 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.

@@ 170번째 줄: / 170번째 줄: @@
 ====개발 일정====
-[[파일:Hcm10.jpg|가운데]]
+[[파일:Hcm10.jpg|500픽셀|가운데]]
 ====구성원 및 추진체계====

@@ 174번째 줄: / 174번째 줄: @@
 ====구성원 및 추진체계====
- ◇ UV-curing을 통한 이온젤 합성 (한지혜, 임소현)
+◇ 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)
+◇ 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)
+◇ 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)
+◇ 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)
+◇ 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.