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2025년 11월 26일 (수) 17:39 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하이드로젤 3D 패턴 프린팅을 통한 수분기반 나노발전기의 출력 성능 향상

영문 : Improving the performance of Hydroelectric nanogenerators by designing 3D-printing based hydrogel structure

과제 팀명

나노볼트

지도교수

윤진환 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20223400** 강*이(팀장)

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ Hydroelectric nanogenerators(HENGs)란 물의 흐름이나 증발, 이온 이동과 같은 수분 기반 현상을 이용해 전기를 발생시키는 소자를 의미한다.

◇ 본 연구는 HENGs의 소형화 및 고효율화를 이루기 위해 Direct ink writing (DIW)를 이용한 3D-printing을 진행한다.

◇ Pluronic F-127을 이용한 용액 점도 조절을 통해 3D-printing이 가능한 프리젤 잉크를 제작한다.

◇ 제작한 UV-curable 잉크로 접촉 면적이 극대화 된 HENGs 내부 젤을 제작하고, 성능을 확인 및 분석한다.

개발 과제의 배경

◇ 소형 IoT 디바이스를 위한 자가발전형 센서

최근 웨어러블 전자기기, 의료용 바이오 센서, 식물 생장 조명 등 소형 IoT 디바이스의 급격한 확산으로 외부 전원 없이도 지속적이고 친환경적인 방식으로 전력을 공급할 수 있는 소형 에너지 하베스팅 기술의 필요성이 증가하고 있다. 특히 식물 생장 조명 및 스마트팜 산업에서는 장기간 독립적으로 작동하는 초전력 센서가 필수적이며, 인체 부착형 웨어러블 기기 또한 외부 배터리 교체가 어려워 자가발전형 소형 전력원이 핵심 기술로 꼽힌다.

◇ 기존 HENGs의 한계

지금까지 연구된 대부분의 HENGs는 전극 및 젤 구조의 부피가 크고 평판 구조에 의존해, 발전 성능 대비 크기가 커 실용화에 한계가 존재했다. 특히 기존 HENGs는 수분 흡수와 이온 이동 경로가 넓은 평평한 구조를 사용하기 때문에 발전량을 늘리기 위해서는 소자 전체 면적을 확장해야 했다. 이로 인해 소형화가 어렵고, 다양한 기하학적 구조를 적용하기 제한적이었다.

◇ Direct Ink Writing(DIW) 기술

Direct Ink Writing(DIW)는 점도가 높은 젤 소재를 노즐 기반으로 직접 적층할 수 있어, 미세하게 설계된 구조를 구현할 수 있다. 다만 DIW용 젤 잉크는 점도 등 유동학적 물성 제어가 필수적이며, 일반적인 하이드로젤 용액은 점도가 낮아 안정적인 3D 적층이 어렵다. F-127과 C8의 상호작용으로 점도가 조절된 프리젤 잉크로 3D-printing을 진행한다면 디바이스의 크기를 소형화하고 성능은 최대로 올려 작지만 활용 가능한 소자를 개발 가능하다.

◇ F-127/고분자/C8 구조

Triblock copolymer micelle 구조를 가진 Pluronic F-127는 온도 감응성을 지녀 프리젤의 점도를 증가시킬 수 있는 물질이다. 이것은 소수성 및 전하를 띈 단량체로 미세 modulus 조절이 가능하다. 고분자 네트워크 간의 소수성 및 이온성 상호작용으로 인해 F-127이 첨가된 프리젤 용액은 점도 조절이 되어 DIW를 통한 3D-printing이 가능해진다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ UV 경화 가능한 점도 높은 프리젤 잉크 개발

Pluronic F-127+n-octyl acrylate (C8) 조합을 통해 점도 높은 하이드로젤 잉크를 제작한다. 이때 제작되는 것은 총 두 가지로 하나는 흡습력이 좋은 젤, 다른 것은 흡습력이 좋지 않은 젤이 되기 위한 용액이다.

◇ 3D-printing을 통한 두 젤 사이 접촉 면적 향상 구조 구현

두 젤 사이 접촉 면적을 확장하기 위한 구조를 설계한다. 직접 제작한 설계도를 가지고 3D-printing을 해 정교하고 복잡한 구조를 구현해낸다.

◇ 접촉 면적 향상에 따른 성능 향상 목표

기존 디바이스 대비 훨씬 소형화된 젤을 제작하고, 이를 통해 일정하고 높은 전압을 유지하면서 접촉 면적에 따라 향상되는 전류를 얻는다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
-◇ 최근 웨어러블 전자기기, 식물 생장 조명 등 소형 전자기기의 확산으로 소형 전류 공급원의 필요성 증가하고 있다. 이에 따른 주변 환경으로부터 친환경적이며 지속적으로 에너지를 얻을 수 있는 기기 개발의 필요성 역시 대두되고 있다.
+◇ 소형 IoT 디바이스를 위한 자가발전형 센서
+:최근 웨어러블 전자기기, 의료용 바이오 센서, 식물 생장 조명 등 소형 IoT 디바이스의 급격한 확산으로 외부 전원 없이도 지속적이고 친환경적인 방식으로 전력을 공급할 수 있는 소형 에너지 하베스팅 기술의 필요성이 증가하고 있다. 특히 식물 생장 조명 및 스마트팜 산업에서는 장기간 독립적으로 작동하는 초전력 센서가 필수적이며, 인체 부착형 웨어러블 기기 또한 외부 배터리 교체가 어려워 자가발전형 소형 전력원이 핵심 기술로 꼽힌다.
-◇ 기존 개발 중이던 Hydroelectric nanogenerators는 성능 대비 크기가 너무 크기 때문에 실용화에 한계가 존재한다.
+◇ 기존 HENGs의 한계
+:지금까지 연구된 대부분의 HENGs는 전극 및 젤 구조의 부피가 크고 평판 구조에 의존해, 발전 성능 대비 크기가 커 실용화에 한계가 존재했다. 특히 기존 HENGs는 수분 흡수와 이온 이동 경로가 넓은 평평한 구조를 사용하기 때문에 발전량을 늘리기 위해서는 소자 전체 면적을 확장해야 했다. 이로 인해 소형화가 어렵고, 다양한 기하학적 구조를 적용하기 제한적이었다.
-◇ Triblock copolymer micelle 구조를 가진 Pluronic F-127는 온도 감응성을 지녀 프리젤의 점도를 증가시킬 수 있는 물질이다. 이것은 소수성 및 전하를 띈 단량체로 미세 modulus 조절이 가능하다. 고분자 네트워크 간의 소수성 및 이온성 상호작용으로 인해 F-127이 첨가된 프리젤 용액은 고온에서(UV) 열 경화가 가능해진다.
+◇ Direct Ink Writing(DIW) 기술
+:Direct Ink Writing(DIW)는 점도가 높은 젤 소재를 노즐 기반으로 직접 적층할 수 있어, 미세하게 설계된 구조를 구현할 수 있다. 다만 DIW용 젤 잉크는 점도 등 유동학적 물성 제어가 필수적이며, 일반적인 하이드로젤 용액은 점도가 낮아 안정적인 3D 적층이 어렵다. F-127과 C8의 상호작용으로 점도가 조절된 프리젤 잉크로 3D-printing을 진행한다면 디바이스의 크기를 소형화하고 성능은 최대로 올려 작지만 활용 가능한 소자를 개발 가능하다.
+◇ F-127/고분자/C8 구조
+:Triblock copolymer micelle 구조를 가진 Pluronic F-127는 온도 감응성을 지녀 프리젤의 점도를 증가시킬 수 있는 물질이다. 이것은 소수성 및 전하를 띈 단량체로 미세 modulus 조절이 가능하다. 고분자 네트워크 간의 소수성 및 이온성 상호작용으로 인해 F-127이 첨가된 프리젤 용액은 점도 조절이 되어 DIW를 통한 3D-printing이 가능해진다.
-◇ 점도가 조절된 프리젤 잉크로 Direct Ink Writing(DIW)를 통한 3D-printing을 진행해 디바이스의 크기를 소형화하고 성능은 최대로 올려 작지만 활용 가능한 소자를 개발 가능하다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 ◇ UV 경화 가능한 점도 높은 프리젤 잉크 개발