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2023년 12월 18일 (월) 23:36 판

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 2020340050 한지혜(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2020340055 임소현

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.

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 개요===
 ====개발 과제 요약====
-내용
+◇ 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====
-내용
+◇ 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====
-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===