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2023년 12월 18일 (월) 23:50 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 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) [2]

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) [3]

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 및 특허 전략 분석

◇ 이온성 젤 및 이를 포함하는 변형 센서 [4]

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 [5]

출원일: 18.12.17 출원번호: 10-2018-0163538 출원인: 국방과학연구소

그림5. 전도성 고분자의 스핀코팅 회전수에 따른 표면 거칠기 및 면저항 측정 결과

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 [6]

출원일: 21.05.31 출원번호: 10-2021-0069981 출원인: 한국과학기술원

그림6. 하이드로젤 기반의 마찰전기 나노발전기를 도시한 도면

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) [7]

출원일: 20.11.23 출원번호: PCT/KR2020/016569 출원인: 한국화학연구원 (Korea Research Institute of Chemical Technology)

그림7. 전도성 고분자의 스핀코팅 회전수에 따른 표면 거칠기 및 면저항 측정 결과

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.

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

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.

설계 사양

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

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.

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

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용