KR20190058187A - Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same - Google Patents
Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20190058187A KR20190058187A KR1020170155943A KR20170155943A KR20190058187A KR 20190058187 A KR20190058187 A KR 20190058187A KR 1020170155943 A KR1020170155943 A KR 1020170155943A KR 20170155943 A KR20170155943 A KR 20170155943A KR 20190058187 A KR20190058187 A KR 20190058187A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- layer
- teng
- smp
- power
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
Landscapes
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 마찰대전 전력생산 파우치 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 섬유와의 마찰과 접촉분리를 통해 전력을 생산하고 이를 무선송신 가능한 전력생산 파우치 등에 관한 것이다.The present invention relates to a triboelectric power production pouch and a method of manufacturing the same, and relates to a power production pouch capable of producing electricity through friction and contact separation with fibers and capable of wireless transmission thereof.
스마트 폰이라는 발명품의 등장은 휴대전화 분야에서 중요한 변화를 가져온 과학 기술 발전에 있어서의 중요한 사건이었다. 스마트 폰은 화상 전화, 인터넷 접속, 실시간 건강 모니터링, 모바일 뱅킹 등과 같은 다양한 기능을 만족시킬 수 있는 성능적 기반을 제공한다. 그러나, 스마트 폰이 다양한 기능을 연속적으로 작동시키기 위해 더 장시간 동안 활용할 수 있는 더 많은 전력을 필요로 한다. 그리고, 다양한 분야에 걸친 연구자들은 이러한 스마트 폰의 더 장시간 동안 제공될 수 있는 더 많은 전력에 대한 요구를 만족시킬 해결책을 찾기 위해 연구를 거듭하고 있다. 많은 혁신적인 연구결과들이 신뢰도, 내구성, 비용효율성, 환경친화성 등과 같은 독특한 특징을 갖는 성과를 보여주고 있다. 그러나, 스마트 폰의 전원과 관련한 더 강화된 성능에 대한 필요성이 여전히 대두되고 있다. The emergence of the invention of a smartphone was an important event in the development of science and technology, which brought about important changes in the field of mobile phones. Smartphones provide a performance basis to satisfy various functions such as video telephony, Internet access, real-time health monitoring, mobile banking, and more. However, smartphones require more power to take longer to operate various functions continuously. And researchers from a variety of disciplines are working to find a solution that will meet the demand for more power that can be offered for longer hours on these smartphones. Many innovative research results have shown unique features such as reliability, durability, cost-effectiveness, and environmental friendliness. However, there is still a need for more enhanced performance with regard to smartphone power.
열전효과(thermoelectric effect), 광전효과(photoelectric effect)뿐만 아니라, 압전 나노발전기(piezoelectric nanogeneration)와 같은 여러 발전 메커니즘은 연구되고 있다. 또한, 마찰 대전 나노발전기(triboelectric nanogeneration, TENG)은 최근에 다음-세대 에너지 수확에 지대한 관심을 받고 있는 기술이다.Various development mechanisms such as piezoelectric nanogeneration as well as thermoelectric effect, photoelectric effect, and the like have been studied. In addition, triboelectric nanogeneration (TENG) is a technology that has gained great interest in next - generation energy harvesting.
Z. L. Wang은 인간 활동, 바람, 진동 그리고 물과 같은 다양한 소스로부터 에너지 수확의 가능성과 매일 행해지는 일상적인 활동들에서의 에너지를 회수하여 활용하는 자가 전력 응용 장치에 대한 가능성을 제시한 바 있다(Z.L. Wang, Triboelectric nanogenerators as new energy technology and self-powered sensors - principles, problems and perspectives., Faraday Discuss. 176 (2014) 447-58. doi:10.1039/c4fd00159a).ZL Wang has presented the potential for self-power applications to harvest energy from daily activities performed daily and the potential for energy harvest from a variety of sources such as human activities, wind, vibration and water (ZL Wang, Triboelectric nanogenerators as new energy technology and self-powered sensors - principles, problems and perspectives., Faraday Discuss, 176 (2014) 447-58, doi: 10.1039 / c4fd00159a).
본 발명의 목적은 마찰대전 전력생산 파우치 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 섬유와의 마찰과 접촉분리를 통해 전력을 생산하고 이를 무선송신 가능한 전력생산 파우치 등을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a triboelectric power generation pouch and a method of manufacturing the same, and to provide a power production pouch and the like capable of producing electricity through friction and contact separation of fibers and wirelessly transmitting the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 전력생산 파우치는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하며 깍지형 전극구조를 갖는 전극층; 및 상기 전극층 상에 위치하며 접촉물질과 상호작용하여 전자를 유인하는 폴리이미드를 포함하는 활성물질층;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a triboelectric power generation pouch comprising: a support layer; An electrode layer positioned on the support layer and having an interdigital electrode structure; And an active material layer disposed on the electrode layer and including a polyimide that interacts with a contact material to attract electrons.
상기 활성물질층은 플라즈마 표면처리된 폴리이미드 필름일 수 있다.The active material layer may be a plasma-treated polyimide film.
상기 접촉물질은 폴리에스터 원단, 면 원단, 데님 원단, 또는 나일론 원단일 수 있다.The contact material may be a polyester fabric, cotton fabric, denim fabric, or nylon fabric.
상기 전극층은 무선전력전송 발신기와 연결되어 수신기가 연결된 외부기기에 전력을 전달하는 것일 수 있다.The electrode layer may be connected to a wireless power transmission transmitter to transmit power to an external device connected to the receiver.
상기 외부기기는 2차전지, 계보기, 휴대전화, 손전등 또는 음향기기일 수 있다.The external device may be a secondary battery, a system monitor, a mobile phone, a flashlight, or an audio device.
상기 발신기와 상기 수신기는 같은 회전수를 갖는 것일 수 있다.The transmitter and the receiver may have the same number of revolutions.
상기 깍지형 전극구조는, 제1전극구조들과 이를 연결하는 제1연결구조를 포함하는 제1전극부와 상기 제2전극구조들과 이를 연결하는 제2연결구조를 포함하는 제2전극부를 포함할 수 있다.The interdigital electrode structure includes a first electrode unit including first electrode structures and a first connection structure for connecting the first electrode structures and a second electrode unit including a second connection structure connecting the second electrode structures can do.
상기 제1전극구조와 상기 제1전극구조와 분리되어 나란히 위치하는 제2전극구조가 하나의 단위전극구조를 이루고, 상기 단위전극구조는 나란히 반복하여 위치하여 상기 깍지형 전극구조를 형성하며, 제1전극구조들은 그 일말단이 서로 제1연결구조를 통해 연결되며, 제2전극구조들이 그 일말단이 서로 제2연결구조를 포함하는 연결구조로 각각 연결되는 것일 수 있다.The first electrode structure and the second electrode structure, which are separated from each other by the first electrode structure, form one unit electrode structure, and the unit electrode structure is repeatedly positioned side by side to form the interdigital electrode structure. The one-electrode structures may be connected at one end thereof to each other through a first connection structure, and the second electrode structures may be respectively connected to a connection structure at one end thereof including a second connection structure.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 마찰대전 전력생산 파우치의 제조방법은, 플라즈마 처리된 폴리이미드 함유 활성물질층을 준비하는 활성층준비단계; 그리고 상기 활성물질층을 지지층 상에 형성되며 깍지형 전극구조를 갖는 전극층 상에 배치하는 적층단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a triboelectrode power generation pouch, comprising: preparing an active layer including a plasma-treated polyimide-containing active material layer; And a laminating step of disposing the active material layer on the electrode layer having the interdigital electrode structure formed on the supporting layer.
상기 플라즈마 처리는 유전체 장벽방전 플라즈마(Dielectic Barrier Discharge Plasma) 방식으로 수행되는 것일 수 있다.The plasma treatment may be performed by a dielectric barrier discharge plasma (Dielectric Barrier Discharge Plasma) method.
상기 플라즈마 처리는, 산소 및 비활성가스 분위기에서 50 내지 200 W의 파워로 진행되는 것일 수 있다.The plasma treatment may be performed at a power of 50 to 200 W in an atmosphere of oxygen and an inert gas.
본 발명의 발명자들은 TENG의 접촉 물질로 섬유를 이용하여 생체 역학 에너지를 수확하기 위한 정전 유도와 접촉 전화(contact electrification)의 상호 영향에 기초된 연구를 수행하여 본 발명을 완성했다. 효율적으로 TENG을 전자 장치에 통합시키면, 착용 가능한 전자 장치의 전력 원 문제가 해결될 수 있고, 지능형 장치와 스마트 폰의 응용 범위도 확대될 수 있다. 여기에서, 본 발명의 발명자들은 스마트 모바일 파우치 마찰 대전 나노발전기(SMPTENG, smart mobile pouch triboelectric nanogenerator)을 사용하여, 일상 생활에서 사용되는 섬유와의 상호작용을 통해 생체 역학 에너지를 회수하는 혁신적인 제품을 발명품을 소개하고자 한다. 본 명세서에서 제시된 SMP-TENG은, 인간 활동 동안 섬유와 캡톤 필름 사이의 상호작용 중에 전력이 생산된다. SMP-TENG의 에너지 수확 과정을 연구하기 위해, 다양한 섬유와 측면 슬라이딩 동작 동안 산출 성과를 분석했으며, 수직의 접촉과 분리 동작 하에 실험을 진행하여 그 성능을 확인하였다. SMP-TENG은 또한 일상 인간 활동에서 응급시 활용가능한 자가전력 손전등과 자가 전력 계보기로도 사용될 수 있다. 아울러, 무선으로 리튬-이온 배터리를 위한 자가 전력 무선 파워 발신기로써 SMP-TENG의 적용 가능성도 확인했다. 이러한 본 발명의 실험 결과들은 생체 역학 에너지 수확과 자가 전력 응용 장치의 응용 가능성을 확인해주는 결과다.The inventors of the present invention have completed the present invention by carrying out research based on mutual influence of electrostatic induction and contact electrification for harvesting biomechanical energy using fibers as a contact material of TENG. By efficiently integrating TENG into an electronic device, the power source problem of the wearable electronic device can be solved, and the application range of the intelligent device and the smartphone can be expanded. Here, the inventors of the present invention invented an innovative product that utilizes a smart mobile pouch triboelectric nanogenerator (SMPTENG) to recover biomechanical energy through interaction with fibers used in daily life. . The SMP-TENG presented herein produces power during the interaction between the fiber and the capton film during human activity. In order to study the energy harvesting process of SMP-TENG, the output performance was analyzed during various fiber and side sliding operations, and the performance was confirmed by conducting experiments under vertical contact and separation operation. SMP-TENG can also be used as an example of self-powered flashlights and self-power systems for emergency use in everyday human activities. In addition, we confirmed the applicability of SMP-TENG as a wireless, self-powered wireless power transmitter for lithium-ion batteries. The experimental results of the present invention are the result of confirming the possibility of biomechanical energy harvesting and application of self-power application apparatus.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰대전 전력생산 파우치는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하며 깍지형 전극구조를 갖는 전극층; 및 상기 전극층 상에 위치하며 접촉물질과 상호작용하여 전자를 유인하는 폴리이미드를 포함하는 활성물질층;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a triboelectric power generation pouch comprising: a support layer; An electrode layer positioned on the support layer and having an interdigital electrode structure; And an active material layer disposed on the electrode layer and including a polyimide that interacts with a contact material to attract electrons.
상기 지지층은 전극과 활성물질층, 그리고 활성물질층이 접촉물질과 접촉, 마찰하는 과정에서 마찰대전 전력생산 파우치를 지지하는 역할을 해 주는 것으로, 그 내부에 휴대전화와 같은 장치를 수용할 수 있는 수용부를 갖는 파우치 형태의 일면일 수 있고, 이러한 파우치에 접착하는 형식으로 적용되는 별도의 지지필름 형태일 수도 있다. 상기 지지층이 지지필름의 형태로 적용되는 경우 예를 들어 PET(polyethylene terephthalate) 필름이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The support layer serves to support the triboelectrification power production pouch in the process of contacting and rubbing the electrode, the active material layer, and the active material layer with the contact material. The support layer can accommodate a device such as a mobile phone It may be in the form of a pouch having a receiving portion and may be in the form of a separate supporting film applied in the form of adhering to such a pouch. When the supporting layer is applied in the form of a supporting film, for example, a PET (polyethylene terephthalate) film may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 활성물질층은, 후술하는 접촉물질과 상호작용하여 전극층에 전류의 흐름을 유도한다. 이러한 활성물질층으로, 좋게는 폴리이미드 필름이 적용될 수 있고, 더 좋게는 플라즈마 처리를 통해서 그 표면을 활성화시킨 폴리이미드 필름이 적용될 수 있다. 상기 폴리이미드 필름으로는 예를 들어 캡톤 필름(Kapton film)이 적용될 수 있다.The active material layer interacts with the contact material described below to induce current flow in the electrode layer. As such a layer of the active material, a polyimide film can be preferably applied, and more preferably, a polyimide film having its surface activated through plasma treatment can be applied. As the polyimide film, for example, a Kapton film may be applied.
상기 플라즈마 표면처리는 유전체 장벽방전 플라즈마(Dielectic Barrier Discharge Plasma, DBD Plasma) 표면처리의 방식으로 적용되는 것이 좋다. DBD 플라즈마 방식으로 표면처리를 진행하면, 상기 활성물질층의 표면 거칠기(surface roughness)를 높일 수 있고, 더 높은 전하 형성을 가능하도록 한다. 즉, 이러한 표면처리로 마찰대전 전력생산 파우치가 더 높은 에너지 전환 효율을 갖도록 할 수 있다.The plasma surface treatment may be applied by a dielectric barrier discharge plasma (DBD plasma) surface treatment method. When the surface treatment is performed by the DBD plasma method, the surface roughness of the active material layer can be increased, and a higher charge can be formed. That is, by such a surface treatment, the triboelectroelectric power generation pouch can have a higher energy conversion efficiency.
유도결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma)와 같은 다른 플라즈마 처리 방식을 활용하는 것과 비교하여, 유전체 장벽방전 플라즈마 표면처리의 방식을 적용하면, 비용 효율적인 면에서도 유리하며, 대량생산을 위한 대면적 작업에 더 용이하다는 장점도 갖는다.Application of the dielectric barrier discharge plasma surface treatment method is advantageous in terms of cost efficiency as compared with the use of other plasma treatment methods such as inductively coupled plasma (hereinafter, referred to as " inductive coupled plasma " .
구체적으로, 유전체 장벽방전(Dielectric barrier discharge)은 절연 유전체 장벽에 의하여 분리된 두 전극들 사이에서 발생하는 방전으로, 에너지성 플라즈마와 반응성 단일원자성 분위기를 생성할 수 있다. 이러한 처리 과정에서 유전체 장벽방전 플라즈마에 노출되는 상기 활성물질층은 그 표면이 높은 반응성 환경에 노출되며, 플라즈마 처리 과정에서 형성되는 활성 산소 분자들에 의해 산화화학적 에칭이 진행될 수 있다. 동시에, 에너지성 플라즈마는 상기 활성물질층의 외곽 표면의 C-C, C-H 등의 결합 절단을 유도하며, 이는 활성물질층의 표면 변화를 가져올 수 있다. 즉, 이러한 DBD 플라즈마 처리는 고분자 필름인 활성물질층의 표면을 나노 크기로 에칭 시킬 수 있으며, 이러한 에칭은 나노스케일의 표면구조를 형성시켜 마찰대전 전력생산 파우치의 에너지 전환효율 향상을 가져올 수 있다.Specifically, a dielectric barrier discharge is a discharge generated between two electrodes separated by an insulating dielectric barrier, which can produce an energy plasma and a reactive single atomic atmosphere. In this process, the surface of the active material layer exposed to the dielectric barrier discharge plasma is exposed to a highly reactive environment, and oxidation chemical etching can be performed by the active oxygen molecules formed in the plasma treatment process. At the same time, the energetic plasma induces bond breaks such as C-C, C-H, etc. on the outer surface of the active material layer, which can lead to surface changes of the active material layer. That is, the DBD plasma treatment can etch the surface of the active material layer, which is a polymer film, to a nanoscale, and this etching can form a nanoscale surface structure, thereby improving the energy conversion efficiency of the triboelectric power production pouch.
상기 플라즈마 처리는, 산소 및 비활성가스 분위기에서 50 내지 200 W의 파워로 진행되는 것일 수 있다. 이러한 조건에서 폴리이미드 필름을 처리하는 경우, 필름 자체의 손상을 줄이면서도 표면에 나노 스케일의 미세 구조를 가져 상기 활성믈질층의 표면거칠기를 높일 수 있고, 이는 마찰대전 효과를 향상시킬 수 있다. 상기 플라즈마 처리의 파워를 50 W 미만으로 하는 경우에는 플라즈마 처리의 효과가 미미하거나, 플라즈마 처리 시간이 너무 길어질 수 있고, 표면의 나노 스케일의 미세구조가 고르게 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 파워를 200 W의 파워 초과로 적용하는 경우에는 폴리이미드 필름 자체에 손상이 오거나 마찰대전 전력생산 파우치 자체의 내구성이 떨어질 수 있다. The plasma treatment may be performed at a power of 50 to 200 W in an atmosphere of oxygen and an inert gas. When the polyimide film is treated under such conditions, the surface roughness of the active layer can be increased by reducing the damage of the film itself and having a nanoscale microstructure on the surface, which can improve the triboelectrification effect. When the power of the plasma treatment is less than 50 W, the effect of the plasma treatment may be insignificant, the plasma treatment time may be too long, and the nanoscale microstructure of the surface may not be uniformly formed. In addition, when the power is applied at a power higher than 200 W, damage to the polyimide film itself or durability of the tribo-electric power production pouch itself may deteriorate.
상기 접촉물질은 폴리에스터 원단, 면 원단, 데님 원단, 및 나일론 원단으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.The contact material is any one selected from the group consisting of polyester fabric, cotton fabric, denim fabric, and nylon fabric.
이러한 접촉물질은, 주변에서 흔하게 접할 수 있는 의복에 활용되는 원단으로, 본 발명의 마찰대전 전력생산 파우치의 표면을 의복과 접촉하여 마찰되도록 하거나, 의복과 접촉 후 반복하여 슬라이딩 되도록 하여 마찰대전 효과를 얻고자 선택된 재료들이다.Such a contact material is a fabric used for clothes that can be commonly contacted in the vicinity. The surface of the triboelectrification power generation pouch of the present invention is brought into contact with clothing and rubbed, or is repeatedly slid after contacting with clothes, These are the materials we have chosen to achieve.
상기 폴리에스터, 면, 데님 나일론은 그 원단이, 직물, 편물, 부직포 등 어떠한 형태이든 무관하게 적용이 가능하며, 이러한 접촉물질들은 활성물질층보다 더 마찰전기적으로 양의 이온으로 대전되는 특성을 갖는다. 특히 나일론의 경우에는 실험한 4 가지 원단 중에서 가장 우수한 효과를 보였는데, 이는 위의 활성물질층과 나일론 원단의 상호작용이, 마찰대전 효과를 가장 효율적으로 유도할 수 있기 때문이다.The polyester, cotton, and denim nylon can be applied regardless of the shape of the fabric, such as a fabric, a knitted fabric, or a nonwoven fabric, and these contact materials are more triboelectrically charged with positive ions than the active material layer . Particularly, in the case of nylon, the most excellent effect was observed among the four fabrics tested because the interaction between the active material layer and the nylon fabric can most effectively induce the triboelectric effect.
상기 마찰대전 전력생산 파우치는, 전극층의 일부가 외부의 논리회로와 연결되거나, 계보기, 충전기 등과 연결되어 생산된 전력을 회수하여 활용할 수 있도록 하며, 이러한 연결은 유선 또는 무선의 방식에 의한다.The triboelectric power production pouch may be connected to an external logic circuit, or may be connected to an electronic circuit, a charger, or the like so that the produced electric power can be recovered and utilized. The connection is made by wire or wireless.
상기 연결이 유선 방식으로 진행되는 경우에는, 통상의 방법이 적용될 수 있고, 예를 들어, 제1전극과 제2전극이 각각 외부와 구리선과 같은 전선으로 연결되는 방식으로 적용될 수 있고, 그 방식에는 특별히 제한되지 않는다.In the case where the connection proceeds in a wire-like manner, a conventional method may be applied. For example, the first electrode and the second electrode may be respectively connected to the outside by a wire such as a copper wire, And is not particularly limited.
상기 연결이 무선 방식으로 진행되는 경우에는, 무선전력전송 발신기와 상기 전극층의 적어도 일말단이 연결되고, 무선전력전송 송신기가 외부기기와 연결되어, 상기 마찰대전 전력생산 파우치에서 생산된 전력이 외부기기로 연결되는 구조를 갖는다.Wherein at least one end of the wireless power transmission transmitter and the electrode layer are connected to each other and the wireless power transmission transmitter is connected to an external device so that electric power produced in the triboelectric power production pouch is transmitted to the external device As shown in FIG.
이때, 상기 무선방식의 연결은, 발신기와 수신기의 안테나 회전수와 거리 등에 전달되는 전력의 양이 영향을 받으며, 좋게는 발신기 안테나의 회전수와 수신기 안테나의 회전수가 동일할 경우 더욱 효율이 우수하다. At this time, the connection of the radio system is affected by the amount of power transmitted to the transmitter and the receiver, and more preferably, when the number of rotations of the transmitter antenna and the number of rotations of the receiver antenna are the same .
상기 외부기기는 2차전지, 계보기, 휴대전화, 손전등 또는 음향기기일 수 있다.The external device may be a secondary battery, a system monitor, a mobile phone, a flashlight, or an audio device.
상기 전극층은 깍지형 전극구조를 갖는다.The electrode layer has an interdigital electrode structure.
상기 깍지형 전극구조는, 제1전극구조들과 이를 연결하는 제1연결구조를 포함하는 제1전극부와 상기 제2전극구조들과 이를 연결하는 제2연결구조를 포함하는 제2전극부를 포함하며, 제1전극구조와 제2전극구조가 번갈아 일정한 간격을 두고 나란히 배치된 구조를 갖는다.The interdigital electrode structure includes a first electrode unit including first electrode structures and a first connection structure for connecting the first electrode structures and a second electrode unit including a second connection structure connecting the second electrode structures And the first electrode structure and the second electrode structure are arranged alternately at regular intervals.
구체적으로, 상기 제1전극구조와 상기 제1전극구조와 분리되어 나란히 위치하는 제2전극구조가 하나의 단위전극구조를 이루고, 상기 단위전극구조는 나란히 반복하여 위치하여 상기 깍지형 전극구조를 형성하며, 제1전극구조들은 그 일 말단이 서로 제1연결구조를 통해 연결되며, 제2전극구조들이 그 일 말단이 서로 제2연결구조를 포함하는 연결구조로 각각 연결된다. 이러한 깍지형 전극구조는 슬라이딩 또는 접촉-탈락의 방식으로 마찰대전이 진행될 경우 효율적으로 전류의 흐름을 유도할 수 있다는 점에서 유리하다. Specifically, the first electrode structure and the second electrode structure, which are separated from each other by the first electrode structure, constitute one unit electrode structure, and the unit electrode structure is repeatedly arranged side by side to form the interdigital electrode structure And the first electrode structures are connected to each other at one end thereof via a first connection structure, and the second electrode structures are connected to a connection structure having a second connection structure at one end thereof. Such an interdigital electrode structure is advantageous in that it can efficiently induce a current flow when friction charging is performed in a sliding or contact-dropping manner.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 마찰대전 전력생산 파우치의 제조방법은, 플라즈마 처리된 폴리이미드 함유 활성물질층을 준비하는 활성층준비단계; 그리고 상기 활성물질층을 지지층 상에 형성되며 깍지형 전극구조를 갖는 전극층 상에 배치하는 적층단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a triboelectrode power generation pouch, comprising: preparing an active layer including a plasma-treated polyimide-containing active material layer; And a laminating step of disposing the active material layer on the electrode layer having the interdigital electrode structure formed on the supporting layer.
상기 활성층 준비단계는 플라즈마 처리를 유전체 장벽방전 플라즈마(Dielectic Barrier Discharge Plasma) 방식으로 수행하며, 상기 활성물질층의 표면 거칠기(surface roughness)를 높일 수 있고, 더 높은 전하 형성을 가능하도록 한다. 즉, 이러한 표면처리로 마찰대전 전력생산 파우치가 더 높은 에너지 전환 효율을 갖도록 할 수 있는 점에서 유리하다.In the active layer preparation step, the plasma treatment is performed by a Dielectric Barrier Discharge Plasma (PDP) method, thereby increasing the surface roughness of the active material layer and enabling higher charge formation. That is, this surface treatment is advantageous in that the triboelectric power generation pouch can have a higher energy conversion efficiency.
상기 플라즈마 처리는, 산소 및 비활성가스 분위기에서 50 내지 200 W의 파워로 진행되는 것일 수 있다. 이러한 조건에서 폴리이미드 필름을 처리하는 경우, 필름 자체의 손상을 줄이면서도 표면에 나노 스케일의 미세 구조를 가져 상기 활성믈질층의 표면거칠기를 높일 수 있고, 이는 마찰대전 효과를 향상시킬 수 있다. 상기 플라즈마 처리의 파워를 50 W 미만으로 하는 경우에는 플라즈마 처리의 효과가 미미하거나, 플라즈마 처리 시간이 너무 길어질 수 있고, 표면의 나노 스케일의 미세구조가 고르게 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 파워를 200 W의 파워 초과로 적용하는 경우에는 폴리이미드 필름 자체에 손상이 오거나 마찰대전 전력생산 파우치 자체의 내구성이 떨어질 수 있다. The plasma treatment may be performed at a power of 50 to 200 W in an atmosphere of oxygen and an inert gas. When the polyimide film is treated under such conditions, the surface roughness of the active layer can be increased by reducing the damage of the film itself and having a nanoscale microstructure on the surface, which can improve the triboelectrification effect. When the power of the plasma treatment is less than 50 W, the effect of the plasma treatment may be insignificant, the plasma treatment time may be too long, and the nanoscale microstructure of the surface may not be uniformly formed. In addition, when the power is applied at a power higher than 200 W, damage to the polyimide film itself or durability of the tribo-electric power production pouch itself may deteriorate.
상기 전극층은 상호 맞물린 깍지형의 전극층으로 Al 층, Pt 층 등의 전극 층을 레이져 절삭 장치와 같은 절삭장치로 위에서 설명한 깍지 형태를 갖도록 형성할 수 있으며, 미리 깍지 형태로 형성된 전극을 지지층 상에 배치하여 제조할 수도 있다.The electrode layer may be an interdigitated interdigitated electrode layer and an electrode layer such as an Al layer or a Pt layer may be formed to have an interdigital shape as described above with a cutting device such as a laser cutting device. .
본 발명의 발명자들은, 매일 입는 섬유를 사용하여 전기 에너지를 수확하는 방법을 제시하였다. SMP-TENG은 섬유를 사용한 측면 슬라이딩 그리고 수직의 접촉-분리로 전력을 생산하고, 자가 전력 손전등과 자가 전력 계보기 등에 활용할 수 있다. 또한 SMP-TENG와 결합된 무선 송전 장치를 통해, 리튬-이온 배터리와 LED 라이트를 충전하는데 사용될 수 있는 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG을 제시한다. 간단한 제작 과정, 낮은 제작 비용 그리고 훌륭한 전력 생산 기능을 포함하는 본 발명의 우수한 특징들은 자가 전력 장치로의 활용에 중요한 역할을 할 것이다.The inventors of the present invention have proposed a method of harvesting electrical energy using everyday fibers. SMP-TENG produces power by side sliding with fiber and vertical contact-separation, and can be used for self-powered flashlights and self-powered meters. It also presents a self-powered radio transmission SMP-TENG that can be used to charge lithium-ion batteries and LED lights via wireless transmission devices coupled with SMP-TENG. The superior features of the present invention, including simple fabrication processes, low fabrication costs, and good power production capabilities, will play an important role in the application to self-powered devices.
본 발명의 마찰대전 전력생산 파우치 및 이의 제조방법은 매일 착용하는 섬유류(나일론, 데님, 면, 폴리에스터 등)를 활용하여 마찰 전력을 수확할 수 있고, 무선 전송도 가능한 파우치를, 비교적 간단하고 친환경적인 재료와 방법을 적용하여 제조할 수 있다. 특히 일상적인 인간의 활동(걷기, 달리기, 앉기 등)의 동작으로도 파우치로부터 전력을 생산하여 활용할 수 있고, 이를 모바일 장치 등에 활용할 수 있어서, 지속 활용이 가능한 독립 전원, 비상시 활용 가능한 전원 또는 모바일 장치의 보조전원 등으로 그 활용도가 크다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The triboelectric power production pouch of the present invention and its manufacturing method are capable of harvesting frictional electric power by utilizing fibers (nylon, denim, cotton, polyester, etc.) And can be fabricated by applying various materials and methods. Particularly, it is possible to produce and utilize electric power from a pouch by the action of daily human activities (walking, running, sitting, etc.), and it can be utilized for a mobile device. Therefore, an independent power source, And the auxiliary power of the power source is large.
도 1은 본 발명의 실시예에서 제조한 (a) 슬라이딩 동작 중인 스마트 모바일 파우치 마찰 대전 나노발전기(SMP-TENG)의 구조적인 디자인을 보여주는 개념도이고, (b) 는 활성층으로서 DBD(dielectric barrier discharge) 플라즈마 처리된 캡톤 필름을 FE-SEM으로 관찰한 이미지(top view)이고, (c) 모바일 파우치로서 실시예에서 제조된 SMP-TENG를 보여주는 사진이며, (d)는 슬라이딩 모드 작동 중에 유전체에서 유전체로의 SMP-TENG의 에너지 수확 메커니즘을 도식으로 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조한 샘플을 이용하여 측정한, 캡톤 필름에 접촉 물질을 슬라이딩하여 얻은 SMP-TENG의 전형적인 전기적 출력 평가결과로, 1 m/s의 슬라이딩 속도에서 슬라이딩 물질로서 나일론을 사용한 SMP-TENG의 개회로전압(a)과 단락 전류 (b), 1 m/s의 슬라이딩 속도에서 다른 독립된 섬유(접촉 물질)을 사용하여 유도한 SMP-TENG의 전기 반응(c-d)을 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조한 샘플을 이용하여 측정한, (a) 독립적인 섬유와 슬라이딩 속도가 단락 전류에 미치는 영향을 보여주는 그래프, (b) 슬라이딩 물질로 나일론을 적용하고 슬라이딩 속도로는 1 m/s을 적용한 경우, 작용한 전극 쌍의 수에 따른 SMP-TENG의 단락 전류, (c) 외부의 부하 저항에 따른, 출력 전압(검정), 순간 최고 전력(파랑) 그리고 출력 밀도(빨강) 사이의 관계를 보여주는 그래프, (d) 다른 슬라이딩 속도에서 SMP-TENG에 의해 발전된 축적된 유도 전하를 보여주는 그래프(슬라이딩 물질은 나일론 적용), 그리고 (e) 다른 슬라이딩 속도에서 슬라이딩 물질로 나일론이 사용된 SMP-TENG을 이용해 충전된 10 ㎌ 커패시터의 전압 곡선.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제조한 SMP-TENG와 관련해, (a) 접촉과 분리 동작 동안 SMP-TENG의 구조적인 디자인을 보여주는 개념도, (b) 접촉과 분리 동작 동안 유전체에서 유전체로의 SMP-TENG의 에너지 수확 메커니즘을 도식화하여 나타낸 도면, 그리고, 캡톤 필름에 접촉 물질의 접촉과 분리로 얻은 SMP-TENG의 전형적인 전기 산출 성과로써, 접촉 물질로 나일론을 사용한 SMP-TENG의 개회로전압 (c), 그리고 단락 전류 (d)를 보여주는 그래프. (e) 다양한 크기의 힘을 적용하여 접촉과 분리를 실시한 경우, SMP-TENG의 단락 전류(접촉 물질로 나일론 적용), 접촉 물질로 나일론을 사용한 경우, SMP-TENG Voc의 주기적인 안정도 시험 결과 (f, 빨강) 그리고 단락전류(Isc) (f, 파랑)를 보여주는 그래프(삽입된 그래프는 안전성 시험의 끝 부분의 전기 신호를 확대한 그림).
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조한 (a) 무선 송전기와 수신기가 설치된 SMP-TENG의 구조를 보여주는 개념도로, 왼쪽에 삽입된 사진은 송전기 안테나의 크기 비교를 위한 사진, 중간에 삽입된 회로도는 무선 송전기와 수신기 장치의 회로도, 그리고 우측에 삽입된 사진은 수신 안테나의 사진을 보여줌. (b) 주기적인 접촉과 분리 동작 중에, 발신기와 수신기 안테나 사이의 다양한 거리에서(D Range ) 발신기와 수신기 안테나의 회전수에 대한 무선으로 수신된 개회로전압(Voc) (접촉 물질로 나일론을 사용), (c) 다양한 D Range 값에서 Tx L1 = Rx L2 일 때 무선 수신된 Voc값을 보여주는 그래프, (d) 순간 최고 전력(검정), 송전 효율(파랑) 그리고 D Range 간의 관계를 보여주는 그래프, (e) 직렬과 무선 접속 사이의 생체역학적인 에너지 수확 비교 결과를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조한 SMP-TENG의 제조 과정을 보여주는 도면. (a)는 레이저 커터와 잘린 PET 시트 상의 IDT 패턴을 보여주는 사진. (b)는 미리 패턴화된 IDT 구조화된 PET 시트에 전극으로써 알루미늄을 코팅한 사진. (c)는 캡톤 필름을 DBD 플라즈마 처리하는 사진. (d)는 플라즈마 처리된 캡톤 필름의 광학사진. (e)는 표면처리된 캡톤 필름에 접착된 IDT 전극. 그리고, (f)는 SMP-TENG가 접착된 모바일 장치.
도 7은 본 발명의 실시예에서 적용한 마찰대전 활성 층의 FE-SEM 이미지. (a)와 (b)는 각각 DBD 플라즈마 처리가 진행된 캡톤 필름과 진행되지 않은 캡톤 필름의 FE-SEM 관찰 결과, (c 내지 f)는 양의 대전특성을 갖는 마찰대전 접촉물질의 FE-SEM 사진(각각 나일론, 코튼, 데님, 그리고 폴리에스터 섬유).
도 8은 여러 가지 재료들의 마찰대전 특성을 보여주는 그림(전자를 잃는 특성_ positive_과 얻는 특성_ negative _을 갖는 경향성에 따른 배치).
도 9는 본 발명의 실험에서 보여준 플라즈마 표면처리를 수행하지 않은 SMP-TENG의 전형적인 전기 출력 특성을 보여주는 그래프. (a)는 개회로전압, (b)는 단락전류를 보여주며, 나일론을 플라즈마 처리를 적용하지 않은 SMP-TENG에 슬라이딩 속도 1 m/s로 적용하였을 때의 결과. (c-d)는 서로 다른 접촉물질을 (c-d)의 슬라이딩 속도로 적용하였을 때 플라즈마를 적용하지 않은 SMP-TENG의 전기적 반응을 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에서 진행한 SMP-TENG의 안정성 테스트 결과를 보여주는 그래프. (a)는 개회로전압, (b)는 단락전류, 삽입된 그래프는 안정성 테스트의 마지막 부분의 전기적 반응을 확대하여 보여준 그래프이며, (b)에 삽입된 사진은 안정성 테스트 진행 후의 SMP-TENG의 FE-SEM 이미지.
도 11은 본 발명의 실시예에서 제조한 SMP-TENG의 실시간 에너지 수집 자가전력 기기 특성을 보여주는 그래프들. (a)는 인간의 행동에 적용해 SMP-TENG 을 이용한 에너지 수집을 보여주는 그래프로, 삽입된 그래프는 인간의 움직임을 수집된 전기적 신호의 푸리에 변환 후 주파수 도메인으로 표현한 것임. (b)는 인간의 움직임에 의하여 전력이 공급되는 자가전력 비상 전등에 대한 그래프들. 왼쪽의 삽입된 사진은 회로 연결을 보여주며, 오른쪽의 삽입은 샘플의 사진을 보여줌. (c)는 131 걸음의 걷는 동작을 적용해 SMP-TENG 자가전력 계보기의 출력전압 측정 결과. (d)는 계산 결과를 보여주는 19 전압피크의 확대 그래프. (e)는 10초 동안 다른 속도로 걸었을 때 얻어지는 전압 피크를 보여주는 그래프. (f)는 자가전력 계보기의 특성(예를 들어, 이동한 거리, 움직임의 속도 등)을 걸음 수의 측면에서 보여주는 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예에서 적용한 안테나의 사진(a: 30 turns, b: 10 turns), 다양한 전송 거리에서, Tx L1> Rx L2 과 Tx L1< Rx L2 동안 얻어지는 전압 신호를 보여주는 그래프(c, d), 리튬이온 베터리의 충전 신호와 무선 전력 전송을 보여주는 사진(e), 그리고 리튬이온 베터리의 무선충전을 보여주는 그래프 (f).FIG. 1 is a conceptual view showing a structural design of a smart mobile pouch friction charging nano generator (SMP-TENG) in a sliding operation (a) manufactured in an embodiment of the present invention, (b) (C) a SMP-TENG fabricated in an embodiment as a mobile pouch; and (d) a dielectric-to-dielectric Fig. 3 is a schematic diagram illustrating the energy harvesting mechanism of SMP-TENG of Fig.
FIG. 2 is a graph showing the results of a typical electrical output evaluation of SMP-TENG obtained by sliding a contact material on a capton film, which was measured using the sample prepared in the example of the present invention. As a result, Shows the electrical response (cd) of SMP-TENG induced by using the open circuit voltage (a) and short circuit current (b) of SMP-TENG using different independent fibers (contact material) at a sliding speed of 1 m / s. graph.
FIG. 3 is a graph showing the influence of independent fibers and sliding speed on short-circuit current, measured using a sample prepared in an embodiment of the present invention, (b) applying nylon as a sliding material, (C) the output voltage (black), the instantaneous peak power (blue), and the output density according to the external load resistance, depending on the number of electrode pairs applied when 1 m / s is applied (D) a graph showing the accumulated induced charge developed by SMP-TENG at different sliding speeds (sliding material is nylon applied), and (e) nylon as a sliding material at different sliding speeds. The voltage curve of a 10 ㎌ capacitor charged using this SMP-TENG.
FIG. 4 is a conceptual view showing the structural design of SMP-TENG during contact and separation operation, (b) SMP-to-dielectric transition from dielectric to dielectric during contact and isolation operations, with reference to SMP-TENG prepared in an embodiment of the present invention. TENG energy harvesting mechanism and the typical electrical performance of SMP-TENG obtained by contacting and separating the contact material with the capton film, the open circuit voltage of the SMP-TENG using nylon as the contact material (c ), And short-circuit current (d). (e) SMP-TENG short-circuit current (applied as nylon as a contact material) and nylon as a contact material when contacting and separating by applying various sizes of force. Results of cyclic stability test of SMP-TENG Voc f, red) and a short-circuit current ( Isc ) (f, blue) (the inserted graph is an enlarged view of the electrical signal at the end of the safety test).
FIG. 5 is a conceptual view showing the structure of (a) the SMP-TENG installed with the wireless transmission and the receiver manufactured in the embodiment of the present invention, the photograph inserted on the left side shows a photograph for size comparison of the transmission antenna, The circuit diagram shows the schematic diagram of the wireless transmission and receiver, and the photo on the right shows the picture of the receiving antenna. (b) During periodic contact and separation operations, at various distances between the transmitter and receiver antennas ( D Range ), the wirelessly received open circuit voltage ( Voc ) for the number of revolutions of the transmitter and receiver antennas (using nylon as the contact material) ), (c) various D ranges Tx Rx value L1 = L2 graph, (d) instantaneous peak power (black) shows the radio receiving the Voc value when in, power transmission efficiency (blue) and D Range (E) a graph showing the results of biomechanical energy harvesting comparisons between serial and wireless connections.
6 is a view showing a manufacturing process of SMP-TENG prepared in an embodiment of the present invention. (a) is a photograph showing an IDT pattern on a laser cutter and a cut PET sheet. (b) is a photograph of a pre-patterned IDT structured PET sheet coated with aluminum as an electrode. (c) is a photograph of the DBD plasma treatment of the capton film. (d) is an optical photograph of a plasma-treated Kapton film. (e) shows an IDT electrode adhered to the surface treated capton film. (F) is a mobile device to which SMP-TENG is adhered.
7 is an FE-SEM image of the triboelectric active layer applied in the embodiment of the present invention. (a) and (b) are FE-SEM observations of the DBD plasma treated Kapton film and the non-progressed Capton film, and (c) to (f) are FE-SEM photographs of the triboelectrically contacted materials having positive charging characteristics (Nylon, cotton, denim, and polyester fibers, respectively).
Fig. 8 is a graph showing the triboelectrification characteristics of various materials (the arrangement according to the tendency of having the characteristic losing positive and obtaining the characteristic negative).
9 is a graph showing a typical electrical output characteristic of SMP-TENG without plasma surface treatment shown in the experiment of the present invention. (a) shows the open-circuit voltage and (b) shows the short-circuit current. The result of applying nylon to the SMP-TENG without plasma treatment at a sliding speed of 1 m / s. (cd) is a graph showing the electrical response of SMP-TENG without applying plasma when different contact materials are applied at a sliding velocity of (cd).
10 is a graph showing the stability test result of SMP-TENG conducted in the embodiment of the present invention. (a), (b), and (b) are graphs showing the enlargement of the electrical response at the end of the stability test. The photographs inserted in (b) show the SMP-TENG FE-SEM image.
11 is a graph showing real-time energy-collecting power device characteristics of the SMP-TENG fabricated in an embodiment of the present invention. (a) is a graph showing energy collection using SMP-TENG applied to human behavior, and the inserted graph is a frequency domain representation of human motion after Fourier transform of collected electrical signals. (b) are graphs of self-powered emergency lamps powered by human motion. The inset picture on the left shows the circuit connection, and the inset on the right shows the picture of the sample. (c) shows the result of measuring the output voltage of the SMP-TENG self-power meter with 131 walking steps. (d) is a magnified graph of 19 voltage peaks showing the calculation results. (e) is a graph showing the voltage peak obtained when the switch is operated at a different speed for 10 seconds. (f) is a graph showing the characteristics of the self-power meter view (for example, the distance traveled, the speed of movement, etc.) in terms of the number of steps.
12 shows a voltage signal obtained during Tx L 1 > Rx L 2 and Tx L 1 <Rx L 2 at various transmission distances (a: 30 turns, b: 10 turns) applied in the embodiment of the present invention Graph (c, d) showing the charging signal of the lithium ion battery and photograph (e) showing the wireless power transmission, and graph (f) showing the wireless charging of the lithium ion battery.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
<실험 방법><Experimental Method>
1 캡톤 필름의 표면 처리1 Surface treatment of capton film
캡톤 필름(25 ㎛)은 에탄올, 이소프로필 알코올 그리고 탈염수로 세척하고, 압축 질소로 건조했다. 접촉 전화(contact electrification)를 향상시키기 위해, 세척된 캡톤 필름에, DBD 플라스마를 사용하여 표면 처리를 수행되었다. DBD 플라스마 조건은 5분동안 100W의 파워로 각각 10 sccm과 15 sccm의 O2/Ar 공정가스 조건에서 진행되었다.Capton film (25 μm) was washed with ethanol, isopropyl alcohol and demineralized water and dried with compressed nitrogen. To improve contact electrification, the cleaned Capton film was subjected to surface treatment using DBD plasma. The DBD plasma condition was carried out for 5 min at a power of 100 W at 10 sccm and 15 sccm of O 2 / Ar process gas, respectively.
2. IDT(Interdigitated) 전극의 제작2. Fabrication of IDT (Interdigitated) electrodes
제조된 SMP-TENG의 기본적인 디자인은 도 1의 (a)에 나타냈다. 상호 맞물린(깍지형의, Interdigitated) 구조의 전극은 50 × 1mm의 크기의 PET 시트 상에 형성했다. 전극은 레이저 절삭 장치를 사용하여 2 mm 간격을 갖도록 형성했다. 무늬가 형성된 IDT 전극은 에탄올과 탈염수로 연속적으로 세척하고, 압축 질소 가스로 건조했다.The basic design of the manufactured SMP-TENG is shown in Fig. 1 (a). Interdigitated (interdigitated) electrodes were formed on a 50x1 mm PET sheet. The electrodes were formed to have a spacing of 2 mm using a laser cutting device. The patterned IDT electrode was continuously washed with ethanol and deionized water and dried with compressed nitrogen gas.
Pt 층은 (증가된 접착력을 위해) DC 스퍼터를 사용하여 증착되었고, Al 층은 열 진공 증착기를 사용하여 기재 상에 증착되었다.The Pt layer was deposited using a DC sputter (for increased adhesion) and the Al layer was deposited on a substrate using a thermal vacuum evaporator.
3. SMP-TENG의 제작3. Fabrication of SMP-TENG
표면 처리된 캡톤 필름(50 × 50 mm)을 잘라 고른 표면이 미리 깍지형으로 형성된 IDT 전극(50 × 1 mm)에 접하도록 정확히 부착되었다. 두 개의 구리 전극(Nilaco, 0.1 mm)은 은 페이스트를 사용하여 IDT 전극에 연결되었고 30분 동안 50 ℃ 로 건조하였다. 이 장치는 지지를 위해 모바일 파우치에 접착되었다.A surface-treated capton film (50 x 50 mm) was cut and a precise surface was precisely adhered to an IDT electrode (50 x 1 mm) formed in advance into a pod form. Two copper electrodes (Nilaco, 0.1 mm) were connected to the IDT electrodes using a silver paste and dried at 50 ° C for 30 minutes. The device was glued to the mobile pouch for support.
SMP-TENG 장치의 총 활성 영역은 16 cm2이었다.The total active area of the SMP-TENG device was 16 cm 2 .
4. 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG의 제작 4. Production of self-power wireless transmission SMP-TENG
자가 전력 무선 송전 SMP-TENG은 발신기와 수신기의 두 부분으로 구성된다. 발신기는 시판 무선의 송전 안테나(SWC424KB120-100, 30 turns)을 구입하여 SMP-TENG안에 내장해 적용했고, 수신기는 시판 안테나(SWC424KB120-100, 30 turns)을 직류 출력 전압을 얻기 위해 브리지 정류 회로에 연결하였다.Self-power radio transmission SMP-TENG consists of two parts: a transmitter and a receiver. The transmitter uses a commercially available wireless transmission antenna (SWC424KB120-100, 30 turns) and built in the SMP-TENG. The receiver uses a commercially available antenna (SWC424KB120-100, 30 turns) to the bridge rectifier circuit Respectively.
<특성과 전기 측정><Characteristic and electrical measurement>
플라즈마 처리된 캡톤 필름과 다른 직물 물질의 표면 모폴로지 분석은 FE-SEM (Zeiss Supra 55VP; Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany)을 사용하여 수행되었다.Surface morphology analysis of plasma treated Kapton films and other fabric materials was performed using FE-SEM (Zeiss Supra 55VP; Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany).
SMP-TENG의 전기 출력을 측정하기 위해, 외부 슬라이딩 동작과 힘은 리니어 기계 모터를 사용하여 적용되었다.To measure the electrical output of the SMP-TENG, the external sliding motion and force were applied using a linear mechanical motor.
전기 측정 전에, 모든 접촉 물질은 습기를 제거하기 위해 30분 동안 80 ℃ 의 온도로 (열풍 오븐에서) 열처리되었다.Prior to the electrical measurement, all contact materials were heat treated (in a hot air oven) to a temperature of 80 DEG C for 30 minutes to remove moisture.
SMP-TENG의 출력 전압 신호는 전자식 전압계 (Keithley 6514; Keithley Instruments, Cleveland, OH, USA)을 사용하여 측정되었다. 그리고 SR 570 저소음 전류 증폭기 (Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA< USA)는 단락 전류 측정을 위해 사용되었다.The output voltage signal of the SMP-TENG was measured using an electronic voltmeter (Keithley 6514; Keithley Instruments, Cleveland, OH, USA). And SR 570 low-noise current amplifiers (Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA <USA) were used for short-circuit current measurements.
실시간 정보 수집 제어와 분석을 위한 소프트웨어 플랫폼은 LabVIE에 기반하여 구성되었다. 무선 송전을 포함한 모든 전기 측정은 페러데이 케이지 안에서 시행되었다. 자가 전력 무선 송전 회로 (발신기 그리고 수신기)는 breadboard 상에 구성되었다.The software platform for real-time information collection control and analysis is based on LabVIE. All electrical measurements, including radio transmission, were performed within the Ferrarie cage. Self-powered wireless transmission circuits (transmitter and receiver) were configured on the breadboard.
<실험 결과><Experimental Results>
SMP-TENG의 구조는 50 × 50 mm의 배리어 유전체 방전(DBD) 플라스마 처리된 캡톤 필름과 16 cm2의 작업 영역을 갖는 IDT 구조화된 Al 전극으로 구성되어 있다.The structure of SMP-TENG consists of a 50 × 50 mm barrier dielectric discharge (DBD) plasma treated Capton film and an IDT structured Al electrode with a working area of 16 cm 2 .
SMP-TENG은 도 1의 (a)에 개략적으로 도시한 것처럼, 스마트 폰에 부착되었다. SMP-TENG의 자세한 제작 과정은 도 6에 설명하였다.SMP-TENG was attached to the smartphone, as schematically shown in Fig. 1 (a). Detailed fabrication of SMP-TENG is described in FIG.
도 1의 (b)는 불규칙한 나노 구조를 가지고 있는, 플라스마 처리된 캡톤 필름의 상면 FE-SEM 이미지를 보여준다. 플라스마 처리되지 않은 캡톤 필름, 나일론, 청바지, 면 그리고 폴리에스터를 포함한, 다른 접촉 물질의 표면 구조는 도 7에 제시했다. 도 1의 (c)는 25 cm2의 면적을 갖는 전화기에 부착된 SMP-TENG의 사진을 보여준다.FIG. 1 (b) shows a top view FE-SEM image of a plasma treated capton film having an irregular nanostructure. The surface structures of other contact materials, including non-plasma treated Capton films, nylons, jeans, cotton and polyester, are shown in FIG. 1 (c) shows a photograph of SMP-TENG attached to a telephone having an area of 25 cm 2 .
SMP-TENG에는 두 가지 가능한 작업 모드로써 슬라이딩 모드 그리고 수직적 접촉과 분리 모드가 있다. SMP-TENG의 에너지 수확 메커니즘을 이해하기 위해, 장치의 슬라이딩 모드의 거동이 우선 조사되었다. 이때, 나일론, 청바지, 면 그리고 폴리에스터와 같은 일상 착용 가능한 섬유 물질은 마찰 대전 충전의 발생을 위해 독립된 접촉 물질로 사용되었다.The SMP-TENG has two possible modes of operation: sliding mode and vertical contact mode. To understand the energy harvesting mechanism of SMP-TENG, the behavior of the sliding mode of the device was first investigated. At this time, everyday wearable fiber materials such as nylon, jeans, cotton and polyester were used as independent contact materials for the generation of triboelectric charging.
도 1의 (d)는 독립된 마찰 대전 층으로 작용하는, 장치의 접촉 물질(50 × 50mm)에서 측면 슬라이딩 하는 동안 SMP-TENG가 작동하는 메커니즘을 보여준다. SMP-TENG의 메커니즘은 IDT 전극 사이에서 전자의 흐름에 기여하는, 정전 유도와 마찰 대전 사이의 커플링에 기초한다.Figure 1 (d) shows the mechanism by which SMP-TENG operates during lateral sliding in the contact material (50 x 50 mm) of the device, acting as an independent triboelectrification layer. The mechanism of SMP-TENG is based on coupling between electrostatic induction and triboelectrification, which contributes to the flow of electrons between the IDT electrodes.
도 1의 (d) (i)을 참고하면, 최초에는 접촉물질(섬유)가 IDT 전극 한 쌍 중 하나인 Al 전극 (A)에 접촉한다. 외부의 힘의 영향 아래, 접촉 물질은 Al 전극 (B) 쪽으로 슬라이드 하기 시작한다. 접촉물질(섬유)가 캡톤 필름보다 더 마찰전기적으로 양의 이온으로 대전되는 특성을 갖기 때문에, 전자는 섬유에서 캡톤 필름의 표면으로 이동된다. 도 1의 (d) (ii)를 참고하면, 슬라이딩 동작 동안, 전자는 Al 전극 (A)에서 Al 전극 (B)로 흐를 것이다, Referring to FIG. 1 (d) (i), at first, the contact material (fiber) contacts the Al electrode A which is one of a pair of IDT electrodes. Under the influence of external force, the contact material starts to slide toward the Al electrode (B). Electrons move from the fibers to the surface of the capton film because the contact material (fiber) has the property of being triboelectrically charged with positive ions than the capton film. Referring to FIG. 1 (d) (ii), during the sliding operation, electrons will flow from the Al electrode A to the Al electrode B,
섬유가 Al 전극 (B)에 도달했을 때, 전자의 흐름은 멈춘다; 이 과정은 도 1의 (d) (iii)에 보여지듯이, SMP-TENG의 첫 반 주기가 구성된다. 도 1의 (d) (iv)에 보여지듯이, 두 번째 반주기는 Al 전극 (B)에서 Al 전극 (A)으로 섬유의 역 슬라이딩 동작 동안 얻어지고 그리고 전자는 반대 방향으로 흐른다.When the fiber reaches the Al electrode (B), the flow of electrons stops; This process constitutes the first half-cycle of SMP-TENG, as shown in Figure 1 (d) (iii). As shown in Fig. 1 (d) (iv), the second half period is obtained during the reverse sliding operation of the fibers from the Al electrode (B) to the Al electrode (A), and the electrons flow in the opposite direction.
SMP-TENG의 전형적인 전기적 거동을 정량화하기 위해, 조절된 측면 슬라이딩 동작을 독립된 섬유에 제공하기 위해 리니어 모터(LinMot, Inc., Elkhorn, WI, USA)를 사용했다. 우선, 일곱 쌍의 IDT 전극을 가진 SMP-TENG이 실험에 적용되었다.To quantify the typical electrical behavior of SMP-TENG, a linear motor (LinMot, Inc., Elkhorn, Wis., USA) was used to provide controlled lateral sliding motion to the independent fibers. First, SMP-TENG with seven pairs of IDT electrodes was applied to the experiment.
도 2의 (a)와 (b)는 독립된 섬유로 나일론을 사용한 SMP-TENG의 전기 반응을 분명히 보여준다. 개회로전압(Voc)은 최대 150V로 나타났고, 단락전류(Isc )는 최대 305 ㎂로 관찰되었다. Voc와 Isc 신호의 확대된 사진은 도 2 (a)과 (b)의 중간 삽입되었다.Figures 2 (a) and 2 (b) clearly show the electrical response of SMP-TENG using nylon as an independent fiber. The open-circuit voltage ( Voc ) was at a maximum of 150 V and the short-circuit current ( Isc ) was observed at a maximum of 305 ㎂. An enlarged photograph of the Voc and Isc signals was inserted halfway between FIGS. 2 (a) and 2 (b).
다양한 섬유를 접촉물질로 적용했을 때 SMP-TENG의 에너지 수확 효율을 확인하기 위해, 폴리에스터, 청바지, 면 그리고 나일론: 4가지 다른 섬유로 반복 실험이 진행되었다. 도 2의 (c)와 (b)는 각기 다른 섬유를 적용해 Voc와 Isc의 값이 측정된 결과이다. 전기 반응은 폴리에스터에서 나일론으로 바뀌었을 때 가장 극명하게 나타났다. 이러한 거동은 전자를 유인하는 상당한 경향성을 갖는 플라스마 처리된 캡톤 필름에서 기인한다. To verify the energy harvesting efficiency of SMP-TENG when various fibers were used as contact materials, repeated experiments were conducted with four different fibers: polyester, jeans, cotton and nylon. In Fig. 2 (c) and (b) with each of Voc by applying the other fiber The value of Isc is the measured result. The electrical response was most noticeable when converted from polyester to nylon. This behavior is due to the plasma treated Kapton film having a significant tendency to attract electrons.
유사하게, 섬유의 종류와 슬라이딩 속도가 Isc에 미치는 영향은 도 3 (a)에 나타냈다. 전류 그래프의 진폭은 슬라이딩 물질과 슬라이딩 속도 모두에 의하여 변화된 값을 보였다. 예를 들어, 1 m/s의 속도에서 나일론 섬유로 유도된 Isc는 305 ㎂이었다.Similarly, the effect of fiber type and sliding speed on Isc is shown in Fig. 3 (a). The amplitude of the current graph was varied by both the sliding material and the sliding speed. For example, Isc derived from nylon fibers at a rate of 1 m / s was 305 ㎂.
서로 다른 슬라이딩 속도를 SMP-TENG에 적용하여 섬유(접촉 물질)에 의해 에너지 수확 정도를 확인한다. IDT 전극의 영향을 조직적으로 확인하기 위해, IDT 전극 쌍의 수는 1에서 7세트까지 다양하게 적용했다.Different sliding speeds are applied to SMP-TENG to determine the energy harvest by the fibers (contact material). In order to systematically identify the effect of IDT electrodes, the number of IDT electrode pairs was varied from 1 to 7 sets.
도 3의 (b)는 1 m/s의 슬라이딩 속도에서 나일론을 슬라이딩 물질로 사용하는, 전극 쌍의 다른 수를 가진 SMP-TENG을 위한 Isc를 보여준다. Isc는 IDT 전극으로 구조화된 SMP-TENG은 더 효율적인 에너지 수확을 제공할 수 있다는 점을 보여주며, 점진적으로 전극 쌍의 수가 증가함에 따라 전류 값도 증가했다.Figure 3 (b) shows the Isc for SMP-TENG with different numbers of electrode pairs, using nylon as the sliding material at a sliding velocity of 1 m / s. Isc shows that structured SMP-TENG as an IDT electrode can provide more efficient energy harvest, and as the number of electrode pairs progressively increases, the current value also increases.
SMP-TENG의 최적 부하 저항, 순간 최고 전력과 전력 밀도를 확인하기 위해, 다른 외부 부하 저항을 적용하여 실험을 진행했다. 도 3의 (c)는 서로 다른 부하 저항을 적용하였을 경우 출력 Voc을 보여준다. 도 3의 (c)를 참고하면, Voc은 외부 부하의 증가에 따라 그 값이 증가하다 포화되었다. 순간 최고 전력은 0.021 mW, 최고 전력 밀도는 0.13 mW/m2로 나타났으며, 이때 매칭된 부하저항은 500 ㏁이었다.To verify the optimum load resistance, instantaneous peak power, and power density of SMP-TENG, another external load resistance was applied. Figure 3 (c) shows the output Voc when different load resistances are applied. Referring to (c) of FIG. 3, Voc is saturated as the value of the external load increases. The instantaneous peak power was 0.021 mW and the peak power density was 0.13 mW / m 2 , where the matching load resistance was 500 ㏁.
슬라이딩 속도에 대하여 총 누적되는 유도된 유도 전하량을 조사하기 위해, 다이오드 브리지 정류 회로와 나일론 섬유가 사용되었다. 도 3의 (d)는 슬라이딩 속도에 정비례하여 전하 축적이 증가함을 보여준다. 즉, 더 빠른 속도로 적용된 더 많은 슬라이딩 동작(앞뒤로)수는 마찰대전 나노발전기에서 빠른 전하 생성을 유도한다. 도 3의 (e)을 참고하면, 서로 다른 슬라이딩 속도를 적용하여 얻어진 전기 출력은 47 ㎌ 커패시터의 충전에 적용되었고, 커패시터를 3V로 충전시키기 위하여 요구되는 시간은 슬라이딩 속도가 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 더 빠른 충전 성능은 더 높은 전하 충전의 속도 때문이다.Diode bridge rectifier circuit and nylon fiber were used to investigate the total cumulative induced induced charge for the sliding speed. FIG. 3 (d) shows that the charge accumulation increases in direct proportion to the sliding speed. That is, more sliding motion (forward and backward) applied at faster speeds leads to faster charge generation in the triboelectric nano generator. Referring to FIG. 3 (e), the electrical output obtained by applying different sliding speeds is applied to charge 47 ㎌ capacitors, and the time required to charge the capacitors to 3 V decreases as the sliding speed increases I could confirm. That is, the faster charging performance is due to the higher charge charging rate.
접촉과 분리 모드 아래서 SMP-TENG의 구조를 도식화하여 도 4의 (a)에 나타냈다. 여기서도 접촉물질로 섬유(나일론)이 적용되었다. 도 4의 (b)는 수직 방향으로 접촉 분리가 진행되는 동안 SMP-TENG이 작동하는 메커니즘을 보여준다. 처음에, 나일론 섬유는 도 4 (b) (i)에 보여진 것과 같이, 캡톤 필름에 접촉한다. 나일론 섬유가 SMP-TENG에서 분리될 때, 캡톤 필름과 나일론 섬유가 분리되고, 전위치가 발생한다. 도 4의 (b) (ii)를 참고하면, 이러한 전위차는 외부 부하를 통해 Al 전극 (A)에서 Al 전극 (B)로 전자의 흐름을 야기시키고, 도 4의 (b) (iii)에서 보여지듯, 정전기의 평형은 이루어진다. 그리고, 이러한 과정은 SMP-TENG의 첫 반주기에 기여한다. 도 4의 (b) (iv)에 보여지듯, 두 번째 반주기는 나일론 섬유가 SMP-TENG의 표면을 향하여 가까이 움직일 때 외부 회로를 통해 Al 전극 (A)에서 Al 전극 (B)로, 즉 위와 반대 방향으로 전자가 흐르는 것으로부터 얻어진다.The structure of the SMP-TENG under the contact and separation mode is shown schematically in Figure 4 (a). Again, fibers (nylon) were applied as contact material. FIG. 4 (b) shows the mechanism by which the SMP-TENG operates during contact separation in the vertical direction. Initially, the nylon fiber contacts the capton film, as shown in Figure 4 (b) (i). When the nylon fiber is separated from the SMP-TENG, the capton film and the nylon fiber are separated and the entire position is generated. 4 (b) and (ii), this potential difference causes the flow of electrons from the Al electrode A to the Al electrode B through the external load, and is shown in FIG. 4 (b) Equilibrium of static electricity is achieved. And this process contributes to the first half of SMP-TENG. As shown in FIG. 4 (b) (iv), when the nylon fiber moves closer to the surface of the SMP-TENG, the second half-cycle moves from the Al electrode (A) to the Al electrode (B) Lt; / RTI >
전기 반응을 체계적으로 측정하기 위해, SMP-TENG은 고정시키고 나일론 섬유는 리니어 모터의 움직이는 맨 윗부분에 고정되었다. 도 4의 (c)와 (d)는 접촉물질인 섬유가 수직적으로 접촉-분리되는 동안 SMP-TENG의 전기 출력을 보여준다. 이때, 측정된 Voc 최고 값은 40 V였고 최고 Isc는 175 ㎂였다. Voc과 Isc 신호의 확대된 사진은 도 4의 (c)와 (d)의 오른쪽 삽입에서 나타냈다. 도 4의 (e)를 참고하면, Isc의 최고 값은 130 ㎂와 10 N에서 175 ㎂와 70 N로, 증가한 접촉 힘에 따라 증가하였다.To systematically measure the electrical response, SMP-TENG was fixed and the nylon fiber was fixed to the moving top of the linear motor. Figures 4 (c) and 4 (d) show the electrical output of the SMP-TENG during vertical contact-separation of the fibers as contact material. At this time, the measured maximum value of Voc was 40 V and the maximum Isc was 175 ㎂. An enlarged picture of the Voc and Isc signals is shown in the right insertions of Figures 4 (c) and 4 (d). Referring to Figure 4 (e), the highest value of Isc increased with increasing contact force, from 130 와 and 10 N to 175 와 and 70 N.
안정성 시험은 나일론 섬유를 접촉 물질로 사용하며 150 초 동안 Voc와 Isc을 측정하는 방법으로 실행되었다. SMP-TENG의 전기 반응은 전기 출력 신호에 무시될 만한 변동을 보였고, 장기적인 반복작동 후에도 성능이 안정적이라는 점을 확인하였다(도 10 참고). SMP-TENG의 실시간 인간 동작 에너지 수확 효율을 확인하기 위해, 우리는 다양한 인간 동작(걷기, 달리기 그리고 앉기)을 전기로 바꾸는 실험을 수행했다. 도 11의 (a)에서 확인할 수 있듯, 저주파인 인간 동작으로부터의 에너지 수확을 확인하기 위해, 얻어진 전기 신호를 푸리에 변환하여 나타냈다. 삽입된 그래프로 확인할 수 있듯, 얻어진 전기 신호의 주파수는 5 Hz 보다 낮게 나타났다. 또한, SMP-TENG은 비상시에 활용할 수 있는 자가 전력 손전등과 자가 전력 계보기로 사용될 수 있다(도 11의 (b) 내지 (f) 참고).Stability tests using a nylon fiber as a contact material, and Voc, and for 150 seconds Isc was performed as a method of measuring. The electrical response of the SMP-TENG showed negligible variations in the electrical output signal, confirming that the performance was stable after long-term repeated operation (see FIG. 10). To verify the real-time human motion energy harvesting efficiency of SMP-TENG, we conducted experiments to convert various human movements (walking, running and sitting) into electricity. As can be seen from Fig. 11 (a), the obtained electric signal is Fourier-transformed to confirm the energy harvest from the low-frequency human motion. As can be seen from the inserted graph, the frequency of the obtained electrical signal was lower than 5 Hz. In addition, the SMP-TENG can be used as an example of a self-powered flashlight and an autonomous power meter that can be used in an emergency (see FIGS. 11 (b) to (f)).
모바일 폰, MP3 플레이어 그리고 다른 휴대할 수 있는 장치 등에 무선 송전할 수 있는 자가전력 무선송전 SMP-TENG을 제조하여 그 성능을 평가하였다. 에너지는 발신기에서 수신기로 유도 결합(inductive coupling)에 의하여 전달된다. 이 기술은 수 Hz에서 수 MHz로의 범위에서 낮은 지향성(low directivity)으로 낮은 범위에서 작동한다. 이 기술은 근거리 무선송전 기술이기 때문에, 전기 에너지는 짧은 거리로 분리된 두 개의 코일로 전달된다.The performance of the self-powered radio transmission SMP-TENG, which can transmit wirelessly to mobile phones, MP3 players and other portable devices, was evaluated. Energy is transferred from the transmitter to the receiver by inductive coupling. This technique works in a low range with low directivity in the range of several Hz to several MHz. Because this technique is a near-field transmission technique, electrical energy is transferred to two coils separated by a short distance.
도 5의 (a)는 무선 송전 수신 설정을 가진 SMP-TENG의 개략도를 보여준다. 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG는 두 부분으로 나누어 질 수 있다. 발신기 부분은 발신기 코일을 통해 수신기 부분으로 마찰 대전력을 넘겨주는, SMP-TENG에 연결된 발신 안테나로 구성되어있다. 수신기 부분은 유도된 AC 전압을 DC 전압으로 바꾸기 위해, 브리지 정류기에 연결된 수신기 안테나와 리플 전압을 감소시키는 필터로 작용하는 커패시터로 구성되어 있다.Figure 5 (a) shows a schematic diagram of SMP-TENG with wireless transmit receive settings. Self-powered radio transmission SMP-TENG can be divided into two parts. The transmitter section consists of an outgoing antenna connected to the SMP-TENG which delivers the friction power to the receiver section through the transmitter coil. The receiver section consists of a receiver antenna connected to the bridge rectifier and a capacitor acting as a filter to reduce the ripple voltage to convert the induced AC voltage to a DC voltage.
도 5의 (a)에서 중간 삽입 회로도는 무선 전력 전송 설정의 회로도와 발신기(좌) 그리고 수신기(우) 안테나의 디지털 사진을 보여준다. 전력 전송 효율은 코일의 회전 수(turns) 그리고 발신기와 수신기 안테나 사이의 거리에 상당히 의존한다. 도 5의 (b)에서 보여지듯, 다른 회전 수 비율(10 : 30, 30 : 30, 및 30 : 10)을 가진 발신기(TxL1)와 수신기(RxL2) 안테나는 다양한 거리(D range ≒ 0, 0.25, 0.5, 1, 2 및 3 cm)로 연결되었다. 다른 코일 회전을 가진 무선 송전과 수신 안테나는 도 12의 (a)와 (b)에 나타냈다. 무선 전력 송신 성능을 양적으로 확인하기 위해, 접촉과 분리 모드 동안 SMP-TENG에서 얻어진 전기 신호는 TxL1에 입력으로 적용하였다. 실험이 진행되는 동안, RxL2에서 받아진 전압은 TxL1 = RxL2 이 경우에 TxL1 < RxL2 인 경우와 TxL1 > RxL2 인 경우와 비교하여 매우 높다는 점을 확인했다. 이렇게, TxL1 = RxL2일 때 이 높은 송전 효율을 보이는 것은, 같은 회전 비율의 코일 사이에 강한 결합 때문이라 생각된다.In FIG. 5 (a), the intermediate insertion circuit diagram shows a circuit diagram of the wireless power transmission setting and digital photographs of the transmitter (left) and receiver (right) antennas. Power transfer efficiency is highly dependent on the number of turns of the coil and the distance between the transmitter and receiver antennas. FIG jideut shown in 5 (b), another rotation speed ratio (10: 30, 30, 30, and 30: 10), a transmitter (TxL1) and receiver (RxL2) antenna with a variety of distances (D range ≒ 0, 0.25 , 0.5, 1, 2 and 3 cm). Radio transmission and reception antennas having different coil rotations are shown in Figs. 12 (a) and 12 (b). To quantitatively confirm the wireless power transmission performance, the electrical signal obtained from the SMP-TENG during the contact and isolation modes was applied as an input to TxL1 . During the experiment, the voltage received from RxL2 was confirmed that very high compared to the case of TxL1 = RxL2 this case TxL1 <RxL2 the case with TxL1> RxL2. Thus, it is believed that this high transmission efficiency when TxL1 = RxL2 is due to strong coupling between the coils of the same rotation rate.
두 안테나 사이의 거리가 증가했을 때, 전달된 전력의 전압은 감소하였다. 왜냐하면, 코일들 사이의 더 거리가 먼 경우(더 큰 분리), TxL1의 자기장의 많은 부분을 RxL2에서 놓치게 된다는 것을 의미하기 때문이다. 이러한 두 코일 사이의 거리는 더 먼 거리에서 거의 영으로 감소하는, 전력 전송 효율의 상실을 야기할 수 있으며, 결합 계수 "K"를 낮춘다. 다양한 안테나 사이의 거리에서 TxL1 = RxL2일 때 얻어진 최고 전압은 도 5의 (c)에서 보여진다. 그리고 TxL1 > RxL2 그리고 TxL1 < RxL2 일 때 얻어진 최고 전압은 도 12의 (c)와 (d)에서 각각 보여진다. 여기에서, 최고 전압은 최고 값이 15V에 도달했을, D range ≒ 0 cm일 때, 얻어진다.As the distance between the two antennas increased, the voltage of the transmitted power decreased. This is because it means that if the distance between the coils is more distant (greater separation), that missed a large part of the magnetic field in TxL1 RxL2. The distance between these two coils may cause a loss of power transfer efficiency, decreasing to almost zero at a greater distance and lowering the coupling coefficient " K ". The highest voltage obtained when TxL1 = RxL2 in the distance between the various antennas is shown in Fig. 5 (c). And the maximum voltages obtained when TxL1 > RxL2 and TxL1 < RxL2 are shown in FIGS. 12 (c) and 12 (d), respectively. Here, the maximum voltage is obtained when the maximum value reaches 15 V , D range ≒ 0 cm .
도 5의 (d)는 두 안테나 사이의 다양한 거리에서 TxL1 = RxL2 일 때, 즉각적인 최고 전력과 전력 전송 효율을 얻을 수 있다는 점을 보여준다. TxL1 와 RxL2 사이의 거리가 증가되었을 때(≒ 0 내지 3 cm), 송전 효율은 점진적으로 78.4 %에서 0.48 %로 감소되었다. 이후 실험에서는, 최대 송전 효율을 얻기 위해 TxL1 와 RxL2 사이의 거리는 0.25 cm보다 작게 유지되었다.FIG. 5 (d) shows that instantaneous maximum power and power transmission efficiency can be obtained when TxL1 = RxL2 at various distances between the two antennas. TxL1 And RxL2 (≒ 0 to 3 cm), the transmission efficiency gradually decreased from 78.4% to 0.48%. In the following experiments, in order to obtain maximum transmission efficiency, TxL1 And RxL2 was kept smaller than 0.25 cm.
도 5의 (e)는 직접 연결의 경우와 무선 연결의 경우 모두에서 실시간 인간 동작(앉기)동안 얻어진 정류한 출력 전압을 보여준다. 두 경우를 비교할 때에 발생하는 전압의 감소는 TxL1 와 RxL2 사이의 짧은 거리에 걸친 무선 에너지 이동 때문에 일어나는 것으로 생각된다. 하지만, 이러한 결과는 핸드폰 배터리 충전과 강력한 저전력 전자 장치와 같은 실시간 응용 장치로, 수확된 에너지를 무선으로 효율적으로 이동시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 관찰에서, 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG이 리튬-이온 배터리를 충전하는 파워 소스로써 사용될 수 있다는 것을 명백하게 나타낸다.FIG. 5 (e) shows the rectified output voltage obtained during real-time human motion (sitting) in both direct connection and wireless connection. The decrease in voltage that occurs when comparing the two cases is due to TxL1 and Lt; RTI ID = 0.0 > RxL2. ≪ / RTI > However, these results indicate that with real-time applications such as mobile phone battery charging and powerful low-power electronics, the harvested energy can be efficiently transferred wirelessly. In this observation, it is clear that the self-powered radio transmission SMP-TENG can be used as a power source to charge the lithium-ion battery.
응용 장치에서 유용성을 조사하기 위해서, 우리는 리튬-이온 배터리 충전 회로를 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG에 통합 적용하였다. 도 12의 (e)는 리튬-이온 배터리 충전을 위한 무선 송전과 수신 설정의 사진을 보여준다. 도 12의 (f)는 리튬-이온 배터리가 2.5 V로 충전되었을 때, 충전 성능을 보여준다. 이러한 실험 결과는 자가 전력 무선 송전 SMP-TENG이 아주 다양한 인간 동작과 섬유 물질로부터 에너지를 수확하는 데 적절하다는 점을 보여준다.To investigate the utility in applications, we integrated a lithium-ion battery charging circuit into the self-powered radio transmission SMP-TENG. 12 (e) shows a photograph of the wireless transmission and reception settings for charging the lithium-ion battery. FIG. 12 (f) shows the charging performance when the lithium-ion battery is charged to 2.5 V. FIG. These experimental results show that self-powered radio transmission SMP-TENG is suitable for harvesting energy from a wide variety of human movements and fiber materials.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Of the right.
Claims (10)
상기 활성물질층은 플라즈마 표면처리된 폴리이미드 필름인, 마찰대전 전력생산 파우치.The method according to claim 1,
Wherein the active material layer is a plasma surface treated polyimide film.
상기 접촉물질은 폴리에스터 원단, 면 원단, 데님 원단, 또는 나일론 원단인, 마찰대전 전력생산 파우치.The method according to claim 1,
Wherein the contact material is a polyester fabric, cotton fabric, denim fabric, or nylon fabric.
상기 전극층은 무선전력전송 발신기와 연결되어 수신기가 연결된 외부기기에 전력을 전달하는, 마찰대전 전력생산 파우치.The method according to claim 1,
Wherein the electrode layer is connected to a wireless power transmission transmitter to deliver power to an external device connected to the receiver.
상기 외부기기는 2차전지, 계보기, 휴대전화, 손전등 또는 음향기기인, 마찰대전 전력생산 파우치.5. The method of claim 4,
Wherein the external device is a secondary battery, a system monitor, a mobile phone, a flashlight, or a sound device.
상기 발신기와 상기 수신기는 같은 회전수를 갖는 것인, 마찰대전 전력생산 파우치.5. The method of claim 4,
Wherein the transmitter and the receiver have the same number of revolutions.
상기 깍지형 전극구조는, 제1전극구조들과 이를 연결하는 제1연결구조를 포함하는 제1전극부와 상기 제2전극구조들과 이를 연결하는 제2연결구조를 포함하는 제2전극부를 포함하고,
상기 제1전극구조와 상기 제1전극구조와 분리되어 나란히 위치하는 제2전극구조가 하나의 단위전극구조를 이루고, 상기 단위전극구조는 나란히 반복하여 위치하여 상기 깍지형 전극구조를 형성하며, 제1전극구조들은 그 일말단이 서로 제1연결구조를 통해 연결되며, 제2전극구조들이 그 일말단이 서로 제2연결구조를 포함하는 연결구조로 각각 연결되는, 마찰대전 전력생산 파우치.The method according to claim 1,
The interdigital electrode structure includes a first electrode unit including first electrode structures and a first connection structure for connecting the first electrode structures and a second electrode unit including a second connection structure connecting the second electrode structures and,
The first electrode structure and the second electrode structure, which are separated from each other by the first electrode structure, form one unit electrode structure, and the unit electrode structure is repeatedly positioned side by side to form the interdigital electrode structure. Wherein the one electrode structures are connected at one end thereof to each other through a first connection structure and the second electrode structures are connected at respective ends to a connection structure including a second connection structure with each other.
상기 활성물질층을 지지층 상에 형성되며 깍지형 전극구조를 갖는 전극층 상에 배치하는 적층단계;를 포함하는, 마찰대전 전력생산 파우치의 제조방법.An active layer preparation step of preparing a plasma-treated polyimide-containing active material layer; And
And laminating the active material layer on an electrode layer formed on the support layer and having an interdigital electrode structure.
상기 플라즈마 처리는 유전체 장벽방전 플라즈마(Dielectic Barrier Discharge Plasma) 방식으로 수행되는 것인, 마찰대전 전력생산 파우치의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the plasma treatment is performed by a Dielectric Barrier Discharge Plasma (PDP) method.
상기 플라즈마 처리는, 산소 및 비활성가스 분위기에서 50 내지 200 W의 파워로 진행되는 것인, 마찰대전 전력생산 파우치의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the plasma treatment is performed at a power of 50 to 200 W in an atmosphere of oxygen and an inert gas.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170155943A KR20190058187A (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170155943A KR20190058187A (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190058187A true KR20190058187A (en) | 2019-05-29 |
Family
ID=66673139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170155943A KR20190058187A (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190058187A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110323961A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-11 | 杭州电子科技大学 | Friction nanometer power generator magnet coupled resonant type wireless energy transmission and collection system |
| CN110365122A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-22 | 杭州电子科技大学 | Self energizing wireless sensing system based on friction nanometer power generator |
| KR20230061199A (en) * | 2021-10-28 | 2023-05-08 | 고려대학교 세종산학협력단 | Triboelectric Nanogenerator with Staggered Electrodes |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020092100A (en) | 2001-06-02 | 2002-12-11 | 이철수 | Friction charging with electricity apparatus of electronic setup for mobile phone including |
| KR20150002452A (en) | 2013-06-28 | 2015-01-07 | 삼성전자주식회사 | Energy harvester using mass and mobile device having the energy harvester |
-
2017
- 2017-11-21 KR KR1020170155943A patent/KR20190058187A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020092100A (en) | 2001-06-02 | 2002-12-11 | 이철수 | Friction charging with electricity apparatus of electronic setup for mobile phone including |
| KR20150002452A (en) | 2013-06-28 | 2015-01-07 | 삼성전자주식회사 | Energy harvester using mass and mobile device having the energy harvester |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110323961A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-11 | 杭州电子科技大学 | Friction nanometer power generator magnet coupled resonant type wireless energy transmission and collection system |
| CN110365122A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-22 | 杭州电子科技大学 | Self energizing wireless sensing system based on friction nanometer power generator |
| CN110365122B (en) * | 2019-06-03 | 2020-09-08 | 杭州电子科技大学 | Self-powered wireless sensing system based on friction nano generator |
| KR20230061199A (en) * | 2021-10-28 | 2023-05-08 | 고려대학교 세종산학협력단 | Triboelectric Nanogenerator with Staggered Electrodes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chandrasekhar et al. | A smart mobile pouch as a biomechanical energy harvester towards self-powered smart wireless power transfer applications | |
| Pu et al. | Toward wearable self‐charging power systems: the integration of energy‐harvesting and storage devices | |
| Akinaga | Recent advances and future prospects in energy harvesting technologies | |
| Lim et al. | A high output magneto-mechano-triboelectric generator enabled by accelerated water-soluble nano-bullets for powering a wireless indoor positioning system | |
| Wang et al. | Polymer nanogenerators: opportunities and challenges for large‐scale applications | |
| Li et al. | Triboelectric nanogenerators enabled internet of things: A survey | |
| Annapureddy et al. | Magnetic energy harvesting with magnetoelectrics: an emerging technology for self-powered autonomous systems | |
| Komolafe et al. | E-textile technology review–from materials to application | |
| Khan et al. | Evolution from single to hybrid nanogenerator: a contemporary review on multimode energy harvesting for self-powered electronics | |
| Zhou et al. | Multilayered electret films based triboelectric nanogenerator | |
| Quan et al. | Fully enclosed hybrid electromagnetic–triboelectric nanogenerator to scavenge vibrational energy | |
| Wang et al. | Progress in triboelectric nanogenerators as a new energy technology and self-powered sensors | |
| KR20190058187A (en) | Pouch type triboelectric nanogenerator and manufacturing method of the same | |
| CN202949379U (en) | High-power nano-friction generator | |
| JP2012500610A (en) | Energy device with integrated collector surface and method for electromagnetic energy acquisition | |
| WO2014066824A1 (en) | A super-capacitor and arrangement for miniature implantable medical devices | |
| CN103856096A (en) | High-power nanometer friction generator and manufacturing method thereof | |
| CN103051244A (en) | Flexible paper-based power generating device and manufacture method thereof | |
| Yang et al. | Highly conductive liquid metal electrode based stretchable piezoelectric-enhanced triboelectric nanogenerator for harvesting irregular mechanical energy | |
| Wang et al. | Direct-current energy generators from polypyrrole-coated fabric/metal Schottky diodes with considerably improved output | |
| Xia et al. | Multifunctional conductive copper tape-based triboelectric nanogenerator and as a self-powered humidity sensor | |
| CN113315408A (en) | Highly integrated combined type vibration energy conversion module facing limited space | |
| CN109245597A (en) | A kind of corrosion-resistant friction nanometer power generator and its method with high output performance | |
| Khan et al. | Performance-improved highly integrated uniaxial tristate hybrid nanogenerator for sustainable mechanical energy harvesting | |
| Menéndez et al. | Displacement current-based energy harvesters in power grids: Topologies and performance evaluation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |