전기 출력 향상을 위한 회전 사이클로이드 가속 기반 마찰전기 나노발전기의 개발 및 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 에너지 하베스팅 기술은 친환경 전력 생산 및 자가발전 시스템 구현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)는 저주파 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있어 다양한 에너지 수확 분야에 적용되고 있으나, 회전형 TENG의 경우 저속 회전 환경에서 작동 주파수와 전하 생성량이 제한되어 출력 성능이 저하되는 문제점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 저속 회전 환경에서의 출력 성능 향상과 최적 설계 조건 도출을 목적으로 회전 사이클로이드 가속 기반 마찰전기 나노발전기(Rotation Cycloidal Accelerated Triboelectric Nanogenerator, RCA-TENG)를 제안하고 체계적인 최적화 연구를 수행하였다.
제안된 RCA-TENG는 기존 사이클로이드 감속기의 역기구학 원리를 적용하여 저속 회전 입력을 고속 회전으로 변환하는 기계적 주파수 증속 구조와 전자사태(Electron Avalanche) 기반 공기 방전 메커니즘을 결합하였다. 이를 통해 마찰전기층의 접촉·분리 빈도를 증가시키는 동시에 방전에 의한 전하 증폭 효과를 유도하여 출력 성능을 향상시켰다.
성능 최적화를 위하여 사이클로이드 기어 잇수, 전극 분할 수, 외부 하중 및 입력 회전 속도를 주요 설계 변수로 선정하고 전기적 출력 특성을 비교·분석하였다. 실험 결과, 사이클로이드 기어 잇수가 증가할수록 출력 주파수와 전력 특성이 선형적으로 향상되었으며, 잇수 8개 조건에서 가장 높은 출력 특성이 나타났다. 또한 전극 분할 수는 4-segment 조건에서 최적의 전하 축적 효율과 방전 빈도 균형을 나타내었으며, 외부 하중은 100 g 조건에서 가장 높은 단위 하중당 출력 효율을 보였다. 입력 회전 속도는 100 rpm 조건에서 가장 우수한 전력 생산 특성을 나타내어 RCA-TENG의 최적 운전 조건을 확인하였다.
최적화된 RCA-TENG는 기존 방전형 회전 TENG 대비 약 24.24배 향상된 최대 362.21 μW의 PRMS을 달성하였다. 또한 50,000회의 반복 구동 후에도 안정적인 출력 특성을 유지하였으며, 축전기 충전, LED 구동 및 저전력 전자기기 구동 실험을 통해 우수한 내구성과 실용성을 검증하였다.
본 연구는 사이클로이드 기반 기계적 주파수 증속과 방전 기반 전하 증폭 기술을 통합한 새로운 회전형 에너지 하베스팅 구조를 제안하고, 주요 설계 변수에 대한 정량적 최적화 분석을 통해 고출력 RCA-TENG의 설계 기준을 제시하였다. 따라서 본 연구 결과는 저속 회전 환경에서 동작하는 자가발전 시스템, 분산형 에너지 하베스팅 장치 및 차세대 저전력 전자기기의 성능 향상을 위한 효과적인 설계 전략으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 설계 및 동작 원리 9
• 2.1 RCA-TENG 제작 9
• 2.2 RCA-TENG 구조 9
• 2.3 사이클로이드 기어 원리 11
• 2.4 방전 기반 출력 증폭 원리 13
• 2.5 RCA-TENG 전기적 출력 측정 16
• 제 3 장 결과 및 분석 17
• 3.1 RCA-TENG 출력 특성 17
• 3.2 RCA-TENG 최적화 검증 23
• 3.3 최적화 RCA-TENG 응용 실험 28
• 제 4 장 결 론 32
• [참고 문헌] 34