전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유 기반 나노발전 소자의 용매 극성을 통한 결정성 제어 및 에너지 하베스팅 특성에 관한 연구 = Study on Solvent Polarity-Controlled Crystallinity and Energy Harvesting Performance of Electrospun P(VDF-TrFE) Nanofiber-Based Nanogenerators

국문 초록 (Abstract)

사물 인터넷, 웨어러블 전자기기 및 무선 센서 네트워크의 발전에 따라 지 속 가능한 자가구동 에너지 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 압전 및 마찰전기 기반 나노발전 소자는 저주파 기계적 에너지를 효과적으로 전기 에너지로 변환할 수 있어 차세대 에너지 하베스팅 기술로 주목받고 있으나, 낮은 에너지 전달 효율, 제한적인 출력 성능, 기계적 유연성 한계 등 개선되어 야 할 점은 여전히 존재한다. 본 연구에서는 전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유 기반 나노발전 소자의 용매 극성을 통한 결정성 제어 및 에너지 하베스팅 특 성에 관한 연구라는 주제로 이러한 한계를 극복하기 위한 다양한 시도를 하였 으며 결과를 제시하였다. 전기방사 공정 기반으로 서로 다른 쌍극자 모멘트를 가진 단일 용매 Tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone (MEK), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO)를 사용하여 P(VDF-TrFE) 나노 섬유를 제조하였으며, 용매의 쌍극자 모멘트가 증가함에 따라 베타-상 형성 및 결정화도가 향상되는 것을 확인하였다. 또한, piezoresponse force microscopy (PFM) 및 kelvin probe force microscopy (KPFM) 분석을 통해 향상된 압전계수 및 표면 전기적 특성을 확인하였으며, 이를 기반으로 압전 및 마찰전기 출력이 동시 향상됨을 확인하였다. 제작된 소자는 압전의 경우 최대 19.7 V 및 0.95 μA, 마찰전기의 경우 최대 170.3 V 및 9.73 μA의 출력 특성을 나타냈으며 반복 구동 환경에서도 안정적인 성능 을 유지하였다. 또한, 우수한 소수성 특성과 자가-세척 특성을 기반으로 외부 오염 및 습도 환경에서도 안정적인 출력 성능을 유지하였다. 이와 같은 용매 쌍극자 모멘트를 통한 결정성 제어가 전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유 기반 에너지 하베스터의 전기ž기계적 특성 향상에 효과적인 전략이 될 수 있음을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 2.1 압전 및 마찰전기 나노발전기의 동작 원리 3
• 2.1.1 압전 나노발전기 동작 원리 3
• 2.1.2 마찰전기 나노발전기 동작 원리 4
• 2.2 P(VDF-TrFE) 고분자 구조 및 물리적 특성 6
• 2.2.1 P(VDF-TrFE)의 결정 구조와 분자 사슬 배열 6
• 2.2.2 β-상 결정화도 및 쌍극자 정렬이 전기적 성능에 미치는 영향 7
• 2.3 전기방사 공정 이론 9
• 2.4 용매의 쌍극자 모멘트와 고분자 상호작용 10
• 제3장 실험 방법 및 제작 12
• 3.1 시약 및 P(VDF-TrFE) 고분자 용액 준비 12
• 3.2 전기방사 공정 조건 12
• 3.3 압전 및 마찰전기 나노발전기 제작 13
• 3.3.1 압전 나노발전기 제작 13
• 3.3.2 마찰전기 나노발전기 제작 14
• 3.4 모션 센서 제작 15
• 제4장 실험 결과 및 고찰 16
• 4.1 용매의 쌍극자 모멘트에 따른 전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유의 형태 및 결정 특성 분석 16
• 4.1.1 용매 쌍극자 모멘트에 따른 나노섬유 형태학적 특성 분석 16
• 4.1.2 용매 쌍극자 모멘트에 따른 결정상 및 결정화도 분석 19
• 4.2 압전 및 표면 전하 특성 분석 25
• 4.2.1 PFM 분석을 통한 압전 응답 특성 분석 26
• 4.2.2 KPFM 분석을 통한 표면 전하 특성 분석 28
• 4.3 압전 및 마찰전기 나노발전 소자의 출력 특성 분석 30
• 4.3.1 압전 나노발전기의 출력 특성 31
• 4.3.2 마찰전기 나노발전기의 출력 특성 34
• 4.4 기계적 및 환경적 안정성 평가 37
• 4.4.1 기계적 유연성 및 인장 특성 분석 37
• 4.4.2 기계적 유연성 및 인장 특성 분석 39
• 4.4.3 소수성 및 자가세정 특성 분석 40
• 4.4.4 모션 센서 응용 특성 평가 42
• 제5장 결론 44
• 참고문헌 45
• 영문초록 47
• 감사의글 49