이중 나선형 오리가미 형상을 기반으로 한 정전기 방전 기술 응용 고출력 전류 발생 마찰대전 나노발전기 = Double-helical shaped origami-motion driven high output current Triboelectric Nanogenerator by applying electrostatic discharge system

국문 초록 (Abstract)

최근 환경오염이 가속화되고 그로 인해 발생하는 문제들이 심각해짐에 따라 그린 에너지 발전의 필요성이 증가하였다. 그 중 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)기술은 효율성과 친환경적인 장점을 바탕으로 주목받고 있다. 다양한 하베스팅 방식 중 하나인 정전소자 (Triboelectric nanogenerator, TENG)는 기계적 거동에서 발생하는 마찰 대전 에너지를 전기적으로 변환하여 수확하는 소자인데, 자유로운 재료 선택의 폭과 적용 용이성, 높은 전압 출력을 가지고 있다는 장점을 가져 자가전력 발전장비로서 각광받고 있다. 하지만 마찰대전에 의한 출력 특성 상 낮은 전류 출력을 가지는 한계점을 가지고 있어 발전장비로는 적합하지 않은데. 이를 해결하기 위해서 높은 표면적과 부피활용도 특성을 가진 오리가미 구조를 소자에 결합하고 전자의 이동량을 증가시키는 방전기술을 활용하여 Origami-motion driven high current TENG를 설계하였다. Origami-motion driven high current TENG (OH-TENG)는 오리가미 구조와 전극 간 방전 기술을 채택하여, 대전된 전극과 목표 전극과의 접촉을 통한 전자의 직접이동이 발생하도록 설계, 높은 전기적 출력이 발생하게 제작된 정전소자이다.
또한 기존 눌러 접촉시키는 방식의 정전소자들과 다르게 오리가미 구조의 분석을 통한 분리하는 과정에서도 접촉이 발생하여 높은 출력이 나오도록 설계한 새로운 작동원리를 제시하였다. 위 정전소자에서 중요하게 작동한 변수는 소자의 두께로서, 미세한 두께의 차이에 따라 전극 간 접촉이 일찍 발생하거나, 발생하지 않게 되어 큰 출력의 차이가 발생함을 확인하였다. 최종적으로 옷에 간단하게 부착하는 형태로 3000개 이상의 LED를 킬 수 있음을 확인하였다.
OH-TENG를 통해 정전소자의 전류 출력을 크게 강화할 수 있었지만 정전소자의 단점인 내구도의 측면은 아직 해결하지 못해 추가적인 설계 및 연구가 필요하다. 또한 OH-TENG의 최적의 입력 값을 확인하기 난해해 최적 작동범위, 최적 층수 등 장비의 효율을 높일 수 있는 여러 실험의 진행이 어려웠다. 추후 OH-TENG의 개선을 위하여 연구를 통한 최적 입력 값 도출의 과정이 필요할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As environmental pollution accelerates, various environmental problems emerge, the need for green energy development increases. Energy Harvesting, one of the green energies generating methods, by its own efficiency and eco-friendly properties get a spotlight. And triboelectric nanogenerator (TENG), one of the harvesting methods, harvested changing device triboelectric energy from mechanical motion to electrical.
TENG have various strengths, broad material selection, application, high voltage output. Due to these strengths, TENG is considered as self-power generator. But TENG has a low current output from triboelectric power sources. To solve this problem, we designed an Origami-motion driven high current TENG using an origami structure which has a high surface area, volume usability and ESD mechanism which prevent air breakdown to increase electrons movement.
Origami-motion driven high current TENG(OH-TENG) adapts an origami structure and discharge mechanism, by charge electrode and target electrode’s contact, designed to allow electrons direct movements. Because of this design, OH-TENG generates high output performance.
And unlike existing pressing-releasing mechanisms, OH-TENG presents a new mechanism to make high output with an electrode’s contact at the releasing motion. The main factor of OH-TENG is thickness of device. This factor gets involved at electrode’s contact. Depending on the slight difference in thickness, electrode’s contact too early or do not contact, make big difference in output. As a result, OH-TENG can turn on more than 3,000 LEDs by simply attaching form to clothes.
OH-TENG has become a solution to TENG’s low current problem. But OH-TENG needs more improved design and experiments to solve the durability problem about fracture at edge. Also, OH-TENG got a problem with optimum driven input for the various experiments to increase efficiency about devices like optimum operating range and optimum number of layers. The future plan about OH-TENG is to find a quantitative experiment method will be.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Origami-motion driven high output current TENG 4
• 2.1 Fabrication 4
• 2.2 Working Mechanism 5
• 2.3 Parametric Study 8
• 2.4 Application 10
• 3. Conclusion 31
• References 33
• 국문초록 35