강유전 폴리머의 마찰대전 메커니즘에 대한 열적 조사 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, interest in the field of energy harvesting has increased with the increase in usage of portable electronic devices and wearable electronic devices. Energy harvesting is a study that converts waste energy into usable electrical energy by recycling it. Among them, the triboelectric nanogenerator is a device that converts mechanical energy into electrical energy using the triboelectric effect. Triboelectric nanogenerators are being
studied to diversify energy sources such as the human body, wind, and waves, and to increase energy conversion efficiency in terms of device structure and materials. However, in the case of triboelectrification, the fundamental operating mechanism has not been clarified, so it faces limitations in terms of future research and development. Triboelectrification mechanism models based on work function differences and overlapping electron clouds that have been adopted so far have limitations in explaining the temperature dependence of triboelectric-charges.
In this paper, to solve these limitations, we measure the output change according to the temperature change using the organic ferroelectric PVDF to provide a clue to the understanding of the charge transfer mechanism in triboelectrification. To achieve the research goal, the method of manufacturing high-quality ferroelectric polymer was analyzed by studying the quality degradation caused by humidity when manufacturing ferroelectric polymer using the sol-gel method. Afterwards, the correct evaluation method for the basic physical properties of ferroelectric materials according to the temperature was studied. For the fabricated sample, Young's modulus, and electric polarization. Basic physical properties such as piezoelectricity were analyzed. In addition, a ferroelectric triboelectric nanogenerator was fabricated to quantify triboelectric charge according to the temperature. A quantitative study on the amount of triboelectric charge generated according to the change of piezoelectricity and electric polarization was conducted, and it was shown that triboelectric charge can be transferred by the electrons and materials. A new mechanism for the movement of triboelectric charge was proposed by introducing an interface barrier by analyzing the movement of triboelectric charge according to temperature. Through this study, we will provide a clue to understand the mechanism on triboelectricity of ferroelectric materials.

국문 초록 (Abstract)

최근 휴대용 전자기기 및 웨어러블 전자기기의 사용량 증가에 따라 에너지 하베스팅 분야에 대한 관심이 증가하고 있다. 에너지 하베스팅은 주변에서 버려지는 에너지를 재활용하여 사용가능한 전기적 에너지로 변환하는 연구이다. 그 중 마찰대전 나노 발전기는 마찰대전효과를 이용하여 기계적 에너지를 전기적에너지로 변환하는 장치이다. 마찰대전 나노 발전기는 인체, 바람, 파도와 같이 에너지원을 다원화하기 위한 연구와 에너지 변환효율을 증대 시키기 위해 장치 구조적, 재료적 측면에서의 연구가 진행되고 있다. 하지만 마찰대전의 경우 근본적인 작동원리가 명확히 밝혀지지 않아 향후 연구 개발측면에서 한계를 맞이하고 있다. 현재까지 밝혀진 일 함수 차이, 전자구름의 중첩에 의한 모델은 마찰전하의 이동의 온도의존성을 설명하는데 한계를 보이고 있다.
본 논문에서는 이러한 한계를 해결하고자 유기강유전체 PVDF 를 이용하여 온도변화에 따른 출력변화를 측정하여 마찰대전에서 전하이동 메커니즘에 대한 이해의 단초를 제공하려 한다.
연구목표 달성을 위하여 sol-gel 방식으로 강유전 폴리머 제작 시 습도 등에 의해 발생하는 품질저하를 연구하여 고품질의 강유전 폴리머를 제작하는 방식에 대하여 분석하였다. 이 후 제작된 시료에 대하여 온도에 따른 강유전 물질의 기초물성에 대한 올바른 평가방식에 대하여 정리하고 영률, 전기 분극. 압전성 등과 같은 기초물성 분석을 진행하였다. 또한 강유전체 마찰대전 나노 발전기를 제작하여 온도 증가에 따른 마찰대전 전하량을 측정하고 압전성과 전기분극 크기 변화에 따른 마찰대전 발생량의 양적연구를 진행하여 마찰대전이 전자와 물질의 이동을 통하여 나타날 수 있음을 보였다. 온도에 따른 마찰전하 이동양상을 분석하여 표면전위 방벽을 도입하여 마찰전하의 이동에 대한 새로운 메커니즘을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 4
• 국문요약 6
• List of figures 8
• 1. Introduction 14
• 1.1 Background 14
• 1.2 Basic theory 16
• 1.2.1 Ferroelectric materials 16
• 1.2.2 Dielectric constant 21
• 1.2.2 Piezoelectricity 24
• 1.2.3 Pyroelectricity 28
• 1.2.4 Triboelectricity 30
• 1.3 Reference 36
• 2. Fabrication of ferroelectric polymer materials 39
• 2.1 Sol-gel method 39
• 2.2 Hot press method 41
• 2.3 Poling process 43
• 3. Analysis of ferroelectric materials 47
• 3.1 Dielectric properties 47
• 3.2 Piezoelectric effect 49
• 3.3 Pyroelectric effect 52
• 3.4 Triboelectric effect 54
• 3.5 References 56
• 4. Effects of humidity on the microstructure and the ferroelectric properties of sol-gel grown P(VDF-TrFE) films 57
• 4.1 Introduction 57
• 4.2 Experiments 59
• 4.3 Result and discussion 61
• 4.4 Conclusion 68
• 4.5 References 69
• 5. Thermal analysis of output in ferroelectric polymer-based triboelectric nanogenerators 71
• 5.1 Introduction 71
• 5.2 Experiments 74
• 5.3 Result and discussion 76
• 5.4 Conclusion 87
• 5.6 Further discussion 89
• 5.7 Reference 94
• 6. Summary 96
• 7. List of publications 99
• Appendix A. Measurement of magneto-striction effect and PVDF/Met-glass 103
• Appendix B. Electrocaloric effect measurement of P(VDF-TrFE-CFE) and PMN-PZT 105

참고문헌 (Reference)

1. Smart Mater, I. M. McKinley, R. Kandilian, L. Pilon, 21, 035015, , 2012