고표면적을 가지는 엠보싱 표면구조 기반 고출력 마찰전기 나노발전소자 개발 연구 = High-Performance Triboelectric Nanogenerators Based on Embossed Structures with High Surface Area

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Triboelectric nanogenerators (TENGs) have garnered significant attention due to their low cost and high performance. Achieving excellent TENG output performance requires selecting materials with a substantial potential difference and presenting specific methods to maximize the contact area between these materials. In this study, we fabricated and evaluated a high-performance TENG using two materials known for their significant potential difference: PDMS and silica. By forming microstructures on the surfaces of the triboelectric layers, we optimized the effective surface area through a silica embedding process, enhancing the TENG's output performance. The embedded silica positive triboelectric layer exhibits a larger surface area compared to a flat polymer layer, resulting in increased output current. Additionally, to increase the total contact area, we used porous PDMS with the same nanoscale dimensions as silica for the negative triboelectric layer. We controlled the embedding temperature and time to adjust the height of the silica exposed to the surface, thereby maximizing the power output of the TENG. Notably, this study utilized silica and SU-8 photoresist as positive triboelectric materials, with SU-8 used as a polymer to encapsulate the silica during the embedding process. We found that the SU-8 polymer exhibits stronger positive triboelectric properties than silica, a material widely known to be at the extreme end of the positive triboelectric series. By comparing the output of friction between microstructured and flat triboelectric layers, we confirmed that the combination of microstructured surfaces enhances the contact area and output current. It was confirmed that the maximum contact area between the exposed SU-8 polymer surface on the positive charge layer and the porous PDMS film on the negative charge layer produced a high output of 262V and 35 μA. This research is expected to contribute to significant advancements in TENG technology and holds potential applications for wearable devices and electronic devices. Key words : Contact area, Silica, Embedding process, Porous PDMS ,SU-8 photoresist

국문 초록 (Abstract)

마찰 전기 나노 발전기(TENG)는 저렴한 비용과 고성능으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 우수한 TENG 출력 성능을 달성하는 데는 상당한 전위차를 가진 재료를 선택하고 이러한 재료 간의 접촉 면 적을 극대화하는 구체적인 방법이 제시되어야 한다. 본 연구에선 상 당한 전위차로 알려진 PDMS와 실리카라는 두 가지 재료를 사용하 여 음전하층과 양전하층의 두 마찰면에 미세 표면구조를 형성시킨 고성능 TENG를 제작 및 평가하였다. 또한 실리카 임베딩 프로세스 를 통해 유효 표면적을 최적화하여 TENG의 출력 성능을 향상하였 다. 평탄한 고분자 양전하층에 비해 임베딩된 실리카 양전하층은 더 넓은 표면적을 갖기 때문에 출력 전류가 증가한다. 또한 총 접촉 면 적을 늘리기 위해 실리카와 동일한 나노 스케일의 다공성 PDMS를 음전하층으로 사용하였다. TENG의 전력 출력을 극대화하기 위해 임베딩 온도와 시간을 제어하여 실리카가 외부에 드러나는 높이를 조절하였다. 특히 본 연구에서는 양전하물질로 실리카와 더불어 SU-8 포토레지스트를 임베딩 과정에서 실리카를 감싸기 위한 고분 자로 사용하였는데, 양전하 물질의 극단에 위치한 물질로 널리 알려 진 실리카보다 SU-8 고분자가 더 강한 양전하 특성을 나타내는 것 을 실험을 통해 확인하였다. 또한 미세 표면구조가 있는 두 마찰면 의 조합을 통해 접촉 면적 및 출력 전류가 향상되는 것을 평탄한 마찰면과의 마찰 출력과 대조하여 규명하였고, 양전하층에 드러난 SU-8 고분자 표면 및 음전하층의 다공성 PDMS 필름 사이의 접촉면 적이 최대가 된 조건에서 262V와 35 μA의 높은 출력을 보이는 것 을 확인하였다. 이 연구는 TENG 기술의 유망한 발전에 도움을 줄 것으로 기대되며 웨어러블 장치 및 전자 제품에 잠재적으로 적용될 수 있다. 주요단어(Keyword) : 접촉면적, 실리카, 임베딩 프로세스, 다공성 PDMS, SU-8

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 마찰 발전 소자의 구성 및 원리 3
• 1.3. 마찰 대전 서열표 5
• 1.4 TENG 출력에 영향을 미치는 요소 7
• 1.5 임베딩 프로세스 11
• 2. 실험 방법 14
• 2.1. 고표면적 실리카 나노입자 양전하층 제작 14
• 2.1.1. SU-8 포토레지스트 Spin coating 14
• 2.1.2. SU-8 포토레지스트 Soft bake 16
• 2.1.3. 실리카 나노입자 분산액 제조 19
• 2.1.4. 실리카 나노입자 모노레이어 형성 21
• 2.1.5. 실리카 임베딩 프로세스 22
• 2.2. PFA 음전하층 제작 25
• 2.3. 고표면적 기공구조의 PDMS 음전하층 제작 27
• 2.3.1. 실리카 나노입자 몰드 표면처리 28
• 2.3.2. PDMS Spin coating 및 경화 31
• 2.3.3. 다공성구조 PDMS 필름 전사 32
• 3. TENG 특성 평가 방법 34
• 3.1. TENG 소자 구성 34
• 3.2. TENG 소자 출력 특성 평가 36
• 4. 결과 및 고찰 38
• 4.1. 임베딩을 통한 실리카 양전하층 제작 결과 38
• 4.2. 엠보싱 미세 구조의 표면적 계산 및 출력 증가량 예상 40
• 4.3 PFA 음전하층과 실리카 양전하층 TENG 마찰 결과 43
• 4.4. flat PDMS 음전하층과 실리카 양전하층 TENG 마찰 결과·· 45
• 4.5. Porous PDMS dimple depth에 따른 출력 비교 48
• 4.6. Porous PDMS 음전하층과 실리카 양전하층 TENG 마찰 출력 결과 51
• 4.7 SU-8 고분자와 실리카의 양전하 특성 비교 54
• 4.8. 각 마찰층의 미세구조 유무에 따른 TENG 출력 비교· 56
• 4.9. 측정 조건에 따른 TENG 출력 비교 58
• 4.10 Hard PDMS를 이용한 500nm 실리카 전사 PDMS 필름 제작 60
• 4.11 TENG 평가 및 LED 구동을 통한 응용 가능성 확인·· 64
• 5. 결 론 67
• 참고문헌 69