PZT-MWCNTs 복합체를 이용한 광압 기반 에너지 하베스팅 소자의 효율 향상에 관한 연구 = Research on Efficiency Improvement of Light Pressure Based Energy Harvesting Device Using PZT-MWCNTs Composite

국문 초록 (Abstract)

최근, 전 세계는 화석연료의 고갈과 환경문제로 인해 친환경적인 대체 에너지 연구에 집중하고 있다. 그로 인해 버려지는 에너지를 수집해 전기 에너지로 변화시키는 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 따라서 본 연구에서는 새로운 에너지 하베스팅 방식인 태양 복사압을 이용한 광압 에너지 하베스팅 소자의 전기적 출력을 향상시켰다. 기존의 light pressure electric generator (LPEG)는 IoT 센서와 같은 다양한 실생활에 이용되기에는 출력이 낮다. 따라서 LPEG의 효율을 향상시키기 위해 압전물질인 PZT 층에 multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)를 혼합하여 복합 압전층을 갖는 LPEG를 제작하였다. MWCNTs가 포함된 압전층에 빛에 의해 유도된 압력이 가해지면 계면에서 추가적인 stress가 발생하며, 이는 COMSOL simulation을 통해 분석되었다. 또한, 본 연구에서는 MWCNTs의 혼합 농도에 따른 PZT-MWCNTs 층의 결정성, 유전, 압전 특성을 분석하였으며, 이를 통해 전기적 출력의 변화를 분석하였다. 결과적으로 MWCNTs 혼합농도가 10 wt% 일 때 가장 높은 출력인 7.63 µA, 292.4 mV의 전류, 전압값을 얻었다. 또한, 얻은 출력을 바탕으로 전력 밀도 값을 계산한 결과 1269 µW/cm2로 기존의 PZT 기반 LPEG에 비해 약 3.3배 향상된 출력을 얻을 수 있었다. 하지만 과도한 양의 MWCNTs가 첨가된 20 wt%의 농도에서는 PZT-MWCNTs 압전층의 압전 결정성이 나빠졌으며, 누설 전류와 유전손실이 크게 증가하였기 때문에 출력이 더 감소하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the world has been focusing on eco-friendly alternative energy research due to the depletion of fossil fuels and environmental issues. As a result, energy harvesting technology that collects wasted energy and converts it into electrical energy has attracted attention. Therefore, in this study, we improved the electrical output of a light pressure energy harvesting device that utilizes a new energy harvesting method using solar radiation pressure. The existing light pressure electric generator (LPEG) has a low output, which makes it difficult to use in various real-life applications such as IoT sensors. Therefore, to improve the efficiency of LPEG, it was fabricated by mixing multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with a PZT layer. When pressure induced by the light is applied to the piezoelectric layer containing MWCNTs, the additional stress is generated at the interface, which was analyzed through COMSOL simulations. Furthermore, we analyzed the crystallinity, dielectric, and piezoelectric properties of the PZT-MWCNTs layer according to the mixing ratio of MWCNTs, and through this, we analyzed the change in electrical output. As a result, we obtained the output current of 7.63 µA and voltage of 292.4 mV of 10 wt% mixing concentration of MWCNTs. In addition, the calculated power density based on the obtained output was 1269 µW/cm2, which is approximately 3.3 times higher than that of the only PZT based LPEG. However, at a concentration of 20 wt%, the piezoelectric crystallinity of the PZT-MWCNTs piezoelectric layer deteriorated, and the leakage current and dielectric loss increased, resulting in a further decrease in output.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 에너지 하베스팅 1
• 1.1.1 에너지 하베스팅의 필요성 1
• 1.1.2 다양한 에너지 하베스팅의 원리 3
• 1.2 연구의 목적 및 배경 14
• 2. 이론 15
• 2.1 빛 15
• 2.1.1 빛의 특성 15
• 2.1.2 복사압 17
• 2.1.3 태양 복사 에너지 19
• 2.2 표면 플라즈몬 22
• 2.2.1 라만 산란과 라만 분광법 22
• 2.2.2 Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) 25
• 2.2.3 Surface Plasmon Resonance (SPR) 26
• 2.3 압전소자 27
• 2.3.1 압전효과 27
• 2.3.2 압전물질 29
• 2.3.3 Light pressure electric generator (LPEG) 34
• 2.4 유전체 혼합물 37
• 2.4.1 유전체 37
• 2.4.2 유전체의 다양한 분극 메커니즘 38
• 2.4.3 Maxwell-Wagner 계면 분극 40
• 2.4.4 유전체 혼합물의 유전상수 향상 메커니즘 42
• 2.4.5 탄소나노튜브 46
• 2.5 COMSOL simulation 48
• 3. 실험 방법 50
• 3.1 PZT-MWCNTs 기반의 LPEG의 제작 방법 50
• 3.1.1 PZT-MWCNTs 용액 제작 50
• 3.1.2 LPEG의 구조인 crater 제작 52
• 3.1.3 PZT-MWCNTs 기반 LPEG 제작 54
• 4. 결과 및 고찰 55
• 4.1 PZT 층 내에서의 MWCNTs의 역할 55
• 4.2 PZT-MWCNTs 층의 구조적 분석 60
• 4.3 MWCNTs 농도에 따른 PZT-MWCNT 층의 특성 63
• 4.3.1 압전 결정성 분석 63
• 4.3.2 유전특성 분석 66
• 4.4 MWCNTs 농도에 따른 PZT-MWCNTs 기반 LPEG의 전기적 출력 특성 69
• 4.4.1 LPEG의 작동 메커니즘 69
• 4.4.2 MWCNTs 농도에 따른 LPEG의 전기적 특성 분석 71
• 4.4.3 MWCNTs 농도에 따른 전기적 출력 변화의 원인 분석 73
• 5. 결론 79