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강희석 학생, 한원배 박사(지도교수: 황석원), 고분자 나노복합체 기반의 마찰전기 나노발전기를 개발
2023.10.11 Views 572
뛰어난 신축성과 생분해성으로 체내외 다양한 신체 부위에 적용 가능한 마찰전기에너지하베스터 개발
▲왼쪽부터 강희석 학생, 한원배 박사 (제1저자), 황석원 교수 (교신저자)
그림1. 유기/무기 하이브리드 신축성/생분해성 고분자 나노복합체 기반 마찰전기 나노발전기 (END-TENG)
(a) 마찰 양극에 해당하는 폴리우레탄(PU)/산화 아연(ZnO) 복합체와 표면이 피라미드 구조체로 이루어진 마찰 음극에 해당하는
poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL)/삼산화 몰리브덴(MoO3) 복합체로 구성된 END-TENG의 모습
(b,c) 구부러짐 (b)과 늘어난 상태(c)의 END-TENG 사진
그림2. 유무기 하이브리드 나노복합체의 생화학적, 기계적, 전기적 성질
(a) 상온의 PBS용액 (pH ~7)에서 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 시간에 따른 무게 변화
(b,c) 수용액에서 질량비가 1:1인 PLCL/MoO3 나노복합체의 용해 속도에 대한 온도 (b)와 pH의 영향 (c)
(d-f) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 응력-변형률 곡선 (d), 인성 (e), 그리고 물접촉각 (f)
(g) 켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)으로 측정한 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 나노입자 유무에 따른
일함수 (h,i) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 일함수 (h)와 상대적 유전율 (i)
그림3. (a) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 측정 전압 (Voc)
(b) COMSOL 시뮬레이션을 통해 얻은 질량비 1:0(왼쪽)과 질량비 1:1인 END-TENG의 계산된 전압값 비교
(c) END-TENG의 실제 사진
(d) 변형률이 0, 40, 80%일 때 측정된 END-TENG의 Voc
(e) 변형률이 40%일 때의 순환 테스트를 통해 확인한 END-TENG의 전기적 안정성
(f,g) 인공 무릎 관절에서 에너지 수확 모드에 대한 사진과 해당 전압 (f), 그리고 손가락 관절에서의 모션 센서에 대한 사진과 해당 전압 (g).
(h) 온도 37도씨의 PBS 용액 내에서의 END-TENG의 시간에 따른 전압 변화 양상
▲왼쪽부터 강희석 학생, 한원배 박사 (제1저자), 황석원 교수 (교신저자)
□ 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 황석원 교수 연구팀은 뛰어난 신축성과 생분해성을 가진 고분자 나노복합체 기반의 마찰전기 나노발전기를 개발하였다. 해당 마찰전기 나노발전기는 그 자체로 높은 출력전압을 가지면서도 안전하게 생분해되어 사라질 수 있고, 뛰어난 신축성으로 적용 가능한 부위가 더 확대됨에 따라 의료/친환경 목적의 에너지 하베스터 또는 센서 등으로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 이번 연구결과는 과학저널 ‘Chemical Engineering Journal (IF=16.74)’ 9월 22일 온라인 게재되었다. (논문명 : Stretchable and biodegradable triboelectric nanogenerator based on elastomeric nanocomposites)
□ 연구진은 먼저 고신축성/생분해성 고분자를 합성하고, 여기에 해당 고분자가 마찰 과정에서 더 많은 전하를 유도하고 저장할 수 있도록 하는 생분해성 금속산화물 나노입자를 적절한 비율로 배합하여 용액을 제조하였다. 그리고 마찰표면적을 넓히기 위하여 피라미드 모양을 본뜰 수 있는 몰드를 제작하여 미세피라미드 표면구조를 갖는 복합소재 필름을 간편하게 제작했다. 이 필름은 높은 유연/신축성과 인성(toughness)를 보였으며, 나노입자 첨가에도 소수성을 유지함을 보였다.
□ 연구진은 일함수 측정 및 전압 테스트를 통해 해당 연구에 활용된 생분해성 탄성 고분자인 폴리우레탄(PU)과 poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) 이 각각 마찰시에 (+)와 (-)로 대전됨을 확인하였다. 여기에 추가적으로 각 고분자에 산화아연(ZnO) 나노입자와 산화몰리브덴(MoO3) 나노입자를 첨가하면 마찰 시 재료 표면에 더 많은 전하를 유도할 수 있음을 확인하였다. 그 원리로는 PU에는 ZnO 나노입자를 첨가하면 일함수가 작아지고, PLCL에는 MoO3 나노입자를 첨가하면 일함수가 커지는데 그 결과 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체 간의 페르미 레벨 차이가 증가하여 두 재료가 접촉하게 되면 표면 간의 더 많은 전하의 이동이 일어나 더 높은 전기에너지를 생산할 수 있다는 것이다. 이를 통해 고분자 내 나노입자의 적절한 첨가량을 확인하였고, 두 복합재료 사이에는 스페이서를, 바깥 표면에는 신축성 금속 전극을, 그리고 제일 바깥에는 디바이스 보호를 위하여 PLCL 탄성 고분자를 덮어 Elastomeric, Nanoparticle-embedded, Degradable Triboelectric Nanogenerator (END-TENG)을 제작하였다.
□ 이번 연구결과는 과학저널 ‘Chemical Engineering Journal (IF=16.74)’ 9월 22일 온라인 게재되었다. (논문명 : Stretchable and biodegradable triboelectric nanogenerator based on elastomeric nanocomposites)
□ 연구진은 먼저 고신축성/생분해성 고분자를 합성하고, 여기에 해당 고분자가 마찰 과정에서 더 많은 전하를 유도하고 저장할 수 있도록 하는 생분해성 금속산화물 나노입자를 적절한 비율로 배합하여 용액을 제조하였다. 그리고 마찰표면적을 넓히기 위하여 피라미드 모양을 본뜰 수 있는 몰드를 제작하여 미세피라미드 표면구조를 갖는 복합소재 필름을 간편하게 제작했다. 이 필름은 높은 유연/신축성과 인성(toughness)를 보였으며, 나노입자 첨가에도 소수성을 유지함을 보였다.
□ 연구진은 일함수 측정 및 전압 테스트를 통해 해당 연구에 활용된 생분해성 탄성 고분자인 폴리우레탄(PU)과 poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) 이 각각 마찰시에 (+)와 (-)로 대전됨을 확인하였다. 여기에 추가적으로 각 고분자에 산화아연(ZnO) 나노입자와 산화몰리브덴(MoO3) 나노입자를 첨가하면 마찰 시 재료 표면에 더 많은 전하를 유도할 수 있음을 확인하였다. 그 원리로는 PU에는 ZnO 나노입자를 첨가하면 일함수가 작아지고, PLCL에는 MoO3 나노입자를 첨가하면 일함수가 커지는데 그 결과 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체 간의 페르미 레벨 차이가 증가하여 두 재료가 접촉하게 되면 표면 간의 더 많은 전하의 이동이 일어나 더 높은 전기에너지를 생산할 수 있다는 것이다. 이를 통해 고분자 내 나노입자의 적절한 첨가량을 확인하였고, 두 복합재료 사이에는 스페이서를, 바깥 표면에는 신축성 금속 전극을, 그리고 제일 바깥에는 디바이스 보호를 위하여 PLCL 탄성 고분자를 덮어 Elastomeric, Nanoparticle-embedded, Degradable Triboelectric Nanogenerator (END-TENG)을 제작하였다.
그림1. 유기/무기 하이브리드 신축성/생분해성 고분자 나노복합체 기반 마찰전기 나노발전기 (END-TENG)
(a) 마찰 양극에 해당하는 폴리우레탄(PU)/산화 아연(ZnO) 복합체와 표면이 피라미드 구조체로 이루어진 마찰 음극에 해당하는
poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL)/삼산화 몰리브덴(MoO3) 복합체로 구성된 END-TENG의 모습
(b,c) 구부러짐 (b)과 늘어난 상태(c)의 END-TENG 사진
그림2. 유무기 하이브리드 나노복합체의 생화학적, 기계적, 전기적 성질
(a) 상온의 PBS용액 (pH ~7)에서 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 시간에 따른 무게 변화
(b,c) 수용액에서 질량비가 1:1인 PLCL/MoO3 나노복합체의 용해 속도에 대한 온도 (b)와 pH의 영향 (c)
(d-f) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 응력-변형률 곡선 (d), 인성 (e), 그리고 물접촉각 (f)
(g) 켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)으로 측정한 PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 나노입자 유무에 따른
일함수 (h,i) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 일함수 (h)와 상대적 유전율 (i)
그림3. (a) PU/ZnO 나노복합체와 PLCL/MoO3 나노복합체의 각 질량비 별 측정 전압 (Voc)
(b) COMSOL 시뮬레이션을 통해 얻은 질량비 1:0(왼쪽)과 질량비 1:1인 END-TENG의 계산된 전압값 비교
(c) END-TENG의 실제 사진
(d) 변형률이 0, 40, 80%일 때 측정된 END-TENG의 Voc
(e) 변형률이 40%일 때의 순환 테스트를 통해 확인한 END-TENG의 전기적 안정성
(f,g) 인공 무릎 관절에서 에너지 수확 모드에 대한 사진과 해당 전압 (f), 그리고 손가락 관절에서의 모션 센서에 대한 사진과 해당 전압 (g).
(h) 온도 37도씨의 PBS 용액 내에서의 END-TENG의 시간에 따른 전압 변화 양상
□ 연구진은 실험을 통해 해당 신축성/생분해성 마찰전기 나노발전기를 에너지 하베스터 및 자가발전 모션센서로의 활용 가능성을 확인하였다. 많은 정도의 구부림을 요구하는 무릎 관절과 손가락 관절 부위에 부착되어 안정적으로 전기를 생산함을 확인하였고, 체내에 존재하는 물과 비슷한 성분을 가진 PBS 용액 내에 담겨있을 때에도 한달 이상의 기간동안 안정적으로 전기를 생산함을 확인하였다.
□ 황석원 교수는 “이번 연구결과는 신축성과 생분해성을 모두 만족하는 마찰전기 에너지하베스터 개발을 통해 기존 생분해성 마찰전기 나노발전기의 적용부위의 한계, 출력 전압의 한계 등을 극복하였으며, 이러한 장점을 활용하여 의료 및 친환경 분야에서 신축성을 요구하는 다양한 부위에 적용하여 일상적인 움직임 속에서 에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.” 라고 밝혔다.
□ 황석원 교수는 “이번 연구결과는 신축성과 생분해성을 모두 만족하는 마찰전기 에너지하베스터 개발을 통해 기존 생분해성 마찰전기 나노발전기의 적용부위의 한계, 출력 전압의 한계 등을 극복하였으며, 이러한 장점을 활용하여 의료 및 친환경 분야에서 신축성을 요구하는 다양한 부위에 적용하여 일상적인 움직임 속에서 에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.” 라고 밝혔다.
