Performance Enhancement of Piezoelectric and Triboelectric Energy Harvesting Devices via Chemical Methods and Applications
저자
발행사항
대전: 忠南大學校 大學院, 2018
학위논문사항
학위논문(박사)-- 忠南大學校 大學院 : 전기공학과 기기 및 재료 전공 2018. 8
발행연도
2018
작성언어
영어
DDC
621.3 판사항(22)
발행국(도시)
대전
형태사항
xii, 88 p.; 26 cm.
일반주기명
충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수: 나정효
참고문헌 : p. 76-83.
소장기관
운동에너지를 전기에너지로 변화하는 압전 및 마찰 에너지 수확소자는 다양한 재료를 선택하여 실제 적용이될 환경에 적합한 여러 구조로 제작이 가능하여 효율적으로 전기 에너지를 생산해낼 수 있어 재생가능하고 지속가능한 차세대 에너지 소자로서 주목을 받고 있다. 또한, 다양한 분야에 효과적으로 응용될 수 있어 많은 연구자들이 관심을 갖고 활발히 응용연구를 진행하고 있다.
본 연구에서는 에너지 변환 효율을 높이기 위하여 화학적 수열 도핑과 화학적 표면 처리법을 제안하고 있다. 친환경적인 수열 합성법을 이용하여 산화아연의 나노와이어 형태를 쉽게 합성하도록 하였고, 또한 고압전출력에 적합하지 않은 산화아연의 단점인 높은 전자농도와 낮은 강유전성을 합성과정중 리튬을 산화아연에 도핑시켜 보완하도록 하였다. 리튬이 도핑된 산화아연 나노와이어를 고성능 유연압전 소자에 적용하였고, 상당히 우수한 에너지 변환 효율을 갖도록 하였다. 화학적 표면 처리법은 화학결합을 통한 유기재료 표면의 분자구조를 치환하는 것으로 보통 마찰 대전서열표를 참고하여 제한된 재료만 선택가능한 재료선택의 한계를 극복하기 위한 방법으로 제안되었다. 이 방법은 재료의 고유 표면 대전 특성에 의존하지 않고 어떤 재료도 표면대전 특성을 변화시켜 고효율 마찰대전 에너지 수확 소자를 구현하도록 하는데 의의가 있다. 따라서 이런 접근법을 적용하면 값싼 종이나 플라스틱을 이용해 고효율 마찰 대전 에너지 수확소자를 이용해 제작가능할뿐만 아니라 물리적패터닝을 이용하는 기존의 방식처럼 부가적인 공정관련 이슈도 발생되지 않는다.
다음으로, 리튬이 도핑된 산화아연 나노와이어를 각각 압전 방식의 모션센서와 태양광 물분해 광전극으로 활용하는 응용연구를 진행하였다. 압전출력은 압전소자에 인가되는물체에 인가되는 힘의 크기, 속도 및 방향에 따라서 출력신호가 반응한다. 이러한 점은 실체 물체에서 발생하는 힘의 정도, 방향 및 속도정보를 감지하도록 압력정보도 획득할 수 있어 결과적으로 기존의 저항방식을 이용하는 모션센서의 한계점을 획기적으로 극복하여 실제 물체의 다양한 정보를 전자소자를 이용해 감지해 낼 수 있었다. 또한, 강유전 산화아연 광전극은 강유전 분극특성을 활용하는 것으로 강유전체의 존재하는 분극을 전기장을 인가해 조절해 주면 전해질과 광전극 물질 계면에 에너지 밴드를 변화시킬 수 있다. 이러한 점을 이용하면 효과적으로 태영광 물분해 효율을 향상시킬 수 있다. 위 두가지 응용은 결국 압전 및 강유전 효과를 이용하여 신개념의 접근법을 통해 다양한 분야에서 소자의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.
결론적으로 화학적 방법을 통해 재료의 나노구조를 형성하고 전기적 특성을 상당히 향상시키고 근본적인이고 효과적인 접근법를 도입하여 압전 및 마찰 에너지 연구 분야의 한계점을 획기적으로 극복할 수 있도록 하였다. 향후 상용화에 근접하는 고성능 압전 및 마찰 에너지 수확소자의 개발이 기대되어지고 또한 압전 및 강유전 효과가 모션센서와 광전극에 효과적으로 활용될 수 있다는 점은 향후 활용가치가 있다.
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