마찰대전 발전기를 활용한 센서 및 액추에이터의 자가 동작 활용에 관한 연구 = A Study on Self-Operation Application of Sensors and Actuators Using Triboelectric Nanogenerator
저자
발행사항
천안 : 한국기술교육대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국기술교육대학교 일반대학원 : 메카트로닉스공학과 메카트로닉스공학전공 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청남도
형태사항
81 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 박진형
UCI식별코드
I804:44013-200000672400
소장기관
마찰대전 나노발전기 (Triboelectric Nanogenerator, TENG)는 서로 다른 대전 특성을 가진 재료 간의 반복적인 접촉, 마찰 등의 동적 거동에서 발생하는 정전기 유도 현상 및 마찰대전 현상을 기반으로 하여 기계 에너 지를 전기 에너지로 효과적으로 변환할 수 있는 에너지 하베스팅 기법이 다. TENG는 높은 교류 출력 전압, 빠른 응답속도, 독립적인 전원 확보 등의 장점을 갖고 있어 센서 및 액추에이터에 전원으로 사용되거나, 자체 적인 센서 역할을 수행하는 등 다양한 응용이 가능하다. 본 연구에서는 TENG의 출력 특성을 활용한 센서 및 액추에이터의 동작 특성에 대해 고찰한다.
협동 로봇 충돌 감지 마찰대전 센서 시스템의 경우, 유연하며 쉽게 압축 가능한 다공성 TENG 구조 설계를 통해 협동 로봇과 외부 물체 간의충돌을 감지할 수 있는 센싱 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다. 외부 물체와 접촉에서 발생하는 안정적인 정전기 신호를 출력하기 위해, 파라미터 분석를 수행하였으며 3.5 kPa의 압력에서 최대 160 V, 5.5 μA의전기 출력 성능을 확보하였고, 12 ms 이내의 충돌 응답속도를 확인하여충돌 감지 센서로서의 활용성을 입증하였다.
Polyvinylidenefluoride film (PVDF film) 기반 자가 동작 곤충 모사 로봇의 경우, 압전 소자인 PVDF의 역압전 효과를 이용하여 자벌레의 전진 동작과 나비 날개의 펄럭거림을 모사하는 소프트 로봇을 제작하였고, 역 압전효과를 발생시키기 위한 전원은 TENG에서 발생하는 자체적인 출력 전압을 이용한다. 액추에이터로 사용된 PVDF film은 내구성과 신뢰성이 높다는 장점이 있지만, 구동 범위가 좁기 때문에, 큰 변위를 요구하는 어플리케이션에는 적합하지 않다. 따라서, PVDF film의 구동 변위를 증폭 시키기 위해 공진 구조 설계와 최적 파라미터 설계를 적용하였다. 공진구조를 적용한 나비 날개 소프트 로봇은 4 Hz에서 공진이 발생하도록 설계하였으며, 약 1.6 mm의 변위를 갖는 것을 확인하였다. 자벌레 형상의 소프트 로봇의 전진 모션을 구현하기 위해 앞 다리와 뒷다리의 비율에 따른 속도 변화를 실험적으로 검증하였다.
A triboelectric nanogenerator (TENG) is an energy harvesting technique that converts mechanical energy generated from dynamic behavior such as repeated contact and friction between materials with different electrification characteristics into electrical energy. TENG has advantages such as high AC output voltage, fast response speed, and independent power supply, so it can be used as a power source for sensors and actuators, or as a sensor itself, and can be used in various applications.
In this study, the operating characteristics of sensors and actuators using TENG output characteristics are considered.
In the case of a collaborative robot collision detection triboelectric sensor system, the purpose of this study is to propose a sensing system capable of detecting a collision between a collaborative robot and an external object through a flexible and easily compressible porous TENG structure design. In order to output a stable static electricity signal generated from contact with an external object, parameter optimization was performed, electrical output performance of up to 160 V and 5.5 μA was secured at a pressure of 3.5 kPa, and collision response speed within 12 ms was confirmed to confirm the collision response speed. Its utility as a detection sensor was demonstrated.
In the case of a self-moving insect-simulating robot based on polyvinylidenefluoride film (PVDF film), a soft robot that simulates the forward motion of a looper and the flapping of a butterfly's wings was fabricated using the inverse piezoelectric effect of PVDF, a piezoelectric element, and the inverse piezoelectric effect was generated. The power to do so uses its own output voltage generated by the TENG. The PVDF film used as an actuator has the advantage of high durability and reliability, but it is not suitable for applications requiring large displacement because the driving range is narrow.
Therefore, in order to amplify the driving displacement of the PVDF film, a resonance structure design and optimal parameter design were applied. The butterfly wing soft robot with resonance structure was designed to generate resonance at 4 Hz, and it was confirmed that it had a displacement of about 1.6 mm. In order to implement the forward motion of the looper-shaped soft robot, the ratio optimization of the front and hind legs was experimentally verified.
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