신축성 전고무 실형 마찰전기 나노발전기로 자가 구동 웨어러블 에너지 수확 및 생체역학 추적

요약

신축성 스마트 전자소자는 인체 동작 에너지 수확과 자가 구동 생체역학 모니터링 분야를 빠르게 발전시키고 있다. 본 연구에서는 은 코팅 유리 마이크로스피어와 실리콘 고무로 신축성 전도성 실(SCT)을 만들고, 실리콘 고무 코팅 SCT(SSCT)를 보완 마찰전기 파트너로 한 완전 고무 기반 실형 마찰전기 나노발전기(TENG)를 보고한다. 이 신축성 전고무 실형 TENG(SATT)는 100% 변형률에서 개방회로 전압 3.82V, 단락 전류 65.8nA를 내며 뚜렷한 손가락 동작 상태를 구별한다. SCT와 SSCT 유닛을 평직으로 짠 자가 구동 스마트 텍스타일(SPST)은 두 모드로 동작: 신축-이완 모드에서 8.1V, 0.42µA, 면직물과 접촉-분리 모드에서 150V, 2.45µA(100N) 출력. SPST는 상용 전자기기 구동과 관절 운동 생체역학 에너지 수확이 가능해 신축성 웨어러블 발전기와 자가 감지 직물 실용 플랫폼을 제공한다.

서론

편안하고 부드럽고 통기성 좋은 웨어러블 전자소자는 생의학 모니터링, 로봇공학, 인간-컴퓨터 인터페이스, 군사, 소비자 기기 필수품이 되고 있다. 그러나 기존 배터리와 슈퍼커패시터는 경도, 수명 한계, 무게, 환경 영향으로 이들 시스템 요구 충족에 어려움. 인간 동작이 만드는 풍부한 기계적 에너지 수확이 지속 가능한 대안. 마찰전기 나노발전기(TENG)는 마찰전기화와 정전기 유도로 기계적 변형을 전기 에너지로 변환, 경량, 저비용, 다용도로 자가 구동 웨어러블에 이상적.

실형 TENG는 관절 운동, 촉각, 맥박 등 생리 신호 모니터링에 유망하나 신축성(복잡한 사지 운동 필수)은 여전히 과제. 기존 스마트 텍스타일은 뱀형 금속박, 예응변 기판, 금속 나노와이어 의존해 대량 생산과 내구성 제한.

이 한계 극복을 위해 은 코팅 유리 마이크로스피어를 실리콘 고무에 분산시킨 SCT와 실리콘 고무 코팅 SSCT를 결합한 이중 나선 전고무 SATT 도입. 이 설계는 >100% 신축성, 고전기 출력, 기계적 견고성으로 단일 유연 실에서 에너지 수확과 자가 구동 센싱 동시 구현.

실험 방법

SCT 제조

은 코팅 유리 마이크로스피어(심천 하과기술유한공사, 중국)를 고체 실리콘 고무(TN-920)와 3:1 중량비로 1.5시간 혼합. 혼합물을 스크류 압출기로 압출, 110°C에서 가황해 직경 1mm 전도성 실 생산. 다섯 실을 함께 꼬고 끝단을 실리콘 고무 혼합물(Ecoflex 00-30과 경화제 1:1)로 코팅, 진공(20분)과 80°C(2시간) 경화. 결과 SCT는 우수한 신축성과 전도성 보유.

SSCT 제조

SCT를 4mm 직경 몰드에 넣고 실리콘 고무 혼합물(Ecoflex 00-30+경화제) 주입. 탈기 및 가열 후 탈형해 완전 캡슐화된 마찰전기 파트너 SSCT 얻음.

측정 시스템

주사전자현미경(SEM)은 ZEISS EVO18(칼 자이스 예나, 독일) 사용. 전기 출력은 KEITHLEY 2611B 전위차계로 기록.

결과 및 논의

SATT는 두 이중 나선 전고무 실 통합: 균일 분산된 은 코팅 유리 마이크로스피어 포함 SCT, 실리콘 고무 코팅된 SSCT. 제조 세부사항 그림 1a. 고부하 실리콘 매트릭스로 우수한 기계적 호환성, 내장 마이크로스피어가 3D 전도 네트워크 형성해 SCT에 고전도성, 신축성 부여. SEM 이미지(그림 1b-f)에서 전도성 코어와 실리콘 코팅 사이 간극 없음 확인, 전체 구조(그림 1g) ~100% 변형률까지 신축 가능해 기존 실형 TENG 크게 능가.

전기적으로 SATT는 병렬 연결된 커패시터 직렬처럼 동작. 신축 시 실리콘 표면과 전도성 코어 분리돼 전위차 발생, 전자 외부 회로 흐름 유도. 이완 시 역방향 흐름으로 완전한 전하 이동 사이클 완성.

COMSOL 유한요소 분석(그림 2b)으로 메커니즘 검증: 전위차는 인장력에 선형 증가. SCT 저항은 50% 변형률까지 안정적이나 고변형률에서 완만히 상승; 다섯 가닥 전도성 실 꼬임으로 이 효과 완화(그림 2c-d). 인장 내구성 테스트에서 SCT 100% 변형률 10,000사이클 성능 유지(그림 2e). 전기 출력은 전도성 실 수에 비례: 5cm SATT 100% 변형률에서 개방회로 3.82V, 단락 65.8nA(그림 2f-g). 1Hz에서 응답/회복 시간 48ms/220ms로 자가 구동 동작 센서 적합성 입증.

직물로 확장 위해 SCT와 SSCT 유닛 평직으로 자가 구동 스마트 텍스타일(SPST, 5×7cm²) 직조(그림 3a-b). 100% 변형률 신축 시 SPST 8.1V, 0.42µA 생성(그림 3d-e). 면직물과 접촉-분리 시 100N에서 150V, 2.45µA 출력(그림 4c-d). 120MΩ 부하에서 최대 전력 163.3µW(그림 4e). 10,000사이클 안정성 테스트에서 전압 열화 없음(그림 S2). 커패시터 충전 실험으로 0.47µF 커패시터 150초 만에 14V 충전, SPST로 LED와 상용 시계 구동 가능(그림 4f).

기능 테스트로 SATT 자가 구동 능동 센서 능력 확인. 손가락 부착 시 굽힘 상태에 따른 뚜렷한 전압 피크 생성(그림 5a). SPST를 팔꿈치, 무릎 관절 부착 시 굽힘/펴기 시 105-116.9V, 0.73-0.89µA 출력으로 재활 모니터링 및 활동 추적 잠재력 입증(그림 5b-c).

결론

완전 고무 기반 이중 나선 실형 TENG 개발로 100% 변형률 달성, 기계적 에너지를 전기 전력으로 변환, 손가락 및 관절 동작 자가 구동 센서 역할. 평직 직물로 짠 소자는 신축 시 8.1V/0.42µA, 접촉-분리 시 150V/2.45µA, 최대 전력 163.3µW 출력. 이 견고한 출력으로 SPST는 상용 전자기기 구동, 생체역학 에너지 수확, 미래 의료 및 스마트 추적 응용 지원 가능.