2D 직조 코어-쉘 파이버 마찰 나노발전기: 체내 동작을 6V, 575nA로 변환해 LED와 커패시터 구동

초록

착용형 전자기기는 주변 운동 에너지를 활용할 수 있는 소형 자율 전원을 요구합니다. 본 연구에서는 인체 운동을 전기로 변환하는 코어-쉘 파이버로 제작된 2차원 직조 마찰 나노발전기(2DW-WTNG)를 제시합니다. 이 소자는 6.35V 피크 전압과 575nA 피크 전류를 전달하며, 50MΩ 부하에서 2.33mW/m² 전력 밀도에 해당합니다. 놀랍게도 0.4mm 변위에서도 전하를 생성하며 12시간 연속 작동 시 성능 저하 없이 작동합니다.

서론

휴대용, 착용형, 이식형 기기가 확산되었으나 기존 배터리는 용량, 수명, 환경 영향 면에서 부족합니다. 일상 인간 활동에 내재된 기계적 에너지를 활용하는 것이 지속 가능한 대안입니다. 마찰 나노발전기(TENG)는 접촉 유도 전하 분리와 정전 유도를 이용해 사용 가능한 전기로 변환합니다. 수많은 TENG 설계가 존재하지만 많은 경우 내구성을 해치는 취약한 기판에 의존합니다. 본 2DW-WTNG는 코어-쉘 전도성 파이버를 직물에 직접 통합하여 이 한계를 극복하고 견고하고 확장 가능한 생산을 가능하게 합니다.

실험 방법

코어-쉘 복합 파이버 제조

봉제용 나일론 실(110µm)과 에나멜 동선(60µm), 봉제용 폴리에스터 실(200µm)과 강선(60µm)을 회전 지지대로 결합하여 손-꼬임을 모방했습니다. 이 공정으로 나일론/동 380µm, 폴리에스터/강 385µm 직경의 파이버를 얻었으며, 각각 금속 코어를 폴리머 시스가 둘러싼 구조입니다. 동 코어는 절연되어 단락을 방지하고, 강 코어는 구조적 강도를 제공합니다.

2DW-WTNG 직조

나일론/동 파이버 4그룹과 폴리에스터/강 파이버 4그룹을 직교로 편직하여 15mm×15mm 활성 영역, 7mm 격자 폭을 형성했습니다. 결과 직물은 일반 섬유와 유사하여 산업용 직기로 대량 생산이 가능합니다.

전기적 특성 분석

소자는 선형 모터로 구동하여 상층이 하층에 대해 왕복 슬라이딩 운동하도록 했습니다. 다양한 슬라이딩 속도, 변위, 상대 방향에서 출력 전류와 전압을 기록했습니다.

결과 및 고찰

나일론(마찰대전 양성)과 폴리에스터(마찰대전 음성) 간 슬라이딩 접촉이 교번 전하 이동을 생성하여 두 전극층 사이로 전자를 구동합니다. 8mm 변위, 0.15m/s 속도에서 575nA, 6.3V 피크 출력을 달성했습니다. 50MΩ 저항 연결 시 전력 밀도는 2.33mW/m²로 피크에 달했습니다.

슬라이딩 속도 증가 시 피크 값이 향상되었습니다: 0.125m/s에서 전류 415nA, 전압 6.6V로 상승했습니다. 0.4mm까지 작은 변위에서도 측정 가능한 출력(2.3nA, 0.05V)을 생성하여 최소한의 인체 동작에도 민감함을 입증했습니다.

소자는 다양한 평면 방향에서 성능을 유지하여 50° 상대 각도에서 134nA, 2.23V를 전달함으로써 임의 체내 운동에 대한 적응성을 확인했습니다.

브리지 정류기 연결 시 2DW-WTNG가 즉시 적색 LED를 점등하고 0.47µF 커패시터를 1분 내 1.84V로 충전하여 3.84mC/m²를 저장했습니다. 12시간 연속 작동에서 무시할 만한 열화로 기계적 내구성을 입증했습니다.

결론

2DW-WTNG는 인체 운동 에너지를 수확하기 위한 확장 가능하고 내구성 있는 플랫폼을 시연합니다. 코어-쉘 파이버 구조와 직조 설계는 고전압, 저전력 전자기기에 충분한 전류, 다양한 운동 방향에서의 견고한 작동을 제공합니다. 이 기술은 진정한 자율 착용형 기기로의 길을 엽니다.

데이터 및 재료 가용성

데이터와 분석은 합리적 요청 시 교신 저자로부터 제공 가능합니다.

약어

2DW-WTNG

2D 직조 착용형 마찰 나노발전기

AC

교류

DC

직류

LED

발광 다이오드

SEM

주사 전자 현미경

WTNG

착용형 마찰 나노발전기