유전체 분극 기술로 마찰전기 에너지 하베스팅 성능 향상: 종합 리뷰

초록

마찰전기 효과 기반 에너지 하베스팅 소자는 다른 나노발전기에 비해 높은 출력 성능으로 큰 주목을 받아 웨어러블 응용에 다양하게 활용되어 왔습니다. 작동 메커니즘에 기반해 마찰전기 성능은 주로 마찰전기 소재 표면 전하 밀도에 비례합니다. 표면 작용기 변형과 마찰전기 소재 유전체 조성 변형 등 다양한 접근법으로 표면 전하 밀도를 높여 마찰전기 성능을 개선해 왔습니다. 특히 마찰전기 소재 유전적 특성 조절은 표면 전하가 마찰전기 소재 유전율에 비례하므로 표면 전하 밀도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 상대 유전율은 전자, 진동(원자), 배향(쌍극자), 이온, 계면 분극 같은 유전체 분극으로 수정됩니다. 따라서 이러한 분극은 유전율 향상과 결과적 마찰전기 성능 개선을 위한 중요한 요소입니다. 본 리뷰에서는 유전체 분극 강화를 통한 마찰전기 성능 개선에 대한 최근 통찰을 요약합니다.

서론

압전, 열전, 마찰전기 소자는 물, 바람, 빛, 온도, 진동 등 주변 환경으로부터 발전하는 에너지 하베스팅 소자로 큰 주목을 받아 왔습니다[1]. 전원 외에도 이들 소자는 전자 피부, 헬스케어 모니터링 기기, 로봇공학 등 다양한 응용에서 자가 구동 센서로 사용될 수 있습니다[2]. 그중 마찰전기 소자는 한 쌍의 마찰전기 소재 접촉 시 상대적으로 높은 출력 성능을 보입니다[3,4,5,6]. 생성된 마찰전기 신호는 전기 소자 직접 구동[7,8,9,10,11]이나 소자 기계적/화학적 자극 모니터링[4]에 사용될 수 있습니다. 마찰전기 소자는 다른 기술에 비해 단순한 설계, 간단한 제작, 저비용, 우수한 출력 성능, 유연성으로 자가 구동 웨어러블 응용에 유리합니다[12].

마찰전기는 상이한 마찰전기 소재 간 접촉 대전과 정전 유도로 발생합니다. 기계적 접촉은 접촉 대전에 의해 각 마찰전기 층에 보상된 반대 전하를 유도하고, 기계적 분리는 정전 유도에 의해 외부 회로로 전류 흐름을 만듭니다. 따라서 마찰전기 출력 성능은 마찰전기 층 표면 전하에 직접 영향을 받습니다.

높은 마찰전기 출력 성능을 위해 접촉 대전 중 효율적 표면 전하 생성과 정전 유도 중 효과적 전하 이동이 필요합니다. 따라서 적절한 마찰전기 접촉쌍 소재 선택과 최적 소자 구조 설계가 중요합니다. 작동 메커니즘에 기반해 마찰전기 층으로 유전체 소재를 사용하는 네 가지 유형 마찰전기 소자가 보고되었습니다[5]. 마찰전기 접촉쌍 소재 유형에 따라 두 가지 범주로 나뉩니다: 유전체-유전체 및 도체-유전체 접촉 모드 소자(그림 1a)[13]. 전자에서 두 유전체 판(두께 d₁, d₂, 상대 유전율 ε_r,1, ε_r,2)이 면 대 면으로 적층돼 마찰전기 층으로 사용되고, 전극 층이 외부 유전체 표면에 증착됩니다. 두 마찰전기 층 간 거리(x)는 주기적 기계적 힘으로 변합니다.

이후 접촉된 마찰전기 층 표면은 접촉 대전에 의해 동일 밀도(σ)지만 반대 부호 표면 전하를 가집니다. 마찰전기 층이 거리 증가로 분리되기 시작하면 양/음 전하 이동량(+Q/-Q)에 의해 두 전극 간 전위차(V)가 유도됩니다. 유사하게 도체-유전체 접촉 모드에서 유전체 1 층 없이 금속 1이 상부 마찰전기 층과 상부 전극으로 동시에 사용됩니다. 이 소자 구조에서 금속 1에는 마찰전기 전하(S×σ)와 두 전극 간 이동 전하(-Q) 두 부분 전하가 있어 금속 1 총 전하는 (Sσ-Q)가 됩니다. 위에서 언급한 접촉 모드 마찰전기 소자들을 고려하면, 전기역학에 기반해 출력 성능을 다음과 같이 유도할 수 있습니다[13]:

$$V = - \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1)

$$\begin{aligned}& V_{{{\text{OC}}}} = \frac{\sigma \cdot x\left( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} = \frac{{{\text{d}}Q_{SC} }}{{{\text{d}}t}},\\& { }Q_{{{\text{SC}}}} = \frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{\varepsilon_{r,i} }}{ } \end{aligned}$$ (2)

유효 유전체 두께 d₀는 모든 유전체 두께 d_i를 상대 투자율 ε_r,i로 나눈 합으로 정의됩니다. 식 2에 기반해 마찰전기 성능은 유전체 층 표면 전하 밀도(σ)에 직접 영향을 받습니다.

이전에는 마찰전기 소재 표면 변형이나 고유전율 소재 도입으로 표면 전하 밀도 증가가 보고되었습니다. 표면 형태 제어[14,15,16,17]나 하전 이온 도입[18,19,20,21] 같은 표면 변형은 표면적 확대나 마찰전기 쌍 층 간 마찰전기 극성 증가로 표면 전하 밀도를 높입니다. 표면 물성 조절 외에도 유전율 증가는 유전체 층 정전용량 향상으로 표면 전하 밀도 증가에 기여합니다[6, 22, 23]. 평행판 커패시터 모델에서 표면 전하 밀도는 유전체 층 정전용량과 다음과 같이 관련됩니다[23,24,25]:

$$\sigma=\frac{CV}S,\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}d$$ (3)

여기서 C와 S는 정전용량과 접촉 면적을 나타냅니다. 식 3에서 정전용량(C)은 유전체 접촉 모드 마찰전기 소자에서 표면 전하 밀도 개선 가능한 인자로[6], 유전율 증가와/또는 유전체 층 두께 감소로 증가하므로 표면 전하 밀도는 유전율과 두께 비율(ε/d)에 정비례합니다. 유사하게 마찰전기 소자에서 마찰-유전체 층 정전용량은 식 2로부터 다음과 같이 표현됩니다:

$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

예를 들어, 마찰전기 소자에 다공성 유전체 층 사용은 외부 압력 하 유전체 층 압착 시 유전율 동시 증가와 두께 감소로 ε/d 비율을 크게 높여 표면 전하 밀도를 유의미하게 향상시키는 효율적 방법입니다[17, 23, 26, 27]. 동일한 마찰전기 층 사용 시에도 마찬가지입니다. 따라서 마찰전기 층 유전율은 마찰전기 쌍 소재 선택으로 결정되는 표면 전위보다 표면 전하 밀도 개선에 더 효과적 인자입니다.

마찰전기 소재 유전율이 마찰전기 성능 향상 중요 인자임에도, 유전율 증대 원리와 전략에 대한 포괄적 논의는 없었습니다. 이전 마찰전기 소자 관련 우수 리뷰들(마찰전기 소재와 작동 메커니즘 포함)[3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]이 보고되었으나, 유전체 유도 마찰전기 소자 연구는 지금까지 몇 건만 보고되었습니다. 이에 본 리뷰에서는 유전체 분극 기초를 소개하고, 제어된 유전체 분극을 가진 유전체 소재 설계로 마찰전기 소자 출력 성능을 유의미하게 제어 및 향상시킬 수 있음을 보입니다.

마찰전기 성능 향상을 위한 유전체 분극

유전율(상대 투자율)은 소재 유전체 분극으로 인가 전기장이 감소하는 인자로 정의되며, 유전체 첨가제 도입이나 화학 구조 변형으로 유전체 소재 공학적 설계로 향상될 수 있어 다양한 유전체 현상을 유도합니다. 유전체 분극은 전자, 진동(원자), 배향(쌍극자), 이온, 계면 분극으로 나눌 수 있습니다(그림 1b)[30,31,32,33]. 전자와 원자 분극은 원자 내 음전자 양핵이 외부 전기장 반대 방향으로 왜곡돼 전기 쌍극자 모멘트를 얻는 것으로, 적외선 주파수 이상(>100 GHz) 공명 영역에서 발생합니다. 반도체 같은 분극 기반 소재는 1 GHz 이하 유전 손실이 없어 수 Hz~1 GHz 실용 응용에 가장 바람직합니다. 그러나 대부분의 유기 고분자는 기본 고분자 조성의 고유한 분자 결합 특성으로 전자/원자 분극을 유도할 수 없어 반도체 소재보다 낮은 유전율(<10)을 가집니다[34,35,36]. 고분자 내 전자/원자 분극 추가 유도를 위해 고분자 사슬 구조가 기본 고분자 조성보다 Si, Ge, Sn 등 분극성 전자를 가진 더 큰 원자들을 포함해야 합니다. Si 기반 고분자(폴리실록산 등)나 그 유도체들이 합성되지만 유전율은 3~4를 넘지 않습니다. 따라서 절연 고분자에서 전자/원자 분극 증가는 어렵습니다.

고분자에서 전자/원자 분극이 고유 분자 결합 구조로 유전율 향상에 제한적이지만, 다른 쌍극자, 이온, 계면 분극은 유전율 개선에 활용될 수 있습니다. 쌍극자(배향) 분극은 고분자나 나노입자/쌍극자 모티프 포함 나노복합체 내 영구 분자 쌍극자 모멘트 재배향으로 발생하며, 상 구조(비정질/결정), 온도, 주파수(보통 <10 MHz) 영향을 받습니다[32, 33]. 쌍극자 구조 변형으로 쌍극자 유리, 강유전체, 완화 강유전체 고분자 제조가 가능합니다[30]. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 유도체 쌍극자 배향으로 β-상 형성이 유도돼 유전율 증가, 결과적 마찰전기 성능 향상으로 이어집니다[37, 38]. 이온 분극은 외부 힘 하 양이온 음이온 상대 변위로 발생할 수 있습니다[30, 39]. 따라서 이온 성분 함유 고분자들은 이온 분극으로 정전용량 성능 향상에 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 하이드로겔 내 이온 성분(NaCl, LiCl 등)이 외부장 하 분극돼 전기 이중층 형성으로 마찰전기 성능 향상에 기여합니다[40,41,42,43]. 계면 분극은 유전체 복합체 계면에서 공간 전하 재배치로 유도됩니다[30, 31]. 따라서 반결정 고분자, 고분자 블렌드, 고-k 또는 전도성 나노필러 포함 나노복합체 등 모든 다성분 유전체 시스템에서 계면 분극 관찰 가능합니다. 최근 고-k 나노입자 포함 고분자 나노복합체가 순 유전율 향상으로 순 유전율 증가, 표면 전하 밀도 향상, 마찰전기 성능 향상에 활용되었습니다[23, 44, 45]. 다음 섹션들에서 유전율 증가를 통한 마찰전기 출력 성능 향상 사례들을 소개합니다.

고투자율 나노입자/고분자 복합체 계면 분극

고투자율 나노입자들은 고분자 나노복합체 유전율을 계면 분극으로 개선하는 데 활용됩니다. 무기물(예: 티탄산 바륨(BaTiO₃) 나노입자, 나노와이어)이나 전도성(금속 나노입자, 탄소 나노튜브, 그래핀) 나노소재들이 고분자 매트릭스에 널리 사용돼 순 유전율 증가에 기여합니다. 따라서 다양한 첨가제 포함 고분자 복합체들은 베이스 고분자보다 높은 유전율을 가져 마찰전기 성능 개선으로 이어집니다. 천 등[23]은 고-k 나노입자(SiO₂, TiO₂, BaTiO₃, SrTiO₃) 포함 스펀지형 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름을 제조해 마찰전기 성능 향상시켰습니다(그림 2a). SrTiO₃가 타 물질들보다 높은 투자율을 가져 SrTiO₃ 포함 PDMS가 더 높은 유전율을 보입니다. 이는 PDMS와 SrTiO₃ 입자 계면 공간 전하 분극 때문일 수도 있습니다. 주목할 점은 접촉 과정 중 ε_r/d_PDMS 증가로 정전용량 증가를 통해 마찰전기 출력 성능이 향상됩니다. 유전체 나노입자 외에도 Al-도핑 BaTiO₃, CaCu₃Ti₄O₁₂ 등 다양한 고투자율 소재들이 마찰전기 층에 적용돼 유전율 개선과 결과적 마찰전기 성능 향상으로 이어집니다(그림 2b)[44, 45]. 반면 전도성 소재 추가는 고분자 매트릭스 내 마이크로커패시터 구조 형성을 가능케 해 고분자 매트릭스와 첨가제 계면에서 공간 전하 축적을 유도합니다. 이 계면 분극은 고분자와 전도성 첨가제 간 전도도 큰 차이 때문에 발생합니다.

따라서 금속이나 탄소 기반 소재 포함 고분자 복합체들은 순수 고분자보다 높은 유전율을 가져 표면 전하 밀도 향상과 결과적 마찰전기 성능 향상으로 이어집니다(그림 3)[6, 46]. 고투자율 고분자 복합체들이 마찰전기 음성 소재로 널리 사용되지만, 출력 성능 개선에는 몇 가지 한계가 있습니다: (1) 고분자 매트릭스 내 첨가제 최적 비율이 존재해 과도 첨가제는 누설 전류[46, 48]나 마찰 표면적 감소[23, 49]로 출력 성능 감소를 초래합니다. (2) 첨가제들이 고분자 매트릭스 내 균일 분산돼야 계면 분극 개선이 가능합니다. 응집된 나노입자들은 고분자와 나노입자 계면적 감소로 계면 분극을 방해합니다.

다층 고분자 필름 계면 분극

무작위 상 나노입자/고분자 복합체에서 계면 분극 제어는 나노입자 양과 분산 정밀 제어가 필요해 어렵습니다[30]. 다층 유전체에서는 모든 계면이 전기장에 수직이어서 균일한 공간 전하 축적이 다층 계면에서 일어나 유전율 향상이 용이합니다. 다층 고분자 유전체들은 이종 고분자 층 간 계면 분극으로 유전율 향상을 위해 널리 연구되었습니다[50]. 계면 분극은 외부장 하 큰 투자율과 전기 전도도 차이를 가진 두 이종 소재 계면에서 공간 전하(전자, 이온) 축적 시 발생합니다[30]. 김 등[51]과 펑 등[52]은 상대 투자율 큰 차이 이중층 필름의 마찰전기 출력 성능 효과를 입증했습니다(그림 4a,b). 도체 층과 전극 사이 낮은 유전체 층 추가는 전하 포획 또는 저장을 유전체 필름에서 유도해 전하 밀도 증가로 이어집니다. 전하 축적은 PVDF와 절연 필름 간 투자율 또는 전도도 큰 차이로 이중층 필름 계면 분극 증가 때문일 수 있습니다. 반면 우리 그룹은 서로 다른 플루오린 단위와 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 절연층 이중층 필름 출력 성능 효과를 입증했습니다(그림 4c)[53]. 주목할 점은 측쇄에 3개 플루오린 단위 가진 플루오린화 고분자(폴리(2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트), PTF)가 낮은 유전율 PET 기판에 코팅돼 반결정 PTF와 PET 계면 분극 개선으로 유전율 증가, 결과적으로 PTF-PET가 다른 플루오린화 고분자 필름보다 높은 마찰전기 성능을 보였습니다. 위 결과들에 기반해 이종 유전체 다층 필름은 유연/웨어러블 소자 마찰전기 성능 향상 견고한 설계가 될 수 있습니다.

이온 고분자 겔 이온 분극

불순물 이온 제외 이온 성분 포함 고분자 매트릭스에서 이온 분극은 고분자 전해질과 전극 계면 전기 이중층(EDL) 형성을 촉진해 유전율 향상으로 이어집니다[30, 39, 54]. 분극은 슈퍼커패시터나 EDL 커패시터 등 커패시터, 배터리 같은 에너지 저장 소자에 자주 활용됩니다[55]. 헬름홀츠 방정식에 따라 정전용량은 C ≈ kε₀/λ로 표현되며, k, ε₀, λ는 각각 EDL 유효 유전율, 진공 투자율, 데바이 스크리닝 길이(또는 이중층 두께)입니다. 마찰전기 소자에서 대칭/비대칭 이온쌍, 이온 액체 등 이온 성분들이 고분자 소재에 자주 사용됩니다. 폴리비닐 알코올(PVA)은 고분자 골격 하이드록실기로 음성 마찰전기 소재이므로 다양한 이온쌍과 상호작용 가능합니다. 외부 전기장 인가 시 양이온 음이온 상대 변위로 이온 분극 발생해 마찰전기 층 계면 EDL 형성에 기여합니다. 류 등[43]은 대칭/비대칭 이온을 양성/음성 마찰전기 층으로 PVA 기반 고체 고분자 전해질(SPEs) 제조했습니다(그림 5a). 순수 PVA와 접촉 공정 후 다양한 이온 도핑 효과로 다른 표면 전위들이 체계적으로 측정되었습니다. 예를 들어 양이온 많은 인산(H₃PO₄) 또는 음이온 많은 염화칼슘(CaCl₂) 첨가 후 SPEs가 각각 음성/양성 마찰전기 소재가 되는데, 양이온/음전자가 추가 전자 하전/비점유 상태 생성 때문입니다. 실용적으로 PVA-붕사 용액 또는 폴리아크릴아마이드-염화리튬 이온 도체 생체역학 에너지 하베스팅과 촉각 센싱 응용에 적용돼 EDL 형성으로 마찰전기 성능 향상시킵니다(그림 5b)[41, 42, 56]. 유사하게 주 등[40]은 전기뱀장어 세포막 전해질 이온 채널 구조에서 영감받은 엘라스토머 에코플렉스와 염화나트륨(NaCl) 용액으로 바이오닉 스트레처블 나노발전기 제조했습니다. 흐르는 액체 마찰전기화와 분극 이온 정전 유도 효과 결합으로 수중 인체 동작에서 10 V 이상 개방회로 전압으로 기계 에너지 하베스팅합니다. 또한 이 등[56]은 이온 액체와 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌) 구성 이온 겔 유닛 연결 나노발전기 마찰전기 성능 조사했습니다(그림 5c). 분극 이온 큰 완화 시간으로 넓고 완만한 전압 프로파일 생성합니다. 이온 겔 기반 마찰전기 소자는 초신축성, 투명, 방수 웨어러블 소자 제작 가능하나, 이온 누출 방지 위해 엘라스토머 매트릭스로 캡슐화 필요합니다.

강유전체 PVDF 유도체 쌍극자 분극

쌍극자(배향) 분극은 고분자 사슬 상 구조 내 정렬된 쌍극자들로 쌍극자 모멘트 증가로 유전율 향상시키는 저유전손실 또 다른 전략입니다. 대표적 예가 PVDF와 유도체들입니다. 이 고분자들 단방향 β-상 형성으로 영구 쌍극자 모멘트를 가져 유전율 증가와 결과적 마찰전기 성능 향상 이끕니다. 천 등[37]은 PVDF-은 나노와이어(AgNW) 복합 나노섬유 기반 고성능 마찰전기 나노발전기 입증했습니다(그림 6a). PVDF 내 AgNW 도입으로 AgNW와 PVDF 분자 사슬 상호작용으로 β-상/α-상 비율 증가, 결과적 유전율 개선, PVDF-AgNW 유전체 층 전하 포획 가능케 합니다. 금속 소스 외에도 승 등[38]은 강유전체 공중합체 매트릭스(폴리(비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌), PVDF-TrFE)에 반도체 나노입자(BaTiO₃) 도입했습니다(그림 6b). 폴링 공정 후 마찰전기 성능이 일반 폴리테트라플루오로에틸렌 기반 마찰전기 나노발전기보다 150배 이상 향상되었습니다. 이종 고분자 복합체와 달리 우리 그룹은 최근 강유전체 다층 나노복합체 마찰전기 성능 효과 입증했습니다(그림 6c)[57]. 번갈아 적층된 PVDF-TrFE와 BaTiO₃ 층 다층 유전체 필름은 공중합체와 나노입자 층 간 계면 분극으로 순수 PVDF-TrFE 필름(13.9)이나 단일층 PVDF-TrFE/BaTiO₃ 나노복합체(15.9)보다 높은 유전율(17.1) 보입니다(다층 유전체 필름 섹션 설명 참조, 그림 4). 결과적으로 마찰전기 출력 성능이 단일층 필름들보다 증가합니다. 강유전체 고분자 나노복합체들 고강유전 분극으로 유전율 증가해 마찰전기 출력 성능 향상시키지만, 첨가제 페롤레이션 임계치로 출력 성능 증가 한계 있습니다.

다른 한편, 쌍극자 모멘트는 극성 단일 분자[58](-CN, -NO₂, -SO₂-)나 극성 고분자[59,60,61](폴리스티렌, 폴리(2-하이드록시에틸 메타크릴레이트), 폴리(도파민 메타크릴아마이드)) 도입으로 수정 가능하며, 이는 고분자 자유 부피 내 쌍극자 회전 허용해 유전율 개선 이끕니다. 쌍극자 분극은 최근 큰 쌍극자 모멘트 극성 기들을 고분자 측쇄에 부착해 마찰전기 소재 유전율 증가에 활용되었습니다[22]; 이 등[22]은 PVDF-접목 공중합체가 마찰전기 출력 성능을 현저히 증가시킴 입증했습니다(그림 7). 폴리(터트-부틸 아크릴레이트)(PtBA) 다양한 접목비로 PVDF 사슬 도입돼 PtBA π-결합과 극성 에스테르 기로 쌍극자 모멘트 강화, 유전율 개선, 결과적 마찰전기 출력 성능 향상. 접목 고분자 외에도 나노구조 도메인 가진 고분자 유전체들은 쌍극자 배향 분극성으로 유전율 증가시킵니다[62]. 고분자 기반 유전체 소재들 용액 공정 가능, 유연성 등 장점 가짐에도, 마찰전기 소자 활용 이런 분극 연구는 아직 몇 건만 보고되었습니다.

결론 및 전망

자가 구동 웨어러블 및 이식형 전자 소자들은 특히 사물인터넷(IoT) 기술 발전으로 필수적입니다. 마찰전기 효과가 일상생활 가장 빈번히 경험하는 현상 중 하나이므로, 마찰전기 소자는 다른 응용들과 결합된 자가 구동 웨어러블 소자 유망 에너지 하베스터입니다. IoT 산업 발전으로 전자 소자들은 소형화와 다기능성 필요해 고출력 성능 요구됩니다. 마찰전기 소자들이 결합 작동 모드 소자 구조들로 고출력 성능 개발되었으나[63,64,65], 다중 소자들 위해 출력 성능 추가 향상 필요합니다.

지금까지 연구는 마찰전기 쌍 소재 개발(보통 음성 마찰전기 소재)에 집중됐으며, 유전체 마찰 소재는 거의 조사되지 않았습니다. 유전체 소재들이 표면 전하 밀도와 유전율 관계로 마찰전기 성능 향상 잠재력 가짐에 따라, 다양한 분극 메커니즘 기반 마찰전기 소재 발명은 고출력 웨어러블 소자 개발 가능케 하며, 이는 다음과 같이 달성 가능합니다:

1. 1. 다양한 고-k 유전체 소재들이 구조적 인자 제어[66]나 화학적 도핑[67, 68]으로 합성돼 고분자 복합체 유전율 증가 후보들 다수 존재합니다. 게다가 유전체 나노소재 표면 변형으로 고분자 매트릭스 내 균일 분산[69, 70]과 유전체 구조 제어(예: 이종구조 다층 복합체[30, 31, 71, 72]나 정렬 전도성 소재 포함 유전체 복합체[73, 74])가 유전적 특성 증가 위해 연구되었습니다. 그러나 마찰전기 소자 출력 성능 향상 활용 접근법은 거의 없습니다. 첨가제 고분자 매트릭스 내 높은 호환성이나 정렬은 계면적 증가나 누설 전류 감소로 유전율 향상과 결과적 출력 성능 향상 이끕니다.

2. 2. 고분자 나노복합체 외에도 고분자 사슬 구조 변형으로 쌍극자 분극 통해 향상된 쌍극자 모멘트로 유전적 특성 강화 가능합니다. 지금까지 접목 극성 성분[58, 60]이나 나노구조 공학[61, 62, 75, 76]으로 고유전율 고분자 소재들 합성돼 쌍극자 분극으로 유전율 증가시켰습니다. 고분자 기반 유전체 소재들 유연성, 용액 공정 가능 등 물성으로 마찰전기 소재 좋은 후보이며, 차세대 웨어러블 응용 인쇄 가능 마찰전기 소자 개발 촉진합니다.

3. 3. 유전체 분극 외에도 강한 전기장 하 쌍극자 재배열 유도 전기 폴링 공정도 유전율 개선 다른 접근법으로, 결과적 마찰전기 성능 향상 가능케 합니다[77,78,79,80]. 최근 압전 발전기에서 전단 유도 공정으로 자가 폴링 방법들이 강유전체 특성 현저히 개선 적용되었으나[81], 출력 성능은 마찰전기 발전기보다 낮습니다. 유전체 분극과 자가 폴링 결합 메커니즘이 유전체 복합체에서 시너지 효과로 유전율 유의미 개선 이끌어 마찰전기 성능 현저 향상 가능케 합니다.

4. 4. 대부분 연구가 음성 마찰전기 소재에 집중됐습니다. 마찰전기 성능이 양성 음성 마찰전기 층 간 접촉 대전에서 발생하므로, 양성 마찰전기 소재도 출력 성능 향상 중요 인자입니다. 분극 유도 마찰전기 쌍 소재들은 출력이 현저히 향상된 마찰전기 소자 개발 촉진해, 스마트 웨어러블 기기, 휴대용 IoT 기기 등 고출력 전력 필요 실용 응용 원활히 합니다.