제 5 장 Triboelectric 에너지 하베스팅 기존의 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인하여, 전 세계적으로 지속 가능한 친환 경 에너지의 확보가 중요한 문제로 떠오르고 있으며, 미래 산업 발전에 큰 영향을 끼칠 것으로 보고 있다. 한편 이런 문제의 해결책으로, 우리의 주변 환경에 존재하는 빛, 열, 기계적 (바람, 파도, 음파, 미세진동 등), 전자기, 화학, 그리고 바이오 등과 같은 다양한 형태의 에너지원에서 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅이 떠오르고 있다. 특히 이 중 에서도 마찰전기 현상을 활용한 ‘Triboelectric 에너지 하베스팅’이 최근 들어 큰 주목을 받고 있다. Triboelectric 에너지 하베스팅은 주변에서 흔히 볼 수 있는 마찰· 정전기 현상 을 에너지원으로 삼아 전기 에너지를 수확하는 개념의 차세대 친환경 에너지 발전 소자 로, 필요한 전원을 배터리나 외부 전원 없이 반영구적으로 공급할 수 있는 자가 충전 (self-powering)이 가능한 웨어러블 전자기기나 센서 네트워크, 생체 이식형 소자 등을 구 동할 수 있는 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다. 1. Triboelectric effect 정전기는 일반적으로 서로 다른 물질의 접촉면에서 발생하게 되며, 고체 상호 간에서뿐 만 아니라 고체와 액체 간, 액체 상호 간, 액체와 기체 간에서도 발생한다. 정전기 현상 의 발견에 대한 기록은 고대 그리스의 철학자 탈레스가 호박을 양피에 마찰해 정전기를 발생시킨 것이 시초였으며, 이러한 정전기 현상은 고분자 물질을 많이 취급하는 우리 생 활 주변에서 빈번히 발생 될 뿐만 아니라 자연 현상에서도 많이 볼 수 있는데 그 대표적 인 예는 구름에 의한 번개 낙뢰현상 이다. 하지만 이러한 정전기 현상은 실상 생활이나 산업 현장에서 장애적인 요소로 여겨 이를 억제하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 정 전기가 일어날 때 대전물체 주위에는 정전계가 형성하게 되고 이 정전계의 강도는 물체 의 대전량에 비례하지만 이것이 점점 커지게 되어 결국, 공기의 절연 파괴 강도 (약 30 KV/cm)에 도달하게 되면 공기의 절연 파괴 현상, 즉 방전이 일어나게 되는 것이다. 따라 서 이 방전현상에 의한 결과로 가연성 물질이 연소되어 일어나는 현상이 폭발, 화재 이 고 또 다른 자연재해로는 전격이 있다. 우리가 흔히 정전기라고 느끼는 것은 대전된 인체에서 도체로 또는 대전물체에서 인체로
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제 5 장 Triboelectric 에너지 하베스팅 · 2015-08-21 · 제 5 장 Triboelectric 에너지 하베스팅. 기존의 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인하여,
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제 5 장 Triboelectric 에너지 하베스팅
기존의 화석 연료의 고갈과 환경 오염 문제로 인하여, 전 세계적으로 지속 가능한 친환
경 에너지의 확보가 중요한 문제로 떠오르고 있으며, 미래 산업 발전에 큰 영향을 끼칠
것으로 보고 있다. 한편 이런 문제의 해결책으로, 우리의 주변 환경에 존재하는 빛, 열,
기계적 (바람, 파도, 음파, 미세진동 등), 전자기, 화학, 그리고 바이오 등과 같은 다양한
형태의 에너지원에서 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅이 떠오르고 있다. 특히 이 중
에서도 마찰전기 현상을 활용한 ‘Triboelectric 에너지 하베스팅’이 최근 들어 큰 주목을
받고 있다. Triboelectric 에너지 하베스팅은 주변에서 흔히 볼 수 있는 마찰· 정전기 현상
을 에너지원으로 삼아 전기 에너지를 수확하는 개념의 차세대 친환경 에너지 발전 소자
로, 필요한 전원을 배터리나 외부 전원 없이 반영구적으로 공급할 수 있는 자가 충전
(self-powering)이 가능한 웨어러블 전자기기나 센서 네트워크, 생체 이식형 소자 등을 구
동할 수 있는 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.
1. Triboelectric effect
정전기는 일반적으로 서로 다른 물질의 접촉면에서 발생하게 되며, 고체 상호 간에서뿐
만 아니라 고체와 액체 간, 액체 상호 간, 액체와 기체 간에서도 발생한다. 정전기 현상
의 발견에 대한 기록은 고대 그리스의 철학자 탈레스가 호박을 양피에 마찰해 정전기를
발생시킨 것이 시초였으며, 이러한 정전기 현상은 고분자 물질을 많이 취급하는 우리 생
활 주변에서 빈번히 발생 될 뿐만 아니라 자연 현상에서도 많이 볼 수 있는데 그 대표적
인 예는 구름에 의한 번개 낙뢰현상 이다. 하지만 이러한 정전기 현상은 실상 생활이나
산업 현장에서 장애적인 요소로 여겨 이를 억제하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다. 정
전기가 일어날 때 대전물체 주위에는 정전계가 형성하게 되고 이 정전계의 강도는 물체
의 대전량에 비례하지만 이것이 점점 커지게 되어 결국, 공기의 절연 파괴 강도 (약 30
KV/cm)에 도달하게 되면 공기의 절연 파괴 현상, 즉 방전이 일어나게 되는 것이다. 따라
서 이 방전현상에 의한 결과로 가연성 물질이 연소되어 일어나는 현상이 폭발, 화재 이
고 또 다른 자연재해로는 전격이 있다.
우리가 흔히 정전기라고 느끼는 것은 대전된 인체에서 도체로 또는 대전물체에서 인체로
방전되는 현상에 의해 인체 내로 전류가 흘러 나타나는 현상이다. 이와 같은 이유로 인
해 triboelectric으로 발생된 전하는 지금까지는 부정적인 효과를 나타낸다는 과학적 연구
나 기술적인 응용분야에서 언급되어왔다. 그러나, 2012년 조지아 공대의 Zhong Lin
Wang 그룹에서는 triboelectric의 특성을 이용하여 효과적인 방법으로 소자를 제작하여
triboelectric으로 발생한 전하를 이용한 triboelectric nanogenerator를 보고 하였다.