경희대학교 교육혁신사업단

Liquid metal sponge triboelectric energy harvesting and self-powered sensor

전자공학과 조*우

 전자공학과 박*현

우주공학과 양*영

   환경오염으로 친환경적이고 지속가능한 에너지원에 관해 관심이 높아지고 있다. 또한 IoT 기술과 인공지능의 발전으로 다양한 센서가 활용됨으로써 배터리 기술 또한 주목받고 있다. 우리는 배터리 없이 에너지를 주변에서 수확하는 에너지 하베스팅 중에서도 Triboelectric nanogenerator (TENG) 기술을 사용하였다. TENG는 두 물질 사이의 마찰로 생기는 전위차를 사용하여 전력을 생산하는 기술이다.

   기존 TENG들이 한 방향의 힘에 대해서만 작동하는 것을 개선하고 필름 형태보다 더 높은 출력을 생산하기 위해 스펀지 형태의 TENG를 제작하였다. 다공성 스펀지는 액체 실리콘인 Ecoflex-0030을 설탕 입자와 혼합하여 굳히고 설탕을 녹여내어 간단히 제작하였고, <사진 1>에 작동원리와 함께 도식화하여 나타냈다. 이렇게 제작된 스펀지는 접거나 비틀거나 늘리는 것에 훌륭한 복원성을 띈다.

<사진 1>

   순수한 실리콘 스펀지 구조를 사용한 TENG보다 출력을 높이기 위해 액체 금속인 Galinstan을 스펀지에 삽입하여 출력을 높였다. 제작한 Liquid metal sponge TENG (LMS TENG)는 15,000회 작동에도 안정적인 출력, 원하는 모양을 쉽게 제작 가능하며 다양한 방향의 압력으로부터 안정적인 전기적 출력을 생산한다. 이는 <그림 2>에 나타냈다.

<사진 2>

   이렇게 외부 압력에 대해 선형적인 전압이 출력되는 특성을 실생활에 적용하여 배터리가 필요 없는 Force 센서로 사용 가능하며, 스펀지를 소형화하여 터치패드로도 활용할 수 있다. 또한 <사진 3>에서와 같이 공의 회전 방향을 외부 전력 없이 검출할 수 있는 센서로 활용할 수 있다.