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3차원 허니콤 직물의 압력에 의한 표면 구조 변형에 따른 마찰전기 특성 분석

Title
3차원 허니콤 직물의 압력에 의한 표면 구조 변형에 따른 마찰전기 특성 분석
Other Titles
Analysis of triboelectric properties under the surface structure deformation by the pressure of 3-dimensional honeycomb fabrics
Author
한세리
Alternative Author(s)
Seri Han
Advisor(s)
배지현
Issue Date
2023. 2
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
Triboelectricity is generated by the movement of electrons in a state where two different materials’ surfaces are electrically charged through the mechanical movement of contact and separation. This technology is drawing much attention in various fields since it is applicable to devices that can self-generate power by harvesting and converting energy dumped in daily life into usable energy. Factors affecting the triboelectric output are the electrification properties, the friction surface shape, and the structural design according to the material. A fabric-based triboelectric generator is flexible and can easily control a specific surface area by changing the surface shape according to the fabric structure. In this regard, research has been conducted to improve and analyze the triboelectric properties by changing the specific surface area of the fabric structure through three-dimensional embroidery or by sewing on the fabric to fabricate a wrinkled fiber-based triboelectric generator and increasing the specific surface area of the fabric structure. However, studies on fabric texture and triboelectric traits are limited to the basic fabric structure, but studies lack on how the surface irregularities of the three-dimensional fabric structure affect the triboelectric properties. By applying the honeycomb weave, a major three-dimensional fabric structure, the study analyzed the effect of pressure-dependent surface irregularities on triboelectric properties. A total of 11 samples were produced by using PTFE (Polytetrafluoroethylene) soft-twisted filament yarn as a negatively charged material, this study fabricated five types of honeycomb fabrics in total according to one unit size, including control plain weave. In addition, using Nylon 6.6 spun yarn as a positively charged material and using three types of plain weave with different densities and foundation weave(2/2 twill weave, 3/1 twill weave, and satin weave). A total of 11 samples were produced. Next, this study analyzed the correlation between the sample’s structural characteristics and used it for triboelectric property analysis. Triboelectric signals were measured in a vertical contact-separation mode by attaching a conductive fabric as an electrode to the bottom of the fabricated PTFE fabric and Nylon fabric. After conducting experiments according to the applied pressure and Nylon fabric structure, the triboelectric properties according to the contact area between the fabrics were analyzed. Finally, to analyze the electrical properties according to the contact position and area of the honeycomb fabric, this study analyzed the electrical properties of the triboelectric generator through a single-electrode mode using Aluminum as a charging material. The experimental results were as follows. First, as the pressure increased, the surface of the three-dimensional honeycomb fabric was deformed, increasing the specific surface area and improving the electrical properties. The more irregularities on the fabric surface, the greater the increase in output voltage. Second, the analysis results of the electrical properties of PTFE plain weave and honeycomb fabrics, according to the nylon plain weave density, demonstrated that the electrical properties were high in the order of high-density plain weave > average density plain weave > low-density plain weave. Next, in the PTFE plain weave according to Nylon fabric structure, the electrical properties were high in the order of satin weave > 3/1 twill weave > 2/2 twill weave > plain weave, but in combination with PTFE honeycomb fabric, they were high in the order of plain weave > 2/2 twill > 3/1 twill > satin fabric. Third, using the single electrode mode structure, this study confirmed the followings: the output voltage differed by the float position according to the unit area movement within the honeycomb fabric; the higher the output when more the floats were arranged continuously in the center and when the continuous float was the weft float; and that the electrical properties were improved as the contact area increased. This study fabricated a three-dimensional textile-based triboelectric generator and confirmed that the surface structure of the honeycomb fabric was deformed by pressure, affecting the triboelectric properties. This study is significant in that it analyzed the textile-based triboelectric properties of the basic texture and three-dimensional structure from a fabric structure, which is expected to be used as sensors in various ways in clothing and home textiles using three-dimensional honeycomb fabrics.| 마찰전기는 서로 다른 두 물질이 접촉과 분리의 기계적인 운동을 통해 표면이 대전된 상태에서 전자의 이동으로 발생하는 현상을 말한다. 이는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수확하고 사용 가능한 에너지로 변환하여 자가발전이 가능한 디바이스에 적용될 수 있어 다양한 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 출력에 영향을 미치는 요소는 크게 소재에 따른 대전특성, 마찰 표면의 형태, 구조적 설계가 해당되며 직물 기반의 마찰전기 발생 장치는 유연하고 직물의 구조에 따라 표면의 형태를 변형시켜 비표면적을 제어하는 것이 용이하다. 관련 연구로 입체 자수를 통해 직물구조의 비표면적을 변화시키거나 직물에 봉제를 하여 주름진 구조의 섬유기반 마찰전기 발생장치를 제작하여 직물 구조의 비표면적을 늘려 전기적 특성을 향상시키고 이를 분석하는 연구가 진행되었다. 하지만 직물 조직과 마찰전기 특성과 관련된 연구는 직물의 기본조직에 국한되어 있으며, 3차원 직물 구조의 표면 요철이 마찰전기 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 대표적인 3차원 직물구조인 허니콤 직물(honeycomb weave)을 적용하여 압력에 따라 변화하는 표면의 요철특성이 마찰전기 특성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 음전하 대전체로는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 약연사 필라멘트사를 이용하여 대조군 평직을 포함한 완전조직 크기에 따른 허니콤 직물 총 5종을 제작하였다. 양전하 대전 소재로는 Nylon 6.6 방적사를 사용하여 밀도가 다른 평직 3종 및 삼원조직(2/2능직, 3/1능직, 수자직)을 제작하여 총 11개의 시료를 제작하였다. 시료의 구조적 특성간의 상관관계를 분석하고 이에 따른 마찰전기 특성 분석에 활용하였다. 제작한 PTFE 직물과 Nylon 직물의 하부에 전극으로 전도성 원단을 부착하여 수직 접촉 분리 모드(vertical contact-separation mode)에서 마찰전기 신호를 측정하였다. 인가된 압력 및 Nylon 직물 구조에 따른 실험을 진행한 후 직물 간 접촉면적에 따른 전기적 특성을 분석하였다. 또한 허니콤 직물의 접촉위치 및 면적 따른 전기적 특성을 분석하기 위해서 대전물질로 Aluminum을 사용하여 단일 전극 모드(single-electrode mode)를 통해 마찰전기 발생 장치의 전기적 특성을 분석하였다. 실험 결과는 다음과 같다. 첫째, 압력이 증가할수록 3차원 허니콤 직물의 표면이 변형되어 비표면적이 늘어나 전기적 특성이 향상되었으며 표면에 요철이 많은 직물일수록 출력전압 증가폭이 크게 나타났다. 둘째, Nylon 평직 밀도에 따른 PTFE 평직 및 허니콤 직물과 전기적 특성 분석결과 고밀도 평직 > 평균밀도 평직 > 저밀도 평직 순으로 전기적 특성이 높게 나타났다. Nylon 직물 조직에 따른 PTFE 평직에서 수자직 > 3/1능직 > 2/2능직 > 평직 순으로 전기적 특성이 높게 나타났지만, PTFE 허니콤 직물과의 조합에서는 평직 > 2/2능직 > 3/1능직 > 수자직 순으로 전기적 특성이 높게 나타났다. 셋째, 단일 전극 모드 구조를 활용하여 허니콤 직물 내 단위면적 이동에 따라 플로트 위치에 따라 출력전압이 다르게 나타나는 것을 확인하였으며 중앙에 플로트가 연속적으로 배열될수록, 연속적인 플로트가 위사 플로트일 때 더 높은 출력이 나타났다. 또한 접촉면적 증가에 따라 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 3차원 구조의 직물기반 마찰전기 발생장치를 제작하여 허니콤 직물이 압력에 의해 표면 구조가 변형하여 마찰전기 특성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 본 연구는 기본조직 및 3차원 구조의 직물기반 마찰전기 특성을 직물 구조적인 측면에서 분석했다는 것에 의의가 있으며 3차원 허니콤 직물을 활용한 의류와 홈 텍스타일 분야에서 다양한 방식의 센서로 활용될 것으로 기대한다.
URI
http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000653151https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/179774
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > CLOTHING & TEXTILES(의류학과) > Theses (Master)
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