기계적 거동 방식에 따른 편직물 구조체의 마찰전기 특성

Abstract

The triboelectric nanogenerator (TENG) is a device that converts mechanical energy into electrical energy through friction charging and electrostatic induction due to contact between different materials. The fabric-based triboelectric generators are easier to manufacture and have advantages such as high flexibility, breathability, and washability. These features enhance the wearability of wearable devices. Knitted fabric is porous and provides excellent elasticity and flexibility. Therefore, when used in a triboelectric generator, it can achieve superior energy output performance compared to other existing materials. In order for a knitted fabric-based triboelectric generator to have excellent electrical properties, it is necessary to comprehensively consider the materials, fabric structures, working modes, and human motions. Therefore, in order to obtain high output values, triboelectric measurements and factor characteristic analysis under each condition are required, taking into account the friction surface structure of the fabric and the TENG structure. In this study, we fabricated a triboelectric generator based on knitted fabric and according to the working modes analyzed the knitting structures and the electrical characteristics of the triboelectric generator structures. Nylon 66 yarn and Polyester yarn were used as materials for charging the top and bottom layers of the knitted fabric-based triboelectric generator. The primary structures (Plain, Rib, and Purl) of weft-knitted fabric were selected as the knitting structures. The knitting structures were set using a computer design system, and the knitted fabric was produced using a knitting machine. As a triboelectric generator according working modes, the A-TENG structure with the top and bottom layers assembled condition, the CS-TENG structure with the top and bottom layers to contact-separation condition, and the S-TENG structure with the top and bottom layers to slide against each other were selected. The triboelectric properties according to the knitting structures and structural conditions of the knitted fabric-based TENG were analyzed in vertical contact-separation mode and lateral sliding mode. In addition, electrical characteristics were analyzed according to force, separation distance, and frequency in vertical contact-separation mode, and electrical characteristics were analyzed according to top and bottom layers working distance, sliding distance, and sliding speed in lateral sliding mode. The results were as follows: First, A-TENG showed the highest output voltage value in Plain and the largest effective contact area when working vertical contact-separation mode through a pressure measurement film. CS-TENG confirmed that the Purl showed the highest output voltage value, and that the greater the surface roughness, the better the electrical characteristics. Additionally, A-TENG had a relatively larger effective contact area than CS-TENG and exhibited higher electrical properties. S-TENG showed the best output voltage value in Plain in both the Course and Wale directions, which confirms that Course and Wale density affect the output voltage of S-TENG during the lateral sliding mode. Second, as the force condition of A-TENG increased, the effective contact area of the friction surface increased, and the output voltage also increased. As the separation distance between the top and bottom layers of A-TENG increased, more charges moved from one electrode to the other and the output voltage increased. As the frequency condition of A-TENG increased, the friction due to the vertical contact-separation mode increased under the same time conditions, thereby enhancing the electrical characteristics. Third, as the force condition increased, the effective contact area of the friction surface increased, and the output voltage of CS-TENG also increased. As the separation distance between the top and bottom layers of CS-TENG increased, the amount of charge transfer between the electrodes also increased, resulting in improved electrical characteristics. It was found that as the frequency condition of CS-TENG increased, the number of vertical contact-separation modes increased within the same time and the output voltage increases. Fourth, during the side sliding mode in the Course and Wale directions, the pressure applied to the knitted fabric of the S-TENG increased as the gap between the top and bottom layers narrowed through the top and bottom layers working distance conditions, and a complete contact state was reached. Accordingly, it was confirmed that the effective contact area was expanded and enhancing electrical characteristics were exhibited. In addition, as the sliding distance of S-TENG increased, the effective frictional contact area also increased, resulting in improved electrical characteristics. It was also determined that as the sliding speed increased, a high frequency of friction occurred for a certain period, thereby enhancing the electrical characteristics. In this study, a knitted fabric-based triboelectric generator consisting of A-TENG, CS-TENG, and S-TENG structures was manufactured, and the effects of the knitting structures and TENG structures by vertical contact-separation and lateral sliding modes were analyzed. This study is significant in that it analyzed the triboelectric characteristics between knitting structures and knitted fabric-based triboelectric generator structures according to working mode. This study suggests that it is expected to contribute to the efficient design of clothing-type wearable triboelectric generators.|마찰전기 나노발전기(TENG)는 물질 간 접촉에 의한 마찰 대전과 정전기 유도를 통해 기계 에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 장치이다. 직물 기반의 마찰전기 발전소자는 제작이 용이하며 높은 유연성, 통기성, 세탁 가능성 등의 장점이 있어 웨어러블 기기의 착용성을 향상시킬 수 있다. 편직물은 다공성을 가지며 뛰어난 신축성과 유연성을 제공하므로 마찰전기 발전소자에 적용 시, 기존의 다른 조직 대비 우수한 에너지 출력 성능을 구현할 수 있다. 편직물 기반 마찰전기 발전소자가 우수한 전기적 특성을 갖기 위해서는 재료, 직물 구조, 거동 방식, 그리고 사람의 동작 특성 등을 종합적으로 고려해야 한다. 따라서 높은 출력값을 얻기 위해 마찰되는 직물의 표면 조직과 TENG 구조를 고려하여 마찰전기 측정 및 각 조건에서의 인자 특성 분석이 요구된다. 본 연구에서는 편직물을 기반으로 마찰전기 발전소자를 제작하여 거동에 따른 편직 조직과 마찰전기 발전소자 구조체의 전기적 특성을 분석하였다. 편직물 기반 마찰전기 발전소자의 상, 하판 대전 소재로 Nylon 66 원사와 Polyester 원사를 사용하였다. 위편직물의 3원 조직(Plain, Rib, Purl)을 편직 조직으로 선정하여 제작하였다. 거동에 따른 마찰전기 발전소자로 상, 하판 적층 조건의 A-TENG와 상, 하판 접촉-분리 조건의 CS-TENG, 그리고 측면 슬라이딩 조건의 S-TENG 구조체를 선정하였다. 수직 접촉-분리 거동 및 측면 슬라이딩 거동에서 편직 조직과 편직물 기반 TENG의 구조 조건에 따른 마찰전기 특성을 분석하였다. 결과는 다음과 같다. 첫째, A-TENG은 Plain 조직이 가장 우수한 출력 전압 값을 나타내며, 압력 측정 필름으로 수직 접촉-분리 거동 시, 가장 넓은 유효 접촉 면적을 나타내는 것을 확인하였다. CS-TENG은 Purl 조직이 가장 우수한 출력 전압 값을 나타내며, 높은 표면 거칠기를 가질수록 전기적 특성이 높게 나타남을 확인하였다. 또한 A-TENG은 CS-TENG보다 상대적으로 높은 유효 접촉 면적을 가지며, 높은 전기적 특성을 나타냈다. S-TENG은 Course 와 Wale 방향에서 모두 Plain 조직이 가장 우수한 출력 전압 값을 나타내며, 이는 측면 슬라이딩 거동 시, Course와 Wale 밀도가 S-TENG의 출력 전압에 영향을 미침을 확인하였다. 둘째, A-TENG은 힘 조건이 증가함에 따라 마찰 면의 유효 접촉 면적이 증가하여 출력 전압이 상승하는 것을 확인하였다. 상, 하판 이동 거리가 증가함에 따라 수직 접촉-분리 거동 시, 한 전극에서 다른 전극으로 더 많은 전하가 이동하게 되어 출력 전압이 상승하는 것을 확인하였다. 주기가 증가함에 따라 동일한 시간 조건에서 수직 접촉-분리 거동에 의한 마찰이 증가하여 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 셋째, CS-TENG은 힘 조건이 증가함에 따라 유효 접촉 면적이 증가하여 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 상, 하판 이동 거리가 증가함에 따라 전극 간의 전하 이동량이 늘어나며 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 주기가 증가함에 따라 동일 시간 내, 수직 접촉-분리 거동 횟수가 증가하며 출력 전압이 높아지는 것을 확인하였다. 넷째, Course와 Wale 방향의 측면 슬라이딩 거동 시, S-TENG은 상, 하판 간격 조건의 결과로 상판과 하판 간격이 좁혀질수록 완전한 접촉 상태에 도달함에 따라 유효 접촉 면적이 확대되어 높은 전기적 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 슬라이딩 거리가 증가함에 따라 마찰되는 유효 접촉 면적이 증가하여 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 슬라이딩 이동 속도가 증가함에 따라 일정 시간 동안 높은 빈도의 마찰이 발생하여 전기적 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 위편직물의 3원 조직과 A-TENG, CS-TENG, S-TENG 구조체로 이루어진 편직물 기반 마찰전기 발전소자를 제작하여, 수직 접촉-분리 및 측면 슬라이딩 거동에 따른 전기적 특성에 대해 알아보았다. 본 연구는 편직물을 활용하여 거동에 따라 편직 조직 및 편직물 기반 마찰전기 발전소자 구조체 간의 마찰전기 특성을 분석했다는 것에 의의가 있으며 의복형 웨어러블 마찰전기 발전소자의 효율적인 설계에 기초연구로 도움이 되고자 한다.