Energy devices

Self-powered tactile sensor

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11 (16), pp 15088–15096

 의수/의족 등의 인공 보철이나 로봇 등에 적용하기 위해 인체의 피부를 모방한 전자 피부는 유연성, 신축성, 자가 치유 등의 특성을 가지는 동시에 감각세포를 모사한 센서 기능들을 갖는 전자기기로 정의된다.

 전자피부는 센서, 구성 회로, 디스플레이, 전력 공급원으로 구성되는데 기존의 연구들은 주로 센서를 연구하는데 화학적, 생물학적 특성을 측정하는 경우도 있지만 피부의 주기능인 기계적인 힘과 온도 변화의 측정이 주로 연구한다.

 특히 여러 종류의 센서들은 외부 동력원을 필요로 하여 규칙적인 교체 또는 재충전을 필요로 한다는 단점이 있다.

 본 연구에서는 온도나 압력 등의 외부 자극을 느끼는 전자 피부를 위하여 단일 전극 마찰 발전기 기반의 웨어러블 자가 동력 센서를 개발하고자 한다.

 마찰 발전기가 터치에 의해 전력을 생산하고 여러 센서들에 사용되는 전기신호 변환 메커니즘을 이용하여 압력, 변형, 온도, 습도 등의 주변 환경에서의 여러 자극을 동시에 인지하는 전자 피부를 제작하고자 한다.

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Wearable piezoelectric nanogenerator
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Mater. Res . Express 6 (2019) 086311

Nano Energy, 79, 2021, 105445

Energy storage system
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RSC Adv., 2020, 10, 22102-22111

 유연한 전자 기기의 활용 분야가 넓어짐에 따라 device의 flexibility의 중요성이 커지면서 이러한 device를 구동시키는 power source도 flexible 특성이 필요해지고 있다. LMI에서는 기존의 리튬 이온 배터리의 단점을 보완하는 새로운 energy storage system에 대한 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구 중 하나는 thin film 형태의 flexible supercapacitor이다. Flexible supercapacitor는 전자기기의 무게를 줄여주며 형태의 제약이 없게 만들어 주기 때문에 주목받고 있는 에너지 저장 장치 중 하나이다. Supercapacitor를 유연하게 제작하기 위해서 본 연구실에서는 용액 공정을 개발하였다. 개발된 용액 공정으로 기판의 제한 없이 다양한 두께의 supercpacitor를 제작할 수 있다. 아래의 그림 중 에너지 저장 장치의 에너지 밀도를 비교하는데 사용하는 Ragone plot을 보면, 별모양으로 표시된 부분이 연구실에서 제작한 supercapacitor을 성능이며 power density, energy density 둘 다 높은 수준을 보이고 있다.

Self charging system (integration of piezoelectric nanogenerator and energy storage)
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 웨어러블 전자기기는 헬스케어 모니터링, 사물인터넷 등 다양한 곳에  활용되며 큰 관심을 받고 있다. 잦은 배터리 교체 및 주기적인 충전은 웨어러블 전자기기의 활용에 문제점이 되고 있고 주위환경에서 에너지를 얻는 energy harvesting을 통해 이 문제를 해결하고자 한다. 기존의 energy harveseter와 energy storage system을 연결해기 위해서는 정류기 장치 필수적인데 이는 통합된 전자기기의  크기를 커지게 하고 에너지 소모가 발생하는 등 웨어러블 전자기기에의 적용에 한계가 있다. LMI에서는 energy harvester 중 하나인 piezoelectric nanogenerator를 활용하여 몸의 움직임에 따라 기계적 에너지를 harvesting 하고, 이를 바로 energy storage system에 저장하여 전자기기에 에너지를 공급해줄 수 있는 자가충전형 시스템에 대한 연구를 진행하고 있다. Piezoelectric nanogenerator를 energy storage syste의 내부에 위치시켜 single unit으로 통합시켜서 그 활용도를 높이고자 한다. 몸이 나타내는 다양한 기계적 변형에 반응하여 기계적 에너지를 energy storage system에 바로 화학적 에너지로 저장시키는 시스템 구현은 전자기기의 portability와 사용지속성을 향상시킬 것이라 기대되고 있다.