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[싱가포르] 전기 에너지를 만드는 기계적 진동
현대 전자 장비의 크기를 축소하고, 전력 소비를 줄이는 것은 자연에 친환경적이면서 지속 가능한 에너지 처리 과정 개발에 있어서 매우 중요하다. 예를 들어, 진동 에너지 수확기(Vibration harvesters)는 바람의 흐름이나 교통 소음, 그리고 발소리 등과 같은 일상생활의 기계적 교란으로부터 작은 양의 전기를 생성한다. 현재, 싱가포르 A*STAR 재료 연구 및 공학 연구소의 과학자들이 에너지 출력에서 백 배 향상을 기대하는 경량 폴리머 진동 수확기를 만드는 방법을 개발했다. 이들의 연구 결과는 마이크로센서나 휴대 장비에서의 수동 전지 충전을 없애는데 많은 도움을 줄 것이다.
많은 진동 수확기는 기계적으로 구부러질 때, 전기 전압을 생성하는 압전 물질을 포함하고 있다. 압전 소재를 다이빙 보드와 비슷한 캔틸레버(cantilevers)에 제조함으로써, 이들 장비들은 환경적 떨림을 이용하여, 전기를 생성할 수 있다. 연구진은 때때로 압전 세라믹을 사용하기도 한다. 왜냐하면, 그것들은 많은 양의 전하를 전달하지 않기 때문이다. 그러나 세라믹의 취약성은 이들을 장기적이고, 큰 진동 운동에 적합하지 않게 한다.
Yao와 그의 동료는 비용이 싸면서도, 기계적 변형에 쉽게 견디는 플라스틱 기반의 압전 소재인 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 연구하기 시작했다. PVDF를 이용한 효율적인 진동 수확기를 만들기 위하여, 연구진은 여러 층으로 폴리머를 적층함으로써, 출력 전류를 향상시키고, 압전 소재에 내재하는 전기적 임피던스를 감소시켜야만 했다. 그러나 너무 낳은 압적 박막층을 쌓게 되면, 이 캔틸레버는 너무나 뻣뻣해져서, 굽힘 모드(bending-mode) 진동 수확기에는 적합하지 않게 된다.
플라스틱 막을 이용한 이 압전 수확기를 최적화하기 위하여, 연구진은 분석적인 접근 방법을 적용하기로 결정했다. 금속 전극을 입힌 다층 폴리머 캔틸레버의 수학적 모델을 개발함으로써, 연구진은 다양한 소재의 매개 변수가 어떻게 에너지 출력에 영향을 미치는지를 체계적으로 계산하였다. 이들 연구진의 시뮬레이션은 전극 코팅의 두께와 재료의 전기적 매개 변수와 같이 종종 무시되어오곤 했던 요인들을 드러내 주었다고 Yao는 말한다. “이것들은 다층 폴리머를 구부림으로써 생성되는 전기에 매우 극적인 효과를 줄 수 있다”고 그는 말했다. 확인된 한 가지 중요한 매개 변수는 최적의 부하 저항과 전기적 임피던스를 일치할 필요가 있다는 것이다. 연구진의 분석은 22층의 압전 구조에서 나오는 에너지 출력이 같은 크기의 단일층 압전 폴리머보다 5에서 400배까지 더 높다는 것을 보여주었다.
연구진은 PVDF 기반의 진동 수확기를 유연한 알루미큠 기판에 제조함으로써, 그들의 분석 결과의 가능성을 시험했다. 그들은 다층 폴리머를 구축하기 위하여, 확장 가능한 딥-코팅(dip-coating) 처리 과정을 사용하였으며, 물리적 기상 증착(vapor deposition) 기술을 이용한 얇은 금속 전극 코팅을 개발하였다. “우리의 실험 결과는 매우 유망하며, 많은 실제적 응용에 잠재력이 있음을 보여주었다. 압전 다층 폴리머는 전지를 대체할 수 있는 에너지로서의 가능성을 확인했다”고 Yao가 말했다.
[출처 : KISTI 미리안『녹색기술정보포털』/ 2014년 4월 16일]
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Flexible plastics that turn mechanical vibrations into electrical energy
The shrinking dimensions and decreased power consumption of modern electronic gadgets have created opportunities for energy harvesting processes that tap into free, green energy from the environment. Vibration harvesters, for example, produce small amounts of electricity from everyday mechanical disturbances such as wind currents, traffic noise or footsteps.
Now, Kui Yao and co-workers from the A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore have discovered a way to give lightweight polymer vibration harvesters a hundredfold boost in energy output—a finding that may help to eliminate manual battery recharging in microsensors and mobile devices.
Many vibration harvesters contain piezoelectric substances that create an electric voltage when mechanically bent. By fabricating piezoelectric materials into cantilevers that resemble a diving board, these devices can oscillate from ambient vibrations and generate electricity. Researchers often use piezoelectric ceramics because they impart large amounts of electrical charges; however, the brittleness of ceramics makes them unsuitable for prolonged and large vibrational movements. Yao and co-workers investigated a plastic-based piezoelectric material, polyvinylidene fluoride (PVDF), which is low cost and readily undergoes mechanical strain. To make efficient vibration harvesters from PVDF, researchers must stack the polymer in multiple layers, improving the output current and reducing the electrical impedance that is inherent to piezoelectric materials. But when too many thin piezoelectric layers are stacked, the cantilever can become too stiff for bending-mode vibrational harvesting. To optimize piezoelectric harvesting with plastic films, the team deployed an analytical approach. Developing a mathematical model of a multilayered polymer cantilever coated with metal electrodes, the researchers systematically calculated how different material parameters affected the energy output.
Their simulations revealed some often-ignored factors "such as the thinness of electrode coatings and the material's electrical parameters," says Yao. "These can have a dramatic effect on the electricity generated by bending multilayer polymers."
One key parameter identified was the need to match the electrical impedance with an optimum load resistance. The researchers' analysis showed that the energy output of a 22-layered piezoelectric structure could be from 5 to 400 times higher than a single-layer piezoelectric polymer of similar dimensions.
The team then tested the feasibility of their analytical results by fabricating a PVDF-based vibrational harvester on a flexible aluminum substrate. They used scalable dip-coating procedures to build up polymer multilayers and ensured thin metal electrode coatings with physical vapor deposition techniques.
"Our experimental results are promising and show that, for many practical applications, piezoelectric polymer multilayers may enable harvested energy to replace batteries," notes Yao.
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