Development of Piezoelectric and Triboelectric Nanogenerator for Self-powered Device Applications

Abstract

기술의 급격한 성장과 나노기술의 영향으로 인해 소자의 크기는 몰라보게 줄어들었으며 구동 전력 또한 감소하게 되었다. 심도깊은 연구를 통해 다목적으로 활용할 수 있는 기능성 재료와 소자들이 개발되었다. 하지만, 모든 소자들은 외부 구동전원이 있어야 작동하기 때문에 모든 조건에서 사용할 수 없다는 문제가 생기게 된다. 짧은 수명 시간과 큰 크기를 가진 에너지 저장소자 때문에 축소화된 소자에 집약될 수 없기 때문에 에너지 저장 장치를 없애거나 환경에서 에너지를 수확하는 것이 필요해졌다. 자가발전 구동을 하기 위해서, 나노발전소자과 같은 에너지하베스터가 위와 같은 소자에 구성되었다. 에너지하베스터는 주변환경에서 에너지를 수확하여 별도의 전원 없이 전자기기를 구동시킨다. 이 학위논문에서는 ZnO 마이크로/나노와이어를 유연 기판 위에 증발전달방식을 통해 단면 또는 양면에 일렬로 정렬하거나 ZnO nanowall을 저온열수 방법과 같은 물리적 방법을 통해 합성하였다. 성장시킨 ZnO마이크로와이어와 나노와이어 배열은 나노발전소자를 제작하는 데 사용되었다. 가장 처음에는, 마찰과 압전효과가 같이 공존하는 소자구조를 제작하여 출력 성능을 향상시켰다. 두 번째로는, 넓은 크기의 소자에서 출력 값을 향상시키기 위해서 PVDF를 혼합한 나노발전소자를 개발하였다. 여기서 PVDF는 압전효과를 추가적으로 발생시키면서 또한 ZnO 필름을 만드는 역할을 한다. PVDF 배열에 ZnO가 존재하여 혼합한 필름에 자가편광 하였다. 더불어, 산화그래핀-ZnO를 바탕으로한 혼합 나노발전소자를 실험하였다.. 마지막으로, 실험을 통해 발광다이오드(LED)와 액정디스플레이(LCD)와 같은 전자소자를 나노발전소자로 구동시켜 그 가능성을 확인하였다. 더불어 ZnO마이크로와이어 pH센서와 ZnO나노와이어 포토센서를 나노발전소자와 결합시켜 자가발전소자의 활용을 확인하였다. 이 논문에서는 자가발전 소자로서 나노발전소자를 사용하였고 환경모니터링을 위한 바이오센서 또는 스마트, 웨어러블, 진동 센서에 확장하여 미래에 실현 가능할 수 있음을 확인하였다.

The rapid technical growth and the influence of nanotechnology in the device fabrication incredibly reduced the device dimension as well as the operating power. The intensive research has been carried out to develop a new functional materials and devices with multipurpose applications. However, all the fabricated devices are operated by external power sources, which is not favor for all conditions. Due to large size and short life time of the energy storage device, compare to active devices which hinders their integration in miniaturized device. It is highly required to operate without energy storage device (or) harvest the required energy from the environment. To obtain the self-powered operation, energy harvester such as nanogenerator has been integrated with those active devices. The energy harvester harvests the energy from environment and power up the electronic devices without any external power. This thesis provides the solid background about the synthesis of ZnO micro/nanowires through physical method such as vapor transport method and vertically aligned nanowire array on one side and double sides of the flexible substrate and as well as ZnO nanowall through low temperature hydrothermal process. The grown ZnO microwire and nanowire array was used to fabricate the nanogenerator device. At first time, we demonstrated the coexistence of tribo and piezoelectric effect in the same device architecture, which improved the output performance. Secondly, to improve the output performance and extent to large area device, we have investigated composite based nanogenerator using PVDF, in which PVDF provides the additional piezoelectric output as well as to make ZnO film. The presences of ZnO in PVDF matrix self-polarize the composite film. Further, we have examined the reduced graphene oxide-ZnO based composite nanogenerator. Finally, we have showed the capability of the nanogenerator by powering commercial electronic devices such as light emitting diodes (LEDs), liquid crystal displays (LCDs). Further, we have investigated self-powered device application by integrating the nanosensors such as ZnO microwire pH, ZnO nanowire photosensors with nanogenerators. This thesis demonstrates the feasibility of using a nanogenerator as a self-powered device that can be extended for use as a biosensor for environmental monitoring and/or as a smart, wearable, vibration sensor in future applications.