구조에 따른 마찰전기 발전소자의 종류

마찰전기 나노발전소자는 세 가지의 기본 작동방법이 있다.

① 수직 접촉-분리 모드(Vertical contact-separation mode)

② 측면 슬라이딩 모드(Lateral sliding mode)

③ 단일 전극 모드(Single-electrode mode)

각각의 모드는 서로 다른 특성을 가지며 각 모드에 대한 메커니즘과 활용목적에 대해 세부적으로 설명하고자 한다.

3.1 수직 접촉-분리 모드(vertical contact-separation mode)

마찰전기 나노발전기의 메커니즘은 두 접촉면이 계속되는 접촉과 분리로 인해 표면에 생긴 마찰전기 전하가 전위의 차이를 만들고, 균형을 맞추고자 주기적으 로 전자가 이동하는 것으로 설명할 수 있다. 소자에 기계적인 힘이 가해져 위쪽 기판이 구부리거나 눌려지면서 두 기판의 안쪽 표면이 가까워지면서 접촉하게 되면 대전열에 의해 한쪽은 (+)로 다른 한쪽은 (-)로 대전된다. 여기까지는 기존 의 마찰전기 효과와 같다. 그 후, 상반된 극성을 가진 마찰전기 전하에 의해 두 기판 사이에서 전계가 생성되고 외부 힘이 줄어들어 접촉면이 분리되기 시작하 면 위쪽과 아래쪽의 전위차가 발생하게 된다. 자연적으로 전기적 평형상태를 이 루고자 외부 부하를 통해 전자가 한쪽 전극에서 반대편 전극으로 이동하게 된다.

여기서, 전기는 전위차가 균형을 이룰 때까지 전자가 이동하는 과정에 의해 만들 어진다. 이어서 두 기판이 외부 힘에 의해 다시 접촉하려고 하면 아까와는 반대 방향으로 전위차를 없애고자 전자가 흐르게 된다. 이 과정이 계속 반복되면 결과 적으로 교류(AC) 전기가 연속적으로 발생하게 된다[12-13].

Figure 5. Vertical contact-separation mode of triboelectric nanogenerator

3.2 측면 슬라이딩 모드(Lateral sliding mode)

기본적으로 발전소자는 접촉하거나 슬라이딩하는 두 가지 마찰 방법이 있는데, 여기서는 같은 평면에 대해서 횡 방향으로 움직이는 구조로 제작된 TENG에 대 해 설명하고자 한다[14]. Figure 6을 보면 동일한 양의 마찰전하를 가진 두 기판 이 횡축으로 이동하는 모습을 과정별로 나타내었다. 처음상태는 위에서 설명한 것과 같이 두 가지의 중합체 물질이 완전히 포개진 모습으로 마찰대전이 된 상 태이다. 중합체 물질은 절연체로서 한번 대전된 이후에는 상태를 계속 유지하는 데 이 때문에 중합체의 접촉면에는 동일한 양의 마찰전하가 유지되고 그 뒷면에 부착된 전극에서만 전하량이 바뀌게 된다. 그 후 한쪽 면이 옆으로 이동하게 되 면서 완전히 포개진 상태에서 일부만 겹쳐진 상태가 된다. 겹치지 않는 부분이 생기면서 전기적으로 불균형상태가 되는데 이를 균형상태로 바꾸고자 불균형 상 태가 된 만큼의 전자가 위쪽 전극에서 아래 전극으로 이동하면서 전기가 발생하 게 된다. 완전히 두 접촉면이 떨어지게 되면 각 기판은 동일한 양의 (+)전하와 (-)전하를 가지게 된다. 다시 위쪽 기판이 이동해서 일부만 겹치게 되면 겹쳐서 중화된 양만큼의 전자가 반대방향으로 이동하면서 전기적 균형을 맞추고자 한다.

모든 과정은 대칭적인 모습을 가지고 있으며 이 때문에 교류(AC)전기를 발생하 게 된다.

측면 슬라이딩 모드는 한 방향에 대한 두 평면의 슬라이딩 마찰[15]과 더불어 회전운동에도 적용할 수 있다[16].

Figure 6. Lateral sliding mode of triboelectric nanogenerator

3.3 단일 전극 모드(Single-electrode mode)

단일 전극 기반의 마찰전기 나노발전기는 손가락으로 구동할 수 있게 디자인되

나온다. 두 번의 평형상태를 이룰 때 까지 반대방향으로 동일한 양의 전하가 이 동하게 되면서 AC출력이 발생하며, 여기까지가 TENG의 접촉 분리모드 메커니 즘의 전체 사이클이다.

Figure 7. Single-electrode mode of triboelectric nanogenerator