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Oct 05, 2023

마이크로를 이용한 압력 구동 전기 에너지 발전기

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16827(2022) 이 기사 인용

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우리는 물을 사용하고 다공성 채널이 있는 유리 필터를 특징으로 하는 압력 구동 에너지 수확 장치를 시연했습니다. 우리는 붕규산 유리 입자 분말을 탄소 몰드에 넣은 다음 압력 하에서 700°C에서 열 융합하여 유리 필터(직경 2cm, 두께 3mm)를 제작하기 위해 분말 소결을 사용했습니다. 정유량 실험에서 발전용 필터의 최적 평균 기공 반경은 12μm였다. 이 필터를 사용하여 50mm/s의 유속에서 3.8mW(27V, 0.14mA, 0.021% 에너지 효율)의 전력이 생성되었습니다. 정압 실험에서 발전기에는 60kg의 무게(830kPa)와 50mL의 물을 갖춘 발압 장치가 장착되었습니다. 본 실험에서 발전을 위한 최적의 평균 기공 반경은 12μm였으며, 1.7초 동안 4.8mW(18V, 0.26mA, 0.017% 에너지 효율)의 전력이 생성되었습니다. 이는 직접 LED 조명에 충분한 전력이었고 커패시터는 팬을 회전시키고 무선 통신기를 작동하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있었습니다. 우리의 압력 구동 장치는 걷기와 같은 인간의 특정 생리적 기능과 같은 느린 움직임에서 에너지를 수확하는 데 적합합니다.

에너지 하베스팅은 미래 사물인터넷(IoT) 사회1에서 여러 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 유망 기술입니다. 빛, 열, 기계적 에너지는 일반적으로 에너지 수확에 사용됩니다. 그 중 진동과 진동의 기계적 운동으로부터 전기에너지를 얻는 기계적 에너지 하베스팅(mechanical Energy Harvesting)은 누구에게나 매우 친숙하며 많은 양의 에너지를 얻을 수 있다2,3. 예를 들어 전자기 유도 장치4,5,6, 압전(전기 기계 재료) 장치7,8,9,10,11 및 정전기 장치12,13,14가 개발되어 사용되었습니다. 그러나 소형화된 전자기 유도 장치는 일반적으로 효율이 낮아 바람직하지 않다. 압전소자나 정전소자는 소형화가 가능하지만, 진동주파수가 작은 경우(10Hz 이하) 변환효율이 떨어진다. 따라서 이러한 장치가 인간의 규칙적이고 느린 생리학적 동작(예: 걷기)을 완전히 활용하는 것은 어렵습니다.

본 논문에서는 순수한 물과 표면에 대전된 고체(유리 필터) 사이의 상호 작용에 의해 압력 구동 전기 에너지 생성 장치에서 발생하는 현상에 중점을 둡니다. 자세한 원리는 아래에 설명되어 있습니다. 이 접근 방식은 장치에 물이 존재하는 한 에너지 생성이 계속되므로 작은 주파수 진동에 유용합니다. 유리 코팅 실리콘15, 금속-탄소 복합재16 또는 셀룰로오스17를 사용하는 이 원리를 기반으로 한 발전 장치에 대한 일부 보고가 있습니다. 그러나 이러한 재료는 취약성으로 인해 높은 압력을 가하기가 어렵고, 따라서 생성할 수 있는 힘도 그리 높지 않습니다.

반면 유리는 단단하고 견고하며 높은 압력을 가할 수 있습니다. 하향식 마이크로 또는 나노 제조 방법으로 만든 유리 채널을 사용하여 수압 구동 발전에 대한 보고가 있었습니다. 그러나 이러한 발전 장치는 일반적으로 채널당 생성되는 전류가 매우 작기 때문에(피코암페어 수준) 에너지 하베스팅에 충분히 강력하지 않습니다.

우리는 장치 제조 공정의 조사 및 최적화를 기반으로 기공 채널 수를 늘리기 위해 다공성 유리를 사용했습니다. 이전에는 다공성 유리가 발전에 사용되었지만22 다공성 유리 필터의 제조가 발전에 최적화되지 않았기 때문에 전력이 여전히 낮습니다. 다양한 종류의 유리 기반 미세유체 장치를 제작하는 수많은 기술이 존재합니다. 이러한 개념과 기술을 바탕으로 본 연구의 목적은 기공 크기가 발전 성능에 미치는 영향을 조사하고, 실험자의 발 힘을 전달하는 다공성 유리 필터와 족압 장치로 구성된 실제 에너지 수확 장치를 개발하는 것이었습니다. 실제 에너지 수확을 시연하기 위해 발전기를 누르는 모습입니다.