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전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유 및 BaTiO₃ 나노입자 기반 투명 초박형 압전 나노발전기
김기용(Kiyong Kim),최대규(Daekyu Choi),안성필(Seongpil An) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.06
본 연구에서 압전 성능이 우수한 강유전체 BaTiO₃ 가 내재된 전기방사 기반 poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) [P(VDF-TrF)] 나노섬유와 니켈도금 마이크로섬유를 활용하여 고민감성 투명 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator, PENG)를 개발하였다. 특히, 이들 섬유 구조물을 polydimethylsiloxane (PDMS) 내부에 형성하여, 높은 투과도를 지닌 PENG 개발이 가능하였다. 섬유 매트 제조 시에 전기방사 시간을 조절하여 PENG의 투과도를 85% 이상으로 높일 수 있었으며, 더불어 나노섬유 매트의 독특한 구조로 인해 높은 기계적 성능도 보일 수 있었다. PENG 성능 테스트에서 매우 낮은 외부 압력에서도 최대 출력 전압 3V를 달성할 수 있었고, 이는 향후 PENG 뿐만 아니라 고민감성 압전 센서로도 유용하게 활용이 가능할 것이라 예상된다. Highly-sensitive and transparent piezoelectric nanogenerator (PENG) is developed by employing the BaTiO<sub>3</sub> nanoparticle-embedded poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] nanofiber mat and nickel-electroplated microfiber mat via electrospinning and electroplating methods. Then, the ceramic-polymer nanofiber mat and metal microfiber mat are embedded in polydimethylsiloxane (PDMS), which facilitates the fabrication of highly-transparent PENG. It exhibits the high optical transmittance over 85% in the visible light range, which can be achieved by adjusting the electrospinning time of the fiber mats. In addition, the fiber matrix enables one to achieve decent mechanical properties of the resulting PENG. The output voltage of PENG is 3 V even at the extremely-low external pressure, thus is expected to be utilized as not only PENG, but also highly-sensitive piezoelectric sensor.