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초록·키워드
마찰대전 나노 발전기(TENG)의 상용화를 위해서는 출력 성능의 극대화가 필수적이며, 이를 위해 마찰 소재의 유전율 증가와 물리적 표면적 확장이 주요 전략으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 강유전성 PVDF층과 이산화티탄(TiO₂) 나노입자가 도입된 다공성 PDMS 복합체 층으로 사용하여 출력 성능을 최적화한 TENG을 제안한다. 고압 증기 에칭 공정을 통해 PDMS 내부에 균일한 미세 다공성 구조를 형성하여 유효 마찰 면적을 획기적으로 넓혔으며, TiO₂의 첨가는 유전율을 증가시킬 것으로 예상된다. 실험 결과, TiO₂ 농도가 0.9 wt%인 다공성 조건에서 유전율 및 표면적 증가로 시너지 효과가 극대화되어 최대 39.57 V의 출력 전압과 10 ㏁ 부하 저항에서 대략 0.1 W/m²의 최대 전력 밀도를 달성하였다. 반면, TiO₂가 5.0 wt%로 과도하게 첨가되었을 때 나노입자의 강한 응집이 증기의 물리적 침투를 방해하여 다공성 구조가 붕괴하였으며, 유전율 상승에도 불구하고 출력은 오히려 24 V로 급감하였다. 이는 TENG의 전기적 출력 성능에 있어 소재의 유전율 증가보다 물리적 유효 접촉 면적의 확보가 더욱 지배적인 요인임을 시사한다. 본 연구의 결과는 제안된 소자가 향후 웨어러블 전자기기 및 무선 센서 네트워크를 위한 지속 가능한 자가 발전 시스템으로서 높은 잠재력을 입증하였다. 이를 바탕으로 향후 연구에서는 TENG 소자의 추가적인 최적화 및 다양한 응용 환경에서의 성능 검증을 통해 기술적 완성도를 높이는 데 초점을 맞출 계획이다.
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