마찰전기 에너지 하베스팅 성능 향상을 위한 PDMS/Cu₂O 복합체의 합성 공정 조건 및 함량 조절
Tailoring Cu₂O filler contents in PDMS matrix for enhanced triboelectric energy harvesting
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초록
본 연구에서는 마찰 에너지 변환 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)의 출력 성능 향상을 위하여 Cu₂O 필러가 도입된 폴리디메틸실록산-Cu₂O 복합체를 제작하고, 합성 조건 및 함량 변화에 따른 구조적·전기적 특성을 체계적으로 분석하였다. Cu₂O는 알칼리 조건에서 전구체의 수산화 반응 및 아스코르빈산 환원 반응을 거쳐 합성되었으며, 합성 온도 변화에 따라 입자의 크기 및 입도 분포가 조절되었다. XRD 및 SEM 분석 결과, 합성 온도 증가와 함께 입도 분포가 균일해지는 경향이 확인되었으며, 이를 PDMS 매트릭스에 적용하여 복합체를 제조하였다. 출력 특성 평가 결과, 순수 PDMS 기반 소자는 평균 119V의 전압과 28.69mA/m²의 전류 밀도를 나타낸 반면, Cu₂O 7 wt% 첨가 시 전압은 410V, 전류 밀도는 44.76mA/m²로 각각 약 3.4배 및 1.6배 향상되었다. 유전율 측정 결과, Cu₂O 첨가에 따라 유효 유전율이 상승하였으며, 이는 전하 저장 능력 증대에 직접적으로 기여하였다.
Abstract
In this study, polydimethylsiloxane (PDMS)-Cu₂O composites were fabricated to enhance the triboelectric performance of triboelectric nanogenerators (TENGs), and the effects of synthesis conditions and filler content were systematically investigated. Cu₂O nanoparticles were synthesized through an alkaline precipitation followed by ascorbic acid reduction, and their crystallinity and microstructure were tailored by controlling the synthesis temperature. XRD and SEM analyses revealed that higher synthesis temperatures promoted more uniform particle size distribution. When incorporated into the PDMS matrix, the Cu₂O fillers significantly improved the output performance of the TENG devices. The pristine PDMS-based TENG exhibited a voltage of 119 V and a current density of 28.69 mA/m², whereas the composite with 7 wt% Cu₂O achieved 410 V and 44.76 mA/m², corresponding to approximately 3.4- and 1.6-fold enhancements, respectively. Dielectric measurements confirmed that the effective permittivity of the composites increased with Cu2O loading, directly contributing to enhanced charge storage capability. Moreover, the well-dispersed Cu₂O particles generated micro-scale surface roughness, which enlarged the effective contact area, while interfacial charge trapping at the Cu2O-PDMS boundary contributed to reduced charge recombination and improved output stability.