[논문 리뷰] Direct-Current Generator Based on Dynamic Water-Semiconductor Junction with Polarized Water as Moving Dielectric Medium

Yanghua Lu, Yanfei Yan외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 67인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 동적 수분-반도체 접합을 기반으로 하는 직류 발전기를 제안하며, 여기서 극성 수분이 두 반도체 사이를 움직이는 유전체 매질로 작용한다. 기계적 힘과 실리콘에서의 페르미 준위 차이에 의해 유도되는 수분 분자의 지속적인 극성화와 탈극성화를 통해 지속 가능한 0.3 V 전압과 0.64 µA 전류를 생성하며, 착용형 전자기기에 잠재적인 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

There is a rising prospective in harvesting energy from water droplets, as microscale energy is required for the distributed sensors in the interconnected human society. However, achieving a sustainable direct-current generating device from water flow is rarely reported, and the quantum polarization principle of the water molecular remains uncovered. Herein, we propose a dynamic water-semiconductor junction with moving water sandwiched between two semiconductors as a moving dielectric medium, which outputs a sustainable direct-current voltage of 0.3 V and current of 0.64 uA with low internal resistance of 390 kilohm. The sustainable direct-current electricity is originating from the dynamic water polarization process in water-semiconductor junction, in which water molecules are continuously polarized and depolarized driven by the mechanical force and Fermi level difference, during the movement of the water on silicon. We further demonstrated an encapsulated portable power-generating device with simple structure and continuous direct-current voltage, which exhibits its promising potential application in the field of wearable electronic generators.

연구 동기 및 목표

• 물방울을 재생 가능한 에너지 원으로 사용하여 지속 가능한 직류 에너지 발전기를 개발하는 것.
• 수분 분자의 극성화가 연속적인 DC 출력을 생성하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 착용형 전자기기용 단순하고 봉인된 이동식 전원 장치를 구현하는 것.
• 수분-반도체 인터페이스에서 수분 분자의 양자적 극성화 메커니즘을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 물이 두 반도체 전극 사이를 흐르게 하여 동적 수분-반도체 접합을 형성한다.
• 극성 수분 분자는 기계적 힘과 페르미 준위 기울기 아래에서 계속 재정렬되는 움직이는 유전체 매질로 기능한다.
• 장치는 물 흐름에서 유도된 기계적 에너지와 반도체 인터페이스에서의 전자 이동 간의 상호작용을 이용한다.
• 효율적인 전류 출력을 위해 낮은 내부 저항(390 kΩ)을 유지한다.
• 이동성과 환경 안정성을 확보하기 위해 구조를 봉인한다.
• 운동 중 수분 분자의 지속적인 극성화와 탈극성화에 의해 지속적인 DC 전압이 생성되는 메커니즘에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유기 반도체 접합을 사용하여 흐르는 물방울에서 지속 가능한 직류 출력을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 수분 분자의 극성화는 수분-반도체 인터페이스에서 연속적인 직류 전기를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 반도체 간의 페르미 준위 차이가 극성화에 의해 유도된 전하 분리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 단순하고 봉인된 장치가 착용형 전자기기용으로 안정적인 직류 출력을 생성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 동적 접합에서 수분 분자의 기본적인 양자적 극성화 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 장치는 안정적인 직류 전압 0.3 V와 전류 출력 0.64 µA를 생성한다.
• 장치의 내부 저항은 390 kΩ로 측정되어 효율적인 전하 이동을 나타낸다.
• 유속 중 수분 분자의 지속적인 극성화와 탈극성화로 인해 시간이 지남에 따라 연속적인 DC 출력이 유지된다.
• 물의 운동에 기인한 기계적 힘과 반도체 인터페이스의 페르미 준위 기울기로 인해 메커니즘이 구동된다.
• 봉인된 프로토타입은 안정된 성능을 보이며, 이동식 및 착용형 전자기기 응용 가능성을 확인한다.
• 이 연구는 반도체 접합에서의 동적 수분 극성화를 포함하는 이전에 보고되지 않은 메커니즘을 밝혀내어 지속 가능한 DC 생성을 가능하게 한다.