[논문 리뷰] Electrokinetic Energy Harvesting using Paper and Pencil

Sankha Shuvra Das, Shantimoy Kar외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 03.

Electrowetting and Microfluidic TechnologiesEngineering참고 문헌 47인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 여과지와 연필로 그린 전극을 사용한 저비용이고 내구성이 뛰어난 전기동력 에너지 수확 장치를 제시한다. 미세유체 채널 내에서 세포소수성 네트워크와 전기동력 유량을 활용함으로써, 단일 채널 모드에서는 최대 640 pW, 20채널 배열에서는 64 nW의 전력을 달성하여 자원이 제한된 환경에서 현장 진단을 위한 지속 가능한 전력 공급을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We exploit the combinatorial advantage of electrokinetics and tortutosity of cellulose-based paper network on a laboratory grade filter paper for the development of a simple, inexpensive, yet extremely robust (shows constant performance till 12 days) paper-and-pencil-based device for energy harvesting application. We successfully achieve to harvest maximum output power of 640 pW in single channel, while the same is significantly improved (by about 100 times) with the use of multichannel microfluidic array (maximum up to 20 channels). We envisage that such ultra-low cost devices may turn out to be extremely useful in energizing analytical microdevices in resource limited settings, for instance for extreme point of care diagnostics applications.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한된 환경에 적합한 초저비용이고 내구성이 뛰어난 에너지 수확 장치를 개발하기 위해.
• 셀룰로오스 기반 여과지의 고유한 전기동력 성질을 활용하여 지속 가능한 전력 생성을 실현하기 위해.
• 연필로 그린 전극의 미세유체 배열을 통해 확장 가능한 성능을 입증하기 위해.
• 환경의 유체 흐름을 이용해 분석용 미세유체 장치의 자가 공급 전원 운영을 가능하게 하기 위해.
• 장기간(최대 12일)에 걸쳐 높은 안정성과 일관된 성능을 유지할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 전기동력 효과를 향상시키기 위해 다공성이고 꼬임이 있는 매질로 실험실용 여과지를 활용하기 위해.
• 직접 종이 표면에 연필로 그린 그래핀 전극을 사용해 미세유체 채널을 형성하기 위해.
• 유체 흐름을 전기적 에너지로 변환하기 위해 전기동력 현상(제타 포텐셜 구동의 유량 전류)을 활용하기 위해.
• 출력 전력을 늘리기 위해 단일 채널 및 다중 채널 미세유체 배열을 설계하기 위해.
• 압력 구동 흐름을 통해 유량 전류를 생성하기 위해 정제수를 작동 유체로 사용하기 위해.
• 외부 부하를 통해 출력 전압과 전류를 측정하여 수확된 전력의 양을 정량화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 종이와 연필 기반 장치가 전기동력 효과를 통해 사용 가능한 전기적 전력을 생성할 수 있는가?
• RQ2 장치의 미세유체 채널 수가 늘어날수록 전력 출력은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장기간에 걸쳐 에너지 수확 성능이 얼마나 안정적인가?
• RQ4 이 시스템은 자원이 제한된 환경에서 저전력 분석용 미세유체 장치를 신뢰성 있게 구동할 수 있는가?
• RQ5 셀룰로오스 네트워크의 꼬임 정도가 전기동력 에너지 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 유량 조건에서 단일 채널 장치는 최대 640 pW의 출력 전력을 달성하였다.
• 20채널 배열의 다중 채널 배열은 최대 출력 전력을 64 nW로 높였으며, 이는 약 100배 향상된 결과이다.
• 12일 연속으로 일관된 성능을 보이며 높은 내구성과 안정성을 입증하였다.
• 여과지에 연필로 그린 그래핀 전극을 사용함으로써 단순하고 저비용이며 확장 가능한 제작 공정을 실현하였다.
• 셀룰로오스 네트워크의 고유한 꼬임 구조가 전기동력 효과를 강화하여 에너지 변환 효율을 향상시켰다.
• 이 시스템은 현장 진단 적용 분야에서 저전력 미세유체 분석 장치를 구동하는 데 적합하다.