사람의 땀 감지를 위한 전분 종이 기반 마찰전기 나노발전기

결과 및 토론

S-TENG의 작동 메커니즘은 그림 2c에 개략적으로 나와 있습니다. 제안된 장치는 사람의 손과 녹말 종이 사이의 결합 효과를 기반으로 합니다. 손과 종이 사이에 물리적 접촉이 있을 때 종이는 표면에 음전하를 띠고 손은 양전하를 띠게 됩니다. 더욱이, 일단 손이 해방되면 손과 대전지 사이의 겹침 면적이 줄어들고 종이 위의 전하가 손에 있는 전하와 더 이상 완전히 균형을 이루지 못합니다. 전분 표면의 불안정한 음전하는 종이의 뒷면 전극에서 땅으로 전자가 흐르도록 합니다. 그럼에도 불구하고 손이 다시 종이에 접근하면 후면 전극에 유도된 양전하가 불안정해져서 전자가 땅으로 흐릅니다.

아 전분지의 전극면 주위에 수막이 형성되기 시작합니다. b 물 네트워크가 형성됨, c S-TENG의 작동 메커니즘

결과는 S-TENG의 작동 상태가 전분 종이에 흡수된 수증기의 양에 따라 두 가지 작동 패턴으로 분리될 수 있음을 나타냅니다. 그림 2cII와 같은 상태를 예로 들어 전하 이동의 개념을 설명합니다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 작업패턴 1은 초기에 종이의 전극면 주위에 수막이 형성된다. 그럼에도 불구하고 전하는 여전히 불규칙한 수막에 부분적으로 갇혀 있어 캐리어의 이동을 방해하는 잠재적 장벽을 형성합니다. 그러나 작업 패턴 2에서는 물 네트워크가 생성되고(그림 2b) 전분지를 포함하는 전극 측의 전자 저항이 크게 감소합니다.

제작된 S-TENG의 사진은 그림 3a에 나와 있습니다. 적응형 저항기를 외부 부하로 사용했으며, 수증기의 다른 분사 시간에 대해 오실로스코프를 사용하여 저항기의 전자 신호를 측정했습니다. 그림 3b는 첫 번째 분무 후 S-TENG의 전자 성능을 보여줍니다. 그림과 같이 부하 저항이 증가하면(100MΩ에서 100MΩ으로) 수집된 출력 전압이 일정하게 증가합니다. 그러나 최대 출력 전력은 15MΩ의 부하 저항에서 도달하므로 제작된 TENG의 내부 저항은 ~ 15MΩ입니다. 부하 저항이 100MΩ일 때의 출력 전압(즉, 11.2V)은 부하 저항이 내부 저항의 근사치보다 훨씬 크기 때문에 개방 회로 전압으로 근사화됩니다. 그런 다음 제작된 종이 TENG의 작동 안정성을 결정했습니다. 그림 4와 같이 수직하중 시험 시 제작된 소자의 출력전압(부하저항:100MΩ)이 약간만 감소한다.

아 사진 및 b 가공된 S-TENG의 전자 출력

제작된 S-TENG의 수직력 시험. 출력 전압은 100MΩ의 부하 저항에서 약간만 감소합니다.

전분지는 물분사 전과 1차, 3차, 5차, 7차 살포 후에 각각 19MΩ, 6.1MΩ, 1.5MΩ, 140KΩ, 130KΩ의 면저항을 나타내었다. S-TENG의 해당 전자 활동은 그림 5와 같이 비교됩니다. 출력 전압(100MΩ의 순응 부하 적용)은 분무 시간이 0-3(작업 패턴 1) 증가함에 따라 증가하고 분무 시 포화됩니다. 3차 분무(작업 패턴 2)보다 1배 이상 증가합니다. 예를 들어 사람의 땀과 같은 수성 액체의 감지는 전자 전압과 수증기 양 사이의 상관 관계로 인해 보장됩니다. 이 상관 관계는 S-TENG의 내부 저항 변화를 통해 특성화될 수 있습니다. S-TENG의 내부 저항 감소는 수증기의 사용에 의해 촉진됩니다. 물의 도입은 전분지의 전자 저항 용량을 감소시키기 때문입니다. 이러한 감소는 표면과 종이 내부에 물 전도성 경로가 형성되기 때문입니다. 또한, 이 영향은 종이의 전극면(작업 패턴 1) 주위에 물 막이 형성되기 시작할 때 특히 분명해집니다. 또한, 물을 분사하기 전에 발생하는 전자 출력은 주로 곡물 세포의 결합수에서 비롯됩니다(캐리어에 대한 약한 전자 전도 결과).

물 분사 단계 수에 따른 출력 전압 의존성

제안된 S-TENG은 사람의 땀 감지에 사용되었습니다. 그림 6a와 같이 S-TENG은 신체 움직임의 다른 지속 시간 후에 인간 팔꿈치에 연결됩니다. 그 후, 인간 피부의 노출된 층을 마른 수건으로 닦고 팔꿈치 움직임이 이어집니다(그림 6, 수집된 전자 출력은 그림 6c에 표시됨). 관찰된 경향은 전자 출력(적합 부하:100MΩ)과 인간의 움직임 지속 시간 간의 상관 관계의 관점에서 그림 5에 표시된 것과 유사합니다. 결과는 제안된 S-TENG가 사람의 땀을 감지하고 사람의 움직임 시간을 모니터링하는 데 사용할 수 있음을 나타냅니다.

아 , b 인간 팔꿈치 운동 에너지를 수확하기 위한 작업 패턴, c 전자 출력(해당 부하 100MΩ 적용) 대 사람의 움직임 시간

전분지의 처분성 속성은 그림 7과 같이 용해 활성을 평가하여 결정되었습니다. 이 결정 동안 종이는 다양한 시간 동안 그림 7a와 같이 사람의 손에 의해 부드러운 진동하에 수돗물에 침지되었습니다. (그림 7b–e 참조). 전분 종이는 4분 이내에 완전히 분해되어 제안된 S-TENG이 완전히 분해될 수 있음을 나타냅니다.

아 전분지를 물에 담그어 수행한 분해성 테스트, b 즉시 및 b 후 1, ㄷ 2, d 3 및 e 4분