인간의 움직임 에너지 수확 및 자가 구동 생체 역학 추적을 위한 신축성이 뛰어난 전체 고무 기반 스레드 모양의 웨어러블 전자 장치

결과 및 토론

SATT는 2개의 이중 나선 전체 고무 기반 스레드로 구성됩니다. 하나는 실리콘 고무 매트릭스에 균일하게 분산된 은 코팅 유리 미소구체를 사용하는 SCT이고, 다른 하나는 실리콘 고무 코팅 SCT를 사용하는 SSCT입니다. SATT의 자세한 제작 과정은 그림 1a에 나와 있습니다. 은 코팅된 유리 미소구체(75wt%)를 혼합 공정을 통해 초탄성 실리콘 고무에 혼합한 후 스크류 압출기를 통해 압출 및 가황하여 전도성 복합 스레드를 달성했습니다(그림 1a I). 그런 다음 5개의 신축성 있는 전도성 실을 선택하여 SCT 전극으로 함께 감아 사용하고 실의 끝을 묶어 후속 제조 중에 풀림을 방지했습니다(그림 1a(II)). 전자를 얻는 강력한 능력을 고려하여 기계적 특성이 우수한 실리콘 고무를 전극을 감싸는 포장재로 신중하게 선택했습니다. 즉, SSCT를 준비하여 다른 마찰전사로 간주하였다(Fig. 1a(III)). 마지막으로, SCT와 SSCT는 이중 나선 구조를 가진 신축성, 내마모성, 저가의 전체 고무 기반 스레드 모양 TENG를 형성하기 위해 서로 얽혀 있습니다(그림 1a(IV)). SSCT의 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지가 그림 1b에 나와 있습니다. 5개의 전도성 실을 실리콘 고무로 촘촘하게 코팅하여 내부 전도성 실에서 발생하는 더 많은 유도 전하를 겨냥한 일체형 구조를 구현한 것이 분명합니다. 그림 1c, d에서 볼 수 있듯이 직경이 다른 은으로 코팅된 유리 미소구체는 실리콘 고무에 밀접하게 내장되어 있어 고무 매트릭스에서 3차원 전도성 네트워크 구조로 나타날 수 있습니다. 결과적으로, SCT는 탁월한 전도성과 현저한 신축성을 갖는다. 균질한 유기 매트릭스의 우수한 호환성을 추가로 입증하기 위해 SCT와 코팅된 실리콘 고무 사이의 연결 위치에서 확대된 SEM 이미지가 그림 1e, f에 나와 있습니다. 확실히 전도성 실과 코팅된 실리콘 고무 사이에 틈이 없어 잘 설계된 일체형 구조로 구현되어 있습니다. 그림 1g는 이중 나선 에너지 소거 실을 사용한 결과 SATT를 표시하고 그림 1g의 아래쪽 이미지는 SATT의 신축성을 보여줍니다. 결과는 스레드 모양의 TENG가 최대 ≈ 100%까지 신장될 수 있음을 나타내며, 이는 스레드 기반 TENG에 대한 이전 보고서[26,27,28]보다 압도적으로 우수합니다.

아 SATT 장치의 제조 공정에 대한 개략도. ㄴ –d 다른 배율에서 SSCT 단면도의 SEM 이미지. 이 , f 다른 배율에서 SCT와 코팅된 실리콘 고무 사이의 연결 위치의 SEM 이미지. 지 ≈ 100% 변형률로 늘어나는 시연과 함께 준비된 SATT 사진.

복잡한 이중 나선 구조로 제작되었음에도 불구하고 SATT는 에지 효과를 고려하지 않고 병렬로 연결된 많은 수의 커패시터로 근사할 수 있습니다. 따라서 SATT의 작동 메커니즘은 스트레칭-해제 주기에서 SCT와 SSCT 사이의 일반적인 접촉 분리 프로세스로 단순화될 수 있습니다. 접촉 대전과 정전기 유도의 결합 효과를 기반으로 한 SATT의 발전 메커니즘은 그림 2a에 나와 있습니다. 원래 상태에서 실리콘 고무의 표면은 음전하를 띠고 접촉 대전으로 인해 전극에 각각 등가 양전하가 발생합니다. SATT에 인장 응력이 가해지면 실리콘 표면과 전극 사이의 거리가 증가하여 전위차가 발생합니다. 전자는 외부 회로를 통해 두 전극 사이를 흐르고 결과적으로 전류가 형성됩니다. 거리가 상당히 멀어질 때까지 전자의 평형 상태가 이동을 멈추게 합니다. 인장 응력이 해제되면 전자가 전극 사이에서 역으로 흐르면서 전하 균형을 실현합니다. SATT가 완전히 원래 상태로 복원된 후 전하는 다시 완전히 중화됩니다. 따라서 SATT는 연속적인 스트레칭-방출 주기 운동에서 출력 전기 에너지를 생성할 수 있습니다.

아 연신 방출 과정에서 SATT의 발전 메커니즘. ㄴ COMSOL 소프트웨어를 사용한 전위 분포의 시뮬레이션 결과. ㄷ 다른 스트레인 마운트에서 길이가 5cm인 전도성 나사산의 저항. d 변형량의 함수로서 다양한 수의 전도성 스레드가 경험하는 인장력. 이 100% 변형률 내에서 SCT의 인장 내구성 시험. 에 다양한 스트레인 마운트에서 전도성 스레드의 출력 전압 및 전류. 지 100% 변형률에서 길이가 5cm인 SATT의 개방 회로 전압. 아 패널 g에서 검은색 점선으로 표시된 영역의 확대 보기

또한 COMSOL 소프트웨어를 기반으로 유한 요소 방법(FEM) 시뮬레이션을 구축하여 SATT의 작동 메커니즘을 정량적으로 분석합니다. 이 모델에서 ± 1μC/m ² 의 두 마찰 전하 밀도 스레드 표면에 할당됩니다. 나사 표면의 초기 전하량은 계산된 전위에만 영향을 미친다는 점에 유의할 가치가 있습니다. 그러나 전위의 상대적인 변화 추세는 변하지 않습니다. 그림 2b는 서로 다른 인장력에서 SATT의 전위 분포를 보여줍니다. 외부 인장력이 존재하지 않을 때 전체 장치의 전위차는 거의 0입니다. SATT가 바깥쪽으로 늘어나면서 양전하와 음전하가 분리되고 전위차가 커집니다. 결과적으로 COMSOL 소프트웨어에 의한 시뮬레이션 결과는 위의 작업 메커니즘의 이론적 분석 프로세스와 일치함을 알 수 있습니다.

편안하게 늘어나는 전극의 경우 전기전도도가 충분히 중요한 요소입니다. 실리콘 고무 엘라스토머에 분산된 은으로 코팅된 유리 미소구체를 가진 제안된 신축성 실 모양 전극은 다양한 전기 전도도를 유발하기 위해 다양한 변형률로 늘어납니다. 전도성 실의 수, 스트레치 길이 및 전극의 저항 사이의 관계를 체계적으로 연구할 필요가 있습니다. 그림 2c는 다른 스트레인 마운트에서 길이가 5cm인 1~5개의 전도성 스레드의 저항을 보여줍니다. 50% 변형률 범위 내에서 다른 수의 전도성 스레드를 가진 전극의 저항은 신축 및 해제 과정에서 거의 변하지 않습니다. 그러나 변형량이 증가할수록 전도성 스레드의 수가 많을수록 전극의 저항 값이 낮아집니다. 그림 2d는 변형량의 함수로 다양한 수의 전도성 스레드가 경험하는 인장력을 보여줍니다. 분명히 인장력은 전도성 스레드의 수가 증가함에 따라 커집니다. 인장력에 의해 자극을 받기 쉽다는 점을 고려하여 본 연구에서는 5개의 얽힌 전도성 실을 SCT 전극으로 선택하였다. SCT의 인장 내구성은 그림 2e와 같이 100% 변형률 내에서 수행되었습니다. 결과는 SCT가 특히 매우 안정적인 가역성을 나타내는 우수한 전도성 엘라스토머임을 나타냅니다. 또한 이중 나선 에너지 제거 스레드의 전기 출력 성능은 그림 2f와 같이 수행되었습니다. 전도성 실의 수가 증가함에 따라 전극과 실리콘 고무 사이의 접촉 면적이 확대되어 인장 해제 동작에서 마찰 전기 실 사이에 더 많은 전하가 전달됩니다. 따라서 출력 개방 전압과 단락 전류가 모두 증가합니다. 그림 2g는 5cm 길이의 SATT가 100% 변형률에서 3.82V의 개방 회로 전압과 65.8nA의 단락 전류를 생성할 수 있음을 보여줍니다. 한 전압 사이클의 확대도가 그림 2h에 나와 있습니다. SCT 및 SSCT로 구성된 SATT의 응답 및 복구 시간은 1Hz에서 각각 48ms 및 220ms라는 점에 유의할 가치가 있습니다. 결과적으로 SATT는 인간의 생리적 신호를 모니터링하는 자체 전원 인장 감지 전자 장치로 사용될 것으로 예상됩니다.

인간의 움직임에 의한 역학적 에너지는 보편성, 재생성, 안정성 등의 다양한 장점 때문에 자주 사용되는 에너지원이다. 인간의 움직임에서 기계적 에너지를 수집하는 스마트 텍스타일과 지능형 의류가 널리 연구되고 있다[29,30,31]. 그러나 신축성이 뛰어난 신축성이 없기 때문에 신축성 있는 스트립을 기반으로 한 스마트 텍스타일의 편안함은 지능형 패브릭의 발전을 가로막는 매우 중요한 요소입니다. SATT 장치의 우수한 신축성 특성을 고려하여 가볍고 편안하며 착용할 수 있는 자체 동력 섬유를 여기에 제시합니다. SCT 및 SSCT 장치는 전통적인 평직으로 SPST로 직조되었습니다. SPST 장치의 개략도 및 사진(5 × 7cm ² ) 그림 3a, b에 설명되어 있습니다. 생물학적 움직임은 일반적으로 5-30% 변형률로 늘어나는 것으로 간주되며 기계적 장력 하에서 장기간 안정적인 작동을 보장하기 위해 웨어러블 전자 장치의 훨씬 더 높은 변형 호환성이 필요합니다[32,33,34]. 그림 3c는 선형 모터를 사용하여 SPST 장치의 의도적으로 늘어난 100% 변형의 스트레칭 개략도 그래프를 나타냅니다. SPST의 신축 해제 작동 메커니즘은 모든 STC 단자를 테스트 포트로 연결하고 SSTC의 전극을 다른 테스트 포트로 함께 연결하는 데 초점을 맞춘 SATT의 작동 메커니즘과 동일합니다. SPST 장치의 개방 전압 및 단락 전류는 여기를 스트레칭 해제하는 과정에서 각각 약 8.1V 및 0.42μA입니다(그림 3d, e). 높은 신축성과 안정적인 출력 성능으로 인해 SPST는 인체 관절의 스트레칭 운동 에너지를 소거하는 자체 전원 모니터링 장치로 작동할 수 있습니다.

아 SPST의 개략도. ㄴ SPST의 사진 이미지입니다. ㄷ 100% 변형률에서 SPST의 스트레칭 개략도 그래프. d 출력 전압 및 e 주기적인 스트레칭 해제 사이클에서 SPST의 출력 전류

또한 SPST 장치가 실제 인간의 움직임 중에 다른 의류 직물과의 접촉 분리 과정으로 나타나는 것을 고려하면 선형 모터의 주기적 태핑 과정에서 SPST-면 태핑의 출력 성능이 달성되었습니다(그림 4a). SPST 면 태핑을 사용한 발전 메커니즘은 그림 4b에 나와 있습니다. 주기적 태핑 사이클에서 접촉 분리 모드는 면과 SPST 외부의 두 가지 유형의 재료 사이에서 발생합니다. 따라서 SPST의 전극 사이에는 정전기 유도 전하가 흐릅니다. 그림 4c, d는 100N의 힘에서 개방 회로 전압과 단락 전류를 표시합니다. 놀랍게도 SPST의 개방 회로 전압은 작동 주파수와 무관한 다양한 탭핑 주파수에서 약 150V입니다. 그러나 SPST의 단락 전류는 각각 0.5, 1, 1.5, 2 및 3Hz의 주파수에서 약 0.96, 1.31, 1.55, 1.77 및 2.45μA입니다. 이는 주파수가 높을수록 접점 분리 시간이 짧아져 동일한 전하량으로 인해 더 큰 전류가 발생하기 때문입니다(Isc =dQsc/dt). 또한, 에너지 공급 장치 역할을 하는 SPST는 일반적으로 실제 적용에서 외부 부하와 연결됩니다. 추가 파일 1:그림 S1은 1MΩ ~ 1GΩ의 외부 부하 저항 함수로 출력 전압을 나타냅니다. 출력 전력이 U ² 로 정의되기 때문에 다양한 레벨의 외부 부하에 연결된 SPST의 출력 전력을 얻을 수 있습니다. /아르 자형. 분명히 출력 전력은 처음에 증가했다가 감소하여 외부 부하 저항이 약 120MΩ일 때 최대값 163.3μW에 도달합니다. 또한 SPST의 안정성 테스트는 추가 파일 1:그림 S2와 같이 10,000주기 동안 수행되었습니다. 분명히 SPST의 출력 전압은 주기적인 테스트 주기에서 감소하지 않았으므로 SPST는 놀랍도록 긴 수명을 가집니다. SPST 면 태핑에서 생성된 전기는 커패시터에 저장되어 웨어러블 전자 제품에 전원을 공급할 수 있습니다. 그림 4e는 3Hz의 주파수와 100N의 힘에서 다양한 용량의 충전 곡선을 보여줍니다. 0.47μF 커패시터의 전압은 150초 동안 14V로 충전될 수 있습니다. 커패시터의 용량이 증가함에 따라 동일한 고전압에 도달하는 데 더 오래 걸립니다. 뛰어난 출력 성능으로 인해 SPST-면 장치는 커패시터에 저장된 전기 에너지로 LED를 직접 켜고 상업용 전기 시계의 전원을 켤 수 있습니다(그림 4f 및 추가 파일 2:비디오 S1, S2). 이러한 결과는 SPST 장치가 정상적인 작동을 유지하기 위해 상업용 전자 제품에 전기 에너지를 제공할 수 있음을 나타냅니다.

아 SPST 면 태핑의 개략도. ㄴ SPST 면 태핑 방식의 발전 메커니즘. ㄷ 개방 회로 전압 및 d 다양한 태핑 주파수에서 SPST 면 태핑을 사용한 단락 전류. 이 3Hz의 주파수와 100N의 힘에서 다양한 커패시터의 측정된 전압 곡선. f LED와 전기 시계는 SPST-면 장치에 의해 구동되었습니다.

신축성이 있고 신체 대부분의 부분에 쉽게 조립할 수 있는 실 모양의 TENG는 신체 움직임을 감지하는 능동 웨어러블 전자 장치로 작동할 수 있습니다. 그림 5a 및 추가 파일 2:비디오 S3에서 볼 수 있듯이 SATT 장치는 5가지 굽힘 해제 동작 상태에 응답하기 위해 피험자의 인덱스 그림에 고정되었습니다. 분명히, 출력 전압 피크는 모션 진폭의 확대에 따라 증가합니다. 즉, 출력 모니터링 신호는 스트레칭 모션의 크기에 의해 결정됩니다. 동작은 SATT가 손가락 동작 상태를 정량적으로 특성화하기 위해 외부 전원 없이 자체 전원이 공급되는 능동 센서로 사용될 수 있음을 확인합니다. 또한 SCT 및 SSCT 장치로 짜여진 SPST의 개방 회로 전압은 안정적이고 동작 주파수와 무관하므로 동작 모니터링의 출력 신호로 사용할 수 있습니다. Fig. 5b, c와 같이 SPST를 인체의 관절에 고정하여 에너지 하베스팅과 상태 모니터링을 수행하였다. 팔꿈치와 무릎의 굴곡 및 신전 동작이 나타날 때 SPST의 stretch-release mode와 SPST-cotton의 contact-separation 모드가 생성되어 전기 신호가 교대로 생성됩니다. 분명히 SPST 장치는 스마트 섬유의 탄성 특성에 대한 요구 사항을 풍부하게 충족하며 출력 전압은 팔꿈치 및 무릎 관절의 최대 굽힘 각도에서 각각 약 105V 및 116.9V에 도달할 수 있습니다. 응답 출력 전류는 각각 약 0.73μA 및 0.89μA입니다. 결과적으로, 신중하게 설계된 SPST는 신체 관절 운동 에너지를 소거함으로써 웨어러블 전자 장치에 대한 유망한 전원 공급 방법을 제공하고 환자의 재활 훈련 및 트랙 활동의 적용에서 매우 중요한 역할을 할 것입니다.

아 SATT는 손가락 동작 상태를 감지하기 위한 자체 구동 능동 센서입니다. ㄴ SPST는 팔꿈치 c에 고정되어 있습니다. 에너지 수확 및 상태 모니터링을 수행하는 무릎