효과적인 모션 에너지 수확을 위한 코어 쉘 섬유 기반 2D 직조 마찰전기 나노발전기

결과 및 토론

섬유 제조에 꼬임 기술을 사용하여 금속 와이어를 중심 전극으로, 재봉사를 외부 마찰층으로 사용하여 코어-쉘 구조의 복합 섬유를 제조했습니다. 2DW-WTNG는 직교 직조 공정을 통해 두 종류의 코어-쉘 구조의 복합 섬유를 직조하여 추가로 제작되었습니다. 그림 1a는 2개의 동일한 부품이 있는 2DW-WTNG의 구조도를 보여줍니다. 2DW-WTNG의 각 부분에서 한 방향으로 배열된 나일론/구리 복합섬유를 하나의 전극으로 수집하고, 다른 방향으로 배열된 폴리에스테르/강 복합섬유를 다른 전극으로 수집하였다. 공장에서 트위스팅 머신처럼 작동하는 수제 회전 설정을 사용하여 두 종류의 복합 섬유를 준비했습니다. 주사전자현미경(SEM) 이미지는 도 1a 및 c는 각각 직경 110 μm의 초기 나일론 원사와 직경 200 μm의 폴리에스터 원사의 표면 외관을 나타낸다. 그림 1d와 e는 각각 제조된 나일론/구리 복합섬유와 폴리에스터/강 복합섬유의 광학 이미지로, 코어-쉘 구조를 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 그림 1f는 나일론/구리 복합 섬유 4그룹과 폴리에스테르/강 복합 섬유 4그룹으로 구성된 최종 2DW-WTNG의 광학 이미지를 보여줍니다. 길이와 너비가 직조된 구조로 일반 천 조각과 비슷하며 자세한 제작 과정은 "방법" 섹션에 설명되어 있습니다.

2DW-WTNG의 발전 성능을 연구한다. 도 2a에 도시된 바와 같이 2DW-WTNG의 상부와 하부는 마주보고 고정되었고 상부는 하부에 대해 좌우로 슬라이딩할 수 있다. 상부와 하부 사이에 상대적인 슬라이딩이 발생하면 접촉면이 서로 마찰됩니다. 폴리에스터는 마찰전기 계열에 따라 나일론보다 마찰전기적으로 더 음전하를 띠기 때문에 나일론에서 폴리에스터로 전자가 주입되어 나일론 표면에 양의 마찰전기 전하를 생성하고 폴리에스터 표면에 음전하를 생성합니다. I 단계에서와 같이 상부가 오른쪽으로 미끄러지고 접촉면이 오정렬된 위치로 미끄러질 때 오정렬된 영역에서 보상되지 않은 마찰 전하의 결과로 순 전기장이 발생하여 폴리에스터의 전극에서 자유 전자가 전극으로 이동합니다. 전기장이 전극에 유도된 전하에 의해 스크리닝될 때까지 나일론. 상부가 계속해서 우측으로 슬라이딩하면 접촉면이 정렬된 위치에 도달하고 반대 부호의 마찰전하가 완전히 균형을 이루며 유도된 자유전자의 역류를 유도한다(2단계). 오른쪽으로 슬라이딩이 진행됨에 따라 접촉면은 정렬되지 않은 위치로 되돌아갔고 자유 전자는 단계 III에서와 같이 폴리에스터의 전극에서 나일론의 전극으로 구동되었습니다. 결과적으로 2DW-WTNG에 대한 발전 프로세스의 사이클이 완료되었습니다. 나일론/구리 복합 섬유와 폴리에스터/강 복합 섬유 사이의 간상 구조를 갖는 격자 설계의 이점은 이 과정에서 두 전극 사이에서 교대로 전하가 전달됩니다. 실험적으로 초기 접촉 상황은 상부와 하부를 어떻게 배치하느냐에 따라 달라진다. 그러나 2DW-WTNG의 출력에는 영향을 미치지 않습니다. 동일한 격자 구조로 인해 초기 접촉 상황은 출력 피크 값에 차이가 없으나 출력 피크의 방향을 변경합니다. 초기 접촉 상황이 양수에서 양수이면 접촉 상황은 먼저 양수에서 음수로 변한 다음 양수 출력 피크와 음수 출력 피크가 뒤따르는 양수에서 양수입니다. 대조적으로, 초기 접촉 상황이 양수에서 음수이면 접촉 상황은 먼저 양수에서 양수에 도달한 다음 음수 출력 피크와 양수 출력 피크가 뒤따르는 양수 대 음수 상태가 됩니다.

2DW-WTNG의 발전 특성. 아 발전 메커니즘의 전체 과정. ㄴ 출력 전류 및 c 2DW-WTNG의 출력 전압. b의 삽입 및 c 출력 전류 및 출력 전압의 확대도입니다. d 부하 저항이 다른 2DW-WTNG의 전류(실선) 및 전력 밀도(열린 원)

크기가 15 mm × 15 mm이고 격자 폭이 7 mm인 2DW-WTNG를 주기적으로 앞뒤로 움직여 테스트했습니다. 자세한 측정 방법은 "방법" 섹션에 설명되어 있습니다. 8 mm의 슬라이딩 변위와 0.15 m/s의 슬라이딩 속도에서 2DW-WTNG는 2.7 Hz의 일정한 주파수에서 최대 진폭 575 nA에서 연속 교류(AC) 출력을 생성했습니다(그림 2b). 출력 전압은 출력 전류와 동일한 주파수에서 6.3 V에 도달했습니다(그림 2c). 하나의 작업 사이클에서 출력 전류와 출력 전압의 확대도가 그림 1 및 2에 삽입되어 있습니다. 각각 2b 및 c. 하나의 작업 주기에는 두 개의 웨이브 패킷이 있습니다. 하나는 오른쪽으로 미끄러지는 단방향을 나타내고 다른 하나는 왼쪽으로 미끄러지는 단방향을 나타냅니다. 그리고 각 웨이브 패킷에는 두 개의 양의 펄스와 두 개의 음의 펄스가 있습니다. 이 결과는 그림 1f와 같이 나일론/구리 복합 섬유 4그룹과 폴리에스터/강 복합 섬유 4그룹을 포함하는 장치의 구조에 따른 것으로, 슬라이딩 모드의 출력이 격자와 밀접하게 연결되어 있음을 추가로 확인합니다. 장치의 너비 및 격자 수.

2DW-WTNG는 실질적으로 전원으로 외부 부하와 연결되어야 합니다. 저항은 외부 부하에 대한 출력 전력의 의존도를 조사하는 데 사용되었습니다. 그림 2d는 순시 전류와 순시 출력 전력 밀도 대 외부 부하 저항을 보여줍니다. 순시 출력 전력 밀도는 순시 출력 전력(I ² R ) 및 장치의 면적. 옴 손실로 인해 부하 저항이 증가함에 따라 순시 전류가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 순시 출력 전력 밀도는 낮은 저항에서 증가하여 최대값 2.33 mW/m ² 에 도달했습니다. 50 MΩ의 부하 저항에서, 그 다음 더 높은 저항에서 감소합니다. 이 결과는 2DW-WTNG가 일부 개인 전자 장치, 특히 수십 메가옴의 부하 저항을 가진 장치의 전원 공급 장치가 될 수 있음을 나타냅니다.

슬라이딩 구동 모드에서 2DW-WTNG의 출력 성능은 마찰 전하의 분리율에 크게 의존합니다. 이를 깊이 연구하기 위해 크기가 15 mm × 15 mm이고 격자 너비가 7 mm인 2DW-WTNG의 출력 성능은 8 mm의 주어진 슬라이딩 변위에서 서로 다른 상대 슬라이딩 속도로 주기적으로 움직이는 특징이 있습니다. 그림 3a와 b는 각각 0.025 m/s, 0.050 m/s, 0.075 m/s, 0.100 m/s, 0.125 m/s의 평균 슬라이딩 속도에서 2DW-WTNG의 출력 전류와 출력 전압을 보여줍니다. 전류 곡선과 전압 곡선에서 0.025 m/s의 슬라이딩 속도로 단방향 이동에서 320 ms의 전체 출력 피크가 있고 역방향으로 이동하는 320 ms의 또 다른 출력 피크가 있습니다. 동일한 작업 시간 내에서 속도가 증가하면 출력 피크 수가 0.025 m/s에서 1개에서 0.125 m/s에서 5개로 증가했습니다. 슬라이딩 속도가 높을수록 한 작업 주기에 필요한 시간이 단축되고 동일한 작업 시간에 작업 주기 수가 더 많이 늘어났기 때문입니다. 전류 피크 값은 0.025 m/s에서 101 nA에서 0.125 m/s에서 415 nA로 증가되었으며, 이는 슬라이딩 속도의 증가가 마찰 전하의 분리 속도를 효과적으로 증가시키고 큰 출력 피크 값으로 이어질 수 있음을 의미함 . 전압 피크값은 0.025 m/s에서 3.6 V에서 0.125 m/s에서 6.6 V로 증가하였으며, 이는 측정 전기회로의 결과이다. 전압 측정 회로와 2DW-WTNG의 입력 저항은 RC 전기 회로를 형성하고 2DW-WTNG의 누설 전류는 슬라이딩 속도를 증가시키면 감소하여 출력 전압 피크 값이 지속적으로 향상되었습니다. 이러한 결과는 출력 피크 값이 슬라이딩 속도와 밀접한 관련이 있음을 분명히 보여줍니다. 슬라이딩 속도 외에도 슬라이딩 변위는 2DW-WTNG의 출력 성능에 큰 영향을 미치는 또 다른 요소입니다. 인체의 운동에서 대부분의 역학적 에너지는 작은 진폭의 운동에서 발생하므로 약한 역학적 에너지를 수확할 필요가 있다. 이 측면을 탐색하기 위해 2DW-WTNG는 0.1 m/s의 고정 슬라이딩 속도와 함께 0.4 mm, 0.8 mm, 1.2 mm, 1.6 mm 및 2.0 mm의 슬라이딩 변위에서 작업하여 테스트되었습니다. 출력 전류와 전압은 그림 1에 나와 있습니다. 3c와 d. 슬라이딩 변위와 함께 출력 피크 값이 증가했습니다. 0.4 mm의 최단 변위에서 출력 피크 값은 각각 2.3 nA 및 0.05 V에 도달하여 작은 움직임에서 기계적 에너지를 소거하는 능력을 나타냅니다. 수평 슬라이딩 모드에서 2DW-WTNG의 작동 메커니즘에 따르면 하나의 격자 위로 슬라이딩할 때 교대로 전하 이동이 있었습니다. 따라서 직조 벨트 또는 직조 섬유의 너비 또는 직경을 더 작은 규모로 좁혀 슬라이딩 모드에서 2DW-WTNG의 출력을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

서로 다른 상대 슬라이딩 속도와 상대 슬라이딩 변위에서 2DW-WTNG의 발전 성능. 아 출력 전류 및 b 2DW-WTNG의 출력 전압은 8mm의 주어진 슬라이딩 변위에서 0.025 m/s, 0.050 m/s, 0.075 m/s, 0.100 m/s, 0.125 m/s의 슬라이딩 속도로 변했습니다. ㄷ 출력 전류 및 d 2DW-WTNG의 출력 전압은 0.100 m/s의 주어진 슬라이딩 속도에서 0.4 mm, 0.8 mm, 1.2 mm, 1.6 mm 및 2.0 mm의 슬라이딩 변위에 따라 달라졌습니다.

인간 활동의 복잡성을 고려할 때 신체 운동 에너지는 다른 방향에서 올 수 있습니다. 따라서 자격을 갖춘 WTNG는 다양한 방향의 신체 움직임에서 에너지를 수확할 수 있어야 합니다. 즉, 평면 슬라이딩 모드에서 작동하는 WTNG는 임의의 슬라이딩 방향을 따라 작동할 것으로 예상됩니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 2DW-WTNG의 두 부분이 마주보고 배치되었으며 상단 부분은 X를 따라 하단 부분 위로 미끄러질 수 있습니다. -중심선. 이동 방향을 유지하면서 윗부분을 회전시키면 각도(θ ) 슬라이딩 방향과 상부의 한쪽 사이. 여기서 θ 본질적으로 2DW-WTNG가 서로 다른 상대 작업 방향에서 작동할 수 있도록 요구하는 2DW-WTNG의 상부와 하부 사이의 상대적인 작업 방향을 나타냅니다. 이를 설명하기 위해 2DW-WTNG는 θ 세트에서 테스트되었습니다. 0.10 m/s의 슬라이딩 속도 및 10 mm의 슬라이딩 변위에서 선형 모터에 의해 구동되는 값(0°, 10°, 20°, 30°, 40° 및 50°)입니다. 다른 θ에서의 출력 전류 및 출력 전압 Fig. 4b 및 c. 이 장치는 50°의 상대 작업 방향에서 각각 134.45 nA의 출력 전류와 2.23 V의 출력 전압을 생성했습니다. 한편, 면내 대칭으로 인해 40°에서의 출력 전류 및 출력 전압은 50°에서의 출력 전류와 출력 전압에 매우 근접하였다. θ만큼 출력 전류와 출력 전압이 약간 감소했지만 2DW-WTNG의 상부와 하부 사이의 불일치 격자로 인한 유효 마찰 면적 감소의 결과로 증가하는 이러한 실험 결과는 2DW-WTNG가 다른 작동 방향에서 정상적으로 작동할 수 있음을 강력하게 검증했습니다. 원통형 복합 섬유의 이점을 통해 매끄러운 표면은 슬라이딩을 연속적이고 편안하게 만들었습니다. 리소그래피 공정으로 만들어진 가장자리가 분명히 올라간 좁은 격자에서 흔들리는 슬라이딩이 아닙니다. 마찬가지로 2DW-WTNG의 상부에 임의의 면내 방향을 따른 외부 운동이 가해지면 운동 방향을 따라 미끄러져 하부와 마찰되어 운동 에너지를 수확하여 전기로 변환할 수 있다. .

임의의 평면 내 방향을 따라 작동하는 2DW-WTNG의 적응성. 아 다른 상대 방향에서 작동하는 2DW-WTNG의 개략도. ㄴ 출력 전류 및 c 다른 상대 방향에서 2DW-WTNG의 출력 전압

에너지 수확기로서 2DW-WTNG의 출력은 일부 전자 장치에 전력을 공급하기에 충분히 높아야 합니다. 그림 5a와 같이 2DW-WTNG는 브리지 정류기로 연결한 다음 두 개의 분기 회로로 연결했습니다. 브리지 정류기를 사용하여 2DW-WTNG의 AC 출력이 직류(DC) 출력으로 변환되었습니다. 정류된 DC 신호는 그림 5b에 나와 있습니다. 브리지 정류기를 첫 번째 분기 회로에 연결할 때 정류된 DC 신호는 삽입 및 추가 파일 1:비디오 S1에 표시된 대로 빨간색 LED를 켜는 데 직접 사용되었습니다. 브리지 정류기가 두 번째 분기 회로에 연결되었을 때 2DW-WTNG의 전기는 0.47 μF 상용 커패시터를 충전했습니다. 충전 곡선은 그림 5c에 표시되며 커패시터에 저장된 해당 전하량은 삽입도에 표시됩니다. 커패시터는 1 분 만에 1.84 V로 충전되었으며 해당 충전 밀도는 3.84mC/m ² 에 도달했습니다. . 이 두 가지 테스트는 에너지 수확기로서 2DW-WTNG가 편리한 비상 전원 공급 장치로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 저장 셀에 에너지를 공급할 수도 있음을 나타냅니다. 또한 2DW-WTNG의 안정성은 실제 적용을 보장하는 필수 요소입니다. 여기에서 2DW-WTNG의 안정성은 0.1 m/s의 슬라이딩 속도와 8 mm의 슬라이딩 변위에서 12 h 동안 연속적으로 작동하도록 하여 테스트되었습니다. 그림 5d는 시간당 10 s의 전류 곡선을 나타내었으며, 12시간 연속 작업 후에도 출력 전류값의 변화가 거의 없어 매우 안정적인 발전 성능을 보였다. 또한 다양한 유형의 에너지 소거에서 2DW-WTNG의 다용성을 입증하기 위해 2DW-WTNG에 대한 전기 측정 그룹이 수행되었습니다. 그림 5e의 삽입도와 같이 2DW-WTNG의 상부가 먼저 2DW-WTNG의 하부와 수직으로 접촉하고(공정 I), 하부의 2DW-WTNG에서 수평으로 미끄러지면서 유효마찰이 발생한다. (공정 II). 측정하는 동안 접촉-슬라이딩-분리 동작을 여러 번 반복하였고 그 출력 전류는 그림 5e와 같다. 첫 번째 수직 접촉 마찰 과정에서는 높지만 좁은 출력 피크가 있었고 다음 수평 슬라이딩 마찰 과정에서는 낮지만 넓은 피크가 나타났습니다. 다음 측정 주기를 위한 마지막 수직 분리 과정에서 높지만 좁은 출력 피크가 나타나야 하지만 누락되었습니다. 이것은 두 가지 이유에 기인할 수 있습니다. 하나는 2DW-WTNG의 상부가 2DW-WTNG의 반대쪽 하부를 밀어내고 전위가 거의 균형을 이룬다는 것이다. 다른 하나는 마지막 수직 분리 과정이 다소 느리기 때문에 전위가 공기 중에서 빠르게 평형에 도달했다는 것입니다. 합성 분석을 통해 이 두 종류의 출력 전류 피크가 2DW-WTNG의 두 가지 작동 모드의 특성과 일치함을 확인했으며 인체 운동에서 수직 양압 및 수평 접선력으로부터 에너지를 소거하는 강력한 적응성을 나타냅니다.

2DW-WTNG의 적용. 아 출력 단자에 2개의 분기 회로가 있는 정류 회로. ㄴ 정류된 출력 전류 신호. 삽입된 이미지는 정류된 전류 신호로 구동되는 적색 LED의 광학 이미지입니다. ㄷ 정류된 전류로 충전된 0.47 μF 상용 커패시터의 충전 곡선. 삽입물은 커패시터에 저장된 해당 출력 전하입니다. d 12 h 동안 지속적으로 작동하는 2DW-WTNG의 출력 전류. 이 두 가지 다른 작동 모드에서 작동하는 2DW-WTNG의 출력 전류는 인체 운동 에너지를 소거하는 2DW-WTNG의 다양성을 보여줍니다. 작업 과정은 인서트에 나와 있습니다.

추가 파일 1:동영상 S1. 적색 LED를 순간적으로 점등시키는 영상. (AVI 1334kb)