전달 전하 향상을 위한 니트 구조 기반 마찰전기 나노발전기의 표면 형태 분석

결과 및 토론

마찰재를 확인하기 위해 마찰전기차수[49]는 서로 다른 공통 재료의 마찰전기 분극을 정량화한 중요한 참고 자료입니다. 마찰 전기 질서는 기본 재료 성능으로 정의 된 한 쪽은 전하 용량을 얻고 다른 쪽은 전자를 잃는 높은 능력을 가지고 있음을 나타냅니다. 뛰어난 출력 성능을 얻기 위해 상당한 거리를 두고 있는 마찰 전기 계열에 기인해야 하는 몇 가지 재료가 선택되어 전위차가 증가합니다. 여기서, 하나는 상업적이고 저가이며 우수한 내마모성과 높은 양전하 경향(나일론)이고 다른 하나는 음전하 경향(PTFE)을 나타낸다. 이 작업에서는 표면에 처리가 없는 PTFE 멤브레인을 선택했습니다. 여기서 유일한 인자는 전하이동의 성능으로 해석할 수 있는 편직구조이다. 또 다른 중요한 요소는 직접 붙여넣을 수 있는 높은 유연성을 가진 동박인 전극 재료이며, 이는 간단하고 1단계 제조 공정입니다. 은과 금의 귀금속에 비해 동박의 가격이 저렴하여 경제적인 제품을 제작할 수 있습니다. 따라서 구리는 스마트 장치 설계에서 유연 회로 및 전극으로 널리 적용되었습니다.

현재 서로 다른 전극 구조 및 움직임에 해당하는 4개의 범용 작업 모드 작동 TENG가 있습니다. 손쉬운 제작, 풍부한 재료 선택, 수직 방향 왕복 운동의 장점을 갖춘 CS TENG는 손 흔드는 것, 걷기, 달리기와 같은 일부 생체 역학 에너지를 수확할 수 있는 잠재적 능력을 가진 최초의 심층 조사입니다. 여기에서는 표면 구조의 영향 원리를 조사하기 위해 나일론 직물과 PTFE 필름의 접촉 및 분리에 해당하는 니트 직물(KNG) 기반 마찰 전기 나노 발전기를 설계했습니다. 마찰전기 나노발전기를 조립하는 과정은 편물, PTFE 멤브레인 및 동박으로 구성된 그림 1a에 나와 있습니다. 어떤 방향으로든 주름(그림 1bi), 구부림(그림 1bii), 드레이핑(그림 1biii) 및 접기(그림 1biv) 능력 면에서 유연한 편물의 다양성은 다양한 규모로 조정됩니다. 그림 1b에 묘사되어 있습니다. KNG는 적용 위치의 요구 사항과 의복의 미학에 따라 설계될 수 있습니다. 니트 구조의 다양성은 다른 표면 모양으로 편직되었으며 직물 표면의 이러한 사진은 그림 1c에 나와 있습니다.

도식적 준비, KNG의 특성 및 편직 구조. 아 KNG의 제조 공정. ㄴ 다양한 변형의 KNG 이미지. 나, 주름진; ii, 구부러진 iii, 드레이프; iv, 접힌. ㄷ 1번부터 10번까지 제작된 모든 니트 구조

KNG의 작동 메커니즘은 그림 2a에 간단하게 표시되어 있습니다. 전달전하를 측정하기 위해 팔짱을 낀 손의 움직임을 모사하기 위해 리니어 모터의 최대 이동 거리와 이동 빈도를 각각 10 cm와 0.3 Hz로 설정하였다. 공통 모니터링의 경우 개방 전압(Voc), 단락 전류(Isc) 및 전달 전하(Qsc)를 기계식 선형 모터로 측정합니다. 원래 상태(그림 2 ai)에서 나일론 섬유는 정전기 유도 및 전하 보존으로 인해 양전하를 띠고 PTFE 필름은 음전하를 띠게 됩니다. 장치를 눌렀을 때(그림 2 aii), 두 접촉면 사이의 간격이 수축하여 PTFE에 붙인 전극에 양전하가 축적됩니다. 전자는 전위차의 균형을 맞추기 위해 외부 회로에서 흐릅니다. 두 유전 물질이 절연체이기 때문에 접촉 영역의 표면에 동일한 양의 전자가 유지될 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다(그림 2aiii). PTFE가 뒤로 이동함에 따라(그림 2aiv) 프로세스가 역전되고 전기는 전하의 중화를 반영하여 나일론 직물과 PTFE 사이에 다시 한 번 균형을 얻게 됩니다. 결과적으로 전자는 전위차로 인해 다시 흐를 것입니다. 이러한 상황에서 KNG는 그림 2b 및 c와 같이 주기적으로 변화하는 특성을 갖는 Isc 및 Voc를 생성할 수 있습니다. 그림 2b와 c에서 삽입된 그래프는 한 주기로 설명된 확대 그래프입니다.

KNG의 전력 작동 메커니즘 및 출력 성능. 아 PTFE 부재와 나일론 직물의 접촉을 이용한 KNG의 작동 메커니즘. ㄴ KNG의 Voc 및 1주기 확대 이미지. ㄷ KNG의 Isc 및 1주기의 확대 이미지

텍스타일 표면에 볼록한 구조를 제작하기 위해서는 그림 3과 같이 구조 설계와 형태 형성의 두 가지 방법이 사용된다. 구조 설계는 페이스 루프 스티치의 비율과 그 반대의 비율에 따라 달라진다. 루프 스티치. 총 샘플은 m*n(m =n =1, 2, 3, 4) 그림 3a 및 2*m(m =1, 2, 3, 4) 그림 3b에 나와 있습니다. 리브는 반대 루프 웨일 위로 그리고 앞으로 이동하는 경향이 있는 페이스 루프 웨일 때문에 수직 코드 모양을 가지고 있습니다. 코드 최대 높이는 0.2 cm에 도달할 수 있습니다. m*n의 늑골(m =n =1, 2, 3, 4) 각 면의 페이스 루프의 대체 웨일로 균형을 잡을 수 있으므로 재단 후 컬 없이 평평하게 놓입니다. 그리고 직물의 양면은 Fig. 3e와 같이 동일한 외관을 가진다. 그러나 2*m 리브 구조에서 페이스 루프와 리버스 루프의 비율이 다르면 그림 3f와 같이 구별되는 표면이 나옵니다. 또한, 리브 직물의 신축 과정은 두 단계로 나뉩니다. 즉, 양쪽에서 역 웨일이 맞물려 중간에 역 루프 웨일이 드러날 때까지 늘어난 다음 전체 루프가 등가의 두 배 너비로 계속 늘어나는 것입니다. 단일 직물. 따라서 평직물에 비해 리브직물은 접촉-분리 작업 모드에서 펄럭임과 신축 운동(가로 방향 및 세로 방향)을 수확하기 위한 신축성 능력을 증가시킬 가능성이 있습니다. 융기 구조를 구축하는 다른 방법은 n 표면에 공기층이 형성되는 형상 변형입니다. (n =4, 5, 6) 그림 3c에 예시된 직물. 단면적의 두께는 0.15 ~ 0.3 cm입니다. 공기층의 특징은 움직임을 유발할 때 전자 분리를 가속화하기 위한 공간을 제공할 수 있는 두드러진 아치 구조입니다. 무엇보다도 편직물은 편직 위치의 정확성을 실현할 수 있는 컴퓨터 플랫 머신을 통해 설계되어 전체 의복을 형성하고 스마트 재료를 천에 완벽하게 통합합니다. 이러한 뜨개질 기법의 명칭은 그림 3d에 표시하여 구조의 특징을 정확히 묘사하고 있다.

니트 구조의 도식적 특성 및 구성 요소. 아 m*n 리브의 특성 ㄴ 2*m 리브의 특징. ㄷ 일부 바늘 가로 코드의 특성. d 뜨개질 기술 명명법. 이 1*1 리브 구조에서 얼굴 측면과 뒷면의 이미지입니다. 에 2*1 리브 구조의 얼굴 옆면과 뒷면 이미지

이전 연구[42]는 직물의 뒷면보다 훨씬 더 많은 표면 측의 유효 접촉 면적을 보여주었다. 그 결과 전송 전하가 후면 출력 성능의 2배가 되었습니다. 바늘 루프의 길이가 싱커 루프보다 길기 때문입니다. 따라서 출력 성능을 향상시키고 하나의 영향 요인만 생성하기 위해 접촉 상승 구조는 페이스 사이드 루프로 구성됩니다. 볼록 단위의 수에 따른 KNG의 출력은 Fig. 4와 같다. 모든 실험 직물의 접촉 면적은 융기 단위의 수에 따라 감소하는 감소하는 경향을 형성하였다. 또한 1*1 리브, 2*1 리브, 4개의 바늘형 구조(각 라인의 첫 번째 지점)의 순서로 더 중요한 전하가 91.66 nC, 90.19 nC, 각각 69.64 nC입니다.

볼록 단위의 수에 따라 출력 성능이 변경됨

그런 다음, 다양성 웨일 밀도, 페이스 사이드 유닛의 수 및 구조 측면에서 상이한 표면 형태를 갖는 니트 구조를 조사한다. 10가지 편직물의 모든 매개변수를 시험하여 Table 2에 기록하였다. 특히, 시료 No. 1-7을 분석할 때 코드 모양이 수직 방향을 따라 성장하였기 때문에 코스 밀도는 항상 일정하였다. 따라서 논의해야 할 주요 요인인 웨일 밀도는 다양한 편직 구조의 특징을 나타냅니다. 1~4번에서 페이스 루프와 리버스 루프의 비율이 약 50%로 동일함을 알 수 있습니다. 이 직물은 더블 스티치 뜨개질을 기반으로 앞면이나 뒷면에 관계없이 동일한 구조를 보여줍니다. 평균 두께는 샘플 번호에 비해 더 높게 나타납니다. 다른 수의 페이스 스티치와 예비 스티치로 구성된 5-7. 텍스처 번호 4는 웨일 밀도가 no의 두 배인 가장 큰 반복 단위를 소유합니다. 1. 그러나 실용 원단의 앞면 유닛의 수는 없음보다 거의 절반 감소합니다. 1. 더 많은 싱커 루프가 서로 늘어나서 기둥 모양을 형성할 수 있기 때문입니다. 편물 유닛이 증가함에 따라 기둥의 직경과 직물의 두께가 확대되어 여기서 움직임을 유발할 때 페이스 사이드 유닛의 수와 효율적인 접촉 면적이 감소한다. 페이스와 리버스 루프의 비율이 다른 리브 구조는 니트의 반복 단위가 증가하면서 외관이 단면 구조의 특성을 분명히 나타냅니다. 한편, 웨일 밀도 없음. 7은 no만큼 큽니다. 1과 아니요. 5개의 루프 유닛의 수는 니트 유닛의 수로 인해 구별되는 차이가 있지만 6개 루프가 없는 것보다 훨씬 많습니다. 1(2 루프) 및 아니요. 5(3 루프)이므로 출력 성능이 no보다 낮습니다. 1과 아니요. 5. 결과적으로 리브 니트 원단 no. 1은 번호에서 가장 많은 면 루프 단위를 나타냅니다. 접촉 분리 동작 중 1–10.

한편, 형태형 편직물은 천 전체에 서로 다른 수의 고리가 결합되어 아치 구조를 형성하도록 설계되었습니다. 코드 길이 방향이 수평이기 때문에 직물의 웨일 밀도는 가로 방향으로 대략적인 안정성을 나타냅니다. 아치 구조는 속이 빈 내부 공간이 있는 표면에서 전하를 분리하기 위한 접근 방식을 제공합니다. 따라서 낭비되는 메커니즘 에너지를 수확하는 효율성이 향상되었습니다. 일반적으로 아치형은 출력 성능을 향상시키기 위해 실리콘 기판과 같이 완벽한 탄성과 내구성을 지닌 유연한 소재로 만들어지지만, 산업용 편직기에서 뜨개질을 하는 것은 상업적인 요구사항을 만족시키기에는 까다롭습니다. 기존 연구[24, 41, 50]에서 편직물을 기반으로 하는 아치 구조를 보면 시공을 재봉하거나 테이핑해야 하는 복잡하고 시간이 많이 소요되는 과정이다. 높은 생산 효율을 부여하는 2차 가공 없이 전체 포밍 기술로 준비된 아치 편직물을 선보였습니다. 가로줄 구조 중 0.3cm 높이가 4침 가로줄 구조와 0.15cm, 0.2cm 높이로 5바늘 가로줄 구조에 비해 가장 낮은 전하 출력을 보였으며, 이는 니트 직물의 낮은 강성에 영향을 받을 수 있다. 양쪽 끝 사이의 큰 거리가 고정됩니다. 가장 높은 볼록 모양은 힘의 압력으로 아치를 유지하기 어렵고 원래 모양으로 회복되어 일부 전하가 중화됩니다. 결과적으로 아치 높이의 감소는 볼록 구조의 공차를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 형태의 코드는 실제 접촉보다 면적이 적은 선로 형태인 유효 접촉면적을 감소시켜 전기적 출력 성능을 저하시킨다.

루프는 불규칙한 구조를 가지고 있으므로 스티치 크기 및 표면 모양과 같은 기하학적 특성을 평가하는 것이 어렵습니다. 루프의 불규칙성을 식별하기 위해 적분 차원인 기존 평가를 사용할 수 없습니다. 프랙탈 이론은 우리 주변과 자연의 불규칙성의 범주를 분석하기 위해 제안됩니다. 제안된 프랙탈 차원 개념은 섬유 표면의 규칙, 복잡성 및 거칠기를 나타내는 복잡한 형태를 나타내는 훌륭한 도구입니다. 모든 프랙탈은 완전히 자기 유사하지 않기 때문에 수학적 계산은 기하학 구성을 주장하는 데 사용됩니다. 편물 구조의 표면을 이해하기 위해 일부 이미지는 그림 5d에 전달된 정보를 시각화합니다. 그림 5d와 같이 볼록면의 특성은 융기된 형태를 확인할 수 있는 증거가 있는 여러 관점에서 직관적으로 관찰할 수 있다.

편직 직물에 대한 피팅 곡선 및 일부 시각적 이미지. 아 m*n 리브 구조. ㄴ 2*m 리브 구조. ㄷ 일부 바늘 수평 코드 구조. d 다양한 측면의 시각적 이미지

The uneven surface has been formed with the knit structure designed caused by the yarn morphology and structure design. The fractal geometry is an efficient calculation for evaluating the textile surface and understanding the characteristic of knitted structures and ability of triboelectric charge generation. In fact, with the increase of the raised unit, it can improve the uneven knitted textile owing to the surface shape modified. Although all of the knitted textile own convex structures in longitude and transverse direction, the degree of similarity is still not confirmed that is the significant reference value for whether using fractal dimension successfully or not. To estimate the feasibility of fractal dimension, all of the knitted fabrics are calculated through measuring the width of the convex unit, the size of loops in length, and width when textiles stay in stable size. Figure 5 a, b, and c show the fitting curve of fractal dimension of nos. 1–10 type fabrics, and slope of a line means the fractal dimension. The existence of the relationship is found in convex structures of the ten different types of knitted textiles, which confirms the fractal characteristic of ten knitted fabrics. Therefore, the fractal theory applied in the analysis of diversity knit structure that is practicable.

Figure 6a–f illustrates the generated Isc and Voc based on the practical applications of contact and separation working KNGs, based on the structure types and shape types. There is a trend that a decrease with the knit unit increases about the Isc and Voc as shown in Fig. 6a–f. This is because the Isc is changed with the effective contact area which is affected by knit structures.

Schematic illustration of fractal dimension and generated Isc and Voc. 아 The Isc of m*n rib. ㄴ the Voc of the m*n rib. ㄷ The Isc of 2*m rib. d The Voc of the 2*m rib. 이 The Isc of n type. 에 The Voc of n type. 지 The D_f -transfer charge curve. 아 The F value curve

When calculating the D _f of various knit structures, the investigated knit structure states that the different knit structures have an unequal value which is non-integral dimension due to the different components of convex as demonstrated in Fig. 6g. As for Fig. 6g, this is the image of the transfer charge versus fractal dimension curve of diversity structures. The rib structure presents desirable output performance and the fractal dimension near the value of one. The TENGs based on structure-type knitted-textiles have a higher transfer charge than shape type and the value of D _f about the m*n rib type, 2*n rib type, and n type is in the range of 0–2, 0–1, and 1–2, respectively. Generally, the fractal dimension symbolizes the extent of surface roughness which is the roughness increasing with the large D _f . However, the shape-type fabrics are designed in horizontal cord with small line-contact area, so the roughness has little influence on the transfer charge.

In order to demonstrate the influence on D _f of convex structure homogeneity in rib structures, the random side length is chosen and calculated. The result exhibits as follow:

여기서 a is the length of the whole fabric, b is the width of the convex unit and is equal to the width of the whole fabric, l is the length of the convex unit, M is the number of the convex unit, N is the repeated multiple of self-similar units that is the length of convex units to the length of whole samples, and ε is the proportion of face loop and reverse loop, meaning the uniform of the convex distraction.

Then, the calculation of M 및 N can be used in the formulation (1-3), the result shows that obtained D _f is not the same with the D _f that is calculated based on the length of actualmeasurement as shown in Table 3. No matter how the raised structure is distributed, the value of D _f is affected by the practical length and number of cords.

It is noted that the fractal dimension of the 2*1 rib structure is close to the 1*1 rib reach at 0.99, and thus, the transfer charge is much the same as shown in Fig. 6g. The generated electrical-output performance shows the highest when the D _f is near the value of one. That has provided one guess if the fractal dimension can evaluate the surface morphology and character the output performance. To investigate the correlation of fractal and transfer charge, the difference between the fractal dimension and the value of one (named F value) has been illustrated in Fig. 6h. The operating results show a trend that is decreased F value can boost the much higher Voc, taking evidence for potential application of fractal dimension. However, the F value is regarded as an evaluation of the roughness structures, which needs to consider the properties of the primary loop of the structure. Then, the influence on transfer charge is discussed comprehensively. The sample of no. 4 and no. 6 has a similar F value, but the massive difference exists on both of output performance. The surface morphology of no. 4 shows the planar structure due to the same number of face and reverse loops, so the transfer charge is low. But no. 6 has prominent appearance due to the reverse loops over the face stitches and the generated large transfer charge when contacting and separating. Therefore, the selection and design of the knitted structure of the textile based on the F value highly improved the generated total electrical charge, which is an indispensable requirement for construct a high-effective flexible self-power device based on the knitted textiles.