유전체 분극을 통한 고성능 마찰전기 장치:검토

초록

마찰전기 효과에 기반한 에너지 수확 장치는 다양한 웨어러블 응용 분야에서 활용되고 있는 다른 나노발전기에 비해 높은 출력 성능으로 인해 큰 주목을 받았습니다. 작동 메커니즘에 따라 마찰 전기 성능은 주로 마찰 전기 재료의 표면 전하 밀도에 비례합니다. 마찰전기 재료의 표면 기능기 및 유전체 조성의 수정과 같은 다양한 접근 방식이 표면 전하 밀도를 향상시키기 위해 사용되어 마찰전기 성능을 향상시킵니다. 특히, 마찰전기 물질의 유전 특성을 조정하면 표면 전하가 마찰전기 물질의 비유전율에 비례하기 때문에 표면 전하 밀도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 상대 유전 상수는 전자, 진동(또는 원자), 방향(또는 쌍극자), 이온 및 계면 분극과 같은 유전체 분극에 의해 수정됩니다. 따라서, 이러한 분극은 유전상수 및 그에 따른 마찰전기 성능을 향상시키는 데 중요한 요소를 나타냅니다. 이 리뷰에서는 향상된 유전체 분극을 통한 마찰전기 성능의 개선에 대한 최근의 통찰력을 요약합니다.

소개

압전소자, 초전소자, 마찰전기소자는 물, 바람, 빛, 온도, 진동 등의 주변 환경으로부터 발전을 위한 에너지 하베스팅 소자로 큰 주목을 받고 있다[1]. 전원 외에도 이러한 장치는 전자 스킨, 의료 모니터링 장치 및 로봇 공학과 같은 다양한 응용 분야에서 자체 전원 공급 센서로 사용할 수 있습니다[2]. 그 중 마찰전기 소자는 두 개의 마찰전기 물질이 접촉될 때 상대적으로 더 높은 출력 성능을 보인다[3,4,5,6]. 생성된 마찰전기 신호는 전기 장치[7,8,9,10,11]를 직접 작동하거나 장치의 기계적 또는 화학적 자극을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다[4]. 마찰 전기 장치는 간단한 제작, 저렴한 비용, 우수한 출력 성능 및 다른 기술에 비해 유연성을 위해 간단하게 설계할 수 있어 자체 전원 웨어러블 응용 프로그램에 유리합니다[12].

마찰전기는 이종 마찰전기 물질 사이의 접촉 대전 및 정전기 유도로 인해 발생합니다. 기계적 접촉은 접촉 대전으로 인해 각 마찰 전기층에 보상된 반대 전하를 유도하고 기계적 분리는 정전기 유도로 인해 외부 회로를 통해 전류가 흐릅니다. 따라서 마찰전기 출력 성능은 마찰전기 레이어의 표면 전하에 직접적인 영향을 받습니다.

높은 마찰 전기 출력 성능을 위해서는 접촉 대전 시 효율적인 표면 전하 생성과 정전기 유도 시 효과적인 전하 이동이 필요합니다. 따라서 적절한 마찰 전기 접촉 쌍 재료를 선택하고 최적의 소자 구조를 설계하는 것이 중요합니다. 작동 메커니즘에 따라 유전체 재료를 마찰 전기 층으로 구성하는 4가지 유형의 마찰 전기 장치가 보고되었습니다[5]. 마찰전기 접촉 쌍 재료의 유형에 따라 두 가지 범주의 마찰전기 장치가 있습니다:유전-유전체 및 도체-유전체 접촉 모드 장치(그림 1a)[13]. 전자의 경우 두께가 d인 두 개의 유전체 플레이트 ₁ 그리고 d ₂ , 및 상대 유전 상수 ε _r,1 그리고 ε _r,2 , 각각은 마찰전기층으로 대면하여 적층되고 전극층은 외부 유전체 표면에 증착된다. 거리(x ) 두 마찰 전기 층 사이의 주기적인 기계적 힘에 따라 변화합니다.

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유전체 기반 마찰전기 장치 및 유전체 분극:a 유전체 대 유전체 및 도체 대 유전체 TENG에 대한 병렬 플레이트 접촉 모드 및 등가 회로도에 대한 이론 모델(Ref. [21]에서 재생산. Copyright 2014 Royal Society of Chemistry). ㄴ 실수(ε ') 및 허수부(ε) ") 계면, 배향, 이온 및 전자 분극 메커니즘을 갖는 폴리머에서 주파수의 함수로서의 유전 상수(Ref. [32, 33]의 허가를 받아 재생산. Copyright 2012 American Chemical Society)

결과적으로, 접촉된 마찰 전기층 표면은 반대 표면 전하를 갖지만 동일한 밀도(σ ) 접촉 전화를 통해. 마찰 전기 층이 거리가 멀어짐에 따라 서로 분리되기 시작하면 전위차(V )는 이동된 양/음 전하의 양(+Q)에 의해 두 전극 사이에 유도됩니다. /–Q ). 유사하게, 유전체 1 층이 없는 도체-유전체 접촉 모드에서 금속 1은 상부 마찰 전기층과 상부 전극 모두로 사용됩니다. 이 장치 구조에서 금속 1에는 두 부분의 전하가 있습니다. 마찰전하($S \times \sigma$)와 두 전극 사이에 전달된 전하(–Q ), 이에 따라 금속 1의 총 전하의 ($S\sigma - Q$)이 됩니다. 위에서 언급한 접촉 모드 마찰 전기 장치를 고려하면 출력 성능은 다음과 같이 전기 역학을 기반으로 도출할 수 있습니다[13]. $$V =- \frac{Q}{{S\varepsilon_{0} }}\left( {d_{0} + x\left( t \right)} \right) + \frac{\sigma x\left ( t \right)}{{\varepsilon_{0} }}$$ (1) $$\begin{정렬}&V_{{{\text{OC}}}} =\frac{\sigma \cdot x\left ( t \right)}{{\varepsilon_{0} }},\quad { }I_{{{\text{SC}}}} =\frac{{{\text{d}}Q_{SC} }} {{{\text{d}}t}},\\&{ }Q_{{{\text{SC}}}} =\frac{S\sigma x\left( t \right)}{{d_{ 0} + x\left( t \right)}},\quad { }d_{0} =\mathop \sum \limits_{i =1}^{n} \frac{{d_{i} }}{{ \varepsilon_{r,i} }}{ }\end{정렬}$$ (2)

유효 유전체 두께 d ₀ 유전체 d의 모든 두께의 합으로 정의됩니다. _나 상대 유전율로 나눈 값 ε _{저, 저} . 식을 기반으로 합니다. 2, 마찰전기 성능은 유전층의 표면 전하 밀도($\sigma$)에 직접적인 영향을 받습니다.

이전에는 마찰 전기 물질의 표면 개질 또는 고유전 물질의 도입이 표면 전하 밀도를 증가시키는 것으로 보고되었다. 표면 형태의 제어[14,15,16,17] 또는 하전 이온의 도입[18,19,20,21]과 같은 표면 개질은 마찰 전기 사이의 표면적 또는 마찰 전기 극성을 확대하여 표면 전하 밀도를 증가시킵니다. 쌍 레이어. 표면 특성을 조정하는 것 외에도 유전 상수의 증가는 유전층의 커패시턴스를 향상시켜 표면 전하 밀도를 증가시킬 수 있습니다[6, 22, 23]. 평행판 커패시터 모델에서 표면 전하 밀도는 다음과 같이 유전층의 커패시턴스와 관련될 수 있습니다[23,24,25].

$$\sigma=\frac{CV}S,\quad C=\frac{S\varepsilon\varepsilon_0}d$$ (3)

여기서 C 그리고 S 커패시턴스와 접촉 면적을 각각 나타냅니다. 식에서 3, 커패시턴스(C 유전 접촉 방식 마찰 전기 소자[6]에서 표면 전하 밀도를 향상시킬 수 있는 인자인 )는 유전 상수 및/또는 유전층의 두께 감소에 따라 증가하며, 표면 전하 밀도는 에 정비례합니다. 두께에 대한 유전 상수의 비율(ε /d ). 유사하게, 마찰전기소자에서 마찰유전체층의 커패시턴스는 다음 식과 같이 표현될 수 있다. 2:

$$C=\frac{Q_\text{SC}}{V_\text{OC}}=\frac{\varepsilon_0S}{d_0+x\left(t\right)}$$ (4)

예를 들어, 마찰 전기 장치에 다공성 유전층을 사용하는 것은 ε/d를 크게 향상시키는 효율적인 방법입니다. 유전율을 증가시키면서 동시에 유전층을 외부 압력으로 눌렀을 때 두께를 감소시킴으로써 동일한 마찰유전체층을 사용하더라도 표면전하밀도를 크게 향상시킨다[17, 23, 26, 27]. 따라서 마찰전기층의 유전상수는 마찰전기쌍 물질의 선택에 의해 결정되는 표면전위보다 표면전하밀도를 더 좋게 향상시키는 효과적인 인자이다.

마찰전기 재료의 유전율은 마찰전기 성능 향상에 중요한 요소이지만 유전율을 높이는 원리와 전략에 대한 포괄적인 논의는 없었다. 이전에 마찰전기 재료 및 그 작동 메커니즘을 포함한 마찰전기 장치에 대한 여러 우수한 리뷰가 보고되었습니다[3,4,5,6, 12, 21, 28, 29]. 그러나 현재까지 유전체 유도 마찰전기 장치에 대한 연구는 소수에 불과합니다. 여기에서 유전체 분극의 기초를 소개하고 마찰 전기 장치의 출력 성능이 제어된 유전체 분극을 가진 유전체 재료의 설계에 의해 크게 제어되고 향상될 수 있음을 보여줍니다.

향상된 마찰전기 성능을 위한 유전체 분극

유전율(또는 비유전율)은 물질의 유전 분극을 통해 인가된 전기장이 감소하는 요인으로 정의되며, 이는 유전 첨가제의 도입 또는 화학 구조의 변형을 통해 유전 물질을 엔지니어링함으로써 향상될 수 있으며, 다양한 유전 현상에 유전 분극은 전자, 진동(또는 원자), 방향성(또는 쌍극성), 이온 및 계면 분극으로 나눌 수 있습니다(그림 1b)[30,31,32,33]. 전자 및 원자 분극은 외부 전기장과 반대 방향의 원자에서 음의 전자와 양의 핵의 왜곡에 의해 유도되어 적외선 주파수(> 100GHz) 이상의 공진 영역에서 발생하는 전기 쌍극자 모멘트를 획득합니다. 반도체와 같은 편광 기반 재료는 1GHz 미만의 유전 손실이 없기 때문에 몇 Hz에서 1GHz 범위의 실제 응용 분야에 가장 적합합니다. 그러나 대부분의 유기 고분자는 분자 결합의 본질적인 특성으로 인해 반도체 재료보다 유전 상수가 낮습니다(<10). 전자 및 원자 분극을 유도할 수 없습니다. 폴리머에서 전자 및 원자 분극을 추가로 유도하기 위해 폴리머 사슬 구조는 기본 폴리머 조성보다 분극 가능한 전자를 가진 더 큰 원자(예:Si, Ge 또는 Sn)를 포함해야 합니다[34,35,36]. 폴리실록산이나 그 유도체와 같은 Si계 고분자가 합성되지만 유전상수는 3~4 이하이다. 따라서 절연성 고분자에서 전자/원자 분극을 증가시키는 것은 어렵다.

폴리머에서 전자 및 원자 분극은 고유한 분자 결합 구조로 인해 유전 상수를 높이는 것으로 제한되는 반면, 다른 쌍극자, 이온 및 계면 분극은 유전 상수를 향상시키기 위해 활용될 수 있습니다. 쌍극자(배향) 분극은 상 구조(비정질 또는 결정질), 온도 및 주파수(보통 <10MHz)에 의해 영향을 받는 나노입자 또는 쌍극자 부분을 포함한 나노복합체 또는 고분자의 영구 분자 쌍극자 모멘트의 재배향으로 인해 발생합니다. 32, 33]. 쌍극자 구조의 변형은 쌍극자 유리, 강유전성 및 이완기 강유전성 폴리머의 제조를 가능하게 합니다[30]. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 유도체의 쌍극자 배향은 β -상, 그에 따라 유전 상수를 증가시켜 마찰전기 성능을 향상시킵니다[37, 38]. 이온 분극은 외력 하에서 양전하와 음전하를 띤 이온 사이의 상대 변위에 의해 발생할 수 있습니다[30, 39]. 따라서 이온성 분극을 통해 용량성 성능을 향상시키기 위해 이온성 성분을 가진 폴리머를 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 하이드로겔의 이온 성분(예:NaCl 및 LiCl)은 외부 필드에서 분극되어 전기 이중층을 형성하여 마찰 전기 성능이 향상됩니다[40,41,42,43]. 계면 분극은 유전체 복합 재료의 계면에서 공간 전하의 재구성에 의해 유도됩니다[30, 31]. 따라서 계면 분극은 반결정질 폴리머, 폴리머 블렌드 또는 높은 k - 또는 전도성 나노충전제. 최근에는 높은 k 순 유전 상수를 향상시켜 표면 전하 밀도를 향상시켜 마찰 전기 성능을 향상시키는 나노 입자는 마찰 전기 장치에 사용되었습니다 [23, 44, 45]. 다음 섹션에서는 유전 상수의 증가를 통한 마찰 전기 출력 성능의 향상을 보여주는 몇 가지 예를 소개합니다.

고유전율 나노입자/고분자 복합재료의 계면 분극

고유전율 나노입자는 고분자와 나노입자 사이의 계면에서 분극으로 인해 고분자 나노복합체의 유전상수를 향상시키기 위해 활용된다. 무기물(예:티탄산바륨(BaTiO₃) ) 나노입자 및 나노와이어) 또는 전도성(예:금속 나노입자, 탄소 나노튜브 및 그래핀) 나노물질은 순 유전상수를 증가시키기 위해 폴리머 매트릭스에 널리 사용되며, 다양한 첨가제를 포함하는 폴리머 복합체는 베이스 폴리머보다 유전상수가 더 높기 때문에 개선된 마찰전기 공연. Chen et al. high-k를 포함한 스펀지형 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름 나노입자(SiO₂ , TiO₂ , BaTiO₃ 및 SrTiO₃ ), 마찰전기 성능을 향상시키기 위해(그림 2a) [23]. 왜냐하면 SrTiO₃ SrTiO₃를 포함하는 PDMS는 다른 것보다 높은 유전율을 나타냅니다. 더 높은 유전 상수를 나타냅니다. 이는 PDMS와 SrTiO₃ 사이의 경계면에서 공간 전하 분극으로 인해 발생할 수도 있습니다. 입자. 특히, 증가된 ε를 통한 커패시턴스의 증가로 마찰전기 출력 성능이 향상됩니다. _r /d _PDMS 연락 과정에서. 유전체 나노입자 외에도 Al-doped BaTiO₃와 같은 다양한 고유전율 물질 및 CaCu₃ Ti₄ O₁₂ , 마찰 전기 층에 적용되어 유전 상수가 향상되고 결과적으로 마찰 전기 성능이 향상됩니다(그림 2b) [44, 45]. 다른 한편으로, 전도성 물질의 추가는 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 구조의 형성을 가능하게 하고, 이는 폴리머 매트릭스와 첨가제 사이의 계면에서 공간 전하 축적을 유도할 수 있다. 이러한 유형의 계면 분극은 폴리머와 전도성 첨가제 사이의 전도도 차이가 더 크기 때문에 발생합니다.

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유전율이 높은 나노입자/고분자 복합재료의 계면 분극으로 향상된 마찰전기 성능:a 유전체 나노입자/스폰지 PDMS 복합 기반 마찰전기 나노발전기(Ref. [23]의 허가를 받아 재생산. Copyright 2016 American Chemical Society). ㄴ 마찰층으로 P(VDF-TrFE) 및 PDMS-고유전체 입자 복합 필름을 사용한 접촉 분리 모드 마찰전기 나노발전기(Ref. [45]에서 재생산. Copyright 2018 Royal Society of Chemistry)

따라서 금속 또는 탄소 기반 재료를 사용한 고분자 복합 재료는 순수 고분자에 비해 유전 상수가 증가하여 표면 전하 밀도가 향상되고 결과적으로 마찰 전기 성능이 향상됩니다(그림 3)[6, 46]. 유전율이 높은 고분자 복합재료는 마찰전기 음극재로 널리 사용되지만 출력 성능을 향상시키는 데에는 몇 가지 한계가 있다. 감소된 표면 마찰 영역 [23, 49], 결과적으로 출력 성능이 감소합니다. (2) 응집된 나노입자가 폴리머와 나노입자 사이의 계면 면적 감소를 통해 계면 분극을 방해하기 때문에 첨가제는 계면 분극을 개선하기 위해 폴리머 매트릭스에 균일하게 분산되어야 합니다.

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금속 또는 탄소 기반 재료를 사용한 고분자 복합 재료의 계면 분극으로 향상된 마찰 전기 성능:a GPs@PDMS 복합 기반 마찰전기 나노발전기(Ref. [82]에서 재생산. Copyright 2015 Royal Society of Chemistry). ㄴ 샌드위치된 유전체 스택이 있는 액체-금속 함유 기반 마찰전기 나노발전기(Ref. [48]에서 재생산. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry)

다층 고분자 필름의 계면 편광

랜덤상 나노입자/고분자 복합체의 경우 나노입자의 양과 분산을 정밀하게 제어해야 하기 때문에 계면분극 제어가 어렵다[30]. 다층 유전체에서 계면 분극은 모든 계면이 전기장에 수직이기 때문에 다층 계면에서 균일한 공간 전하 축적과 향상된 유전 상수를 초래하기 때문에 쉽게 제어될 수 있습니다. 다층 폴리머 유전체는 이종 폴리머 층 사이의 계면 분극을 통해 유전 상수를 향상시키기 위해 널리 조사되었습니다[50]. 계면 분극은 유전율과 전기 전도도가 외부 필드에서 큰 차이를 보이는 두 이종 물질 사이의 계면에 공간 전하(전자와 이온)가 축적될 때 발생합니다[30]. Kim et al. [51] 및 Feng et al. [52]는 마찰전기 출력 성능에 대한 비유전율의 차이가 더 큰 이중층 필름의 효과를 보여주었습니다(그림 4a,b). 도전층과 전극 사이에 더 낮은 유전층을 추가하면 유전막에 전하 트래핑 또는 저장이 발생하여 전하 밀도가 증가합니다. 전하 축적은 PVDF와 절연 필름 사이의 유전율 또는 전도도의 큰 차이를 통해 이중층 필름 계면에서 증가된 분극으로 인해 발생할 수 있습니다. 한편, 우리 그룹은 출력 성능에 대한 서로 다른 불소 단위와 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 절연층을 갖는 폴리머로 구성된 이중층 필름의 효과를 입증했습니다(그림 4c)[53]. 특히, 측쇄에 3개의 불소 단위를 갖는 플루오르화 중합체(poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate), PTF)는 유전율이 낮은 PET 기판에 코팅되어 유전율이 증가하는데, 이는 개선된 유전율로 인한 것이다. 반결정질 PTF와 PET 사이의 계면에서의 계면 분극. 결과적으로, PTF-PET는 다른 플루오르화 고분자 필름보다 더 높은 마찰전기 성능을 나타냈다. 위에서 언급한 결과에 기초하여, 이종 유전체 다층 필름은 유연하거나 웨어러블 장치의 마찰전기 성능을 향상시키는 견고한 설계가 될 수 있습니다.

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다층 폴리머 필름에서 계면 분극으로 향상된 마찰전기 성능:a 다양한 PDMS 중간층 두께를 갖는 PVDF/PDMS 이중층과 나일론 6/PDMS 이중층으로 구성된 마찰전기 나노발전기(Ref. [51]에서 수정. Copyright 2018 Elsevier). ㄴ 전하 저장을 위한 전이층으로 PI가 있거나 없는 마찰전기 나노발전기(Ref. [52]에서 수정. Copyright 2017 Elsevier). ㄷ 다양한 종류의 불소 단위를 포함하는 불소화 고분자 기반 이중층 마찰전기 나노발전기(Ref. [53]에서 재생산. Copyright 2018 Elsevier)

이온 폴리머 젤의 이온 극성

불순물 이온을 제외한 이온 성분을 포함하는 고분자 매트릭스에서 이온 분극은 고분자 전해질과 전극 사이의 계면에서 EDL(Electric Double Layer)의 형성을 촉진하여 유전율을 향상시킨다[30, 39, 54]. 극성은 종종 커패시터(예:슈퍼커패시터 또는 EDL 커패시터) 및 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 사용됩니다[55]. Helmholtz 방정식에 따르면 커패시턴스는 C ≈ kε로 표현될 수 있습니다. ₀ /λ , 여기서 k , ε ₀ , 및 λ 는 각각 EDL의 유효 유전율, 진공 유전율, Debye 스크리닝 길이(또는 이중층의 두께)입니다. 마찰 전기 장치에서 고분자 재료의 대칭 또는 비대칭 이온 쌍 및 이온성 액체와 같은 이온 성분이 종종 사용됩니다. 폴리(비닐 알코올)(PVA)은 폴리머 골격에 있는 하이드록실 그룹 때문에 음의 마찰 전기 물질의 한 유형이기 때문에 다른 유형의 이온 쌍과 상호 작용할 수 있습니다. 외부 전기장이 인가되면 양이온과 음이온 사이의 상대적인 변위에 의해 이온 분극이 발생하여 마찰 전기층 사이의 계면에서 EDL 형성에 기여한다. Ryuet al. [43]은 각각 양극 또는 음극 마찰전기층으로 대칭 또는 비대칭 이온을 갖는 PVA 기반 고체 고분자 전해질(SPE)을 준비했습니다(그림 5a). 깨끗한 PVA와의 접촉 과정 후 다양한 유형의 이온 도핑 효과에 의해 다양한 표면 전위가 체계적으로 측정되었습니다. 예를 들어, SPE는 인산(H₃ PO₄ ) 음이온이나 염화칼슘보다 양이온이 더 많습니다(CaCl₂ ) 양이온 또는 음이온이 추가 전자 충전 또는 비점유 상태를 생성하기 때문에 각각 양이온보다 음이온이 더 많습니다. 실제로, 붕사 용액이 포함된 PVA 또는 염화리튬이 포함된 폴리(아실아미드)로 구성된 이온 전도체가 생체역학적 에너지 수확 및 촉각 감지 응용 분야에 적용되어 EDL 형성을 통해 마찰전기 성능을 향상시키는 것으로 나타났습니다(그림 5b)[41, 42, 56]. 유사하게, Zou et al. [40] 전기 뱀장어의 전해질 세포막에 있는 이온 채널의 구조에서 영감을 받아 Elastomer Ecoflex와 염화나트륨(NaCl) 용액으로 구성된 생체 공학 신축성 나노발전기를 제작했습니다. 흐르는 액체를 통한 마찰 대전 효과와 극성 이온을 통한 정전기 유도 효과를 결합하여 장치는 10V 이상의 개방 회로 전압으로 수중 인간의 움직임으로부터 기계적 에너지를 수확합니다. 또한 Lee et al. [56]은 나노발전기를 이온성 액체와 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)으로 구성된 이온 겔 유닛에 연결했을 때 마찰전기 성능을 조사하여 극성화된 이온의 큰 이완 시간 때문에 넓고 느린 전압 프로파일을 만들었다. (그림 5c). 이온 겔 기반 마찰전기 장치는 초신축성, 투명 및 방수 웨어러블 장치의 제조를 가능하게 하지만 장치는 이온 누출을 방지하기 위해 엘라스토머 매트릭스로 캡슐화되어야 합니다.

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이온성 폴리머 겔에서 이온 분극으로 향상된 마찰전기 성능:a 다양한 종류의 이온을 포함하는 PVA 기반 SPE 마찰전기 나노발전기(Ref. [43]의 허가를 받아 재생산. Copyright 2017 Wiley–VCH). ㄴ 탄성체와 이온성 하이드로겔(PAAm-LiCl)을 각각 대전층과 전극으로 혼성화하여 생체역학적 에너지 수확과 촉각 감지를 모두 가능하게 하는 부드러운 피부와 같은 마찰전기 나노발전기(CC-BY-NC 4.0 라이선스 조건에 따라 재생산됨. Ref. [41] Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science). ㄷ 마찰전기 나노발전기와 이온겔 유닛으로 구성된 마찰전기 이온겔 시스템(Ref. [56]에서 재생산. Copyright 2018 Elsevier)

강유전체 PVDF 파생물의 쌍극자 분극

쌍극자(방향성) 분극은 폴리머 사슬의 상 구조에서 정렬된 쌍극자를 통해 증가된 쌍극자 모멘트로 인해 발생하는 낮은 유전 손실로 유전 상수를 향상시키는 또 다른 전략입니다. 전형적인 예는 PVDF 및 그 파생물입니다. 폴리머는 단방향 β 이후 영구 쌍극자 모멘트를 갖습니다. -상이 형성되어 유전 상수가 증가하고 결과적으로 마찰 전기 성능이 향상됩니다. Chenet al. [37]은 PVDF-은 나노와이어(AgNW) 복합 나노섬유를 기반으로 한 고성능 마찰전기 나노발전기를 시연했다(그림 6a). PVDF에 AgNW를 도입하면 β - α 단계 -AgNW와 PVDF 분자 사슬 사이의 상호 작용을 통해 위상이 증가하여 유전 상수가 개선되어 PVDF-AgNW 유전층에서 전하 트래핑이 가능합니다. 금속 소스 외에도, Seung et al. [38] 반도체 나노입자 도입(BaTiO₃ )를 강유전성 공중합체 매트릭스(폴리(비닐리덴플루오라이드-트리플루오로에틸렌), PVDF-TrFE)로 변환합니다(그림 6b). 기존의 폴리테트라플루오르에틸렌 기반 마찰전기 나노발전기보다 150배 이상 큰 폴링 공정 이후 마찰전기 성능이 크게 향상됐다. 불균일 고분자 복합 재료와 달리 우리 그룹은 최근 강유전성 다층 나노 복합 재료가 마찰 전기 성능에 미치는 영향을 입증했습니다(그림 6c)[57]. PVDF-TrFE와 BaTiO₃ 교대로 구성된 다층 유전체 필름 레이어는 순수 PVDF-TrFE 필름(13.9) 및 단일 PVDF-TrFE/BaTiO₃보다 높은 유전 상수(17.1)를 나타냅니다. 나노복합체(15.9)는 다층 유전체 필름(그림 4) 섹션에서 설명한 대로 공중합체와 나노입자 층 사이의 계면 분극으로 인해 발생합니다. 순차적으로 단일층 필름에 비해 마찰전기 출력 성능이 증가합니다. 강유전성 고분자 나노복합체는 높은 강유전성 분극을 통한 유전상수 증가로 마찰유전성 출력 성능을 향상시키지만 첨가제의 침투 임계값으로 인해 출력 성능을 높이는 데는 한계가 있다.

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강유전성 PVDF 합성물의 쌍극자 분극에 의해 강화된 마찰전기 성능:a 전기방사법을 통해 제조된 PVDF-AgNW 합성물 및 나일론 나노섬유를 기반으로 한 마찰전기 나노발전기(Ref. [37]의 허가를 받아 재생산. Copyright 2018 Wiley-VCH). ㄴ 강유전성 복합 기반 마찰전기 나노발전기(Ref. [38]의 허가를 받아 복제됨. Copyright 2017 Wiley–VCH). ㄷ 다층 PVDF-TrFE/BTO 기반 마찰전기 나노발전기(Ref. [57]의 허가를 받아 복제됨. Copyright 2020 American Chemical Society)

반면에 쌍극자 모멘트는 -CN, -NO₂와 같은 극성 단일 분자[58]를 도입하여 수정할 수 있습니다. 및 -SO₂ – 또는 폴리스티렌, 폴리(2-히드록시에틸 메타크릴레이트) 및 폴리(도파민 메타크릴아미드)를 포함한 극성 중합체 [59,60,61], 중합체의 자유 부피에서 쌍극자의 회전을 허용하여 유전 상수. 쌍극자 분극은 최근 고분자 측쇄에 쌍극자 모멘트가 큰 극성기를 부착하여 마찰전기 물질의 유전상수를 높이는 데 활용되고 있다[22]. Lee et al. PVDF-그라프트 공중합체는 마찰전기 출력 성능을 현저히 증가시키는 것으로 나타났습니다(그림 7). 서로 다른 그래프트 비율을 가진 폴리(tert-부틸 아크릴레이트)(PtBA)가 PVDF 사슬에 도입되어 PtBA의 π-결합 및 극성 에스테르 그룹에 의해 쌍극자 모멘트가 향상되어 유전 상수와 마찰전기 출력 성능이 향상되었습니다. 그라프팅 폴리머에 추가하여, 나노구조 도메인을 갖는 폴리머 유전체는 쌍극자 배향성 분극성에 의해 유전 상수를 증가시킨다[62]. Although polymer-based dielectric materials have some advantages, such as solution processability and flexibility, few studies wherein such a polarization in triboelectric devices is employed have been reported so far.

Triboelectric performances enhanced by dipolar polarization in PVDF-graft copolymer:PVDF-grafting polymer-based triboelectric nanogenerator. 아 Dipole moments of bare PVDF and PVDF-g -PtBA and b their dielectric properties and triboelectric performances (Reproduced under the terms of the CC-BY-NC 4.0 license. Ref. [22]. Copyright 2017, The American Association for the Advancement of Science)

Conclusions and Outlooks

Self-powered wearable and implantable electronic devices are essential, especially since the development of Internet-of-Things (IoT) technology. Since the triboelectric effect is one of the most frequently experienced phenomena in everyday life, triboelectric devices are a promising energy harvester for self-powered wearable devices combined with other types of applications. In the development of the IoT industry, electronic devices require miniaturization and multifunctionality, which need high output performances. Although triboelectric devices with high output performances have been developed by employing device structures with combined working modes [63,64,65], it is necessary to enhance the output performance for multiple devices.

Until now, research has been focused on the development of triboelectric pair materials (usually negative triboelectric materials), whereas dielectric tribo-materials have rarely been investigated. As dielectric materials have the potential to enhance triboelectric performances according to the relationship between the surface charge density and dielectric constant, the invention of triboelectric materials based on various polarization mechanisms enables the development of high-powered wearable devices, which can be achieved as follows:

Because a variety of high-k dielectric materials have been synthesized by controlling the structural factor [66] or chemical doping [67, 68], there are several candidates to increase the dielectric constant of polymer composites. Moreover, the surface modification of dielectric nanomaterials for homogeneous dispersion in the polymer matrix [69, 70] and the control of the dielectric structure (e.g., heterostructured multilayer composites [30, 31, 71, 72] or dielectric composites with aligned conductive materials [73, 74]) have been investigated to increase dielectric properties. However, few approaches have been utilized in triboelectric devices to enhance the output performance. The high compatibility or alignment of additives in the polymer matrix will enable an increase in the interfacial area or reduce the leakage current, which leads to the enhancement of the dielectric constant and the resultant output performance.

In addition to dielectric polymer nanocomposites, modifying polymer chain structures can enhance the dielectric properties because of the dipolar polarization through the improved dipole moments. Until now, polymeric materials with high dielectric constants have been synthesized by grafting polarizable components [58, 60] or by engineering nanostructures [61, 62, 75, 76], which increases the dielectric constant by dipolar polarization. Polymer-based dielectric materials are good candidates for use as triboelectric materials because of their physical properties, such as flexibility and solution-processability, which facilitate the development of printable triboelectric devices for next-generation wearable applications.

In addition to dielectric polarization, an electric poling process that can induce dipole realignment under a strong electric field can be another approach to improve the dielectric constant, which subsequently enables the enhancement of triboelectric performances [77,78,79,80]. Recently, self-poling methods have been applied to considerably improve ferroelectric properties via the shear-induced process [81] in piezoelectric generators, although the output performance remains lower than that of the triboelectric generators. The mechanism, combined with dielectric polarization and self-poling in dielectric composites, can be a synergistic effect to significantly improve the dielectric constant, leading to a remarkable enhancement of triboelectric performances.

Most studies have focused on negative triboelectric materials. Because triboelectric performance arises from the contact electrification between the positive and negative triboelectric layers, the positive triboelectric materials are an important factor toward enhancing output performances. Polarization-induced triboelectric pair materials can promote the development of triboelectric devices with significantly enhanced output performances, which facilitates practical applications requiring high-output power, such as smart wearable devices and portable IoT devices.

데이터 및 자료의 가용성

해당 없음.

약어

EDL:: 전기 이중층
PDMS:: 폴리디메틸실록산
PET:: 폴리에틸렌 테레프탈레이트
PtBA:: Poly(tert-butyl acrylate)
PTF:: Poly(2,2,2-trifluoroethyl methacrylate)
PVA:: Poly(vinyl alcohol)
PVDF:: 폴리불화비닐리덴
SPE:: Solid polymer electrolyte

아미노가 접목된 폴리아크릴로니트릴 섬유에 은 나노입자의 제자리 합성 및 항균 활성 유전체 변조 이중 소스 트렌치 게이트 TFET 바이오센서의 시뮬레이션 및 성능 분석

나노물질