표면 형태 분석을 통한 니트 구조 트라이보일렉트릭 나노발전기의 전하 이동 향상

초록

버려지는 생체역학적 에너지를 수확하는 것은 웨어러블 기기의 전력 보충을 개선하여 사용 수명을 연장하는 유망한 접근법을 제공합니다. 표면 형태는 트라이보일렉트릭 나노발전기(TENG)의 출력 성능 향상에 중요한 요소이나, 표면 형태와 전력 생성에 미치는 영향을 평가하는 데 한계가 있습니다. 표면 형태와 이동 전하 간의 관계를 평가하기 위해, 불규칙한 표면 형태의 특성을 분석하기 위한 수학적 이론인 프랙탈 기하학 이론이 제안되었습니다. 이 이론은 접촉 면적과 표면 거칠기에 대한 좋은 이해를 제공했습니다. 우리는 평편 직기(flat knitting machine)를 사용하여 코드 외관을 가진 세 가지 범주의 니트 구조를 설계하고 표면 특성을 분석했습니다. 한편, 기하학적 구조는 프랙탈 차원을 통해 입증되어 접촉 및 분리 시 생성된 출력 성능을 평가할 수 있습니다. 본 연구는 니트 단위 수가 증가함에 따라 사용 가능한 접촉 면적이 감소하여 트라이보일렉트릭 발전 성능이 지속적으로 감소함을 보여줍니다. 다양한 니트 구조의 프랙탈 차원을 계산한 결과, m*n 립 구조가 프랙탈 차원이 1에 가까울 때 높은 이동 전하를 보이며, 특히 1*1 립 구조의 프랙탈 차원은 0.99에 도달할 수 있습니다. 프랙탈 이론은 균일한 볼록 단위 분포와 무관하게 불규칙한 표면 형태가 출력 성능에 미치는 영향을 평가하는 접근법으로 더욱 활용될 수 있습니다. 이 연구 결과는 니트 기반 트라이보일렉트릭 나노발전기가 의류에 통합된 휴대용 전자기기 구동을 위한 생체역학적 에너지 수집에 실현 가능함을 입증했습니다.

서론

첨단 지능 기술이 전 세계를 휩쓸며 건강 추적 센서[1, 2], 제스처 감지 장치[3,4,5,6], 전자 피부(E-skins)[7, 8], 유연 회로[9, 10], 광섬유 웨어러블[11, 12] 등 새로운 유연 스마트 웨어러블 기기를 탄생시켰습니다. 그러나 무거운 무게, 낮은 변환 효율, 심각한 환경 오염, 짧은 배터리 수명 등의 단점으로 인해 전력 보충은 전자 기기 개발의 엄청난 한계입니다. 2012년 첫 트라이보일렉트릭 나노발전기(TENG)가 성공적으로 개발된 이래[13], 작은 규모, 경량, 다양한 소재, 안전성, 환경 친화성[14], 높은 효율 등의 특성을 바탕으로 위 난제를 해결할 유망하고 효과적인 전략을 제공했습니다. 접촉 대전과 정전 유도의 결합 효과를 통해 작동하는 TENG의 급속한 등장과 함께[15], 우리 주변 특히 저주파 및 불규칙한 움직임(바람[18, 19], 물방울, 인체 움직임, 생체역학적 에너지 등[20,21,22])으로부터 기계적 동력을 얻는[16, 17] 바람직한 접근법 중 하나로 확립되었습니다. 또한 데이터 전송[23,24,25]과 사물인터넷(IoT)[26]에서의 전력 보충을 실현합니다. 웨어러블 기기의 경우, 직물은 구조적 유지력과 내피로성, 부드러움, 통합성, 높은 다공성으로 인해 최적의 기판으로 간주됩니다. 지금까지 트라이보일렉트릭 나노발전기와 전통 직물의 통합[27,28,29,30,31,32,33]은 자가 구동 유연 센서[34], 웨어러블 에너지 하베스터, 직물 기반 에너지 저장 시스템 등 인간 중심 웨어러블 기기의 유망한 후보 중 하나입니다. 또한 기존 직물에 기능성, 지능성, 고부가가치를 부여했습니다. 직물 기반 전자 기기는 일상 사용을 위한 경량, 저렴, 편안, 통기성, 휴대성, 오래 지속, 세탁 가능 등의 요구 사항을 충족합니다. 또한 다양한 색상과 풍부한 패턴 디자인으로 직물을 제작하기 쉬워 지능형 직물의 매력을 더합니다. 특히 작은 변형과 큰 변형을 가진 니트 직물은 신호 생성에 민감하여 유연 센서에 이상적이며, 움직임 저항을 극복하고 에너지 손실을 줄입니다[35]. 또한 니트 직물의 마찰과 변형은 트라이보일렉트릭 나노발전기 구축에 흥미로운 의견을 제시하는 일반적인 현상입니다.

알다시피 표면 형태 수정은 TENG의 출력 성능 향상에 중요한 접근법입니다[36,37,38,39]. 대부분은 사용 가능한 접촉 면적과 표면 거칠기를 증가시키는 것을 목적으로 합니다. 표면 형태를 변경하는 두 가지 주요 방법이 있는데, 하나는 표면 에칭이고 다른 하나는 표면 복제입니다. 그러나 고비용, 제한된 처리 영역, 다단계 제조 기술로 표면 외관을 생성하는 것은 산업 생산에 어렵습니다. 여기서 Li 등[40]은 사포에서 박리한 표면 미세구조를 가진 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름을 조사했는데, 이는 표면 거칠기 차이를 제조하기 위한 원스텝 저비용 방법이었습니다. 실험 결과 3D 광학 표면 프로파일로 감지된 3000 거칠기 등급에서 최대 46.52V의 출력이 생성됨을 보였습니다. 게다가 너무 많은 미세구조는 유효 접촉면을 심각하게 감소시켜 전력 성능 저하를 초래할 수 있습니다. TENG의 크기는 사포 면적에 의해 제한되어 제조 비용을 증가시켰습니다. 요즘 직물 구조는 복잡한 제조 공정과 높은 비용 없이 풍부한 표면 외관을 형성할 수 있어[38] 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 직물 표면 외관을 완전히 이해하기 위해 실 외관, 직물 물리적 매개변수, 니트 구조 등 고유한 구성 요소와 구조적 특징 측면에서 몇 가지 요소를 고려해야 합니다. 그런 다음 Kwak 등[41]은 신장 시 세 가지 구조(평직, 이중직, 립 직물 구조)의 접촉 면적을 조사하고 전위 향상에 대한 기여를 논의했습니다. 립 직물은 최대 30%까지 신장될 수 있어 접촉 면적을 180cm²까지 확대할 수 있다는 점이 주목할 만합니다. 중간 영역의 존재에 따라 립 직물은 크게 신장될 수 있어 접촉 면적 증가로 더 높은 전위를 얻을 수 있습니다. 직물 구조의 주요 요소로서 루프의 특성이 분석되었으며 이는 표면 외관에 영향을 미치는 중요한 요소이기도 합니다. Huang 등[42]은 직물의 기본 매개변수(루프 다리, 루프 싱커, 직물 밀도 등)가 출력 성능 차이에 미치는 영향을 확인하는 데 초점을 맞췄습니다. 큰 스티치 밀도 직물 기반 TENG는 80MΩ에서 최대 203mW m⁻²의 피크 전력 밀도를 생성할 수 있어 더 큰 유효 접촉 면적을 만듭니다. 결과는 다양한 직물 구조의 표면 형태가 전기 출력 능력에 영향을 미침을 보였습니다. 수명을 연장하기 위해 더 많은 에너지를 수확하기 위해 3D 이면 인터록 스티치 직물[43]이 이중 바늘 평편 직기로 제직되었는데, 이는 앞뒤 면에서 동일한 출력 성능을 보였습니다. 또한 3D 직물 구조 기반 TENG는 200MΩ 외부 저항에서 3.4mW m⁻²의 높은 전력 밀도를 생성하여 에너지 수확 능력이 향상되었음을 입증했습니다. 그러나 위에서 언급한 표면 외관은 표면의 기하학적 모양에 대한 묘사가 거의 없으며, 생성된 이동 전하에 대한 요인은 여전히 구체적인 설명이 부족합니다. 불규칙한 형태를 특성화할 보편적인 방법이 없어 불규칙한 형태에 대한 평가를 찾아야 합니다. 따라서 현재 트라이보일렉트릭 나노발전기에서 이동 전하를 완전히 이해하는 데 한계가 있습니다.

표면 분석의 목적은 직물의 기하학적 구조를 특성화하는 것이며, 접촉법과 광학법 두 가지 접근법으로 테스트할 수 있습니다[44]. 접촉법은 표면 형태를 잘 설명할 수 있지만 시간이 훨씬 더 오래 걸리고 바늘이 표면에 흔적을 남깁니다. 광학법은 짧은 측정 시간, 표면 손상 낮음, 쉬운 감지 등의 이점으로 표면 거칠기 감지에 사용되어 왔습니다. 그러나 거짓 간극과 높은 수준의 노이즈는 실제 표면 형태에 대한 판단을 저하시킬 수 있습니다.

수학적 도구는 표면 거칠기의 정도를 정량화하는 데 사용될 수 있는 이론 분석입니다. 불규칙한 표면을 평가하는 새로운 접근법입니다. 이러한 고르지 않은 표면에서는 유클리드 기하학의 기존 수학적 방법을 사용할 수 없습니다. 선분 길이와 물체 무게 등 정량적 기하학적 차원과 측정 정확도를 판단하기 정말 어렵기 때문입니다. 그러나 자연에서 불규칙한 구조를 설명하기 위해 만델브로트가 명명한 프랙탈 기하학은 이 문제를 해결하고 불규칙성을 정의하는 데 제공되었습니다[45]. 예를 들어 거품의 물리적 특성[46]과 직물 평활도 평가[47] 등입니다. 거의 모든 거친 표면은 일부 자기 유사 부분으로 나눌 수 있으며, 이는 비정수 차원인 프랙탈 차원(D_f)으로 묘사될 수 있습니다. 다양한 기하학적 표면을 기반으로 D_f의 값은 트라이보일렉트릭 나노발전기 설계에서 거칠기와 유효 접촉 면적에 영향을 미치는 것으로 고려되고 분석되어야 하며, 인체 움직임을 전기로 변환하는 용량을 최적화합니다.

여기서 우리는 유전체 층 중 하나로 채택된 니트 구조 기반의 다양한 표면 형태를 제시합니다. 니트 직물 기반 TENG는 상용 실과 산업용 편직기를 사용하여 제조되었으며, 이는 대량 생산과 실용적 응용을 실현할 수 있습니다. 손 흔들림 동작을 모방하기 위해 TENG는 접촉-분리 작동 모드(CS)로 설계되었는데, 이는 가장 단순한 작동 메커니즘입니다. 니트 구조는 구조 설계와 형상 기반 볼록-오목 표면 형태 두 가지 접근법으로 형성됩니다. 니트 구조의 다양성으로 인해 결과적인 표면 외관은 니트 구조와의 관계를 확인하기 위해 체계적으로 조사되고 분석될 수 있습니다. 모든 직물의 D_f는 적절한 프랙탈 원리를 통해 계산되어 직물 표면의 거칠기를 평가할 수 있습니다. 1*1 립의 표면 외관에서 흔들림 및 해제 동작으로 최대 이동 전하는 91.66nC에 도달할 수 있으며, 이는 0.99의 프랙탈 차원을 얻습니다. 그리고 D_f 값이 숫자 1에 가까워질수록 이동 전하가 더 높을 수 있다는 흥미로운 현상이 나타납니다. 마지막으로 프랙탈 이론과 니트 구조를 사용하면 이동 전하를 정량적으로 평가하는 효과적인 방법을 제공할 수 있으며, 더 효율적이고 산업 생산 가능하며 저렴한 비용의 니트 직물 기반 TENG 설계에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

재료 및 방법

재료

나일론 원사(dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.)를 15게이지(needle/inch)의 전신기(SHIMA Seiki Co., Japan)에서 두 종류의 립 직물과 볼록 직물로 편직했습니다. 두께 0.05cm의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름(Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.)을 사용했습니다. 니트 직물 뒷면에 부착된 구부리고 꼬인 전극은 두께 0.06mm의 상용 구리 호일(Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd)로 극성 전하 이동용입니다.

니트 직물 및 니트 직물 기반 트라이보일렉트릭 나노발전기 제조

대표적인 편직 방법인 위편 기술은 직물에 높은 신축성[48], 저비용, 심미적 성능을 쉽게 부여할 수 있습니다. 위치 편직의 장점으로 파워 직물을 추가 봉제 기술 없이 의류에 통합할 수 있습니다. 표 1에 묘사된 10개의 볼록-오목 텍스처가 설계되었습니다. 표면 형태와 이동 전하 간의 관계를 입증하기 위해 경도 방향과 횡방향 코드를 직물 표면에 편직했습니다. 그래서 표 1에 10가지 다른 텍스처가 묘사되어 있으며, 처음 7개 샘플은 표면에 경도 방향 코드를 나타내고, 8번, 9번, 10번 샘플의 표면 외관은 횡방향 볼록입니다. 여기서 구조들은 컴퓨터 제어 평편 직기로 편직되었으며, 이는 고효율 산업 공정에 적합하고 직물은 맞춤형 규모로 재단할 수 있습니다. 자체 설계 시스템으로 직물을 신속하게 설계하고 쉽게 제조할 수 있으며, 특히 복잡한 패턴 설계에 유리합니다. 모든 직물은 표준 대기 조건에서 24시간 동안 방치하여 직물을 크기 안정 상태로 이완시켰으며, 이는 이완 수축의 영향을 줄이고 테스트 정확도 결과를 향상시키기 위함입니다. 그런 다음 동일한 크기의 전도성 테이프를 직물 뒷면에 부착했습니다. 고분극성 나노입자를 기반으로 PTFE로 만든 필름을 다른 유전체 소재로 채택했습니다. 필름은 여전히 구리 호일 조각에 부착되어 전자 이동을 전달합니다. CS 모드의 경우 전도성 와이어가 두 마찰 모델에 연결되어 수직 방향으로 움직입니다. 그런 다음 CS 기반 직물 TENG가 제조되었습니다.

니트 직물의 프랙탈 특성

해안선, 눈송이, 구름, 나뭇잎 등 자연의 모든 물체가 불완전한 규칙적 모양과 경계를 가지지는 않습니다. 따라서 프랙탈 차원은 다양한 방법으로 생성된 고르지 않은 형태를 설명하는 데 사용되며, 많은 연구 작업에서 확인된 효과적인 방법입니다. 프랙탈 차원으로 정의된 여러 공식이 있는데, 하우스도르프 차원, 박스 카운팅 차원, 유사 차원 등이 있으며, 이는 표면 스타일을 정량화하는 중요한 매개변수입니다. 전형적인 프랙탈 차원은 눈송이 같은 코흐 곡선으로, 1904년에 처음 제시되었습니다. 세 개의 무한 자기 유사성에 의해 경계된 면적은 제한되며, 코흐 곡선이라 불리며 프랙탈 차원은 1.2618입니다. 일반적으로 프랙탈 차원은 길이, 너비, 면적을 나타내는 스케일 a로 계산할 수 있습니다. 다음 공식은 관계를 나타낼 수 있습니다:

F(a) ≈ a^D_f (1-1)

여기서 D_f는 로그-로그 플롯의 기울기로 나타나는 프랙탈 차원입니다.

고르지 않은 표면 프랙탈 차원 D_f는 유사 단위의 상대적 크기 분석에 기반한 하우스도르프 차원 접근법으로 결정될 수 있습니다. 코드 표면 형성의 요인으로서, 여러 다른 모서리와 수를 가진 미세 볼록 구조 단위를 포함하는 볼록 구역은 다음과 같이 표현될 수 있습니다:

M = N^D_f (1-2)

여기서 M은 볼록 단위의 수, N은 반복되는 다중 자기 유사 단위로 볼록 단위 길이와 전체 샘플 길이의 비율이며, D_f는 돌출 구조의 프랙탈 차원입니다. 이 방정식은 표면 형태를 예측하는 데 사용될 수 있는 모델이므로:

D_f = log M / log N (1-3)

특성화

Dino-lite 엣지 디지털 현미경(AnMo electronic corporation)을 사용하여 사진 이미지에서 니트 직물의 밀도를 측정했습니다. 접촉 및 분리 모드에서 니트 직물 트라이보일렉트릭 나노발전기의 전기 신호는 LabVIEW 시스템 기반의 자체 조립 리니어 모터와 전위차계(Keithley 6514 시스템)로 작동되었습니다.

결과 및 논의

마찰 재료를 확인하기 위해 트라이보일렉트릭 순서[49]는 중요한 참고 자료로, 다양한 일반 재료의 트라이보일렉트릭 분극을 정량화합니다. 트라이보일렉트릭 순서는 한 쪽이 전하 획득 능력을 보이고 다른 쪽이 전자 손실 능력이 높음을 나타내며, 이는 기본 소재 성능으로 정의되었습니다. 뛰어난 출력 성능을 얻기 위해 한 쌍의 소재는 트라이보일렉트릭 시리즈에서 상당한 거리에 기인해야 하며, 전위 차이를 증가시킵니다. 여기서는 상용, 저비용, 우수한 내마모성, 높은 양전하 경향(나일론)과 음전하 경향(PTFE)을 보이는 한 쌍을 선택했습니다. 이 작업에서는 표면 처리 없는 PTFE 막을 선택했습니다. 여기서 유일한 요인은 이동 전하의 성능으로 분석될 수 있는 니트 구조입니다. 또 다른 중요한 요소는 높은 유연성을 가진 구리 호일 전극 소재로, 직접 부착할 수 있어 간단하고 원스텝 제조 공정입니다. 은, 금 같은 귀금속과 비교하여 구리 호일의 가격은 저렴하여 경제적 제품 제조에 사용될 수 있습니다. 그래서 구리는 스마트 기기 설계에서 유연 회로와 전극으로 널리 적용되었습니다.

현재 전극 구조와 움직임에 해당하는 네 가지 보편적인 작동 모드 TENG가 있습니다. 쉬운 제조, 풍부한 소재 선택, 왕복 수직 방향 움직임의 장점으로 CS TENG가 최초로 깊이 조사되었으며, 손 흔들기, 걷기, 달리기 등 일부 생체역학적 에너지 수확 잠재력을 가집니다. 여기서 표면 구조의 영향 원리를 조사하기 위해 나일론 직물과 PTFE 필름 간의 접촉 및 분리에 해당하는 니트 직물 기반 트라이보일렉트릭 나노발전기(KNG)가 설계되었습니다. TENG 조립 공정은 그림 1a에 제시되어 있으며, 니트 직물, PTFE 막, 구리 호일로 구성됩니다. 유연 니트 직물의 다재다능함은 주름(그림 1 bi), 굽힘(그림 1 bii), 드레이핑(그림 1biii), 접기(그림 1biv) 등 어떤 방향에서도 다양한 규모로 맞춤화할 수 있으며 그림 1b에 묘사되어 있습니다. KNG는 적용 위치 요구 사항과 의류의 심미성에 따라 설계될 수 있습니다. 다양한 니트 구조가 다른 표면 외관으로 편직되었으며, 이 직물 표면 사진은 그림 1c에 나와 있습니다.

KNG의 작동 메커니즘은 그림 2a에 간단히 제시되어 있습니다. 이동 전하를 측정하기 위해 리니어 모터의 최대 거리와 움직임 주파수는 각각 10cm와 0.3Hz로 설정되어 손 흔들림 동작을 시뮬레이션했습니다. 일반적인 모니터링을 위해 개방 회로 전압(Voc), 단락 전류(Isc), 이동 전하(Qsc)는 기계적 리니어 모터로 측정되었습니다. 원래 상태(그림 2 ai)에서 나일론 직물은 정전 유도와 전하 보존으로 양전하를 생성하고 PTFE 필름은 음전하로 대전되었습니다. 장치가 눌렸을 때(그림 2 aii), 두 접촉 표면 간 간격의 수축으로 PTFE에 부착된 전극에 양전하가 축적됩니다. 전자는 외부 회로에서 전위 차이의 균형을 위해 흐릅니다. 두 유전체 소재가 모두 절연체이므로 접촉 면적 표면에 동일한 양의 전자가 유지될 수 있다는 점이 주목할 만합니다(그림 2 aiii). PTFE가 되돌아갈 때(그림 2aiv), 과정이 역전되어 나일론 직물과 PTFE 사이에 전기가 다시 균형을 이루며 전하의 중화를 반영합니다. 결과적으로 전자는 전기적 전위 차이를 위해 다시 흐릅니다. 이 상황에서 KNG는 주기적 변화 특성을 가진 Isc와 Voc를 생성할 수 있으며, 그림 2b와 c에 나와 있습니다. 그림 2b와 c에서 인셋은 한 주기로 설명된 확대 그래프입니다.

직물 표면에 볼록 구조를 제조하기 위해 구조 설계와 형상 형성 두 가지 방법이 사용되었으며, 그림 3에 나와 있습니다. 구조 설계는 페이스 루프 스티치와 리버스 루프 스티치의 다른 비율에 의존합니다. 총 샘플은 7가지 립 타입으로 설계되었으며, m*n 타입(m=n=1,2,3,4)은 그림 3a에, 2*m 타입(m=1,2,3,4)은 그림 3b에 나와 있습니다. 립은 페이스 루프 웨일이 리버스 루프 웨일 위로 그리고 앞으로 이동하려는 경향으로 인해 수직 코드 외관을 가지며, 코드 최대 높이는 0.2cm에 도달할 수 있습니다. m*n 립(m=n=1,2,3,4)은 페이스 루프 웨일이 양쪽에서 번갈아 가며 균형을 이루므로 재단 후 말림 없이 평평하게 놓입니다. 그리고 직물의 양면은 그림 3e와 같이 동일한 외관을 가집니다. 그러나 2*m 립 구조에서 페이스와 리버스 루프의 다른 비율로 인해 구별되는 표면이 나타납니다(그림 3f). 또한 립 직물의 신장 과정은 두 단계로 나뉩니다: 리버스 웨일이 양쪽에서 인터메싱되어 리버스 루프 웨일이 드러날 때까지 신장된 다음 전체 루프가 동등한 단일 직물의 두 배 너비까지 계속 신장됩니다. 따라서 평직과 비교하여 립 직물은 접촉-분리 작동 모드에서 흔들림 및 신장 움직임(횡방향 및 종방향) 수확을 위한 신축성 능력을 증가시킬 잠재력이 있습니다. 돌출 구조를 설정하는 다른 방법은 공기층이 n(n=4,5,6) 직물 표면에 형성되는 형상 변형으로 그림 3c에 설명되어 있습니다. 단면적 두께는 0.15~0.3cm 범위입니다. 공기층의 특징은 돌출된 아치 구조로, 동작이 트리거될 때 전자 분리를 가속화할 수 있는 공간을 제공합니다. 위에 언급된 모든 것에서 니트 직물은 컴퓨터 제어 평편 기계로 설계되어 편직 위치 정확도를 실현하고, 전신 의류를 형성하며 스마트 소재를 천에 완벽하게 통합할 수 있습니다. 이러한 편직 기술 용어는 그림 3d에 표시되어 구조의 특징을 올바르게 묘사합니다.

이전 연구[42]는 전면의 유효 접촉 면적이 직물 후면보다 훨씬 더 많음을 입증했으며, 그 결과 이동 전하는 후면 출력 성능의 두 배였습니다. 이는 바늘 루프 길이가 싱커 루프보다 길기 때문입니다. 따라서 출력 성능을 향상시키고 오직 하나의 영향력 있는 요소만 만들기 위해 접촉 돌출 구조는 페이스 사이드 루프로 구성됩니다. 볼록 단위 수에 따른 KNG의 출력은 그림 4에 플로팅되어 있습니다. 모든 실험 직물의 접촉 면적이 돌출 단위 수와 함께 감소하는 감소 추세가 형성되었습니다. 또한 더 중요한 전기적 전하는 1*1 립, 2*1 립, 4바늘 형상 타입 구조(각 선의 첫 번째 점) 순서로 91.66nC, 90.19nC, 69.64nC의 값으로 나타났습니다.

그런 다음 다양한 웨일 밀도, 페이스 사이드 단위 수, 구조 측면에서 다른 표면 형태를 가진 니트 구조가 조사되었습니다. 10가지 니트 직물의 모든 매개변수는 표 2에 테스트되고 기록되었습니다. 주목할 점은 샘플 1~7번 분석 시 코드 외관이 수직 방향으로 성장하므로 코스 밀도는 항상 일정합니다. 따라서 주요 논의 요인인 웨일 밀도는 다른 니트 구조의 특징을 나타냅니다. 1~4번 샘플에서 페이스 루프와 리버스 루프는 약 50%로 동일한 비율을 가집니다. 이 직물들은 이중 스티치 편직 기반으로 전면이든 후면이든 상관없이 동일한 구조를 보입니다. 평균 두께는 5~7번 샘플(서로 다른 페이스 스티치와 리버스 스티치 수로 구성)보다 높습니다. 텍스처 4번이 가장 큰 반복 단위를 가지며 웨일 밀도는 1번의 두 배입니다. 그러나 실제 직물의 페이스 사이드 단위 수는 1번의 거의 절반으로 감소합니다. 이는 더 많은 싱커 루프가 서로 신장되어 기둥 외관을 형성할 수 있기 때문입니다. 니트 단위가 증가함에 따라 기둥 직경과 직물 두께가 확대되어, 동작 트리거 시 페이스 사이드 단위 수와 유효 접촉 면적이 감소합니다. 페이스와 리버스 루프의 다른 비율을 가진 립 구조의 경우, 니트 반복 단위가 증가함에 따라 외관은 단면 구조의 특성을 분명히 나타냅니다. 한편 7번의 웨일 밀도는 1번과 5번만큼 크지만, 니트 단위 수가 6루프로 1번(2루프)과 5번(3루프)보다 훨씬 많기 때문에 페이스 루프 단위 수는 뚜렷한 차이를 보이며, 출력 성능은 1번과 5번보다 낮습니다. 결과적으로 1~10번 중 접촉-분리 움직임 동안 리브 편직 직물 1번이 가장 많은 페이스 루프 단위를 나타냅니다.

반면, 형상 타입 니트 직물은 전체 직물에 조립되는 서로 다른 루프 수를 통해 설계되어 아치 구조를 형성합니다. 코드 길이 방향이 수평이므로 직물의 웨일 밀도는 횡방향에서 근사적으로 안정적입니다. 아치 구조는 표면에서 전하 분리를 위한 접근법을 제공하며, 이는 중공 내부 공간을 가집니다. 따라서 낭비된 기계적 에너지 수확 효율이 향상되었습니다. 일반적으로 출력 성능을 향상시키기 위해 아치 타입은 실리콘 기판과 같은 완벽한 탄성과 내구성을 가진 유연 소재로 만들어지지만, 산업용 편직기에서 상업적 요구 사항을 충족하기 위해 편직하기는 어렵습니다. 이전 연구[24, 41, 50]에서 아치 구조가 니트 직물 기반일 때, 구조는 봉제하거나 테이프로 부착해야 하는데, 이는 복잡하고 시간 소모적인 공정입니다. 우리는 두 번째 제조 없이 전체 성형 기술로 제조된 니트 아치 직물을 제시했으며, 이는 높은 생산 효율을 부여합니다. 수평 코드 구조 중에서 0.3cm 높이는 4바늘 및 5바늘 수평 코드 구조(높이 각각 0.15cm, 0.2cm)에 비해 가장 낮은 전하 출력을 보였으며, 이는 양끝이 고정된 큰 거리에서 니트 직물의 낮은 강성의 영향을 받을 수 있습니다. 가장 높은 볼록 형상은 힘 압력 하에서 아치를 유지하고 원상태로 회복하기 어렵기 때문에 일부 전하가 중성화됩니다. 결과적으로 아치 높이 감소는 볼록 구조의 내성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 형상 타입 코드는 유효 접촉 면적을 감소시키는데, 이는 실제 접촉보다 면적이 적은 선 타입이므로 전기 출력 성능을 감소시킵니다.

루프는 불규칙한 구조를 가지므로 스티치 크기와 표면 형태 같은 기하학적 특성 평가는 어렵습니다. 루프의 불규칙성을 식별하기 위해 정수 차원인 기존 평가는 활용될 수 없습니다. 프랙탈 이론은 우리 주변과 자연의 불규칙성 범주를 분석하기 위해 제안되었습니다. 제안된 프랙탈 차원 개념은 규칙, 복잡성, 직물 표면 거칠기를 나타내는 복잡한 형태를 보여주는 훌륭한 도구입니다. 모든 프랙탈이 완전히 자기 유사하지 않기 때문에 수학적 계산은 기하학적 구성을 논증하는 데 사용됩니다. 니트 구조의 표면을 이해하기 위해 일부 이미지는 그림 5d에 시각화된 정보를 보여줍니다. 그림 5d에서 볼록 표면의 특성은 증거가 되는 돌출 형태를 확인하기 위해 다양한 관점에서 직관적으로 관찰될 수 있습니다.

실과 구조 설계로 인한 니트 구조 설계로 고르지 않은 표면이 형성되었습니다. 프랙탈 기하학은 직물 표면을 평가하고 니트 구조의 특성과 트라이보일렉트릭 전하 생성 능력을 이해하는 효율적인 계산입니다. 실제로 돌출 단위 증가로 표면 형태가 수정되어 고르지 않은 니트 직물을 개선할 수 있습니다. 모든 니트 직물이 경도 및 횡방향으로 볼록 구조를 가지지만, 유사도의 정도는 여전히 확인되지 않았으며, 이는 프랙탈 차원 성공 여부의 중요한 참조 값입니다. 프랙탈 차원의 타당성을 추정하기 위해 모든 니트 직물은 직물이 안정 크기로 유지될 때 볼록 단위 폭, 루프 길이 및 폭 크기를 측정하여 계산되었습니다. 그림 5a, b, c는 1~10번 타입 직물의 프랙탈 차원 피팅 곡선을 보여주며, 선의 기울기는 프랙탈 차원을 의미합니다. 10가지 다른 타입의 니트 직물 볼록 구조에서 관계의 존재가 발견되어 10가지 니트 직물의 프랙탈 특성을 확인합니다. 따라서 프랙탈 이론이 다양한 니트 구조 분석에 적용 가능함이 입증되었습니다.

그림 6a-f는 접촉 및 분리 작동 KNG의 실제 응용을 기반으로 구조 타입과 형상 타입에 따른 생성된 Isc와 Voc를 보여줍니다. 그림 6a-f에 나타난 바와 같이 니트 단위 증가에 따라 Isc와 Voc가 감소하는 경향이 있습니다. 이는 Isc가 니트 구조에 의해 영향을 받는 유효 접촉 면적에 따라 변하기 때문입니다.

다양한 니트 구조의 D_f를 계산할 때, 조사된 니트 구조는 돌출부의 다른 구성 요소로 인해 서로 다른 비정수 차원 값을 가지며 그림 6g에 입증되었습니다. 그림 6g에 대해, 이는 다양한 구조의 이동 전하 대 프랙탈 차원 곡선 이미지입니다. 립 구조는 바람직한 출력 성능을 보이며 프랙탈 차원이 1 값에 가깝습니다. 구조 타입 니트 직물 기반 TENG는 형상 타입보다 높은 이동 전하를 가지며, m*n 립 타입, 2*n 립 타입, n 타입의 D_f 값은 각각 0~2, 0~1, 1~2 범위에 있습니다. 일반적으로 프랙탈 차원은 표면 거칠기의 정도를 상징하며, 큰 D_f로 거칠기가 증가합니다. 그러나 형상 타입 직물은 작은 선 접촉 면적을 가진 수평 코드로 설계되어 거칠기가 이동 전하에 거의 영향을 미치지 않습니다.

립 구조에서 볼록 구조 균일성의 D_f 영향을 입증하기 위해 무작위 변 길이가 선택되고 계산되었습니다. 결과는 다음과 같습니다:

ε(a*b) = M(l*b) (1-4)

N = a/l (1-5)

여기서 a는 전체 직물 길이, b는 볼록 단위 폭으로 전체 직물 폭과 동일, l은 볼록 단위 길이, M은 볼록 단위 수, N은 볼록 단위 길이와 전체 샘플 길이의 비율인 반복 다중 자기 유사 단위, ε은 페이스 루프와 리버스 루프의 비율로 볼록 분산의 균일성을 의미합니다.

그러면 M과 N의 계산은 공식 (1-3)에 사용될 수 있으며, 결과는 실제 측정 길이를 기반으로 계산된 D_f와 같지 않음을 표 3에 나타냈습니다. 돌출 구조가 어떻게 분포하든 D_f 값은 실제 길이와 코드 수에 의해 영향을 받습니다.

2*1 립 구조의 프랙탈 차원이 1*1 립에 가까워 0.99에 도달하며, 따라서 이동 전하는 그림 6g와 같이 거의 동일함이 주목됩니다. 생성된 전기 출력 성능은 D_f가 1 값에 가까울 때 가장 높습니다. 이는 프랙탈 차원이 표면 형태를 평가하고 출력 성능을 특성화할 수 있다는 추측을 제공했습니다. 프랙탈과 이동 전하의 상관관계를 조사하기 위해 프랙탈 차원과 1 값의 차이(이름하여 F 값)가 그림 6h에 설명되었습니다. 작동 결과는 감소된 F 값이 훨씬 더 높은 Voc를 촉진하는 경향을 보여 프랙탈 차원의 잠재적 응용에 대한 증거를 제공합니다. 그러나 F 값은 거칠기 구조 평가로 간주되며, 구조의 기본 루프 특성을 고려해야 합니다. 그러면 이동 전하에 대한 영향이 포괄적으로 논의됩니다. 4번과 6번 샘플은 유사한 F 값을 가지지만, 두 출력 성능에는 큰 차이가 있습니다. 4번 샘플의 표면 형태는 페이스와 리버스 루프 수가 동일하여 평면 구조를 보이며, 따라서 이동 전하가 낮습니다. 하지만 6번 샘플은 리버스 루프가 페이스 스티치 위에 있어 돌출 외관을 보이며 접촉 및 분리 시 큰 이동 전하를 생성합니다. 따라서 F 값을 기반으로 한 직물 니트 구조의 선택과 설계는 생성된 총 전기 전하를 크게 향상시켰으며, 이는 니트 직물 기반 고효율 유연 자가 구동 장치 구축에 필수적인 요구 사항입니다.

결론

우리는 높은 유연성과 뛰어난 이동 전하를 가진 니트 직물이 불규칙하고 저주파 생체역학적 에너지 수확을 위한 유연 TENG에 적용될 수 있음을 입증했습니다. 이는 뛰어난 출력 성능을 가집니다. 표면 형태와 출력 특성 간의 관계를 식별하기 위해 프랙탈 이론을 사용하여 표면 기하학을 정량화하고 이동 전하 능력에 대한 표면 외관의 영향을 평가했습니다. 다양한 니트 구조가 제조되어 에너지 수확에 미치는 영향을 분석했습니다. 니트 단위 측면에서 결과는 최소 니트 단위로 1*1 립 구조의 최대 출력이 213V에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 또한 작동 메커니즘과 접촉 면적 기하학을 더 이해하기 위해 다양한 니트 구조가 기존 차원과 구별되는 프랙탈 차원으로 설명되었습니다. 계산을 통해 동일한 니트 단위를 가진 다른 니트 구조는 동일한 니트 단위로 프랙탈 차원을 얻는 데 사용될 수 있습니다. 생성된 전기 출력은 프랙탈 차원이 1 값에 가까울 때 증가할 수 있습니다. 따라서 프랙탈 차원과 1 값의 차이는 불규칙한 표면에 따른 이동 전하 능력 평가에 사용될 수 있습니다. 향후 프랙탈 이론 기반 출력 능력 평가를 통해 트라이보일렉트릭 나노발전기 구축, 최대 출력 성능 획득으로 일상 생활에서 낭비되는 인체 움직임을 수확하는 유연 자가 구동 시스템 최적화가 조사될 것으로 기대됩니다.

데이터 및 자료 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재된 논문에 포함되어 있습니다.

약어

E-skins:

전자 피부

IoT:

사물인터넷

PDMS:

폴리디메틸실록산

TENG:

트라이보일렉트릭 나노발전기

PTFE:

폴리테트라플루오로에틸렌

D_f:

프랙탈 차원

CS:

접촉-분리 작동 모드

KNG:

니트 직물 기반 트라이보일렉트릭 나노발전기

Voc:

개방 회로 전압

Isc:

단락 전류

Qsc:

이동 전하

F 값:

프랙탈 차원과 1 값의 차이