人間の発汗感知のための澱粉紙ベースの摩擦電気ナノ発電機

はじめに

フレキシブルエレクトロニクスの魅力的な属性、たとえば、伸縮性/屈曲性の機械的柔軟性、少量、生分解性は、電子安全性、バイオセンサー、スマートパッキング、名刺に関連する使い捨て用途で重要な役割を果たすことが期待されています[1 、2、3]。実際、使い捨て基板を使用したフレキシブルエレクトロニクスは、生体適合性、化学的溶解性、環境への配慮から、かなりの注目を集めています。したがって、セルフパワー動的デバイスやインテリジェントセンサーなど、さまざまな柔軟で使い捨てのデバイスがウェアラブル電子機器の製造に使用されてきました[4、5、6]。一般に、これらのタイプのウェアラブル電子機器を操作するには、追加の電源が必要です。それにもかかわらず、従来の（すなわち、携帯性がなく、生体適合性がなく、持続可能でない）電池シリーズは、化学電力の一定の供給を必要とする。したがって、ウェアラブル電子機器に関連する課題を克服するには、適切な電源の開発が不可欠です。

摩擦電気ナノ発電機（TENG）は、環境発電の分野で広く研究されてきました[7,8,9,10,11,12]。 TENGは、環境から得られた機械的エネルギーを電気エネルギーに変換でき、接触帯電と静電界の誘導のプロセスに基づいて、新しい電源を表します[13、14、15、16、17]。これらのデバイスの適切なパターンは、ウェアラブル電子機器に電力を供給するために広く採用されています[18、19、20、21]。さらに、TENGをさまざまなタイプの摩擦電源と組み合わせることにより、さまざまなアプリケーション向けのセルフパワーセンサーを取得できます[22、23、24、25]。ただし、従来のTENGのほとんどは、分解しにくいポリマーなど、環境にやさしい材料をベースにしています。したがって、これらのTENGは、将来のアプリケーションで限定的にのみ使用できます。

澱粉は、他の代替品よりも安価で、豊富にあり、再生可能であるため、分解可能な基質を開発するための有望な原料です。ここでは、環境に優しい生分解性澱粉紙をベースにした使い捨てTENGデバイスを示しました。使用される材料はすべて費用効果が高く、市販されています。でんぷん紙ベースのTENG（S-TENG）は、でんぷん紙を金属線で組み立てるという簡単なプロセスで構築できます。構築されたTENGは、セルフパワーの人間の発汗センサーとして使用できます。さらに、提案されたTENGは、ウェアラブル電子機器の分野での応用の可能性を秘めています。

メソッド

S-TENGのアセンブリ

でんぷん紙（厚さ：〜1 mm）はGILRO Corp.（イスラエル）から入手しました。紙の片面を金属線に接続し、水蒸気を吹き付けてS-TENGにします。図1に概略的に示されている製造メカニズムは、単純で費用効果の高いものとして分類できます。

S-TENGアセンブリプロセスの概略図

測定と人間によるデモンストレーション

電子性能は、デジタルオシロスコープ（DSOX6004Aデジタルストレージオシロスコープ）で測定されました。製作されたS-TENG（4.4×4.4 cm ² ）人間の肘（人間に面した金属線）に接続されました。さらに、S-TENGの出力信号は、人間の生体力学的運動のさまざまな期間にわたって測定されました。

結果と考察

S-TENGの動作メカニズムを図2cに模式的に示します。提案された装置は、人間の手とでんぷん紙の間の結合効果に基づいています。手と紙が物理的に接触すると、紙は表面で負の電荷を獲得しますが、手は正の電荷を獲得します。さらに、手が解放されると、手と帯電した紙との間の重なり合う領域が減少し、紙の電荷は、もはや手上の電荷と完全に釣り合っていない。でんぷん表面の不安定な負電荷は、紙の裏側電極から地面への電子の流れを強制します。それでも、手が再び紙に近づくと、背面電極に誘導された正電荷が不安定になり、電子が地面に流れます。

a でんぷん紙の電極側に水膜が形成され始める b 水ネットワークが形成されます、 c S-TENGの動作メカニズム

結果は、S-TENGの作業状態が、でんぷん紙によって吸収された水蒸気の量に基づいて、2つの作業パターンに分離できることを示しています。図2cIIに示す状態を例として、電荷移動の概念を示します。図2aに示すように、作業パターン1では、最初に紙の電極側の周りに水膜が形成されます。それにもかかわらず、電荷は依然として部分的に不規則な水膜に閉じ込められており、キャリアの動きを妨げるポテンシャル障壁を形成しています。ただし、作業パターン2では、水ネットワークが作成され（図2b）、でんぷん紙を構成する電極側の電子抵抗が大幅に減少します。

作製したS-TENGの写真を図3aに示します。適応可能な抵抗器を外部負荷として使用し、水蒸気のさまざまな噴霧時間に対して、オシロスコープを使用して抵抗器の電子信号を測定しました。図3bは、最初のスプレー後のS-TENGの電子性能を示しています。図に示すように、負荷抵抗が増加すると（100から100MΩに）、収集される出力電圧が一定に増加します。ただし、最大出力電力は15MΩの負荷抵抗で到達するため、製造されたTENGの内部抵抗は約15MΩです。負荷抵抗は内部抵抗の概算値よりもかなり大きいため、100MΩの負荷抵抗での出力電圧（11.2 V）は開回路電圧として概算されます。次に、製造された紙のＴＥＮＧの動作安定性が決定された。図4に示すように、製造されたデバイスの出力電圧（負荷抵抗：100MΩ）は、垂直力テスト中にわずかに減少します。

a 写真と b 製作されたS-TENGの電子出力

製造されたS-TENGの垂直力試験。 100MΩの負荷抵抗の下では、出力電圧はわずかに低下します

でんぷん紙は、水噴霧前と1回目、3回目、5回目、7回目の噴霧後にそれぞれ19MΩ、6.1MΩ、1.5MΩ、140KΩ、130KΩのシート抵抗を示しました。図5に示すように、S-TENGの対応する電子活動が比較されます。出力電圧（100MΩの適合負荷を受ける）は、スプレー時間0〜3（動作パターン1）の増加とともに増加し、スプレーで飽和します。 3回目の噴霧（作業パターン2）を超える回数。電子電圧と水蒸気量の相関関係により、人間の発汗などの水性液体の検知が保証されます。この相関関係は、S-TENGの内部抵抗の変化によって特徴付けることができます。 S-TENGの内部抵抗の減少は、水蒸気の使用によって促進されます。これは、水の導入により、でんぷん紙の電子抵抗能力が低下するためです。この減少は、表面上および紙内の水伝導経路の形成に起因します。さらに、この影響は、紙の電極側の周りに水の膜が形成され始めるときに特に明らかになります（作業パターン1）。さらに、水を噴霧する前に発生する電子出力は、主に穀物細胞の結合水に起因します（キャリアの電子伝導が弱くなります）。

出力電圧の水噴霧ステップ数への依存性

提案されたS-TENGは、人間の発汗の検知に使用されています。図6aに示すように、S-TENGは、さまざまな体の動きの持続時間の後に人間の肘に接続されます。その後、人間の皮膚の露出層を乾いたタオルで拭き、肘を動かします（図6。収集された電子出力を図6cに示します）。観測された傾向は、図5に示した傾向と似ています。つまり、電子出力（適合負荷：100MΩ）と人間の動きの持続時間との相関関係の観点からです。結果は、提案されたS-TENGが、人間の発汗を感知し、人間の運動時間を監視するために使用できることを示しています。

a 、 b 人間の肘の運動エネルギーを収集するための作業パターン、 c 電子出力（100MΩの対応する負荷がかかる）対人間の運動時間

でんぷん紙の使い捨て属性は、図7に示すように、溶解活性を評価することによって決定されました。この決定の間、紙は、図7aに示すように、人間の手による穏やかな振動の下で水道水にさまざまな時間浸漬されました。 （図7b–eを参照）。でんぷん紙は4分以内に完全に分解し、提案されたS-TENGが完全に分解される可能性があることを示しています。

a でんぷん紙を水に浸して行う分解性試験 b すぐに、そして b の後に 1、 c 2、 d 3、および e 4分

結論

この作業では、環境に優しい生分解性デンプン紙を使用して使い捨てTENGデバイスを製造するための新しい簡単な方法論を紹介します。 S-TENGを構築するための迅速で簡単なプロセスは、費用効果が高く、商業的に入手可能な材料を利用します。でんぷんの構造は、水中で4分以内に粉末に分解できます。提案されたTENGは、ウェアラブル電子機器の分野でかなりの可能性を秘めています。

略語

TENG：

摩擦電気ナノ発電機