2D織り込みコアシェル繊維摩擦帯電ナノ発電機：人体動作から6V・575nAでLEDとコンデンサ駆動

概要

ウェアラブルエレクトロニクスには、環境運動エネルギーを利用できるコンパクトな自律電源が求められる。ここでは、コアシェル繊維から構築した二次元織り込み摩擦帯電ナノ発電機（2DW-WTNG）を提示し、人体動作を電気に変換する。デバイスはピーク電圧6.35V、ピーク電流575nAを発生、50MΩ負荷で2.33mW/m²の電力密度に相当。驚くべきことに、0.4mmという微小変位から電荷を生成し、性能劣化なしで12時間連続動作する。

はじめに

携帯・ウェアラブル・インプラントデバイスが普及する一方、従来電池は容量、寿命、環境影響で限界がある。日常人間活動に内在する機械エネルギーの利用は持続可能な代替案だ。摩擦帯電ナノ発電機（TENG）は接触誘起電荷分離と静電誘導を利用電気に変換する。多数のTENG設計があるが、多くは脆弱な基板に依存し耐久性を損なう。本2DW-WTNGは導電性コアシェル繊維を織物に直接統合することでこの制約を克服、堅牢かつスケーラブルな生産を可能にする。

実験方法

コアシェル複合繊維の作製

縫製用ナイロン糸（110μm）とエナメル銅線（60μm）、縫製用ポリエステル糸（200μm）と鋼線（60μm）を、手撚りを模倣した回転支持体で組み合わせた。このプロセスで直径380μmのナイロン/銅、385μmのポリエステル/鋼繊維が得られ、それぞれ金属コアをポリマーシースで被覆。銅コアは短絡防止で絶縁、鋼コアは構造強度を提供。

2DW-WTNGの織り込み

ナイロン/銅繊維4群とポリエステル/鋼繊維4群を直交編みし、15mm×15mmの活性領域、7mm格子幅で構成。結果の織物は従来繊維と類似し、産業用織機での大量生産と互換性がある。

電気的キャラクタリゼーション

リニアモータで上層を下層に対して往復スライド運動させデバイスを駆動。様々なスライド速度、変位、相対向きで出力電流・電圧を測定。

結果と考察

ナイロン（摩擦帯電正極性）とポリエステル（負極性）のスライド接触で交互電荷移動が生じ、2電極層間で電子駆動。8mm変位、0.15m/s速度でピーク出力575nA、6.3V達成。50MΩ抵抗接続で電力密度2.33mW/m²ピーク。

スライド速度増加でピーク値向上：0.125m/sで電流415nA、電圧6.6V。0.4mmまでの微小変位でも測定可能出力（2.3nA、0.05V）を生成、最小人体動作への感度を実証。

デバイスは様々な面内向きで性能維持、50°相対角で134nA、2.23V出力、任意の身体動作への適応性を確認。

ブリッジ整流器接続で、2DW-WTNGが即座に赤色LED点灯、0.47μFコンデンサを1分で1.84Vまで充電、3.84mC/m²蓄積。12時間連続動作で劣化は無視できるレベル、機械的強靭性を実証。

結論

2DW-WTNGは人体動作エネルギー収穫のスケーラブル・堅牢プラットフォームを実証。コアシェル繊維構造と織り込み設計で高電圧、低消費電力エレクトロニクス向け十分な電流、多方向動作下での堅牢動作を両立。真に自律的なウェアラブルデバイスへの道を開く。

データと材料の入手可能性

データと解析は合理的要請に基づき責任著者から入手可能。

略語

2DW-WTNG

2D織り込みウェアラブル摩擦帯電ナノ発電機

AC

交流

DC

直流

LED

発光ダイオード

SEM

走査電子顕微鏡

WTNG

ウェアラブル摩擦帯電ナノ発電機