伝達電荷を増強するためのニット構造ベースの摩擦電気ナノ発電機の表面形態分析

はじめに

高度なインテリジェンス技術が世界を席巻し、健康追跡センサー[1、2]、ジェスチャー検出デバイス[3,4,5,6]、電子スキン（E-skins）などの新しい柔軟なスマートウェアラブルデバイスを生み出しました。 ）[7、8]、フレキシブル回路[9、10]、および光ファイバーウェアラブル[11、12]。しかし、質量重量、変換効率の低さ、深刻な環境汚染、およびバッテリー寿命の短さという欠点があるため、パワーサプリメントは電子機器の開発にとって大きな制限となっています。最初の摩擦電気ナノ発電機（TENG）は、2012年に開発に成功し[13]、小規模、軽量、さまざまな材料、安全で環境に優しい[14]、および高効率の特性に基づいて、有望で効果的なものを提供してきました。上記の海峡に対処するための戦略。接触帯電と静電誘導の連成効果によって機能するTENGの急速な出現[15]に加えて、特に低周波で不規則なものを収穫することにより、周囲から機械的動力[16、17]を獲得するための望ましいアプローチの1つとして適合しています。動き（風[18、19]、水滴と人間の動き、生体力学的エネルギーなど[20,21,22]）、モノのインターネット（IoT）でのデータ送信[23,24,25]と電力補足の実現[26]。ウェアラブルデバイスの場合、テキスタイルは、その構造的保持と耐疲労性、柔らかさ、一体性、および高い多孔性により、最良の基板と見なされています。今日まで、摩擦電気ナノ発電機と従来のテキスタイルの統合[27,28,29,30,31,32,33]は、セルフパワーのフレキシブルセンサーなどの人間指向のウェアラブルデバイスの有望な候補の1つです[34]。 、ウェアラブルエネルギーハーベスター、およびテキスタイルベースのエネルギー貯蔵システム。また、機能性、インテリジェンス、高付加価値を備えた従来のテキスタイルも備えています。テキスタイルをベースにしたこれらの電子機器は、軽量で、安価で、快適で、通気性があり、持ち運び可能で、長持ちし、日常の使用で洗えるという要件を満たしています。さらに、インテリジェントテキスタイルの魅力を表すさまざまな色と豊富なパターンデザインのテキスタイルを簡単に作成できます。特に、ひずみが小さく変形が大きいニットテキスタイルは信号発生に敏感であるため、柔軟なセンサーに使用し、動きの抵抗を克服し、エネルギー損失を減らすのに理想的です[35]。さらに、ニットテキスタイルの摩擦と変形は、摩擦電気ナノ発電機を構築するためのスリリングな意見である一般的な現象です。

ご存知のように、表面形態の変更は、TENGの出力パフォーマンスを向上させるための重要なアプローチです[36、37、38、39]。ほとんどは、利用可能な接触面積と表面の粗さを増やすことを目的としています。表面形態を変える2つの主要な方法があります。1つは表面エッチングであり、もう1つは表面複製です。しかしながら、表面の外観を生成するための非常に高価で限られた処理領域および多段階製造技術の使用は、工業生産にとって困難である。ここで、Li etal。 [40]は、サンドペーパーから表面の微細構造が剥がれたポリジメチルシロキサン（PDMS）フィルムを調査しました。これは、表面の粗さの差を準備するための1つのプロセスで低コストの方法でした。実験結果は、3D光学表面プロファイルによって検出された3000の粗さクラスの下で46.52Vの生成された最大出力を示しました。さらに、微細構造が多すぎると、有効な接触面が大幅に減少し、電力性能の能力が低下する可能性があります。 TENGのサイズはサンドペーパーの面積によって制限されていたため、製造コストが増加しました。今日、繊維構造は、複雑な製造工程と高コストを伴わずに豊富な表面外観を形成するため[38]、ますます注目を集めています。テキスタイルの表面の外観を完全に理解するには、糸の外観、テキスタイルの物理的パラメーター、ニットの構造など、固有のコンポーネントと構造の特徴に関していくつかの要因を考慮する必要があります。次に、Kwak etal。 [41]は、ストレッチ中の3つの構造（プレーン、ダブル、リブファブリック構造を含む）の接触面積を調査し、ポテンシャルを高めるための貢献について議論しました。リブ生地を最大30％まで歪ませ、接触面積を180 cm ² に拡大できることは価値がありました。 。存在する中間領域によっては、リブファブリックを大きく伸ばすことができるため、接触面積を増やす可能性が高くなります。テキスタイル構造の主要な要素として、ループの特性が分析されました。これは、表面の外観に影響を与える重要な要因でもありました。 Huang etal。 [42]は、出力性能の違いを確認するために、テキスタイルの基本的なパラメーター（ループレッグ、ループシンカー、テキスタイル密度など）の影響に焦点を当てました。大きなステッチ密度のファブリックベースの摩擦電気ナノ発電機は、203 mW m ^-2 の最大ピーク電力密度でより高い電気エネルギーを生成できます。 80MΩで、これにより有効接触面積が大きくなります。結果は、様々な布構造の表面形態が電気出力能力に影響を及ぼしたことを示した。寿命を延ばすためにより多くのエネルギーを収穫するために、3D両面インターロックステッチテキスタイル[43]は、表と裏で同じ出力性能を示すダブルニードルベッドフラットで編成されました。さらに、3次元テキスタイル構造に基づくTENGは、3.4 mW m ^-2 の高出力密度を生成する可能性があります。 200MΩの外部抵抗で、エネルギーハーベスティングの容量が改善されたことを示しています。しかしながら、上記の表面の外観は、表面の幾何学的形状についてほとんど描写されておらず、生成された移動電荷に関する要因は、依然として具体的な説明の欠如に苦しんでいる。不規則な形態の評価を見つける必要がある表面の外観を特徴づけることができる普遍的な方法はありません。したがって、それが現在の摩擦電気ナノ発電機の伝達電荷を完全に理解するための制限です。

表面分析の目的は、テキスタイルの幾何学的構造を特徴づけることです。これは、接触法と光学法の2つのアプローチでテストできます[44]。接触法は表面の形態をうまく説明できますが、必要な時間ははるかに長く、針は表面に痕跡を残します。接触法と比較して、測定時間が短く、ハーネス表面が低く、検出が容易であるという利点があり、表面粗さの検出には光学的方法が使用されています。ただし、誤ったギャップと高レベルのノイズにより、実際の表面形態の判断が低下する可能性があります。

数学的ツールは、表面粗さの程度を定量化するために使用できる理論分析です。これは、不規則な表面を評価するための新しいアプローチです。このような凹凸のある表面では、セグメントの長さや物体の重量など、幾何学の定量的な寸法や測定精度を判断することが非常に難しいため、従来のユークリッド幾何学の数学的方法は使用できません。しかし、不規則な構造を記述するためにマンデルブロによって名付けられたアプローチであるフラクタル幾何学は、問題を解決し、泡の物理的特性[46]や布の滑らかさの評価[47]などの自然の不規則性を定義するために提供されています[45]。 。ほとんどすべての粗い表面は、フラクタル次元（ D ）と呼ばれる非積分次元で表すことができるいくつかの自己相似部分に分割できます。 _f ）。さまざまな幾何学的表面に基づいて、 D の値 _f 摩擦電気ナノ発電機の設計における粗さと効率的な接触面積に影響を及ぼし、人間の動きを電気に変換する能力を最適化することを検討および分析する必要があります。

ここでは、本研究では、誘電体層の1つとして採用されているニット構造に基づくさまざまな表面形態を紹介します。ニットテキスタイルベースのTENGは、商業用糸と工業用編機を使用して製造されており、大規模な生産と実用化を実現できます。羽ばたき手の動きを模倣するために、TENGは、最も単純な動作メカニズムである接触分離動作モード（CS）で設計されています。ニット構造は、構造ベースと形状ベースの凸凹表面形態を含む、2種類のアプローチで形成されます。ニット構造の多様性により、結果として生じる表面の外観を体系的に調査および分析して、表面形態とニット構造との関係を確認することができます。 D _f すべての生地のは、生地の表面の粗さを評価する適切なフラクタル原理によって計算できます。 1 * 1リブの表面外観の最大伝達電荷は、フラクタル次元0.99を取得する、羽ばたきおよび解放運動によって最大91.66nCに達する可能性があります。そして興味深い現象は、 D の値でそれを示しています _f ナンバーワンに近づくと、転送料金が高くなる可能性があります。最後に、フラクタル理論とニット構造を使用すると、転送電荷を量評価するための効果的な方法が提供され、より効率的で、工業生産で、安価なコストでニットテキスタイルベースのTENGを設計するのに役立つことが期待されます。

材料と方法

資料

一般的に入手可能なナイロン糸（dtex 600、AnTong KeJia繊維製品株式会社）は、縫製機（島精機製作所）全体でゲージ15（針/インチ）の2種類のリブテキスタイルと凸生地に編まれています。株式会社）。厚さ0.05cmのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）のフィルム（ChenqiElectricalTechnique Co.Ltd。）を使用しています。曲がってねじれた電極は、分極電荷を伝達するためにニットテキスタイルの裏に0.06mmの厚さで貼り付けられた市販の銅箔（Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd）です。

ニット生地とニットテキスタイルベースの摩擦電気ナノ発電機の製造

代表的な編み方である緯糸技術は、生地に高い伸縮性[48]、低コスト、美的性能を容易に与えることができます。位置編みの利点により、パワーテキスタイルは追加の縫製技術なしで衣類に統合することができます。表1に示すように設計された10の凸凹テクスチャがあります。表面形態と伝達電荷の関係を示すために、経度と横のコードがテキスタイルの表面に編まれています。したがって、10個の異なるテクスチャが表1に示されています。ここで、最初の7つのサンプルは、表面に縦方向のコードが示され、表面の外観はありません。 8、いいえ。 9、そしていいえ。 10は横凸です。ここでは、構造は高効率の工業プロセスに適したコンピューター化された平編み機で編まれ、テキスタイルはカスタムスケールを調整することができます。独自の設計システムを介して、特に複雑なパターンを設計するために、ファブリックを迅速に設計し、簡単に準備することができます。すべての生地は、緩和収縮の影響を減らし、試験精度を高めることを目的として、生地を安定したサイズの状態に緩和するための標準的な大気条件で24時間放置する必要があります。次に、同じサイズの導電性テープをテキスタイルの裏に貼り付けました。他の誘電体材料には、分極率の高いナノ粒子をベースに、PTFE製のフィルムを採用しました。フィルムはまだ銅箔に付着しており、電子の移動を伝達します。 CSに関しては、導線は垂直方向に移動する2つの摩擦モデルに接続されています。次に、CSベースのテキスタイルTENGが製造されました。

ニット生地のフラクタルキャラクター

海岸線、スノーフレーク、雲、葉など、すべての自然物が不完全な規則的な形状と境界であるわけではありません。したがって、フラクタル次元は、さまざまな方法で生成された不均一な形態を表すために使用されます。これは、多くの研究で特定された効果的な方法です。ハウスドルフ次元、カウントボックス次元、および表面のスタイルを定量化するための重要なパラメーターである同様の次元などを含む、フラクタル次元として定義されたいくつかの定式化があります。典型的なフラクタル次元は、1904年に最初に提示された雪片のようなコーン曲線でした。フラクタル次元が1.2618であるコーン曲線と呼ばれる、無限の3つの自己相似性によって囲まれた領域が制限されます。一般に、フラクタル次元は、長さ、幅、および面積を示すスケールaによって計算できます。次の式は関係を表すことができます：

ここで D _f は、両対数プロットの傾きに表示されるフラクタル次元です。

不均一な表面フラクタル次元、 D _f 、は、同様のユニットの相対サイズ分析に基づくハウスドルフ次元のアプローチで決定できます。コード表面を形成する要因として、エッジと数が異なるいくつかのマイクロコンベックス構造ユニットを含むコンベックス地区は、次のように表すことができます。

ここで M は凸型ユニットの数、 N は、サンプル全体の長さに対する凸状の単位の長さである、繰り返される複数の自己相似単位であり、 D _f 隆起した構造のフラクタル次元です。この方程式は、表面の形態を予測するために使用できるモデルであるため、次のようになります。

特性評価

Dino-liteエッジデジタル顕微鏡（AnMo electronic Corporation）を使用して、写真画像からニット生地の密度を測定しました。接触および分離モード中のニットファブリック摩擦電気ナノ発電機の電気信号は、LabVIEWシステムに基づく自己組織化ライナーモーターおよび電位計（Keithley 6514システム）によって操作されました。

結果と考察

摩擦材料を確認するために、摩擦電気の位数[49]が重要な基準であり、さまざまな一般的な材料の摩擦電気分極を定量化しました。摩擦電気秩序は、一方の側が電荷容量の増加を示し、もう一方の側が電子を失う高い能力を持っていることを示しています。これは、基本的な材料性能として定義されています。卓越した出力性能を得るために、かなりの距離の摩擦電気シリーズに起因する必要のあるいくつかの材料が選択され、電位差が大きくなります。ここで、1つは市販の低コストで優れた耐摩耗性と非常に正に帯電した傾向（ナイロン）であり、もう1つは負に帯電した傾向（PTFE）を示します。この作業では、表面に処理を施していないPTFEメンブレンを選択しました。ここでの唯一の要因は、電荷の移動の性能によって分析できるニット構造です。もう一つの重要な要素は、直接貼り付けることができる柔軟性の高い銅箔である電極材料です。これは、シンプルでワンステップの製造プロセスです。銀や金の貴金属と比較して、銅箔の価格は安価であり、経済的な製品を製造するために使用することができます。そのため、銅はスマートデバイスの設計における柔軟な回路および電極として広く適用されています。

現在、異なる電極構造と動きに対応する4つのユニバーサル動作モード操作TENGがあります。簡単な製造、豊富な材料の選択、往復する垂直方向の動きの利点を備えたCS TENGは、手羽ばたき、歩行、ランニングなどの生体力学的エネルギーを収集する潜在的な能力を備えた最初の詳細な調査です。ここでは、表面構造の影響原理を調査するために、ナイロン生地とPTFEフィルムの接触と分離に対応するニットテキスタイル（KNG）に基づく摩擦電気ナノ発電機を設計しました。摩擦電気ナノ発電機を組み立てるプロセスを図1aに示します。これは、ニットファブリック、PTFEメンブレン、および銅箔で構成されています。圧着（図1bi）、曲げ（図1bii）、ドレープ（図1biii）、および任意の方向への折り畳み（図1biv）の能力に関する柔軟なニット生地の多様性は、さまざまなスケールで調整されています図1bに示されています。 KNGは、アプリケーションの位置の要件と衣服の審美性に基づいて設計できます。さまざまなニット構造がさまざまな表面の外観で編まれており、これらのテキスタイル表面の写真が図1cに示されています。

概略の準備、KNGの特徴、およびニットの構造。 a KNGの製造工程。 b さまざまな変形下のKNGの画像。私、圧着; ii、曲がっている; iii、ドレープ; iv、折りたたまれています。 c 製造されたすべてのニット構造、番号1から10

KNGの動作メカニズムを図2aに簡単に示します。伝達電荷を測定するために、リニアモーターの最大距離と移動周波数をそれぞれ10cmと0.3Hzに設定して、羽ばたき手の動きをシミュレートします。一般的な監視では、開回路電圧（Voc）、短絡電流（Isc）、および転送電荷（Qsc）は、機械式リニアモーターによって測定されます。元の状態（図2 ai）では、静電誘導と電荷の保存により、ナイロン繊維は正の電荷を生成し、PTFEフィルムは負の電荷を帯びていました。デバイスを押すと（図2 aii）、両方の接触面の間のギャップが収縮すると、PTFEに貼り付けられた電極に正電荷が蓄積します。電子は、電位差のバランスをとるために外部回路から流れます。両方の誘電体材料が絶縁体であるため、接触領域の表面で同等の量の電子を維持できることは注目に値します（図2aiii）。 PTFEが戻ると（図2aiv）、プロセスが逆になり、電荷の中和を反映して、ナイロンテキスタイルとPTFEの間で電気が再びバランスを取ります。その結果、電子は電位差のために逆流します。この状況では、KNGは図2bおよびcに示すように、周期的な変化の特徴を持つIscおよびVocを生成する可能性があります。図2bおよびcの挿入図は、1サイクルで記述された拡大グラフです。

電力の動作メカニズムとKNGの出力性能。 a PTFE部材とのナイロン布接触を使用したKNGの操作メカニズム。 b KNGのVocと1サイクルの拡大画像。 c KNGのIscと1サイクルの拡大画像

テキスタイル表面に凸構造を作るために、図3に示すように、構造設計と形状形成の2種類の方法が使用されます。構造設計は、フェースループステッチとその逆の比率の違いに依存します。ループステッチ。合計サンプルは、m * n（ m ）のタイプを含む7つのリブタイプで設計されています。 = n =1、2、3、4）図3aおよび2 * m（ m =1、2、3、4）図3bに示されています。リブは、リバースループウェールの上および前に移動する傾向があるフェイスループウェールのために、垂直のコードの外観を持っています。そうすると、コードの最大高さは0.2cmに達する可能性があります。 m * nのリブ（ m = n =1、2、3、4）は、両側のフェイスループの交互のウェールによってバランスをとることができるため、仕立て後にカールすることなく平らになります。また、テキスタイルの両面は図3eに示すように同じ外観です。ただし、2 * mのリブ構造ではフェースループとリバースループの比率が異なるため、図3fに示すように、区別面が出てきます。さらに、リブ生地の伸縮プロセスは2つの段階に分けられます。これには、両側で噛み合う逆ウェールが引き伸ばされて間にある逆ループウェールが現れるまで続き、その後、ループ全体が同等の幅の2倍の幅に引き伸ばされ続けます。シングルファブリック。したがって、無地の布地と比較して、リブテキスタイルは、接触分離作業モード中に羽ばたきおよび伸縮運動（横方向および縦方向）を収穫するための伸縮性を高める可能性がある。隆起した構造を確立するための他の方法は、 n の表面に空気層が形成される形状変形です。 （ n =4、5、6）図3cに示されているテキスタイル。断面積の厚さは0.15から0.3cmの範囲です。空気層の特徴は、動きをトリガーするときに電子分離を加速するためのスペースを提供できる顕著なアーチ構造です。とりわけ、ニットテキスタイルは、コンピューター化されたフラットマシンによって設計されており、編み位置の精度を実現し、衣服全体を形成し、スマートマテリアルを布に完全に統合します。このような編み物技術の命名法は、構造の特徴を正しく表す図3dにマークされています。

ニット構造の概略特性とコンポーネント。 a m * nリブの特性。 b 2 * mリブの特性。 c いくつかの針水平コードの特性。 d 編み物技術の命名法。 e 1 * 1リブ構造の表側と裏側の画像。 f 2 * 1リブ構造の表側と裏側の画像

以前の作品[42]は、テキスタイルの裏側よりもはるかに大きい表側の有効接触面積を示しました。その結果、転写電荷は裏面の出力性能の2倍になりました。これは、ニードルループの長さがシンカーループよりも長かったためです。したがって、出力パフォーマンスを向上させ、影響力のある要素を1つだけ作成するために、接触隆起構造は面側ループで構成されます。凸面ユニットの数に応じたKNGの出力を図4にプロットします。すべての実験テキスタイルの接触面積が、隆起したユニットの数とともに減少するという減少傾向が形成されました。また、より重要な電荷は、1 * 1リブ、2 * 1リブ、および91.66 nC、90.19 nC、およびの値を持つ4つの針形状タイプの構造（各線の最初の点）の順序になっています。それぞれ69.64nC。

凸型ユニットの数によって出力性能が変化しました

次に、ダイバーシティウェール密度、フェースサイドユニットの数、および構造の面で異なる表面形態を持つニット構造を調査します。 10種類のニットテキスタイルのすべてのパラメータをテストして表2に記録します。特に、サンプルNo. 1〜7を分析すると、コードの外観が垂直方向に沿って成長するため、コース密度は常に一定です。したがって、議論する必要がある主な要因としてのウェール密度は、さまざまなニット構造の特徴を指します。フェイスループとリバースループが1〜4番で同じ割合で約50％であることは明らかです。これらのテキスタイルは、ダブルステッチ編みに基づいて、表面または裏面が何であっても同じ構造を示します。平均厚さはサンプル番号と比較してより高いことを示しています。フェイスステッチとリザーブステッチの数が異なる5〜7。テクスチャ番号4は、そのウェール密度がnoの2倍である最大の繰り返し単位を所有しています。 1.しかし、実際の生地のフェースサイドユニットの数は、ない場合よりもほぼ半分に減少しています。 1.これは、より多くのシンカーループが互いに引き伸ばされて、柱の外観を形成できるためです。ニットユニットが大きくなると、柱の直径と布の厚さが大きくなり、ここでは、動きをトリガーするときの面側ユニットの数と効率的な接触面積が減少します。フェースループとリバースループの比率が異なるリブ構造では、ニットの繰り返し単位が増加していることから、外観は明らかに片面構造の特徴を示しています。一方、のウェール密度はありません。 7はnoと同じくらい大きいです。 1といいえ。 5ですが、ニットユニットの数が6ループであるため、フェイスループユニットの数には明確な違いがあります。 1（2ループ）およびいいえ。 5（3ループ）であるため、出力パフォーマンスはnoよりも低くなります。 1といいえ。 5.その結果、リブ編みの生地はありません。 1は、番号で最も多くのフェイスループユニットを表します。接触分離動作中は1〜10。

一方、シェイプタイプのニットテキスタイルは、さまざまな数のループがファブリック全体に組み立てられ、アーチ構造を形成するように設計されています。コードの長さの方向が水平であるため、生地のウェール密度は横方向でほぼ安定しています。アーチ構造は、中空の内部空間を持つ表面の電荷を分離するためのアプローチを提供します。したがって、無駄なメカニズムのエネルギーを収穫する効率が改善されました。一般的に、アーチ型は出力性能を高めるために、シリコン基板などの弾力性と耐久性に優れた柔軟な素材で作られていますが、商業的な要件を満たすために工業用編機で編むのは困難です。アーチ構造が以前の研究[24、41、50]で編まれた織物に基づいていることを見ると、構造は縫うかテープで留める必要があり、これは複雑で時間のかかるプロセスです。高い生産効率を実現する二次製造を行わずに、成形技術全体で製造されたアーチ型ニットテキスタイルを紹介しました。横コード構造の中で、高さ0.3cmは、高さがそれぞれ0.15cmと0.2cmの4針と5針の水平コード構造と比較して最も低い電荷出力を示します。これは、ニットテキスタイルの低剛性の影響を受ける可能性があります。両端間の大きな距離が固定されています。最も高い凸形状は、力の圧力でアーチを維持し、元の形状に回復するのが困難であり、これにより、一部の電荷が中和されます。結果として、アーチの高さの減少は、凸状構造の耐性を高めることができます。ただし、このような形状タイプのコードは、実際の接触よりも面積が少ないラインタイプである有効接触面積が減少し、電気出力の性能が低下します。

ループは不規則な構造であるため、ステッチサイズや表面形状などのジオメトリプロパティの評価は困難です。ループの不規則性を特定するために、積分次元である従来の評価を利用することはできません。フラクタル理論は、私たちの周囲と自然の不規則性のカテゴリーを分析するために提案されています。フラクタル次元の提案された概念は、規則、複雑さ、および繊維表面の粗さを提示する複雑な形態を示すための優れたツールです。すべてのフラクタルは完全に自己相似ではないため、数学的計算を使用してジオメトリ構成を議論します。ニット構造の表面を理解するために、いくつかの画像は図5dで運ばれる情報を視覚化します。図5dに示すように、凸面の特性は、隆起した形態を確認するための証拠があるさまざまな視点から直感的に観察できます。

テキスタイルを編むためのフィッティングカーブといくつかのビジュアルイメージ。 a m * nリブ構造。 b 2 * mのリブ構造。 c いくつかの針の水平コード構造。 d さまざまな側面からの視覚的画像

凹凸のある表面は、糸の形態と構造設計によって設計されたニット構造で形成されています。フラクタルジオメトリは、テキスタイルの表面を評価し、ニット構造の特性と摩擦電荷生成の能力を理解するための効率的な計算です。実際、隆起したユニットの増加に伴い、表面形状が変更されているため、不均一なニットテキスタイルを改善することができます。すべてのニットテキスタイルは経度と横方向に凸状の構造を持っていますが、フラクタル次元をうまく使用したかどうかの重要な基準値である類似性の程度はまだ確認されていません。フラクタル次元の実現可能性を推定するために、すべてのニット生地は、凸状ユニットの幅、長さのループのサイズ、およびテキスタイルが安定したサイズのままであるときの幅を測定することによって計算されます。図5a、b、cは、nosのフラクタル次元のフィッティング曲線を示しています。 1〜10種類の生地で、線の傾きはフラクタル次元を意味します。この関係の存在は、10種類のニット織物の凸状構造に見られ、10種類のニット生地のフラクタル特性を裏付けています。したがって、実用的なダイバーシティニット構造の分析に適用されるフラクタル理論。

図6a–fは、構造タイプと形状タイプに基づいて、接触および分離作業KNGの実際のアプリケーションに基づいて生成されたIscおよびVocを示しています。図6a〜fに示すように、IscとVocについては、ニットユニットの減少が増加する傾向があります。これは、ニット構造の影響を受ける有効接触面積によってIscが変化するためです。

フラクタル次元と生成されたIscおよびVocの概略図。 a m * nリブのIsc。 b m * nリブのVoc。 c 2 * mリブのIsc。 d 2 * mリブのVoc。 e n型のIsc。 f n型のVoc。 g D _f -電荷曲線を転送します。 h F値曲線

D を計算するとき _f さまざまなニット構造の中で、調査されたニット構造は、図6gに示すように、凸状の異なるコンポーネントのために、異なるニット構造が非整数寸法である不等値を持っていることを示しています。図6gに関しては、これはダイバーシティ構造の伝達電荷対フラクタル次元曲線の画像です。リブ構造は、望ましい出力性能と1の値に近いフラクタル次元を示します。構造タイプのニットテキスタイルをベースにしたTENGは、形状タイプよりも転写電荷が高く、 D の値が高くなります。 _f m * nリブタイプ、2 * nリブタイプ、および n について タイプは、それぞれ0–2、0–1、および1–2の範囲です。一般に、フラクタル次元は、表面粗さの範囲を表します。これは、 D が大きくなるにつれて粗さが増加することです。 _f 。ただし、シェイプタイプのファブリックは、線接触面積が小さい水平コードで設計されているため、粗さは転写電荷にほとんど影響しません。

D への影響を示すため _f リブ構造における凸構造の均一性の場合、ランダムな辺の長さが選択され、計算されます。結果は次のように表示されます：

ここで a 生地全体の長さ、 b は凸型ユニットの幅であり、ファブリック全体の幅 l に等しくなります。 は凸型ユニットの長さ、 M は凸型ユニットの数、 N は、サンプル全体の長さに対する凸状の単位の長さである自己相似単位の繰り返しの倍数であり、ε フェイスループとリバースループの比率であり、凸状の注意散漫の均一性を意味します。

次に、 M の計算 および N 処方（1-3）で使用できる場合、結果は D が得られたことを示しています。 _f D と同じではありません _f これは、表3に示すように、実際の測定の長さに基づいて計算されます。隆起した構造がどのように分布していても、 D の値は _f コードの実際の長さと数に影響されます。

2 * 1リブ構造のフラクタル次元は0.99の1 * 1リブリーチに近いため、伝達電荷は図6gに示すものとほぼ同じであることに注意してください。生成された電気出力性能は、 D のときに最も高くなります。 _f 1の値に近いです。これにより、フラクタル次元が表面の形態を評価し、出力パフォーマンスを特徴付けることができるかどうかを推測できます。フラクタル電荷と伝達電荷の相関関係を調査するために、フラクタル次元と1つの値（ F という名前）の差 値）は図6hに示されています。経営成績は F 減少傾向を示しています 値は、フラクタル次元の潜在的なアプリケーションの証拠を取り、はるかに高いVocを高めることができます。ただし、 F 値は粗さ構造の評価と見なされ、構造の一次ループの特性を考慮する必要があります。次に、転送料金への影響について包括的に説明します。いいえのサンプル。 4といいえ。 6のF値は似ていますが、両方の出力パフォーマンスに大きな違いがあります。いいえの表面形態。図４は、面ループと逆ループの数が同じであるため、伝達電荷が低い平面構造を示している。しかし、違います。 6は、フェースステッチの逆ループと、接触および分離時に発生する大きな転写電荷により、目立つ外観を示します。したがって、 F に基づいたテキスタイルのニット構造の選択とデザイン 価値は、生成された総電荷を大幅に改善しました。これは、ニットテキスタイルをベースにした高効率で柔軟なセルフパワーデバイスを構築するために不可欠な要件です。

結論

柔軟性が高く、伝達電荷に優れたニットテキスタイルを柔軟なTENGに適用して、優れた出力性能を備えた不規則で低周波の生体力学的エネルギーを収穫できることを実証しました。表面形態と出力特性の関係を特定するために、フラクタル理論を使用して表面形状を定量化し、表面外観の伝達電荷能力への影響を評価しました。環境発電への影響を分析できるさまざまなニット構造が製造されています。ニットユニットの観点から、結果は、1 * 1リブ構造の最大出力が最小ニットユニットで213Vに達することができることを示しています。さらに、動作メカニズムと接触領域の形状をさらに理解するために、さまざまなニット構造が従来の寸法とは異なるフラクタル次元で示されています。計算により、同じニット単位の異なるニット構造を使用して、同じニット単位のフラクタル次元を取得できます。生成される電気出力は、フラクタル次元を1の値に近づけると増加する可能性があります。したがって、フラクタル次元と値の差は、凹凸のある表面に応じた伝達電荷能力の評価に使用できます。近い将来、摩擦電気ナノ発電機を構築する際にフラクタル理論に基づいて出力能力を生成し、最大の出力性能を得て、日常生活で無駄な人間の動きを収集するための柔軟なセルフパワーシステムを最適化するための評価が検討されることが期待されます。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

Eスキン：

電子スキン

IoT：

モノのインターネット

PDMS：

ポリジメチルシロキサン

TENG：

摩擦電気ナノ発電機

PTFE：

ポリテトラフルオロエチレン

D _f ：

フラクタル次元

CS：

連絡先-個別の作業モード

KNG：

ニットテキスタイルをベースにした摩擦電気ナノ発電機

Voc：

開回路電圧

Isc：

短絡電流

Qsc：

振込手数料

F値：

フラクタル次元と1の値の違い