表面形態解析によるニット構造トリボ電気ナノ発電機の移動電荷向上

概要

廃棄生体力学エネルギーの収集は、ウェアラブルデバイスの電力補給を改善し使用寿命を延ばす有望なアプローチを提供します。表面形態はトリボ電気ナノ発電機（TENG）の出力性能向上の重要な要因ですが、表面形態とその発電への影響を評価する手法に限界がありました。表面形態と移動電荷の関係を評価するため、フラクタル幾何学理論という数学的理論が提案され、不規則な表面形態の特性を分析します。この理論は接触面積と表面粗さの理解に優れています。平編み機を用いてコード外観を持つ3種類のニット構造を設計し、それらの表面特性を分析しました。幾何学的構造はフラクタル次元によって実証でき、接触・分離時の発電出力性能を評価できます。本研究では、編み目ユニット数の増加に伴い、利用可能な接触面積の減少によりトリボ電気発電性能が継続的に低下することを示しました。様々なニット構造のフラクタル次元を計算した結果、m×nリブ構造ではフラクタル次元が1に近いときに高い移動電荷を示し、特に1×1リブ構造ではフラクタル次元が0.99に達しました。フラクタル理論は、均一な凸ユニットの気晴らしとは無関係に、不規則表面形態が発電出力性能に与える影響を評価する手法としてさらに活用できます。本研究結果は、ニットベースTENGが生体力学エネルギーを収集し、衣服に統合された携帯電子機器を駆動することの実現可能性も実証しました。

はじめに

高度なインテリジェンス技術が世界を席巻し、ヘルストラッキングセンサー、ジェスチャー検出デバイス、電子スキン（E-skin）、フレキシブル回路、光ファイバーウェアラブルなど、新しいフレキシブルスマートウェアラブルデバイスを生み出しました。しかし、質量、低変換効率、深刻な環境汚染、短いバッテリー寿命といった欠点により、電力供給は電子機器開発の大きな制約となっています。2012年に最初のトリボ電気ナノ発電機（TENG）が成功裏に開発されて以来、小型、軽量、多様な材料、安全、環境に優しい、高効率といった特徴により、上記の制約に対処する有望かつ効果的な戦略を提供してきました。接触帯電と静電誘導の結合効果で動作するTENGの急速な登場とともに、周囲からの機械的エネルギー（風、水滴、人体運動、生体力学エネルギーなどの低周波・不規則運動）、データ伝送、IoT（モノのインターネット）での電力補給において、望ましいアプローチとして確立されています。ウェアラブルデバイスにおいて、テキスタイルは構造保持性、耐疲労性、柔軟性、統合性、高多孔性により最良の基板と見なされています。これまで、TENGと従来テキスタイルの統合は、自己駆動フレキシブルセンサー、ウェアラブルエナジーハーベスター、テキスタイルベースエネルギー貯蔵システムなど、人間中心のウェアラブルデバイスの有望な候補の一つです。また、従来テキスタイルに機能性、知能化、高付加価値を付与します。テキスタイルベースのこれらの電子デバイスは、軽量、安価、快適、通気性、携帯性、長寿命、洗濯可能といった日常使用要件を満たします。さらに、多様な色と豊富なパターンデザインでテキスタイルを容易に作製でき、インテリジェントテキスタイルの魅力を高めます。特に、小さな歪みで大きな変形が可能なニットテキスタイルは信号生成に敏感で、フレキシブルセンサーに理想的であり、運動抵抗を克服しエネルギー損失を低減します。また、ニットテキスタイルの摩擦と変形は一般的な現象であり、TENG構築のスリリングな見解を提供します。

ご存知の通り、表面形態修飾はTENG出力性能向上の重要なアプローチです。ほとんどは利用可能な接触面積と表面粗さの増加を目的としています。表面形態を変える2つの主要な方法は、表面エッチングと表面レプリケーションです。しかし、高価、限定的な処理領域、多段階製造技術を用いた表面外観生成は工業生産に困難を伴います。Liら[40]は、サンドペーパーから剥離した表面微細構造を持つポリジメチルシロキサン（PDMS）フィルムを調査し、表面粗さの差異を調製するワンプロセス・低コスト法を示しました。実験結果は、3D光学表面プロファイラーで検出された粗さクラス3000で最大46.52Vの出力を生成しました。しかし、過剰な微細構造は有効接触面積を著しく減少させ、発電性能の低下を招きます。TENGサイズはサンドペーパー面積によって制限され、製造コスト増大を招きます。現在、複雑な製造プロセスと高コストなしで豊富な表面外観を形成できるテキスタイル構造が注目されています。テキスタイル表面外観を完全に理解するには、糸の外観、テキスタイル物理パラメータ、ニット構造などの固有成分と構造特徴を考慮する必要があります。Kwakら[41]は、伸張時の3構造（平織、二重織、リブ織）の接触面積を調査し、電位向上への寄与を議論しました。リブ織は30%まで伸張可能で、接触面積を180cm²まで拡大できることが注目されます。中間領域の存在により、リブ織は大きく伸張でき、接触面積増大による高電位獲得が可能です。テキスタイル構造の主要要素として、ループ特性も表面外観に影響する重要因子として分析されました。Huangら[42]は、テキスタイル基本パラメータ（ループ脚、ループシンカー、テキスタイル密度）が出力性能に与える影響に焦点を当てました。高ステッチ密度ファブリックベースTENGは、80MΩで最大ピーク電力密度203mW/m²を生成し、より大きな有効接触面積を実現しました。結果は様々なファブリック構造の表面形態が発電能力に影響することを示しました。より多くのエネルギーを収集し寿命を延ばすため、3D二面インターロックステッチテキスタイル[43]がダブルニードルベッドフラットで編まれ、表裏同等の出力性能を示しました。さらに、3Dテキスタイル構造ベースTENGは、200MΩ外部抵抗で3.4mW/m²の高電力密度を生成し、エネルギー収集能力の向上を実証しました。しかし、上記表面外観は表面の幾何学形状についてほとんど描写しておらず、生成移動電荷に関する要因は依然として具体的説明に欠けています。表面外観を特性評価する汎用的な方法がなく、不規則形態の評価を見つける必要があります。これが現在、TENGにおける移動電荷を完全に理解する上での限界となっています。

表面分析の目的はテキスタイルの幾何学構造を特性評価することであり、接触法と光学法の2アプローチでテスト可能です。接触法は表面形態をよく記述できますが、時間がかかり、針が表面に跡を残します。光学法は測定時間が短く、表面への負担が少なく、検出が容易という利点があり、表面粗さ検出に用いられてきました。しかし、偽ギャップと高ノイズレベルが実際の表面形態の判断を低下させる可能性があります。

数学的ツールである理論分析は、表面粗さの程度を定量化するために使用できます。これは不規則表面を評価する新しいアプローチです。このような不均一表面では、ユークリッド幾何学の従来の数学的手法は使用できません。線分の長さや物体の重量など、定量的な幾何学次元と測定精度を判断するのが非常に困難だからです。しかし、マンデルブロが命名したフラクタル幾何学は、自然界の不規則性を記述し定義するために提供されてきました。例えば、泡の物理的特性や布地滑らかさの評価などです。ほぼすべての粗い表面は、フラクタル次元（Df）と呼ばれる非整数次元で描写可能な自己相似部分に分割できます。様々な幾何学的表面に基づき、Dfの値を考慮・分析する必要があり、これはTENG設計における粗さと有効接触面積に影響し、人体運動を電気エネルギーに変換する能力を最適化します。

本研究では、誘電体層の一つとして採用されるニット構造ベースの様々な表面形態を提示します。ニットテキスタイルベースTENGは市販糸と工業用編み機を用いて作製され、大量生産と実用応用を実現します。手のパタパタ動きを模倣するため、TENGは最も単純な動作メカニズムである接触分離モード（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の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、結果として得られる表面外観を体系的に調査・分析し、表面形態とニット構造の関係を確認できます。各ファブリックのDfは適切なフラクタル原理により計算でき、ファブリック表面の粗さを評価できます。1×1リブの表面外観での最大移動電荷は、パタパタ・解放運動で91.66nCに達し、フラクタル次元0.99を取得します。興味深い現象として、Dfの値が1に近づくほど移動電荷が高くなることが示されました。最終的に、フラクタル理論とニット構造を用いることで、移動電荷を定量的に評価する効果的な方法を提供し、より効率的、工業生産可能、低コストなニットテキスタイルベースTENG設計の助けになることが期待されます。

材料と方法

材料

ナイロン糸（dtex 600、AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.）を、全衣服編み機（SHIMA Seiki Co., Japan）でゲージ15（針/インチ）で2種類のリブテキスタイルと凸状ファブリックに編みました。厚さ0.05cmのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）フィルム（Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.）を使用。曲げ捻り電極は市販銅箔（Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd、厚さ0.06mm）で、ニットテキスタイル背面に貼付し偏極電荷を移動させます。

ニットファブリックおよびニットテキスタイルベースTENGの作製

緯編み技術は代表的な編み方法として、高い伸縮性、低コスト、美的性能を容易にファブリックに付与できます。位置編みの利点により、パワーテキスタイルを追加縫製技術なしで衣服に統合できます。接触面積と移動電荷の関係を実証するため、経糸方向と緯糸方向のコードをテキスタイル表面に編み込みました。Table 1に10種類の異なるテクスチャーを示し、最初の7サンプルは経糸方向コード、No.8、9、10は緯糸方向凸状外観を示します。構造はコンピュータ制御フラット編み機で編まれ、高効率工業プロセスに適し、テキスタイルをカスタムスケールに仕立て可能です。独自設計システムにより、ファブリックを迅速に設計・容易に調製でき、特に複雑なパターン設計に適しています。すべてのファブリックは標準大気条件下で24時間放置し、サイズ安定状態に緩和させました。これは緩和収縮の影響を減らし、試験精度を高める目的です。その後、同サイズの導電テープをテキスタイル背面に貼付。高分極性ナノ粒子ベースのPTFEフィルムをもう一方の誘電体材料として採用。フィルムは銅箔片に接着され、電子移動を伝達します。CSモードでは、導電ワイヤーを2つの摩擦モデルに接続し、垂直方向に移動させます。こうしてCSベーステキスタイルTENGが作製されました。

ニットファブリックのフラクタル特性

海岸線、雪の結晶、雲、葉など、自然界のすべての物体が不完全な規則形状と境界を持つわけではありません。したがって、フラクタル次元は異なる方法で生成される不均一形態を記述するために用いられ、多くの研究で有効な手法として特定されています。フラクタル次元にはハウスドルフ次元、ボックスカウント次元、類似次元などいくつかの定義があり、これらは表面のスタイルを定量化する重要なパラメータです。典型的なフラクタル次元は雪の結晶のようなコッホ曲線で、1904年に初めて提示されました。3つの自己相似性で無限に囲まれた面積は制限され、コッホ曲線と呼ばれ、フラクタル次元は1.2618です。一般に、フラクタル次元は長さ、幅、面積を示すスケールaにより計算できます。以下の式で関係を示せます：

F(a) ≈ a^Df （1-1）

ここでDfはフラクタル次元で、対数-対数プロットの傾きに表れます。

不均一表面のフラクタル次元Dfは、類似単位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。コード表面形成の要因として、凸区域はいくつかの微小凸構造単位を異なるエッジと数で含み、以下のように表せます：

M = N^Df （1-2）

ここでMは凸単位の数、Nは繰り返し自己相似単位の倍数（凸単位の長さ/サンプル全体の長さ）、Dfは隆起構造のフラクタル次元です。この式は表面形態を予測するモデルとして使用できるため：

Df = log M / log N （1-3）

特性評価

Dino-lite Edgeデジタル顕微鏡（AnMo電子株式会社）を用いて、写真画像からニットファブリックの密度を測定しました。接触・分離モードでのニットファブリックTENGの電気信号は、自作リニアモーターとエレクトロメーター（Keithley 6514システム）をLabVIEWシステムベースで操作しました。

結果と考察

摩擦材料を確認するため、トリボ電気系列[49]が重要な参照となり、様々な一般材料のトリボ電気分極を定量化します。トリボ電気系列は一方が帯電能力を示し、他方が高い電子放出能力を持つことを示し、基礎的材料性能として定義されます。優れた出力性能を得るには、トリボ電気系列でかなり離れた位置にある一組の材料を選択し、電位差を増大させる必要があります。ここでは、市販、低コスト、優れた耐摩耗性、強い正帯電傾向（ナイロン）と、負帯電傾向（PTFE）を示す材料を選択しました。本研究では表面処理なしのPTFE膜を選択。ここで唯一の要因は、移動電荷性能で分析可能なニット構造です。もう一つの重要要素は電極材料で、高柔軟性の銅箔を直接貼付可能で、シンプルなワンステップ製造プロセスです。銀や金などの貴金属と比較して銅箔は安価で、経済的製品製造に使用できます。したがって銅はスマートデバイス設計におけるフレキシブル回路と電極として広く応用されています。

現在、異なる電極構造と運動に対応する4つの普遍的な動作モードTENGがあります。容易な製造、豊富な材料選択、往復垂直方向運動の利点を持つCS TENGが最初に深く調査され、手のパタパタ、歩行、走行などの生体力学エネルギー収集の可能性を持っています。ここでは表面構造の影響原理を調査するため、ナイロンファブリックとPTFEフィルムの接触・分離に対応するニットテキスタイルベースTENG（KNG）を設計しました。TENG組み立てプロセスを図1aに示し、ニットファブリック、PTFE膜、銅箔で構成されます。フレキシブルニットファブリックの多様性は、縮み（図1bi）、曲げ（図1bii）、ドレープ（図1biii）、折り畳み（図1biv）があらゆる方向で可能で、図1bに様々なスケールで描写されています。KNGは用途位置要件と衣服の美観に基づいて設計可能。ニット構造の多様性で異なる表面外観を編み、これらのテキスタイル表面写真を図1cに示します。

KNGの動作メカニズムを図2aに簡略示します。移動電荷測定のため、リニアモーターの最大距離と運動周波数をそれぞれ10cm、0.3Hzに設定し、手のパタパタ動きを模擬。一般的なモニタリングとして、開放電圧（Voc）、短絡電流（Isc）、移動電荷（Qsc）を機械式リニアモーターで測定。初期状態（図2ai）では、静電誘導と電荷保存によりナイロンテキスタイルが正電荷、PTFEフィルムが負電荷を生成。デバイスが押圧されると（図2aii）、両接触面間のギャップ縮小によりPTFEに貼付された電極に正電荷が蓄積。外部回路から電子が流れ電位差をバランス。両誘電体材料が絶縁体であるため、接触面積表面に同量の電子を維持可能（図2aiii）。PTFEが戻ると（図2aiv）、プロセスが逆転しナイロンテキスタイルとPTFE間で電気が再び平衡し、電荷の中和を反映。結果として電子が電位差のために逆流。この状況でKNGは周期的変化特性を持つIscとVocを生成し、図2b、cに示します。図2b、cのインセットは1サイクルを説明する拡大グラフです。

テキスタイル表面に凸構造を作製するため、構造設計と形状形成の2種類の方法を用いました（図3）。構造設計は表ループステッチと裏ループステッチの異なる比率に依存。総サンプルは7種類のリブタイプで設計され、m×nタイプ（m=n=1,2,3,4）を図3a、2×mタイプ（m=1,2,3,4）を図3bに示します。リブは表ループウェールが裏ループウェールの前を越えて移動する傾向があるため垂直コード外観を持ち、コード最大高さは0.2cmに達します。m×nリブ（m=n=1,2,3,4）は表ループウェールが交互に各側でバランスされるため、裁断後カールせずフラットに横たわり、両面同一外観を示します（図3e）。しかし、2×mリブ構造では表ループと裏ループの異なる比率により、異なる外観が現れます（図3f）。さらに、リブファブリックの伸張プロセスは2段階に分かれ、裏ウェールが両側で相互嵌合し裏ループウェールが中間に現れるまで伸張され、その後全ループが同等シングルファブリックの2倍以上の幅まで伸張され続けます。したがって、平織ファブリックと比較してリブテキスタイルは、接触分離動作モードでのパタパタ・伸張運動（横方向と縦方向）の収集のために伸張能力を増大させる可能性があります。隆起構造確立のもう一つの方法は形状変形で、n（n=4,5,6）テキスタイル表面に空気層が形成されるものを図3cに示します。断面積厚さは0.15〜0.3cmの範囲。空気層の特徴は顕著なアーチ構造で、運動トリガー時に電子分離を加速する空間を提供します。以上すべて、ニットテキスタイルはコンピュータ制御フラットマシンで設計され、編み位置精度を実現し、衣服全体を形成しスマート材料を布地に完璧に統合できます。このような編み技術用語を図3dにマークし、構造特徴を正しく描写しています。

先行研究[42]は、表面の有効接触面積が裏面よりはるかに大きく、移動電荷が裏面出力性能の2倍になることを実証しました。これは針ループ長がシンカーループより長いためです。したがって、出力性能を向上させ単一の影響因子のみを作るため、接触隆起構造は表面ループで構成されます。凸ユニット数に依存するKNG出力を図4にプロット。実験したすべてのテキスタイルで、隆起ユニット数とともに接触面積が減少する減少傾向が形成されました。また、より顕著な電気電荷は、1×1リブ、2×1リブ、4針形状タイプ構造（各線の最初の点）の順序で、それぞれ91.66nC、90.19nC、69.64nCの値を示しました。

次に、ウェール密度の多様性、表面ユニット数、構造の観点から異なる表面形態を持つニット構造を調査。10種類すべてのニットテキスタイルパラメータをテストしTable 2に記録。特に、コード外観が垂直方向に成長するサンプルNo.1-7分析時、コース密度は常に一定。したがって、ウェール密度が異なるニット構造特徴を参照する主要因子として議論される必要があります。No.1-4では表ループと裏ループが約50%の同割合。これらのテキスタイルはダブルステッチ編みに基づき、表裏どちらも同じ構造。平均厚さは、異なる数の表ステッチと裏ステッチで構成されるNo.5-7より高い。テクスチャーNo.4は最大繰り返し単位を持ち、ウェール密度はNo.1の2倍。しかし、実用ファブリック上の表面ユニット数はNo.1のほぼ半分に減少。これはより多くのシンカーループが互いに伸張しコード外観を形成するため。編み目ユニット増加に伴い、コード直径とファブリック厚さが拡大し、ここでは表面ユニット数と運動トリガー時の有効接触面積が減少。表ループと裏ループの異なる比率を持つリブ構造では、編み目繰り返しユニット増加に伴い片面構造の特徴が顕著に。一方、No.7ウェール密度はNo.1とNo.5と同程度だが、編み目ユニット数が6ループでNo.1（2ループ）とNo.5（3ループ）よりはるかに多いため、表ループユニット数に顕著な差異があり、出力性能はNo.1とNo.5より低くなります。結果として、リブ編みファブリックNo.1がNo.1-10中で接触分離運動中に最も多くの表ループユニットを表します。

一方、形状タイプニットテキスタイルは、異なるループ数をファブリック全体に組み立てることでアーチ構造を形成するよう設計。コード長方向が水平のため、ファブリックウェール密度は横方向で近似的に安定。アーチ構造は表面電荷分離のアプローチを提供し、中空内部空間を持ちます。thus、廃棄機械エネルギー収集効率が向上。一般に出力性能向上のため、アーチタイプはシリコン基板など完全な弾性と耐久性を持つ柔軟材料で作られますが、工業編み機での商業要件対応は困難。先行研究[24,41,50]でニットテキスタイルベースアーチ構造の場合、構築に縫製やテープ貼付が必要で、複雑で時間のかかるプロセスでした。我々はホールフォーミング技術で調製されたニットアーチテキスタイルを提示し、二次製造なしで高い生産効率を実現。水平コード構造の中で、0.3cm高さは0.15cmと0.2cm高さの4針・5針水平コード構造と比較して最低電荷出力を示し、これは両端固定の大きな距離でのニットテキスタイルの低剛性に影響される可能性。最高凸形状は圧力下でアーチを維持し元形状に回復するのが困難で、一部電荷が中和される原因に。結果として、アーチ高さ減少が凸構造の許容度を向上。しかし、この形状タイプコードは有効接触面積を減少させ、実接触より少ないラインタイプとなるため、電気出力性能を低下させます。

ループは不規則構造を持つため、ステッチサイズや表面形状など幾何学的特性評価は困難。ループの不規則性を特定するため、整数次元である従来評価は利用できません。フラクタル理論は、周囲と自然界の不規則性カテゴリを分析するために提案されています。提案されたフラクタル次元概念は、ルール、複雑性、テキスタイル表面粗さを提示する複雑形態を示す優れたツールです。すべてのフラクタルが完全に自己相似ではないため、数学的計算で幾何学配置を議論。ニット構造表面を理解するため、図5dに情報を可視化する画像を示します。図5dに示すように、凸表面特性が異なる視点から直感的に観察でき、隆起形態確認の証拠となっています。

糸形態と構造設計によりニット構造設計で不均一表面が形成。フラクタル幾何学はテキスタイル表面評価とニット構造特性、トリボ電気電荷生成能力理解の効率的計算です。実際、隆起ユニット増加により表面形状が修正されるため、不均一ニットテキストを改善可能。すべてのニットテキスタイルが経糸・緯糸方向に凸構造を持つが、類似度の程度は未確認で、フラクタル次元の成否の重要な参照値。フラクタル次元の実現可能性を推定するため、すべてのニットファブリックを安定サイズ状態で凸ユニット幅、ループ長さと幅を測定して計算。図5a、b、cにNo.1-10タイプファブリックのフラクタル次元フィッティング曲線を示し、直線の傾きがフラクタル次元を意味。10種類の異なるニットテキスタイル凸構造に関係性の存在が見つかり、10ニットファブリックのフラクタル特性を確認。したがって、多様性ニット構造分析へのフラクタル理論適用は実行可能です。

図6a-fは、構造タイプと形状タイプに基づく接触分離動作KNGの実用応用に基づく生成IscとVocを示します。図6a-fに示すように、ニットユニット増加に伴いIscとVocが減少する傾向があります。これはIscが有効接触面積とともに変化し、ニット構造の影響を受けるためです。

様々なニット構造のDfを計算すると、異なるニット構造が凸構成要素の違いにより不等値（非整数次元）を持つことが示されました（図6g）。図6gは多様構造の移動電荷対フラクタル次元曲線。リブ構造は望ましい出力性能を示し、フラクタル次元は1に近い値。構造タイプニットテキスタイルベースTENGは形状タイプより高い移動電荷を持ち、m×nリブタイプ、2×nリブタイプ、nタイプのDf値はそれぞれ0-2、0-1、1-2の範囲。一般にフラクタル次元は表面粗さ程度を象徴し、大きなDfで粗さ増大。しかし、形状タイプファブリックは水平コードで小さなラインコンタクト面積設計のため、粗さは移動電荷にほとんど影響しません。

リブ構造における凸構造均質性のDfへの影響を実証するため、ランダムな側面長を選択し計算。結果は以下の通り：

ε(a×b) = M(l×b) （1-4）

N = a/l （1-5）

ここでaはファブリック全長、bは凸ユニット幅でファブリック全幅と等しい、lは凸ユニット長、Mは凸ユニット数、Nは繰り返し自己相似単位倍数（凸ユニット長/サンプル全長）、εは表ループと裏ループの比率で凸気晴らしの均一性を意味。

その後、MとNの計算を式（1-3）に用いると、実際測定長さベースで計算されたDfとは異なるDfが得られます（Table 3）。隆起構造がどのように分布しても、Df値は実際の長さとコード数に影響されます。

2×1リブ構造のフラクタル次元が1×1リブに近く0.99に達し、移動電荷もほぼ同等であることが注目されます（図6g）。生成電気出力性能はDfが1に近いときに最高となります。これはフラクタル次元が表面形態を評価し出力性能を特性評価できるかという推測を提供。フラクタルと移動電荷の相関を調査するため、フラクタル次元と1の値の差（F値と命名）を図6hに示しました。動作結果は、F値減少がより高いVocを促進する傾向を示し、フラクタル次元の潜在的応用の証拠となります。しかし、F値は粗さ構造評価と見なされ、構造一次ループ特性を考慮する必要があります。その後、移動電荷への影響を包括的に議論。サンプルNo.4とNo.6は類似F値だが、両出力性能に大きな差異存在。No.4表面形態は表裏ループ同数による平面構造で移動電荷低い。一方No.6は裏ループが表ステッチ上にあり顕著外観で、接触分離時に大きな移動電荷生成。したがって、F値ベースのニットテキスタイル構造選択・設計が生成総電気電荷を高度に改善し、ニットテキスタイルベース高効率フレキシブル自己駆動デバイス構築の不可欠要件となります。

結論

高柔軟性と優れた移動電荷を持つニットテキスタイルが、フレキシブルTENGに応用され、不規則・低周波生体力学エネルギー収集に優れた出力性能を持つことを実証。表面形態と出力特性の関係特定のため、フラクタル理論を用いて表面幾何学を定量化し、表面外観の移動電荷能力への影響を評価。異なるニット構造を作製し、エネルギー収集への影響を分析。ニットユニット観点から、最小ニットユニットで1×1リブ構造最大出力213Vに達することが判明。さらに、作動メカニズムと接触面積幾何学をさらに理解するため、様々なニット構造を従来次元とは異なるフラクタル次元で図示。計算により、同一ニットユニットを持つ異なるニット構造で同一ニットユニットでのフラクタル次元取得可能。生成電気出力はフラクタル次元が1に近いほど増大。したがって、フラクタル次元と値1の差を不規則表面に基づく移動電荷能力評価に使用可能。近い将来、TENG構築におけるフラクタル理論ベース発電能力評価、日常生活での廃棄人体運動収集のためのフレキシブル自己駆動システム最適化のための最大出力性能取得が調査されることが期待されます。

データと材料の利用可能性

本研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

略語

E-skins:

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:

トリボ電気ナノ発電機

PTFE:

ポリテトラフルオロエチレン

D_f:

フラクタル次元

CS:

接触分離動作モード

KNG:

ニットテキスタイルベーストリボ電気ナノ発電機

Voc:

開放電圧

Isc:

短絡電流

Qsc:

移動電荷

F値:

フラクタル次元と値1の差