私たちの日常生活で最も頻繁に経験することの 1 つである摩擦電気は、2 つの表面が接触したり離れたりするときに帯電する接触誘起帯電です。摩擦電気効果と静電誘導を組み合わせて、摩擦電気エネルギー発生器 (TEG) が調査され、小さくて不規則な機械エネルギーが電力に変換されました。
TEG には、高い電力変換効率、大きな電力密度、低い製造コスト、軽量、幅広い材料の選択肢など、他のエネルギー ハーベスティング アプローチに勝る独自の利点があります。過去 5 年間で、TEG は目覚ましい進歩を遂げました。現在、手のひらサイズの TEG で、数百個の発光ダイオード (LED) を点灯させ、小型のリチウムイオン電池を充電することができます。伸縮可能でウェアラブルな電子機器の必要性が高まっているため、ゴム基板上に製造された柔軟で変形可能な電子デバイスの製造に強い関心が寄せられています。太陽電池、熱電デバイス、圧電デバイスなどの他のエネルギー ハーベスティング アプローチと比較して、TEG は変形可能なエネルギー発生器の製造に適しているため、TEG は不規則な体の動きを電気に変換できます。
多くの研究者が、TEG で得られる電力を増やすためにさまざまな方法を試みてきました。彼らの主な関心は、接点によって生成される表面電荷の数を増やす方法でした。ただし、TEG で得られる電気は、発生した表面電荷ではなく、集電電極に誘導された誘導電荷から得られるため、発生した表面電荷を有効に電極に誘導することも、大きな電力を得るために重要です。残念ながら、これまでのところ、TEG を研究している研究者は静電誘導の重要性を見落としてきました。
最新の研究では、浦項科学技術大学 (POSTECH) の Unyong Jeong と彼の同僚が、TEG における効果的な静電電荷誘導を調査しました。彼らは、静電表面電荷が電場によって電極にドリフトし、電極で誘導された反対の電荷と結合することを明らかにしました。この組み合わせにより表面電荷がなくなるため、最大電力が予想よりもはるかに小さくなり、コンデンサへの充電が遅くなります。彼らの研究は、電荷の組み合わせをブロックすることが効率的なエネルギー収穫に不可欠であることを示しています。彼らは、TEG の出力を大幅に改善するだけでなく、TEG に大きな伸縮性を提供する、シンプルで効果的な方法を提示しました。
この記事のアイデアは、摩擦電気接触面と電極の間に伸縮性のある絶縁ポリマー中間層を追加することでした。彼らは中間層としてポリジメチルシロキサン (PDMS) シリコーンゴムを使用しました。理論モデルに基づく彼らの計算によると、PDMS 中間層は、ポリ (フッ化ビニリデン) (PVDF) およびナイロン 6 接触層と比較して、高密度の深エネルギー電荷トラップを持っています。薄い PDMS 中間層の深い電荷トラップは、電荷の結合を効果的に抑止し、長期間にわたって電荷を保存することにより、摩擦電気表面の絶対表面電位を増加させました。
その結果、PDMS 中間層を追加するだけで、TEG の出力密度が大幅に向上し (穏やかなタッピングで 20.8 W/m)、中間層のない TEG と比較して 173 倍増加しました。 PDMS 中間層の弾性特性を利用することにより、この研究は、繰り返しストレッチ サイクル中に 50% の伸びで安定した性能を示す高性能伸縮性 TEG を示しています。伸縮性のある TEG は、指で軽くたたくと 80 個の商用 LED が点灯します。この研究の結果は、高性能で伸縮可能なセルフパワー電子システムを実現するための材料設計に対する科学的洞察を提供します。
これらの調査結果は、ジャーナル Nano Energy に最近掲載された、高性能伸縮性摩擦電気ナノ発電機用の伸縮性ディープ トラップ中間層の追加というタイトルの記事で説明されています。 .対応する著者は、韓国の浦項科学技術大学 (POSTCH) の Unyong Jeong 教授です。 POSTECH の Dong Wook Kim がこの作品の最初の著者です。
