[論文レビュー] Influence of Thickness and Contact Area on the Performance of PDMS-Based Triboelectric Nanogenerators

Alexandre Pereira Gomes, Cátia Rodrígues+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、PDMS層の厚さと接触面積がPDMS-ニロン三体電圧発電素子（TENG）の出力特性に与える影響を調査した。PDMSの厚さを増すと電圧は低下するが電流は増加し、32 μmの厚さで最大出力（0.56 μW）を達成した。接触面積を大きくすると電圧と電流が線形に増加し、15 cm²の面積で1.2 Vおよび0.43 μAに達した。出力密度は0.33 mW/m²に達した。

ABSTRACT

Triboelectric nanogenerators (TENGs) are an emerging mechanical energy harvesting technology that was recently demonstrated. Due to their flexibility, they can be fabricated in various configurations and consequently have a large number of applications. Here, we present a study on the influence of the thickness of the triboelectric layer and of the contact surface area between two triboelectrical materials on the electric signals generated by a TENG. Using the PDMS-Nylon tribo-pair, and varying the thickness of the PDMS layer, we demonstrate that the generated voltage decreases with increasing thickness. However, the maximum generated current presents an inverse behaviour, increasing with increasing PDMS thickness. The maximum output power initially increases with increasing PDMS thickness up to 32 um, followed by a sharp decrease. Using the same tribo-pair (but now with a constant PDMS thickness), we verified that increasing the contact surface area between the two tribo-materials increases the electrical signals generated from the triboelectric effect.

研究の動機と目的

• PDMS-Nylon TENGにおける三体電圧出力に及ぼすPDMS層の厚さの影響を理解すること。
• 接触面積を変化させた場合のTENGにおける電気的信号生成への影響を調査すること。
• 最大出力のための最適な厚さと面積を特定することでTENGの性能を最適化すること。
• 一般的な材料を用いた高効率で柔軟な三体電圧発電素子の設計指針を提供すること。

提案手法

• 回転速度を500～5000 rpmで変化させたスピンコーティング法により、PDMS層を13～220 μmの厚さで作製した。
• 対電極材料として、一定の50 μm厚のニロン膜を用いた。
• 接触・分離モードにおいて、可変負荷抵抗（100 Ω～1 GΩ）を用いた独自の試験システムで電気的出力を測定した。
• 最大出力点を特定するために、異なる負荷抵抗下での開放電圧と短絡電流を記録した。
• 実験結果の解釈に、電荷移動および静電誘導に基づく理論的モデルを用いた。
• PDMSの厚さを32 μmに一定に保ちながら、接触面積を2.5～15 cm²に段階的に変化させ、面積効果を独立して評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PDMS三体電圧層の厚さを増すと、PDMS-ニロンTENGにおける開放電圧と短絡電流にどのように影響するか？
• RQ2 三体電圧発電素子における出力パワーを最大化するための最適なPDMS厚さは何か？
• RQ3 PDMSとニロン間の接触面積を増加させると、発生する電圧と電流にどのように影響するか？
• RQ4 最大出力は接触面積の増加に比例して増加するか？
• RQ5 異なる厚さと面積における最大出力時の出力密度は何か？

主な発見

• 開放電圧はPDMSの厚さが増すにつれて低下し、220 μmで最小値に達した。
• 短絡電流はPDMSの厚さが増すにつれて増加し、32 μmでピークに達した。
• 最大出力0.56 μWはPDMS厚さ32 μmで達成され、出力密度は0.55 mW/m²に相当した。
• PDMS厚さを32 μmに一定に保った場合、接触面積を2.5から15 cm²に増加させると、開放電圧は0.3 Vから1.2 Vに上昇した。
• 接触面積が15 cm²に達した際、短絡電流は0.11 μAから0.43 μAに増加した。
• 最大出力は接触面積に比例して増加し、15 cm²で0.5 μWに達した。出力密度は0.33 mW/m²に相当した。