[논문 리뷰] Influence of Thickness and Contact Area on the Performance of PDMS-Based Triboelectric Nanogenerators

Alexandre Pereira Gomes, Cátia Rodrígues외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 PDMS 층 두께와 접촉 면적이 PDMS-나일론 타이로전기 나노발전기기(TENG)의 출력 성능에 미치는 영향을 조사한다. PDMS 두께를 증가시키면 전압은 감소하고 전류는 증가하며, 32 μm 두께에서 최대 출력(0.56 μW)을 기록한다; 더 큰 접촉 면적은 전압과 전류를 선형적으로 향상시키며, 15 cm² 면적에서 각각 1.2 V와 0.43 μA에 도달하며, 출력 밀도는 0.33 mW/m²이다.

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.

연구 동기 및 목표

• PDMS-나일론 TENG에서 PDMS 층 두께가 타이로전기 출력에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 접촉 표면적을 변화시킬 경우 TENG에서 전기 신호 생성에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 최대 출력 출력을 위한 이상적인 두께와 면적을 특정하여 TENG 성능을 최적화하기 위해.
• 일반적인 재료를 사용한 고효율성이고 유연한 타이로전기 나노발전기기의 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 회전 속도(500–5000 rpm)로 스핀 코ating을 통해 PDMS 층을 제작하여 두께를 13~220 μm로 조절하였다.
• 상수로 50 μm 두께의 나일론 필름을 대전극 재료로 사용하였다.
• 접촉-분리 모드에서 다양한 부하 저항(100 Ω에서 1 GΩ)을 사용한 맞춤형 테스트 시스템을 통해 전기적 출력을 측정하였다.
• 최대 출력 점을 결정하기 위해 다양한 부하 저항에서 개방 회로 전압과 단락 회로 전류를 기록하였다.
• 실험 결과를 해석하기 위해 전하 이동과 전기적 유도 기반의 이론 모델을 사용하였다.
• PDMS 두께를 32 μm로 일정하게 유지하면서 접촉 면적을 2.5~15 cm²로 체계적으로 변화시켜 면적 영향을 분리하여 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PDMS 타이로전기 층 두께를 증가시킬 경우 PDMS-나일론 TENG의 개방 회로 전압과 단락 회로 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 타이로전기 나노발전기기에서 출력 전력을 최대화하기 위한 최적의 PDMS 두께는 무엇인가?
• RQ3 PDMS와 나일론 간의 접촉 표면적을 증가시킬 경우 생성되는 전압과 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최대 출력 전력은 접촉 면적 증가와 함께 선형적으로 증가하는가?
• RQ5 다양한 두께와 면적에서 최대 출력일 때의 출력 밀도는 얼마인가?

주요 결과

• 개방 회로 전압은 PDMS 두께 증가에 따라 감소하며, 220 μm에서 최소값을 기록하였다.
• 단락 회로 전류는 PDMS 두께 증가에 따라 증가하여 32 μm에서 최고치에 도달하였다.
• 32 μm 두께에서 최대 출력 전력 0.56 μW를 달성하였으며, 이에 해당하는 출력 밀도는 0.55 mW/m²였다.
• 32 μm 두께를 유지한 상태에서 접촉 면적을 2.5 cm²에서 15 cm²로 증가시키면 개방 회로 전압이 0.3 V에서 1.2 V로 증가하였다.
• 접촉 면적이 15 cm²로 증가함에 따라 단락 회로 전류는 0.11 μA에서 0.43 μA로 증가하였다.
• 최대 출력 전력은 접촉 면적에 따라 선형적으로 증가하였으며, 15 cm²에서 0.5 μW에 도달하였으며, 이에 해당하는 출력 밀도는 0.33 mW/m²였다.