Anonim

Triboelektrisk generator kan tillate strømgenererende berøringsskjerm

Vitenskap

Darren Quick

10. juli 2012

3 bilder

Pyramidmønstrene opprettet i en polymerplate øker nåværende produksjon i den nye triboelektriske generatoren (Bilde: Zhong Lin Wang)

Forskere ved Georgia Institute of Technology har benyttet seg av den triboelektriske effekten, som ser en elektrisk ladning generert gjennom friksjon mellom to forskjellige materialer, for å utvikle en generator som kan supplere kraft produsert av piezoelektriske nanogeneratorer tidligere utviklet ved Georgia Tech. Den triboelektriske generatoren kan brukes til å produsere strøm fra aktiviteter som fotturer, og selv har potensialet til å skape berøringsskjerm som genererer egen kraft.

"Det faktum at en elektrisk ladning kan produseres gjennom dette [triboelektriske] -prinsippet er velkjent, " sa Zhong Lin Wang, en regents professor i School of Materials Science og Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Det vi har introdusert er en gap separasjonsteknikk som gir et spenningsfall, noe som fører til en strømstrøm, slik at ladningen kan brukes. Denne generatoren kan konvertere tilfeldig mekanisk energi fra vårt miljø til elektrisk energi. "

Teamets triboelektriske generator genererer en belastning når et ark av polyester, som har en tendens til å donere elektroner, gnider mot et ark polydimetylsiloksan (PDMS), som aksepterer elektroner. Umiddelbart etter at de to polymerflatene gnides sammen, blir de mekanisk separert, og skaper et luftgap som isolerer ladningen på PDMS-overflaten og danner en separasjon av de positive og negative ladningene (kjent som et diploe moment).

Kobling av en elektrisk belastning mellom de to flatene vil resultere i strømmen av en liten elektrisk strøm for å utjevne ladningspotensialet. Derfor, ved å kontinuerlig gni overflatene sammen og så raskt separere dem, kan generatoren produsere en liten vekselstrøm. En ekstern deformasjon brukes til å presse overflatene sammen og skyv dem for å skape gnidningsbevegelsen.

"For at dette skal fungere, må du bruke til to forskjellige typer materialer for å lage de forskjellige elektrodene, " forklarte Wang. "Hvis du gnider sammen overflater laget av samme materiale, får du ikke ladningsforskjellen."

Forskerne sier at teknikken kan brukes til å skape en svært følsom selvdrevet aktiv trykksensor for potensiell bruk med organiske elektroniske eller opto-elektroniske systemer. Siden sensorene kan oppdage trykk så lavt som rundt 13 millipascals, ville de være følsomme nok til å produsere en liten strøm som kan detekteres for å indikere kontakt fra noe så lite som en fjær eller vanndråpe som berører overflaten av den triboelektriske generatoren.

I tillegg, fordi enhetene kan gjøres rundt 75 prosent gjennomsiktig, er det potensial for at teknologien kan brukes i berøringsskjermene for å erstatte eksisterende sensorer. "Transparente generatorer kan fremstilles på praktisk talt alle overflater, " sa Wang. "Denne teknikken kan brukes til å skape svært sensitive gjennomsiktige sensorer som ikke krever strøm fra en enhetens batteri."

Selv om gnidning av glatte overflater sammen vil generere en kostnad, har Wang og hans team klart å øke strømmen ved å bruke mikro-mønstrede overflater. Etter å ha testet linje-, kube- og pyramidoverflate-mønster fant de at overflater mønstret med pyramider genererte den mest elektriske strømmen: så mye som 18 volt på ca. 0, 13 mikroamer per kvadratcentimeter.

Denne forbedrede genereringskapasiteten til den pyramide-mønstrede overflaten skyldtes lufthullene som ble opprettet mellom mønstrene som forbedret kapasitansendringen og tilrettelegging av ladningsavstand.

Teamet produserte de triboelektriske generatorene ved først å lage en form fra en silisiumskive, på hvilken de friksjonsforsterkende mønstrene ble dannet i fordypning ved bruk av tradisjonell fotolitografi og enten en våt eller tørt etseprosess. Formen ble deretter behandlet med et kjemikalie for å forhindre at PDMS stikker.

Den flytende PDMS-elastomeren og tverrbinderen ble så blandet og spinnbelagt på formen og avskallet som en tynn film etter termisk herding. Den resulterende PDMS-filmen, komplett med overflate-mønster, ble deretter festet på en elektrodeoverflate laget av indiumtennoksid (ITO) belagt med polyetylentereftalat (PET) med et tynt PDMS-bindingslag. Hele strukturen ble deretter dekket med en annen ITO-belagt PET-film for å danne en sandwichstruktur.

"Hele forberedelsesprosessen er enkel og rimelig, noe som gjør det mulig å bli oppskalert for storskala produksjon og praktiske applikasjoner, " sa Wang.

Wang la til at generatorene er robuste, fortsetter å generere en strøm selv etter brukstid og etter mer enn 100 000 driftssykluser. Lagets neste skritt er å skape systemer som inneholder en måte å lagre gjeldende generert på.

"Friksjon er overalt, så dette prinsippet kan brukes i mange applikasjoner, " la Wang til. "Vi kombinerer vår tidligere nanogenerator og denne nye triboelektriske generatoren for komplementære formål. Den triboelektriske generatoren vil ikke erstatte sinkoksid nanogeneratoren, men den har sine egne unike fordeler som gjør at vi kan bruke dem parallelt. "

Forskningen ble finansiert av National Science Foundation, Department of Energy og US Air Force. Detaljer om den triboelektriske generatoren er rapportert i juni-utgaven av tidsskriftet Nano Letters .

Kilde: Georgia Tech

Pyramidmønstrene opprettet i en polymerplate øker nåværende produksjon i den nye triboelektriske generatoren (Bilde: Zhong Lin Wang)

Fremstillingsprosessen for de triboelektriske nanogeneratorer og trykksensorer (Bilde: Zhong Lin Wang)

Den nye, høyeffektive, fleksible og gjennomsiktige trioboelektriske nanogeneratoren produsert av gjennomsiktige polymermaterialer er følsom nok til å oppdage kontakt med en fjær (Bilde: Zhong Lin Wang)

Anbefalt Redaksjonens