以聚四氟乙烯缠绕线为可穿戴电源的纺织型纳米摩擦发电机

可穿戴电子设备，如移动通信设备、便携式计算机和各种传感器，是利用物联网(IoT)跟踪个人数据的最新重大技术创新。为了方便用户，需要可穿戴式能量采集器为此类设备供电。在这项研究中，使用商业电极纤维生产的纺织型摩擦电纳米发电机(T-TENG)被制造出来，以利用外部机械刺激产生电能。商用光纤是在直径约320 μm的铜线上涂有特氟龙的电极。使用这种商业纤维，T-TENG很容易通过针织和编织制造。分析了T-TENG的性能，以了解力和频率的影响。观察到，即使在恶劣的条件和处理下，T-TENG的性能也没有下降。纺织型TENG具有能量收集能力，输出功率密度为~ 0.36 W/m²并且可以通过给电容器充电来操作电子设备。

可穿戴技术，也叫“穿戴，例如采用智能物联网技术的移动通讯设备、手提电脑和可穿戴传感器等，最近已受到相当关注[1，2，3.，4］．可穿戴电子设备需要一种灵活的、可穿戴的电源，而不是现有的刚性固态电源[5，6，7］．因此，可穿戴超级电容器和电池等电力存储的研究正在进行中。然而，即使有电力存储能力，充电也需要外部电源。针对可穿戴式能量收集器进行了多项研究，以从自然运动中供电[8，9使，使穿戴使用更方便。其中，通过外部机械刺激产生电能的摩擦电纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机(PENG)备受关注[10］．然而，由于其复杂的制造工艺和相对较低的输出功率，peng有局限性。许多研究正在对易于制造、具有低频和高输出电压的teng进行研究[11，12］．

已进行大量研究，从可穿戴纺织品生产可穿戴TENGs [13，14，15］．纺织型teng (T-TENG)根据制造方法[16，17]，变成织物和纤维。对于织物TENGs，将织物本身用作摩擦材料，或直接在织物上涂上功能材料作为功能织物[18，19，20.，21］．例如，在织物上涂覆碳纳米管、金属纳米线和金属(即Ag、镍等)，以实现导电性;或者在织物上涂上尼龙、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等，制成摩擦材料。以这种方式制造的织物型TENG具有相对较高的输出功率，因为它具有比纤维型更高的面密度，但由于其密封性和低耐久性而受到限制[22，23］．因此，正在研究使用核壳结构组成的纤维制造的新型T-TENG [24，25，26］．纤维是用导电材料(碳纳米管、液态金属等)作为核心制造的，摩擦材料在核心周围涂上一层外壳。这种纤维可以被缝纫、针织或编织成用于能量收集的纺织品。但是，由于用摩擦材料在壳体的涂层中形成粗纤维，且纤维的制造工艺比较复杂，在服装工业中很难使用[27］．为了克服现有纤维型TENG的局限性，易于使用的纤维必须具有细直径，以便在服装工业中使用[28］．此外，由这些纤维制成的TENG必须具有柔韧性、可弯曲性，并且能够大规模制造。

在这项研究中，使用商用纤维制造了T-TENG，利用外部机械刺激产生电能。商用光纤是一个电极(直径约320 μm的铜线)涂有特氟龙。大面积的T-TENG可以用这种纤维编织或针织。所述制备的TENG具有柔性和可弯曲性;因此，它适用于可穿戴设备;将光纤内部的铜电极连接到电子设备上很容易。T-TENG具有能量收集能力，不仅具有~ 0.36 W/m的输出功率密度²，还可以通过给电容器充电来操作电子设备。此外，由于特氟龙的疏水性，即使浸泡在酸性和碱性溶液中，也具有良好的不降解的收获能力。我们相信，利用商业纤维进行能量收集的新研究不仅适用于服装行业，而且将是易于使用的TENG的新一步。

材料

黄色和蓝色特氟龙缠绕线(SME)从商业供应商购买。乳胶手套(Microflex)从商业供应商购买。特殊级盐酸(HCl, 35-37%)和电子级氢氧化钠(NaOH, 99.9%)是从商业供应商(SAMCHUN Chemicals)购买的。

纺织型摩擦电纳米发电机的制备

购买的聚四氟乙烯缠绕线未经任何进一步处理就使用了。t - teng是用针织或家用织机制造的。在编织的情况下，一般纱线被用于包裹，特氟龙包裹线用于纬纱。在针织时，通过调节T-TENG的圈长来控制图案密度。本研究采用针织T-TENG进行性能评价。针织T-TENG的图案密度为中等，面积为25 cm²制备T-TENG的表征材料。采用胶乳作为特氟龙的对偶材料用于T-TENG发电。

描述

采用扫描电子显微镜-能量色散x射线能谱(SEM-EDS, SU6600, Hitachi)对其表面形貌和性能进行了表征。使用电磁电机(JF-1040)提供机械刺激，以评估T-TENG的性能。使用测力元件(BONGSHIN, DBBP-20)测量施加的力。用静电计(Keithley 2400)测量了纺织型TENG的输出电压和电流信号。数据采集和预处理系统采用LabVIEW软件和NI采集卡，实现实时数据采集。所有的测试都是在设备的测量范围内选择合适的电阻来测量输出电压。

一种由商业上可用的金属丝制成的纤维被特氟龙包裹，用于制造用于能量收集的T-TENG。光纤采用直径320 μm、160 μm Teflon包裹的铜线(图2)。1一)。1B，表示表面普遍平坦，氟和碳常见。传统的方法，如针织，可以使用这些细而灵活的电线来制造T-TENG(图。1c).由于t - teng能承受弯曲、起皱和扭转;它们可以很容易地转换为可穿戴设备(图。1d).使用由电磁电机和测力元件组成的推压机对所制备的T-TENG进行表征，并测量其力(图。1e).制备的T-TENG的工作原理是摩擦起电和静电感应效应的耦合。如图所示。1F，当两种材料接触时，一些电荷从一种材料转移到另一种材料。一种物质在获得电子时带负电荷;另一种物质失去电子，带正电。当带电材料被分离时，电流在电路中流动。当两种材料再次靠近时，电流在电路中以相反的方向流动。我们使用了聚四氟乙烯，它作为一种材料很容易吸收电子;我们使用乳胶作为另一种材料，因为它很容易失去电子，可以带正电荷。利用这些材料对T-TENG的性能进行了评价。

许多因素影响T-TENG的输出;其中，我们研究了频率和力的影响。频率和力分别使用螺线管电机和LabVIEW进行调整。所产生的力是用T-TENG下的测压元件测量的。首先，根据施加的力，测量T-TENG在1hz时的开路电压和闭路电流(图;2a, b).当力从5 N增加到40 N时，T-TENG的输出电压从~ 100 V增加到~ 250 V。这种电压的增加是由于施加在T-TENG上的更高的力，两种摩擦材料之间更紧密的接触，以及接触面积的增加。电流输出增加到20牛，然后稳定下来。由于短路电流与触点分离速度成正比，因此输出电流相对于输出电压随力的变化而稳定。

当频率从1到4 Hz时，测量T-TENG的输出电压和电流(图2)。2c, d).建立输出电压增加到3 Hz后稳定;输出电流随着频率的增加而增加。随着频率的增加，T-TENG的输出电流增加，这是由于电荷转移和电荷密度的贡献。测量T-TENG的输出电压和电流，改变电阻从10⁶到10¹⁰Ω(无花果。2e).随着外部电阻的增大，T-TENG的输出电压增大，输出电流减小。T-TENG的功率密度为~ 0.36 W/m²具有10的外部负载阻力⁹Ω(无花果。2f).与之前的光纤型T-TENG相比，所制备的T-TENG具有更高的最大输出电压和最大功率密度(表2 - 1)1)．

t - teng在恶劣环境下的耐用性对于其在可穿戴设备中的应用非常重要。因此，将T-TENG分别浸泡在1m酸和1m碱中1 h后，测试其发电能力。由于特氟龙的拒水性和耐化学性，与未浸泡前相比，浸泡后表面变化不大(图2)。3.a, b).此外，当T-TENG使用推机(1hz, 15 N)时，性能几乎没有变化(图2)。3.c).在编织过程中，通过控制T-TENG的圈长来改变图案密度。所制备的T-TENG的性能取决于图案密度，其被确定为低、中、高。产生的电压从~ 1v /cm增加到~ 2v /cm²随着模式密度的增加(图;3.d).这是因为特氟龙和乳胶在同一区域相遇的面积增加了。

在实际使用中，T-TENG的耐用性是很重要的。因此，我们测试了T-TENG在重复外部刺激下的表现。相对输出电压(V/V_F)在推压机循环接触分离2500次时，没有明显变化，这说明T-TENG的输出电压在循环过程中是恒定的(图2)。3.e).根据弯曲周期测定T-TENG的性能，(曲率:0.35 cm⁻¹)、起皱、扭转(扭转角15°)。在起皱测试中，T-TENG被附着在手掌上。握拳和张开拳头被定义为一个周期。与第一输出电压相比，T-TENG在弯曲、起皱和扭转周期中的性能退化可以忽略不计。3.f)。

正常情况下，T-TENG产生交流电(AC);因此，必须将输出转换为直流，为外部电子设备供电。一个商用电容器通过将整流电路连接到T-TENG进行充电。4a).电容充电超过2v，同时反复应用接触分离力15 N在2hz使用推机在T-TENG(图。4b).通过将一个充电超过2v的4.7 μF电容与T-TENG连接到计算器上，计算器能够进行简单的加法和乘法运算约8秒(图2)。4c).开发的T-TENG可以通过收集人体正常运动产生的机械能为电子设备供电。我们在鞋中制作了一个鞋垫(图。5a)带有集成T-TENG(面积:30厘米)²)．根据人站、走、跑、落的动作，袜子与T-TENG的接触分离反复进行，以获取能量。输出电压随人的运动而变化。跑步时输出电压比行走时高(图2)。5b).这是因为在跑步过程中，袜子与T-TENG的接触面积增加。这表明针织制造的T-TENG可以作为人体运动驱动的可穿戴能源。此外，在静置状态下，输出电压变化不大。然而，只有负输出电压发生在下降状态(图。5b).这使得区分人体运动状态成为可能。

在这项研究中，通过编织商业电极作为纤维，制造了一种可以通过外部机械刺激产生电力的T-TENG。根据施加力的频率和大小测量输出电压和电流，根据电阻测量输出功率密度。所制备的T-TENG输出功率密度为~ 0.36 W/m²．我们证实，即使在恶劣的外部条件下，它也能令人满意地工作，没有退化。此外，T-TENG还可以为电容器充电以驱动电子设备。我们相信，在未来，制造的t - teng可以用于具有弯曲和扭曲等工作环境的可穿戴电子产品。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

物联网:

物联网

腾:

摩擦电王中林教授

T-TENG:

纺织型摩擦电纳米发电机

彭:

压电王中林教授

不适用。

不适用。

作者及隶属关系

1. 韩国庆北浦项市南区清岩路77号浦项科技大学机械工程系，37673

   金圣贤，赵禹成，元东准，金准元

贡献

KS进行了实验，分析了数据，并撰写了手稿。CW支持数据分析。WDJ进行了器件的制作。KJ监督了这项研究并审阅了手稿。所有作者均已阅读并批准最终稿。

相应的作者

对应到Joonwon金．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

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