Triboelektrischer Nanogenerator auf Stärkepapierbasis für die menschliche Schweißmessung

Einführung

Es wird erwartet, dass die attraktiven Eigenschaften flexibler Elektronik, zum Beispiel ihre dehnbare/biegbare mechanische Flexibilität, ihr kleines Volumen und ihre biologische Abbaubarkeit, eine Schlüsselrolle bei der Verwendung von Einwegartikeln im Zusammenhang mit elektronischer Sicherheit, Biosensoren, intelligenter Verpackung und Visitenkarten spielen [1 ,2,3]. Tatsächlich hat flexible Elektronik, die Einwegsubstrate verwendet, aufgrund ihrer Biokompatibilität, chemischen Auflösbarkeit und Umweltfreundlichkeit beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Daher wurden verschiedene flexible und wegwerfbare Geräte zur Herstellung tragbarer Elektronik verwendet [4,5,6], einschließlich dynamischer Geräte mit eigener Stromversorgung und intelligenter Sensoren. Im Allgemeinen ist für den Betrieb dieser Art von tragbarer Elektronik eine zusätzliche Stromquelle erforderlich. Dennoch benötigen herkömmliche (d. h. nicht tragbare, nicht biokompatible und nicht nachhaltige) Batterieserien eine konstante Zufuhr chemischer Energie. Die Entwicklung einer geeigneten Stromversorgung ist daher unerlässlich, um die Herausforderungen von tragbaren elektronischen Geräten zu meistern.

Der triboelektrische Nanogenerator (TENG) wurde im Bereich Energy Harvesting umfassend untersucht [7,8,9,10,11,12]. Ein TENG kann aus der Umgebung stammende mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln und stellt eine neuartige Energiequelle dar, die auf den Prozessen der Kontaktelektrisierung und der Induktion eines elektrostatischen Feldes basiert [13,14,15,16,17]. Geeignete Muster dieser Geräte wurden in großem Umfang verwendet, um tragbare elektronische Geräte mit Strom zu versorgen [18, 19, 20, 21]. Darüber hinaus konnte durch die Kombination von TENGs mit verschiedenen Arten von triboelektrischen Netzteilen ein energieautarker Sensor für verschiedene Anwendungen erhalten werden [22,23,24,25]. Die meisten traditionellen TENGs basieren jedoch auf umweltfreundlichen Materialien, beispielsweise schwer abbaubaren Polymeren. Daher dürfen diese TENGs in zukünftigen Anwendungen nur eingeschränkt verwendet werden.

Stärke ist ein vielversprechender Rohstoff für die Entwicklung abbaubarer Substrate, da sie kostengünstiger als die anderen Alternativen ist, reichlich vorhanden und erneuerbar ist. Hier haben wir TENG-Einweggeräte auf Basis umweltfreundlicher, biologisch abbaubarer Stärkepapiere illustriert. Die verwendeten Materialien sind alle kostengünstig und im Handel erhältlich. Das auf Stärkepapier basierende TENG (S-TENG) kann durch einen einfachen Prozess hergestellt werden, bei dem das Stärkepapier mit einem Metalldraht verbunden wird. Der konstruierte TENG kann als autarker menschlicher Schweißsensor verwendet werden. Darüber hinaus birgt das vorgeschlagene TENG Anwendungspotenzial im Bereich Wearable Electronics.

Methode

Montage des S-TENG

Das Stärkepapier (Dicke:~~1 mm) wurde von GILRO Corp. (Israel) bezogen. Eine Seite des Papiers wird mit einem Metalldraht verbunden und anschließend mit Wasserdampf besprüht, wodurch das S-TENG entsteht. Der Herstellungsmechanismus, der in Abb. 1 schematisch dargestellt ist, kann als einfach und kostengünstig eingestuft werden.

Schema des S-TENG Montageprozesses

Messungen und menschliche Demonstration

Die elektronische Leistung wurde mit einem digitalen Oszilloskop (DSOX6004A Digital Storage Oszilloskop) gemessen. Das fabrizierte S-TENG (4,4 × 4,4 cm ² ) wurde mit einem menschlichen Ellbogen (Metalldraht zum Menschen) verbunden. Darüber hinaus wurde das Ausgangssignal des S-TENG für verschiedene Dauern der menschlichen biomechanischen Bewegung gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Der Arbeitsmechanismus des S-TENG ist in Abb. 2c schematisch dargestellt. Die vorgeschlagene Vorrichtung basiert auf dem Kopplungseffekt zwischen der menschlichen Hand und dem Stärkepapier. Bei physischem Kontakt zwischen der Hand und dem Papier wird das Papier an seiner Oberfläche negativ geladen, während die Hand positive Ladungen erhält. Darüber hinaus verringert sich der Überlappungsbereich zwischen der Hand und dem aufgeladenen Papier, sobald die Hand befreit ist, und die Ladungen auf dem Papier werden nicht mehr vollständig durch die auf der Hand ausgeglichen. Die instabilen negativen Ladungen auf der Stärkeoberfläche erzwingen einen Elektronenfluss von der Rückseite des Papiers zum Boden. Wenn sich die Hand jedoch wieder dem Papier nähert, werden die induzierten positiven Ladungen an der Rückelektrode instabil und erzwingen den Elektronenfluss zum Boden.

a Um die Elektrodenseite des Stärkepapiers beginnt sich ein Wasserfilm zu bilden, b ein Wassernetz entsteht, c der Arbeitsmechanismus des S-TENG

Die Ergebnisse zeigen, dass der Arbeitszustand des S-TENG in zwei Arbeitsmuster unterteilt werden kann, basierend auf der vom Stärkepapier absorbierten Wasserdampfmenge. Das Konzept der Ladungsübertragung wird anhand des in Fig. 2cII gezeigten Zustands als Beispiel veranschaulicht. Wie in Fig. 2a gezeigt, wird in Arbeitsmuster 1 zunächst ein Wasserfilm um die Elektrodenseite des Papiers herum gebildet. Trotzdem sind die Ladungen noch immer teilweise in dem unregelmäßigen Wasserfilm gefangen und bilden eine potenzielle Barriere, die die Bewegung von Trägern behindert. In Arbeitsmuster 2 wird jedoch ein Wassernetzwerk erzeugt (Abb. 2b) und der elektronische Widerstand der Elektrodenseite mit dem Stärkepapier wird stark reduziert.

Ein Foto des hergestellten S-TENG ist in Abb. 3a gezeigt. Als äußere Last wurde ein anpassbarer Widerstand verwendet und bei unterschiedlichen Sprühzeiten des Wasserdampfes ein Oszilloskop verwendet, um die elektronischen Signale des Widerstands zu messen. Abbildung 3b zeigt die elektronische Leistung des S-TENG nach dem ersten Sprühen. Wie in der Abbildung gezeigt, führt die Erhöhung des Lastwiderstands (von 100 auf 100 MΩ) zu einer konstanten Erhöhung der gesammelten Ausgangsspannung. Die maximale Ausgangsleistung wird jedoch bei einem Lastwiderstand von 15 MΩ erreicht, und daher beträgt der Innenwiderstand des hergestellten TENG ~ 15 MΩ. Die Ausgangsspannung (d. h. 11,2 V) unter einem Belastungswiderstand von 100 MΩ wird als Leerlaufspannung angenähert, da der Belastungswiderstand erheblich größer ist als der ungefähre Wert des Innenwiderstands. Die Betriebsstabilität des hergestellten Papiers TENG wurde dann bestimmt. Wie Abb. 4 zeigt, nimmt die Ausgangsspannung (Belastungswiderstand:100 MΩ) des hergestellten Geräts während eines vertikalen Krafttests nur geringfügig ab.

a Foto und b elektronischer Ausgang des gefertigten S-TENG

Vertikalkrafttest von hergestelltem S-TENG. Die Ausgangsspannung sinkt nur geringfügig unter einem Lastwiderstand von 100 MΩ

Das Stärkepapier wies vor dem Besprühen mit Wasser und nach dem 1., 3., 5. bzw. 7. Besprühen Schichtwiderstände von 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ und 130 K auf. Die entsprechenden elektronischen Aktivitäten des S-TENG werden verglichen, wie in Abb. 5 gezeigt. Die Ausgangsspannung (bei einer entsprechenden Last von 100 MΩ) steigt mit zunehmenden Sprühzeiten 0–3 (Arbeitsmuster 1) und wird beim Sprühen gesättigt mal über dem 3. Spritzen (Arbeitsmuster 2). Durch die Korrelation zwischen elektronischer Spannung und der Wasserdampfmenge ist die Erfassung wasserbasierter Flüssigkeiten, beispielsweise des menschlichen Schweißes, gewährleistet. Dieser Zusammenhang lässt sich über Änderungen des Innenwiderstands des S-TENG charakterisieren. Die Reduzierung des Innenwiderstandes des S-TENG wird durch die Verwendung von Wasserdampf gefördert, da durch das Einbringen von Wasser die elektronische Widerstandsfähigkeit des Stärkepapiers verringert wird. Diese Abnahme resultiert aus der Bildung wasserleitender Pfade auf der Oberfläche und innerhalb des Papiers. Darüber hinaus wird dieser Einfluss besonders deutlich, wenn sich um die Elektrodenseite des Papiers ein Wasserfilm zu bilden beginnt (Arbeitsmuster 1). Darüber hinaus stammt die vor dem Besprühen mit Wasser auftretende elektronische Leistung hauptsächlich vom gebundenen Wasser der Getreidezellen (was zu einer schwachen elektronischen Leitung für Träger führt).

Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Anzahl der Wassersprühstufen

Das vorgeschlagene S-TENG wurde zum Erfassen von menschlichem Schweiß verwendet. Wie in Abb. 6a gezeigt, wird das S-TENG nach unterschiedlicher Dauer der Körperbewegung mit dem menschlichen Ellenbogen verbunden. Danach wird die freiliegende Schicht der menschlichen Haut mit einem trockenen Handtuch gereinigt und die Ellbogenbewegung erfolgt (Abb. 6; die gesammelte elektronische Ausgabe ist in Abb. 6c gezeigt). Der beobachtete Trend ähnelt dem in Abb. 5 gezeigten, d. h. im Hinblick auf die Korrelation zwischen der elektronischen Leistung (konforme Last:100 MΩ) und der Dauer der menschlichen Bewegung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das vorgeschlagene S-TENG zur Erfassung des menschlichen Schweißes und zur Überwachung der menschlichen Bewegungszeit eingesetzt werden kann.

Die a , b Arbeitsmuster zur Gewinnung der Bewegungsenergie des menschlichen Ellenbogens, c elektronische Ausgabe (bei einer entsprechenden Belastung von 100 MΩ) im Vergleich zur menschlichen Bewegungszeit

Die Wegwerfeigenschaften des Stärkepapiers wurden durch Bewertung der Auflösungsaktivität bestimmt, wie in Abb. 7 gezeigt. Während dieser Bestimmung wurde das Papier unter sanften Vibrationen durch menschliche Hand, wie in Abb. 7a dargestellt, für verschiedene Zeitdauern in Leitungswasser eingetaucht (siehe Abb. 7b–e). Das Stärkepapier brach innerhalb von 4 Minuten vollständig zusammen, was darauf hindeutet, dass das vorgeschlagene S-TENG möglicherweise vollständig abbaubar ist.

a Abbaubarkeitstests durch Eintauchen von Stärkepapier in Wasser, b sofort und nach b 1, c 2, d 3 und e 4 Minuten

Schlussfolgerung

In dieser Arbeit wird eine neue und einfache Methode zur Herstellung von TENG-Einweggeräten unter Verwendung umweltfreundlicher biologisch abbaubarer Stärkepapiere vorgestellt. Das schnelle und einfache Verfahren zum Bau des S-TENG verwendet kostengünstige und kommerziell erhältliche Materialien. Die Stärkestruktur kann in Wasser innerhalb von 4 Minuten zu Pulver abgebaut werden. Das vorgeschlagene TENG hat ein beträchtliches Potenzial im Bereich der tragbaren Elektronik.

Abkürzungen

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator