Fiber-based Triboelectric Nanogenerator for Self-powered System

Abstract

파이버 또는 섬유 기반의 마찰전기 나노제너레이터는 섬유 통신 디바이스, 전자 텍스타일 등 웨어러블 응용분야에 활용 가능하다. 그러나 기존의 파이버 기반 마찰전기 나노제너레이터는 신축성 있는 특성을 갖기 어려웠으며 제직 응용에 제한적이었다. 본 연구에서는 새로운 구조의 파이버 기반 단일전극 마찰전기 나노제너레이터(FSTENG)를 제안한다. FSTENG는 음의 대전체 역할을 하는 실리콘 고무와 전극 역할을 하는 전도성 실로 구성된다. FSTENG는 피부와 실리콘 고무 사이의 연속적인 접촉 분리 과정을 통해 전기적 출력을 생성한다. 피부와 접촉 시 각각 28 V, 0.56 uA의 전기적 출력을 나타냈고, 100 %의 높은 신축률을 보여주었다. 또한 본 FSTENG만을 가지고 45 mm × 45 mm의 크기로 직물을 제작하여, LED 및 전자시계 동작을 확인하였다. 이와 같이, FSTENG는 대면적 텍스타일 형성이 가능하여 웨어러블 및 신축성 있는 에너지 하베스터에서 스마트 의복 제품에 이르기까지 다양한 분야에 응용이 가능할 것이다. |Fiber- or thread-based triboelectric nanogenerators are suitable for wearable application such as clothes embedded with communication devices or other electronic textiles. Unfortunately, previously reported fiber-based triboelectric nanogenerators had poor stretchability, because of which they were not suitable for weaving applications. In this paper, we propose a new structure of a fiber-based single-electrode triboelectric nanogenerator (FSTNEG). The proposed FSTENG uses silicone rubber as the negative part and a conductive thread as the electrode of the TENG. The electrical output of the FSTENG is generated by the continuous contact and separation between human skin and silicone rubber. A prototype of the proposed FSTENG showed an electrical output of 28 V and 0.56 μA, when in contact with human skin, and exhibited a high strain of up to 100 %. In addition, we fabricated a woven structure with dimensions of 45 mm × 45 mm, incorporating the FSTENG, and confirmed its power generation capabilities using LEDs and an electronic watch. The proposed FSTENG can be applied to various products ranging from wearable and stretchable energy harvesters to smart clothing, by facilitating the manufacture of large textiles.