Nanogenerator Triboelektrik Berbasis Kertas Pati untuk Penginderaan Keringat Manusia

Hasil dan Diskusi

Mekanisme kerja S-TENG secara skematis ditunjukkan pada Gambar 2c. Perangkat yang diusulkan didasarkan pada efek kopling antara tangan manusia dan kertas kanji. Ketika ada kontak fisik antara tangan dan kertas, kertas memperoleh muatan negatif pada permukaannya, sedangkan tangan memperoleh muatan positif. Selain itu, setelah tangan dibebaskan, area yang tumpang tindih antara tangan dan kertas yang diisi berkurang dan muatan di atas kertas tidak lagi sepenuhnya seimbang dengan yang ada di tangan. Muatan negatif yang tidak stabil pada permukaan pati memaksa aliran elektron ke tanah dari elektroda belakang kertas. Namun, ketika tangan mendekati kertas lagi, muatan positif yang diinduksi pada elektroda belakang akan menjadi tidak stabil dan memaksa elektron mengalir ke tanah.

a Lapisan air mulai terbentuk di sekitar sisi elektroda kertas kanji, b jaringan air terbentuk, c mekanisme kerja S-TENG

Hasil penelitian menunjukkan bahwa keadaan kerja S-TENG dapat dipisahkan menjadi dua pola kerja, berdasarkan jumlah uap air yang diserap oleh kertas kanji. Konsep transfer muatan diilustrasikan, menggunakan keadaan yang ditunjukkan pada Gambar 2cII sebagai contoh. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, dalam pola kerja 1, lapisan air awalnya terbentuk di sekitar sisi elektroda kertas. Namun demikian, muatan sebagian masih terperangkap dalam lapisan air yang tidak teratur, membentuk penghalang potensial yang menghambat pergerakan pembawa. Namun, dalam pola kerja 2, jaringan air dibuat (Gbr. 2b), dan resistansi elektronik dari sisi elektroda yang terdiri dari kertas kanji sangat berkurang.

Sebuah foto dari S-TENG yang dibuat ditunjukkan pada Gambar. 3a. Sebuah resistor yang dapat disesuaikan digunakan sebagai beban luar dan, untuk waktu penyemprotan uap air yang berbeda, sebuah osiloskop digunakan untuk mengukur sinyal elektronik dari resistor. Gambar 3b menunjukkan kinerja elektronik S-TENG setelah penyemprotan pertama. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, peningkatan resistansi beban (dari 100 hingga 100 MΩ) menghasilkan peningkatan konstan pada tegangan keluaran yang dikumpulkan. Namun, daya keluaran maksimum dicapai pada resistansi pemuatan 15 MΩ, dan karenanya, resistansi internal TENG fabrikasi adalah ~ 15 MΩ. Tegangan keluaran (yaitu, 11,2 V) di bawah resistansi pembebanan 100 MΩ diperkirakan sebagai tegangan rangkaian terbuka, karena resistansi pembebanan jauh lebih besar daripada nilai perkiraan resistansi internal. Stabilitas operasi TENG kertas fabrikasi kemudian ditentukan. Seperti yang ditunjukkan Gambar 4, tegangan keluaran (resistensi beban:100 MΩ) dari perangkat fabrikasi hanya sedikit berkurang selama uji gaya vertikal.

a Foto dan b keluaran elektronik dari S-TENG yang dibuat

Uji gaya vertikal dari S-TENG fabrikasi. Tegangan keluaran hanya sedikit berkurang di bawah resistansi pemuatan 100 MΩ

Kertas kanji menunjukkan ketahanan lembaran sebesar 19 MΩ, 6,1 MΩ, 1,5 MΩ, 140 KΩ, dan 130 KΩ sebelum penyemprotan air dan setelah penyemprotan ke-1, ke-3, ke-5, dan ke-7. Aktivitas elektronik yang sesuai dari S-TENG dibandingkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Tegangan output (dikenakan beban yang sesuai sebesar 100 MΩ) meningkat dengan peningkatan waktu penyemprotan 0–3 (pola kerja 1) dan menjadi jenuh pada penyemprotan kali di atas penyemprotan ke-3 (pola kerja 2). Penginderaan cairan berbasis air, misalnya, keringat manusia dipastikan, karena korelasi antara tegangan elektronik dan jumlah uap air. Korelasi ini dapat dicirikan melalui perubahan resistansi internal S-TENG. Pengurangan resistansi internal S-TENG dipromosikan oleh penggunaan uap air, karena pengenalan air mengurangi kapasitas penahan elektronik kertas kanji. Penurunan ini dihasilkan dari pembentukan jalur konduktif air di permukaan dan di dalam kertas. Selanjutnya, dampak ini menjadi sangat jelas ketika lapisan air mulai terbentuk di sekitar sisi elektroda kertas (pola kerja 1). Selain itu, keluaran elektronik yang terjadi sebelum penyemprotan air terutama berasal dari air terikat sel butir (menghasilkan konduksi elektronik yang lemah untuk pembawa).

Ketergantungan tegangan keluaran pada jumlah langkah semprotan air

S-TENG yang diusulkan telah digunakan untuk mendeteksi keringat manusia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, S-TENG terhubung ke siku manusia setelah durasi gerakan tubuh yang berbeda. Setelah itu, lapisan kulit manusia yang terbuka dibersihkan dengan handuk kering dan gerakan siku terjadi (Gbr. 6; keluaran elektronik yang dikumpulkan ditunjukkan pada Gbr. 6c). Tren yang diamati serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar 5, yaitu dari sudut pandang korelasi antara keluaran elektronik (beban yang sesuai:100 MΩ) dan durasi gerakan manusia. Hasilnya menunjukkan bahwa S-TENG yang diusulkan dapat digunakan untuk mendeteksi keringat manusia dan memantau waktu gerak manusia.

a , b pola kerja untuk memanen energi gerak siku manusia, c keluaran elektronik (bergantung pada beban yang sesuai sebesar 100 MΩ) versus waktu gerak manusia

Atribut sekali pakai kertas kanji ditentukan dengan mengevaluasi aktivitas disolusi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Selama penentuan ini, kertas direndam dalam air keran di bawah getaran lembut oleh tangan manusia, seperti yang digambarkan pada Gambar 7a, untuk berbagai durasi (lihat Gambar 7b–e). Kertas kanji benar-benar rusak dalam waktu 4 menit, yang menunjukkan bahwa S-TENG yang diusulkan mungkin dapat terurai sepenuhnya.

a Uji degradabilitas dilakukan dengan mencelupkan kertas kanji ke dalam air, b segera, dan setelah b 1, c 2, d 3, dan e 4 mnt