Meningkatkan Transfer Muatan dalam Nanogenerator Triboelektrik Berbasis Struktur Rajut melalui Analisis Morfologi Permukaan

Abstrak

Penangkapan energi biomekanik limbah telah memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk meningkatkan supl daya perangkat wearable guna memperpanjang masa pakai. Morfologi permukaan adalah faktor signifikan untuk meningkatkan kinerja output nanogenerator triboelektrik; namun, ada keterbatasan dalam mengevaluasi morfologi permukaan dan dampaknya pada pembangkitan listrik. Untuk mengevaluasi hubungan antara morfologi permukaan dan transfer muatan, ada teori matematika yaitu teori geometri fraktal yang telah diusulkan untuk menganalisis karakteristik morfologi permukaan tidak teratur. Teori ini memberikan pemahaman yang baik tentang luas kontak dan kekasaran permukaan. Kami telah merancang tiga kategori struktur rajut dengan penampilan tali menggunakan mesin rajut datar dan menganalisis karakteristik permukaannya. Sementara itu, struktur geometris dapat divisualisasikan melalui dimensi fraktal untuk mengevaluasi kinerja output yang dihasilkan selama kontak dan pemisahan. Penelitian ini menunjukkan bahwa, seiring bertambahnya unit rajut, kinerja pembangkitan listrik triboelektrik terus menurun karena luas kontak yang tersedia berkurang. Setelah menghitung dimensi fraktal dari berbagai struktur rajut, struktur m*n rib menunjukkan transfer muatan tinggi ketika dimensi fraktal mendekati angka satu, terutama dimensi fraktal struktur rib 1*1 yang dapat mencapai 0,99. Teori fraktal dapat lebih lanjut digunakan sebagai pendekatan untuk mengevaluasi pengaruh morfologi permukaan tidak teratur pada kinerja output, tidak terkait dengan gangguan unit konveksi seragam. Hasil penelitian ini juga menunjukkan kelayakan nanogenerator triboelektrik berbasis rajut dalam menangkap energi biomekanik untuk memberi daya elektronik portabel yang terintegrasi dalam pakaian.

Pendahuluan

Teknik kecerdasan canggih telah menyapu dunia global dan telah menghasilkan beberapa perangkat wearable pintar fleksibel baru, seperti sensor pelacakan kesehatan [1, 2], perangkat deteksi gerakan [3,4,5,6], kulit elektronik (E-skins) [7, 8], sirkuit fleksibel [9, 10], dan serat optik wearable [11, 12]. Namun, dengan kekurangan berupa bobot besar, efisiensi konversi rendah, polusi lingkungan yang serius, dan umur baterai pendek, supl daya adalah keterbatasan besar untuk pengembangan elektronik. Sejak nanogenerator triboelektrik (TENG) pertama kali berhasil dikembangkan pada tahun 2012 [13], berdasarkan karakteristik skala kecil, ringan, berbagai bahan, aman, ramah lingkungan, dan efisiensi tinggi, ia telah menyediakan strategi yang menjanjikan dan efektif untuk mengatasi kendala di atas. Seiring dengan perkembangan cepat TENG yang bekerja melalui efek gabung antara kontak elektriksasi dan induksi elektrostatis [15], ia telah dikonfirmasi sebagai salah satu pendekatan yang diinginkan untuk mendapatkan daya mekanis [16, 17] dari lingkungan sekitar kita terutama dengan menangkam getaran rendah frekuensi dan gerakan tidak teratur (termasuk angin [18, 19], tetesan air dan gerakan manusia, energi biomekanik, dll. [20,21,22]), merealisasikan transmisi data [23,24,25] dan supl daya dalam Internet of Things (IoT) [26]. Untuk perangkat wearable, tekstil dianggap sebagai substrat terbaik, karena retensi struktural dan resistensi kelelahan, lembut, integrasi, dan porositas tinggi. Hasta saat ini, integrasi nanogenerator triboelektrik dan tekstil tradisional [27,28,29,30,31,32,33] adalah salah satu kandidat yang menjanjikan untuk perangkat wearable berorientasi manusia, seperti sensor fleksibel self-powered [34], penangkap energi wearable, dan sistem penyimpanan energi berbasis tekstil. Ini juga memberikan tekstil konvensional fungsionalitas, kecerdasan, dan nilai tambah yang tinggi. Perangkat elektronik ini berbasis tekstil yang memenuhi persyaratan ringan, murah, nyaman, bernapas, portabel, awet, dan dapat dicuci untuk penggunaan rutin. Selain itu, mudah untuk membuat tekstil dengan warna yang bervariasi dan desain pola yang melimpah yang mewakili daya tarik untuk tekstil cerdas. Khususnya, tekstil rajut dengan regangan kecil dan deformasi besar sensitif terhadap pembangkitan sinyal sehingga ideal untuk digunakan sebagai sensor fleksibel, mengatasi resistensi gerakan, dan mengurangi kehilangan energi [35]. Selain itu, gesekan dan deformasi tekstil rajut adalah fenomena umum yang merupakan pendapat yang menarik untuk konstruksi nanogenerator triboelektrik.

Seperti yang kita ketahui, modifikasi morfologi permukaan adalah pendekatan yang signifikan untuk meningkatkan kinerja output TENG [36,37,38,39]. Sebagian besar bertujuan untuk meningkatkan luas kontak yang tersedia dan kekasaran permukaan. Ada dua metode utama yang mengubah morfologi permukaan, yaitu pengupasan permukaan dan replikasi permukaan. Namun, penggunaan perawatan yang sangat mahal, luas area terbatas, dan teknik manufaktur multi-tahap untuk menghasilkan tampilan permukaan sulit untuk produksi industri. Di sini, Li et al. [40] menyelidiki film polydimetilsiloksana (PDMS) dengan mikrostruktur permukaan yang diupas dari kertas gores, yang merupakan metode satu proses dan berbiaya rendah untuk menyiapkan berbagai kekasaran permukaan. Hasil eksperimen menunjukkan output maksimum sebesar 46,52 V di bawah kelas kekasaran 3000 yang terdeteksi oleh profil permukaan optik 3D. Selain itu, terlalu banyak mikrostruktur dapat mengurangi luas kontak efektif secara parah dan mengakibatkan penurunan kemampuan kinerja daya. Ukuran TENG dibatasi oleh luas kertas gores, yang mengakibatkan peningkatan biaya pembuatan. Saat ini, struktur tekstil menerima perhatian yang meningkat karena formasi berbagai tampilan permukaan [38] tanpa proses pembuatan yang kompleks dan biaya tinggi. Untuk memahami penuh tampilan permukaan tekstil, beberapa faktor perlu dipertimbaskan dalam hal komponen unik dan fitur struktur, termasuk penampilan benang, parameter fisik tekstil, dan struktur rajut. Kemudian, Kwak et al. [41] menyelidiki luas kontak dari tiga struktur (termasuk struktur kain plain-, double-, dan rib-fabric) selama regangan dan membahas kontribusi untuk meningkatkan potensi. Nilai yang layak dicatat adalah rib-fabric dapat diregang hingga 30%, memperluas luas kontak hingga 180 cm². Bergantung pada wilayah tengah yang ada, rib fabric dapat diregang secara besar, yang dapat mendapatkan potensi lebih tinggi untuk meningkatkan luas kontak. Sebagai elemen utama struktur tekstil, karakteristik loop dianalisis yang juga merupakan faktor signifikan yang mempengaruhi tampilan permukaan. Huang et al. [42] fokus pada efek parameter dasar tekstil (termasuk kaki loop, tenggelam loop, dan kepadatan tekstil) untuk mengonfirmasi perbedaan pada kinerja output. TENG berbasis kain dengan kepadatan sutur besar dapat menghasilkan energi listrik yang lebih tinggi dengan densitas daya puncak maksimum 203 mW m⁻² pada 80 MΩ, yang membuat luas kontak efektif yang lebih besar. Hasil menunjukkan bahwa morfologi permukaan dari berbagai struktur kain berpengaruh pada kemampuan output listrik. Untuk menangkam lebih banyak energi guna memperpanjang umur pakai, tekstil rajut 3D double-faced interlock stitch [43] dirajut oleh mesin rajut datar double-needle bed, yang menunjukkan kinerja output yang sama pada sisi depan dan belakang. Selain itu, TENG berbasis struktur tekstil tiga dimensi dapat menghasilkan densitas daya tinggi sebesar 3,4 mW m⁻² pada resistensi eksternal 200 MΩ, menunjukkan bahwa kapasitas penangkapan energi telah meningkat. Namun, tampilan permukaan yang disebutkan di atas memiliki gambaran yang sedikit tentang bentuk geometris permukaan, dan faktor tentang transfer muatan yang dihasilkan masih menderita dari kurangnya penjelasan spesifik. Tidak ada cara universal yang dapat mengkarakterisasi tampilan permukaan, yang perlu menemukan evaluasi morfologi tidak teratur. Oleh karena itu, itu adalah keterbatasan untuk memahami penuh transfer muatan pada nanogenerator triboelektrik saat ini.

Tujuan analisis permukaan adalah untuk mengkarakterisasi struktur geometris tekstil, yang dapat diuji dalam dua pendekatan yaitu metode kontak dan metode optik [44]. Metode kontak dapat menggambarkan morfologi permukaan dengan baik, tetapi waktu yang dibutuhkan jauh lebih lama, dan jarum meninggalkan jejak di permukaan. Dibandingkan dengan metode kontak, dengan manfaat waktu pengukuran yang singkat, permukaan dengan kekerasan rendah, dan deteksi yang mudah, metode optik telah digunakan untuk mendeteksi kekasaran permukaan. Namun, celah palsu dan tingkat kebisingan tinggi dapat mengurangi penilaian morfologi permukaan yang sebenarnya.

Alat matematika adalah teori analisis yang dapat digunakan untuk mengukur tingkat kekasaran permukaan. Ini adalah pendekatan baru untuk mengevaluasi permukaan tidak teratur. Dengan permukaan yang tidak rata seperti itu, metode matematika konvensional dari geometri Euklid tidak dapat digunakan karena sangat sulit untuk menilai dimensi geometris kuantitatif dan akurasi pengukuran, seperti panjang segmen dan bobot objek. Namun, geometri fraktal, pendekatan yang dinamakan oleh Mandelbrot untuk menggambarkan struktur tidak teratur, telah disediakan untuk menyelesaikan masalah ini dan mendefinisikan ketidakteraturan di alam [45], seperti properti fisik busa [46] dan evaluasi kehalusan kain [47]. Hampir semua permukaan kasar dapat dibagi menjadi beberapa bagian yang serupa diri yang dapat digambarkan oleh dimensi non-integral, bernama dimensi fraktal (D_f). Berdasarkan berbagai permukaan geometris, nilai D_f perlu dipertimbangkan dan dianalisis yang berpengaruh pada kekasaran dan luas kontak efisien dalam desain nanogenerator triboelektrik, mengoptimalkan kapasitas mengonversi gerakan manusia menjadi listrik.

Di sini, dalam karya ini, kami menyajikan berbagai morfologi permukaan berdasarkan struktur rajut yang diadopsi sebagai salah satu lapisan dielektrik. TENG berbasis tekstil rajut dibuat menggunakan benang komersial dan mesin rajut industri, yang dapat merealisasikan produksi skala besar dan aplikasi praktis. Untuk meniru gerakan melambai tangan, TENG dirancang dalam mode kerja kontak-pemisahan (CS) yang merupakan mekanisme kerja paling sederhana. Struktur rajut dibentuk dalam dua pendekatan, termasuk morfologi permukaan konveks-konkav berbasis terstruktur dan berbentuk. Karena keragaman struktur rajut, tampilan permukaan yang dihasilkan dapat diteliti dan dianalisis secara sistematis untuk mengonfirmasi hubungan antara morfologi permukaan dan struktur rajut. D_f dari setiap kain dapat dihitung melalui prinsip fraktal yang sesuai, mengevaluasi kekasaran permukaan kain. Transfer muatan maksimum dari tampilan permukaan dalam rib 1*1 dapat mencapai 91,66 nC dengan gerakan melambai dan melepaskan, yang memperoleh dimensi fraktal sebesar 0,99. Dan fenomena menarik menunjukkan bahwa dengan nilai D_f mendekati angka satu, transfer muatan dapat lebih tinggi. Akhirnya, penggunaan teori fraktal dan struktur rajut dapat memberikan metode efektif untuk evaluasi kuantitatif transfer muatan dan diharapkan dapat membantu merancang TENG berbasis tekstil rajut yang lebih efisien, produksi industri, dan biaya murah.

Bahan dan Metode

Bahan

Benang nylon (dtex 600, AnTong KeJia Textile fiber products Co., Ltd.) yang biasanya dirajut menjadi dua jenis kain rib dan kain konveks dengan gage 15 (jarum/inchi) pada mesin whole garment (SHIMA Seiki Co., Jepang). Film polytetrafluoroetilena (PTFE) dengan ketebalan 0,05 cm (Chenqi Electrical Technique Co. Ltd.) digunakan. Elektroda yang membungkuk dan berputar adalah foil tembaga komersial (Shenzhen Biaozhitape Co. Ltd) dengan ketebalan 0,06 mm yang ditempel pada bagian belakang tekstil rajut untuk mentransfer muatan terpolarisasi.

Pembuatan Kain Rajut dan Nanogenerator Triboelektrik Berbasis Tekstil Rajut

Teknik weft sebagai metode rajut representatif dapat dengan mudah memberikan kain dengan kelebaran tinggi [48], biaya rendah, dan performa estetika. Dengan keuntungan dari rajut posisi, tekstil daya dapat diintegrasikan ke dalam pakaian tanpa teknik jahit tambahan. Ada sepuluh tekstur konveks-konkav yang dirancang yang digambarkan dalam Tabel 1. Untuk menunjukkan hubungan antara morfologi permukaan dan transfer muatan, tali panjang dan melintang dirajut pada permukaan tekstil. Jadi sepuluh tekstur berbeda digambarkan dalam Tabel 1, di mana tujuh sampel pertama menunjukkan tali panjang pada permukaan, dan tampilan permukaan dari no. 8, no. 9, dan no. 10 adalah konveks melintang. Di sini, struktur dirajut oleh mesin rajut datar komputerisasi yang cocok untuk proses industri yang efisien, dan tekstil dapat disesuaikan skala khusus. Melalui sistem desain sendiri, kain dapat dirancang dengan cepat dan disiapkan dengan mudah, terutama untuk merancang pola yang rumit. Semua kain perlu dibiarkan selama 24 jam dalam kondisi atmosfer standar untuk melembabkan kain ke dalam kondisi ukuran stabil, yang bertujuan untuk menurunkan pengaruh penurunan ukuran relaksasi dan meningkatkan hasil akurasi pengujian. Kemudian, lem conductive tape dengan ukuran yang sama ditempel pada bagian belakang tekstil. Berdasarkan nanopartikel yang sangat terpolarisasi, film yang terbuat dari PTFE diadopsi sebagai bahan dielektrik lainnya. Film masih menempel pada selembar foil tembaga, mentransfer migrasi elektron. Untuk CS, kabel konduktif telah dihubungkan ke dua model gesekan, yang bergerak dalam arah vertikal. Kemudian, TENG tekstil berbasis CS telah dibuat.

Karakter Fraktal dari Kain Rajut

Tidak semua objek alam memiliki bentuk dan batas tidak teratur, termasuk garis pantai, bunga salju, awan, dan daun. Oleh karena itu, dimensi fraktal digunakan untuk menggambarkan morfologi tidak rata yang dihasilkan oleh berbagai metode, yang merupakan metode efektif yang diidentifikasi dalam banyak karya penelitian. Ada beberapa formulasi yang didefinisikan sebagai dimensi fraktal, termasuk dimensi Hausdorff, dimensi hitung kotak, dan dimensi serupa, dll., yang merupakan parameter kunci untuk mengukur gaya permukaan. Dimensi fraktal tipikal adalah kurva Kohn seperti bunga salju, yang pertama kali disajikan pada tahun 1904. Area yang dibatasi oleh tiga kesamaan tak hingga dibatasi, disebut kurva Kohn, yang dimensi fraktalnya adalah 1,2618. Umumnya, dimensi fraktal dapat dihitung dengan skala a, yang menunjukkan panjang, lebar, dan area. Rumus berikut dapat menunjukkan hubungan:

$$ F\left(\mathrm{a}\right)\approx {a}^{D_f} $$ (1-1)

di mana D_f adalah dimensi fraktal yang ditunjukkan dalam kemiringan plot log-log.

Dimensi fraktal permukaan tidak rata, D_f, dapat ditentukan dalam pendekatan dimensi Hausdorff yang didasarkan pada analisis ukuran relatif dari unit serupa. Sebagai faktor pembentukan permukaan tali, distrik konveks yang termasuk beberapa unit mikro-konveks dengan tepi dan jumlah yang berbeda dapat dinyatakan sebagai:

$$ M={N}^{D_f} $$ (1-2)

di mana M adalah jumlah unit konveks, N adalah multiple berulang unit serupa yang merupakan panjang unit konveks terhadap panjang seluruh sampel, dan D_f adalah dimensi fraktal struktur yang diangkat. Persamaan ini adalah model yang dapat digunakan untuk memprediksi morfologi permukaan, jadi:

$$ {D}_f=\raisebox{1ex}{$\log M$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\log N$}\right. $$ (1-3)

Karakterisasi

Mikroskop digital Dino-lite edge (AnMo electronic corporation) digunakan untuk mengukur kepadatan kain rajut dari foto citra. Sinyal listrik dari nanogenerator triboelektrik kain rajut dalam mode kontak dan pemisahan dioperasikan oleh motor linier sendiri dan elektrometer (sistem Keithley 6514) berdasarkan sistem LabVIEW.

Hasil dan Pembahasan

Untuk mengonfirmasi bahan gesekan, urutan triboelektrik [49] adalah referensi signifikan, yang mengukur polarisasi triboelektrik dari berbagai bahan umum. Urutan triboelektrik menunjukkan bahwa satu sisi menunjukkan kapasitas memperoleh muatan dan sisi lain memiliki kemampuan tinggi untuk kehilangan elektron, yang telah didefinisikan sebagai performa bahan dasar. Untuk mendapatkan kinerja output yang luar biasa, sepasang bahan dipilih yang perlu diatribusikan ke urutan triboelektrik dengan jarak yang cukup, meningkatkan perbedaan potensial. Di sini, satu adalah nylon komersial, berbiaya rendah, resistensi gosok yang sangat baik, dan kecenderungan terisi muatan positif yang tinggi, dan yang lain menunjukkan kecenderungan terisi muatan negatif (PTFE). Dalam karya ini, kami memilih membran PTFE tanpa perawatan pada permukaan. Di sini, satu-satunya faktor adalah struktur rajut yang dapat dianalisis oleh kinerja transfer muatan. Elemen krusial lainnya adalah bahan elektroda yang merupakan foil tembaga dengan fleksibilitas tinggi, yang dapat ditempel langsung, yang merupakan proses pembuatan satu langkah yang sederhana. Dibandingkan logam mulia perak dan emas, harga foil tembaga murah dan dapat digunakan untuk membuat produk hemat biaya. Jadi tembaga telah banyak diterapkan sebagai sirkuit fleksibel dan elektroda dalam desain perangkat pintar.

Saat ini, ada empat mode kerja universal TENG yang sesuai dengan struktur elektroda dan gerakan yang berbeda. Dengan keuntungan pembuatan yang mudah, pilihan bahan yang melimpah, gerakan vertikal balik maju, TENG CS adalah yang pertama diteliti secara mendalam yang memiliki kemampuan potensial untuk menangkam beberapa energi biomekanik, seperti melambai tangan, berjalan, dan berlari. Di sini, untuk menyelidiki prinsip pengaruh struktur permukaan, nanogenerator triboelektrik berbasis tekstil rajut (KNG) telah dirancang, sesuai dengan kontak dan pemisahan antara kain nylon dan film PTFE. Proses pemasangan nanogenerator triboelektrik ditunjukkan dalam Gambar 1a, yang terdiri dari kain rajut, membran PTFE, dan foil tembaga. Keberagaman kain rajut fleksibel dalam hal kapasitasnya untuk menggulung (Gambar 1 bi), membungkuk (Gambar 1 bii), melambung (Gambar 1biii), dan melipat (Gambar 1biv) di setiap arah ditailor dalam berbagai skala yang digambarkan dalam Gambar 1b. KNG dapat dirancang berdasarkan kebutuhan posisi aplikasi dan estetika pakaian. Keragaman struktur rajut telah dirajut dengan berbagai tampilan permukaan, dan kemudian foto-foto permukaan tekstil ini ditunjukkan dalam Gambar 1c.

Mekanisme operasi KNG disajikan secara sederhana dalam Gambar 2a. Untuk mengukur transfer muatan, jarak maksimum dan frekuensi gerakan motor linier diatur menjadi 10 cm dan 0,3 Hz untuk mensimulasikan gerakan melambai tangan, masing-masing. Untuk pemantauan umum, tegangan open-circuit (Voc), arus short-circuit (Isc), dan transfer muatan (Qsc) diukur oleh motor linier mekanis. Dalam keadaan awal (Gambar 2 ai), kain nylon menghasilkan muatan positif dan film PTFE terisi muatan negatif karena induksi elektrostatis dan konservasi muatan. Ketika perangkat ditekan (Gambar 2 aii), penyusutan jarak antara kedua permukaan kontak akan mengakumulasi muatan positif pada elektroda yang ditempel pada PTFE. Elektron mengalir dari sirkuit eksternal untuk menyeimbangkan perbedaan potensial. Perlu diperhatikan bahwa jumlah elektron yang setara dapat dipertahankan pada permukaan area kontak karena kedua bahan dielektrik adalah isolator (Gambar 2 aiii). Saat PTFE bergerak kembali (Gambar 2aiv), proses terbalik dan listrik akan kembali seimbang antara kain nylon dan PTFE, mencerminkan netralisasi muatan. Dalam situasi ini, elektron akan mengalir kembali untuk perbedaan potensial listrik. Dalam situasi ini, KNG dapat menghasilkan Isc dan Voc, yang memiliki karakteristik perubahan periodik, ditunjukkan dalam Gambar 2 b dan c. Dalam Gambar 2b dan c, inset adalah grafik diperbesar yang dijelaskan dalam satu siklus.

Untuk membuat struktur konveks pada permukaan tekstil, ada dua metode yang digunakan, yaitu desain struktur dan pembentukan bentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3. Desain struktur bergantung pada proporsi berbeda dari sutur depan dan sutur belakang. Total sampel dirancang dalam tujuh jenis rib, termasuk jenis m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) dalam Gambar 3a dan 2*m (m = 1, 2, 3, 4) ditunjukkan dalam Gambar 3b. Rib memiliki penampilan tali vertikal karena wales sutur depan yang cenderung bergerak melewati dan di depan wales sutur belakang; kemudian, ketinggian tali maksimum dapat mencapai 0,2 cm. Rib m*n (m = n = 1, 2, 3, 4) dapat disesuaikan oleh wales sutur depan bergantian di setiap sisi, jadi ia datar tanpa keriting setelah penyesuaian. Dan kedua sisi tekstil memiliki penampilan yang sama seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3e. Namun, proporsi berbeda antara sutur depan dan belakang dalam struktur rib 2*m, terdapat tampilan permukaan yang berbeda, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3f. Selain itu, proses regangan kain rib dibagi menjadi dua tahap, termasuk wales belakang yang saling berkait di kedua sisi hingga diregang untuk mengungkap wales sutur belakang di antaranya dan kemudian seluruh loop terus diregang lebih dari dua kali lipat dari kain tunggal yang setara. Oleh karena itu, dibandingkan kain plain, tekstil rib memiliki potensi untuk meningkatkan kemampuan meregang untuk menangkam gerakan melambai dan meregang (arah melintang dan panjang) selama mode kerja kontak-pemisahan. Metode lain untuk membuat struktur yang diangkat adalah deformasi bentuk di mana lapisan udara terbentuk pada permukaan tekstil n (n = 4, 5, 6) yang diilustrasikan dalam Gambar 3c. Ketebalan area penampang silang berkisar dari 0,15 hingga 0,3 cm. Karakteristik lapisan udara adalah struktur busa yang mencolok yang dapat memberikan beberapa ruang untuk mempercepat pemisahan elektron saat memicu gerakan. Di atas semua yang disebutkan, tekstil rajut dirancang melalui mesin rajut datar komputerisasi yang dapat merealisasikan akurasi lokasi rajut, membangun whole garment dan mengintegrasikan bahan cerdas ke dalam pakaian dengan sempurna. Nomenklatur teknik rajut seperti itu telah ditandai dalam Gambar 3d yang menggambarkan fitur struktur dengan benar.

Karya sebelumnya [42] menunjukkan luas kontak efektif sisi depan yang jauh lebih besar dari bagian belakang tekstil; menghasilkan transfer muatan dua kali lebih tinggi dari kinerja output sisi belakang. Ini karena panjang loop jarum lebih panjang dari loop tenggelam. Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja output dan menciptakan hanya satu faktor berpengaruh, struktur konveks kontak terdiri dari loop sisi depan. Output KNG tergantung pada jumlah unit konveks difplot dalam Gambar 4. Tren menurun terbentuk di mana luas kontak semua tekstil yang bereksperimen berkurang dengan jumlah unit yang diangkat. Juga, muatan listrik yang lebih signifikan berada dalam urutan rib 1*1, rib 2*1, dan struktur jenis jarum empat (titik pertama dari setiap garis) dengan nilai 91,66 nC, 90,19 nC, dan 69,64 nC, masing-masing.

Kemudian, struktur rajut dengan morfologi permukaan yang berbeda dalam aspek keragaman kepadatan wales, jumlah unit sisi depan, dan struktur diteliti. Semua parameter dari sepuluh jenis tekstil rajut diuji dan dicatat dalam Tabel 2. Secara menakjubkan, kepadatan kurs selalu konstan karena penampilan tali telah tumbuh dalam arah vertikal saat menganalisis sampel Nos. 1–7. Jadi, kepadatan wales sebagai faktor utama yang perlu dibahas merujuk pada fitur dari berbagai struktur rajut. Jelas bahwa sutur depan dan sutur belakang memiliki proporsi yang sama dalam Nos. 1-4, sekitar 50%. Tekstil ini menunjukkan struktur yang sama terlepas dari sisi depan atau belakang berdasarkan rajut sutur ganda. Ketebalan rata-rata menunjukkan lebih tinggi dibandingkan sampel nos. 5–7 yang terdiri dari berbagai jumlah sutur depan dan sutur cadangan. Tekstur no. 4 memiliki unit ulang terbesar yang kepadatan walenya dua kali lebih besar dari no. 1. Namun, jumlah unit sisi depan pada kain praktis hampir setengah menurun dibandingkan no. 1. Ini karena lebih banyak loop tenggelam yang diregang satu sama lain sehingga penampilan kolom dapat terbentuk. Seiring bertambahnya unit rajut, diameter kolom dan ketebalan kain diperluas, di sini, mengurangi jumlah unit sisi depan dan luas kontak efisien saat memicu gerakan. Dalam hal struktur rib dengan proporsi berbeda antara sutur depan dan belakang, tampilan menunjukkan karakteristik struktur satu sisi yang jelas, seiring bertambahnya unit ulang rajut. Sementara itu, kepadatan wales no. 7 sama besar dengan no. 1 dan no. 5, namun jumlah unit loop depan memiliki perbedaan yang mencolok karena jumlah unit rajut adalah enam loop yang jauh lebih banyak dari no. 1 (2 loop) dan no. 5 (3 loop), sehingga kinerja output lebih rendah dari no. 1 dan no. 5. Akibatnya, kain rajut rib no. 1 mewakili jumlah unit loop depan paling banyak dalam nos. 1–10 selama gerakan kontak-pemisahan.

Di sisi lain, tekstil rajut jenis bentuk telah dirancang melalui berbagai jumlah loop yang disatukan ke dalam seluruh kain, membentuk struktur busa. Karena arah panjang tali adalah horizontal, kepadatan wales kain menunjukkan stabilitas mendekati dalam arah melintang. Struktur busa memberikan pendekatan untuk memisahkan muatan pada permukaan, yang memiliki ruang dalam rongga. Dengan demikian, efisiensi menangkap energi mekanisme limbah telah ditingkatkan. Umumnya, untuk meningkatkan kinerja output, jenis busa terbuat dari bahan fleksibel dengan elastisitas dan daya tahan yang sempurna, seperti substrat silikon, tetapi sulit untuk dirajut dalam mesin rajut industri untuk memenuhi persyaratan komersial. Ketika melihat struktur busa berdasarkan tekstil rajut dalam penelitian sebelumnya [24, 41, 50], konstruksi perlu dijahit atau ditempel, yang merupakan proses yang kompleks dan memakan waktu. Kami menyajikan tekstil busa rajut yang disiapkan melalui teknik pembentukan keseluruhan tanpa manufaktur kedua yang memberdayakan efisiensi produksi yang tinggi. Di antara struktur tali horizontal, ketinggian 0,3 cm menunjukkan output muatan terendah dibandingkan struktur tali horizontal empat jarum dan lima jarum dengan ketinggian 0,15 cm dan 0,2 cm, masing-masing, yang dapat dipengaruhi oleh kekakuan rendah tekstil rajut pada jarak jauh antara kedua ujung yang tetap. Bentuk konveks tertinggi sulit untuk tetap busa dengan tekanan gaya dan pulih ke bentuk asli, yang mengakibatkan beberapa muatan dinetralkan. Akibatnya, penurunan ketinggian busa dapat meningkatkan toleransi struktur konveks. Namun, tali jenis bentuk ini mengurangi luas kontak efektif yang merupakan jenis garis yang memiliki area lebih sedikit dari kontak sebenarnya, mengurangi kinerja output listrik.

Loop memiliki struktur tidak teratur, jadi evaluasi properti geometris mereka seperti ukuran sutur dan bentuk permukaan adalah tantangan. Untuk mengidentifikasi ketidakteraturan loop, evaluasi tradisional yang merupakan dimensi integral tidak dapat digunakan. Teori fraktal diusulkan untuk menganalisis kategori ketidakteraturan di lingkungan sekitar kita dan alam. Konsep dimensi fraktal yang diusulkan adalah alat yang unggul untuk menampilkan morfologi kompleks yang menunjukkan aturan, kompleksitas, dan kekasaran permukaan tekstil. Karena semua fraktal tidak sepenuhnya serupa diri, perhitungan matematika digunakan untuk mempertimbangkan konfigurasi geometris. Untuk memahami permukaan struktur rajut, beberapa citra memvisualisasikan informasi yang dibawa dalam Gambar 5d. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, karakteristik permukaan konveks dapat diamati secara intuitif dari berbagai perspektif tempat bukti untuk mengonfirmasi morfologi yang diangkat ada.

Permukaan tidak rata telah terbentuk dengan struktur rajut yang dirancang yang disebabkan oleh morfologi benang dan desain struktur. Geometri fraktal adalah perhitungan yang efisien untuk mengevaluasi permukaan tekstil dan memahami karakteristik struktur rajut serta kemampuan pembangkitan muatan triboelektrik. Faktanya, seiring bertambahnya unit yang diangkat, ini dapat meningkatkan tekstil rajut tidak rata karena bentuk permukaan dimodifikasi. Meskipun semua tekstil rajut memiliki struktur konveks dalam arah panjang dan melintang, tingkat kesamaan masih tidak dikonfirmasi yang merupakan nilai referensi signifikan untuk apakah menggunakan dimensi fraktal dengan sukses atau tidak. Untuk mengestimasi kelayakan dimensi fraktal, semua kain rajut dihitung melalui pengukuran lebar unit konveks, ukuran loop dalam panjang, dan lebar ketika tekstil berada dalam ukuran stabil. Gambar 5 a, b, dan c menunjukkan kurva fitting dimensi fraktal dari kain jenis nos. 1–10, dan kemiringan garis berarti dimensi fraktal. Keberadaan hubungan ditemukan dalam struktur konveks dari sepuluh jenis tekstil rajut yang berbeda, yang mengonfirmasi karakteristik fraktal dari sepuluh kain rajut. Oleh karena itu, teori fraktal yang diterapkan dalam analisis keragaman struktur rajut adalah praktis.

Gambar 6a–f menggambarkan Isc dan Voc yang dihasilkan berdasarkan aplikasi praktis dari KNG yang bekerja dalam mode kontak dan pemisahan, berdasarkan jenis struktur dan jenis bentuk. Ada tren penurunan seiring bertambahnya unit rajut tentang Isc dan Voc seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a–f. Ini karena Isc berubah dengan luas kontak efektif yang dipengaruhi oleh struktur rajut.

Saat menghitung D_f dari berbagai struktur rajut, struktur rajut yang diteliti menyatakan bahwa struktur rajut yang berbeda memiliki nilai yang tidak sama yang merupakan dimensi non-integral karena komponen konveks yang berbeda seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6g. Seperti dalam Gambar 6g, ini adalah citra kurva transfer muatan versus dimensi fraktal dari struktur yang beragam. Struktur rib menunjukkan kinerja output yang diinginkan dan dimensi fraktal dekat dengan nilai satu. TENG berbasis tekstil rajut jenis struktur memiliki transfer muatan yang lebih tinggi dari jenis bentuk dan nilai D_f tentang jenis rib m*n, jenis rib 2*n, dan jenis n berada dalam rentang 0–2, 0–1, dan 1–2, masing-masing. Umumnya, dimensi fraktal melambangkan tingkat kekasaran permukaan yang merupakan kekasaran meningkat dengan D_f yang besar. Namun, kain jenis bentuk dirancang dalam tali horizontal dengan area kontak garis kecil, jadi kekasaran memiliki pengaruh kecil pada transfer muatan.

Untuk menunjukkan pengaruh D_f dari homogenitas struktur konveks dalam struktur rib, sisi panjang acak dipilih dan dihitung. Hasilnya tampak sebagai berikut:

$$ \varepsilon \left(a\ast b\right)=M\left(l\ast b\right) $$ (1-4) $$ N=\frac{a}{l} $$ (1-5)

di mana a adalah panjang seluruh kain, b adalah lebar unit konveks dan sama dengan lebar seluruh kain, l adalah panjang unit konveks, M adalah jumlah unit konveks, N adalah multiple berulang dari unit serupa yang merupakan panjang unit konveks terhadap panjang seluruh sampel, dan ε adalah proporsi sutur depan dan sutur belakang, yang berarti keseragaman dari gangguan konveksi.

Kemudian, perhitungan M dan N dapat digunakan dalam formulasi (1-3), hasilnya menunjukkan bahwa D_f yang diperoleh tidak sama dengan D_f yang dihitung berdasarkan panjang pengukuran sebenarnya seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3. Tidak peduli bagaimana struktur yang diangkat didistribusikan, nilai D_f dipengaruhi oleh panjang praktis dan jumlah tali.

Perlu dicatat bahwa dimensi fraktal struktur rib 2*1 mendekati rib 1*1 mencapai 0,99, dan demikian, transfer muatan hampir sama seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6g. Kinerja output listrik yang dihasilkan menunjukkan tertinggi ketika D_f dekat dengan nilai satu. Itu telah memberikan tebakan apakah dimensi fraktal dapat mengevaluasi morfologi permukaan dan mengkarakterisasi kinerja output. Untuk menyelidiki korelasi fraktal dan transfer muatan, perbedaan antara dimensi fraktal dan nilai satu (disebut nilai F) telah diilustrasikan dalam Gambar 6h. Hasil operasi menunjukkan tren bahwa penurunan nilai F dapat meningkatkan Voc yang jauh lebih tinggi, sebagai bukti untuk aplikasi potensial dimensi fraktal. Namun, nilai F dianggap sebagai evaluasi struktur kekasaran, yang perlu mempertimbangkan properti loop primer dari struktur. Kemudian, pengaruh pada transfer muatan dibahas secara menyeluruh. Sampel no. 4 dan no. 6 memiliki nilai F yang serupa, tetapi perbedaan besar ada pada keduanya dalam kinerja output. Morfologi permukaan no. 4 menunjukkan struktur datar karena jumlah sutur depan dan belakang yang sama, jadi transfer muatan rendah. Tetapi no. 6 memiliki penampilan yang mencolok karena loop belakang melewati sutur depan dan transfer muatan besar yang dihasilkan saat kontak dan pemisahan. Oleh karena itu, pemilihan dan desain struktur rajut tekstil berdasarkan nilai F sangat meningkatkan total muatan listrik yang dihasilkan, yang merupakan kebutuhan yang tidak dapat dipisahkan untuk membangun sistem self-power fleksibel yang efektif berbasis tekstil rajut.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa tekstil rajut dengan fleksibilitas tinggi dan transfer muatan yang sangat baik dapat diterapkan dalam TENG fleksibel untuk menangkam energi biomekanik tidak teratur dan frekuensi rendah, yang memiliki kinerja output yang luar biasa. Untuk mengidentifikasi hubungan antara morfologi permukaan dan properti output, teori fraktal telah digunakan untuk mengukur geometri permukaan dan digunakan untuk mengevaluasi pengaruhnya pada kemampuan transfer muatan dari tampilan permukaan. Berbagai struktur rajut telah dibuat yang dapat menganalisis dampaknya pada penangkapan energi. Dari aspek unit rajut, hasilnya menunjukkan bahwa output maksimum dari struktur rib 1*1 dapat mencapai 213 V dengan unit rajut minimum. Selain itu, untuk memahami lebih lanjut mekanisme kerja dan geometri area kontak, berbagai struktur rajut telah diilustrasikan dalam dimensi fraktal yang berbeda dari dimensi tradisional. Melalui perhitungan, struktur rajut yang berbeda dengan unit rajut yang sama dapat digunakan untuk mendapatkan dimensi fraktal dengan unit rajut yang sama. Output listrik yang dihasilkan dapat meningkat dengan dimensi fraktal mendekati nilai satu. Oleh karena itu, perbedaan antara dimensi fraktal dan nilai satu dapat digunakan dalam evaluasi kemampuan transfer muatan berdasarkan permukaan tidak teratur. Di masa dekat, diharapkan evaluasi untuk menghasilkan kemampuan output berdasarkan teori fraktal dalam konstruksi nanogenerator triboelektrik, mendapatkan output maksimum untuk mengoptimalkan sistem self-power fleksibel untuk menangkam gerakan manusia yang terbuang dalam kehidupan sehari-hari akan diteliti.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.

Singkatan

E-skins:

Kulit elektronik

IoT:

Internet of Things

PDMS:

Polydimethylsiloxane

TENG:

Nanogenerator triboelektrik

PTFE:

Polytetrafluoroethylene

D_f :

Dimensi fraktal

CS:

Mode kerja kontak-pemisahan

KNG:

Nanogenerator triboelektrik berbasis tekstil rajut

Voc:

Tegangan open-circuit

Isc:

Arus short-circuit

Qsc:

Transfer muatan

Nilai F:

Perbedaan antara dimensi fraktal dan nilai satu