ウェアラブルデバイス用途向けの窒素ドープ還元酸化グラフェンベースのセラミックポリマー複合ナノファイバーフィルムの合成

Oct 10, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15583 (2022) この記事を引用

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7 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究では、エレクトロスピニングプロセスを利用して、P(VDF-TrFE)ポリマーとBiScO3-PbTiO3セラミック複合材料に導電性材料として窒素ドープ還元酸化グラフェンを導入することにより、圧電複合ナノファイバーフィルムを作製した。 還元プロセス中に形成された欠陥を除去または補償するために、rGO に窒素をドープ/置換しました。 エレクトロスピニングプロセスを使用して、自己分極条件下で圧電複合ナノファイバーフィルムを抽出しました。 インターデジタル電極は、フレキシブル エナジー ハーベスタに適用される電気機械エネルギーを収集するためのプランナー タイプのエナジー ハーベスタを作成するために使用されました。 すだれ状電極を備えた圧電複合体から、等角写像法により抽出された実効誘電率。 P(VDF-TrFE) 圧電複合ナノファイバーフィルムに BS-PT セラミックスと N-rGO 導体を導入することにより、実効誘電率が 8.2 から 15.5 に改善されました。 この改善された実効誘電率は、おそらく、導電率の増加による電束密度の増加によるものと考えられます。 この薄い複合ナノファイバーフィルムを使用して製作されたインターデジタル電極は、ウェアラブルデバイス用途向けに設計およびテストされました。 櫛型電極を備えた複合ナノファイバーベースのエネルギーハーベスターに 350 N の外部機械力を 0.6 Hz の速度で加えたところ、ピーク電圧と電流はそれぞれ 13 V と 1.25 μA でした。 デバイス製造を最適化することにより、開放電圧、蓄積電圧、生成出力はそれぞれ 12.4 V、3.78 V、6.3 μW となりました。

ポリマーやセラミックスをベースとした圧電複合材料は、柔軟性、圧電性、堅牢性などの優れた電気的および機械的特性により注目を集めています1、2、3。 一般に、圧電ポリマーは主に PVDF および P(VDF-TrFE) 材料をベースとしています 4,5。 圧電複合構造を作成するために圧電セラミックを追加することで、それらの電気的特性を強化できます。 圧電複合材料は実現されていますが、その抵抗挙動により圧電特性の改善には限界があります。 これらの制限を克服するために、圧電複合材料に導電性材料を追加して電気的特性を向上させることができます。 二次元 (2D) rGO は、電気的および機械的特性を向上させるために他の成分と容易に混合できる導電性材料として広く使用されています 6、7、8。 したがって、rGO を PVDF や P(VDF-TrFE) などの圧電ポリマーに導入すると、圧電特性が向上する可能性があります 9,10。 ただし、rGO の還元プロセス中に多くの欠陥が誘発され、電子輸送特性が妨げられる可能性があります。 これらの欠陥は電界を乱すため、圧電アプリケーションにとって非常に有害となる可能性があります11、12。 rGO は、その高い電気伝導性と柔軟性により、二次元機能デバイスの応用について広く研究されています 13,14。 ただし、還元プロセスに起因する欠陥により、rGO の電気的特性が低下します。 導電特性の低下を克服するために、二次元 rGO に N がドープ/置換されました。 N のドーピング/置換により rGO の欠陥が克服され、導電率が向上します6。

ポリマーとセラミック成分をベースにした圧電ナノファイバーフィルムは、他の複合構造と比較して、柔軟性や圧電性など、いくつかの利点を備えています13,15。 ナノファイバーフィルムは、他の複合材料やセラミック材料と比べてアスペクト比が高いため、優れた柔軟性を持っています。 エレクトロスピニングプロセスは、信頼性の高いナノファイバーおよび複合ナノファイバー構造を製造するために設計および採用されました。 エレクトロスピニングは、電場を適用することによってポリマー、セラミック、金属のナノファイバーを生成する技術です。 このプロセスは複雑な分子からナノファイバーを形成でき、低温で操作できます16、17。

エレクトロスピニング プロセスを使用して、P(VDF-TrFE) ポリマーと BS-PT セラミックをベースにした N-rGO ドープ/置換圧電複合ナノファイバーを作製しました。 エレクトロスピニング法は、自己分極条件下で圧電複合ナノファイバーを抽出することにより低コストで製造できるため、他の物理的製造法と比較して多くの利点を有する。 さらに、高導電性 N-rGO と圧電複合ナノファイバーは、エレクトロスピニング プロセス前の準備プロセス中によく混合できます。 その結果、N-rGO ドープ圧電複合ナノファイバーは、さまざまな種類のウェアラブル デバイス用途に適用できます。

複合ナノファイバーを含むこの合成 N-rGO の主な利点は、rGO と比較して N-rGO の導電率が増加することです。 窒素は、rGO の欠陥を除去したり、rGO 材料の炭素と置換したりする役割を果たします。 したがって、この増加した導電性により、圧電複合材料における浮遊電極効果を改善することができます。 また、他の論文と比較した本論文の代表的な結果をまとめると以下のようになります。 ポリマーと BiScO3 – PbTiO3 をベースとした N-rGO ドープ圧電複合ナノファイバー複合材料を、インターデジタル電極を備えた平面型圧電エネルギーハーベスターの形で作製しました。 プランナー型圧電エネルギーハーベスタに基づいて改善された浮遊電極効果を報告したのはこれが初めてである。

デバイス用途向けに、すだれ型電極が設計され、P(VDF-TrFE) ポリマーと BS-PT セラミックをベースとした N-rGO ドープ/置換圧電複合ナノファイバーに採用されました。 ほとんどすべてのウェアラブルデバイスはプランナータイプの構造に基づいており、従来の垂直タイプの電極はデバイスアプリケーションに適用できません。 加えられた機械的力は、圧電ナノファイバー上のすだれ状電極を介して電気エネルギーに変換されます。 実効誘電率は、等角マッピング プロセスを使用してシミュレーションおよび計算できます。 圧電複合ナノファイバーの実効誘電率のさまざまな値を抽出することにより、プランナー型電極を備えた N-rGO ドープ圧電ナノファイバーがさまざまなウェアラブルデバイス用途に適用できると考えられます。

この研究では、N-rGO を組み込んだ P(VDF-TrFE) ポリマーと BiScO3 – PbTiO3 セラミックを含む複合ナノファイバー フィルムをエレクトロスピニングを使用して調製しました。 これらの複合材料に基づく柔軟な圧電エネルギーハーベスタは、ウェアラブル電子アプリケーションでの使用を検討されました。

Bi2O3、Sc2O3、PbO、TiO2粉末を原料として使用しました。 Bi2O3 元素の揮発度を考慮して、BS-PT 組成に 0.01 モル過剰の Bi を添加しました。 混合物を安定化ジルコニアボールで粉砕した。 次に、混合物を仮焼し、粉末状に焼結した。 焼結粉末は５０μｍ以下となるように制御した。 最後に、粉末を遊星粉砕によってボールミル粉砕した。

窒素ドープ rGO は、改良された Hummers 法によって調製されました 18。 グラファイトおよびＮａＮＯ ３ 粉末を、浴中で撹拌することによってＨ ２ ＳＯ ４ に添加した。 次いで、ＫＭｎＯ ４ を溶液にゆっくりと添加した。 脱イオン水を溶液に添加し、１時間撹拌し、続いて１０ｍＬのＨ ２ Ｏ ２ を添加した。 酸化剤イオンやその他の無機不純物を除去するために、蒸留水と 1:10 HCl 水溶液を加えて遠心分離し、混合物を数回洗浄しました。 ヒドラジン水和物を溶液に添加してrGOを作製した。 窒素ドープ rGO を生成するために、酸化グラフェンと NH3NO3 をエタノール溶液に加えて撹拌しました。 エタノールを除去するために、溶液を 60 °C に加熱しました。 乾燥した混合物を焼成し、脱イオン水およびエタノールで洗浄した。

図1aは、複合ナノファイバーフィルムに基づくフレキシブル圧電エネルギーハーベスターの製造プロセスの概略図を示しています。 複合溶液を調製するには、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）（ソルベイ社）、アセトン（シグマアルドリッチ社、純度９９．５％）、およびＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ、シグマアルドリッチ社）を使用した。 、Ｌｔｄ．、純度：９９．８％）を２：５：５の重量比で混合し、２４時間撹拌した。 次に、BiScO3-PbTiO3 (BS-PT) ナノ粒子 (30 wt.%) と N-rGO 粉末 (5 wt.%) を混合物に加えて撹拌しました。 最後に、P(VDF-TrFE) および P(VDF-TrFE)/BS-PT 複合溶液が得られました。 複合溶液を、21 G 金属ノズルを備えた 10 mL プラスチック注射器に充填し、エレクトロスピニングしました。 エレクトロスピニングプロセスは、1.2 kV/cm の電場、1 mL/h の供給速度、12 cm の針先とコレクターの間の距離、および 55 °C の基板温度を使用して実行されました。

(a) ナノファイバー複合フィルムと (b) 圧電エネルギーハーベスターの製造プロセスの図。

図1aに示すように、インターデジタル電極でコーティングされたポリイミド基板にエレクトロスピニングプロセスを適用して、複合ナノファイバーフィルムに基づくエネルギーハーベスティングデバイスを製造しました。 図 1b は、インターデジタル電極を備えた圧電エネルギーハーベスタの製造プロセスの概略図を示しています。 すだれ状電極には、サイズとギャップが 100 μm の 20 対の Cu フィンガーがありました。 すだれ状電極は平面静電容量の測定に効果的です。 したがって、これらの電極は、大量の圧電電荷が発生して保持されるエネルギーハーベスティング用途に役立ちます。 このプロセスの後、安定性と保護のためにポリジメチルシロキサン (PDMS) を使用してデバイスをカプセル化しました。 サンプルの結晶構造は、X 線回折 (XRD、Bruker-AXS、New D8-Advance) によって決定されました。 複合ナノファイバーフィルムの微細構造を研究するために、電界放射型走査電子顕微鏡法 (FE-SEM、Carl Zeiss、SIGMA HD) を実施しました。 生成された出力電圧と出力電流は、オシロスコープ (DSO-X2002A、Agilent Technologies) とフェムト/ピコアンメーター (B2981A、Agilent Technologies) を使用して分析されました。 エネルギーハーベスティングデバイスの蓄積電圧は、フルブリッジ整流器の外部コンデンサで測定されました。

図2aは、P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO複合ナノファイバーフィルムのFE-SEM画像を示しています。 複合ナノファイバーは長く滑らかで、直径は約 800 nm でした。 サブミクロンサイズの粒子はナノファイバー上によく分散されており、これはサブミクロンサイズの機能性セラミック粒子とN-rGOドープP(VDF-TrFE)マトリックスとの間の高い適合性を示唆している。 図2bでは、EDS組成分析データが異なる色で表示されています。 異なる元素組成が検出されました。 C、F、N、O、Bi、Sc、Pb、Tiの組成がP(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO複合ナノファイバーフィルムに分布していた。 対応する原子パーセントと重量パーセントを表 1 に示します。

(a) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO ナノファイバー複合膜の FE-SEM 画像、(b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO ナノファイバー複合膜の EDS データ(c) ナノファイバー構造における N-rGO の浮遊電極成分の概略図、(d) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO 膜の TEM 画像の鮮明な TEM 画像。

図2cは、複合ナノファイバー構造に含まれる導電性N-rGO粒子の浮遊電極の概略図を示しています。 分散された導電性 N-rGO は複合材料中で浮遊電極として機能し、圧電材料からの電荷の収集に役立ちます。

図2dは、質量-厚さコントラストモードで測定されたTEM画像を示しています。 図2cの明視野画像モードでは、セラミック部分は暗い画像で見ることができ、一方、ポリマー部分は明るい色で見ることができます。 したがって、複合ナノファイバー構造の圧電BS-PTセラミック粒子と導電性N-rGO浮遊電極により、エネルギーハーベスターの出力が向上すると期待されます。

P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE)/BS-PT、および P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO 複合ナノファイバーフィルムの X 線回折 (XRD) パターンを図に示します。 3. P(VDF-TrFE) フィルムは、2θ = 19.8°で β 相 (110/200) のピークを示します。 このβ相ポリマー構造は、原子配列に起因する強誘電性を持っています。 P(VDF-TrFE)/BS-PT複合ナノファイバーフィルムのXRDパターンは、β相ポリマー構造の形成を示しました。 ただし、結晶化度は P(VDF-TrFE)/BS-PT 複合膜よりも低かった。 β 相ポリマーの量は、製造プロセス中に減少するように見えました。 しかしながら、処理後には少量のβ相ポリマーが残存した。 XRD測定におけるBS-PTピークは、BS-PT圧電ナノ粒子がP(VDF-TrFE)/BS-PT複合ナノファイバーフィルム中に十分に分散していることを示した。 この結果は、BS-PT セラミックナノ粒子が P(VDF-TrFE) ナノファイバー中に効果的に分散しただけでなく、エレクトロスピニングプロセス中にも乱されなかったことを示唆しています。

P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE)/BS-PT、および P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO ナノファイバー フィルムの XRD パターン。

図4aは、N-rGOのXPSサーベイスキャンスペクトルと各元素の化学組成を示しています。 285.2 eV、399.5 eV、533.0 eV付近に炭素、窒素、酸素のピークが現れ、原子比はそれぞれ73.9%、6.1%、20.0%であることが確認されました。

(a) XPS 調査、(b) 合成された N-rGO の N1s スキャン、および (c) rGO、N-rGO 堆積温度に応じたシート抵抗。

図4bはN 1 の結合状態を示しています。 N-rGO では、N 1 s ピークは、6 員環上に位置する窒素を表すピリジン様 N (398.5 eV) と、6 員環上の窒素上に位置する窒素を表すピロール様 N (400.1 eV) に分離できます。 5 員環、グラファイト状の N (402.7 eV) ピーク 19。 ピリジン様 N、ピロール様 N、グラファイト様 N の結合率はそれぞれ約 21.2%、51.3%、27.5%でした。

図4cは、急速熱アニーリング（RTA）プロセス後のrGOおよびN-rGO膜のシート抵抗を示しています。 700℃でRTA処理を行った結果、rGO膜のシート抵抗の最低値は5.29kΩ/sqでした。 N-rGO 膜は 3.37 kΩ/sq でした。 すべての処理温度において、N-rGO 膜のシート抵抗は rGO 膜のシート抵抗よりも低かった。 したがって、N-rGO の高い導電率により、N-rGO ベースの圧電複合ナノファイバーフィルムは電気的特性と圧電性が向上すると期待されます。

図5aは、インターデジタル電極を備えたフレキシブルなPI基板ベースの複合ナノファイバーエネルギーハーベスタの概略図を示しています。 等角マッピング技術を適用して、インターデジタル電極の分析された静電容量から実効誘電率を抽出しました。 等角マッピング解析により、電界分布を直交座標から円座標に変更できます。 その結果、図5aに示すように、複合ナノファイバーフィルムとPI基板の実効誘電率εnとεsを推定できました。 2 層基板への等角写像を使用するための必須条件は、εn > εs です。 そうしないと、電場を複合ナノファイバー層内に閉じ込めることができません。 図5aに示すように、Wはフィンガーの幅、Gはフィンガー間のスペース、λはインターデジタルコンデンサー（IDC）の空間波長、tは金属電極パターンの厚さ、hnは金属電極パターンの高さです。ナノファイバーフィルムと基板。 我々は、Gevorgian の研究に従って IDC の分析モデルを取得しました 20,21。 図5bに示すように、内部（CI）電極と外部（CE）電極の静電容量に関する修正されたIgrejaの方程式が決定されました。ここでは、基板の厚さは無限ではなく、基板の下の空気層は無限に厚いと仮定されています。 IDC の方程式は次のように表すことができます 21:

ここで、K は以下で定義される楕円積分です。 k と k' は、以下に定義される各楕円積分の引数です。 \({C}_{I,n}\)、\({C}_{I,s}\)、\({C}_{E,n}\)、\({C}_{ E,s}\) は、それぞれナノファイバー フィルム (n) と基板 (s) の内部電極静電容量と外部電極静電容量です。 L は指の長さです。 εn はナノファイバーフィルムの実効誘電率です。 εs は基板の実効誘電率です。 また、楕円積分の係数 k と k' の関係は次のとおりです。

(a) IDC 用 2 層基板の断面図、(b) IDC の等価回路、(c) 複合ナノファイバー フィルムの実効誘電率。

この等角マッピング分析により、実効誘電率を計算することができました。 図5cに示すように、抽出された誘電率は、P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE)/BS-PT、P(VDF-TrFE)/BS-PT/の場合、約8.2、12.3、13.9、および15.5でした。それぞれ rGO と P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO。 図2bに示すように、P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGOのより高い実効誘電率は、浮遊電極の挙動に起因すると考えられます。 複合ナノファイバー内の浮遊 N-rGO 電極により、電荷が櫛型電極に引き寄せられ、収集されやすくなります。 したがって、インターデジタル電極の電荷の増加による電束密度の増加により、実効誘電率が向上しました。 さらに、N-rGO は導電性が高いため、rGO に比べて複合膜中の電荷の形成が強化され、誘電特性が向上していることがわかります。

図 6a は、エネルギーハーベスターの測定システムの概略図を示しています。 機械力システムは回路システムを備えたエネルギーハーベスターに接続され、コンピューターによって制御されました。 ３５０Ｎの外部機械力を、インターデジタル電極を備えた複合ナノファイバーに０．６Ｈｚの速度で加えた。 生成された出力電力はコンピューターによって記録されました。 図6b、cは、P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO、P(VDF-TrFE)/BS-PT/の外部機械力の連続的な押し込みと解放中に生成される正と負の繰り返しの出力電圧と電流を示しています。 N-rGO。 発生した開放電圧と短絡電流を測定し、記録しました。 複合ナノファイバーフィルムに基づくエナジーハーベスターのピーク電圧と電流は、P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO では 11.2 V と 1.09 μA、P(VDF-TrFE)/BS-では 13 V と 1.25 μA でした。 PT/N-rGO。 電圧と電流の正の値は加えられたストレスに起因し、負の値はストレスの解放に起因します。 したがって、負の値は常に正の値よりも大きさが小さくなります。

(a) 測定系の概略図と、(b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO、(c) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N の開放電圧と短絡電流-複合ナノファイバーフィルムに基づくrGOエネルギーハーベスタ。

図7aは、さまざまな負荷抵抗を備えた複合ナノファイバーフィルムに基づくエナジーハーベスターの出力電圧と電流の測定値を示しています。 環境発電システムの生成された出力電力を測定するには、負荷抵抗またはコンデンサを使用して最大出力電力とエネルギーを測定しました。 負荷抵抗を最適化することで最大の電力密度が得られました。 負荷抵抗を変化させることにより、出力負荷電流は 1.27 μA から 0.2 μA に減少し、出力負荷電圧は 0.15 V から 13.2 V に増加しました。

(a) 出力電圧と電流、(b) 電力、(c) 蓄積電圧、(d) ナノファイバー複合膜エネルギーハーベスタの信頼性。

図 7b は、エナジーハーベスターによって生成される出力電力を示しています。 出力電力は、負荷にかかる電圧と電流から計算されます。 出力電圧と出力電流は、複合ナノファイバー フィルム エナジー ハーベスターに接続された 100 kΩ ～ 500 MΩ の範囲の外部負荷抵抗で測定されました。 出力電力は次のように表すことができます。

ここで、IL と VL はそれぞれ、負荷抵抗にかかる出力電流と出力電圧です。 図7bに示すように、エナジーハーベスターの出力電力は最初に増加し、その後減少しました。 最大出力電力は、最適化された負荷抵抗 37 MΩ で 6.3 μW で、これは電圧 9.27 V、電流 0.68 μA に相当します。 このピーク値を超えると、発電出力は減少します。 さらに、電力密度は次のように表すことができます。

複合ナノファイバーフィルムに基づく圧電エネルギーハーベスターの生成された出力は、０．６３ｍＷ／ｃｍ ３ であった。

負荷電流は次のように表すことができます。

ここで、Rpiezo と RL はそれぞれ複合ナノファイバー フィルムの抵抗と負荷です。 したがって、式 (5) は次のように表現できます。

PL の最大値は分母の最小値で発生するため、PL の分母の導関数は次のように表すことができます。

したがって、PL 値が最大になるのは、Rpiezo = RL の場合です。 私たちの調査では、最適化された負荷抵抗は 37 MΩ であると測定されたため、上記の式によれば、圧電エネルギー ハーベスタの抵抗 \({R}_{piezo}\) は 37 MΩ と推定されます。 。

図7c、dは、複合ナノファイバーフィルムに基づくエネルギーハーベスタの蓄積電圧と信頼性の結果を示しています。 機械的な力が加えられると、エナジー ハーベスタの蓄積電圧は 3.78 V まで増加しました。 複合ナノファイバーフィルムの出力特性を他のポリマー/セラミック圧電複合材料と比較し、表 222、23、24、25、26 にまとめます。 表2に示すように、他の研究と比較して、電気機械特性を向上させるために高導電性N-rGOを圧電複合ナノファイバーに導入し、エネルギーハーベスターに採用しました。 したがって、エナジーハーベスターからの出力エネルギーは、他の最近の結果と比較して大幅に増加しました。 結果を比較して表 2 に示します。

複合ナノファイバーエネルギーハーベスティングシステムの出力性能の信頼性を調べるために、周期的な外部機械力が加えられました。 複合ナノファイバーベースのエネルギーハーベスタには、1000 サイクルを超える機械力が加えられました。 加えられた機械力は、1.5 Hz の速度で約 300 N でした。 生成された電圧は、オシロスコープを使用して同時に記録されました。 フレキシブル圧電エナジーハーベスタは、一定の外圧下でも安定した出力性能を発揮しました。 この結果は、複合ナノファイバー膜をベースにしたエナジーハーベスタが疲労することなく優れた出力性能を発揮することを示しています。

図 8 は、P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO および P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO 複合ナノファイバー フィルムのさまざまな負荷周波数におけるウェアラブル デバイスの出力性能を示しています。 負荷周波数が増加すると、出力電圧と出力電流が減少しました。 P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGOでは出力電圧と電流が11.2V、1.09μAから7.2V、0.72μAに減少し、P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGOでは出力電圧と電流が減少しました。複合ナノファイバーフィルムでは、13.3 V および 1.29 μA から 9.3 V および 0.91 μA に減少しました。 P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO は、すべての負荷周波数で P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO よりも優れた出力性能を示しました。 その結果、応力除去後、回復する前に応力が加わり、出力性能が低下してしまいました。

(a)、(b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO および (c)、(d) P(VDF-TrFE)/BS の 0.6、1.2、および 1.8 Hz での開回路電圧および短絡電流-PT/N-rGO圧電複合ナノファイバーフィルム。

図 9 は、日常生活条件下で測定された出力電圧と製造されたデバイスを示しています。 製造されたデバイスは、ステップ、タッピング、および拍手の条件下でテストされました。 出力電圧は、デバイスのステップおよびプレス条件で 16.7 V および 3.4 V でした。 手を叩くと最大7.3Vの出力電圧が得られ、ランダムな出力電圧を測定しました。 この結果は、不規則な衝撃が加わったためです。 測定条件は23℃、温湿度47%の条件で実施しました。

(a) かかとで押したとき、(b) 指で叩いたとき、(c) 手のひらでデバイスを叩いたとき、(d) 作製したデバイスの出力電圧。

この研究では、N-rGO ドープ P(VDF-TrFE)/BiScO3-PbTiO3 ベースの複合ナノファイバー フィルムをエレクトロスピニングを使用して調製しました。 導電性 N-rGO は、P(VDF-TrFE) ポリマーおよび BiScO3-PbTiO3 ポリマーセラミック複合材料の浮遊電極材料としてドープされました。 また、発生した出力電力から、インピーダンスマッチングを利用して電力密度の最大値を計算することができます。 この複合ナノファイバーベースのエネルギーハーベスターは、浮遊電極効果により出力が向上しました。 ウェアラブルデバイス用途に使用する効果的な電極構造であるインターデジタル電極が設計され、テストされました。 製造プロセスとインターデジタル電極の設計を最適化することで、生成される出力電力が最大化されました。 得られた開放電圧は12.4V、蓄積電圧は3.78V、発電出力は6.3μWでした。 その結果、複合ナノファイバー内の浮遊電極により、出力と実効誘電率が向上しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、韓国政府産業通商資源部から資金提供された韓国エネルギー技術評価計画研究院(KETEP)補助金の人材育成(No.20214000000280)によって支援され、MSIT(科学省)からの支援を受けました。 ICT)、韓国、IITP (情報通信技術計画評価研究所) が監督する ITRC (情報技術研究センター) 支援プログラム (IITP-2022-2020-0-01655) に基づいています。

中央大学電気電子工学部、84 Heukseok-Ro、Dong-Jak Gu、Seoul、06974、Republic of Korea

チ・ジェフン＆コ・ジョンヒョク

中央大学知能エネルギー産業学部、黒石路、ソウル、06974、韓国

イ・グァンソプ & コ・ジョンヒョク

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JH.J. そしてJH.K. 原稿の本文を書きました。 JH.J. 準備された図。 1、3–5 および JH.J. およびGLが作成した図。 著者全員が原稿をレビューしました。

Jung-Hyuk Koh への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Ji, JH.、Lee, G.、Koh, JH. ウェアラブルデバイス用途向けの窒素ドープ還元酸化グラフェンベースのセラミックポリマー複合ナノファイバーフィルムの合成。 Sci Rep 12、15583 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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受信日: 2022 年 6 月 28 日

受理日: 2022 年 8 月 25 日

公開日: 2022 年 9 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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