Study on fabrication and development of in vivo triboelectric nanogenerators
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan university, 2019
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan university : Department of Advanced Materials Science and Engineering 2019. 2
발행연도
2019
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
xix, 173 p. : ill.(some col.), charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Sang-Woo Kim
Includes bibliographical references
UCI식별코드
I804:11040-000000148896
DOI식별코드
소장기관
New technologies that converting wasted energy into electric energy has received great attention as new green energy sources for small power consumption electronic devices. In this thesis, I developed one of the most positive and negative triboelectric polymer materials to increase energy conversion efficiency, and designed high direct current (DC) output triboelectric nanogenerator (TENG) using diodes for charging a smart watch, self-powering sensor and charging a battery, and fabricated and developed in vivo TENG for power source of body implantable medical electronic device, and further studied about piezoelectric-pyroelectric coupled stretchable energy harvesting systems.
Firstly, I demonstrate the solid polymer electrolytes (SPEs)-based TENGs are able to overcome output power performance of typical positive and negative triboelectric materials-based TENGs. I show Kelvin probe force microscopy (KPFM) measurements are prooved surface potential change of PVA-based materials with H3PO4, HCl, CaCl2 ions which have different ratio of anaion and cation. Schematic band diagrams of electron transfer mechanisms are provided and KPFM experiment results support these working mechanisms. The TENGs based on such SPEs generate significantly higher power output than typical metal-polymer TENGs.
Secondly, I report a new multi phase rotation type triboelectric nanogenerator (MP-TENG) via intent asymmetrical design. In order to increase root-mean-square (RMS) output power that critical issue of the typical TENGs, regulary shifted output current phases with same frequency and amplitude are superimposed with each current outputs. The current crest factor of MP-TENG, which is defined as the ratio of peak to RMS value of output current is therefore decreased to 1.26, as well as a charging efficiency of around 5 times higher than that of the single phase TENG.
Thridly, I report a high power performance inertia driven in vivo TENG (I-TENG). Inertia which is induced by walk is one of the promising mecahnical energy source that occured inside body. The stacked I-TENG has a maximum output of 370 VOC, 85 μASC. The maximum RMS power of the stacked I-TENG is 90 μWRMS at optimum load resistance in laboratory experiment. In a large animal preclinical test, the I-TENGs harvested 144 mW/h of output power during the daytime. Besides, the I-TENG charges the energy storage device even in small movements while the dog is asleep.
Fourthly, I demonstrate a commercial coin battery-sized high-performance inertia-driven in vivo triboelectric power generator (I-TEPG) based on body motion and gravity using PVA-NH2 and PFA as triboelectric materials. A synchronous stack structure, which achieves current waveform superposition, can step the peak current value up without additional components, so that, the I-TEPG generates of 136 Vpeak, 2 μApeak/cm3. The maximum volume RMS power density of the I-TEPG is 4.9 μWRMS/cm3 at around 10 MΩ load resistance in laboratory experiment. The I-TEPGs are able to charge a Li-ion battery by help of PMIC in the preclinical test.
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