Interpretation of water droplet energy harvesting as a reverse phenomenon of electrowetting
저자
발행사항
서울 : 고려대학교 대학원, 2022
학위논문사항
학위논문(박사)-- 고려대학교 대학원 : 바이오융합공학과 바이오융합공학 2022. 8
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
134 p ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 천홍구
UCI식별코드
I804:11009-000000269262
DOI식별코드
소장기관
Electric energy is generated when water droplets slide down electrodes coated with a hydrophobic dielectric layer. The principle of energy generation needs to be clarified for the optimization and scalable design of the energy-harvesting system. In this study, we show that droplet energy harvesting is the reverse phenomenon of voltage-driven droplet actuation or electrowetting-on-dielectric (EWOD). For this reverse EWOD, the interfacial energy difference generated between the three-phase contact line of the advancing and receding part of the droplet is the cause of the generation of electric energy. To prove the effect of interfacial energy on energy harvesting, the wetting property of the dielectric layer was controlled by nanopatterning while maintaining the chemical properties. The width and gap of the electrodes and the droplet size determine whether the harvested voltage waveform is monophasic or biphasic. The energy conversion efficiency is determined by the wetting properties of the surface and considering the generated energy on the pseudo-capacitance between the water droplet and the hydrophobic coated dielectric, the maximum value was as high as 40%. Besides, several studies focused on understanding the energy generation mechanism in there to enhance the amount of harvested energy on the load resistor or capacitor. In particular, the effect of ion concentration and ionic strength on energy generation was controversial among researchers because this issue is related to the basic concept of surface charge formation. However, it is difficult to clearly define the effect of ions on energy harvesting because the amount of generated energy according to ion concentration and ionic strength varies depending on the experimental method. Here, energy generation with changing the ion concentration and ion strength was analyzed, and we suggest that the high pass filtering effect throughout the droplet energy harvesting is a new factor to be considered. In addition, the effect of hydrophobic material’s dipole moment on the charge carrier was also analyzed to prove the dominant factor for energy generation. Our interpretation of high pass filtering and ionic effect on droplet energy harvesting will help understand the droplet-based ionovoltaic system and increase the energy conversion efficiency of harvesting technology.
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