Triboelectric nanogenerators (TENGs) have emerged as a highly promising energy harvesting technology capable of harnessing mechanical energy from various environmental vibrations. Their versatility in material selection and efficient conversion of mechanical energy into electric energy make them particularly attractive. TENGs can serve as a valuable technology for self-powered sensor operation in preparation for the IoT era. Additionally, they demonstrate potential for diverse applications, including energy sources for implanted medical devices (IMDs), neural therapy, and wound healing. In this review, we summarize the potential use of this universally applicable triboelectric energy harvesting technology in the disinfection and blocking of pathogens. By integrating triboelectric energy harvesting technology into human clothing, masks, and other accessories, we propose the possibility of blocking pathogens, along with technologies for removing airborne or waterborne infectious agents. Through this, we suggest that triboelectric energy harvesting technology could be an efficient alternative to existing pathogen removal technologies in the future.
Nebiyou Tadesse Debele;Alemtsehay Tesfay Reda;Yong Tae Park
Composites Research
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제37권2호
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pp.139-142
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2024
This study explores the impact of polymer blending on the mechanical properties and triboelectric energy harvesting capability of composite polymers. A multifunctional free-standing polymer blend composed of poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) was fabricated using a polymer casting method. Stress-strain analysis of the polymer blend revealed an enhanced stretchability of 308.4% with excellent transparency. Furthermore, triboelectric analysis revealed dynamic energy harvesting capabilities with impressive electrical voltage and current output of 50 V and 5 μA. These results represent a significant improvement compared to individual PVA and PDDA polymers and highlight the potential of polymer blending to enhance both mechanical and electrical properties for energy harvesting applications.
Triboelectric devices are attracting attention from researchers as self-powered electronic systems that can instantly convert mechanical input into electrical energy output. To improve triboelectric energy harvesting performance, increasing the number of contacts as well as the contact area has been carried out by numerous researchers. In this study, we design a shaker-type energy harvester which is called as maracas triboelectric generator (M-TEG), inspired by the structure of maracas, one of the musical percussion instruments. A tripod frame is inserted to the inside of a cylindrical case, which is a device with the electrodes of aluminum and copper. Then, the triboelectric energy harvesting characteristics between polypropylene (PP) balls and the electrodes are measured. The M-TEG with the frame generates the energy harvesting signals up to ~100 V and ~2.5 ㎂ due to larger contact area and numbers, which enhances the voltage and current output by 250% and 610% compared to that without the frame, respectively. This study presents the feasibility of self-powered sensors and toys using improved triboelectric energy performance with a low-cost and simple manufacturing process in the interesting structure.
Triboelectric nanogenerators and piezoelectric nanogenerators are a spotlighted energy harvesting method that converts the wasted mechanical energy from the environment into usable electrical energy. In the case of triboelectric nanogenerators, researches have been mainly focused on high permittivity and flexible polymer materials, and in the case of piezoelectric nanogenerators, researches have been focused on ceramic materials exhibiting high polarization characteristics. Recently, many researches have been conducted to improve durability and power in various environments by using composite materials which have flexible properties of polymer, high permittivity, thermal resistance and high polarization properties of ceramics. This article reviews the energy harvesting studies reported about composites materials using ceramics and polymers.
Battery has major drawbacks including its size and life expectancy, and environmental problem. As an alternative, energy harvesting is emerging as a potential solution to replace battery along with more energy-efficient IT devices. The idea of harnessing energy from our living environment is sustainable, semi-permanent, and eco-friendly. Also, unlike battery, energy harvester does not require much space to store energy. Therefore, energy harvesting can provide a better source of power for small, portable, and wireless devices. Among various ways of harvesting energy from our surroundings, triboelectricity is chosen due to its potential to be miniaturized, and efficient. Triboelectric effect occurs as two different materials with different polarity of charge separation come into contact through friction, and then become separated so that electric potential difference is achieved. In this research, such characteristic of triboelectricity is used as a way to convert ambient mechanical energy into electric energy.Series of recent researches have shown promising results that the triboelectric energy harvester can be simple and cost effective. However, sufficient electricity level required to operate mobile devices has not yet been achieved.In this research, our group focuses on the design and optimization of triboelectric energy harvesting device to enhance its output. By using maskless lithography to pattern Kapton film and silicon substrate, which is used as a mold for PDMS thin layer, and sputtering metal electrodes on each side, we fabricate and demonstrate different designs of triboelectric energy harvester that utilizes the contact electrification between a polymer thin film and a metal thin foil. In order to achieve optimized result, the output voltage and current are measured under diverse conditions, which include different surface structure and pattern, material, and the gap between layers.
Energy harvesting is a recent technology involving the harvest and utilization of extremely small surrounding energy. Energy harvesting research is conducted in various fields. Triboelectric nanogenerators (TENGs) are energy harvesting technologies that use static electricity generated by physical movement or friction. Although TENGs generate output power in microwatt levels, they experience high internal impedance compared with other energy harvesting generators, thereby making the continuous transfer of electric power to loads difficult. This study proposes a power management system for TENGs that consists of three stages, that is, an AC/DC rectifier, an impedance coupler switch with a capacitor bank, and a DC/DC converter. In addition, the selection method of the AC/DC rectifier and DC/DC converter is proposed to maximize the amount of power transferred from energy harvesting areas. Furthermore, the impedance coupler switch and capacitor bank are discussed in detail. The validity and performance of the proposed three-stage power management system for TENGs are verified using a prototype system.
마찰 나노 발전을 활용한 TENG(: Triboelectric nanogenerators)는 작은 진동에서 높은 변환 효율과 지속적인 전력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 마찰 전기 에너지 수집을 위해서는 비선형 에너지 추출 기술이 요구되며, 연결 인터페이스 회로를 통한 동기화 기반의 능동적인 스위치회로가 요구된다. 본 연구는 사람으로의 움직임으로부터 발생한 비선형(non-linear) 에너지를 효율적으로 저장하는 기법을 제시하였다. 또한, 개발된 보드는 서로 다른 방향으로 움직이는 동작으로부터 발생하는 에너지를 효율적으로 수확하고 저장할 수 있다. 본 연구에서 개발된 실리콘기반 압전기반의 TENG 셀과 다중모듈이 연결 가능한 에너지 하베스팅 보드의 측정하였다. 결과적으로, 다중입력 에너지 수집환경에서 안정적인 에너지의 저장 유지를 통해 약 49.2mW/count를 발전하였다.
에너지 수확은 우리주변에 존재하는 버려지는 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 기술이다. 마찰전기 소자는 접촉을 통한 정전기를 유도하는 원리로 동력학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 소자이다. 본 연구에서는 소프트 식각 기술을 활용하여 제작 단계를 최소화한 마찰전기 에너지 수확소자를 개발하고, 그 전기적 특성을 측정하였다. 마찰전기를 통한 발전은 마이크로패턴을 통해 마이크로 거칠기를 가진 알루미늄 층과 PDMS 층 사이에서 발생한다. 이때 PDMS 층의 마이크로 패턴은 마스크리스 식각을 통해 만들어진 알루미늄 층의 마이크로 패턴을 소프트 식각법으로 바로 본뜨는 방식으로 제작되었다. 본 소자는 2 V와 20 nA의 발전 성능을 나타낸다.
Energy harvesting technologies that can convert wasted various energy into usable electrical energy have been widely investigated to overcome the limitation of batteries for the powering of IoT sensors and small electronic devices. Hybrid energy harvesting is known as a technology that enhances the output power of single energy harvesting device by housing two or more various energy harvesting mechanisms. In this study, we introduce a hybrid MME (Magneto-Mechano-Electric) generator coupled with the triboelectric effect. Through FEA modeling, four triboelectric materials, including PI (Polyimide), PFA(Teflon), Cu, and Al, were selected and compared with the expected triboelectric potentials. The effect of surface morphology was investigated as well. Among various combination of triboelectric materials and surface morphologies, PFA-Al combination with the surface morphology having nano-scale square projections showed highest output potential under triboelectrification. It is also experimentally confirmed that output voltage and power of the hybrid MME generator with triboelectric material combinations.
As energy harvesting technology becomes important in relation to environmental issues, piezoelectric materials that convert mechanical energy into electrical energy are attracting attention. However, PZT, a representative material for piezoelectricity, is becoming difficult to use due to the problem that its components can cause environmental pollution. For this reason, recent research suggests a triboelectric nanogenerator (TENG) that generates energy through the combined effect of triboelectricity and electric induction for alternative piezoelectric devices. In TENG, electrical power is determined by the dielectric constant, thickness, and grain generation of the charged material. Therefore, in this study, a Rutile phase TiO2 thin film with high dielectric constant was formed using the spin-coating process and the effect of annealing was investigated. For electrical analysis, a TENG device was fabricated using PTFE as a material with an opposite charge, and electrical output according to film thickness and grain formation was comparatively analyzed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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