3Dプリントされた負のポアソン比構造に基づく圧電エネルギー収集とセンシング

出典: MEMS

ウェアラブル電子システムの急速な発展には、環境からエネルギーを収集でき、頻繁な充電を必要としない持続可能なエネルギー源が必要です。圧電ポリマーフィルムは、柔軟性、優れた圧電性、および固有の分極により環境に左右されない安定した性能を備えているため、環境から機械的エネルギーを収集する圧電ナノジェネレータ (PENG) の製造に最適です。しかし、その用途は、分子分極と非伸縮性による 3-3 方向の圧電効果に基づく圧電モードのエネルギー収集にほとんど限定されています。

最近、シンガポールの南洋理工大学、イスラエルのエルサレム・ヘブライ大学などの研究者らが、「3Dプリントのオーセチック構造支援圧電エネルギー収集およびセンシング」と題する論文をAdvanced Energy Materials誌に発表した。この研究では、ポリマーフィルムベースのPENG上に負のポアソン比（オーセチック）構造を3Dプリントすることで、PENGの曲げ変形を、適切に制御された面内引張変形に変換し、3-1方向の圧電効果を実現します。負のポアソン比構造のシンクラスティック効果が初めて柔軟なエネルギー収集デバイスに適用され、これまで未開拓だったフィルムの曲げ変形が貴重なエネルギー収集デバイスとなり、PENG の曲げ出力電圧が 8.3 倍に増加しました。研究者らは、負のポアソン比構造支援PENGを人体のさまざまな関節とソフトロボットの指に取り付け、曲げ角度を感知し、動きを監視する機能を実証した。

機械的メタマテリアルの中で、負のポアソン比構造は最も広く使用されている構造設計であり、天然材料ではほとんど見られない負のポアソン比を実現できます。フレキシブル電子デバイスにおける負のポアソン比構造のすべての用途では、面内の負のポアソン比特性が活用されていますが、面外曲げにおける負のポアソン比構造の独自の特性、つまりシンクラスティック効果は十分に活用されていません。シンクラスティック効果は、負のポアソン比を持つ材料を曲げたときにドーム型の双曲面が形成されることによって生じます (図 1a)。一方、均質な材料は曲げると単一の曲面を形成する傾向があり、六角形のハニカム構造を持つ材料は鞍型の表面を形成する傾向があります (図 1b)。

図1 シンクラスティック効果とアンチクラスティック効果、およびオーセティックPENGデバイスの構造の概略図。本研究では、負のポアソン比構造のシンクラスティック効果を利用し、負のポアソン比構造をデジタル光処理（DLP）を使用して3Dプリントすることで、曲げ状態で3-1モードで発電できる薄膜PENGを開発しました（図1c）。この前例のないアプローチにより、オーセティック PENG は曲げモードでエネルギーを収集できるようになります。これは、一般的な圧電ポリマーベースの薄膜 PENG では不可能です。独自の負のポアソン比構造により、過度に伸びることなく引張ひずみを正確に制御することもできます。人体の動きを監視するための曲げモーションセンサーとして使用できます。 Auxetic-PENG の構造 (図 1d) は、下部電極、圧電材料、上部電極、負のポアソン比構造の 4 つの層で構成されています。印刷された負のポアソン比構造は、曲げ時の圧電デバイスの面内引張変形をガイドします。

オーセティック PENG のシンクラスト効果によって引き起こされる曲げモードのエネルギー収集を実験的に調査するために、サンプルを片持ち梁方式で曲げ、一方の端を固定し、もう一方の端を 5 mm の変位でリニアモーターで押しました (サンプル上の曲率は 17 mm)。生成された電圧は ≈ 1 V と測定されました (図 2a、赤線)。次に、負のポアソン比構造を剥がし、研究者らは負のポアソン比構造のないM-BTO/P(VDF-TrFE)フィルムで同様の測定を行い、出力電圧は約0.12V(図2a、青)であり、これはauxetic-PENGの出力電圧より0.88V低い値である。デバイスの最適な動作状態を見つけるために、1 kΩ ～ 1 GΩ の負荷抵抗器を PENG と並列に接続し、図 2c に示すように、5 mm の曲げ変位 (曲率 17 mm) と 1.5 Hz の周波数で出力電圧と電流密度をテストしました。負荷抵抗が増加すると出力電圧は低下し、負荷抵抗が増加すると出力電流密度は増加します。最大瞬間出力電力密度は、図 2d に示すように、出力電圧と出力電流密度を掛け合わせることで得られます。研究者らは、オーセティック PENG の感知特性も研究し、その結果、出力電圧は曲げ変位に比例し、曲げ曲率と二次関係にあることが示されました (図 2e)。出力電圧と曲率の間の予測可能な関係は、センサーとしての可能性を示唆しています。
図2 オーセチックPENGの曲げモードエネルギー収集に関する実験的研究圧電フィルムの面内引張ひずみは、取り付けられた負のポアソン比構造のシンクラスト効果によって引き起こされるため、負のポアソン比構造の形状係数は、圧電フィルムの面内ひずみの大きさに影響します。負のポアソン比構造サイズが圧電フィルムの面内ひずみに与える影響を研究するために、研究者らはシミュレーションと実験研究を実施し、その結果を図 3 に示します。

図3 シミュレーションと実験結果 auxetic-PENGの応用可能性を実証するために、負のポアソン比を持つM-BTO/P(VDF-TrFE)サンプルをブリッジ整流器で整流した後、曲げ（変位5mm、周波数1.5Hz）により1μFのコンデンサで電力を供給しました（図4a）。コンデンサは 32 秒以内に完全に充電され、auxetic-PENG のエネルギー収集能力が実証されました。図 4b ～ 4d に示すように、auxetic-PENG はキャビネットドアの外側の表面に取り付けられ、曲げられるセンサーとしてドアの開閉動作からエネルギーを収集する機能を実証しました。図 4e と 4f に示すように、auxetic-PENG は風力エネルギーの収集にも使用できます。 auxetic-PENG の柔軟性と感度を利用して、人体の関節の内側に取り付け、人体の曲げ動作を感知することで、自己発電型の生理学的モニタリングセンサーになります (図 4g)。出力安定性、シンクラスティック効果による曲げ信号の増幅、軽量、コンプライアンス、自己発電特性などにより、摩擦電気、圧電抵抗、静電容量センサーとは異なる auxetic-PENG は、図 4h および 4i に示すように、ソフトロボットの曲げセンサーとしても有望な選択肢となります。

図 4 オーセチック PENG の応用実証要約すると、本研究では、表面改質圧電セラミックチタン酸バリウムナノ粒子 (BTO NP) と P(VDF-TrFE) 複合材料をベースに、負のポアソン比構造支援圧電ナノジェネレータ (PENG) とセンサーを開発しました。未改質の BTO-NP/P(VDF-TrFE) 複合材料と比較して、3-(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート (TMSPM) 改質 BTO NP は、複合材料の圧電性、強誘電性、誘電率が向上しました。これは、改質粒子が P(VDF-TrFE) マトリックス内でより均一に分散され、BTO NP への力の伝達が強化されるためです。研究者らは、初めて、負のポアソン比構造のシンクラスティック効果を利用して、3-1 方向の圧電効果による曲げエネルギー収集モードを実現しました。これは、一般的な非伸張圧電ポリマーフィルムエネルギー収集装置では不可能です。研究者らはシミュレーションと実験を通じて負のポアソン比構造のサイズ要因を研究し、その結果、構造が細かくなるほど出力が低くなることが示された。彼らは、負のポアソン比構造フォームファクタが曲げエネルギー収集に与える影響を研究し、PENG の最適化とカスタマイズのためのガイドラインを提供しました。用途の点では、このオーセチック PENG は、エネルギーハーベスターとしても、個人の健康評価や医療診断のための生理学的モニタリング用の自己発電センサーとしても使用できます。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1002/aenm.202301159

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