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요약문

ABSTRACT

Contents

CHAPTER 1. INTRODUCTION 15

1.1. Energy Harvesting 15

1.2. Research Progress of TENGs 16

1.3. Research Objective 20

CHAPTER 2. EXPERIMENTAL 24

2.1. Materials 24

2.2. Preparation of Nanocellulose (NC) paste 24

2.3. 3D Printing Setup 25

2.4. Printing of NC Paste on Substrates 25

2.5. Fabrication of the TENG device 26

2.6. Energy harvesting performance test 26

2.7. Mechanical Properties and FTIR 27

2.8. Scanning Electron Microscopy, Surface Profilometer, and X-ray Photoelectron Spectroscopy 27

CHAPTER 3. RESULTS AND DISCUSSION 32

3.1. The 3D printing process of NC paste and film shape fidelity 32

3.2. FTIR and Mechanical properties of 3DP NC samples 33

3.3. Surface Morphology 36

3.4. Working Mechanism of 3DP-NC-Bio-TENG 37

3.5. Triboelectric performance of 3DP-NC-Bio-TENG 38

CHAPTER 4. CONCLUSION 54

References 56

List of Tables

Table 1.1. Comparison of various energy harvesters and their working principles 23

Table 3.1. Summary of energy harvesting performance of 3DP NC films 53

List of Figures

Figure 1.1. Summary of the devices that can be operated on TENGs 22

Figure 2.1. Schematic representation of the 3D printing process of NC 29

Figure 2.2. 3DP-NC-Bio-TENG device configuration 30

Figure 2.3. 3DP-NC-Bio-TENG real test setup 31

Figure 3.1. 3DP NC films: a(i) on the PC substrate, a(ii) PC substrate dried NC flexible film, a(iii) FTIR of NC film printed on the PC substrate, b(i) on... 43

Figure 3.2. 3DP NC films: a(i) PC substrate 3DP NC film, a(ii) slightly rolled 3DP NC film, a(iii) fully rolled 3DP NC film, a(iv) folded 3DP NC film, b(i)... 44

Figure 3.3. 3DP NC films: (a) stress-strain curves, and (b) Young's moduli. 45

Figure 3.4. Surface morphology of the NC films (a) manually cast NC film, (b) 3DP NC film on the wood substrate, (c) PC substrate 3DP NC film, (d)... 46

Figure 3.5. Working mechanism of 3DP Bio-TENG for short circuit current: (a) (i) NC and PVDF film in original state, (ii) NC and PVDF film in pressed... 47

Figure 3.6. Energy harvesting performance of 3DP NC films on the PC substrate coated with the silver electrode: (i) open circuit voltage under sine... 48

Figure 3.7. Energy harvesting performance of 3DP NC films on the PC substrate coated with aluminum electrode: (i) open circuit voltage under sine... 49

Figure 3.8. Energy harvesting performance of 3DP NC films on the wood substrate coated with the silver electrode: (i) open circuit voltage under sine... 50

Figure 3.9. Energy harvesting performance of 3DP NC films on the wood substrate coated with aluminum electrode: b(i) open circuit voltage under sine... 51

Figure 3.10. Energy harvesting performance of 3DP NC films: (a) the output power under sine wave, (b) the output power under square wave 52

초록보기

 바이오 기반 마찰전기 나노발전기 (Bio-TENGs)는 자체 전원 센서 또는 웨어러블 전자 장치에 많은 관심을 불러일으켰다. 많은 셀룰로오스 기반의 유연 Bio-TENG, 특히 셀룰로오스 나노섬유 (CNF)를 기반으로 한 Bio-TENG 는 뛰어난 출력 성능을 보여주었다. 지금까지 모든 유연 Bio-TENG 는 셀룰로오스를 용해/캐스팅/재생한 CNF 필름으로 제작되므로 출력이 낮을 수 있다. 본 논문에서는 간단하고 경제적인 3D 프린팅 기술을 통해 높은 표면 거칠기와 편광성을 갖는 나노셀룰로오스 (NC) 유연필름을 제작하였다. 3D 인쇄된 NC 필름은 캐스팅하여 제조한 NC 필름에 필적하는 충분한 유연성, 투명도, 인장 강도 (139.12 MPa), 영률 (5.74 GPa)을 나타냈다. 3DP NC 필름은 캐스팅 제조한 필름보다 5.98 %의 더 높은 파단 변형률을 나타내었는데, 이는 나노섬유가 인쇄 방향으로 정렬되었기 때문이다. 또한 3DP NC 필름을 사용하여 Bio-TENG (3DP-NC-Bio-TENG)를 제작했다. 3DP-Bio-NC-TENG 의 마찰 전기 출력 성능은 접촉 대전 및 정전기 유도를 기반으로 하는 수직 접촉 분리 모드에서 작동한다. 3DP NC 와 PVDF 필름의 마찰층 사이의 마찰전기 효과와 정전기 유도는 두 개의 후면 인쇄된 금속 전극(은과 알루미늄) 사이에서 전자의 교대 이동을 유발한다. 폴리카보네이트 기판에 인쇄된 NC 필름은 27.3 V 의 비교적 높은 피크 대 피크 전압, 2.7 μA의 단락 전류 및 17.3 μW의 출력을 보여주었다. 모든 마찰 전기 성능 결과는 원재료의 표면이나 구조를 수정하지 않은 순수한 NC 필름을 기반으로 한다. 이 논문은 에너지 하베스팅 응용을 위한 3D 인쇄를 통해 재생 가능한 나노셀룰로오스 재료를 사용하여 고성능 Bio-TENG 를 만들 수 있음을 보여준다.

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