Investigation on strategy of integrating body-coupled energy to triboelectric nanogenerator with minimal offset

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid development of the Internet of Things technology and advances in micropackaging, wearable and portable electronic devices face new challenges related to battery replacement and charging. Energy harvesting technologies have emerged as promising solutions to these problems. Among them, triboelectric nanogenerators stand out due to their high-voltage output and simple, lightweight design. These features have stimulated considerable research on portable triboelectric nanogenerators (TENGs). Despite various advances in performance enhancement, more fundamental approaches are needed to address size-related limitations. In this study, we present a hybrid utilizing retrieving TENG (HUR-TENG), a body-coupled energy-integrated triboelectric nanogenerator designed to enhance the efficiency of portable TENGs by utilizing an additional energy source. The HUR-TENG harvests triboelectric energy generated in the contact and separation between the body and the ground, which is transferred via human body, harvesting conventional triboelectric energy from dielectric beads in the device simultaneously. This mechanism is applied to rope jumping and is optimized with various design parameters. The HUR-TENG efficiently harvests two energy sources to generate 59.98 μW of root-mean-square power and charges a 100 μF capacitor to 1.78 V, that is enough to power a commercial thermohygrometer.

국문 초록 (Abstract)

IoT 및 마이크로패키징 기술의 등장으로 웨어러블 및 휴대용 전자 기기는 더욱 소형화 되고 있으며, 그 수 또한 빠르게 증가하고 있다. 이러한 전자 기기 시장의 성장은 배터리 충전 및 교체로 인한 상당한 어려움이라는 문제를 내포하고 있다. 이러한 과제를 해결하기 위해 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 그 중 마찰대전 나노발전기는 높은 전압 출력과 가볍고 간단한 설계 난이도라는 장점으로 인해 특히 주목받고 있다. 이러한 장점으로 말미암아 휴대용 마찰 전기 나노 발전기(TENG) 분야에서 광범위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 이러한 휴대용 TENG의 성능을 개선하기 위한 다양한 표면 향상, 설계 최적화와 같은 시도에도 불구하고, 작은 크기로 인한 한계를 극복하기 위해서는 보다 근본적인 접근 방식이 여전히 필요하다. 이 연구에서는 기존 TENG 구조에 추가적으로 신체 매개 에너지를 수확하여 휴대용 TENG의 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있는 신체 결합 에너지 하베스팅 전기 나노 발전기인 HUR-TENG를 연구하였다. HUR-TENG는 장치에서 기존의 마찰 대전 에너지를 수확할 수 있으며 동시에 인체와 지면 사이에서 발생하며 신체를 통해 전달되는 마찰 대전 에너지, 즉 신체 매개 에너지를 추가적으로 수확 가능하다. 이번 연구에서는 HUR-TENG의 메커니즘을 줄넘기에 적용하여 두 에너지원의 동시 수확에서 발생할 수 있는 손실을 최소화하였고 다양한 설계 변수를 최적화하여 출력을 향상시켰다. HUR-TENG는 최소화된 손실로 RMS Power 59.98μW를 생성하고 상용 온습도계에 전력을 공급하기 위해 100μF 커패시터를 1.78V로 충전하여 두 개의 에너지원을 성공적으로 수확하였다. 이는 HUR-TENG가 실생활에서도 성공적으로 적용될 수 있다는 가능성을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Hybrid Utilization Retrieving TENG (HUR-TENG) 5
• 2.1 Concept and Fabrication 5
• 2.2 Working Mechanism 8
• 2.3 Optimization 10
• 2.4 Application 15
• 3. Conclusion 48
• References 50
• 국문초록 55