[논문]압전 복합소재와 키리가미 섬유전극을 적용한 스트레쳐블 에너지 하베스팅 소자

김보란; 현동열; 박귀일

doi:10.4313/jkem.2023.36.5.14

[국내논문] 압전 복합소재와 키리가미 섬유전극을 적용한 스트레쳐블 에너지 하베스팅 소자
Stretchable Energy Harvester Based on Piezoelectric Composites and Kirigami Electrodes 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.36 no.5, 2023년, pp.525 - 530

김보란 (경북대학교 신소재공학부 금속신소재공학전공) , 현동열 (한국과학기술원 신소재공학과) , 박귀일 (경북대학교 신소재공학부 금속신소재공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Stretchable piezoelectric energy harvester (S-PEHs) based on composite materials are considered one of the potential candidates for realizing wearable self-powered devices for smart clothing and electronic skin. However, low energy conversion performance and expensive stretchable electrodes are major bottlenecks hindering the development and application of S-PEHs. Here, we fabricated the S-PEH by adopting the piezoelectric composites with enhanced stress transfer properties and kirigami-patterned textile electrodes. The optimum contents of piezoelectric BaTiO3 nanoparticles inside the carbon nanotube/ecoflex composite were selected as 30 wt% considering the trade-off between stretchability and energy harvesting performance of the device. The final S-PEH shows an output voltage and mechanical stability of ~5 V and ~3,000 cycles under repeated 150% of tensile strain, respectively. This work presents a cost-effective and scalable way to fabricate stretchable piezoelectric devices for self-powered wearable electronic systems.

Keyword

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. (a) Schematic illustration for the fabrication procedure of the S-PEH, (b,c) photograph of the S-PEH in (b) original and (c) stretched states.
그림 Fig. 2. (a) XRD pattern and SEM image (insert) of the synthesized piezoelectric BaTiO3 nanoparticles, (b) particle size analysis results of BaTiO₃ nanoparticles, and (c) cross-sectional SEM image of the piezoelectric composite layer with various BaTiO₃-CNTs concentrations.
그림 Fig. 3. (a) The open-circuit voltage variation according to BaTiO₃ ratio and stretching rate and (b) the short-circuit current generated from the S-PEH with a BaTiO₃-CNT ratio of 30:1 according to the stretching rates.
그림 Fig. 4. (a) Generated output voltage under varied external resistance loadings in the range from 100 kΩ to 900 MΩ and calculated instantaneous output power with respect to the load and (b) the test results for the durability of the S-PEH under periodical bending/releasing conditions for up to 3,000 cycles.

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