Nano-structured triboelectric nano generators for internet-of-things (IOT) applications

Abstract

Bu tezde, üç farklı triboelektrik enerji hasatlayıcısı tasarlanıp üretilmiştir. Bu hasatlayıcılardan ilkinde triboelektrik yüzey olarak polidimetilsiloksan (PDMS) kullanılmıştır. Daha sonra işlem görmemiş bu yüzeyin yanında polistiren (PS) ve poli (pentaflorostiren) (PPFS) nano fırçalı PDMS yüzeyler kullanılarak bu üçünün karşılaştı-rılmaları yapılmıştır. Bu üç yüzeyde efektif olarak kullanılan alan 1 cm2'dir. PDMS yüzey ile yapılan ölçümlerde maksimum aktarılan güç 300 MΩ yük değerinde 45.7 nW olarak ölçülmüştür. Bu değer PS örneğinde yaklaşık 16 kat artarak 750.6 nW, PPFS örneğinde ise 48 kat artarak 2.3 µW olarak ölçülmüştür. Böylece nano fırçalama yönteminin triboelektrik yük yoğunluğunu ciddi bir şekilde arttırdığı başarıyla gösterilmiştir. Üretilen diğer hasatlayıcılarda politetrafloretilen (PTFE) filmi ile çelik elektrot kullanılmıştır. PTFE kullanılan hasatlayıcıların ilkinde çelik film mikrofabrikasyon işleminden geçmiştir. 1 cm2 efektif alanı olan bu hasatlayıcı ile yapılan ölçümlerde maksimum aktarılan güç 250 MΩ yük değerinde 895 nW olarak ölçülmüştür. Klavye butonu şeklinde tasarlanan bu hasatlayıcı ile triboelektrik enerji hasatlayıcıları ile pilsiz bir klavye yapılabileceği gösterilmiştir. Makro boyutlarda üretilen son hasatlayıcının efektif alanı 60 cm2'dir. Bu hasatlayıcı ile aktarılan maksimum güç 140 MΩ yük değerinde 203 µW olarak ölçülmüştür. Üretilen bu güçle 196 ticari LED başarıyla yakılmıştır. Ayrıca, bu gücün düşük enerjili bluetooth kullanan IoT uygulamalarında kullanılabileceği gösterilmiştir.

In this thesis, three different triboelectric energy harvesters were designed and manufactured. Polydimethylsiloxane (PDMS) was used as triboelectric surface in the first of these harvesters. In addition to untreated this surface, PDMS surfaces with polystyrene (PS) and poly(pentafluorostyrene) (PPFS) nano brushes are used and com- parisons of these three have been made. The effective area of these three surfaces are 1 cm2. In the measurements of the PDMS surface maximum transferred power is mea- sured as 45.7 nW at 300 MΩ load. This value was increased by approximately 16 times for the PS sample to 750.6 nW and for the PPFS sample by 48 times to 2.3 µ W. Thus, it has been successfully shown that the nano brushing method seriously increases the triboelectric charge density. Polytetrafluoroethylene (PTFE) film and steel electrode were used for the other harvesters fabricated. In the first of the PTFE-based harvesters, the steel film passed through the microfabrication process. In the measurements of this harvester with 1 cm2 effective area, maximum transferred power is measured as 895 nW at 250 MΩ load. This harvester which is designed as keyboard button shows that the batteryless keyboard can be made by using triboelectric energy harvesters. The effective area of the last harvester fabricated in macro size is 60 cm2. The maximum transferred power with this harvester is measured as 203 µW at 140 MΩ. This generated power succesfully lit up 196 commercial LED. It has also been shown that this power can be used in IoT applications that use low power bluetooth.