Ontwikkeling van een haptische aanraaksensor die werkt door statische elektriciteit

Supermicro-, energiezuinige sensoren en apparaten die altijd en overal signalen en informatie kunnen verzenden en ontvangen, zullen een integraal onderdeel worden van het leven van mensen in een hyperverbonden wereld die wordt aangedreven door het Internet of Things (IoT). Een belangrijk punt is de continue levering van elektriciteit aan de talloze elektronische apparaten die op het systeem zijn aangesloten. Dit komt doordat het moeilijk is om de grootte en het gewicht van de batterij te verminderen door deze op de conventionele manier op te laden en te vervangen.

Een mogelijke oplossing voor dit probleem is de inzet van tribo-elektrische generatoren. Deze wekken op een semi-permanente manier energie op door tribo-elektriciteit op te wekken door contact tussen verschillende materialen, net zoals statische elektriciteit wordt geproduceerd.

Een team van onderzoekers met het Korea Institute of Science and Technology (KIST) onder leiding van Dr. Seoung-Ki Lee heeft een aanraaksensor ontwikkeld die de tribo-elektrificatie-efficiëntie met meer dan 40% verbetert via kreukelgestructureerd molybdeendisulfide. Deze doorbraak is het resultaat van een samenwerking met Chang-Kyu Jeong, hoogleraar geavanceerde materiaalkunde aan de JeonBuk National University.

Algemene tribo-elektrische generatoren konden niet worden gebruikt voor draagbare elektronische apparaten, omdat ze buitensporig groot en zwaar zouden moeten zijn om hun capaciteit te verhogen om voldoende elektriciteit op te wekken. Er zijn momenteel onderzoeken gaande waarbij een tweedimensionaal halfgeleidermateriaal wordt aangebracht dat atomair dun is en uitstekende fysische eigenschappen heeft als een actieve laag bij het opwekken van tribo-elektriciteit.

De intensiteit van de opgewekte tribo-elektriciteit varieert afhankelijk van het type van twee materialen dat in contact komt. In eerdere studies met tweedimensionale materialen verliep de overdracht van elektrische ladingen met het isolatiemateriaal niet soepel, waardoor de output van energie geproduceerd door tribo-elektriciteit aanzienlijk werd verlaagd.

In de huidige studie heeft het gezamenlijke onderzoeksteam de eigenschappen van molybdeendisulfide (MoS₂), een tweedimensionale halfgeleider, en veranderde de structuur om de efficiëntie van het opwekken van tribo-elektriciteit te vergroten. Het materiaal is gekreukt tijdens een sterk warmtebehandelingsproces dat wordt toegepast in een halfgeleiderproductieproces, wat resulteerde in een materiaal met kreukels waarop interne spanning is aangebracht. Deze rimpels vergroten het contactoppervlak per oppervlakte-eenheid en het resulterende oppervlakkige MoS₂ apparaat kan ongeveer 40% meer stroom genereren dan een platte tegenhanger. Bovendien werd de output van tribo-elektriciteit op een constant niveau gehouden in een cyclisch experiment, zelfs na 10.000 herhalingen.

Door het verfrommelde tweedimensionale materiaal toe te passen op een aanraaksensor zoals die wordt gebruikt in touchpads of touchscreen-displays, bedacht het gezamenlijke onderzoeksteam een ​​lichtgewicht en flexibele zelfaangedreven aanraaksensor die zonder batterij kan worden gebruikt. Dit type aanraaksensor met hoge energieopwekking is gevoelig voor stimulatie en kan aanraaksignalen zelfs bij een laag krachtniveau herkennen, zonder enige elektrische stroom.

Dr.Seoung-Ki Lee van KIST zei: “Het beheersen van de interne spanning van het halfgeleidermateriaal is een nuttige techniek in de halfgeleiderindustrie, maar dit was de eerste keer dat een materiaalsynthesetechniek de synthese van een tweedimensionaal halfgeleidermateriaal en toepassing van interne spanning op hetzelfde moment werd geïmplementeerd … Het presenteert een manier om de efficiëntie van het genereren van tribo-elektriciteit te verhogen door het materiaal te combineren met een polymeer, en het zal dienen als een katalysator voor de ontwikkeling van functionele materialen van de volgende generatie op basis van twee- dimensionale substanties. ”