Un générateur triboélectrique pourrait produire l’électricité en utilisant les écrans tactiles

Des chercheurs de l’Institut de Technologie de Géorgie ont utilisés l’effet triboélectrique, qui est le fait de générer une charge électrique par frottement de deux matériaux différents, pour mettre au point un générateur qui pourrait être un complément à l’énergie produite par des nanogénérateurs piézoélectriques développés antérieurement à Georgia Tech. Le générateur triboélectrique pourrait être utilisé pour produire de l’électricité à travers des activités telles que la marche et a même le potentiel de permettre aux écrans tactiles de produire leur propre électricité.

“Le fait que la charge électrique puisse être produite par ce principe [triboélectrique] est bien connu”; a déclaré Zhong Lin Wang, professeur de l’École des sciences des matériaux au Georgia Institute of Technology. “Ce que nous avons introduit est une technique de séparation d’espace qui produit une chute de tension, ce qui conduit à un flux de courant permettant à la charge d’être utilisée. Ce générateur permet de convertir une énergie mécanique aléatoire de notre environnement en énergie électrique. “

Le générateur triboélectrique de l’équipe génère une charge quand une feuille de polyester, qui libère des électrons, se frotte contre une feuille de polydiméthylsiloxane (PDMS), qui accepte ces électrons. Immédiatement après que les deux surfaces de polymère se soient frotter ensemble, elles sont séparées mécaniquement. Ce qui crée un espace d’air qui isole la charge sur la surface de PDMS et forme une séparation des charges positives et négatives (connu sous le nom de Moment dipolaire).

La création d’une charge électrique entre les deux surfaces se traduira par la circulation d’un courant électrique faible pour égaliser le potentiel de charge. Par conséquent, en frottant continuellement les surfaces ensemble et puis rapidement en les séparant, le générateur peut produire un petit courant alternatif. Une déformation externe est utilisée pour presser les surfaces ensemble et les faire glisser pour créer le mouvement de frottement.

“Pour que cela fonctionne, vous devez utiliser deux différents types de matériaux pour créer les différentes électrodes,” a expliqué Wang. “Si vous frottez ensemble des surfaces faites de la même matière, vous n’obtenez pas la différence de charge.”

Les chercheurs disent que la technique pourrait être utilisée pour créer un capteur de pression très sensible auto-alimenté pour une utilisation dans les systèmes électroniques organiques ou opto-électroniques. Étant donné que les capteurs peuvent détecter des pressions basses d’au moins 13 millipascals, ils seraient assez sensibles pour produire un courant de faible intensité qui pourrait indiquer un contact sur la surface comme celui d’une plume ou de gouttelettes d’eau touchant la surface du générateur triboélectrique.

Et aussi, parce que les capteurs peuvent être faits avec 75% de transparence, il y a un potentiel pour la technologie d’être utilisée dans les écrans tactiles pour remplacer les capteurs existants.

“Les générateurs transparents peuvent être fabriqués sur pratiquement n’importe quelle surface.”, a déclaré Wang. “Cette technique pourrait être utilisée pour créer des capteurs très sensibles transparents qui ne nécessiteraient pas de puissance de la batterie d’un appareil.”

Bien frotter les surfaces lisses ensemble génèrent une charge, Wang et son équipe ont réussi à augmenter le courant à l’aide de surfaces à micro-motifs. Après avoir testé la ligne, le cube et la structuration de la surface de la pyramide, ils ont trouvé que les surfaces modelées avec des pyramides généraient plus de courant électrique: jusqu’à 18 volts à environ 0,13 microampères par centimètre carré.

Cette capacité de production accrue de la surface de la pyramide à motif est due à des bulles d’air créées entre les motifs améliorant la variation de capacité et facilitant la séparation de charge.

L’équipe est arrivé à la fabrication des générateurs triboélectriques par la création d’un premier moule à partir d’une tranche de silicium sur lequel les motifs améliorant le frottement sont formés en creux en utilisant la photolithographie classique et en supportant un procédé de gravure humide ou sèche. Les moules ont ensuite été traitées avec un produit chimique pour éviter au PDMS de coller.

L’élastomère liquide PDMS et l’agent de réticulation ont été ensuite mélangés et déposés à la tournette sur le moule et décollés en couche mince après un durcissement thermique. Le film PDMS résultant, avec un motif de surface, est ensuite fixé sur une surface d’électrode en oxyde d’indium et d’étain (ITO) enduit ensuite avec du polyéthylène téréphtalate (PET) par une couche mince de collage PDMS. L’ensemble de la structure est ensuite recouvert d’un autre film de PET revêtue d’ITO pour former une structure en sandwich.

“Le processus de préparation est simple et à faible coût, ce qui permet une production à grande échelle et des applications pratiques”, a dit Wang.

Wang a ajouté que les générateurs sont robustes car même après plusieurs jours d’utilisation et après plus de 100.000 cycles de fonctionnement, ils continuent de générer du courant. La prochaine étape de l’équipe est de créer des systèmes qui incluent un moyen de stocker le courant généré.

“La friction est partout, donc ce principe pourrait être utilisé dans beaucoup d’applications”, a ajouté Wang. “Nous combinons notre nanogénérateur d’avant et ce nouveau générateur triboélectrique à des fins de complémentarités. Le générateur triboélectrique ne remplacera pas le nanogénérateur à oxyde de zinc, mais il a ses propres avantages uniques qui nous permettent de les utiliser en parallèle.”

La recherche a été financée par la National Science Foundation, le ministère de l’Énergie et de l’US Air Force. Les détails sur le générateur triboélectrique sont rapportés dans le numéro de Juin de la revue Nano Letters.

Source: Georgia Tech