Giyilebilir elektronikler için nanolif esaslı esnek ve hibrit nanojeneratörlerin geliştirilmesi
Development of nanofiber-based flexible and hybrid nanogenerators for wearable electronics
Yazar: ÖMER FARUK ÜNSAL
Danışman: PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Piezoelektrik malzemeler = Piezoelectric materials

Özet:
Bu projede, çift etki kullanarak mekanik/biyomekanik enerji dönüşümü sağlayan hibrit nanojeneratörler geliştirilmiştir. Literatürde piezoelektrik, triboelektrik ve her ikisinin kullanıldığı hibrit nanojeneratörler üzerine oldukça fazla çalışma yayınlanmıştır. Fakat bu çalışmalarda hibrit nanojeneratörlerin elde edilişi, bağımsız üretilmiş iki bileşenin makro düzeyde ve herhangi bir yolla birleştirilmesi temeline dayanmaktadır. Bu çalışmada tek bir aşamada piezoelektrik, triboelektrik ve iletken bileşenler birlikte üretime alınarak kompakt bir sistem ortaya çıkartılmıştır. Burada elektro-üretim metodunun piezoelektrik nanojeneratörlerde sık kullanılan bir metot olması ve triboelektrik nanojeneratörler için mikro-nano yapının büyük önem arz etmesi nano ölçekte kontrollü bir üretimi mümkün kılmıştır. Piezoelektrik bir polimer olan Poli(viniliden florür) (PVDF) ile termoplastik poliüretan (TPU) nanoliflerin, elektroüretim metodu kullanılarak birlikte üretimleri sonucu hibrit nanolifler elde edilmiştir. Hibrit nanolif üretimi esnasında ayrı bir dispersiyondan ise grafen oksit (GO) beslemesi yapılarak nanolifli yapının içerisinde üretilen elektriksel enerjinin nanojeneratör elektrotlarına daha verimli ulaştırılması sağlanmıştır. Bu aşamaya kadar, elektro-üretim parametre optimizasyonu ve GO takviye oranının optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu projenin özgün yanı, hibrit nanolifli yapı ile oluşturulacak hibrit nanojeneratör sistemdir. Sonraki adımda, belirlenen optimum GO takviye oranı ile PVDF/TPU hibrit nanoliflerin gözenekli olarak üretilmesi ile çıkış performansı yükseltilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise nanojeneratör performansının nanoliflerin yüzeyinde hidrotermal yolla çinko oksit (ZnO) nanoteller büyütülerek artırılması hedeflenmiştir. Nanoliflerin yüzeyinde dikey yönlenmiş ZnO nanotel büyütülmesi, hem nanotel-ormanının yüzey pürüzlülüğü katması ile hem temas yüzey alanının artması hem de ZnO kullanımına bağlı olarak piezoelektrik etkinin güçlendirileceği değerlendirilmiştir.  Bu aşamada da optimum GO takviyesi ve optimum gözenek miktarı içeren nanolifli yapılar kullanılmıştır. Elde edilen nihai nanojeneratörler 16,47 mW/m2 çıkış güç yoğunluğuna ulaşılmıştır. Ayrıca elde edilen nanojeneratörler ile farklı kapasitelerde ticari kondansatörlerin şarj edilebilirliği ve depolanan enerjinin sürekli bir şekilde bazı elektronik cihazlarda kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. Bunun da ötesinde, nanojeneratörler tekstil yüzeyine uygulanarak sensör uygulamaları için uygunluğu da kanıtlanmıştır.

Abstract:
In this project, double-effect driven nanogenerators have been developed for energy conversion between mechanical/biomechanical energy and electrical energy. In last decade, many studies have been reported in literature on piezoelectrics-triboelectric hybrid nanogenerators. However, the production of hybrid nanogenerators in these studies is based on the combination of two independently produced components at the macro level and in any way. In this study, a compact nanogenerator system was obtained by producing piezoelectric, triboelectric, and conductive components together in a single step. Here, the electrospinning method is a frequently used method in piezoelectric nanogenerators and the micro-nano structure is of great importance for triboelectric nanogenerators, making controlled production at nanoscale possible. Hybrid nanofibrous structures were obtained by simultaneous electrospinning process of poly(vinylidene fluoride) (PVDF), which is employed as piezoelectric component, and thermoplastic polyurethane (TPU) solutions. During hybrid nanofiber production, graphene oxide (GO) is fed from another nozzle, and it is ensured that the electrical energy produced in the nanofiber structure is delivered to the nanogenerator electrodes more efficiently. Up to this stage, electrospinning parameter optimization and optimization of the GO reinforcement ratio have been carried out. The originality of this project is the hybrid nanogenerator system to be formed with a hybrid nanofiber structure. In next step of study, nanogenerator output performance was improved by roughened PVDF and TPU nanofibers with determined optimum GO ratio. In the last stage of the study, it was aimed to increase the nanogenerator performance by hydrothermal growth of zinc oxide (ZnO) nanowires on the surface of the nanofibers. It has been evaluated that the vertically oriented ZnO nanowire growth on the surface of the nanofibers will both increase the contact surface area by adding the surface roughness of the nanowire-forest and strengthen the piezoelectric effect due to the use of ZnO. The output power density of the resulting nanogenerators was 16.47 mW/m2. In addition, the rechargability of commercial capacitors of different capacities with the obtained nanogenerators, and the usability of the stored energy in some electronic devices have been proven. On top of that, nanogenerators have been applied to the textile surface, proving their suitability for sensor applications.