纳米能源所陈翔宇和李舟《AFM》:TENG助力可擦写盲文电子书

盲人主要依赖盲文书籍来获取文字信息。然而,传统纸质版盲文书籍的内容无法更新且携带笨重,严重影响的盲人阅读的效率和便捷性。因此,发展安全、简便、高效的新盲文阅读方式是很有必要的。为此,北京纳米能源所陈翔宇课题组和李舟课题组合作,利用摩擦电纳米发电机和介电弹性体,制备了一种可擦写、安全、便携的盲文显示系统(RBDS)。该显示系统具有响应速度快、循环稳定性好以及安全的特点,未来有望用于盲文电子书。该研究结果以题为“Refreshable Braille Display System Based on Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer”发表在《Advanced Functional Materials》上。

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【RBDS的器件结构】

盲文又称为“点”字或“凸”字,一个盲文是由六个点组成。传统的盲文书籍如图1a所示,又笨又重,读起来极为不方便。RBDS的器件结构如图c所示的,主要由Al和Kapton薄膜的摩擦电组件(TENG)、电路控制组件和盲文显示组件构成。其作用机理是TENG产生的电压施加在形状为球状的介电弹性体(DED)上,引发介电弹性体发生机械形变而凸出,来模拟盲文。

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图1 RBDS的示意图

【TENG的性能】

作者将TENG与商用的高压源应用在驱动DE中,TENG作为高压源的击穿电流为44.34 μA,远低于商用高压源的击穿电流(28663 μA)和人体的安全电流(10000 μA),说明该器件具有良好的安全性。随后,作者研究了接触面积与TENG输出性能的关系,发现接触面积越大,开路电压和转移电荷量也越高,当接触面积为16 cm2时,TENG的最大输出电压达到了3250 V,短路电流和转移电荷量分别为2.05 µA 和119 nC。

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图2 摩擦电组件的性能

【RBDS的工作原理】

作者采用了侧向滑移式的TENG器件,其工作原理如图3b所示。Kapton的吸电子能力高于Al,当二者接触式,电子从Al移动到Kapton薄膜上,Al上带正电。随着Kapton向左滑移,接触面积减少,二者产生电势差。同时,由于DED的下电极与Al接触,上电极接地,DED中的电子转移到Al中使得DED的上下表面产生电势差,从而DED在电场的作用下发生形变。当Kapton彻底与Al分离时,电势差最大,DED的形变量也达到最高。最后Kapton向右滑移,电势差逐步变小,DED又逐渐恢复初始的状态。此外,作者还探究了封闭空气的气压以及接触面积对于DED高度变化的影响。结果发现,当封闭空气的气压为4 kPa且接触面积为 16 cm2时,器件的中DED高度变化最大,也最灵敏。DED的响应时间仅为0.13 s,且DED的高度超过0.6 mm的保持时间为5.4 s,足以让盲人完成阅读。

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图3 RBDS的工作原理

【RBDS的结构优化和应用展示】

作者随后利用单个TENG组件驱动六个DED,结果发现,随着DED的数量增大,单个TENG的输出性能不足以同时驱动DED。因此,作者设计了具有六个TENG单元的RBDS组件用于驱动六个DED。此外,RBDS显示出了良好的循环稳定性。在循环20000次后,其DED的高度仍旧保持了极好的稳定性(0.6 mm)。通过控制每一个DED,字母A、B、C能够被及时输入。此外,作者还设计了新型可擦写盲文显示设备,如图5所示。从视频中可以看出,通过控制RBDS输入,可以实时显示和擦写文字信息,显示出了良好的应用前景。

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图4 RBDS的结构优化

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图5 RBDS的应用展示

【总结】作者首次设计了基于摩擦电纳米发电机和介电弹性体的可擦写盲文显示系统。该系统具有安全、响应速度快、稳定性好的特点,未来有望用于新型盲文电子书。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006612

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