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TWI786557B - 超薄奈米發電總成及其應用 - Google Patents

超薄奈米發電總成及其應用 Download PDF

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TWI786557B
TWI786557B TW110107044A TW110107044A TWI786557B TW I786557 B TWI786557 B TW I786557B TW 110107044 A TW110107044 A TW 110107044A TW 110107044 A TW110107044 A TW 110107044A TW I786557 B TWI786557 B TW I786557B
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吳昌謀
莫哈娜 蘭妮 戈卡納
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國立臺灣科技大學
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  • Luminescent Compositions (AREA)
  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

一種超薄奈米發電總成,其包含:一正電複合層,其係由一正電層與一正電層電極所層疊而成,且該正電層為發泡材料,厚度為90μm以下,發泡孔徑為60μm以下;以及該超薄奈米發電總成也包含一負電複合層,其與該正電複合層電性連接,並包含層疊之一負電層與一負電層電極;本發明所提供的超薄奈米發電總成首先選用聚氨酯發泡材料作為正電層,發泡材料所具有的發泡孔洞結構有利於表面接觸時電子傳遞的效果,能夠製出極薄又具有優異電輸出效能的發電機,改善既有的摩擦發電機厚度過厚以及不具備撓曲性的問題。

Description

超薄奈米發電總成及其應用
本發明是一種發電總成及其應用,特別是一種超薄奈米等級並且以元件表面間的機械接觸中獲得電力或動力的發電總成。
從環境中獲取能源是一種乾淨且可永續發展的綠色途徑,基於摩擦發電效應(Triboelectric effect)下所發展奈米摩擦發電機(Triboelectric nanogenerator,TENG)技術,可以將環境中的機械能轉化為電能,具有效率高、功率大、重量輕與成本低的優勢。
摩擦發電效應是透過兩種不同的材料表面經過接觸後產生帶相反電荷現象,繼而產生電力或動力的過程,透過連接元件方式將所產生的電力輸出為可用動力,用以驅動小型機械元件或傳感器等。
然而,目前奈米摩擦發電機所使用的材料厚度並不理想,多數層厚度達公分級數以上且電輸出效能依然不佳,缺乏產品競爭力。有鑑於此,目前亟需一種超薄奈米發電總成以解決前揭技術的問題,或至少提供一種替代方案。
為了解決目前奈米摩擦發電機厚度過厚又電輸出效能不佳的問題,本發明提供了一種超薄奈米發電總成,其包含:一正電複合層,其包含層 疊之一正電層與一正電層電極,該正電層為發泡材料,厚度為90μm以下,發泡孔徑約為60μm以下;以及一負電複合層與該正電複合層電性連接,其包含層疊之一負電層與一負電層電極。
其中,該正電層包含聚氨酯、氟化鎂、尼龍、玻璃、棉花或聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
其中,該負電層包含聚氨酯橡膠、紙、木、腈橡膠、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、壓克力、環氧樹脂、丁苯橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯織物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚醯亞胺、矽氧聚合物、聚乙烯、聚丙烯、硝酸纖維素、聚氯乙烯或乳膠。
其中,該發泡材料包含聚氨酯。
其中,該負電層為聚四氟乙烯材料。
其中,該正電層電極為銅電極。
其中,該負電層電極為鋁電極。
其中,該正電層與該負電層接觸時產生電輸出。
本發明前述所提供的超薄奈米發電總成可應用於驅動小型元件或傳感器之應用。
藉由上述說明可知,本發明具有以下優點與有益功效:
1.本發明選用聚氨酯發泡材料作為正電層,發泡孔洞結構利於表面接觸時電子傳遞的效果,達到極薄又具有優異電輸出效能的有益功效,改善既有的摩擦發電機厚度過厚以及無法順利微型化的問題。
2.透過本發明實驗測得該正電層的厚度與施力間所產生的不同電輸出結果可知,本發明可以廣泛應用於啟動機械元件或傳感器的應用,且可依據不同施力產生不同的電表現。
10:超薄奈米發電總成
11:正電複合層
111:正電層
113:正電層電極
13:負電複合層
131:負電層
133:負電層電極
圖1為本發明較佳實施例示意圖。
圖2為本發明數個較佳實施例SEM圖。
圖3為本發明數個較佳實施例SEM圖。
圖4本發明5μm之樣品進行的施力與電壓間關係。
圖5A~5D為本發明以10μm之樣品進行的施力與電壓、電流間關係。
圖6A、6B為本發明以20μm之樣品進行的施力與電壓、電流間關係。
圖7為本發明以40μm之樣品進行的施力與電壓間關係。
圖8A、8B本發明以90μm之樣品進行的施力與電壓、電流間關係。
圖9A、9B、9C為綜合前述不同厚度樣品以及施力對應之電流電壓比較。
圖10A、10B、10C分別為5、20、40μm的PU發泡材料表面與橫切斷面型態。
圖11A、11B為5μm PU發泡材料不同孔隙率的SEM圖。
以下藉由結合實施例與附圖,對本發明的具體實施方式做進一步的詳細解說,以使本發明所提供的技術方案更易於理解以及掌握。應當理解的是,本發明所描述的具體實施範例僅是用以輔助理解本發明的核心技術概念,而不為限定或以單一實施例解釋本發明的範圍。以下說明中所引用的「一」、「二」、「第一」、「第二」或「該」之字詞僅是為了更為清晰明朗的描述結構元件之用途,並非絕對是數量量詞的單一意義。
請參考圖1,本發明的第一種發明概念提供了一種超薄奈米發電總成10,其第一較佳實施範例包含一正電複合層11、一負電複合層13,該正電複合層11與該負電複合層13間相互電性連接。其中:該正電複合層11包含層疊 之一正電層111與一正電層電極113,該負電層13包含層疊之一負電層131與一負電層電極133。
上述該正電複合層11中的該正電層11於本較佳實施例中較佳是聚氨酯(PU)發泡材料,具有多孔隙結構,厚度介於5~90μm間,較佳是5~40μm,更佳是5~30μm,尤佳是5~20μm,其孔徑大小介於為15~60μm,較佳是15~30μm,尤佳是15μm。該正電層11的厚度與孔徑於本發明所提供的發電總成而言,優選為厚度越薄、孔徑越小尤佳,更優選的是孔隙分佈越多,即孔隙率上升,同樣可提升本發明發電總成之效能。而該正電層電極113較佳是銅電極。上述該負電層13於本較佳實施例中較佳是聚四氟乙烯材料(PTFE)材料,厚度介於100~300μm,較佳是150~250μm,該負電層電極133較佳是鋁電極。
其中,本實施例所提供的超薄奈米發電總成10在未使用下,該正電複合層11與該負電複合層13是以該正電層111面對該負電層131是以不接觸形式呈現,而分別配置於該正電複合層11與該負電複合層13另一側的該正電層電極113與該負電層電極133則相互電導通。
本發明於該正電層111與該負電層131的材料選用上,是採用具有相反帶電特性的摩擦生電材料,例如於前述第一較佳實施範例中PU發泡材料在整體總成中產生正電荷,PTFE材料則相反產生或帶有負電荷,因此,當PU發泡材料層與PTFE材料層相互接觸摩擦時,正負電荷接觸形成導通電流。在該正電複合層11與該負電複合層13中複合的電極層則基本以銅電極與鋁電極為主,不同的搭配方式會產生不同的電輸出表現,如下表1所示。
Figure 110107044-A0305-02-0006-1
Figure 110107044-A0305-02-0007-2
另一方面,本發明該正電層111與該負電層131的材料可選的搭配如下表2:
Figure 110107044-A0305-02-0007-3
Figure 110107044-A0305-02-0008-4
請接著參考圖2、3所示,本發明該正電層111以使用PU發泡材料為例,其厚度極薄且具有發泡孔隙結構,泡孔均勻分佈,結構厚度薄又具有可撓曲特性。以下本發明利用數個如圖1般的超薄奈米發電總10樣品並包含不同厚度的該正電層111進行相關性能測試,其中該正電層111面對該負電層131未接觸時相距0.5mm。
首先,透過施予不同力量1N~4N使該正電層111接觸該負電層131並測其產生電壓數值,結果請參考圖4,其為本發明該正電層111厚度為5μm,孔徑大小為15μm之樣品進行的施力與電壓間關係。自圖4可看出,施力較大的情況具有較高的輸出電壓,且此一實施例為本發明所有實施例中效能最佳之一實施例。
接著,以該正電層111厚度為10μm之樣品進行的施力與電壓間關係如圖5A~5B,以及施力與電流間關係如圖5C~5D。自圖5A~5B可看出施力1N~8N間,電壓隨著施力大小增加而基本上升,而施力8N~20N時電壓輸出表現稍微降低但仍具有一定大小的電壓輸出。而電流表現則基本是隨著施力1N~20N的增加而上升。
請參考圖6A、6B,其為本發明以該正電層11厚度為20μm之樣品進行的施力與電壓、電流間關係。此實施例則施力1N~6N間的電壓、電流輸出表現穩定,基本隨著施力增加而上升。
請參考圖7,其為本發明以該正電層11厚度為40μm之樣品進行的施力與電壓間關係。同樣此實施例施力1N~4N間的電壓輸出表現穩定,隨著施力增加而上升。
請參考圖8A、8B,其為本發明以該正電層11厚度為90μm之樣品進行的施力與電壓、電流間關係。此實施例同樣施力1N~6N間的電壓、電流輸出表現穩定,基本隨著施力增加而上升。
綜合前述不同厚度樣品以及施力對應之電流電壓比較如圖9A、9B、9C所示。自比較結果可看出,本發明所提供之具有不同該正電層11厚度的各樣品間電壓、電流之電輸出效能隨著施力增加而上升,而上升程度則以厚度越薄之例如5μm或10μm相對較好,可證實本發明確實能提供厚度薄、可撓曲又具有良好電輸出效能的超薄奈米發電總成10。
進一步地,以下針對該正電層11之PU發泡材料的厚度與發泡孔徑提供數個不同的實施範例並確認其效能。
請參考圖10A、10B、10C,其分別該正電層11厚度為5、20、40μm的PU發泡材料表面與橫切斷面型態。另一方面,對應圖11A、11B的5μm PU發泡材料不同孔隙率所具有的不同電輸出表現請參考下表3。經測試,當發泡孔 洞大小減小時,可具有較優異的電輸出表現。綜合上述可知,本發明所提供的超薄奈米發電總成10的該正電層11厚度較薄以及發泡孔徑較小時,具有較為顯著的電輸出表現。
Figure 110107044-A0305-02-0010-5
應當理解的是,以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,並不足以限制本發明的技術方案,對發明所屬領域具有通常知識者來說,在本發明的精神和原則之內,可以根據上述說明加以增減、替換、變換或改進,而所有這些增減、替換、變換或改進後的技術方案,都應屬於本發明所保護的範圍。
10:超薄奈米發電總成
11:正電複合層
111:正電層
113:正電層電極
13:負電複合層
131:負電層
133:負電層電極

Claims (10)

  1. 一種超薄奈米發電總成,其包含: 一正電複合層,其包含層疊之一正電層與一正電層電極,該正電層為發泡材料,厚度為90μm以下,發泡孔徑為60μm以下;以及 一負電複合層與該正電複合層電性連接,其包含層疊之一負電層與一負電層電極。
  2. 如請求項1的超薄奈米發電總成,其中,該正電層與該負電層為具有相反電性的摩擦生電材料。
  3. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該正電層包含聚氨酯、氟化鎂、尼龍、玻璃、棉花或聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
  4. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該負電層包含聚氨酯橡膠、紙、木、腈橡膠、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、壓克力、環氧樹脂、丁苯橡膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯織物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚醯亞胺、矽氧聚合物、聚乙烯、聚丙烯、硝酸纖維素、聚氯乙烯或乳膠。
  5. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該發泡材料包含聚氨酯。
  6. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該負電層包含聚四氟乙烯。
  7. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該正電層電極為銅電極。
  8. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該負電層電極為鋁電極。
  9. 如請求項1或2的超薄奈米發電總成,其中,該正電層與該負電層接觸時產生電輸出。
  10. 一種傳感器,其包含如請求項1~9任一項之超薄奈米發電總成。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI786557B (zh) * 2021-02-26 2022-12-11 國立臺灣科技大學 超薄奈米發電總成及其應用
TWI847298B (zh) * 2022-10-06 2024-07-01 國立清華大學 抗磨損奈米摩擦發電裝置、抗磨損鱗狀摩擦薄膜製備方法及腳踏車
TWI861597B (zh) * 2022-11-15 2024-11-11 國立中央大學 摩擦起電奈米發電機及其應用
TWI884097B (zh) * 2024-10-14 2025-05-11 國立臺灣大學 摩擦奈米發電機及其操作方法
KR102799672B1 (ko) 2024-10-18 2025-04-25 주식회사 에너지마이닝 초음파 반응 메타물질을 포함하는 체내삽입형 장치

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5341062A (en) * 1991-11-12 1994-08-23 The Whitaker Corporation Piezoelectric energy generator
CN1513664A (zh) * 2002-12-31 2004-07-21 宏 冯 可再热塑成形储电复合板材及其再成型加工方法
TW200635100A (en) * 2004-12-22 2006-10-01 Fujikura Ltd Counter electrode for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element
TW201117233A (en) * 2009-08-27 2011-05-16 Landa Lab Ltd Method and device for generating electricity and method of fabrication thereof
TW201229152A (en) * 2010-12-03 2012-07-16 Asahi Glass Co Ltd Method for producing charge retention medium
TW201334246A (zh) * 2011-11-16 2013-08-16 丹尼爾 史都華 藍 用於熱電能產生之系統、方法及/或裝置
TW201601444A (zh) * 2014-05-29 2016-01-01 黑光能源公司 電力產生系統及關於彼等之方法
CN207251502U (zh) * 2017-09-30 2018-04-17 纳智源科技(唐山)有限责任公司 用于生理监测的传感器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100550807B1 (ko) * 2002-10-29 2006-02-09 주식회사 바이오폴 충전형 폴리우레탄 폼 드레싱재 및 그 제조방법
US9985554B2 (en) * 2013-03-01 2018-05-29 Georgia Tech Research Corporation Triboelectric nanogenerator
US9484842B2 (en) * 2013-03-01 2016-11-01 Georgia Tech Research Corporation Segmentally structured disk triboelectric nanogenerator
EP3351291B1 (en) * 2017-01-20 2022-11-23 Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Self-generating voltage device for electrical cell stimulation, and method thereof
US10978965B2 (en) * 2017-04-28 2021-04-13 Lintec Of America, Inc. Triboelectric generator
TWI786557B (zh) * 2021-02-26 2022-12-11 國立臺灣科技大學 超薄奈米發電總成及其應用

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5341062A (en) * 1991-11-12 1994-08-23 The Whitaker Corporation Piezoelectric energy generator
CN1513664A (zh) * 2002-12-31 2004-07-21 宏 冯 可再热塑成形储电复合板材及其再成型加工方法
TW200635100A (en) * 2004-12-22 2006-10-01 Fujikura Ltd Counter electrode for photoelectric conversion element and photoelectric conversion element
TW201117233A (en) * 2009-08-27 2011-05-16 Landa Lab Ltd Method and device for generating electricity and method of fabrication thereof
TW201229152A (en) * 2010-12-03 2012-07-16 Asahi Glass Co Ltd Method for producing charge retention medium
TW201334246A (zh) * 2011-11-16 2013-08-16 丹尼爾 史都華 藍 用於熱電能產生之系統、方法及/或裝置
TW201601444A (zh) * 2014-05-29 2016-01-01 黑光能源公司 電力產生系統及關於彼等之方法
CN207251502U (zh) * 2017-09-30 2018-04-17 纳智源科技(唐山)有限责任公司 用于生理监测的传感器

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