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紙質能量採集器瞄準軟性穿戴式應用

上網時間: 2015年11月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:紙質發電器  低頻  聚合物  能量採集  退火 

韓國蔚山大學(University of Ulsan)的研究人員開發出一種超薄的紙質發電器,能夠在紙質基底上實現低頻聚合物的能量採集。

研究人員們將共聚合物(co-polymer)溶液旋轉塗佈於一個80um厚的紙質基底上,從而取得一層厚度僅1um的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]壓電薄膜。沈積過程是在2個鉑電極之間沈積出200nm厚度的分層。取得最佳壓電薄膜密度與效率的關鍵在於熱退火,以特定冷卻規格在150℃時進行。


軟性P(VDF-TrFE)薄膜紙質發電器的(a)彎曲與(b)展開模式,它可在反覆彎曲與展開過程(c)中發電

透過反覆彎曲與展開該超薄結構,研究人員們能夠使其1Hz頻率時產生1.5V的開路電壓,在僅幾平方公分的元件下產生0.38μA的短路電流。在此測試條件下,輸出功率密度估計為2.85mW/cm3

由於拉伸應力而引起的變形,使得P(VDF-TrFE)薄膜上產生壓電電位,形成電子流動並累積於底部電極,從而均衡因偶極引起的電場。反覆彎曲與展開該元件產生的輸出電壓與電流脈衝,如下圖所示。

將這款能量採集器附加在手背上的乳膠手套內,它能在0.25?Hz的低彎曲頻率(如手掌每4秒握拳與放開一次)時產生最大約0.4V的輸出開路電壓。不過,為了貼近人手的皮膚,這種壓電結構的變形幅度並不大。在2Hz彎曲頻率時的輸出開路電流僅0.6V。

這種結構也十分柔軟靈活、重量輕且易於製造,比其他研究的一般氧化鋅(ZnO)紙質元件結構更具優勢。

利用輕薄的紙作為基底,意味著這種低頻能量採集元件的新形式能夠疊加多層,實現各種穿戴式應用,包括短暫監測應用所需的?棄式(一次性)感測器。

研究人員解釋,這種薄膜十分易於製造成一系列的元件,而不至於受到任何最高達250℃的製程溫度限制。更重要的是,生物相容的聚對二甲苯(parylene-c)聚合物鈍化層可透過化學氣相沈積(CVD)的方式進行沈積,以保護終端裝置免於濕氣污染,因而使其十分適於植入式醫療裝置應用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Energy harvesting on paper targets flexible wearables,by Julien Happich)





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