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「摩擦發電機」-創新機械能蒐集技術及其應用

2020-09-15

鍾震桂 教授、王敦楷 學生

國立成功大學機械工程系


現今能源產生方式極大一部份是依靠傳統石化燃料,但其不可再生性以及開採時和燃燒時對環境的衝擊性,使得人類不可再忽視新能源的開發,目前環境問題與能源危機已成為人類的努力目標,並著手研發乾淨能源之外也嘗試著將獲取能源的方法導向如何把我們日常生活中損失的機械能再重新收集作為綠色能源。

圖1 垂直接觸分離式微針陣列摩擦發電機機制示意圖;(a)~(e)微針陣列結構完全變形後結構仍然完整[16]。

 

摩擦起電是環境中相當常見的一種現象,有許多材質在不經意的接觸、摩擦當中便會產生靜電,如果能夠藉由這樣的方式將不同材料間接觸、摩擦的機械能轉換為可供使用的電能,不僅能夠開發一種新的能源來源、減少溫室氣體排放,同時也可讓許多小型、低耗電量的裝置擺脫使用電池的情況,降低化學重金屬對於自然界的汙染。於是摩擦發電機( TriboElectric NanoGenerators;TENG )蒐集機械能的特性,便成為近年來綠色能源的熱門研究主題,本文章將針對其技術起源,和本實驗室發展的微針陣列TENG與其應用發展來概略論述。

摩擦發電機重要發展與原理

摩擦起電是一種自古希臘時代以來就為人類熟知的效應,但通常被認為是一種負面效應,在許多技術中都會避免產生此等效應。而說起摩擦奈米發電機起源,也可說是一場偶然的發現,於奈米壓電發電機有著深遠影響的王中林團隊在進行壓電元件研究[1]-[2]時發現到了異於一般壓電材料輸出的電壓訊號,起初以為是量測誤差;然而,在研究後發現材料在測試環境中發生了滑移摩擦,進而產生了摩擦起電效應。在團隊一年的研究後,於2012年發表了第一個摩擦奈米發電機[3]。隨著第一個摩擦發電機的發表,各研究團隊也針對此新興綠色能源進行大量的研究[4]-[18]。

圖2 (a)電動致動平台3D設計示意圖;(b) 電動致動平台完成實體圖。

從摩擦發電機被提出之後,當中的機制吸引了許多人的注意,經過數年的研究後,現在我們常見的發電方式主要區分為4種[9]-[12],分別為1.垂直接觸分離式、2.滑移式、3.單電極式和4.自由摩擦層摩擦發電機。其中垂直接觸分離是最早也最常見的發電方式[9],如王中林團隊2012年發表的第一個TENG[3],藉由壓縮與釋放的過程產生摩擦,而達到正負電壓的的交錯產生,進而產生摩擦起電作用,達到發電的目的。垂直接觸分離作用機制則如本實驗室發表的微針(Microneedle;MN)陣列TENG圖1所示。雖說前述的接觸分離型摩擦發電機已有了相當多的應用類型,但其能獲取到的機械能僅限於垂直運動上,於是2013年Wang等人[10]提出了橫向滑移模式的摩擦發電機,該TENG是基於兩個摩擦表面在橫向方向上的滑動來設計的。單電極模式則是跳脫了上述的框架,僅以單片電極即可製作出完整功能的TENG,2013同年Yang等人[11]使用單電極的方式製作出了滑移式摩擦發電機,此摩擦發電機透過一端接地形成電位零點,並具備體積小結構簡單等優點。而為了從任意移動的物體中收集各種機械能,2014年王中林學者等人[12]透過在同一平面上兩個固定電極之間的獨立式摩擦電層的滑動,開發了一種新型的摩擦發電機並將此發電模式定義為自由摩擦層模式,此模式最大的特色是能夠在摩擦材沒有附接電極的情況下從機械運動中獲取能量。

 

圖3 (a)~(d)微針陣列製作流程;(e)~(f)低密度(LD-MN)、高密度(HD-MN)、重疊(OL-MN)微針結構增幅發電效果[16]。

摩擦發電機的發電效能

摩擦發電機性能的提升與材料選用與表面形貌結構相關,而材料選用是依據材料的摩擦電序列進行選擇組合[13]-[14],而摩擦電序列是反應材料易帶正電或帶負電的能力,其中選用標準是以材料間相對極性大者來做使用,也就表示可以產生更多的表面電荷以提高電位差,此乃影響輸出性能之關鍵。其中聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsioxane, PDMS)與鋁(Aluminum, Al),此組合在摩擦電序具有極性差異較大的範圍,相當適合作為摩擦材料使用,而聚偏二氟乙烯(PVDF)同樣是較易帶負電的材料,但其價格較PDMS昂貴且可撓性差。而表面結構則是透過在摩擦層上製作各種微形貌來提高摩擦時的有效接觸面積,進而增加摩擦時的轉移電荷提高電位差使性能提升。

本實驗室提出一種創新的微針摩擦發電機(Microneedle-TENG)[15]-[17],主要在PDMS上製作高表面積之微針/微凸塊陣列結構[15]-[18],其微針在完全變形後仍能保持結構完整度(如圖 1(a)~(e)所示),並在實驗室自主設計和組裝的電動致動平台上進行長時間且穩定的拍打測試TENG發電性能,本電動致動平台採用鋁擠型桿件作為主要材料,並組合成框架機構支撐電動主軸和固定側之基板(用於固定試片) ,如圖2(a)~(b)所示。

在製程是以CO2雷射加工PMMA母模材料並以PDMS翻模出高表面積微針(Microneedle;MN)陣列技術,的確起到提升發電性能目的(圖3(a)~(d)為製作流程),由圖 3(e)~(f)中可以看出低微針密度(Low density;LD)、高微針密度(High density;LD)與重疊(Overlapping;OL)結構對性能的影響[16],各式的微針的確起到增幅了摩擦發電機的輸出。TENG輸出波型為交流電,有高電壓與較低電流的特性。

圖4 本實驗室提出之微針形貌TENG應用於LED驅動、電容充電、小型電子元件驅動和力量感測應用式意圖[17]。

 

摩擦發電應用

目前隨著科技的發展,在互聯網機器方面對感測器的需求越來越多,而摩擦發電機除了運用於自供電上,像是LED驅動、電容充電、小型電子元件驅動皆是可以達成的(如圖4所示)[17],同時其蒐集機械能轉為電訊號的特性,因此在摩擦起電的概念被提出不久後,將其拿來做感測應用的論文也不在少數,如圖4提到的力量感測應用,另外風速感測也是常見的類型,藉由測得的電壓、電流、頻率,來反推風的行進速度。除此之外,尚有位置感測、無線訊號傳輸以及人體動作感測等類型。

 

References

[1] Z. L. Wang, & J. Song, "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays," Science, vol. 312(5771), pp. 242-246, 2006.

[2] S. P. Beeby, M. J. Tudor, & N. M. White, "Energy harvesting vibration sources for microsystems applications," Measurement science and technology, vol. 17(12), pp. 175-195, 2006.

[3] F. R. Fan, Z. Q. Tian, and Z. L. Wang, "Flexible triboelectric generator," Nano Energy, vol. 1, pp. 328-334, 2012.

[4] K. Dong, X. Peng, & Z. L. Wang, "Fiber fabric‐based piezoelectric and triboelectric nanogenerators for flexible/stretchable and wearable electronics and artificial intelligence," Advanced Materials, vol. 32(5), pp. 1902549, 2020.

[5] J. Zhong, Y. Zhang, Q. Zhong, Q. Hu, B. Hu, Z. L. Wang, & J. Zhou, "Fiber-based generator for wearable electronics and mobile medication," ACS Nano, vol. 8(6), pp.  6273-6280, 2014.

[6] K. N. Kim, J. Chun, J. W. Kim, K. Y. Lee, J. U. Park, S. W. Kim, & J. M. Baik, "Highly stretchable 2D fabrics for wearable triboelectric nanogenerator under harsh environments," ACS Nano, vol. 9(6), pp. 6394-6400, 2015.

[7] T. Zhou, C. Zhang, C. B. Han, F. R. Fan, W. Tang, & Z. L. Wang, "Woven structured triboelectric nanogenerator for wearable devices," ACS applied materials & interfaces, vol. 6(16), pp. 14695-14701, 2014.

[8] S. Lee, W. Ko, Y. Oh, J. Lee, G. Baek, Y. Lee, & J. Hong, "Triboelectric energy harvester based on wearable textile platforms employing various surface morphologies," Nano Energy, vol. 12, pp. 410-418, 2015.

[9] G. Zhu, Z. H. Lin, Q. Jing, P. Bai, C. Pan, Y. Yang, Z. L. Wang, "Toward large-scale energy harvesting by a nanoparticle-enhanced triboelectric nanogenerator," Nano letters, vol. 13(2), pp. 847-853, 2013.

[10] S. Wang, L. Lin, Y. Xie, Q. Jing, S. Niu, Z. L. Wang, " Sliding-Triboelectric Nanogenerators Based on In-Plane Charge-Separation Mechanism," Nano Letters, vol. 13, pp. 2226-33, 2013.

[11] Y. Yang, H. Zhang, J. Chen, Q. Jing, Y. S. Zhou, X. Wen and Z. L. Wang, "Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system," Acs Nano, vol. 7, pp. 7342-7351, 2013.

[12] S. Wang, Y. Xie, S. Niu, L. Lin and Z. L. Wang, "Freestanding triboelectric‐layer‐based nanogenerators for harvesting energy from a moving object or human motion in contact and non‐contact modes," Advanced materials, vol. 26, pp. 2818-2824, 2014.

[13] Z. L. Wang, "Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors," ACS Nano, vol. 7, pp. 9533-9557, 2013.

[14] H. Zou, Y. Zhang, L. Guo, P. Wang, X. He, G. Dai, & Z. L. Wang, "Quantifying the triboelectric series," Nature communications, vol. 10(1), pp. 1-9, 2019.

[15] V. L. Trinh, & C. K. Chung, "A Facile Method and Novel Mechanism Using Microneedle‐Structured PDMS for Triboelectric Generator Applications," Small, vol. 13(29), pp. 1700373, 2017.

[16] C. K. Chung, & K. H. Ke, "High contact surface area enhanced Al/PDMS triboelectric nanogenerator using novel overlapped microneedle arrays and its application to lighting and self-powered devices," Applied Surface Science, vol. 508, pp. 145310, 2020.

[17] K. H. Ke, & C. K. Chung, "High‐Performance Al/PDMS TENG with Novel Complex Morphology of Two‐Height Microneedles Array for High‐Sensitivity Force‐Sensor and Self‐Powered Application," Small, pp. 2001209, 2020.

[18] V. L. Trinh, & C. K. Chung, "Harvesting mechanical energy, storage, and lighting using a novel PDMS based triboelectric generator with inclined wall arrays and micro-topping structure, " Applied Energy, vol. 213, pp. 353-365. 2018