以液體/塑性金屬電極實現高撓性摩擦起電器之研製

摩擦起電器(Triboelectric generators, TEG)可以藉由簡單的摩擦、按壓或彎折運動，將環境中的機械能轉換為電能，儲存於電容即可供應元件的作動，實現低成本、高穩定性與高效率等特性，相較於可充電電池，更有利於穿戴式電子產品的應用。本計畫將以液態金屬(Liquid metal)與創新性的塑性金屬(Plastic metal)(液態金屬+陶瓷釉粉)作為電極，配合可撓性基板(聚二甲基矽氧烷(PDMS) 與聚對苯二甲酸乙二酯(PET))，實現面積大小為50×50 mm2、可180o彎折、輸出電壓≧100 V且平均功率≧5 mW之高撓性摩擦起電器。計畫執行要點與工作要項包括： 1. 調配塑性金屬與特性測試：利用GaIn液態金屬與陶瓷釉粉的混合，形成類似黏土的塑性金屬，不同的混摻比例會有不同的可塑性、導電性與刮塗性，甚至對不同基材的塗佈性也有所不同，必須預先加以評估。 2. 摩擦層結構微/奈米化與表面改質：本計畫將選用PDMS為摩擦層材料，在其表面以微/奈米製程技術製作正金字塔、柱狀、條狀之微/奈米級陣列結構，並且配合大氣電漿進行表面改質，以增加基板的電子親和性，或是在PDMS摩擦層與PET滑動層間，加上改質之SiO2, Al2O3或AlN奈米顆粒(200~500 nm)，使得接觸表面的摩擦特性可以進一步提升。 3. 摩擦起電器的製作與封裝：在具有微/奈米級陣列結構之PDMS摩擦層與PET滑動層之背面，以模板印刷技術塗佈液態金屬或塑性金屬膜，其表面再以PDMS薄膜覆蓋以防止金屬氧化，接著將彈性間隔物(2~5 mm)固定於PDMS摩擦層與PET滑動層間，以形成兩層間的距離，外圍再以膠帶封裝固定，即可完成50×50 mm2大小之TEG元件製作。 4. 摩擦起電器測試與充電電路設計：本計畫將自行設計製作可造成TEG元件按壓與彎折之曲柄-滑塊機構，用於測試製作完成TEG元件的摩擦起電效應。其中，按壓或彎折的頻率、力量、角度的改變，將影響輸出電壓、電流的特性。另外，為了提升充電的效果，TEG元件將結合橋式整流器(Bridge rectifier)以整流成一致的電流輸出方向，並且透過電容器儲存電能，其負載電阻、電容器的大小，均會影響充電的速度與飽和輸出值。 5. 摩擦起電器的實務應用效能評估：本計畫完成的高撓性TEG元件，也將進行一些實務應用的可行性評估。例如，放置於鞋底、縫合於衣服、貼合於機械振動組件上(如避震器)等，將生活中常見的機械能轉換為電能，再透過電容器的儲存。另外，因按壓TEG元件會產生電壓的變化，所以也適合應用於壓力感測器，故將高撓性TEG元件貼合於手腳肌肉表面，可作為手腳部位肌肉運動生理訊號的感測元件，甚至將其貼附於心臟部位，用於評估心跳的訊號輸出，以作為心臟病患的心跳監控感測元件，或監控癱瘓重症病患的生命訊號，以提早獲知介入搶救的黃金時間。