CN103051244B - 一种纸基柔性发电装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基柔性发电装置，包括由纸基绝缘层和沉积于该纸基绝缘层表面的第一金属导电层共同组成的第一组件，以及由纸基绝缘层、沉积于该纸基绝缘层表面的第二金属导电层和涂覆在该第二金属导电层表面上的驻极体材料层共同组成的第二组件。这两个组件各自的边缘分别搭建有电极并通过封装工艺予以联接，并且第一金属导电层与驻极体材料层之间相互对置且具备一定间隙。本发明还公开了相应的制造方法。通过本发明，所获得的柔性发电装置成本更为低廉、便于加工、具备高输出功率，并且尤其适用于与其他柔性电子器件相集成。

Description

一种纸基柔性发电装置及其制造方法

技术领域

本发明属于机械能转化为电能的发电技术领域，更具体地，涉及一种纸基柔性发电装置及其制造方法，其包括新型柔性基底，并具备高电能输出、成本低廉、便于加工制造和适用面广等特点。

背景技术

能源是人类发展必不可缺的资源，从环境中更加有效方便地获取能源一直是人类的追求。近年来，随着能源危机的持续恶化，寻找绿色环保的供能方式显得更加迫切。实际上，人类平时生活的环境甚至是人类自己就是一个有效的能源来源，因为人体的动作如行走，以及人体动作带动其他物件的运动如翻书等，都会产生机械能，收集并利用这些被忽视的能源是很有前景的。相应地，能够将环境中的机械能有效转换成电能的柔性发电装置已经问世。

柔性发电装置除了具有可卷曲弯折、轻薄、便于贴合运动物体来更有效地收集能源等特点外，更重要的是适合与新型的柔性电子器件相集成，并为其提供能源。目前，韩国三星公司等领头电子企业已经开发出了柔性显示屏幕概念手机，预示着柔性个人电脑以及智能电子书等产品的蓬勃发展。而且从能源问题与技术发展趋势来看，开发能与目前柔性电子器件集成、并能够方便有效地收集环境能源的柔性发电装置很有必要。

传统的柔性发电装置主要是基于压电效应而制作的柔性发电机。这些柔性发电机一般是基于氧化锌、聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅等一维纳米材料压电效应的器件。然而，这类发电机在应用方面仍然存在许多问题：第一，其繁琐的制作过程涉及材料的精细加工，器件的精密封装，相应导致其成本相当高昂，无法投入批量生产应用；第二，这类发电机的输出功率一般也比较低，需要对一个小电容充电数小时后积累的电量才能点亮一个LED；第三，这类发电机采用的基底大多是高分子塑料制品，这些塑料制品大多环境不友好，而且价格相对昂贵。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种纸基柔性发电装置及其制造方法，其通过对基底材质、工作元件的材料和工作原理、器件结构及其制造工艺等方面的改进，可获得成本更为低廉、便于加工、具备高输出功率，并且尤其适用于与其他柔性电子器件相集成的柔性发电装置。

按照本发明的一个方面，提供了一种纸基柔性发电装置，其特征在于，该纸基柔性发电装置包括：

第一组件，该第一组件由纸基绝缘层和沉积于该纸基绝缘层表面的第一金属导电层共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极；

第二组件，该第二组件由纸基绝缘层、沉积于该纸基绝缘层表面的第二金属导电层，以及涂覆在该第二金属导电层表面上的驻极体材料层共同组成，并且所述第二金属导电层的边缘形成有第二电极，其中：

所述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且所述第一金属导电层与所述驻极体材料层之间相互对置，并具备一定间隙。

通过以上构思，当按压及释放该纸基柔性发电装置时，驻极体材料层与第一金属导电层之间的间隙发生变化，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极联通的外电路中振荡，形成交流电流。尤其是，通过较多的实验测试表明，这种纸基的柔性发电装置便于与其他柔性材质结合起来并有效搜集机械能，譬如当将其粘贴于书页上，利用翻动书页来回的动作就能够点亮两个蓝色LED或者是液晶显示屏，也证明它具有与柔性电子器件集成并为其提供能源的潜力。此外，该发电装置的基底是纸基材质，可以折叠弯曲、便于加工，并具备成本低廉，污染程度低，发电稳定性好等特点，因此尤其适用于与其他柔性电子装置的集成及日常生活应用。

作为进一步优选地，所述纸基绝缘层由牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质构成；所述驻极体材料层的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合。

通过选择柔韧性能好的上述纸质材料作为绝缘层，可以相应获得易于弯曲折叠、成本低廉且易于与其他柔性电子器件加工集成的效果；此外，通过适当的驻极体材料，其具备良好的吸附和保存电荷的性能，可以产生高输出功率，同时具有耐磨、耐弯曲和便于加工的特点。

作为进一步优选地，所述第一、第二金属导电层由金、银、铜或者铝等材料构成。

通过将第一、第二金属导电层的材质具体限定为以上类型，较多的对比测试结果表明，其能够与纸基绝缘层及驻极体材料层很好地配合工作，并具备较高的输出功率。

作为进一步优选地，在所述驻极体材料层与第一金属导电层相对置的表面上，加工有多个微纳米量级的凹凸结构。

通过对驻极体材料层表面加工获得多个微纳米级的凹凸结构，可以进一步增加其表面积，从而提高其吸附与保持电荷的能力。相应地，当这种具有微纳米级别凹凸结构的驻极体材料层与第一金属导电层之间的间隙发生变化时，可以得到更高的输出功率。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的制造方法，该制造方法包括下列步骤：

（a）第一组件的制备步骤：

将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射或热蒸镀方式在其表面上沉积形成第一金属导电层，该第一金属导电层的边缘被加工形成第一电极且做引线处理；

（b）第二组件的制备步骤：

将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射或热蒸镀方式在其表面上沉积形成第二金属导电层，该第二金属导电层位于边缘处并具备一定面积的导电层被施加保护层，然后通过旋涂或喷涂方式将驻极体材料的悬浮液沉积在其余的表面区域，驻极体材料经过烘干处理发生极化后，去除第二金属导电层边缘处的保护层，并在该位置加工形成第二电极且做引线处理；

（c）纸基柔性发电装置的封装步骤：

将通过步骤（a）、（b）所制得的第一和第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并使得第一金属导电层与驻极体材料层之间相互对置，并具备一定间隙。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，所述驻极体材料层的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合。

总体而言，按照本发明的纸基柔性发电装置及其制造方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对纸基发电装置的基底以及产生电流元件的材料和发电工作原理的研究和改进，能够获得较高的输出功率，并可直接用于驱动多种低功率的电子产品；

2、通过采用各类柔韧性较好的纸张直接作为柔性发电装置的基底，相应获得易于弯曲折叠、成本低廉，无污染且便于大批量加工制造的效果；此外，通过选择适当的驻极体材料，其具备良好的吸附和保存电荷的性能，可以产生高输出功率，同时具有耐磨、耐弯曲和便于加工的特点；

3、该纸基柔性发电装置整体采用柔性材料制成，可以折叠弯曲，便于与其他柔性电子器件进行集成，因此尤其适用于与其他柔性电子装置的集成及日常生活应用。

附图说明

图1是按照本发明的纸基柔性发电装置的整体结构示意图；

图2a是用于显示按照本发明一个优选实施例所制得的纸基柔性发电装置在频率为40Hz，激振子推进距离为1.5mm的条件下，其电流、电压以及功率随负载电阻变化的曲线图；

图2b是用于显示按照本发明上述实施例所制得的纸基柔性发电装置在频率为40Hz，激振子推进距离为1.5mm的条件下，对一个4.7μF的电容充电的曲线图；

图3是用于显示将按照本发明的纸基柔性发电装置譬如粘贴在书页上，通过搜集翻书所产生的机械能来点亮LED的电路示意图；

图4a、4b分别是用于显示图3电路中流经LED的电压、电流随时间变化的曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一组件2-第二组件11-纸基绝缘层12-第一金属导电层13-第一电极21-纸基绝缘层22-第二金属导电层23-驻极体材料层24-第二电极

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的纸基柔性发电装置的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的纸基柔性发电装置主要包括第一组件1和第二组件2，其中第一组件1由纸基绝缘层11（譬如，其材质可直接取自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等这类柔韧性较好的纸张）和沉积在纸基绝缘层11一个表面（图示为下表面）上的第一金属导电层12组成，并且第一金属导电层的边缘形成有第一电极13，该第一电极13通过引出导线即可与外部电路相连通；类似地，第二组件2由纸基绝缘层21、沉积在该纸基绝缘层21表面的第二金属导电层22和涂覆在该导电层表面的驻极体材料层23共同组成，并且第二金属导电层22的边缘形成有第二电极24，该第二电极24同样通过引出导线可与第一电极和外部电路相连通。上述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且第一金属导电层12的下表面与驻极体材料层23的上表面之间相互对置，并具备譬如呈拱形的一定间距。

当使用该纸基柔性发电装置时，通过从第一、第二电极引线连通，并按压第一和第二组件使其驻极体材料层与第一金属导电层之间的间隙发生变化，在此弯曲和恢复的过程中，电容也会随着发生变化，并导致电子在外部电路中振荡，形成交流电流。例如，大量的测试试验表明，当将此纸基柔性发电装置粘贴于书页上，通过搜集翻动书页所产生的机械能，即可产生一定程度的电流并带动这类发电机点亮两个蓝色LED或者液晶显示屏。这证明其能与其他柔性电子器件进行集成，并为其提供能源。此外，由于该发电装置是基于纸基，可以折叠弯曲，便于加工，成本低廉，无污染，发电稳定性好，因此尤其适用于柔性电子学研究领域，也可广泛应用于日常生活。

下面将进一步解释按照本发明的纸基柔性发电装置的基本工作原理。

在不考虑边缘效应下，本发明纸基柔性发电装置等效于平行平板电容。根据麦克斯韦方程组相关公式推导，在平衡时有下列公式1：

$U_{\mathrm{BE}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}_2+\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}_1+\frac{\mathrm{\σ}}{2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}_1-\frac{\mathrm{\σ}}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}_2-\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}}{d}_1-\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}_2=U_{\mathrm{TE}}=0$

其中，U_BE、U_TE分别为第一、第二金属导电层的电势；σ₁、σ₂和σ分别是第一、第二金属导电层和驻极体材料层的表面面密度；d₁和d₂分别是驻极体材料层的厚度和所述间隙的距离；ε₀为真空介电常数，ε_rp为驻极体材料层的相对介电常数。

根据电荷守恒有：

-σ=σ₁+σ₂（公式2）

将公式2代入公式1中，则有：

${\mathrm{\σ}}_1=-\frac{\mathrm{\σ}}{1+\frac{d_1}{d_2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}}}$ （公式3）

Q=σ₁S（公式4）

其中，第一金属导电层表面电荷量为Q，S表示第一与第二金属导电层之间相对置部分的有效面积。

此外，根据电流的定义公式可知：

$I=\frac{\∂Q}{\∂t}$ （公式5）

因此根据公式4、5可推导得出电流I的表达式为：

$I=-\frac{\mathrm{\σS}{d}_1{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}}{{(d_2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{rp}}+d_1)}^2}\frac{\∂d_2}{\∂t}$ （公式6）

根据上述公式以及推论结果可以看出，当第一组件和第二组件间的空气间隙发生变化时，电子会在电极两端的外部电路中来回振荡，进而形成交流电压电流。相应地，本发明中利用上述原理来对纸基柔性发电装置的功能组件及结构进行改变，由此可获得与现有技术相比输出功率更高、性能更加稳定可靠的柔性发电装置。

在一个优选实施例中，纸基绝缘层11和21的材质可以选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等柔韧性较好的纸张，驻极体材料层23的材质可以选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯等材料中的一种或其组合，第一与第二金属导电层12和22可以由金、银、铜、铝等材料中的一种制成。

此外，在另外一个优选实施例中，为了进一步增加驻极体材料层的整体表面积并提高其吸附与保持电荷的能力，可以在其上表面加工形成有许多微纳米级别凹凸结构，譬如平均尺寸为几十纳米到几个微米之间的凹凸结构。测试表明能够使该纸基柔性发电装置具有高的功率输出，符合大多数实际运用场合的需求。

下面将具体描述按照本发明用于制造纸基柔性发电装置的工艺流程。

首先，将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射或热蒸镀方式在其表面上沉积形成第一金属导电层，该第一金属导电层的边缘被加工形成第一电极且做引线处理。

接着，将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质的纸张切割成所需尺寸的片状结构（或者直接利用上一步骤所获得的片状纸基），并通过磁控溅射、热蒸镀或者其他方法沉积形成第二金属导电层；该第二金属导电层表面处于其边缘处并具备一定面积的导电层被施加保护层以便在后续工艺中加工形成第二电极，然后通过旋涂、喷涂或者其他方法，将驻极体材料的悬浮液沉积在导电纸的第二金属导电层表面。驻极体材料可选自聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯等材料中的一种或其组合。高温烘干后，对驻极体材料层进行极化。之后去除第二金属导电层边缘的保护层，并在此位置处加工形成第二电极并做引线处理。

最后，对第一和第二组件进行组装处理。将两个组件的外侧边缘相联接，并使得第一金属导电层与驻极体材料层相互对置并具备一定间隙，由此完成了纸基柔性发电装置的制造过程。

按照以上工艺流程制得纸基柔性发电装置后，下面将对其进行一系列的性能测试。

图2a显示了按照本发明一个优选实施例所制得的纸基柔性发电装置在频率为40Hz，激振子推进距离为1.5mm条件下的电流、电压以及功率随负载电阻变化的曲线图。图中显示，在外部负载电阻不断增加情况下，通过负载的电流不断下降，而两端电压却不断上升，而当外部负载电阻为40MΩ时，纸基柔性发电装置的负载输出峰值功率达到最高值90.6μW/cm²。

图2b显示了纸基柔性发电装置在频率为40Hz，激振子推进距离为1.5mm条件下，对一个4.7μF电容充电的曲线图。从图中可知，在短短20秒内就能将此电容两端的电压值提高到5V，表明发明的纸基柔性发电装置除了可以直接为电子器件提供能量，还能对储能器件进行充电。

图3显示了纸基柔性发电装置粘贴于书页上后，在来回翻书动作的带动下点亮LED的电路示意图，其中两个蓝色LED反向并联，书页翻开过程中产生的正电信号点亮一个LED，书页回复过程中产生的负电信号点亮另一个LED。

图4a与4b是用于显示纸基柔性发电装置粘贴于书页上，在翻书来回动作的带动下点亮LED时经过LED电压电流随时间变化的曲线图，图中显示两个蓝色LED的门阀电压都在2.5V左右，单个LED被点亮时通过其电流要求在3μA以上。

由此可见，本发明涉及的纸基柔性发电装置，其基于驻极体带电，摩擦带电与电容变化发电效应进行工作，并且成本低廉、结构简单、便于使用和大规模生产制造。与已有的其它微型能量收集方法相比，本发明中的纸基柔性发电装置具有电能输出高的特点，同时它的整体结构采用柔性材质，可折叠弯曲，易加工，发电稳定性好，使用寿命长。此外也有利于与其他柔性电子产品集成，甚至可直接安装在人体关节部位或其他常规驱动工具上，通过将机械能转换为电能来为小型低能耗的电子产品直接供能。该纸基柔性发电装置已展示出它良好的应用前景，并在作为力、压强传感器等敏感元件方面同样具备着巨大的应用潜力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纸基柔性发电装置，其特征在于，该纸基柔性发电装置整体采用柔性材料制成，可折叠弯曲并便于与其他柔性电子器件进行集成，其包括：

第一组件(1)，该第一组件由第一纸基绝缘层(11)和沉积于该第一纸基绝缘层下表面的第一金属导电层(12)共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极(13)，该第一电极(13)通过引出导线与外部电路相连通；

第二组件(2)，该第二组件由第二纸基绝缘层(21)、沉积于该第二纸基绝缘层表面的第二金属导电层(22)，以及涂覆在该第二金属导电层表面上的驻极体材料层(23)共同组成，并且所述第二金属导电层(22)的边缘形成有第二电极(24)，该第二电极(24)同样通过引出导线与所述第一电极(13)和外部电路相连通；此外，所述驻极体材料层(23)的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合；与此相匹配地，所述第一纸基绝缘层(11)、第二纸基绝缘层(21)均由牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸构成，所述第一金属导电层(12)和第二金属导电层(22)均由金或者银或者铜或者铝构成；其中：

所述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且所述第一金属导电层(12)的下表面与所述驻极体材料层(23)的上表面之间相互对置，并具备呈拱形的间隙；以此方式，通过从所述第一、第二电极引线连通，并按压及释放上述第一组件和第二组件使得所述驻极体材料层与所述第一金属导电层之间的所述间隙发生变化，在此弯曲和恢复的过程中，电容随之发生变化，并导致电子在经由第一和第二电极连通的外电路中振荡，由此形成交流电流。

2.如权利要求1所述的纸基柔性发电装置，其特征在于，在所述驻极体材料层(23)与所述第一金属导电层(12)相对置的表面上，各自加工有多个微纳米量级的凹凸结构。

3.一种用于制备如权利要求1所述的纸基柔性发电装置的方法，该方法包括下列步骤：

(a)第一组件的制备步骤：

将选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射或热蒸镀方式在其表面上沉积形成第一金属导电层，该第一金属导电层的边缘被加工形成第一电极且做引线处理；

(b)第二组件的制备步骤：

将同样选自牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸的纸张切割成所需尺寸的片状结构，并通过磁控溅射或热蒸镀方式在其表面上沉积形成第二金属导电层，该第二金属导电层位于边缘处具备一定面积的导电层，并被施加保护层，然后通过旋涂或喷涂方式将驻极体材料的悬浮液沉积在其余的表面区域，驻极体材料经过烘干处理发生极化后，去除第二金属导电层边缘处的保护层，并在该位置加工形成第二电极且做引线处理；

(c)纸基柔性发电装置的封装步骤：

将通过步骤(a)和(b)所制得的第一和第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并使得第一金属导电层与驻极体材料层之间相互对置，并具备呈拱形的间隙。