TWI416859B - 微型發電器、其製備方法、及發電元件 - Google Patents

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Description

微型發電器、其製備方法、及發電元件
本發明係關於一種微型發電器、其製備方法、以及一種發電元件，尤指一種包含並利用壓電材料產生電能之微型發電器、其製備方法、以及發電元件。
壓電效應是材料中一種機械能與電能互換的現象，而壓電材料會有壓電效應是因為晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。壓電材料之應用範圍非常廣泛，例如：生化醫療用途、風力或潮汐發電裝置、無線感應器、個人化電子產品等。目前常見之壓電材料包含有陶瓷類的鈦酸鋇(BaTiO3 ,BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zr0.53 Ti0.47 )O3 ,PZT)、單晶類的石英(Quartz)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)等，或是氧化鋅(ZnO)。
微型發電器係利用壓電材料的性質，蒐集環境中的力學能(如，震動、扭動、擠壓等等)，並將此力學能轉換成電能，而提供發電效果。
習知之微型發電器之結構通常為平面狀結構，例如，上下二個平面電極之間夾置有一層層狀壓電材料層，而構成一壓電性微型發電器。
例如，US3976898中揭露有一種壓電發電裝置，其係包含有電極-壓電層-電極之三明治結構，藉由機械性的施力而產生電能，來構成其壓電發電裝置。CN101575082A中揭露有一種風致動發電機，其係包括有夾置於電極層之間之壓電層的多層結構，使風振動引起壓電層形變而產生電力。
如圖1所示，其係一習知壓電發電裝置10之示意圖，該壓電發電裝置10包括有電極層11以及夾置於電極層11之間之壓電材料層12。當下壓施力13於該電極層12之表面時，夾置於電極層11之間之壓電材料層12可將力學能轉換成電能，而達到發電效果。
然而，此種「電極-層狀壓電材料-電極」所構成之多層結構之發電器通常發電效率不佳(電流密度低)，且製作成本較高，商業利用性較低。因此，本領域亟需發展出一種具有極佳發電效率(具有高電流密度)，且製作成本低廉，具高商業利用性之微型發電器。
本發明提供了一種具有新穎結構之微型發電器，其利用了壓電材料的性質，蒐集環境中的力學能(如，震動、扭動、擠壓等等)，並將此力學能轉換成電能，而提供發電效果。
本發明之微型發電器係包括：至少一導電纖維；以及至少一壓電陶瓷層，係覆蓋於該至少一導電纖維之表面，其中，當施力於該表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
本發明之微型發電器由於可使用便宜之導電纖維原料進行製造，因此製作成本低，且由於本發明之微型發電器之製備步驟簡單，因此容易大量生產。此外，本發明之微型發電器可傳導較高的電流密度，是習知技術(例如，「電極-層狀壓電材料-電極」所構成之多層結構之發電器)所無法達成的。再者，本發明之形狀為纖維狀之微型發電器(即，表面覆有壓電層之纖維)，可應用範圍相較於習知層狀發電器更佳廣泛。例如，可將本發明之纖維狀微型發電器進行織造成為具有發電性質之織布，或是視各種使用情形而進行調整，成為各種型態之發電裝置。因此，本發明之微型發電器之應用範圍相較於習知層狀發電器更廣泛許多。
本發明之微型發電器中，該導電纖維較佳係碳纖維、導電聚酯纖維、或不鏽鋼纖維、銅線、銀線等一般金屬線，更佳為碳纖維。碳纖維為容易取得之材料，因此可降低本發明之微型發電器的生產成本。並且，由於碳纖維導電性佳，相較於導電聚酯纖維可承受更高的電流密度，提升微型發電器之發電效率。此外，碳纖維相較於金屬線更具韌性佳之優點。
本發明之微型發電器中，所包含之導電纖維之數目較佳係為1以上，且該每一導電纖維之表面較佳皆覆蓋有一壓電陶瓷層。本發明之微型發電器中，導電纖維之數目越多，微型發電器整體可輸出之電流越大。
本發明之微型發電器中，該導電纖維之直徑較佳可為0.5μm至100μm。
本發明之微型發電器中，該壓電陶瓷層之材料較佳可選自由：鈦酸鋇(BaTiO3 ,BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zr0.53 Ti0.47 )O3 ,PZT)、石英(Quartz)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、及氧化鋅(ZnO)所組成之群組，更佳可為氧化鋅(ZnO)。
本發明之微型發電器中，該壓電陶瓷層之厚度較佳可為0.5至1500之間。
本發明更提供一種微型發電器之製備方法，包括步驟：(A)提供至少一導電纖維；以及(B)形成一壓電陶瓷層於該至少一導電纖維之表面，其中，當施力於該表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
本發明之微型發電器之製備方法由於使用了便宜之導電纖維原料進行製造，因此生產成本低。且由於步驟簡單，故有利於大量生產。此外，利用本發明之方法所製得之微型發電器可傳導較高的電流密度，是習知技術所無法達成的。再者，本發明之方法所製得之微型發電器的形狀為纖維狀，因此可應用範圍相較於習知層狀發電器更加廣泛。例如，可將本發明之方法所製得之纖維狀微型發電器進行織造成為具有發電性質之織布，或是視各種使用情形而進行調整，成為各種型態之發電裝置。
本發明之微型發電器之製備方法中，該導電纖維較佳係碳纖維、導電聚酯纖維、或不鏽鋼纖維、銅線、銀線等一般金屬線，更佳為碳纖維。碳纖維為容易取得之材料，因此可降低本發明之微型發電器的生產成本。並且，由於碳纖維導電性佳，相較於導電聚酯纖維可承受更高的電流密度，提升微型發電器之電效率。此外，碳纖維相較於金屬線更具韌性佳之優點。
本發明之微型發電器之製備方法中，該導電纖維之直徑較佳可為0.5μm至100μm。
本發明之微型發電器之製備方法中，該步驟(B)中之壓電陶瓷層較佳可經由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)、溶膠凝膠法(sol gel)、化學氣相沈積法(CVD)形成於該至少一導電纖維之表面，更佳係使用原子層沉積法。
本發明之微型發電器之製備方法中，該壓電陶瓷層之材料較佳可選自由：鈦酸鋇(BaTiO3 ,BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zr0.53 Ti0.47 )O3 ,PZT)、石英(Quartz)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、及氧化鋅(ZnO)所組成之群組，更佳可為氧化鋅(ZnO)。
本發明又提供一種發電元件，其包括：至少一導電纖維；至少一壓電陶瓷層，係覆蓋於該至少一導電纖維之表面；至少一電極，係連接至該覆有壓電陶瓷層之導電纖維的兩端；以及一基板，係用以固定該電極以及該些表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維；其中，當施力於該發電元件並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
本發明之發電元件由於使用了便宜之導電纖維原料，因此生產成本低。且由於本發明之發電元件之製備步驟簡單，故有利於大量生產。此外，利用本發明之方法所製得之發電元件可傳導較高的電流密度，是習知技術所無法達成的。
本發明之發電元件中，該壓電陶瓷層之材料較佳可選自由：鈦酸鋇(BaTiO3 ,BT)、鈦酸鉛鋯(Pb(Zr0.53 Ti0.47 )O3 ,PZT)、石英(Quartz)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽、氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、及氧化鋅(ZnO)所組成之群組，更佳可為氧化鋅(ZnO)。
本發明之發電元件中，該導電纖維較佳可為碳纖維、導電聚酯纖維、或不鏽鋼纖維、銅線、銀線等一般金屬線，更佳為碳纖維。碳纖維為容易取得之材料，因此可降低本發明之微型發電器的生產成本。並且，由於碳纖維導電性佳，相較於導電聚酯纖維可承受更高的電流密度，提升微型發電器之發電效率。此外，碳纖維相較於金屬線更具韌性佳之優點。
本發明之發電元件中，該導電纖維之直徑較佳可為0.5μm至100μm。
本發明之發電元件中，該壓電陶瓷層之厚度較佳可為0.5至1500之間。
[實施例1]
如圖2A至2C所示，首先，(A)提供多數個碳纖維21(圖2A)。接著，(B)使用原子層沉積法(atomic layer deposition)於此些碳纖維21表面形成厚度約500之氧化鋅(ZnO)壓電陶瓷層22，以得到本實施例之微型發電器20，即表面覆有氧化鋅壓電陶瓷層22之碳纖維21(圖2B)。接著，於該表面覆有氧化鋅壓電陶瓷層22之碳纖維21(即，微型發電器20)之兩端形成金屬層23(可藉由塗佈銀膠或其他導電膠來形成，或使用電鍍方法)，以使其固定於一具可撓性之基板24上。金屬層23同時也作為電極。最後，於該表面覆有氧化鋅壓電陶瓷層22之碳纖維21上塗布一層膠水25(係以樹脂為材料)，膠水25風乾後可做為保護層，阻絕外界灰塵、水氣等干擾。注意，為達到保護功能，膠水25較佳需覆蓋金屬層23與該表面覆有氧化鋅壓電陶瓷層22之碳纖維21之相接處，但不可完全覆蓋金屬層23(也就是電極)，否則無法與外界電路結合。如此，則得到本實施例之發電元件2(圖2D)。如圖2B所示，本實施例之微型發電器20包括有數個碳纖維21(導電纖維)、以及覆於碳纖維21表面之氧化鋅(ZnO)壓電陶瓷層22。其中，如圖2E所示，當施力於本實施例之發電元件2，使該微型發電器20(表面覆有壓電陶瓷層22之碳纖維21)產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
[實施例2]
本實施例之發電元件係如實施例1中所描述之相同步驟進行製備，但其中，步驟(B)係以溶膠凝膠法(sol gel)代替原子層沉積法，並以導電聚酯纖維取代碳纖維來進行製備。
[測試例1]
取實施例1所製得之微型發電元件2進行電流測試，其結果如圖3所示。經由實驗測試電流結果可知，本發明所製得之微型發電元件所得到的輸出電流約為2.13×10-9 安培。其中碳纖維之直徑約為5×10-6 公尺。以此換算出之電流密度約為1.08×107 nA/cm2 ，係遠大於已知的氧化鋅微型發電元件。在此，需知道的是，電流測試所得到之輸出電流係與測試時施力之大小、快慢、方式有關。本測試例中係以手動方式進行施壓，故輸出電流值之大小有少許差距。若以機械穩定施壓，而進行電流測試，則可得到一穩定訊號。
[測試例2]
本實施例所示之製程，可輕易並聯更多壓電纖維，倍數提高輸出電流。如圖4所示，以與實施例1相同製程但使用更多數量之碳纖維所製得之另一微型發電元件(圖未示)進行電流測試，所得到之最大輸出電流即可提高至30×10-9 安培，。注意圖4中僅約4秒時產生之30nA訊號為真實訊號，其餘擾動都是不規則的背景訊號。圖3與圖4之電流雜訊值有所差異，這是因為不同元件具有不同的本質電性(電阻、電容等)，因此對量測系統施加之背景交流訊號亦有不同反應。
[比較例]
如圖5所示，將複數碳纖維21以金屬層23固定於一可撓式基板24上以製造一元件3。本比較例中，複數碳纖維21之表面並沒有塗布壓電陶瓷層，因此元件3是單純由碳纖維21(以及電極等)構成的元件。
將此元件3進行電流測試，其結果如圖6所示。此元件之雜訊值約與測試例2之元件相等，由結果可看出此元件3並沒有壓電效果。這證明了本發明實施例1與實施例2之微型發電器20經測試得到的輸出電流確實來自壓電材料(壓電陶瓷層)，而並非是因待測物形變，或系統、環境因素等而偵測到的錯誤訊號。
綜上所述，本發明之微型發電器及/或微型發電元件由於可使用便宜之導電纖維原料進行製造，因此製作成本低，且由於本發明之微型發電器及/或微型發電元件之製備步驟簡單，因此容易大量生產。此外，經由本發明之電流測試結果可知，本發明之微型發電器及/或微型發電元件可傳導較高的電流密度，是習知技術(例如，「電極-層狀壓電材料-電極」所構成之多層結構之發電器)所無法達成的。再者，本發明之形狀為纖維狀之微型發電器(即，表面覆有壓電層之碳纖維)，可應用範圍相較於習知層狀發電器更加廣泛。例如，可將本發明之纖維狀微型發電器進行織造成為具有發電性質之織布，或是視各種使用情形而進行調整，成為各種型態之發電裝置。因此，本發明之微型發電器之應用範圍相較於習知層狀發電器更廣泛許多。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10‧‧‧壓電發電裝置
11‧‧‧電極層
12‧‧‧電極層
13‧‧‧力
2‧‧‧發電元件
20‧‧‧微型發電器
21‧‧‧碳纖維
22‧‧‧壓電陶瓷層
23‧‧‧金屬層
24‧‧‧基板
25‧‧‧膠水
3‧‧‧元件
圖1係一習知壓電發電裝置之示意圖。
圖2A至2E係本發明實施例1之製備流程圖。
圖3係本發明測試例之電流測試結果圖。
圖4係本發明測試例之電流測試結果圖。
圖5係本發明比較例之元件之示意圖。
圖6係本發明比較例之元件電流測試結果圖。
20．．．微型發電器
21．．．碳纖維
22．．．氧化鋅陶瓷層

Claims (13)

  1. 一種微型發電器，其包括：至少一導電纖維，其中，該導電纖維之直徑係為0.5μm至100μm；以及至少一壓電陶瓷層，係覆蓋於該至少一導電纖維之表面，其中，當施力於該表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微型發電器，其中，該導電纖維係一碳纖維。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微型發電器，其中，該微型發電器所包含之該導電纖維之數目係為1以上，且該每一導電纖維之表面皆覆蓋有一壓電陶瓷層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微型發電器，其中，該壓電陶瓷層之材料係為氧化鋅(ZnO)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微型發電器，其中，該壓電陶瓷層之厚度係為0.5Å至1500Å之間。
  6. 一種微型發電器之製備方法，包括步驟：(A)提供至少一導電纖維，其中，該導電纖維之直徑係為0.5μm至100μm；以及(B)形成一壓電陶瓷層於該至少一導電纖維之表面，其中，當施力於該表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之微型發電器之製備方法，其中，該導電纖維係一碳纖維。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之微型發電器之製備方法，其中，該步驟(B)中之壓電陶瓷層係經由使用原子層沉積法(atomic layer deposition)而形成於該至少一碳纖維之表面。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之微型發電器之製備方法，其中，該壓電陶瓷層之材料係為氧化鋅(ZnO)。
  10. 一種發電元件，其包括：至少一導電纖維，其中，該導電纖維之直徑係為0.5μm至100μm；至少一壓電陶瓷層，係覆蓋於該至少一導電纖維之表面；至少一電極，係連接至該覆有壓電陶瓷層之導電纖維的兩端；以及一基板，係用以固定該電極以及該些表面覆有壓電陶瓷層之導電纖維，且該導電纖維係平行於該基板；其中，當施力於該發電元件並使其產生形變時，係產生電能而達到發電效果。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發電元件，其中，該壓電陶瓷層之材料係為氧化鋅(ZnO)。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之發電元件，其中，該導電纖維係一碳纖維。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發電元件，其中，該壓電陶瓷層之厚度係為0.5Å至1500Å之間。
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