TWI725900B - 具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途 - Google Patents

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本發明係關於一種具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途，具重疊微針結構摩擦層表面具有複數個重疊微針，且製造方法為於一基板上以一雷射方法加工複數個微米或奈米孔穴，以獲得一母模；以該母模為模版，再以一矽膠材料進行翻模，以獲得該具重疊微針結構摩擦層；本發明製得的具重疊微針結構摩擦層具有較高的表面積，可提高摩擦發電效能，此外本發明之具重疊微針結構摩擦層對於外力具有極高的靈敏度，亦可應用於壓力感測。

Description

具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途
本發明關於一種具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途，本發明製得的具重疊微針結構摩擦層具有較大的表面積以提高發電效能。
摩擦奈米發電機(triboelectric nanogenerator，TENG)或是摩擦發電機(triboelectric generator，TEG)為一種結合摩擦起電以及靜電感應的發電裝置，利用不同摩擦層之間的電子親和力差異，於材料互相摩擦電荷轉移之後、極化材料內的電荷分布，因此可將機械能轉換成電能，並儲存於電容器內，以作為一種可以持續利用的綠色能源，此外摩擦奈米發電機也可應用於具有自供電功效的商業感測器裝置；又，摩擦奈米發電機的體積通常較小，也可作為可攜帶式的發電機使用。
傳統的摩擦奈米發電機的摩擦層設計，除了材料選擇外，就是藉由提高摩擦層的接觸面積從而提升輸出的電性能，且目前摩擦層的表面形貌可為具有立方體，金字塔、圓頂的分離微針，但現有摩擦奈米發電機的發電功效仍然較為不足，且摩擦層的製備方法也較繁複，於製造時仍具有較高的成本。
今，發明人有鑑於現有摩擦奈米發電機於實際使用仍有不足之處，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明關於一種具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途，其中具重疊微針結構摩擦層的製造方法包含：於一基板上以一雷射加工機加工以製造複數個微米或奈米孔穴，並獲得一母模；以及以該母模為模版，再一矽膠材料進行翻模，以獲得該具重疊微針結構摩擦層，所製得的摩擦層表面具有複數個重疊微針結構，且該重疊微針具有至少一種的針高形貌。本發明具重疊微針結構摩擦層可應用於製造摩擦發電機，或是進一步應用於感測壓力；將一外力施予包含本發明具重疊微針結構摩擦層的摩擦發電機，會產生一電壓，將該電壓值與一標準曲線比對後，可獲得產生該電壓值的對應外力的數值，將該對應外力的數值除以本案外力施加於摩擦層的接觸面積，便可以換算得到一壓力值。
於本發明之一實施例中，基板為壓克力基板。
於本發明之一實施例中，矽膠材料為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)。
於本發明之一實施例中，雷射方法係使用二氧化碳雷射加工機加工出該複數個重疊微孔穴。
藉此，本發明之具重疊微針結構摩擦層的製備方法簡單，且該重疊微針結構大幅提高了摩擦層受到外力之後變形的接觸面積，進而提高摩擦發電機的發電功效；此外，本案製得的具重疊微針結構摩擦層對於外力的靈敏度高，於施加不同外力的情況下會產生不同的電壓，因此也可以應用於壓力感測。
為令本發明之技術手段其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲藉由下述具體實施例，詳細說明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍，請一併參閱揭露之圖式。
本發明關於一種具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途，具重疊微針結構摩擦層的表面具有複數個重疊微針，且該重疊微針具有至少一種的針高形貌；其製造方法包含：於一基板上以一雷射方法加工複數個重疊微孔穴，重疊微孔穴可為微米或奈米孔穴，以獲得一母模；以及以該母模為模版，再以一矽膠材料進行翻模，以獲得具重疊微針結構摩擦層；於本案之較佳實施例中，製作母模的基板可為壓克力基板，用於翻模的矽膠材料可為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)，又用於製造母模的雷射方法可使用二氧化碳雷射加工機進行。
本發明之具重疊微針摩擦層可應用於製備摩擦奈米發電機，亦可進一步應用於感測壓力。本發明具重疊微針摩擦層製備的奈米發電機，包含至少一具重疊微針結構摩擦層，至少一電極，以及至少一電線，該電線係電性連接該至少一摩擦層與該至少一電極。
請參見第一圖，為本發明以二氧化碳雷射加工機於基板上製造微孔穴結構之示意圖，上方的圖為基板各個微孔穴的排列俯視示意圖，下方則為該基板的微孔穴剖視示意圖，請參見第一圖(A)，若是於雷射加工時，每單一微孔穴之間並無相連，則於壓克力母模中的每一孔穴都是獨立的孔穴，且翻模之後所獲得的每一微針為分開(separated)的微針；再請參見的第一圖(B)，在加工微孔穴時，透過參數的調整，令加工出的微孔穴具有部分重疊區域時，則如第一圖(B)下方的剖視圖所示，所產生的重疊微孔穴會有一呈現曲折狀的底部，且其翻模後的每一微針之間彼此重疊，以形成連續的重疊微針結構。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
實施例一
先以一繪圖軟體，於一基板上繪製母模的平面圖，本實施例中使用壓克力基板作為母模的材料，且欲製作的母模外框大小為7 X 6 cm 2，而基板上欲加工重疊微孔穴的區域大小為6 X 5 cm 2；在此區域先繪製100列的等長直線，接著設定二氧化碳雷射加工機加工的參數，此實施例中是以功率6.9 W、掃描速率22.8 mm/s以及100 PPI(point per inch)之條件，在基板上加工出複數個重疊微孔穴，以獲得一壓克力母模；將加工完成的壓克力母模放入裝水的容器中，並以超音波震盪機清洗3分鐘，取出壓克力母模，再以氣槍吹乾壓克力母模。
接著，在壓克力母模對邊兩側邊緣0.5 cm寬度處，各平貼上三層耐熱膠帶，以控制後續製得的摩擦層的厚度。
再使用道康寧DC 184的灌封膠(Dow Corning Sylgard 184)，調配6 g的聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，後簡稱為PDMS)溶液，並將其攪拌均勻；又，道康寧DC 184的灌封膠內的主劑與固化劑的質量比例為10：1。
再將配好的PDMS溶液均勻的倒入壓克力母模中，使用真空泵抽氣1小時，並於抽氣完成後、以刮刀沿壓克力母模表面刮去多餘的PDMS溶液，最後將壓克力母模送入高溫爐中，以85℃烘烤1小時，烘烤完後將其靜置冷卻，最後進行翻模，以獲得一摩擦層。本實施例中，係同時以第一圖(A)所示的母模製備微針為分離狀態的摩擦層，又依照微針的密度，製備高密度微針摩擦層(後簡稱HD-MN)與低密度微針摩擦層(後簡稱LD-MN)，以及以第一圖(B)所示之母模製備具有重疊微針的重疊微針摩擦層(後簡稱OL-MN)。又請參見第二圖，為本實施例中三種摩擦層的表面形貌顯微鏡觀察照片，第二圖(A)為LD-MN的顯微鏡照片，上方為俯視顯微鏡照片，下方為側視顯微鏡照片，第二圖(B)為HD-MN的側視顯微鏡照片，而第二圖(C)為OL-MN的顯微鏡照片；根據第二圖(A)與第二圖(B)，分離微針摩擦層上，每一微針確實沒有彼此重疊的狀態，而第二圖(C)顯示OL-MN的表面的複數個微針結構，確實彼此重疊，且本實施例中OL-MN的重疊微針結構內每一微針的針高相似。
實施例二
先以一繪圖軟體，於一基板上繪製母模的平面圖，本實施例中使用壓克力基板作為母模的材料，且欲製作的母模外框大小為7 X 6 cm 2，而基板上欲加工重疊微孔穴的區域大小為6 X 5 cm 2；在此區域先繪製100列的等長直線；接著設定二氧化碳雷射加工機加工的參數，此實施例中是以功率6.9 W、掃描速率22.8 mm/s以及150 PPI之條件，在基板上產生複數個重疊微孔穴，以獲得一壓克力母模；將加工完成的壓克力母模放入裝水的容器中，並以超音波震盪機清洗3分鐘，取出壓克力母模，再以氣槍吹乾壓克力母模。請參見第三圖，為此實施例中雷射加工基板後、所形成孔穴的示意圖，此實施例中加工出的重疊微孔穴具有部分重疊區域，則第三圖下方的剖視圖所示，所產生的重疊微孔穴會有一呈現曲折狀的底部。
接著，在壓克力母模對邊兩側邊緣0.5 cm寬度處，各平貼上三層耐熱膠帶，以控制後續製得的摩擦層的厚度。
再使用道康寧DC 184的灌封膠，調配6 g的聚二甲基矽氧烷 (Polydimethylsiloxane，後簡稱為PDMS)溶液，並將其攪拌均勻；又，道康寧DC 184的灌封膠內的主劑與固化劑的質量比例為10：1。
再將配好的PDMS溶液均勻的倒入壓克力母模中，使用真空泵抽氣1小時，並於抽氣完成後、以刮刀沿壓克力母模表面刮去多餘的PDMS溶液，最後將壓克力母模送入退火爐中，以85℃烘烤1小時，並進行翻模，以獲得一具重疊微針結構摩擦層，此實施例製得的具重疊微針結構摩擦層稱之為OL-TH-MN，其表面形貌請參見第四圖，第四圖(A)為OL-TH-MN的俯視顯微鏡照片，第四圖(B)為OL-TH-MN的側視顯微鏡照片，根據第四圖(B)，OL-TH-MN的表面具有複數個重疊微針，且該些重疊微針內包含兩種不同粗細與高度的微針，二種微針以間隔的方式均勻排列於OL-TH-MN上。
實施例三
先以一繪圖軟體，於一基板上繪製母模的平面圖，本實施例中使用壓克力基板作為母模的材料，且欲製作的母模外框大小為7 X 6 cm 2，而基板上欲加工重疊微孔穴的區域大小為6 X 5 cm 2；在此區域先繪製100列的等長直線；接著設定二氧化碳雷射加工機加工的參數，此實施例中是以功率7.5 W、掃描速率22.8 mm/s以及單孔平均孔徑169 μm之條件，在基板上產生複數個重疊微孔穴，以獲得一壓克力母模；將加工完成的壓克力母模放入裝水的容器中，並以超音波震盪機清洗3分鐘，取出壓克力母模，再以氣槍吹乾壓克力母模。
接著，在壓克力母模對邊兩側邊緣0.5 cm寬度處，各平貼上三層耐熱膠帶，以控制後續製得的摩擦層的厚度。
再使用道康寧DC 184的灌封膠，調配6 g的聚二甲基矽氧烷 (Polydimethylsiloxane，後簡稱為PDMS)溶液，並將其攪拌均勻；又，道康寧DC 184的灌封膠內的主劑與固化劑的質量比例為10：1。
再將配好的PDMS溶液均勻的倒入壓克力母模中，使用真空泵抽氣1小時，並於抽氣完成後、以刮刀沿壓克力母模表面刮去多餘的PDMS溶液，最後將壓克力母模送入退火爐中，以85℃烘烤1小時，並進行翻模，以獲得一具重疊微針結構摩擦層，此實施例製得的具重疊微針結構摩擦層稱之為OL-DTH-MN，其表面形貌請參見第五圖，第五圖(A)為OL-DTH-MN的俯視顯微鏡照片，第五圖(B)為OL-DTH-MN的側視顯微鏡照片，根據第五圖(B)，OL-DTH-MN的表面具有複數個深重疊微針，且該些深重疊微針內包含兩種型態的微針，兩種微針以間隔的方式均勻排列於OL-DTH-MN上。
請參見表一，為上述LD-MN、HD-MN、OL-MN、OL-TH-MN以及OL-DTH-MN的特性比較表，根據表一，OL-MN、OL-TH-MN以及OL-DTH-MN的總表面積以及微針密度皆高於LD-MN與HD-MN，其中OL-MN的微針密度是LD-MN的2.85倍以及是HD-MN的1.51倍，又OL-TH-MN與OL-DTH-MN的微針密度相同，且是LD-MN的4.21倍以及是HD-MN的2.22倍：
表一
  母模 微針特性
  單孔平均孔間距 (μm 2) 單孔燒灼面積 (μm 2) 平均高度 (μm) 平均寬度 (μm) 總表面積 (mm 2) 密度 (微針/mm 2)
LD-MN 716 100659.7 2171 358 17604.8 229
HD-MN 394 71157.8 1431 301 19945.6 433
OL-MN 245 56410.4 1311 268 22916.8 654
OL-TH-MN 169 54739.1 1235 264 24380.8 965
OL-DTH-MN 169 58964.5 1528 274 29691.2 965
又，請參見表二，為LD-MN、HD-MN、OL-MN、OL-TH-MN以及OL-DTH-MN進行電流測試後所得到的開路電壓(open-circuit voltage)、短路電流(short-circuit current)以及短路電流密度(short-sircuit current density)的數值；根據表二，OL-DTH-MN具有最高的開路電壓、短路電流以及短路電流密度，表示OL- DTH-MN產生的電流為三者最高。
表二
  開路電壓 (V) 短路電流 (μA) 短路電流密度 (μA/cm 2)
LD-MN 33.6 29.5 0.98
HD-MN 110.4 62.7 2.09
OL-MN 123 109.7 3.6
OL-TH-MN 127 117.6 3.9
OL-DTH-MN 167 129.3 4.3
實施例四、充電測試
接著，再將一個具有往復行程的治具，於連結電極之後，例如一鋁電極板，使鋁電極板與OL-MN、HD-MN或是LD-MN重複接觸與分離，再將其產生的電流由一電線導出，經過橋式整流器後為一0.47μF的電容充電，並記錄其電壓改變情形，此外亦以相同的方法、同時測試習知具有高密度微針以及低密度微針的摩擦層，於此試驗中的電壓變化情形；請參見第六圖，OL-MN的充電電壓於3.6秒之內便升高到2 V，且其平均充電電壓可穩定維持在2.2 V上下；而HD-MN的平均充電電壓約為1.8 V、LD-MN的平均充電電壓約為1.2 V，此結果顯示三種摩擦層中，OL-MN確實具有較佳的充電效能，並可應用於自供電系統。
請再參見第七圖，為OL-MN、OL-TH-MN與OL-DTH-MN以上述方法經過橋式整流器後為一1 μF的電容充電，並記錄其電壓改變情形，進行充電測試的結果，此次測試中，OL-MN的平均充電電壓約為1.5 V，OL-TH-MN的平均充電電壓約為1.7 V，以及OL-DTH-MN的平均充電電壓約為2.3 V。
接著請再參見第八圖，為使用LD-MN、HD-MN、OL-MN以及OL-DTH-MN製備的摩擦發電機於點亮LED能力的測試結果；第八圖(A)之LD-MN摩擦發電機點亮18顆LED，第八圖(B)之HD-MN摩擦發電機點亮91顆LED，而第八圖(C)之OL-MN摩擦發電機則能點亮103顆LED，以及第八圖(D)之OL-DTH-MN摩擦發電機能點亮226顆LED，表示OL-MN摩擦發電機與OL-DTH-MN確實具有較佳的發電功效。
實施例四、力量感測應用
接著，在力量感測應用實施方式，將OL-MN與電極裝設完成，此處使用的電極為一鋁電極板，利用電線將鋁電極板與一示波器串聯，且示波器的另一端接地；再將不同重量的重物，分別負載於一個壓克力板上，並以懸空5公分的高度使其自然落下，並垂直撞擊鋁電極板，使鋁電極板與OL-MN產生接觸，再分別記錄OL-MN產生的電壓；請參見第九圖，為OL-MN對應不同重量重物所產生的電壓數值(第九圖中之「Experimental data」)，該電壓數值與重物的重量具有線性關係，顯示本案的OL-MN對於外力的變化具有高度敏感性，為0.77 VN -1，即每1N的外力，會產生電壓0.77 V的變化。
接著，請參見第十圖，為OL-DTH-MN以上述相同方法進行力量感測後的結果，根據第十圖，OL-DTH-MN對應於不同重量重物所產生的電壓數值，也與重物的重量具有線性關係，且OL-DTH-MN具有更高的敏感性，為1.03 VN -1。
進一步的，於繪製出外力-電壓數值的標準曲線後，便可將本案製得的具重疊微針結構摩擦層應用於測量外力以及壓力；以一外力施加於以本案具重疊微針摩擦層製備的摩擦奈米發電機，以獲得一電壓值，再將測得的電壓值對照外力-電壓數值的標準曲線，以獲得承受的外力數值，再將該外力數值除以外力施加於摩擦層的接觸面積，便可獲得壓力值。
綜上，本發明具重疊微針結構摩擦層的製造方法，是以雷射加工機於基板上挖設重疊微孔穴，所需要的成本低且操作時間短，執行上相當簡便，且可以挖設出密度更高的重疊微孔穴；又本案使用的母模可重複使用，鑄造過程使用的母模模具僅需約1小時的製作時間，具有達到商業化快速製作的生產的能力。
又，經過翻模後所得到的摩擦層，其表面具有的微針密度更高，且摩擦層的整體表面積也大幅提高，因此提高了以其製造的摩擦發電機發電效能；又，本案具重疊微針結構摩擦層對於壓力的靈敏度相當高，會因為施予不同大小的外力而對應輸出不同的電壓，因此亦可應用於製作可自供電的力學感測器或是壓力感測器。
此外，本案改善了以往製作微米或奈米結構時具有的高成本及耗時問題，且本案突破了以往TENG微結構形貌只能為金字塔、方柱形、圓頂和分離針狀等有限的結構；且本案使用簡單雷射參數調控便可以製作出具有多種表面微結構高度的重疊微針結構，與以往需要複雜加工參數才能對應製造多種形貌高度的方法也不同。
綜上所述，本發明具重疊微針結構摩擦層及其製造方法與用途，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；其；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
無
第一圖：本案以雷射方法製得之母模微孔穴結構示意圖。
第二圖：本案具微針結構摩擦層的顯微鏡觀察照片。
第三圖：本案以雷射方法製得之母模重疊微孔穴結構之第二示意圖。
第四圖：本案具重疊微針結構摩擦層之第二實施例顯微鏡照片。
第五圖：本案具重疊微針結構摩擦層之第三實施例顯微鏡照片。
第六圖：本案具重疊微針結構摩擦層的充電能力測試圖(一)。
第七圖：本案具重疊微針結構摩擦層的充電能力測試圖(二)。
第八圖：本案具分開或重疊微針結構摩擦層點亮LED之能力測試比較圖。
第九圖：本案具重疊微針結構摩擦層施加不同外力與產生電壓之分析圖(一)。
第十圖：本案具重疊微針結構摩擦層施加不同外力與產生電壓之分析圖(二)。
無

Claims (10)

  1. 一種具重疊微針結構摩擦層的製造方法，包含： 步驟一：於一基板上以一雷射方法加工出複數個重疊微孔穴，以獲得一母模；以及 步驟二：以該母模為模版，再以一矽膠材料進行翻模，以獲得該具重疊微針結構摩擦層； 其中，該具重疊微針結構摩擦層表面具有複數個重疊微針結構，且該重疊微針具有至少一種的針高形貌。
  2. 如請求項1所述之製造方法，其中該基板為壓克力基板。
  3. 如請求項1所述之製造方法，其中該矽膠材料為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)。
  4. 如請求項1所述之製造方法，其中該雷射方法係使用二氧化碳雷射加工機加工出該複數個微孔穴。
  5. 一種具重疊微針結構摩擦層，其表面包含複數個重疊微針，且該重疊微針具有至少一種針高，該具重疊微針結構摩擦層之製造方法為於一基板的表面以一雷射方法加工出複數個微孔穴，以獲得一母模，再以一矽膠材料以該母模為模板，進行翻模，以獲得該具重疊微針結構摩擦層。
  6. 如請求項5所述之具重疊微針結構摩擦層，其中該基板為壓克力基板，且該矽膠材料為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)。
  7. 如請求項5所述之具重疊微針結構摩擦層，其中該雷射方法係使用二氧化碳雷射加工機加工出該複數個微孔穴。
  8. 一種以請求項5-7項所述任一項之具重疊微針結構摩擦層所製備的摩擦發電機，包含至少一該具重疊微針結構摩擦層，至少一電極，以及至少一電線，該電線係電性連接該至少一摩擦層與該至少一電極。
  9. 一種以請求項5-7項所述任一項之具重疊微針結構摩擦層於外力與壓力感測的用途，係將一外力施予該摩擦層，記錄該摩擦層產生之電壓，並將電壓對照一標準曲線換算得該外力的數值，再將該外力的數值除以外力施加於摩擦層的接觸面積，以換算得一壓力值。
  10. 一種以請求項8所述之摩擦發電機於外力與壓力感測的用途，係將一外力施予該摩擦層，記錄該摩擦層產生之電壓，並將電壓對照一標準曲線換算得該外力的數值，再將該外力的數值除以外力施加於摩擦層的接觸面積，以換算得一壓力值。
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