TWI776196B

TWI776196B - 低溫製造微型發電機的製程方法

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Publication number: TWI776196B
Application number: TW109125490A
Authority: TW
Inventors: 姬梁文; 朱彥霖; 黃柏崴; 盧廷松; 楊勝州; 朱東德
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2022-09-01
Also published as: TW202204245A

Abstract

為解決現行的微型發電機於製作過程中，因傳統的蝕刻技術步驟繁瑣不便的技術問題，本發明提供一種低溫製造微型發電機的製程方法，其步驟包含：1.蝕刻步驟，係備一第一銦錫氧化物(ITO)基板，利用一蝕刻圖板將該蝕刻圖板上的一蝕刻膏轉印在該第一銦錫氧化物基板上進行蝕刻，該蝕刻膏配方包含一酸性蝕刻液、N-甲基吡咯烷酮(1-methyl-2-pyrrolidone,NMP)以及二氧化矽奈米顆粒；2.氧化鋅柱長成步驟，係備有一第二銦錫氧化物基板，該第二銦錫氧化物基板上長有複數個氧化奈米柱；3.將該第一銦錫氧化物基板與該第二銦錫氧化物基板組立封裝，形成一微型發電機。

Description

低溫製造微型發電機的製程方法

一種微型發電機的製程方法，特別是一種低溫製造微型發電機的製程方法。

由於人類對於生活上一電能的需求日益增大，自然能源於未來將供不應求，為了能找到產生該電能有效的替代對策，一微型發電機的發展日漸興盛，利用該微型發電機的奈米結構形成便於攜帶或穿戴之一物品，於震動或晃動的情況下可將一機械能轉換成該電能。

現行的該微型發電機於製作過程中需在一銦錫氧化物基板上進行蝕刻，以達到後續該微型發電機最大效益，傳統的一蝕刻技術步驟多為在該銦錫氧化物基板上塗覆一光阻，再以一光罩覆蓋於該光阻上方，接著以一黃光照明進行蝕刻，清洗後該銦錫氧化物基板便可使用，由於塗佈該光阻以及照明步驟皆須在一黃光室中進行，且該光阻材料價格昂貴，蝕刻後的銦錫氧化物也需以特殊的洗滌液清洗，整個製成步驟皆繁瑣不便。

為解決現行的微型發電機於製作過程中，因傳統的蝕刻技術步驟繁瑣不便的技術問題，本發明提供一種低溫製造微型發電機的製程方法，其步驟包含：1.蝕刻步驟，係備一第一銦錫氧化物(ITO)基板，該第一銦錫氧化物基板底部為一玻璃板，該玻璃板上層鍍有一第一銦錫氧化物薄膜；再取有一蝕刻圖板，該蝕刻圖板為一網板，該蝕刻圖板上塗有一蝕刻膏，該蝕刻膏配方包含一酸性蝕刻液、N-甲基吡咯烷酮(1-methyl-2-pyrrolidone,NMP)以及二氧化矽奈米顆粒，將該蝕刻圖板網轉印在該第一銦錫氧化物薄膜上；隨後移除該蝕刻圖板，該蝕刻膏留置於該第一銦錫氧化物薄膜上進行蝕刻，而於其表面形成複數個凹孔；2.氧化鋅柱長成步驟，係備有一第二銦錫氧化物基板，該第二銦錫氧化物基板底部為一玻璃板，該玻璃板上層鍍有一第二銦錫氧化物薄膜；該第二銦錫氧化物薄膜上長有複數個氧化奈米柱；3.將該第一銦錫氧化物基板的蝕刻面與該第二銦錫氧化物基板長有的該複數個氧化鋅奈米柱面位置相對後組立封裝，形成一微型發電機。

其中，部分該氧化鋅奈米柱之一自由端對應可活動置於該第一銦錫氧化物薄膜表面之凹孔內，且部分該氧化鋅奈米柱可選擇地與該第一銦錫氧化物薄膜表面接觸導通。

其中，該第一銦錫氧化物薄膜表面具有與該蝕刻圖板相對應之一紋理。

其中，依據該第一銦錫氧化物基板阻值不同調整該蝕刻膏蝕刻的反應溫度，該蝕刻膏的蝕刻率與反應溫度成正比。

其中，利用該射頻磁控濺鍍技術，將氧化鋅濺鍍於該第二銦錫氧化物薄膜上，形成一氧化鋅層。

其中，利用一水熱法長成複數個氧化鋅奈米柱。

進一步，利用一射頻磁控濺鍍技術，該第一銦錫氧化物薄膜表面鍍上一鋁層。

進一步，控制該蝕刻膏轉印於該第一銦錫氧化物薄膜之厚度，使該紋理多樣化的展現。於該第一銦錫氧化物基板所欲區域給予相對較厚或薄的該蝕刻膏，展現較深或較淺的該紋理。

進一步，該氧化鋅奈米柱於長成時添加一掺雜劑改變該低溫製造微型發電機的發電能力。

進一步，該掺雜劑為一硫脲(SC(NH2)2)。

利用上述該蝕刻膏所進行該蝕刻步驟與現行蝕刻步驟比較，有以下較佳的優點：

1.該蝕刻步驟於一般環境下加抽風操作即可，可無須在黃光室內。

2.該蝕刻膏的價格低於現行使用的一光阻之價格。

3.該蝕刻圖板以網轉印的方式直接印在該第一銦錫氧化物薄膜上時不需使用到一光罩，該網板相對的亦比較便宜，該網板可依據所需決定尺寸，使用後該網板無須以特殊溶液清洗，清水洗滌即可。

4.該蝕刻步驟於網轉印時使用的一網轉印機與現行蝕刻步驟所使用的一曝光機或一雷射機相比便宜許多，網轉印時可同時檢查該第一銦錫氧化物基板之線路是否異常。

5.蝕刻膏可在室溫下進行蝕刻，因該第一銦錫氧化物基板阻值不同可調整蝕刻的反應溫度，其中，蝕刻率與反應溫度成正比。

6.該蝕刻步驟完成後該第一銦錫氧化物基板於陰暗處保存即可。

10:蝕刻步驟

11:第一銦錫氧化物基板

111:一第一玻璃板

112:第一銦錫氧化物薄膜

12:蝕刻圖板

121:蝕刻膏

113:紋理

13:鋁層

20:氧化鋅柱長成步驟

21:第二銦錫氧化物基板

211:第二玻璃板

212:第二銦錫氧化物薄膜

22:氧化鋅層

23:氧化鋅奈米柱

30:微型發電機

30A:複數個氧化鋅奈米柱組成的微型發電機

30B:複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機

30C:複數個10%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機

40:水槽

50:偵測儀

51:電極

圖1為本發明較佳實施例蝕刻步驟圖

圖2為本發明較佳實施例氧化鋅柱長成步驟

圖3為本發明較佳實施例使用圖

圖4為本發明較佳實施例電顯圖

圖5為本發明較佳實施例電流電壓圖

如圖1以及圖2，其為本發明較佳實施例所提供的一種低溫製造微型發電機的製程方法，其分別為一蝕刻步驟10以及一氧化鋅柱長成步驟20。

如圖1所示，其為本發明較佳實施例的該蝕刻步驟：1.備有一第一銦錫氧化物基板11，該第一銦錫氧化物基板底部為一第一玻璃板111，該第一玻璃板111上層鍍有一第一銦錫氧化物薄膜112。2.備有一蝕刻圖板12，該蝕刻圖板12為一網板，該蝕刻圖版12上塗有一蝕刻膏121，該蝕刻圖板12之紋理由該蝕刻膏121所成型，其中，該蝕刻膏121配方主要包含一酸性蝕刻液、N-甲基吡咯烷酮(1-methyl-2-pyrrolidone,NMP)以及二氧化矽奈米顆粒，將該蝕刻圖板12以網印的方式轉印在該第一銦錫氧化物薄膜上112。3.移除該蝕刻圖板12，該蝕刻膏121留置於該第一銦錫氧化物薄膜112上進行蝕刻。4.蝕刻完成移除/洗去殘留的蝕刻膏12，該第一銦錫氧化物薄膜112表面具有形成複數個凹孔或與該蝕刻圖板相對應之一紋理113。5.利用一射頻磁控濺鍍(RF magnetron sputtering,RF-sputtering)技術，於該第一銦錫氧化物薄膜112表面鍍上一鋁層13，該鋁層13厚度約為200nm。

其中，該二氧化矽奈米顆粒能不被該酸性蝕刻液所破壞，該蝕刻膏的黏度以該二氧化矽奈米顆粒來調控，且該蝕刻膏121可較長時間的維持其黏度，配置四個月後，該蝕刻膏121仍能與剛配置完成的黏度相比幾乎沒有減損，該蝕刻膏121的黏度可介於20至300Pa‧s之範圍，控制該蝕刻膏121的黏度使其可更佳的提升轉印到該第一銦錫氧化物薄膜112上之效果。

利用上述該蝕刻膏121所進行該蝕刻步驟10與現行蝕刻步驟比較，有以下較佳的優點：

1.該蝕刻步驟10於一般環境下加抽風操作即可，可無須在黃光室內。

2.該蝕刻膏121的價格低於現行使用的一光阻之價格。

3.該蝕刻圖板12以網轉印的方式直接印在該第一銦錫氧化物薄膜112上時不需使用到一光罩，該網板相對的亦比較便宜，該網板可依據所需決定尺寸，使用後該網板無須以特殊溶液清洗，清水洗滌即可。

4.該蝕刻步驟10於網轉印時使用的一網轉印機與現行蝕刻步驟所使用的一曝光機或一雷射機相比便宜許多，網轉印時可同時檢查該第一銦錫氧化物基板11之線路是否異常。

5.該蝕刻膏121可在室溫下進行蝕刻，因該第一銦錫氧化物基板11阻值不同可調整蝕刻的反應溫度，其中，蝕刻率與反應溫度成正比。

6.該蝕刻步驟10完成後該第一銦錫氧化物基板11於陰暗處保存即可。

其中，控制該蝕刻膏121轉印於該第一銦錫氧化物薄膜112之厚度以調整該第一銦錫氧化物薄膜上112蝕刻後之該紋理113的深度，可進一步的於該第一銦錫氧化物基板11調整各區域蝕刻後該紋理113的深度，使得該紋理113可以多樣化的展現。

如圖2所示，其為本發明較佳實施例的該氧化鋅柱長成步驟20：1.備有一第二銦錫氧化物基板21，該第二銦錫氧化物基板底部為一第二玻璃板211，該第二玻璃板211上層鍍有一第二銦錫氧化物薄膜212。2.利用該RF-sputtering技術，於真空的環境(5*10^-6Torr)下，將(直徑為3-in的)氧化鋅濺鍍於該第二銦錫氧化物薄膜212上，形成一氧化鋅層22，該氧化鋅層22的厚度約為100nm。3.利用一水熱法(hydrothermal method)長成複數個氧化鋅奈米柱23(如圖4)。

其中該熱水法的步驟及條件如下：1.將鍍有該氧化鋅層22的第二銦錫氧化物基板21浸入以比例1：2混和的0.05M六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2_6H2O)和0.1M環六亞甲基四胺(hexamethylenetetramine,C6H12N4,HMTA)溶液中。2.於95℃的環境下反應3小時長成該複數個氧化鋅奈米柱23。

將該第一ITO銦錫氧化物基板11以鍍有該鋁層13面與該第二ITO銦錫氧化物基板21長有該複數個氧化鋅奈米柱23面位置相對後組立封裝，組合成一微型發電機30，由於該第一ITO銦錫氧化物基板11蝕刻後表面呈現凹凸之紋理113，因此組裝後複數個該氧化鋅奈米柱23與該第一ITO銦錫氧化物基板11之間展現多種對應關係，例如，部分該氧化鋅奈米柱23之自由端抵靠於該第一ITO銦錫氧化物基板11表面或部分該氧化鋅奈米柱23之自由端可活動地置於該第一ITO銦錫氧化物基板11表面之凹孔內。

該氧化鋅奈米柱23於長成時可添加掺雜劑以改變該微型發電機發電的能力。本發明實施例中，將另外比較兩種微型發電機，二個該微型發電機分別以複數個5%硫-氧化鋅奈米柱以及複數個10%硫-氧化鋅奈米柱所構成。於熱水法反應時，在該混和的六水合硝酸鋅和環六亞甲基四胺溶液中添加不同濃度(5%以及10%)的一硫脲(SC(NH2)2)，使得硫可於長成時混入複數個氧化鋅奈米柱中，依據該硫脲濃度，分別形成該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱。

圖4所示為以電顯圖拍攝該複數個氧化鋅奈米柱、該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱長成後的型態。左排(a)、(b)、(c)分別為該複數個氧化鋅奈米柱、該複數個0.5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱俯視圖；右排(d)、(e)、(f)分別為該複數個氧化鋅奈米柱、該複數個0.5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱側視圖。以俯視圖中可以看到該複數個氧化鋅奈米柱、該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱多為一六角型截面；而側視圖中可以進一步的看出該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱以及該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱頂端大多呈現一尖椎狀(g)。

如圖3所示，本實施例中，將該微型發電機30放於一水槽40中，利用一超聲波儀器震盪該水槽中液體，間接使得該微型發電機30震動，該微型發電機30震動時，部分可活動的該氧化鋅奈米柱隨著晃動，此時該氧化鋅奈米柱可選擇地與該第一銦錫氧化物表面接觸導通發電。將一偵測儀(Keithly 2400)50與該微型發電機30連接，以偵測該微型發電機30震動發電時所輸出之電流以及電壓。該第一銦錫氧化物銦基板11以及該第二銦錫氧化物基板21旁各接上一電極51，該電極51與該微型發電機連接處為一銅帶，該電極51另一端接上該偵測儀50。該微型發電機30外加電壓介於-3V到+3V；總測量時間為1分鐘；將該超聲波儀器以間隔5秒的開關時間，觀察該微型發電機30於間隔開關的時間中的表面。結果如圖5所示，其為比較一複數個氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30A和一複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30B以及一複數個10%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30C分別於震動發電時所產生的電流、電壓以及電流電壓圖。

如圖5所示，(a)圖為各該微型發電機震動發電時電壓-時間圖；(b)圖為各該微型發電機震動發電時電流-時間圖、(c)為各該微型發電機震動發電時電流-電壓圖。

如(a)圖所示，可得知該複數個氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30A震動發電時輸出的平均電壓約為33.4mV；由該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30B震動發電時輸出的平均電壓約為150mV，而由該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30C震動發電時輸出的平均電壓約為17 mV，可以進一步的發現該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的該微型發電機30B震動發電時輸出的平均電壓明顯高於其他二個該微型發電機。

如(b)圖所示，可得知由該複數個氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30A震動發電時輸出的平均電流約為0.25μA；由該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30B震動發電時輸出的平均電流約為0.16μA，而由該複數個10%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機震動30C發電時輸出的平均電流約為0.0572 l μA。

進一步的利用(a)圖以及(b)圖的結果進一步的製成(c)圖所示的電流-電壓圖，比較中可以看到由該複數個5%硫-氧化鋅奈米柱組成的微型發電機30B震動發電時表現出較佳的蕭特基曲線。