【材料科技】讓穿戴裝置不用再充電

■無論穿戴式裝置的功能再怎麼先進,速度再怎麼快,電不夠用永遠是一大難題,因此可以自我充電的裝置就成了許多人的夢想……

416313131撰文|方程毅

穿戴裝置例如手錶、護腕或是衣服褲子等等,在不久的將來可能都會配有功能更齊全更耗電的電子元件,尤其像是檢測身體狀況或遠端控制其他裝置這類功能都需要穩定的供電。現今3C產品都大多利用外接電源充電,但若要使用者每天除了手機跟電腦外,還要再充手錶、衣服、褲子或鞋子,大概也沒人受的了。因此能夠自己產生能量的元件對於穿戴裝置就格外重要,這種元件的出現將大大增加使用的便利性。

講到不外接充電且自己發電產生能量,大家心中最直覺的想法應該就是太陽能電池,但是太陽光實在不是一個可靠的能量來源,尤其在北台灣,夏天下雨冬天也下雨,一年能照到太陽的天數太少且不穩定,要使用者「看天吃飯」那產品大概也就不用賣了,因此要發電,最好靠自己。

於是聰明的科學家就想出了一個妙點子:摩擦起電。

雖然摩擦起電起的是靜電,但藉由適當的方法就可以使用這些電荷。南韓成均館大學Sang-Woo Kim教授便研發出利用摩擦起電產生能量的裝置,發表於2015年《ACS Nano》期刊上,並獲得知名網站ScienceDaily的專題報導。不同於電池,穿戴裝置上的發電元件必須要是柔軟的,否則沒有人會想穿一件附有一顆硬梆梆電池的衣服,因此Sang-Woo Kim教授便用以紡織品為基底,再披覆上銀(Ag)薄膜、氧化鋅(ZnO)奈米柱以及PDMS這種高分子,使整個發電裝置是可以彎曲的,並且稱其為wearable triboelectric nanogenerators (WTNG),字面上的解釋就是可穿戴式摩擦起電奈米發電機,聽起來很酷吧!

圖1 WTNG工作原理 (a)未施加壓力前的初始狀態 (b-e)發電原理與電荷電流分布圖
WTNG工作原理 (a)未施加壓力前的初始狀態 (b-e)發電原理與電荷電流分布圖

WTNG的工作原理如上圖,銀色的柱狀體是披覆有銀(Ag)的紡織物,而淺藍色的便是PDMS的奈米結構。這兩層之間不斷的觸碰跟分開就會周而復始的產生方向相反的電流。初始狀態下兩層都是電中性(如圖(a)),但是在施加壓力接觸之後(圖(b))便產生靜電(披覆有銀的紡織物帶正電、PDMS帶負電),當兩者分開後,因為距離變遠,正負電荷相吸的引力就變小,因此電荷往外電路移動,形成一逆時針的電流,當電荷流走之後便回復平衡狀態(圖(d)),接著再一次施加壓力讓兩者接近,正負電相吸引,就再從外電路把電荷補回來形成一順時針電流(圖(e)),電荷流走之後又回復平衡狀態(圖(b)),因此在每一個接近與分開的瞬間都會產生電流,不斷周而復始便可以為穿戴裝置提供能量。

可想而知,只有一組這樣的結構想必能產生的電流不夠多,因此Sang-Woo Kim教授便將多組結構堆疊起來,隨著施加的壓力越大產生的電壓越強、電流越大。實驗數據顯示這個結構最大可以產生170V的電壓及120μA的電流(當然是施加極大的壓力下進行量測,實際使用是不可能施加非常大的壓力的)。不僅發電效果佳,WTNG的持久性也同樣很有潛力,經過12000次循環之後,發電的表現依然非常穩定。

Sang-Woo Kim教授也將WTNG實際運用在穿戴裝置上,他們展示了衣服上的LED燈、小型LCD、口袋型功率調節器、護腕型遙控器等等。這些都只利用WTNG充電,而無需使用任何的外加電源或充電器。這麼一個簡單的裝置及原理卻有如此大的用途,實在是要讓我們再一次佩服科學家的創意的智慧啊。

參考資料及圖片來源:

  1. Wanchul Seung, Manoj Kumar Gupta, Keun Young Lee, Kyung-Sik Shin, Ju-Hyuck Lee, Tae Yun Kim, Sanghyun Kim, Jianjian Lin, Jung Ho Kim, Sang-Woo Kim.Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric NanogeneratorACS Nano, 2015; 150216090814005 DOI: 10.1021/nn507221f
  2. American Chemical Society. "Energy-generating cloth could replace batteries in wearable devices." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 March 2015. <www.sciencedaily.com/releases/2015/03/150304110352.htm>.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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