專利名稱：一種紙基柔性發(fā)電裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種紙基柔性發(fā)電裝置及其制造方法，其包括新型柔性基底，并具備高電能輸出、成本低廉、便于加工制造和適用面廣等特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
能源是人類發(fā)展必不可缺的資源，從環(huán)境中更加有效方便地獲取能源一直是人類的追求。近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的持續(xù)惡化，尋找綠色環(huán)保的供能方式顯得更加迫切。實(shí)際上，人類平時(shí)生活的環(huán)境甚至是人類自己就是一個(gè)有效的能源來(lái)源，因?yàn)槿梭w的動(dòng)作如行走，以及人體動(dòng)作帶動(dòng)其他物件的運(yùn)動(dòng)如翻書(shū)等，都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能，收集并利用這些被忽視的能源是很有前景的。相應(yīng)地，能夠?qū)h(huán)境中的機(jī)械能有效轉(zhuǎn)換成電能的柔性發(fā)電裝置已經(jīng)問(wèn)世。柔性發(fā)電裝置除了具有可卷曲彎折、輕薄、便于貼合運(yùn)動(dòng)物體來(lái)更有效地收集能源等特點(diǎn)外，更重要的是適合與新型的柔性電子器件相集成，并為其提供能源。目前，韓國(guó)三星公司等領(lǐng)頭電子企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了柔性顯示屏幕概念手機(jī)，預(yù)示著柔性個(gè)人電腦以及智能電子書(shū)等產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展。而且從能源問(wèn)題與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，開(kāi)發(fā)能與目前柔性電子器件集成、并能夠方便有效地收集環(huán)境能源的柔性發(fā)電裝置很有必要。傳統(tǒng)的柔性發(fā)電裝置主要是基于壓電效應(yīng)而制作的柔性發(fā)電機(jī)。這些柔性發(fā)電機(jī)一般是基于氧化鋅、聚偏二氟乙烯、鋯鈦酸鉛等一維納米材料壓電效應(yīng)的器件。然而，這類發(fā)電機(jī)在應(yīng)用方面仍然存在許多問(wèn)題第一，其繁瑣的制作過(guò)程涉及材料的精細(xì)加工，器件的精密封裝，相應(yīng)導(dǎo)致其成本相當(dāng)高昂，無(wú)法投入批量生產(chǎn)應(yīng)用；第二，這類發(fā)電機(jī)的輸出功率一般也比較低，需要對(duì)一個(gè)小電容充電數(shù)小時(shí)后積累的電量才能點(diǎn)亮一個(gè)LED;第三，這類發(fā)電機(jī)采用的基底大多是高分子塑料制品，這些塑料制品大多環(huán)境不友好，而且價(jià)格相對(duì)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷和/或技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種紙基柔性發(fā)電裝置及其制造方法，其通過(guò)對(duì)基底材質(zhì)、工作元件的材料和工作原理、器件結(jié)構(gòu)及其制造工藝等方面的改進(jìn)，可獲得成本更為低廉、便于加工、具備高輸出功率，并且尤其適用于與其他柔性電子器件相集成的柔性發(fā)電裝置。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種紙基柔性發(fā)電裝置，其特征在于，該紙基柔性發(fā)電裝置包括第一組件，該第一組件由紙基絕緣層和沉積于該紙基絕緣層表面的第一金屬導(dǎo)電層共同組成，并且所述第一金屬導(dǎo)電層的邊緣形成有第一電極；第二組件，該第二組件由紙基絕緣層、沉積于該紙基絕緣層表面的第二金屬導(dǎo)電層，以及涂覆在該第二金屬導(dǎo)電層表面上的駐極體材料層共同組成，并且所述第二金屬導(dǎo)電層的邊緣形成有第二電極，其中所述第一、第二組件通過(guò)封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且所述第一金屬導(dǎo)電層與所述駐極體材料層之間相互對(duì)置，并具備一定間隙。通過(guò)以上構(gòu)思，當(dāng)按壓及釋放該紙基柔性發(fā)電裝置時(shí)，駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層之間的間隙發(fā)生變化，電容也會(huì)隨著發(fā)生變化，并導(dǎo)致電子在電極聯(lián)通的外電路中振蕩，形成交流電流。尤其是，通過(guò)較多的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，這種紙基的柔性發(fā)電裝置便于與其他柔性材質(zhì)結(jié)合起來(lái)并有效搜集機(jī)械能，譬如當(dāng)將其粘貼于書(shū)頁(yè)上，利用翻動(dòng)書(shū)頁(yè)來(lái)回的動(dòng)作就能夠點(diǎn)亮兩個(gè)藍(lán)色LED或者是液晶顯示屏，也證明它具有與柔性電子器件集成并為其提供能源的潛力。此外，該發(fā)電裝置的基底是紙基材質(zhì)，可以折疊彎曲、便于加工，并具備成本低廉，污染程度低，發(fā)電穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此尤其適用于與其他柔性電子裝置的集成及日常生活應(yīng)用。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述紙基絕緣層由牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)構(gòu)成；所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、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、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯這些材料中的一種或其組合。通過(guò)選擇柔韌性能好的上述紙質(zhì)材料作為絕緣層，可以相應(yīng)獲得易于彎曲折疊、成本低廉且易于與其他柔性電子器件加工集成的效果；此外，通過(guò)適當(dāng)?shù)鸟v極體材料，其具備良好的吸附和保存電荷的性能，可以產(chǎn)生高輸出功率，同時(shí)具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點(diǎn)。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一、第二金屬導(dǎo)電層由金、銀、銅或者鋁等材料構(gòu)成。通過(guò)將第一、第二金屬導(dǎo)電層的材質(zhì)具體限定為以上類型，較多的對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，其能夠與紙基絕緣層及駐極體材料層很好地配合工作，并具備較高的輸出功率。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層相對(duì)置的表面上，力口工有多個(gè)微納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)駐極體材料層表面加工獲得多個(gè)微納米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增加其表面積，從而提高其吸附與保持電荷的能力。相應(yīng)地，當(dāng)這種具有微納米級(jí)別凹凸結(jié)構(gòu)的駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層之間的間隙發(fā)生變化時(shí)，可以得到更高的輸出功率。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)第一組件的制備步驟將選自牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)磁控派射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第一金屬導(dǎo)電層，該第一金屬導(dǎo)電層的邊緣被加工形成第一電極且做引線處理；(b)第二組件的制備步驟將同樣選自牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)磁控濺射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第二金屬導(dǎo)電層，該第二金屬導(dǎo)電層位于邊緣處并具備一定面積的導(dǎo)電層被施加保護(hù)層，然后通過(guò)旋涂或噴涂方式將駐極體材料的懸浮液沉積在其余的表面區(qū)域，駐極體材料經(jīng)過(guò)烘干處理發(fā)生極化后，去除第二金屬導(dǎo)電層邊緣處的保護(hù)層，并在該位置加工形成第二電極且做引線處理；(c)紙基柔性發(fā)電裝置的封裝步驟
將通過(guò)步驟(a)、(b)所制得的第一和第二組件通過(guò)封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并使得第一金屬導(dǎo)電層與駐極體材料層之間相互對(duì)置，并具備一定間隙。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟(b)中，所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、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、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯這些材料中的一種或其組合?？傮w而言，按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置及其制造方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)1、通過(guò)對(duì)紙基發(fā)電裝置的基底以及產(chǎn)生電流元件的材料和發(fā)電工作原理的研究和改進(jìn)，能夠獲得較高的輸出功率，并可直接用于驅(qū)動(dòng)多種低功率的電子產(chǎn)品；2、通過(guò)采用各類柔韌性較好的紙張直接作為柔性發(fā)電裝置的基底，相應(yīng)獲得易于彎曲折疊、成本低廉，無(wú)污染且便于大批量加工制造的效果；此外，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)鸟v極體材料，其具備良好的吸附和保存電荷的性能，可以產(chǎn)生高輸出功率，同時(shí)具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點(diǎn)；3、該紙基柔性發(fā)電裝置整體采用柔性材料制成，可以折疊彎曲，便于與其他柔性電子器件進(jìn)行集成，因此尤其適用于與其他柔性電子裝置的集成及日常生活應(yīng)用。


圖1是按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是用于顯示按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所制得的紙基柔性發(fā)電裝置在頻率為40Hz，激振子推進(jìn)距離為1. 5mm的條件下，其電流、電壓以及功率隨負(fù)載電阻變化的曲線
圖2b是用于顯示按照本發(fā)明上述實(shí)施例所制得的紙基柔性發(fā)電裝置在頻率為40Hz，激振子推進(jìn)距離為1. 5mm的條件下，對(duì)一個(gè)4. 7μ F的電容充電的曲線圖；圖3是用于顯示將按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置譬如粘貼在書(shū)頁(yè)上，通過(guò)搜集翻書(shū)所產(chǎn)生的機(jī)械能來(lái)點(diǎn)亮LED的電路示意圖；圖4a、4b分別是用于顯示圖3a電路中流經(jīng)LED的電壓、電流隨時(shí)間變化的曲線圖。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中1-第一組件2-第二組件11-紙基絕緣層12-第一金屬導(dǎo)電層13-第一電極21-紙基絕緣層22-第二金屬導(dǎo)電層23-駐極體材料層24-第二電極
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1是按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置主要包括第一組件I和第二組件2，其中第一組件I由紙基絕緣層11 (譬如，其材質(zhì)可直接取自牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等這類柔韌性較好的紙張)和沉積在紙基絕緣層11 一個(gè)表面(圖示為下表面)上的第一金屬導(dǎo)電層12組成，并且第一金屬導(dǎo)電層的邊緣形成有第一電極13，該第一電極13通過(guò)引出導(dǎo)線即可與外部電路相連通；類似地，第二組件2由紙基絕緣層21、沉積在該紙基絕緣層21表面的第二金屬導(dǎo)電層22和涂覆在該導(dǎo)電層表面的駐極體材料層23共同組成，并且第二金屬導(dǎo)電層22的邊緣形成有第二電極24，該第二電極24同樣通過(guò)引出導(dǎo)線可與第一電極和外部電路相連通。上述第一、第二組件通過(guò)封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且第一金屬導(dǎo)電層12的下表面與駐極體材料層23的上表面之間相互對(duì)置，并具備譬如呈拱形的一定間距。當(dāng)使用該紙基柔性發(fā)電裝置時(shí)，通過(guò)從第一、第二電極引線連通，并按壓第一和第二組件使其駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層之間的間隙發(fā)生變化，在此彎曲和恢復(fù)的過(guò)程中，電容也會(huì)隨著發(fā)生變化，并導(dǎo)致電子在外部電路中振蕩，形成交流電流。例如,大量的測(cè)試試驗(yàn)表明，當(dāng)將此紙基柔性發(fā)電裝置粘貼于書(shū)頁(yè)上，通過(guò)搜集翻動(dòng)書(shū)頁(yè)所產(chǎn)生的機(jī)械能，即可產(chǎn)生一定程度的電流并帶動(dòng)這類發(fā)電機(jī)點(diǎn)亮兩個(gè)藍(lán)色LED或者液晶顯示屏。這證明其能與其他柔性電子器件進(jìn)行集成，并為其提供能源。此外，由于該發(fā)電裝置是基于紙基，可以折疊彎曲，便于加工，成本低廉，無(wú)污染，發(fā)電穩(wěn)定性好，因此尤其適用于柔性電子學(xué)研究領(lǐng)域，也可廣泛應(yīng)用于日常生活。下面將進(jìn)一步解釋按照本發(fā)明的紙基柔性發(fā)電裝置的基本工作原理。在不考慮邊緣效應(yīng)下，本發(fā)明紙基柔性發(fā)電裝置等效于平行平板電容。根據(jù)麥克斯韋方程組相關(guān)公式推導(dǎo)，在平衡時(shí)有下列公式1:
權(quán)利要求
1.一種紙基柔性發(fā)電裝置，其特征在于，該紙基柔性發(fā)電裝置包括 第一組件，該第一組件由紙基絕緣層和沉積于該紙基絕緣層表面的第一金屬導(dǎo)電層共同組成，并且所述第一金屬導(dǎo)電層的邊緣形成有第一電極； 第二組件，該第二組件由紙基絕緣層、沉積于該紙基絕緣層表面的第二金屬導(dǎo)電層，以及涂覆在該第二金屬導(dǎo)電層表面上的駐極體材料層共同組成，并且所述第二金屬導(dǎo)電層的邊緣形成有第二電極，其中 所述第一、第二組件通過(guò)封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且所述第一金屬導(dǎo)電層與所述駐極體材料層之間相互對(duì)置，并具備一定間隙。
2.如權(quán)利要求1所述的紙基柔性發(fā)電裝置，其特征在于，所述紙基絕緣層由牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)構(gòu)成；所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、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、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯這些材料中的一種或其組合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的紙基柔性發(fā)電裝置，其特征在于，所述第一、第二金屬導(dǎo)電層由金、銀、銅或者招等材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的紙基柔性發(fā)電裝置，其特征在于，在所述駐極體材料層與第一金屬導(dǎo)電層相對(duì)置的表面上，加工有多個(gè)微納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)。
5.一種用于制造紙基柔性發(fā)電裝置的方法，該制造方法包括下列步驟 (a)第一組件的制備步驟 將選自牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)磁控派射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第一金屬導(dǎo)電層，該第一金屬導(dǎo)電層的邊緣被加工形成第一電極且做引線處理； (b)第二組件的制備步驟 將同樣選自牛皮紙、繪圖紙、書(shū)面紙或者銅版紙等材質(zhì)的紙張切割成所需尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)磁控濺射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第二金屬導(dǎo)電層，該第二金屬導(dǎo)電層位于邊緣處并具備一定面積的導(dǎo)電層被施加保護(hù)層，然后通過(guò)旋涂或噴涂方式將駐極體材料的懸浮液沉積在其余的表面區(qū)域，駐極體材料經(jīng)過(guò)烘干處理發(fā)生極化后，去除第二金屬導(dǎo)電層邊緣處的保護(hù)層，并在該位置加工形成第二電極且做引線處理； (c)紙基柔性發(fā)電裝置的封裝步驟 將通過(guò)步驟(a)、(b)所制得的第一和第二組件通過(guò)封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并使得第一金屬導(dǎo)電層與駐極體材料層之間相互對(duì)置，并具備一定間隙。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，所述駐極體材料層的材質(zhì)選自于聚四氟乙烯、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、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯這些材料中的一種或其組合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種紙基柔性發(fā)電裝置，包括由紙基絕緣層和沉積于該紙基絕緣層表面的第一金屬導(dǎo)電層共同組成的第一組件，以及由紙基絕緣層、沉積于該紙基絕緣層表面的第二金屬導(dǎo)電層和涂覆在該第二金屬導(dǎo)電層表面上的駐極體材料層共同組成的第二組件。這兩個(gè)組件各自的邊緣分別搭建有電極并通過(guò)封裝工藝予以聯(lián)接，并且第一金屬導(dǎo)電層與駐極體材料層之間相互對(duì)置且具備一定間隙。本發(fā)明還公開(kāi)了相應(yīng)的制造方法。通過(guò)本發(fā)明，所獲得的柔性發(fā)電裝置成本更為低廉、便于加工、具備高輸出功率，并且尤其適用于與其他柔性電子器件相集成。
文檔編號(hào)H01L41/47GK103051244SQ20121054889
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者周軍, 鐘其澤, 鐘俊文, 胡彬, 胡琦旖, 王中林 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)