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。
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，隨著能源危機的持續(xù)惡化，尋找綠色環(huán)保的供能方式顯得更加迫切。實際上，人類平時生活的環(huán)境甚至是人類自己就是一個有效的能源來源，因為人體的動作如行走，以及人體動作帶動其他物件的運動如翻書等，都會產(chǎn)生機械能，收集并利用這些被忽視的能源是很有前景的。相應地，能夠?qū)h(huán)境中的機械能有效轉(zhuǎn)換成電能的柔性發(fā)電裝置已經(jīng)問世。柔性發(fā)電裝置除了具有可卷曲彎折、輕薄、便于貼合運動物體來更有效地收集能源等特點外，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，韓國三星公司等領(lǐng)頭電子企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了柔性顯示屏幕概念手機，預示著柔性個人電腦以及智能電子書等產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展。而且從能源問題與技術(shù)發(fā)展趨勢來看，開發(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而制作的柔性發(fā)電機。這些柔性發(fā)電機一般是基于氧化鋅、聚偏二氟乙烯、鋯鈦酸鉛等一維納米材料壓電效應的器件。然而，這類發(fā)電機在應用方面仍然存在許多問題第一，其繁瑣的制作過程涉及材料的精細加工，器件的精密封裝，相應導致其成本相當高昂，無法投入批量生產(chǎn)應用；第二，這類發(fā)電機的輸出功率一般也比較低，需要對一個小電容充電數(shù)小時后積累的電量才能點亮一個LED;第三，這類發(fā)電機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，而且價格相對昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(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，其通過對基底材質(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，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電層共同組成，并且所述第一金屬導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電層，以及涂覆在該第二金屬導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電層的邊緣形成有第二電極，其中所述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且所述第一金屬導電層與所述駐極體材料層之間相互對置，并具備一定間隙。通過以上構(gòu)思，當按壓及釋放該紙基柔性發(fā)電裝置時，駐極體材料層與第一金屬導電層之間的間隙發(fā)生變化，電容也會隨著發(fā)生變化，并導致電子在電極聯(lián)通的外電路中振蕩，形成交流電流。尤其是，通過較多的實驗測試表明，這種紙基的柔性發(fā)電裝置便于與其他柔性材質(zhì)結(jié)合起來并有效搜集機械能，譬如當將其粘貼于書頁上，利用翻動書頁來回的動作就能夠點亮兩個藍色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，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用。作為進一步優(yōu)選地，所述紙基絕緣層由牛皮紙、繪圖紙、書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、聚對苯二甲酸乙二酯這些材料中的一種或其組合。通過選擇柔韌性能好的上述紙質(zhì)材料作為絕緣層，可以相應獲得易于彎曲折疊、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，通過適當?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，同時具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點。作為進一步優(yōu)選地，所述第一、第二金屬導電層由金、銀、銅或者鋁等材料構(gòu)成。通過將第一、第二金屬導電層的材質(zhì)具體限定為以上類型，較多的對比測試結(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。作為進一步優(yōu)選地，在所述駐極體材料層與第一金屬導電層相對置的表面上，力口工有多個微納米量級的凹凸結(jié)構(gòu)。通過對駐極體材料層表面加工獲得多個微納米級的凹凸結(jié)構(gòu)，可以進一步增加其表面積，從而提高其吸附與保持電荷的能力。相應地，當這種具有微納米級別凹凸結(jié)構(gòu)的駐極體材料層與第一金屬導電層之間的間隙發(fā)生變化時，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)，并通過磁控派射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第一金屬導電層，該第一金屬導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)，并通過磁控濺射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第二金屬導電層，該第二金屬導電層位于邊緣處并具備一定面積的導電層被施加保護層，然后通過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)過烘干處理發(fā)生極化后，去除第二金屬導電層邊緣處的保護層，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
將通過步驟(a)、(b)所制得的第一和第二組件通過封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并使得第一金屬導電層與駐極體材料層之間相互對置，并具備一定間隙。作為進一步優(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1、通過對紙基發(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，能夠獲得較高的輸出功率，并可直接用于驅(qū)動多種低功率的電子產(chǎn)品；2、通過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，相應獲得易于彎曲折疊、成本低廉，無污染且便于大批量加工制造的效果；此外，通過選擇適當?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，同時具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點；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)明一個優(yōu)選實施例所制得的紙基柔性發(fā)電裝置在頻率為40Hz，激振子推進距離為1. 5mm的條件下，其電流、電壓以及功率隨負載電阻變化的曲線
圖2b是用于顯示按照本發(fā)明上述實施例所制得的紙基柔性發(fā)電裝置在頻率為40Hz，激振子推進距離為1. 5mm的條件下，對一個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頁上，通過搜集翻書所產(chǎn)生的機械能來點亮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、電流隨時間變化的曲線圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來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-第一金屬導電層13-第一電極21-紙基絕緣層22-第二金屬導電層23-駐極體材料層24-第二電極
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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 一個表面(圖示為下表面)上的第一金屬導電層12組成，并且第一金屬導電層的邊緣形成有第一電極13，該第一電極13通過引出導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表面的第二金屬導電層22和涂覆在該導電層表面的駐極體材料層23共同組成，并且第二金屬導電層22的邊緣形成有第二電極24，該第二電極24同樣通過引出導線可與第一電極和外部電路相連通。上述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且第一金屬導電層12的下表面與駐極體材料層23的上表面之間相互對置，并具備譬如呈拱形的一定間距。當使用該紙基柔性發(fā)電裝置時，通過從第一、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電層之間的間隙發(fā)生變化，在此彎曲和恢復的過程中，電容也會隨著發(fā)生變化，并導致電子在外部電路中振蕩，形成交流電流。例如,大量的測試試驗表明，當將此紙基柔性發(fā)電裝置粘貼于書頁上，通過搜集翻動書頁所產(chǎn)生的機械能，即可產(chǎn)生一定程度的電流并帶動這類發(fā)電機點亮兩個藍色LED或者液晶顯示屏。這證明其能與其他柔性電子器件進行集成，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，無污染，發(fā)電穩(wěn)定性好，因此尤其適用于柔性電子學研究領(lǐng)域，也可廣泛應用于日常生活。下面將進一步解釋按照本發(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，在平衡時有下列公式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電層共同組成，并且所述第一金屬導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電層，以及涂覆在該第二金屬導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電層的邊緣形成有第二電極，其中 所述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并且所述第一金屬導電層與所述駐極體材料層之間相互對置，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電層相對置的表面上，加工有多個微納米量級的凹凸結(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)，并通過磁控派射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第一金屬導電層，該第一金屬導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)，并通過磁控濺射或熱蒸鍍方式在其表面上沉積形成第二金屬導電層，該第二金屬導電層位于邊緣處并具備一定面積的導電層被施加保護層，然后通過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)過烘干處理發(fā)生極化后，去除第二金屬導電層邊緣處的保護層，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 將通過步驟(a)、(b)所制得的第一和第二組件通過封裝工藝在其外側(cè)邊緣予以聯(lián)接，并使得第一金屬導電層與駐極體材料層之間相互對置，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電層和涂覆在該第二金屬導電層表面上的駐極體材料層共同組成的第二組件。這兩個組件各自的邊緣分別搭建有電極并通過封裝工藝予以聯(lián)接，并且第一金屬導電層與駐極體材料層之間相互對置且具備一定間隙。本發(fā)明還公開了相應的制造方法。通過本發(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H01L41/47GK103051244SQ20121054889
公開日2013年4月17日 申請日期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 申請人:華中科技大學