[發明專利]一種紙基柔性發電裝置及其制造方法

有效

• 申請號: 201210548895.3
• 申請日: 2012-12-15
• 公開（公告）號: CN103051244A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 周軍;鐘其澤;鐘俊文;胡彬;胡琦旖;王中林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H01L41/113;H01L41/29;H01L41/47
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 朱仁玲

技術領域

本發明屬于機械能轉化為電能的發電技術領域，更具體地，涉及一種紙基柔性發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

能源是人類發展必不可缺的資源，從環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惡化，尋找綠色環保的供能方式顯得更加迫切。實際上，人類平時生活的環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，能夠將環境中的機械能有效轉換成電能的柔性發電裝置已經問世。

柔性發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，韓國三星公司等領頭電子企業已經開發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品的蓬勃發展。而且從能源問題與技術發展趨勢來看，開發能與目前柔性電子器件集成、并能夠方便有效地收集環境能源的柔性發電裝置很有必要。

傳統的柔性發電裝置主要是基于壓電效應而制作的柔性發電機。這些柔性發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，無法投入批量生產應用；第二，這類發電機的輸出功率一般也比較低，需要對一個小電容充電數小時后積累的電量才能點亮一個LED；第三，這類發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境不友好，而且價格相對昂貴。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷和/或技術需求，本發明的目的在于提供一種紙基柔性發電裝置及其制造方法，其通過對基底材質、工作元件的材料和工作原理、器件結構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電裝置。

按照本發明的一個方面，提供了一種紙基柔性發電裝置，其特征在于，該紙基柔性發電裝置包括：

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邊緣予以聯接，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。

通過以上構思，當按壓及釋放該紙基柔性發電裝置時，駐極體材料層與第一金屬導電層之間的間隙發生變化，電容也會隨著發生變化，并導致電子在電極聯通的外電路中振蕩，形成交流電流。尤其是，通過較多的實驗測試表明，這種紙基的柔性發電裝置便于與其他柔性材質結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，該發電裝置的基底是紙基材質，可以折疊彎曲、便于加工，并具備成本低廉，污染程度低，發電穩定性好等特點，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構成；所述駐極體材料層的材質選自于聚四氟乙烯、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，通過適當的駐極體材料，其具備良好的吸附和保存電荷的性能，可以產生高輸出功率，同時具有耐磨、耐彎曲和便于加工的特點。

作為進一步優選地，所述第一、第二金屬導電層由金、銀、銅或者鋁等材料構成。

通過將第一、第二金屬導電層的材質具體限定為以上類型，較多的對比測試結果表明，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，加工有多個微納米量級的凹凸結構。