非對稱表面結構介電層在橫向摩擦生電下之研究

Abstract

" 摩擦起電是環境中常見的一個現象，許多材料在不經意接觸或摩擦後便會產生靜電，在以往工業生產和生活上常常視其為負面影響，而2012年Wang, Z. L等人首次提出摩擦微奈米發電機(triboelectric nanogenerator, TENG)此應用[1]，開啟了摩擦起電另外一大發展性，可將環境與人體機械能轉換為電能並對小型電子用品供電，有機會取代傳統需要外部電源供電之設備，對環境永續發展與電子產品縮小化有很大的貢獻。為了提高摩擦電輸出，許多TENG研究在摩擦表面創造微奈米結構，提高材料接觸時的有效面積，然而，並無研究深入探討橫向摩擦下結構動態與輸出之間的關係，以及是否能利用結構設計達到訊號差異。 本論文利用光固化成型技術製作介電層翻模模具，並以鋁作為電極、PDMS作為柔性介電層基材，由於PDMS的柔軟特性，可使結構變形與產生不同響應。本研究首先為了提高摩擦輸出電壓，添加高介電常數奈米顆粒於PDMS形成複合材料介電層，提高介電質整體有效電容率，提高摩擦電壓，而為了改善顆粒佔據表面的負面影響，塗覆一層極薄PDMS於表面並有效改善此現象。我們也觀察到橫向摩擦過程中平坦介電層會產生黏滑現象，尤其在低速與高壓情況下，而黏滑運動產生的振動會影響電壓大小與平滑度。最後，我們設計非對稱鋸齒表面結構介電層，發現不同摩擦方向的電壓確實不同，而電壓與結構型貌及結構接觸及分離動態很相關，大的摩擦力道與快的分離速度使電壓增加，且摩擦力道為電壓變化主因。最後，為了可應用於實際生活，我們設計了偵測方向的特殊結構，結構由兩組不同數目之對稱鋸齒組成，藉由分離過程產生之峰值數目可成功判定摩擦方向． "