近場電紡織製作全纖維式發電系統作為行動穿戴裝置電源

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研究生：	陳柏州 Po-chou Chen
論文名稱：	近場電紡織製作全纖維式發電系統作為行動穿戴裝置電源 NEFS fiber-base generator for wearable and mobile electronics.
指導教授：	傅尹坤 Yiin-Kuen Fuh
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2014
畢業學年度：	102
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	近場電紡織技術、壓電材料、奈米纖維、奈米發電機、行動穿戴裝置電源
外文關鍵詞：	near-field electrospinning, Piezoelectric materials, nanofibers, nanogenerator, wearable and mobile electronics
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本論文利用近場電紡織技術(near-field electrospinning，NFES)，研究壓電奈米纖維並且製作成奈米發電機(nanogenerator，NG)，主要重點為(1)利用近場電紡織技術大面積排列壓電奈米纖維製造奈米發電機，(2)奈米發電機作為自供電式形變感測器，(3)奈米發電機作為行動穿戴裝置電源。以直寫(Direct-write)方式將壓電高分子材料聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)利用NFES技術將奈米纖維(nanofibers，NFs)大面積排列在可撓性基底上製作成奈米發電機，並且進行一系列訊號量測與驗證。我們將NG固定於人體關節上運用人體關節移動使NG有訊號產生。接著，我們使用改良式基底，成功製作出靈敏度更優良的NG，另外，為了使NG輸出增加，我們將NG以疊加方式嘗試提高輸出，成功將電壓輸出提高到20V，由於可撓性佳的基底加上厚度薄，我們將NG固定在人體關節上使NG可以隨人體擺動轉換成電力作為行動穿戴裝置電源。

關鍵字：近場電紡織技術、壓電材料、奈米纖維、奈米發電機、行動穿戴裝置電源

This thesis mainly research on fabrication of nanogenerator, piezoelectric technology and application in electrospinning. The focus of the study is (1) Massively parallel aligned nanofibers-based nanogenerator deposited via near-field electrospinning, (2) A flexible, self-powered deformation sensor based on nanogenerator. (3) NEFS fiber-base generator for wearable and mobile electronics, we demonstrate a direct-write, in-situ poled polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber arrays that could functions as a self-powered active deformation sensor. The fabricated hybrid structure of sensor/nanogenerator (NG) is realized via direct deposition of near-field electrospun nanofibers on Cu-foil electrode of thickness ~200 μm and fully encapsulated on a flexible substrate. Capable of integrating into fabric such as a moving human joints due to high flexibility and excellent conformability, the nanofiber-based device can serve as an active deformation sensor under ambient wind-speed and the feasibility of efficiently convert the flutter motion into electricity are also demonstrated. This low-cost, simple structure, high sensitivity and good environment-friendly nanofibers is a very promising material/technology as practical energy harvesting devices and self-powered sensors and capable of scavenging very small wind power or mechanical induced vibration.

Keywords: Near-field electrospinning (NFES)、Piezoelectric material、Nanofiber(NFs)、Nanogenerator(NG)、wearable、mobile electronics.

摘要    I
Abstract    II
誌謝    III
Content    IV
圖目錄    VI
第一章緒論    1
1-1電紡織技術    1
1-2奈米發電機    3
1-3 論文架構    7
第二章利用近場電紡織技術大面積排列壓電奈米纖維製造奈米發電機    8
2-1導論    8
2-2實驗    8
2-2-1 電紡織溶液    8
2-2-2 電紡織設備架構    9
2-2-3 直寫(direct-write)方式奈米發電機製作    10
2-3結果與討論    11
第三章奈米發電機-自供電式形變感測器    16
3-1 導論    16
3-2 實驗    16
3-2-1 量測設備架構    16
3-2-2 訊號量測    16
3-3結果與討論    17
第四章奈米發電機-行動穿戴裝置電源    21
4-1導論    21
4-2實驗    21
4-2-1量測設備架構    21
4-2-2訊號量測    21
4-2-3電紡織溶液    22
4-2-2改良式基板    22
4-2結果與討論    24
第五章結論    32
參考文獻    33
附錄    36


 
圖目錄
圖1-1電紡織技術(Near-field electrospinning, NFES)圖[22] 
圖1-2利用手指關節彎曲使奈米發電機產生輸出
圖1-3利用人的眼睛開合使奈米發電機產生輸出[30]
圖2-1近場電紡織技術實驗架構示意圖，主要包含高壓源、注射針頭與收集器。(a)傳統電紡織技術，(b)近場電紡織技術。 h為針頭到收集器距離。
圖2-2近場靜電紡織（NFES）與直接寫入(direct-write)方式，機械拉伸相結合，並且原位極化奈米纖維與精確沉積在柔性或剛性的基材，例如柔軟的PVC或矽晶片。 (a)奈米發電機製作過程示意圖，(b)製作過程中(圖2-2 step 3)發電機之奈米纖維經過近場靜電紡織（NFES）與直接寫入 (direct-write)方式經極化及機械拉伸實驗示意圖，(c)發電機主要結構包含：PVC基底、電極、PVDF纖維、PDMS。
圖2-3近場靜電紡織（NFES）技術以不同實驗參數觀察與探討PVDF纖維的可紡織性與尺寸。(a)固定針頭與收集器距離(1mm)調整不同電壓，(b)固定電壓(1kV)調整不同針頭與收集器距離。
圖2-4(a)實際奈米發電機之照片。(b)奈米纖維之光學顯微鏡影像圖。(c)單根奈米纖維之SEM影像放大圖。(d)奈米纖維極化分子示意圖。
圖2-5 (a)奈米發電機之電壓初步測試示意圖。(b)電壓初步測試結果。
圖2-6訊號量測檢測。(a-b)為試片電壓量測時與示波器正負極正向/反向連接示意圖。(c-d)為試片電壓量測時與示波器正向/反向連接量測圖。(e-f)為圖(c-d)之單一波形放大圖。
圖 3-1在風速3.2 - 19.8 m/s下，量測自供電式風力形變感測器之電壓值。(a)自供電式風力形變感測器實驗裝置之示意圖。(b)自供電式風力形變感測器主要結構包含：PVC基底、電極、PVDF纖維、PDMS。(c)在風速3.2 - 19.8 m/s下，自供電式風力形變感測器之輸出電壓波型：(d) 在風速3.2 - 19.8 m/s下，自供電式風力形變感測器之輸出電壓及標其標準差，和在3.2 m/s及15.5 m/s電壓波形放大圖。
圖 3-2 (a)將自供電式風力形變感測器進行阻抗匹配及對應產生之輸出功率圖。(b)將四種不同風速進行阻抗匹配及對應產生之輸出功率表。
圖3-3黏貼在眼部周圍之高柔軟性自供電式形變感測器；(a)實驗過程圖：張眼>闔眼>張眼。(b)經過張闔眼之電壓輸出圖及電壓輸出單一波型放大圖。(c) 經過張闔眼之電流輸出圖及電流輸出單一波型放大圖。
圖4-1改良式基板。 (a)改良式奈米發電機示意圖。 (b)實際改良式奈米發電機照片。
圖4-2 (a) 自供電式形變感測器實驗裝置之示意圖。在不同方向拍打感測器進行量測電壓(b)0°，(c)90°，(d)45°。
圖4-3奈米發電機固定於手掌輸出測試。(a)手掌經過多次彎曲之電壓輸出。(b)電壓輸出之放大圖。
圖4-4奈米發電機固定於人體關節輸出測試(a)手肘經45度、90度及135度彎曲之電壓輸出。(b)膝蓋經抖腳(離地5cm進行上下震動)、45度及90度彎曲之電壓輸出。
圖4-5疊加輸出量測(a)單一層改良式奈米發電機。(b)兩層改良式奈米發電機。(c)四層改良式奈米發電機。


                                

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