[发明专利]一种纸基柔性发电装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于机械能转化为电能的发电技术领域，更具体地，涉及一种纸基柔性发电装置及其制造方法，其包括新型柔性基底，并具备高电能输出、成本低廉、便于加工制造和适用面广等特点。

背景技术

能源是人类发展必不可缺的资源，从环境中更加有效方便地获取能源一直是人类的追求。近年来，随着能源危机的持续恶化，寻找绿色环保的供能方式显得更加迫切。实际上，人类平时生活的环境甚至是人类自己就是一个有效的能源来源，因为人体的动作如行走，以及人体动作带动其他物件的运动如翻书等，都会产生机械能，收集并利用这些被忽视的能源是很有前景的。相应地，能够将环境中的机械能有效转换成电能的柔性发电装置已经问世。

柔性发电装置除了具有可卷曲弯折、轻薄、便于贴合运动物体来更有效地收集能源等特点外，更重要的是适合与新型的柔性电子器件相集成，并为其提供能源。目前，韩国三星公司等领头电子企业已经开发出了柔性显示屏幕概念手机，预示着柔性个人电脑以及智能电子书等产品的蓬勃发展。而且从能源问题与技术发展趋势来看，开发能与目前柔性电子器件集成、并能够方便有效地收集环境能源的柔性发电装置很有必要。

传统的柔性发电装置主要是基于压电效应而制作的柔性发电机。这些柔性发电机一般是基于氧化锌、聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅等一维纳米材料压电效应的器件。然而，这类发电机在应用方面仍然存在许多问题：第一，其繁琐的制作过程涉及材料的精细加工，器件的精密封装，相应导致其成本相当高昂，无法投入批量生产应用；第二，这类发电机的输出功率一般也比较低，需要对一个小电容充电数小时后积累的电量才能点亮一个LED；第三，这类发电机采用的基底大多是高分子塑料制品，这些塑料制品大多环境不友好，而且价格相对昂贵。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种纸基柔性发电装置及其制造方法，其通过对基底材质、工作元件的材料和工作原理、器件结构及其制造工艺等方面的改进，可获得成本更为低廉、便于加工、具备高输出功率，并且尤其适用于与其他柔性电子器件相集成的柔性发电装置。

按照本发明的一个方面，提供了一种纸基柔性发电装置，其特征在于，该纸基柔性发电装置包括：

第一组件，该第一组件由纸基绝缘层和沉积于该纸基绝缘层表面的第一金属导电层共同组成，并且所述第一金属导电层的边缘形成有第一电极；

第二组件，该第二组件由纸基绝缘层、沉积于该纸基绝缘层表面的第二金属导电层，以及涂覆在该第二金属导电层表面上的驻极体材料层共同组成，并且所述第二金属导电层的边缘形成有第二电极，其中：

所述第一、第二组件通过封装工艺在其外侧边缘予以联接，并且所述第一金属导电层与所述驻极体材料层之间相互对置，并具备一定间隙。

通过以上构思，当按压及释放该纸基柔性发电装置时，驻极体材料层与第一金属导电层之间的间隙发生变化，电容也会随着发生变化，并导致电子在电极联通的外电路中振荡，形成交流电流。尤其是，通过较多的实验测试表明，这种纸基的柔性发电装置便于与其他柔性材质结合起来并有效搜集机械能，譬如当将其粘贴于书页上，利用翻动书页来回的动作就能够点亮两个蓝色LED或者是液晶显示屏，也证明它具有与柔性电子器件集成并为其提供能源的潜力。此外，该发电装置的基底是纸基材质，可以折叠弯曲、便于加工，并具备成本低廉，污染程度低，发电稳定性好等特点，因此尤其适用于与其他柔性电子装置的集成及日常生活应用。

作为进一步优选地，所述纸基绝缘层由牛皮纸、绘图纸、书面纸或者铜版纸等材质构成；所述驻极体材料层的材质选自于聚四氟乙烯、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、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合。

通过选择柔韧性能好的上述纸质材料作为绝缘层，可以相应获得易于弯曲折叠、成本低廉且易于与其他柔性电子器件加工集成的效果；此外，通过适当的驻极体材料，其具备良好的吸附和保存电荷的性能，可以产生高输出功率，同时具有耐磨、耐弯曲和便于加工的特点。

作为进一步优选地，所述第一、第二金属导电层由金、银、铜或者铝等材料构成。

通过将第一、第二金属导电层的材质具体限定为以上类型，较多的对比测试结果表明，其能够与纸基绝缘层及驻极体材料层很好地配合工作，并具备较高的输出功率。

作为进一步优选地，在所述驻极体材料层与第一金属导电层相对置的表面上，加工有多个微纳米量级的凹凸结构。