風車發電

奈米線創新能量轉換模式　穿衣走路都能發電

唐鴻／台北

電力消耗一直是許多ICT產品發展的弱點，雖然電池技術發展亦持續進化，但總追不上ICT產品發展需求，例如，ICT產品設計與零組件愈來愈要求降低功耗，但強化運算或多媒體效能表現卻無法避免增加電力需求。

有 1項利用奈米科技的發電技術，未來可能改革目前供電型態。奈米線(nanowires)是1維(one-dimensional)結構的1種奈米型態，與 堆疊起來的奈米帶(nanobelts)或是奈米管(nanotubes)，在光、電、熱或是機械特性上，都表現出與過去材料不同的特性。

可 以組成1維奈米結構的材料有奈米碳管(carbon nanotubes)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO2)以及氧化銦錫(ITO)…等。奈米碳管較廣為人知，但是其它材料研究也逐漸發展，其中氧化鋅 因其6方晶系格結構與傳統的3、5族氮化鎵材料類似，且屬於直接能隙(能隙值約為3.37 eV)，因此具較大的激子束縛能(exciton binding energy)，並具備壓電效應(Piezoelectricity)特性，逐漸成為國/內外學術機構競相研究的奈米半導體材料。

據美國喬治亞理工大學(Georgia Institute of Technology)與俄亥俄州達頓大學(Dayton University)的1個聯合研究小組報告指出，氧化鋅奈米線經特殊排列後，竟然只要反覆彎曲就可產生電力，此種發電模式並非摩擦生電，而是只要彎曲 就有電力產生。

這樣的氧化鋅奈米線可以層疊成奈米帶，並密封在薄膜內，安裝在任何可動物體中，例如，衣服、鞋底、甚至旗幟，只要透過震動、聲波、空氣流動讓氧化鋅奈米層彎曲就能產生電力。研究者目前以布料作為初步載具，稱為能源擷取(energy scavenging)技術，成功的關鍵 反而是在如何將奈米層產生的電力擷取出來。

先前的作法是將數百萬根100nm長的氧化鋅奈米線，安裝在1條凱夫勒纖維(kevlar)表 面，並將另1根同樣製程但包覆上金的氧化鋅奈米線纖維纏繞，兩者接觸點會因為Schottky barrier效應產生電流，估計如果1塊布料全部安裝氧化鋅奈米線，可產生每平方公尺約80mW電力，目前則利用彎曲就可產生電流。這項技術已開始進行 商業化的相關研究。

圖說：左上角是氧化鋅奈米管在電子顯微鏡下的原貌，右方與下方則是其發電原理與發電量。(Georgia Tech)

圖說：利用彎曲氧化鋅奈米管產生電流的發電模式流程圖。(Georgia Tech)

圖說：利用不同尺寸解析度，可觀察氧化鋅奈米線在布料上附著與發電情況。(Georgia Tech)

氧化鋅奈米線可自行發電

美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究團隊利用創新的能源擷取(energy scavenging)技術，創造出「發電布料」。華裔科學家王中林表示，這類布料具 有強軔、質地輕薄且多層的優點，能被設計製成各種織物，藉由穿戴者的肢體運動來為可攜式電子設備或手機充電，也可製成帳逢、布簾及旗子，利用風力來發電。

研究團隊首先在克維拉(kevlar)纖維表面上，生長數百萬根直徑為100 nm的氧化鋅奈米線(zinc oxide nanowires)，奈米線的長度約3.5 μm，且從克維拉縴維表面向呈放射狀伸展出去。這些纖維捻成更粗的纖維，進而織成布料。當這類布料被拉申或壓皺時，奈米線會相互摩擦並彎曲，由於氧化鋅本 身具有壓電性(piezoelectric)，因此會有數毫伏的電壓產生。然而最關鍵的挑戰在於如何將奈米線產生的微量電能擷取出來。

為了證明這是辦得到，研究小組將一根克維拉-奈米線纖維包覆上金，並且與另ㄧ根未覆金的克維拉-奈米線纖維相互絞捻。導電的金與半導體性的氧化鋅接觸之處 會形成蕭基障壁(Schottky barrier)，電流可以單方向越過障壁流動。研究人員以安培計連接覆金與未覆金的纖維，並藉由扭曲使交錯的纖維之間產生磨擦，結果在數毫米長的纖維測 得峰值約4 nA的電流。他們計估以這種纖維織成的布料含有數百萬計的氧化鋅奈米線，總共可以提供約每平方公尺80 mW的電力。

王中林已經申請了數個專利，並成立名為Nanopiezotronics的公司將此技術商業化。他不願透露製作這種布料的成本，所以成本很可能相當高，因此他認為第一個採用此技的將會是軍方。詳見Nature 451, p.809 (2008)。


原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/32882

譯者:黃信國(逢甲大學纖維與複合材料學系)

來源:奈米科學網