可穿戴式设备（也称“穿戴式装置”）产品正夯，但是电池续航力却是可穿戴式设备市场成长的一大罩门。 如果穿戴者可以随时随地为自己的装置充电，穿戴式设备就不再需要以大颗的电池来延长续航力了！如果摩擦生电奈米发电机的技术，在未来可以达到商业化的标准，一切梦想都可以成真了！
根据市场研究机构IDC的报告，在2014年，穿戴式装置(基本型及智能型)的市场出货量约1,960万台，在2015年，预估出货量将成长至4,570万台，至2019年更上看1.26亿台(图一)，而这五年的年平均复合成长率高达45.1%。
图一、IDC穿戴式装置预估出货量
圖片來源：www.b2bnn.com
如此乐观的预估，应是基于，在初期，人们对高科技产品的尝鲜及炫耀心理所建构出的消费行为，以及，以商品实用性甚至是必需品为导向的长期市场需求；而大家都很清楚的是，「实用性」才是穿戴式装置商品能够屹立不摇、生生不息的保证。
穿戴式装置的「实用性」指针，除了功能(function)之外，最为重要的就是「续航力」了。以目前最夯的Apple Watch来说，每天晚上都得脱下来充一下电，消费者已经稍嫌麻烦了，若是24小时监测的医疗照护穿戴装置，也需要每天脱下来充电才能续用，这种东西的实用性已经被大打折扣了。
以目前的产品表现来说，电池续航力的确是穿戴式装置市场成长的一大罩门。
要提升穿戴式装置的续航力，可以从二方面着手，一是设计极低耗电的传感器、处理器、通讯模块等组件，以及优化系统的电源管理；二是改良电池技术。
相较于半导体组件设计所获得的改良进展，电池技术则面临更多的挑战。现今厂商不仅要研发出续航力超强而且体积又小的电池，最好还能让电池具备可挠的特性，以搭配各种型态的穿戴式装置；而在未来，智能型穿戴式装置的功能势必更加强大，这也意味着装置内含的组件将会越来越多，结果就是耗电量将只会增不会减，因此，电池技术就必需要有重大的突破才能未雨绸缪。
延长穿戴式装置的续航力，除了等待新电池技术的支持之外，还可以透过「改变充电的方式」让使用者「有感」，例如，具备(远距)无线充电功能的穿戴式装置，就可以在「不必脱下」的情况下随时充电，永远turn on，但前提是需配合无线充电发射器的装设位置(如图二)；若是依照「能量采集」(Energy Harvesting)的原理，将穿戴者本身产生的动能(摆动、摩擦)转换成电能来供电，则可以随时随地将电池充饱，而且也没有充电位置的限制，因此，穿戴式装置就可以全年无休的为您服务了。
图二、远距无线充电示意图
圖片來源：www.30.com.tw
虽然能量采集的技术仍在研究阶段，但已有令人瞩目的突破进展，例如，美国乔治亚理工学院的王中林教授(Prof. Zhong Lin Wang)及其团队利用「摩擦生电效应」(Triboelectric Effect)，以及「静电感应」(Electrostatic Induction)原理所设计出的摩擦生电奈米发电机(Triboelectric Nanogenerator；TENG)就是很好的例子，该团队在此研究议题上所获得的成果，已将单位面积发电密度(Area Power Density )提升到1,200 W/m2，能量转换效率(Energy Conversion Efficiency)也高达50%~80%，所提供的电量甚至可以点亮1,000颗绿光LED组件(如图三)。
图三、用鞋子撞击地板上的奈米发电机，产生的电量可以点亮1,000颗LED。
圖片來源：www.news.gatech.edu
TENG不但牵涉到电学原理，更包含材料、化学、奈米技术。它的输出表现可以透过多种方法增强，包括材料选择、薄膜表面纹理形貌以及奈米化合物结构。
可运用的材质除了金属之外，还有聚酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA；压克力)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE；铁氟龙) 、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS) 、聚酰亚胺薄膜(Kapton thin film)、氧化铟锡(indium tin oxide；ITO)及聚酯(polyester；PET)等等，差别在于，不同的材质会有不同的饱和摩擦电荷密度。
「能够产生大量电荷的输出取决于摩擦表面的性质。在聚合物薄膜的表面上采用奈米材料的图案增加了片材的接触面积，产生的电力可以有上千倍的差异」，所以为了增加接触面积，薄膜表面通常会设计成密布的锯齿、颗粒或长刷状等等。
TENG在2012年初发表后，经过不断的研究，已有数种不同的结构体态设计(图四)，其单位面积发电密度(Area Power Density )在短短一年后就由3.67mW/m2上升到313W/m2(图五)，进步幅度惊人。
图四、各式TENG结构
圖片來源：www.nanoscience.gatech.edu
图五、TENG电源密度进展
圖片來源：en.wikipedia.org
TENG有四种基本的操作模式(图六)，第一种为垂直接触-分离模式(Vertical Contact-Separation Mode)，这是最早研发出的奈米发电机。两层薄膜在重复摩擦与分开的动作之际，可以产生交流电，图七为操作步骤。
图六、TENG的四种基本的操作模式
图片来源：参考资料第6项
图七、垂直接触-分离模式
圖片來源：en.wikipedia.org
第二种为滑动模式(Lateral Sliding Mode)，周期性的滑动也可以产生交流输出，而且可以设计为平面滑动(planar motion)、圆柱旋转(cylindrical rotation)或是平盘旋转(disc rotation)，图八为操作步骤。
图八、滑动模式
圖片來源：en.wikipedia.org
第三种为单电极模式(Single-Electrode Mode)，与上述二种模式的差别在于只有下层薄膜接负载，而上层薄膜则是自由上下移动的，所以此种模式可用于例如以指尖滑动摩擦生电的应用，图九为操作步骤。
图九、单电极模式
圖片來源：en.wikipedia.org
第四种为独立摩擦层模式(Freestanding triboelectric-layer mode)，见图六(d)，与上述三种操作模式最大的区别在于上下面板是不接触的，因此可以降低两层薄膜接触面的磨损率。
在当初开始研究TENG时，其目标就是为了要对传感器网络中的小型电子组件提供电源，而研发至今，已证实摩擦生电奈米发电机不仅能攫取小尺度的能量，也能收集大规模的能量，例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。
在2013年，王中林教授团队于ACS NANO期刊发表论文"Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energy and as Self- Powered Active Tactile Sensor System"(图十)，将TENG置于人体皮肤之上，然后收集TENG与皮肤摩擦之后产生的电力，如此采集到的生物机械能可以点亮数十颗绿光LED，而这也让人体自我发电并供电给行动装置的实现可能性大幅上升。
图十、与皮肤摩擦的TENG
图片来源：参考资料第7项
新加坡国立大学在2015年1月于IEEE MEMS 2015研讨会上，发表论文"Skin Based Flexible Triboelectric Nanogenerators with Motion Sensing Capability"，更进一步将 奈米发电机以贴片的方式黏在手臂或喉咙的皮肤上，光是拳头握紧或是讲话发声等这么简单不费力的动作，就可以产生7.3V~7.5V的电力；而在实验中，最高可产生90V及0.8mW的电力，已足够点亮12个商用LED灯。
这款发电贴片其尺寸仅如邮票一般大小，也因为采用金箔做为电极(图十一)，而非使用材质较硬的氧化铟锡(ITO)做为电极，所以可以更易于贴合在皮肤之上，相对于之前所发表技术来说，更适合用于人体自我发电的应用。
图十一、以金箔做为电极
圖片來源：spectrum.ieee.org
如果摩擦生电奈米发电机的技术在未来可以达到商业化的标准，那么，穿戴者就可以随时随地为自己的装置充电，而穿戴式装置就可以不再需要以大颗的电池来延长续航力了。
虽然摩擦生电奈米发电机的技术发展，不论是用于人体动能采集，或是用于自然风雨的能量采集，将继续面对许多务实问题的挑战，例如材料的稳定度、长期摩擦后的磨损率、高电压低电流的电源管理技术、能量储存技术、封装、连接或整合至装置等等问题，但不可否认的是，我们习以为常的摩擦生电现象，竟也有如此实用的潜力，微小的能量汇聚之后也有巨大的用处，未来还会发展到什么样的境界呢？嗯，不要被您的想象力给框限住了喔！
参考数据
- iknow.stpi.narl.org.tw
- www.digitimes.com.tw
- en.wikipedia.org
- spectrum.ieee.org
- www.nanoscience.gatech.edu
- "Triboelectric nanogenerators as new energy technology and self-powered sensors – Principles, problems and perspectives" by Zhong Lin Wang
- "Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energy and as Self-Powered Active Tactile Sensor System" by Ya Yang et al.
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| 作者： |
谢锦星 |
| 现任： |
北美智权 教育训练处 研发创新顾问 |
| 经历: |
友顺科技股份有限公司 技术营销资深工程师
合邦电子股份有限公司 模拟IC技术经理
盛群半导体股份有限公司 ASIC设计工程师
普诚科技股份有限公司 数字IC设计工程师 |
| 学历: |
美国纽约州立大学电机工程硕士 |
| 专长： |
模拟IC设计、半导体制程 |
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