穿戴式裝置產品正夯，但是電池續航力卻是穿戴式裝置市場成長的一大罩門。
如果穿戴者可以隨時隨地為自己的裝置充電，穿戴式裝置就不再需要以大顆的電池來延長續航力了！如果摩擦生電奈米發電機的技術，在未來可以達到商業化的標準，一切夢想都可以成真了！
根據市場研究機構IDC的報告，在2014年，穿戴式裝置(基本型及智慧型)的市場出貨量約1,960萬台，在2015年，預估出貨量將成長至4,570萬台，至2019年更上看1.26億台(圖一)，而這五年的年平均複合成長率高達45.1%。
圖一、IDC穿戴式裝置預估出貨量 圖片來源 ： www.b2bnn.com
如此樂觀的預估，應是基於，在初期，人們對高科技產品的嘗鮮及炫耀心理所建構出的消費行為，以及，以商品實用性甚至是必需品為導向的長期市場需求；而大家都很清楚的是，「實用性」才是穿戴式裝置商品能夠屹立不搖、生生不息的保證。
穿戴式裝置的「實用性」指標，除了功能(function)之外，最為重要的就是「續航力」了。以目前最夯的Apple Watch來說，每天晚上都得脫下來充一下電，消費者已經稍嫌麻煩了，若是24小時監測的醫療照護穿戴裝置，也需要每天脫下來充電才能續用，這種東西的實用性已經被大打折扣了。
以目前的產品表現來說，電池續航力的確是穿戴式裝置市場成長的一大罩門。
要提升穿戴式裝置的續航力，可以從二方面著手，一是設計極低耗電的感測器 、 處理器、通訊模組等元件， 以及優化系統的電源管理；二是改良電池技術。
相較於半導體元件設計所獲得的改良進展，電池技術則面臨更多的挑戰。現今廠商不僅要研發出續航力超強而且體積又小的電池，最好還能讓電池具備可撓的特性，以搭配各種型態的穿戴式裝置；而在未來，智慧型穿戴式裝置的功能勢必更加強大，這也意味著裝置內含的元件將會越來越多，結果就是耗電量將只會增不會減，因此，電池技術就必需要有重大的突破才能未雨綢繆。
延長穿戴式裝置的續航力，除了等待新電池技術的支援之外，還可以透過「改變充電的方式」讓使用者「有感」，例如，具備(遠距)無線充電功能的穿戴式裝置，就可以在「不必脫下」的情況下隨時充電，永遠turn on，但前提是需配合無線充電發射器的裝設位置(如圖二)；若是依照「能量採集」(Energy Harvesting)的原理，將穿戴者本身產生的動能(擺動、摩擦)轉換成電能來供電，則可以隨時隨地將電池充飽，而且也沒有充電位置的限制，因此，穿戴式裝置就可以全年無休的為您服務了。
圖二、遠距無線充電示意圖 圖片來源 ： www.30.com.tw
雖然能量採集的技術仍在研究階段，但已有令人矚目的突破進展，例如，美國喬治亞理工學院的王中林教授(Prof. Zhong Lin Wang)及其團隊利用「摩擦生電效應」(Triboelectric Effect )，以及「靜電感應」(Electrostatic Induction)原理所設計出的摩擦生電奈米發電機(Triboelectric Nanogenerator；TENG)就是很好的例子，該團隊在此研究議題上所獲得的成果，已將單位面積發電密度(Area Power Density )提升到1,200 W/m2，能量轉換效率(Energy Conversion Efficiency)也高達50%~80%，所提供的電量甚至可以點亮1,000顆綠光LED元件(如圖三)。
圖三、用鞋子撞擊地板上的奈米發電機，產生的電量可以點亮1,000顆LED。 圖片來源 ： www.news.gatech.edu
TENG不但牽涉到電學原理，更包含材料、化學、奈米技術。它的輸出表現可以透過多種方法增強，包括材料選擇、薄膜表面紋理形貌以及奈米化合物結構。
可運用的材質除了金屬之外，還有聚酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA；壓克力)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene；PTFE；鐵氟龍) 、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS) 、聚醯亞胺薄膜(Kapton thin film)、氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)及聚酯(polyester；PET)等等，差別在於，不同的材質會有不同的飽和摩擦電荷密度。
「能夠產生大量電荷的輸出取決於摩擦表面的性質。在聚合物薄膜的表面上採用奈米材料的圖案增加了片材的接觸面積，產生的電力可以有上千倍的差異」，所以為了增加接觸面積，薄膜表面通常會設計成密佈的鋸齒、顆粒或長刷狀等等。
TENG在2012年初發表後，經過不斷的研究，已有數種不同的結構體態設計(圖四)，其單位面積發電密度(Area Power Density )在短短一年後就由3.67mW/m2上升到313W/m2(圖五)，進步幅度驚人。
圖四、各式TENG結構 圖片來源 ： www.nanoscience.gatech.edu
圖五、TENG電源密度進展 圖片來源 ： en.wikipedia.org
TENG有四種基本的操作模式(圖六)，第一種為垂直接觸-分離模式(Vertical Contact-Separation Mode) ，這是最早研發出的奈米發電機。兩層薄膜在重複摩擦與分開的動作之際，可以產生交流電，圖七為操作步驟。
圖六、TENG的四種基本的操作模式 圖片來源： 參考資料第6項
圖七、垂直接觸-分離模式 圖片來源： en.wikipedia.org
第二種為 滑動模式 ( Lateral Sliding Mode ) ，週期性的滑動也可以產生交流輸出，而且可以設計為平面滑動(planar motion)、圓柱旋轉(cylindrical rotation)或是平盤旋轉(disc rotation)，圖八為操作步驟。
圖八、滑動模式 圖片來源 ： en.wikipedia.org
第三種為單電極模式(Single-Electrode Mode) ，與上述二種模式的差別在於只有下層薄膜接負載，而上層薄膜則是自由上下移動的，所以此種模式可用於例如以指尖滑動摩擦生電的應用，圖九為操作步驟。
圖九、單電極模式 圖片來源 ： en.wikipedia.org
第四種為獨立摩擦層模式(Freestanding triboelectric-layer mode) ，見圖六(d)，與上述三種操作模式最大的區別在於上下面板是不接觸的，因此可以降低兩層薄膜接觸面的磨損率。
在當初開始研究TENG時，其目標就是為了要對感測器網路中的小型電子元件提供電源，而研發至今，已證實摩擦生電奈米發電機不僅能攫取小尺度的能量，也能收集大規模的能量，例如流水、雨滴、海浪等等自然能量。
在2013年，王中林教授團隊於ACS NANO期刊發表論文"Human Skin Based Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Biomechanical Energy and as Self-
圖十、與皮膚摩擦的TENG 圖片來源 ： 參考資料第7項
新加坡國立大學在2015年1月於IEEE MEMS 2015研討會上，發表論文"Skin Based Flexible Triboelectric Nanogenerators with Motion Sensing Capability "，更進一步將
奈米發電機以貼片的方式黏在手臂或喉嚨的皮膚上，光是拳頭握緊或是講話發聲等這麼簡單不費力的動作，就可以產生7.3V~7.5V的電力；而在實驗中，最高可產生90V及0.8mW的電力，已足夠點亮12個商用LED燈。
這款發電貼片其尺寸僅如郵票一般大小，也因為採用金箔做為電極(圖十一)，而非使用材質較硬的氧化銦錫(ITO)做為電極，所以可以更易於貼合在皮膚之上，相對於之前所發表技術來說，更適合用於人體自我發電的應用。
圖十一、以金箔做為電極 圖片來源 ： spectrum.ieee.org
如果摩擦生電奈米發電機的技術在未來可以達到商業化的標準，那麼，穿戴者就可以隨時隨地為自己的裝置充電，而穿戴式裝置就可以不再需要以大顆的電池來延長續航力了。
雖然摩擦生電奈米發電機的技術發展，不論是用於人體動能採集，或是用於自然風雨的能量採集，將繼續面對許多務實問題的挑戰，例如材料的穩定度、長期摩擦後的磨損率、高電壓低電流的電源管理技術、能量儲存技術、封裝、連接或整合至裝置等等問題，但不可否認的是，我們習以為常的摩擦生電現象，竟也有如此實用的潛力，微小的能量匯聚之後也有巨大的用處，未來還會發展到什麼樣的境界呢？嗯，不要被您的想像力給框限住了喔！
參考資料
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.
作者： 謝錦星
現任： 北美智權教育訓練處 研發創新顧問
經歷: 友順科技股份有限公司 技術行銷資深工程師
學歷: 美國紐約州立大學電機工程碩士
專長： 類比IC設計、半導體製程
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