脑洞大开 “摩擦生电”有望拯救可穿戴设备续航

　　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

　　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turnon，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

　　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1，200W/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

　　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

　　图五、TENG电源密度进展

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