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可彎曲的電池與 LED 構成全可撓式電子系統

only-perception
・2012/08/28 ・1685字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

將一種新的可撓式、薄膜鋰離子電池連接到一個彈性有機 LED 上,一個來自南韓的研究團隊展示第一個功能完整的全可撓式電子系統(all-flexible electronic system,全軟性電子系統)。換句話說,他們證明了,在不需要大量電子零件的協助下,彈性顯示器與電池能完全整合在單一塑膠基質上。這項成就依賴一種新的製造方法,那使得彈性電池能與各種電極材料配合(work with),克服先前的電極限制。

研究者,來自南韓大田的 Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST),已將其可彎曲鋰離子電池的研究發表在最近一期的《Nano Letters》上。

雖然已有其他數種彈性鋰離子電池被開發出來,但在運作穩定性上,沒有一種的表現,足以使其被應用到商業化產品中,例如可捲曲(rollable)顯示器以及其它可撓式消費性電子產品。理由是,由於製造上的困難度,這些電池的電極只能以少數幾種材料製成,而且這些材料的表現也不優。如共同作者,KAIST 的 Keon Jae Lee 的解釋,某類理想的陰極材料會是鋰過渡金屬氧化物,然而,這類材料目前無法被整合到可彎曲的鋰離子電池內。

「被當成陰極使用的鋰過渡金屬氧化物,為其結晶度(crystallinity),得在高溫下處理(例如:鋰鈷氧化物約需攝氏 700 度),」 Lee 表示。「然而,要熱處理彈性基質上的活性材料(如聚合物材料)是不可能的事。」

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為了克服這項限制,研究者開發出一種製造技術,允許他們熱處理電極材料,幾乎使任何材料都能拿來當電極用。這項技術,稱為萬能轉移法(universal transfer method),涉及將電池材料以有機方式沈積到脆雲母(brittle mica)基質上,與標準非可撓式電池組裝中所用的類似。接著,研究者使用膠帶將雲膜基質一層層地剝離。在大約 10 分鐘的「剝皮」後,研究者能移除所有的雲母基質而不會損害到薄膜電池。

接下來,彈性電池被轉移到一張彈性聚合物薄片上,並以另一張彈性聚合物薄片覆蓋。成果是一個彈性鋰離子電池,幾乎能以任何電極材料製成。在此,研究者把鋰鈷氧化物當陰極材料用,由於其高效能,在非可撓式鋰離子電池中,那目前是使用最廣的陰極。至於陽極,他們使用傳統的鋰。

「我們製造出一個高效能彈性鋰離子電池,利用高密度無機薄膜以萬用轉移法製成,不管電極化學成份為何,使各種不同的鋰離子電池得以實現,」Lee 表示。 「此外,為了高效能鋰離子電池,它能在聚合物基質上形成在高溫下退火的電極。」

測試時,研究者證明,新彈性鋰離子電池,具有可撓式鋰離子電池中,最高的充電電壓(4.2 V)與電荷容量(106 μAh/cm^2)。他們亦證明該電池能以高曲率角度彎曲。然而,在 100 次的充放電週期後,電池喪失掉一些容量。彎曲變形的程度,它維持在原本容量的 88.2% 與 98.4% 之間。

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如研究者的解釋,幫助他們在高曲率角度下達到有史以來最高效能的一項秘訣是,將電池的活動部件置於電池薄膜的力學中立空間(mechanically neutral space)內。當電池薄膜彎曲時,平衡作用(counterbalance)在外側的伸長應變(ensile strain)與內側的收縮應變(compressive strain)之間形成,那在中間創造出一個力學上的中立平面。此外,研究者算出,在某種程度的彎曲下,收縮應力轉變成拉伸應力的那一點,其穩定性甚至比在脆弱的基質上更大。這項發現暗示,可撓式鋰離子電池也許比非可撓式鋰離子電池具有更高的穩定性與更好的效能。

為了打造首個功能完整的全可撓式電子系統,研究者將彈性鋰離子電池連結到一種可撓式有機 LED 上,後者在一種可撓的氧化銦錫基質上被製造出來。研究者接著以彈性聚合物包裹整套系統以強化力學穩定性。他們證明,甚至當電池處於彎曲狀態下,仍然可以供電給 LED。

在未來,研究者計畫改良電池效能,尤其是它的能量密度,同時研究透過一階段雷射抬昇製程(one-step laser lift-off process)而非使用膠帶,來大量製造。他們亦注意到這種新穎的萬用轉移方法能延伸到其他彈性裝置的製造,例如:薄膜奈米發電機、薄膜電晶體以及熱電裝置。

「我對於可撓式能源與自力供電之壓電能量收成,叫做奈米發電機,的結合有興趣,」Lee 表示,「全彈性電子系統及其與奈米發電機的擴充,可以預期會改變我們的日常生活。此外,為了要在消費性電子產品中實用化,增加電容量很重要。因此,這種 10 微米厚薄膜電池的 3D 堆疊,將會是一個有趣的主題。」

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資料來源:Bendable battery and LED make up the first functional all-flexible electronic system. phys.org [August 10, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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透明可撓的全石墨烯數位調制器問世
NanoScience
・2012/09/09 ・915字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

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美國研究人員研發出第一個具有彈性且透明的全石墨烯(graphene)數位調制器。此元件可望應用於許多領域,包含高速資料通訊電路、可撓式太陽電池、顯示器、電子紙以及智慧型服裝等。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料,具有蜂巢狀晶格結構及許多獨特的電子與機械性質。例如,石墨烯極高的載子遷移率使其可作為超快電晶體的內連線材料以及通道材料;透明的石墨烯從可見光到中紅外光波段的光學性質也非常吸引人,而石墨烯具備機械彈性卻又極為強韌則是另一重要優點。

此研究由密西根(Michigan)大學的Zhaohui Zhong團隊所完成。Zhong表示,此研究成果對於結合高速通訊與可撓透明平台是相當重要的進展,而實驗中僅使用兩個石墨烯電晶體便達成四位元數位調變功能,更是全石墨烯高速資料通訊電路上的重要里程碑。他們的調制器包含電晶體通道、內連線、負載電阻及源/汲/閘極電極全部由石墨烯元件組成,利用石墨烯電晶體特有的「雙極性」(ambipolar)閘極響應進行數位訊號的編碼。雙極性意指材料內的電子與電洞皆能傳導電流,只需改變閘極偏壓便可切換使用的載子種類;相形之下,一般半導體中的載子種類在摻雜時便已決定。

大多數的調變技術是藉由改變載波信號的振幅、頻率、相位或以上三者來處理資訊。改變一個參數可以用來表示二位元資訊(0與1),結合兩種以上的二位元調制方式,便能用來表示四位元資訊(00, 01, 10及11),此即密西根團隊的石墨烯數位調製器的編碼運算方式。

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Zhong表示,四位元調制方式如四重相偏移調變(Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK),是高效率編譯方法的主要建構基石,這些較高效率的編譯方式已廣泛使用於今日的電信通訊標準中。該團隊已使用此透明全石墨烯調制器執行QPSK,這顯示此類元件在可撓式無線通訊應用上極為看好;相形之下,一般以矽材料製作的調制器不具彈性,因此無法應用於可撓式電子設備上。另外,拜雙極性之賜,此調變器僅須使用兩個石墨烯電晶體,大幅化簡了電路的複雜度。

受到此初期實驗結果的激勵,該團隊打算進一步改良此石墨烯電路,使其能在十億赫茲(GHz)的頻率下工作。詳見Nature Communications|DOI:10.1038/ncomms2021。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘

資料來源:Digital modulator goes transparent. NanoTech [Aug 23, 2012]

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轉載自 奈米科學網

NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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可彎曲的電池與 LED 構成全可撓式電子系統
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・2012/08/28 ・1685字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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將一種新的可撓式、薄膜鋰離子電池連接到一個彈性有機 LED 上,一個來自南韓的研究團隊展示第一個功能完整的全可撓式電子系統(all-flexible electronic system,全軟性電子系統)。換句話說,他們證明了,在不需要大量電子零件的協助下,彈性顯示器與電池能完全整合在單一塑膠基質上。這項成就依賴一種新的製造方法,那使得彈性電池能與各種電極材料配合(work with),克服先前的電極限制。

研究者,來自南韓大田的 Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST),已將其可彎曲鋰離子電池的研究發表在最近一期的《Nano Letters》上。

雖然已有其他數種彈性鋰離子電池被開發出來,但在運作穩定性上,沒有一種的表現,足以使其被應用到商業化產品中,例如可捲曲(rollable)顯示器以及其它可撓式消費性電子產品。理由是,由於製造上的困難度,這些電池的電極只能以少數幾種材料製成,而且這些材料的表現也不優。如共同作者,KAIST 的 Keon Jae Lee 的解釋,某類理想的陰極材料會是鋰過渡金屬氧化物,然而,這類材料目前無法被整合到可彎曲的鋰離子電池內。

「被當成陰極使用的鋰過渡金屬氧化物,為其結晶度(crystallinity),得在高溫下處理(例如:鋰鈷氧化物約需攝氏 700 度),」 Lee 表示。「然而,要熱處理彈性基質上的活性材料(如聚合物材料)是不可能的事。」

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為了克服這項限制,研究者開發出一種製造技術,允許他們熱處理電極材料,幾乎使任何材料都能拿來當電極用。這項技術,稱為萬能轉移法(universal transfer method),涉及將電池材料以有機方式沈積到脆雲母(brittle mica)基質上,與標準非可撓式電池組裝中所用的類似。接著,研究者使用膠帶將雲膜基質一層層地剝離。在大約 10 分鐘的「剝皮」後,研究者能移除所有的雲母基質而不會損害到薄膜電池。

接下來,彈性電池被轉移到一張彈性聚合物薄片上,並以另一張彈性聚合物薄片覆蓋。成果是一個彈性鋰離子電池,幾乎能以任何電極材料製成。在此,研究者把鋰鈷氧化物當陰極材料用,由於其高效能,在非可撓式鋰離子電池中,那目前是使用最廣的陰極。至於陽極,他們使用傳統的鋰。

「我們製造出一個高效能彈性鋰離子電池,利用高密度無機薄膜以萬用轉移法製成,不管電極化學成份為何,使各種不同的鋰離子電池得以實現,」Lee 表示。 「此外,為了高效能鋰離子電池,它能在聚合物基質上形成在高溫下退火的電極。」

測試時,研究者證明,新彈性鋰離子電池,具有可撓式鋰離子電池中,最高的充電電壓(4.2 V)與電荷容量(106 μAh/cm^2)。他們亦證明該電池能以高曲率角度彎曲。然而,在 100 次的充放電週期後,電池喪失掉一些容量。彎曲變形的程度,它維持在原本容量的 88.2% 與 98.4% 之間。

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如研究者的解釋,幫助他們在高曲率角度下達到有史以來最高效能的一項秘訣是,將電池的活動部件置於電池薄膜的力學中立空間(mechanically neutral space)內。當電池薄膜彎曲時,平衡作用(counterbalance)在外側的伸長應變(ensile strain)與內側的收縮應變(compressive strain)之間形成,那在中間創造出一個力學上的中立平面。此外,研究者算出,在某種程度的彎曲下,收縮應力轉變成拉伸應力的那一點,其穩定性甚至比在脆弱的基質上更大。這項發現暗示,可撓式鋰離子電池也許比非可撓式鋰離子電池具有更高的穩定性與更好的效能。

為了打造首個功能完整的全可撓式電子系統,研究者將彈性鋰離子電池連結到一種可撓式有機 LED 上,後者在一種可撓的氧化銦錫基質上被製造出來。研究者接著以彈性聚合物包裹整套系統以強化力學穩定性。他們證明,甚至當電池處於彎曲狀態下,仍然可以供電給 LED。

在未來,研究者計畫改良電池效能,尤其是它的能量密度,同時研究透過一階段雷射抬昇製程(one-step laser lift-off process)而非使用膠帶,來大量製造。他們亦注意到這種新穎的萬用轉移方法能延伸到其他彈性裝置的製造,例如:薄膜奈米發電機、薄膜電晶體以及熱電裝置。

「我對於可撓式能源與自力供電之壓電能量收成,叫做奈米發電機,的結合有興趣,」Lee 表示,「全彈性電子系統及其與奈米發電機的擴充,可以預期會改變我們的日常生活。此外,為了要在消費性電子產品中實用化,增加電容量很重要。因此,這種 10 微米厚薄膜電池的 3D 堆疊,將會是一個有趣的主題。」

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資料來源:Bendable battery and LED make up the first functional all-flexible electronic system. phys.org [August 10, 2012]

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