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TWI830926B - 石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法 - Google Patents

石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法 Download PDF

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TWI830926B
TWI830926B TW109120699A TW109120699A TWI830926B TW I830926 B TWI830926 B TW I830926B TW 109120699 A TW109120699 A TW 109120699A TW 109120699 A TW109120699 A TW 109120699A TW I830926 B TWI830926 B TW I830926B
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黃健翔
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國立臺灣科技大學
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Abstract

本發明係揭露一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，其係先製備含有聚偏二氟乙烯類聚合物的母液，再將石墨烯粉體加入以獲得石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料，並在去除溶劑後直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構。由於本發明的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有將非電能量轉換為電能量的效能，同時可藉由多種成膜的方式以形成獨立存在的材料或結合基材的材料，使得本發明的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構不單只應用在單一技術領域，更可藉由能量轉換的特性以整合上述各領域。

Description

石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法
本發明係揭露一種電響應結構及其製作方法，尤其是有關於一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法。
自在石英晶體上發現了壓電效應後，壓電材料開始引起人們的廣泛注意，隨著研究深入，不斷發現大量的壓電材料，例如：陶瓷材料、高分子壓電薄膜、壓電複合材料等。這些材料有著十分廣泛的用途，在電、磁、聲、光、熱、濕、氣、力等功能轉換器件中發揮著重要的作用。
壓電材料是一種可轉換機械能及電能的材料，其作用的方式主要藉由材料本身因發生彎曲、拉伸，或者施加其他機械力，而對應產生電能的現象，反之亦然，亦即，若提供材料電能，則該材料會相應發生變形的現象。目前，壓電材料主要集中於研究其在能量收集、人造肌肉和傳感器的應用領域，當然，壓電材料亦能應用於日常用的設備中，例如在揚聲器上的應用，就是依靠壓電片轉化為電氣訊號再轉化為機械振動，從而引起聲波而產生出預訂的聲頻訊號。
一般來說，壓電材料是在壓力作用下發生極化而在兩端表面間出現電位差的電介質。在異極晶體材料的特定方向上施加應力，晶體一些對應表面上分別出現正、負束縛電荷，其電荷密度與施加應力的大小成比例，當應力反向時，電荷隨之改變(由正變負、負變正)，這種由機械應力使電介質極化，並形成晶體表面荷電的效應稱為壓電效應。
常見的壓電材料可分為天然材料及人造材料，一些天然的壓電材料包括柏林鐵礦、蔗糖、石英、羅謝爾鹽、黃玉、電氣石等，而人造壓電材料的例子包括鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛。近年來，由於國際對含鉛設備的毒性的關注，使得無鉛壓電材料的開發被逐漸推動，以其產生更環保的新型壓電材料。
在無鉛的壓電材料當中，聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride polymer，PVDF)，是由-(CH2CF2)n-所聚合構成，具有摩擦係數低、耐化學腐蝕性、柔韌性佳等優點，常應用於食品加工業、石油化工產業、電子電氣產業當中，此外，聚偏二氟乙烯更具有優良的電性、高絕緣性、高介電強度等特性，因此廣泛地被做為壓電材料使用。
而根據聚偏二氟乙烯的特性來分析可知，由於在聚偏二氟乙烯是由CFCH鍵接成的長鏈分子，通常狀態下為半結晶高聚物，常見的晶型有四種：α、β、γ及δ(另外還包含一種較少形成的ε型)，它們在不同的條件下形成，在一定條件下(熱、電場、機械及輻射能的作用)又可以相互轉化，在這四種(或五種)晶型中，β及δ均為具有極性的(polar)晶型結構，但在考量實際的可操作條件及晶型穩定性來說，作為壓電應用的聚偏二氟乙烯來說，主要是以含有β 晶型的聚偏二氟乙烯為主，β晶型一般存在於拉伸取向的聚偏二氟乙烯中，分子鏈呈規整排列、自發極化大，取向後的介電常數從6~8提高到11~14，所以一般通過機械拉伸α晶型的聚偏二氟乙烯產生晶型的轉變，可以得到β晶型的聚偏二氟乙烯。
在一習知技術中，利用在聚偏二氟乙烯中加入氧化石墨烯以及氧化鋁，並以聚甲基丙烯酸甲酯為基底製備聚偏二氟乙烯膜，然而，習知技術中的氧化鋁、氧化石墨烯加氧化鋁均是利用金屬陽離子與聚偏二氟乙烯中的氟相互作用以誘導聚偏二氟乙烯形成極化結構，也就是誘導聚偏二氟乙烯中的α型晶體變成β型晶體結構，這種製備方法無法快速將聚偏二氟乙烯中的β型晶體定型，所耗費時間長，製備效率不佳。
在另一習知技術中，利用纖維結構為基底，加入石墨烯以及聚偏二氟乙烯以製備出增強電流輸出之材料，然而，在此製備方法下，若要使β型晶體形成並定型，需要利用使用高壓極化場，也因此需要耗費大量能源。
有鑑於上述問題，本發明係提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，以解決習知技術中存在需耗費大量製備時間及大量能源之問題。
本發明的目的之一在於提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，其在製作過程中將石墨烯加入聚偏二氟乙烯的溶液中進行混煉，其中利用石墨烯的π-π共軛鍵，直接或間接地誘導聚偏二氟乙烯的高分 子鏈排列，開發出可將非電能量轉換為電能量，且具有快速響應特性的複合材料。
本發明的目的之一在於提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，其在將石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料製備為石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構時，僅需要移除石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料內的有機溶劑，即可直接形成具有電響應特性的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構，而無須額外對石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構施予電能或機械能，以使其具有壓電特性。
本發明的目的之一在於提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構在受到應力作用之下會產生電荷，且經由石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中的導電微體導出至結構外。因此，本發明之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構除了可藉由額外設置的電極結構以進行導電外，更可以其本身的導電特性以將壓電作用產生的電荷導出。
本發明的目的在於提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，由於石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有直接成形的能力，因此石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構本身即可與電子元件搭配應用，亦可額外在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的表面上形成電極結構。
本發明的目的在於提供一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中更可藉由添加不同的聚 合物及/或陶瓷材料及/或半導體材料，以使石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構可應用在不同的製程，並達到不同的壓電特性，像是可藉由添加光固化材料以達到3D列印成型(或是模具成型、射出成型…等成型方式)的目的，或是藉由添加陶瓷材料及/或半導體材料以調整壓電特性。
為達上述發明之目的，本發明係提出一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其係首先將聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑在第一溫度下進行混合，以得到一母液；接著，取石墨烯粉體加入至母液，並在第二溫度下進行混合以獲得石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料；最後，去除已完成混合的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料中的有機溶劑，並直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構；其中，在直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時，無須對石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構額外施予電壓。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在將石墨烯粉體加入至母液前，更檢測母液的黏度，且母液的黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，停止混合聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在取石墨烯粉體加入至母液，並在第二溫度下進行混合時，當石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，即停止混合石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。
本發明揭露一種實施態樣，其中，直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法係選自乾式製備法、濕式製備法及上述之組 合之方式進行。
本發明揭露一種實施態樣，其中，直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法可選自於塗佈、網印、刮膜、拓印、沾附、噴塗、3D列印、模具成型、射出成型及上述方法之組合。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構後，測定石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構中的整體聚偏二氟乙烯類聚合物的β型晶型之聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比係不小於60%。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在直接形成的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構之厚度係介於100μm至500μm。
本發明揭露一種實施態樣，其中，與聚偏二氟乙烯類聚合物混合的有機溶劑選自於N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)、丙酮(acetone)及上述之組合。
本發明揭露一種實施態樣，其中，聚偏二氟乙烯類聚合物選自於聚偏二氟乙烯、改質聚偏二氟乙烯及上述之組合。
本發明揭露一種實施態樣，其中，第一溫度係介於50℃至100℃之間、第二溫度係介於5℃至10℃之間。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在將聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑在第一溫度下進行混合時，更加入光固化樹脂以得到母液，且將石墨烯粉體加入至母液前，更檢測母液的黏度，且母液的黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，停止 混合聚偏二氟乙烯類聚合物、光固化樹脂與有機溶劑。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在取石墨烯粉體加入至母液時，更加入陶瓷材料及/或半導體材料，且當加入了陶瓷材料及/或半導體材料的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，停止混合加入了陶瓷材料及/或半導體材料的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。
為達上述發明之目的，本發明係提出一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構，其可將至少一非電能量轉換為電能量，該石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有一第一電子導通端及一第二電子導通端，且包含一聚合物載體及複數導電微體，其中，聚合物載體的成份包含聚偏二氟乙烯類聚合物且具有複數微孔，而導電微體的成份包含石墨烯粉體，此些導電微體部分嵌設於聚合物載體、部分位於至少部分該些微孔的表面上，且此些導電微體提供至少一第一導電路徑至第一電子導通端及提供至少一第二導電路徑至第二電子導通端，使石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構在接收一非電能量輸入後，在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構內對應產生電荷變化，並透過第一導電路徑及第二導電路徑的至少其一，以經由第一電子導通端及第二電子導通端的至少其一，以輸出複數電子；其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比不大於75%。
本發明揭露一種實施態樣，其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比較佳為不大於60%。
本發明揭露一種實施態樣，其中，導電微體的石墨烯粉體相對於 聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比為60%，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度約為23.3μS/cm、電阻值約為430歐姆。
本發明揭露一種實施態樣，其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比更佳為不大於50%。
本發明揭露一種實施態樣，其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比為40%，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度約為13.2μS/cm、電阻值約為760歐姆。
本發明揭露一種實施態樣，其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比最佳為20%，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度小於10μS/cm、電阻值大於1000歐姆。
本發明揭露一種實施態樣，其中，聚偏二氟乙烯類聚合物選自於聚偏二氟乙烯、改質聚偏二氟乙烯及上述之組合。
本發明揭露一種實施態樣，其中，在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中，偏二氟乙烯類聚合物中的β型晶型之聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比係不小於60%。
本發明揭露一種實施態樣，其中，聚合物載體更包含樹脂材料，其與聚偏二氟乙烯類聚合物的重量比不大於100%，且所述的樹脂材料更可為光固化樹脂材料。
本發明揭露一種實施態樣，其更包含複數壓電微體，其與石墨烯粉體的重量比不大於50%，且壓電微體更可為陶瓷材料及/或半導體材料。
本發明揭露一種實施態樣，其中，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電係數(d33)不小於400pC/N。
本發明揭露一種實施態樣，其中，第一電子導通端及/或第二電子導通端為石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的一部分。
本發明揭露一種實施態樣，其更直接電性耦接至少一電子元件，其具有一正極端及一負極端，電子元件的正極端及負極端分別電性耦接於第一電子導通端、第二電子導通端的至少其一。
本發明揭露一種實施態樣，其中，第一電子導通端及/或第二電子導通端為電極結構。
本發明揭露一種實施態樣，其中，非電能量的來源選自於光能、電能、動能、濃度差、應力及上述之組合。
是以，本發明揭露的一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構及其製作方法，其可利用簡單的製程以形成具有壓電特性的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構，且由於石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中石墨烯的高含量，不但使得聚偏二氟乙烯在結構內大量地被誘發而形成β型晶型之聚偏二氟乙烯類聚合物，而讓石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有良好的壓電特性，更讓石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有一定的導電能力，因此可廣泛應用在不同的領域。
S01、S02、S03、S11、S12、S13、S21、S22、S23:步驟
圖1為本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法的一種實施態樣。
圖2為本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法的一種實施態樣。
圖3為本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法的一種實施態樣。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。本發明實施例之構造及使用係詳細說明如下。必須瞭解的是本發明提供了許多可應用的創新概念，在特定的背景技術之下可以做廣泛的實施。此特定的實施例僅以特定的方式表示，以製造及使用本發明，但並非限制本發明的範圍。
首先，請參照圖1所示，其係為本發明揭露的之一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其係包含下列步驟：在步驟S01中，先將聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑在第一溫度下進行混合，以得到一母液；接續，在步驟S02中，取石墨烯粉體加入至母液，並在第二溫度下進行混合以獲得石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料；最後，如步驟S03所示，去除已完成混合的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料中的有機溶劑，並直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構，其中，在直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時，無須對石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構額外施予電壓。
更詳細來說，在步驟S01中，其截止條件為檢測母液的黏度，當測得的母液黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，則停止混合聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑。而步驟S02的截止條件則是當石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，即停止混合石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。而在步驟S01及S02中所揭露的第一溫度及第二溫度的操作區間則分別是第一溫度係介於50℃至100℃之間、第二溫度係介於5℃至10℃之間。
而在步驟S03中揭露的直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法，則可選自於乾式製備法、濕式製備法及上述之組合之方式進行，舉例來說，直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法可依據所成型的結構為薄膜、厚膜、薄塊、厚塊、細絲…等不同的形態，而其對應的製備方法可選自於塗佈、網印、刮膜、拓印、沾附、噴塗、3D列印、模具成型、射出成型及上述方法之組合。
由於本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構可藉由上述的各種不同的製備方法來製備，在特定的製程方法中，也必須添加不同的添加物，以對應的實現該種製程，舉例來說，在3D列印或是模具成型、射出成型等製程方法中，若後續搭配了光固化製程，則必須添加適當的光固化樹脂，因此，其製程則如圖2所示，在步驟S11中，同時將聚偏二氟乙烯類聚合物及光固化樹脂加入至有機溶劑，並在第一溫度下進行混合，以得到母液；接續，在步驟S12中，取石墨烯粉體加入至母液，並在第二溫度下進行混合以獲得含有光固化樹脂成分的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料；最後，如步驟S13所示，去除已 完成混合的含有光固化樹脂成分的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料中的有機溶劑，並舉例而言，以3D列印製程的方式(或是模具成型、射出成型…等製程的方式)直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構；相同於上述實施態樣，在以3D列印製程的方式(或是模具成型、射出成型…等製程的方式)直接形成石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時，亦無須對石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構額外施予電壓。
而上述的步驟S11的截止條件係依據檢測母液黏度來決定，仍舊與上述實施態樣相同的，當母液的黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，則停止混合聚偏二氟乙烯類聚合物、光固化樹脂與有機溶劑。
除此之外，由於本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構可應用在各種不同的領域，舉例來說，當其應用在壓電感測的應用時，根據不同的感測靈敏度、感測標的物、感測範圍…等等需求，會需要不同的壓電特性，因此，更可在石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構的製作流程中，更添加陶瓷材料及/或半導體材料以調整壓電係數，請參照圖3所示，在步驟S21中，先將聚偏二氟乙烯類聚合物與有機溶劑在第一溫度下進行混合，以得到一母液；接續，在步驟S22中，將陶瓷材料及/或半導體材料與石墨烯粉體一併加入至母液，並在第二溫度下進行混合以獲得陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料；最後，在步驟S23中則去除已完成混合的陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料中的有機溶劑，並直接形成陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構，其中， 在直接形成陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時，亦無須對陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構額外施予電壓。
而上述的步驟S22的截止條件係依據檢測陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度來決定，仍舊與上述實施態樣相同的，當陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，即停止混合陶瓷材料及/或半導體材料-石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。
另外，本發明更同時揭露一種以上述各種實施態樣所製備成的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構，由於石墨烯材料本身的特性，係可將至少非電能量轉換為電能量，且本發明的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有一第一電子導通端及一第二電子導通端，而包含一聚合物載體及複數導電微體，其中，聚合物載體的成份包含聚偏二氟乙烯類聚合物，且具有複數微孔，導電微體的成份包含石墨烯粉體，此些導電微體部分嵌設於聚合物載體、部分位於至少部分該些微孔的表面上，且此些導電微體提供至少一第一導電路徑至第一電子導通端及提供至少一第二導電路徑至第二電子導通端，使石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構在接收一非電能量輸入後，在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構內對應產生電荷變化，並透過第一導電路徑及第二導電路徑的至少其一，以經由第一電子導通端及第二電子導通端的至少其一，以輸出複數電子；其中，導電微體的石墨烯粉體相對於聚合物載體的聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比不大於 50%。
其中，聚偏二氟乙烯類聚合物選自於聚偏二氟乙烯、改質聚偏二氟乙烯及上述之組合。且在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中，由於聚偏二氟乙烯類聚合物中的β型晶型之聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比係不小於60%，因此石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電係數(d33)不小於400pC/N。
而就石墨烯粉體的固含量來說，與習知技術中多以石墨烯粉體做為含量低的添加物相比，在本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中，石墨烯粉體的固含量佔了全部固體添加物的至少一半，以實際的數據顯示，在本發明中的石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比較佳為不小於60%，且在石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比為60%時，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度約為1.8S/cm、電阻值約為14歐姆；石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比較佳為不小於75%，且在石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比為60%時，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度約為6S/cm、電阻值約為1.5歐姆；石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比較佳為不小於100%，且在石墨烯粉體相對於聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比為100%時，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的導電度約為18S/cm、電阻值小於1歐姆。
而根據上述的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法中添加的光固化樹脂、陶瓷材料及/或半導體材料而論，石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中的聚合物載體更可包含像是光固化樹脂的材料，其與聚偏二氟乙烯 類聚合物的重量比不大於100%；而在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構中則更包含複數壓電微體，其與石墨烯粉體的重量比不大於50%，且所述的壓電微體更可為陶瓷材料及/或半導體材料。
承上所述可知，本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構由於石墨烯顯著的導電特性及聚偏二氟乙烯優良的壓電特性，在石墨烯的固含量不小於聚偏二氟乙烯的固含量的前題下，所得到的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構具有一般壓電結構所無法展現的導電特性，因此，為了將壓電作用下產生的電荷從石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構內部導出，除了在石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的表面上形成額外的電極結構以做為第一電子導通端及第二電子導通端之外，本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構更可直接以其本身的結構直接做為第一電子導通端及第二電子導通端，換言之，可依據不同的需求，而選擇性地在本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的表面上設置電極結構，亦即，對於本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構來說，額外獨立設置的電極結構並非電荷導通的必要結構。舉例來說，當一外部的電子元件與本發明的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構電性耦接時，電子元件的正極端與負極端可分別電性耦接至石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的第一電子導通端及第二電子導通端，其中，第一電子導通端及第二電子導通端可為石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的一部分，或是為額外設置或形成於石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構表面的電極結構。
另外，雖然上述多以壓電特性來解釋本發明的技術特徵，但實際 上，由石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構所接收的非電能量的來源，可選自於光能、電能、動能、濃度差、應力及上述之組合。
與習知技術相較，一般由聚偏二氟乙烯或由聚偏二氟乙烯與其他陶瓷材料所構成的壓電結構(多為薄膜結構)為使其能夠具有良好的壓電特性，在聚偏二氟乙烯(或含有陶瓷材料的聚偏二氟乙烯)成膜後，通常會藉由提供高壓電、機械拉伸張力…等作用，以驅使聚偏二氟乙烯內部的α晶型的聚偏二氟乙烯轉換為β晶型的聚偏二氟乙烯，直到β晶型的聚偏二氟乙烯的含量夠高時，才能使聚偏二氟乙烯薄膜具有壓電的特性。然而，這樣的作法不但耗能、耗時，形成的薄膜若要將壓電作用後產生的電荷導出，仍必須在薄膜的表面上設置或形成額外的電極結構，舉例來說，通常會在壓電薄膜的兩個表面上貼覆或形成金屬層，以做為可導電的電極結構，不但在製程上增加了多個步驟，也容易因為長時間的按壓，而導致電極結構與壓電薄膜之間發生剝離、破裂等問題。然而，本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構由於結合了石墨烯及聚偏二氟乙烯兩種材料的特徵，因此在壓電作用下，能夠展現良好且顯著的壓電特性，更可直接藉由石墨烯的導電能力而在無電極結構的狀態下，亦可將電荷導出至石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構之外。
值得一提的是，在本發明揭露的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法中，無論是在製備聚偏二氟乙烯母液或製備石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料時，其黏度的控制都相當地重要，且無論是否摻混了其他的樹脂材料或陶瓷材料或半導體材料，第一步驟中的母液黏度及第二步驟中的漿料黏 度都維持在相同的範圍內，也就是說，無論是否僅以石墨烯-聚偏二氟乙烯來製備，或是添加其他材料於其中，母液黏度及漿料黏度都不會因此而改變，其原因在於，母液黏度及漿料黏度這些具有黏性的溶液所提供的剪切力決定了粉體分散的均勻程度、粉體與聚合物的混煉程度，也因此，在製備母液及漿料時，也必須要在溫度控制的環境下進行操作，俾以避免因溫度變化過大而影響聚合物的溶解度，因而導致黏度變化過大，則無法控制所形成的石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的品質，因此，控制母液及漿料具有良好的黏度，係可使石墨烯的π-π共軛鍵有效地誘導聚偏二氟乙烯的高分子鏈排列，以開發出可將非電能量轉換為電能量，且具有快速響應特性的複合材料。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
S01、S02、S03:步驟

Claims (11)

  1. 一種石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其係包含下列步驟：將聚偏二氟乙烯類聚合物與一有機溶劑在一第一溫度下進行混合，以得到一母液；取石墨烯粉體加入至該母液，並在一第二溫度下進行混合以獲得一石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料；以及去除已完成混合的該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料中的該有機溶劑，以直接形成一石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構；其中，直接形成該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時，無須對該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構額外施予電壓；其中，其中該第一溫度係介於50℃至100℃之間、該第二溫度係介於5℃至10℃之間。
  2. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在將石墨烯粉體加入至該母液前，更檢測該母液的黏度，且該母液的黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，停止混合聚偏二氟乙烯類聚合物與該有機溶劑。
  3. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在取石墨烯粉體加入至該母液，並在該第二溫度下進行混合時，當該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，即停止混合該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。
  4. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中直接形成該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法係選自乾式製備法、濕式製備法及上述之組合之方式進行。
  5. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中直接形成該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構時的方法可選自於塗佈、網印、刮膜、拓印、沾附、噴塗、3D列印、模具成型、射出成型及上述方法之組合。
  6. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在直接形成該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構後，測定該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構中的整體聚偏二氟乙烯類聚合物的β型晶型之聚偏二氟乙烯類聚合物的重量百分比係不小於60%。
  7. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在直接形成的該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物之電響應結構之厚度係介於100μm至500μm。
  8. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中與聚偏二氟乙烯類聚合物混合的該有機溶劑選自於N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲醯胺(DMF)、丙酮(acetone)及上述之組合。
  9. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中聚偏二氟乙烯類聚合物選自於聚偏二氟乙烯、改質聚偏二氟乙烯及上述之組合。
  10. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在將聚偏二氟乙烯類聚合物與該有機溶劑在該第一溫度下進行混合時，更加入光固化樹脂以得到該母液，且將石墨烯粉體加入至該母液前，更檢測該母液的黏度，且該母液的黏度介於1.2-1.8Pa‧s時，停止混合聚偏二氟乙烯類聚合物、該光固化樹脂與該有機溶劑。
  11. 如請求項1所述之石墨烯-聚偏二氟乙烯之電響應結構的製作方法，其中在取石墨烯粉體加入至該母液時，更加入陶瓷材料及/或半導體材料，且 當加入了該陶瓷材料及/或半導體材料的該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料的黏度介於2.0-2.5Pa‧s時，停止混合加入了該陶瓷材料及/或半導體材料的該石墨烯-聚偏二氟乙烯類聚合物漿料。
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