应用于触摸屏设备中的能量收集技术介绍

电池寿命仍然是任何便携式电子设备成功的关键因素。虽然电池技术不断发展，但便携式设备不断增加新功能，从而对电力需求造成最大压力。无论是为了增强电池功能还是最终赋予电力自主权，能量收集的作用变得更加重要。

从环境源发电的能力，如机械开关，振动，加热或光，转换，存储和随意使用它，有可能对便携式设备的实用性产生巨大影响。触摸屏是下一个目标。

全球正在研究各种压电能量收集技术和可能产生自供电触摸屏的新型纳米材料。同时，太阳能电池可以说是目前最实用，最容易获得的能量收集解决方案，可用于为触摸屏供电。

图1：太阳能供电触摸屏智能手机自2009年以来一直存在，但目前还不是新设计的标准功能。 （图片来源：三星。）

本文将展望未来，预测目前正在进行的一些研究的结果，以及审查目前可用于为电池充电的一些太阳能电池和/或为触摸屏激活便携式设备供电。其中包括IXYS的Ixolar系列（KXOB22-01X8，KXOB22-12X1）和三洋能源的Amorton系列（AM-1456CA，AM-5412CAR）。

灵活的功率

从机械开关或键盘致动收获压电能量的能力是众所周知的。西门子分拆的专业公司enOcean已经开发并商业化了该技术，以及相关的标准协议（在公共领域），现在支持整个供应商生态系统（enOcean联盟）。现在有100多家公司为许多应用提供设备，软件和工具，主要针对智能建筑领域，从无线灯开关到遥控器，包括无线传感器网络。

然而，在今天的许多便携式设备中，键盘正在被触摸屏取代。虽然需要按键的触觉反馈，但正的机械切换效果几乎消失了。然而，亚洲的研究人员发现，当触摸屏在用户的触摸下弯曲时，可以收获微量的能量。韩国巨头三星一直与当地的成均馆大学合作，完善能量清除材料，采用柔性透明电极，最终可用于覆盖触摸屏并提供电力。

虽然距离商业还有几年的时间实际上，研究人员已证明其功率输出约为1μW/cm²，理论上足以为触摸传感器供电。虽然最初这种技术可能只提供补充能力，但自供电便携式设备的愿景可能即将出现。

在Advanced Materials中发表的论文，研究人员将该技术描述为纳米级压电电子学。在构造中，压电氧化锌纳米棒夹在柔性塑料片顶部的高导电石墨烯电极之间。保持材料灵活性的能力开辟了开发折叠式或卷式屏幕和键盘以及“可穿戴”设备的机会，这些设备将在弯曲时充电。

重要的是，研究人员声称该技术最终适用于大规模的卷对卷制造工艺。随后的学术论文强调了使用不同材料进一步开展实验以开发其他有用的特性，并且研究的扩展已经转移到诸如可穿戴纳米发电机等主题中。

来自摩擦的分数电荷

从亚洲到美国，研究人员已经发现了如何收集两种柔性聚合物材料摩擦在一起时产生的能量。这种材料被称为摩擦发电机，可以提供来自诸如步行等活动的交流电。研究人员在乔治亚理工学院材料科学与工程学院开发研究人员认为，由于摩擦发电机可以制造得几乎透明，它们具有可能用于有源传感器的潜力可能取代目前用于触敏设备显示器的技术。

在操作中，摩擦发电机可以补充由使用压电效应产生电流的纳米发电机产生的功率。氧化锌纳米线的弯曲。根据王忠林教授的说法，关键是在两个不同的聚合物薄片之间使用间隙分离技术产生电压降（见下图2）。如果然后在两个表面之间连接电负载，则会流过一个小电流来均衡充电电位。

图2：由佐治亚理工学院开发的摩擦发电机原理图。

该技术还可用于制造高灵敏度，自供电的有源压力传感器，可用于有机电子或光电子系统。这种传感器可以检测低至13 m帕斯卡的压力，并且不需要电池供电。该材料还可以与其他能量收集机制结合使用，例如现有的氧化锌纳米发电机。实验表明，摩擦发电机坚固耐用，可连续运行超过100,000次。

研究人员认为制造工艺简单，成本低，可按比例放大大批量生产和实际应用。研究的下一阶段是创建包括存储能量的系统。

太阳能面料

光可以说是一种更可行的环境能源来源今天的触摸屏设备。为计算器，手表等低功率设备供电的微型太阳能电池已经存在了数十年。然而，对太阳能技术的高级学术研究正在取得巨大进展。

美国和欧洲的光子学研究人员一直在致力于开发具有太阳能电池功能的硅基光纤。高级材料。 3 可编织成柔性织物的太阳能电池纤维具有为触摸屏等设备供电以及为电池充电的潜力。然而，可穿戴式电池充电器虽然在可能的范围内，但可能还需要几年的时间。

研究的核心，结合硅和光纤，具有广泛的潜在应用不仅用于电信的光电子学和光电信号处理，还用于医疗，成像和传感以及太阳能发电的非线性光子学。由美国宾夕法尼亚州立大学的一个团队领导，该作品与南安普顿大学光电子研究中心共享 5 。

高压化学技术是创新技术的核心，研究人员称这是一种利用不足的过程，特别是在微观上和纳米尺度，可用于创建有趣的材料属性和行为。

图3：在南安普顿大学光电子研究中心绘制的二氧化硅微结构光纤模板。

将这些技术应用于二氧化硅微结构光纤纳米模板可以产生几乎任何图案排列的孔阵列。孔的直径小至10nm，但长度可以是米。研究人员表示，逐层沉积的孔形成均匀掺杂的半导体同质和异质结。由此产生的优异的光学和电子特性，以及可以产生的各种复杂结构，使纳米级导线和结点的组合成为许多应用的目的。

该技术的新颖性对于电池供电的触摸屏操作设备，能够制造长的，可弯曲的光伏纤维，其可以编织成可变形的织物。柔性，可折叠，轻质材料可用于代替刚性玻璃或塑料基太阳能电池，以在常规太阳能电池应用中提供电池增压能力。研究人员设想它在服装中的应用。军方，现场士兵以及体育用品已经引起了人们的兴趣。这种材料的一个主要优点是可以以不同的角度收集光，而不是单个平面。

石墨烯：材料的好处

石墨烯是最受欢迎的之一全球正在开发令人兴奋的新材料它不仅被认为是传统半导体逻辑电路的潜在替代品，而且还可以提供触摸屏技术以及电池，超级电容器和显示器的优势。世界各地的研究人员正在研究其电学，热学和机械性能，比钢更强，更耐传导。

英国至少有五所大学将从欧洲资助中受益，以帮助石墨烯的发展。特别是剑桥大学正在研究其创造更薄更轻的触摸屏和计算机显示器的潜力。加拿大研究人员正在研究其在可充电电池中的应美国的斯坦福大学和堪萨斯大学将其视为太阳能电池和光伏器件的替代材料。

同时，工业研究继续深入太阳能电池，为更耗电的触摸屏便携式设备供电，包括智能手机，平板电脑甚至电视。例如，三星在2011年展示了一款太阳能46英寸液晶电视，尚未上市。一些过去的LG和三星触摸屏手机采用了大型光伏面板，需要四个小时才能为车载电池充电。据了解，苹果正在研究整合到iPad保护套和触控式显示器中的太阳能电池。

现在和现在

然而，已经可以买到的是法国初创公司Wysips的一项很有前途的技术：一种透明的光伏薄膜，可以整合到传统显示器或触摸屏上（在其上方或下方）。这项技术，“你看到的是光伏表面”，将微型光伏材料与镜头网络结合在一起。结合起来，它们产生光学效应，掩盖光伏电池并从人造光或太阳中捕获能量。光伏元件连接到专用电路，以转换和管理所产生的电能，使用它来为设备的电池充电。

该材料可以集成到任何类型的显示器或触摸屏中，该公司表示，提供90％的透明度，甚至有助于扩大小屏幕的视角。在阳光充足的情况下，电流设备产生的功率可达5.8 mW/cm²。继续研究和开发下一代有机半导体聚合物，预计到2014年将产生10 mW/cm²的峰值功率。

该公司声称，即使智能手机完全放电，拿着一个支持Wysips的手机直到灯光将产生足够的能量来搜索网络并进行远程支付，例如，或紧急呼叫。虽然Wysips技术有可能取代电子书阅读器和低端手机等低功耗设备的充电装置，但预计可以使用更小尺寸的电池设计更高功率的设备。该公司预计将在不久的将来宣布与制造商达成许可协议。

太阳能电池

寻求将太阳能电池纳入触摸屏驱动的电池供电产品的OEM厂商可以找到来自各种制造商的选项数量。例如，可以考虑IXYS的Ixolar SolarBIT系列。虽然这些高效单晶器件设计用于比触摸屏显示器更广泛的应用，但它们非常紧凑，可轻松集成到多种类型的电池供电产品中。该系列中最小的设备是KXOB22-01X8，尺寸仅为22 x 7 x 1.6 mm，KXOB22-12X1尺寸为27 x 7 x 1.8 mm。典型的额定电压分别为0.5 V/44.6 mA和3.4 V/3.8 mA，在晶圆级测量的效率为22％。

另一个受欢迎的供应商选择是三洋能源，提供广泛的非晶太阳能电池。与晶体硅相比，非晶太阳能电池具有不规则的原子排列，制造商声称其允许更多的光被吸收。此外，使用金属或塑料作为基板，可以生产柔性太阳能电池。 Sanyo的Amorton系列在玻璃基板上使用三个非晶硅层。根据应用要求，电池可以在基板上串联连接，从而可以获得任何所需的电压。

太阳能电池可用于室内和室外。 AM-1456CA是可用于室内的最小型号之一，例如触摸屏计算器等设备。尺寸仅为10 x 25 mm，重量为700 mg，典型工作特性包括1.5 V/5.3 A操作，亮度为200 lux。对于户外使用，在智能手机等设备中，Amorton设备通常可以产生100 mW/cm²的电流。中型设备，如AM-5412CAR，外形尺寸为50.1 x 33.1 mm，重7.3 g，最大输出功率为93 mW（典型值为2.6 V/35.8 mA）。

总结

本文阐述了能量收集在触摸屏设备中具有巨大的潜在应用，无论是直接为其供电还是提高电池电量。国际研究结果表明，有许多技术可以使触摸屏设备成为更加可行和有效的能量收集主张。太阳能和压电发电技术正在开发中。然而，今天，已有的解决方案可以并且已经在使用中。这些基于微型太阳能电池本身正在提高效率。