兼具蓮花與補光效應的多功能微結構的製作方法

2023-09-18 16:58:43 1

本發明涉及一種兼具蓮花與補光效應的多功能微結構。

背景技術：

環保與潔淨能源是全世界極為重要的問題，太陽能發電則是主要的潔淨能源發電裝置；但太陽能面板常因表面受到汙染而大幅降低發電效率，同時，太陽光在太陽能面板表面上亦易於反射，因而降低了發電效率；因此，如太陽能面板上，能有一兼具蓮花與補光(lotusandlighttrapping)效應之表面，將可大幅提高太陽能面板的發電效率。

而所謂蓮花效應是指一表面，除了液滴與固體表面間之靜態接觸角(contactangle)大於150度外，當液滴自一相當高度落於表面時，液滴亦將反彈與滾動，藉此可達到自潔之功能；若該表面靜態接觸角大於150度，但不具反彈與滾動的特性，則只能稱為具靜超疏水性(staticsuperhydrophobic)；自然界中有諸多物種，天生即具備超疏水性之表面，其中以蓮葉之蓮花效應(lotuseffect)最為知名。

蓮葉表面透過電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,sem)觀察後，如圖1所示，可知蓮葉表面具有約20μm之突柱，突柱之間距表皮細胞上亦有一層間距為數百奈米(nm)的毫毛，並覆蓋一層具疏水性的蠟質結晶(waxcrystal)；當液滴置於蓮葉表面上時，將形成如球狀的高接觸角度，故蓮葉表面具有超疏水性；而液滴落在蓮葉表面時，因其間距為數百奈米(nm)的毫毛層包覆著空氣，蓮葉表面不會被浸溼，液滴將會反彈；若將蓮葉傾斜一角度，液滴即可在蓮葉之表面滾動，藉此將蓮葉上所附著之灰塵及髒汙一併帶離，故可與以達致自潔之效果。

而公知的對象表面上製作疏水性結構之方法，主要是利用仿生概念，以微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem,mems)之加工方式，製作近似於蓮葉表面上之突柱狀結構；透過增加表面粗糙度(surfaceroughness)，以減少水滴與對象表面頂端的接觸面積，進提升水珠對對象表面的接觸角；然而，目前以微機電加工方式製造近似於蓮葉之突柱狀微結構，其具有諸多缺點，茲列舉如下所述：

1)目前利用微機電系統加工方法系直接在材料上加工成粗糙表面或突柱狀之結構，但無法複製突柱之表皮細胞上之奈米毫毛，因而該表面在靜態時雖具超疏水性之特徵，然而由於突柱狀結構系開放性結構，故突柱間之空氣可互相流通，故當液滴自一高度落在突柱狀結構時，水滴會將突柱之間的空氣擠出，進而使突柱狀結構潤溼，而失去其疏水性，液滴更是無法反彈與滾動，以達到自潔之功能，因此該表面無蓮花效應。

例如：一種美國專利公開第2008/0014410號之「定向聚合物製品及方法」一案，其公開了不同高度的三角壁狀結構，但其只是平行的三角壁，且亦系屬開放性結構，當液滴自一高度落在其表面時，水滴會將平行三角壁間的空氣擠出，進而使結構潤溼而失去其疏水性，液滴更是無法反彈與滾動，因此該表面亦無蓮花效應。

2)縱使可完全複製出大自然的蓮花表面結構，但因它為獨立的柱狀結構，其抗剪與抗壓的能力均不足，僅需施以輕微之橫向力或縱向力，突柱狀之結構即會被破壞而失去其超疏水性效果；舉例而言，當將突柱狀之超疏水性結構材料製成如貼紙般的薄膜，進而固定於物體表面時，亦需在薄膜上施力，而由於突柱狀結構的強度差，故於施工過程中極易導致突柱狀結構損壞。

3)類大自然蓮花表面的結構為獨立的柱狀結構，因此其將光向下反射造成 的補光效果能力極差，不可能應用於太陽能板上，以期提升太陽能發電之效率。

再者，習知另提供一種概如美國專利公開第2010/0112286號之「超疏水性表面」，其具有第一型體、第二型體，以及高預定型體及低預定型體，皆揭示了不同高度且無流通之結構表面，其中，第二型體與高預定型體皆為突出的柱體，而第一型體與之低預定型體為等高並圍成各單元間空氣不流通的壁結構；此結構表面有下列的特色與缺失：

1)突柱狀之結構易被破壞而失去其超疏水性：

當液滴靜止在該表面的突出柱體上時，因液滴與結構表面的接觸面積小，只要該結構材料具疏水性，則該結構將具超疏水性；但此柱體結構與前述之蓮葉突柱相似，其抗剪與抗壓的能力均不足，僅需施以輕微之橫向力或縱向力，突柱狀之結構即會被破壞而失去其超疏水性；因一旦突柱狀之結構被破壞，一般可知，當液滴落在高度相等並圍成各單元間空氣不流通的結構表面時，如其第2b圖所示，液滴與固體表面間之接觸角可大於150度，但其滑動角(slidingangle)將很大，以至於液滴無法在固體表面滾動。此與液滴在網格上的情形是一樣的，此表面將不具超疏水性。

2)具蓮花效應的能力低：

美國專利公開第2010/0112286號一案，其各單元間空氣不流通的內空氣腔，固然對液滴落在結構表面時會有空氣反彈的作用，但該結構(a)沒有避免液滴破裂的設計：破裂的小液滴將直接進入空氣腔，溼潤結構而破壞其疏水性；(b)沒有大幅降下落液滴動能的設計：具相當動能的液滴落在空氣腔上後，落在腔體中間的液滴將迅速落入腔體底部，並將腔體內周遭的空氣擠出，進而溼潤結構而破壞其疏水性；由上面的分析可知，第2010/0112286號一案之設計，雖然比純突柱狀之結構有較佳的超疏水性，但液滴落下的高度低，因此，它具蓮花 效應的能力低。

3)不具補光的能力：

該結構無法像成對的二個三角壁表面般，將光線互相向下反射與折射，以造成補光之效果。

綜合上述的分析可知，現有的突柱狀之結構雖可具高接觸角，但普遍具蓮花效應的能力低，且不具補光的能力；而具補光的能力的平行的三角壁結構，水滴會將平行三角壁間的空氣擠出，亦使結構潤溼而失去其疏水性。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究蓮花效應，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

技術實現要素：

為達致以上目的，發明人提供一種兼具蓮花與補光效應的多功能微結構，尤指一種由具透明與疏水性材質製成之本體，其每一單元系由數片具相同與不同高度，而斷面為三角形狀的三角壁彼此相互間隔排列或交錯設置，由高而低依序成型一表層、零到數層之中間層及一底層；其中，表層將只是直線，中間層可與表層構成為開放或封閉的空間，但至少在其底層必須與其他層構成封閉的空間；三角壁斷面的頂端呈平順之上凸曲線；所有各層之三角壁將共同造成向上支撐與推託液滴的力量，以降低液滴的下落動能；底層形成封閉空間的部分，將構成空氣彈簧的作用，以將液滴反彈，使液滴脫離微結構的表面；同時，成對的三角壁表面亦可將光線互相向下反射與折射，以達到補光之效果。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1)本發明之三角壁頂端系呈平順之上凸曲線，故當液滴滴落於本體時，液 滴將不易破裂形成更微小之液滴而溼潤本體；其中，表層系直線結構。故與液滴之接觸面積極小，可構成超疏水表面；而三角壁之間相互間隔排列或交錯設置之三角壁可共同支撐並推託液滴，並隨液滴越接近底層，由於三角壁之數量增加，且間距逐漸縮小，故可降低液滴滴落之動能；而底層之封閉空間將構成空氣彈簧之作用，藉可將液滴反彈，使液滴脫離微結構的表面。

2)如本發明系採用透明與疏水性材料所製成，它除了具蓮花效應之外，亦可藉由成對的三角壁表面亦可將光線互相向下反射與折射，以達到補光之效果。

3)如將此兼具蓮花與補光效應之微結構應用於太陽能發電面板上，將可有效提升太陽能發電之效率；此外，本發明亦被可應用於溫室農業及其他需採光的場所。

4)本發明之結構系由諸多的三角壁彼此相互或交錯設置且具彈性，其結構強度遠大於大自然的凸點式蓮花結構，當將本發明敷貼附於產品表面時，結構體不易受損。

5)本發明之生產模具可藉由刀刻成型，產品可藉由微結構轉印的方法大面積量化生產，其可易於成型於各物品之表面，或製成貼膜以貼附於各產品表面。

6)本發明的材料如變更為疏油性材料時，本微結構將具超疏油性；可依不同需求而於結構表面塗布不同的化學材料，此本發明結構內的化學材料亦將受到本結構的保護，故顯見本發明亦確實可被廣泛應用於諸多技術領域。

附圖說明

圖1系液滴於蓮花表面之示意圖；

圖2系本發明形成雙層結構之示意圖；

圖3系本發明形成三層結構，且中間層及表層間系形成封閉的空間之示意圖；

圖4系本發明形成三層結構，且中間層及表層間系形成開放的空間之示意圖；

圖5系本發明形成四層結構之示意圖；

圖6系本發明三角壁頂端形成曲線結構之示意圖；

圖7系本發明三角壁呈非等高設置之示意圖；

圖8系系光線照射於本發明時，光線在三角壁間互相向下反射與折射之光學路徑示意圖；

圖9系本發明之三角壁支撐液滴的作用力示意圖；

圖10系本發明實驗測量靜態接觸角之示意圖；

圖11系液滴落於本發明結構時，液滴反彈之實驗照片圖。

具體實施方式

關於本發明的技術手段，茲舉數種實施例配合圖式於下文進行詳細說明。

請先參閱圖2至圖5所示，本發明系一種兼具蓮花與補光效應的多功能微結構，其包含：

一本體1，其系由數片具相同與不同高度，而斷面為三角形狀的三角壁11彼此相互間隔排列或交錯設置，由高而低依序成型表層、零到數層之中間層及底層；所述三角壁11斷面之頂端系呈平順之上凸曲線，而較佳者，系如本實施例中所示，呈平順的圓弧狀。

其中，高度最高之所述三角壁11a系形成該表層，而高度最低之所述三角壁11b系形成該底層，高度最高之所述三角壁11a頂端形成之線性結構系構成超疏水表面，高度最低之所述三角壁11b頂端延伸之平面與其他三角壁11之間形成封閉空間2。

一實施例系如圖2所示，系僅具有一表層及一底層之雙層結構，具有兩種 不同高度之三角壁11a、11b交錯設置而成；

另一實施例系如圖3所示，系具有一表層、一中間層及一底層之三層結構，系具有三種不同高度之三角壁11a、11b、11c交錯設置而成，且中間層之三角壁11c系與表層之三角壁11a相互交錯，故系中間層系與該表層間構成封閉的空間；

另一實施例如圖4所示，系具有一表層、一中間層及一底層之三層結構，其系由三種不同高度之三角壁11a、11b、11c彼此相互間隔排列及交錯設置而成，而其中間層之三角壁11c系與表層之三角壁11a相互平行，故該中間層與該表層間系構成開放的空間；

另一實施例如圖5所示，系具有一表層、兩個中間層及一底層之四層結構，系具有四種不同高度之三角壁11a、11b、11c、11d彼此相互間隔排列及交錯設置而成；

如上述之圖2至圖5之實施例所示者，其三角壁11之頂端原則上是直線且等高的，而在另一實施例中，如圖6所示，其三角壁11為曲線結構，而如圖7所示，所述三角壁11之頂端系呈非等高設置，意即，本發明之三角壁11在直線度與高度上均容許些微的變化；

本發明之圖2至圖5皆為本體1之部分示意，實際於應用時，可予以重複延伸或縮減，且中間層的層數是可以變更的，而由高而低依序成型一表層、零到數層之中間層及一底層。

此外，本發明之三角壁所圍成之部分，其上視圖並未限定為長方形，亦可為其他幾何形狀。

圖8顯示的是所有各層之三角壁將共同造成向上支撐與推託液滴的力量，以降低液滴的下落動能，隨著三角壁高度的降低，三角壁的數量增加，使彼此間的間距縮小，其降低液滴下落動能的能力將增大；而形成封閉空間的部分， 將構成空氣彈簧的作用，以將液滴反彈，使液滴脫離微結構的表面；

圖9顯示的是光線照射於本微結構時，光線的行進路線圖；由於反射和折射的光線均能向下行進，此說明本微結構具補光的效果。

需另特別說明的是，若本體1之材料為具透明與疏水性的材料，依此種材料製成的本發明將具蓮花與補光效應；而若本體1之材料為疏油性的材料，則依此種材料製成的本體1將具疏油的效應；且本發明亦可依不同需求而於結構表面塗布不同的化學材料層，此在本發明結構內的化學材料亦將受到本發明的保護，故顯見本發明亦確實可被廣泛應用於諸多技術領域者。

本實施例系以圖4所示之結構舉例說明，惟並不以此做為限定；本實施例之三角壁11分別具有一錐角θ，且三角壁11之頂端具有一圓弧半徑r，所述三角壁11a、11c系呈橫向設置，三角壁11a之間具有第一間距pa，而三角壁11c間具有第二間距p_b，且三角壁11a與三角壁11c間具有一距離；所述三角壁11b系呈橫向設置，且略與所述三角壁11a及三角壁11c垂直，所述三角壁11b之間具有第三間距pc；第一間距pa、第二間距p_b及第三間距pc，皆係指三角壁11間之節距；其中，所述第一間距pa之中點系同於第二間距之中點p_b；所述三角壁11a之高度系相對最高者，而三角壁11b之高度系相對最低者，其中，所述三角壁11a之高度為dd，三角壁11c之高度為d_e，三角壁11b之高度為df；且所述三角壁11b頂部所延伸之平面，系與該本體1表面、所述三角壁11a及三角壁11c之間形成所述封閉空間2。

本實施例系以尺寸符號以表示所製成本體1之三角壁11a、三角壁11c及三角壁11b之高度、間距、錐角θ及圓弧半徑r。

就圖4所示之結構而言，所述錐角θ之角度系介於20°至30°之間；所述三角壁11a之高度系介於12μm至30μm之間；所述三角壁11c之高度系介 於7μm至20μm之間；所述三角壁11b之高度系介於4μm至12μm之間；所述圓弧半徑r為1.25μm至2.25μm之間；所述頂層三角壁11a之第一間距pa系介於24μm至36μm之間；所述中間層三角壁11c之第二間距p_b系介於8μm至12μm之間；所述底層三角壁11b之第三間距pc系介於7μm至10μm之間；在此取前述區間範圍其一規格製成之本體1。

本實施例中，所測試之本體1結構與幾何尺寸如圖4所示，其系由透明光導材質聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)所製成面積為20mm*20mm之試片體；本實驗使用fta-1000b接觸角量測儀量測靜態接觸角，分別量測五次並計算平均值與標準偏差；其實驗結果如圖10所示，液滴3於本體1之接觸角為151.18±2.17°；因其接觸角大150°，所以其為超疏水表面。

圖11系液滴3滴落於本發明結構時，液滴3反彈之實驗照片圖。本實施例中，系以高速攝影機拍攝速度每秒1500張，並使用體積5μl之液滴3，於30cm之高度自由滴落於本體1表面上，觀察並記錄其撞擊過程；實驗結果顯示，液滴3將於本體1表面產生完全反彈，只要本體1表面略具傾斜，液滴3將可滾動並將在本體1表面之灰塵帶離；且液滴3於本體1之三角壁11a及三角壁11c時，由於三角壁11之頂端系呈圓弧狀，故不導致液滴3破裂分離為更小之液滴3，並藉由三角壁11a、11b、11c之高低落差以及間距，可令液滴3被三角壁11之側壁共同支撐，且當液滴3越接近底層，則三角壁11之數量增加，且間距亦逐漸縮小，除能支撐液滴3之外，亦能降低液滴3滴落之動能。

另就空氣中之灰塵而言，由於灰塵之粒徑普遍介於0.001μm至500μm之間，質量約為0.1μg至10μg，其中，粒徑低於0.1μm的微粒其性質與分子相近，與氣體分子碰撞會引起大幅度自由運動；粒徑介於1μm至20μm間之微粒則容易隨氣體流動；粒徑若大於20μm則具有明顯之沉降作用；而本發明中， 由於三角壁11a、11b、11c間之高度不同，且第三間距pc小於10μm，故灰塵難以落入所述三角壁11之間，而間距小於35μm者，則可將空氣中75％之灰塵阻隔，而間距小於10μm，則可不受97％之灰塵影響，且即使灰塵附著於本體1表面，仍可藉由前述之自潔能力，透過液滴3將灰塵帶離本體1表面。

而圖9中所示之光線照射於本體1時，光線在三角壁11間互相向下反射與折射之光學路徑示意圖；由本圖可知，大部分光線之反射光與折射光均在三角壁11間向下行進，此顯示本體1表面將具補光的功能；爰就一般平面之導光體而言，當光線由一角度入射時，其部分之光線將折射至導光體內部，而另一部分之反射光線，因無其他表面可將它進一步向下反射，故反射之光線將無法進入導光體內部；再者，光線經由本發明之本體1到太陽能面板上時，由於本體1之材料與太陽能面板材料之間的光波阻抗(impedence)遠較空氣與太陽能面板材料之間者小；據此，光波傳遞進入太陽能面板的量也將較多，因此，當將本體1覆蓋於太陽能面板上時，可提升太陽能面板的發電效率。

在進行補光功能的實驗時，系可將本體1覆蓋於不同尚未封裝的太陽能面板(圖未繪示)上；本體1的材質與幾何尺寸如上述之液滴反彈實驗者相同；實驗設置與環境均府符合標準規範：在環境溫度25℃、及太陽光於地面之平均照度(am1.5、1000w/m2)之環境下進行，其中，實驗設置之電壓為-0.4v～1v、增幅0.02v、延時200ms；每試片進行5次測試，而後取其平均值。

在進行實驗時，系先將太陽能面板在上述之實驗設置與環境中量取其發電效率，接著將本體1的試片黏覆在該太陽能面板上，進而在相同實驗設置與環境下量取其發電效率；

實驗結果顯示，本發明之微結構可將一矽晶太陽能板之發電效率由17.8％提升為19.2％；亦可將一成功大學光電系所自製的染敏電池(dye-sensitized cells)之發電效率由7.91％提升為9.67％；顯見本發明確實可進行補光，以增進太陽能發電效率，再者，由於本體1將具有如前述之自潔能力，故使灰塵不易附著於本體1表面，藉可維持太陽能發電效率。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。