學位論文
Permanent URI for this collectionhttp://rportal.lib.ntnu.edu.tw/handle/20.500.12235/73894
Browse
14 results
Search Results
Item 石墨烯散熱塗料於LED性能提升之技術開發(2019) 施文浩; Shi, Wen-Hao近年來，電子產品朝向講求輕薄短小、追求多功能及效能更高的趨勢發展，而多功和效能的提高也產生更高耗電量與廢熱的問題。一般工業設備大都會在熱源或散熱鰭片部位安裝風扇進行主動式冷卻散熱，而部分電子產品，如LED照明燈具因受到幾何結構或尺寸限制，無法加裝主動式散熱系統，只能依賴金屬散熱片等被動散熱裝置，利用金屬的高導熱係數，以熱傳導將熱由熱源導出至散熱鰭片，達到降溫的效果。不過金屬表面的熱輻射係數(Emissivity)極低，匯集到散熱鰭片的熱不易發散至環境中。因此，如何提高金屬表面之熱輻射係數，已成為極待解決的問題。本研究預計開發出一種散熱塗料(Heat dissipation coating)，以油性環氧樹脂作為基底，添加擁有高熱輻射性能之奈米碳材與良好熱傳導係數之氮化鋁顆粒，調整填充物的比例與塗料黏度後，塗佈一具有高熱輻射係數且低熱阻之散熱薄膜於金屬散熱片表面，提升其被動散熱的效果，並利用大氣電漿(Atmospheric pressure plasma, APP) 與硫酸對奈米碳材進行官能化改質處理，進一步提升塗料之熱輻射性能。本研究添加化學官能化改質的奈米碳材，使用比例為10 wt%氮化鋁、2 wt%石墨烯與2 wt%多壁奈米碳管，以真空脫泡攪拌機混拌後於散熱鋁片進行 20 μm 之薄膜塗佈。使用紅外線熱像儀量測其熱輻射係數可達0.98，應用於9W LED之降溫測試，可使LED降溫15.3 ℃，並提升8%之流明值。再透過熱重分析儀(Thermogravimetric analysis, TGA)測試，該散熱塗料之熱分解溫度達311 ℃，表示本研究所製備之散熱塗料在實際應用上也具有良好的穩定性。Item 導電奈米纖維複合碳黑/石墨烯應用於鋁離子電池之研製(2019) 林至寬; Lin, Chih-Kuan可充電式之多價金屬離子電池由於具有高理論比電容值和較低之成本而受到廣泛的關注，其中，鋁具有存量豐富，安全性高，對環境友善和利用三電子進行氧化還原反應之高體積容量等優勢，被認為是下一代可充電電池的有力候選人。 本論文以SU-8 2050厚膜光阻為材料，使用黃光微影技術於尺寸2×2 cm2之鉬箔上製作SU-8圓柱陣列結構，並以靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。接著透過靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。再以兩段式升溫之高溫碳化製程將SU-8光阻轉變為類玻璃碳材料(Glassy carbon)，完成直徑32 µm、深寬比5、間距80 µm之導電碳圓柱陣列結構以及線徑910 nm之碳奈米纖維(Carbon nanofiber)之製備。後續將碳奈米纖維以均質機破碎後，與石墨烯(Graphene)和碳黑(Carbon black)藉由NMP@PVDF黏著劑複合形成鋁離子電池陰極之電極漿料，並滴塗於導電圓柱陣列電極中，完成全碳之鋁離子電池陰極之製作。本論文選擇8組不同漿料用於製備鋁離子電池的陰極，包括未添加碳奈米纖維的漿料，以石墨烯：碳黑=1:0、1:1、1:5、1:8之比例製備四組電極，並於相同之石墨烯與碳黑比例下額外添加碳奈米纖維，再製備出石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5等四組電極。將電極均組裝成鋁離子電池元件後，透過恆電位儀進行循環伏安曲線(Cyclic voltammetry curve, C-V curve)測試以及恆電流充放電(Galvanostatic charge/discharge, GCD)之測試，評估電池之性能。量測結果發現，添加碳奈米纖維之四組電極的C-V 曲線面積，分別比未添加纖維之四組提升了660%、57%、-17%、314%。除石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:5:0.5電極之C-V曲線面積有小幅度下降外，其餘電極之C-V 曲線面積均有大幅度提升，說明添加碳奈米纖維能夠提供更多比表面積供鋁離子嵌入與嵌出，進而提升電池效能。將上述8組電極所組裝而成之鋁離子電池中，選取性能較好之石墨稀:碳黑=1:1、1:5與石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5六組電極，以100 mA/g之電流密度進行恆電流充放電測試，並計算其比電容值，分別得到3.5、2.5、8.25、14、5、4 mAh/g的結果。其中，石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5之電極具有最高的充電比電容值12 mAh/g，以及放電比電容值14 mAh/g，並且具有85.7%之庫倫效率。此外，石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5與1:5:0.5兩組電極之比電容值，分別達到未添加碳奈米纖維電極的4倍與2倍。Item 利用皮秒雷射以可撓性導電技術於溫度感測元件之探討(2019) 林品均; Lin, Pin-Chun本研究利用皮秒雷射直寫(Picosecond laser direct-writing)技術於石墨烯薄膜(Graphene film )上，進行可撓性導電元件(Flexible conductive device)之製作，該元件設計是包含微加熱器(Micro-heater)與微感測器(Micro-sensor)之兩種電極結構。透過電極結構不同間距(Gap)的設計，探討微加熱器之熱電學特性，以及對於微感測器之靈敏度影響。進一步，本研究利用彎曲(Bending)實驗在可撓性導電元件進行穩定性測試。實驗結果顯示，當輸入電壓12 V時，微加熱器能夠於10 sec內快速提升至穩態溫度，其最高溫度可以達到85 °C，以及具有均勻熱分佈之效果。進一步，當微加熱器之電阻值分別控制為206.90±6.21 Ω及290.25±8.71 Ω時，在輸入電壓12 V下分別能夠達到90.54±6.06 °C與53.55±3.85 °C，說明了製備較低電阻值之微加熱器能夠得到更佳的升溫特性。此外，利用微加熱器作為熱源，能夠使微感測器的電阻產生變化，藉此獲得溫度感測器調控之驗證。實驗結果顯示，當改變間距從1300 μm 至100 μm時，其元件靈敏度值自3.35×10-4 °C-1提高至14.7×10-4 °C-1，大幅增加了77.21 %，證明當兩電極的間距愈接近時，其靈敏度會增加。最後，本研究進行可撓性導電元件之彎曲次數100次循環下，該元件電阻與溫度性質不受影響，其誤差值分別在±5 %與±5 °C，說明此研究開發之石墨烯導電薄膜元件，具有良好的抗彎折特性，以應用於可撓性導電元件之溫度感測。Item 石墨烯複合導電奈米纖維應用於超級電容之製作(2014) 吳思賢; Sih-Shian Wu本研究是利用靜電紡絲(Electrospinning)與靜電噴霧(Electrospray)技術在不鏽鋼纖維收集器表面，製備與複合導電奈米石墨烯(Graphene)纖維之超級電容電雙層電極。藉由奈米纖維之高比表面積(High specific surface area)與Graphene材料之高電容量(High-capacity)，以提升整體比電容值。首先，本研究是將高分子聚苯乙烯(Polystyrene, PS)與導電高分子聚苯胺(Polyaniline, PANi)複合成導電高分子溶液，以作為靜電紡絲之基底材料，藉由靜電紡絲技術將導電高分子噴射成奈米纖維至不鏽鋼基板，形成高比表面積之電極；接著利用分散於N-甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)溶劑的Graphene溶液，以靜電噴霧噴灑出霧狀液珠，使電極表面附著Graphene，以增加其電容量；將兩塊對襯之電極中間放置隔離膜浸入5.5 M KOH電解液中並完成元件封裝，並以循環伏安法之元件性能評估。本研究製備出之PS:PANi導電奈米纖維其平均電阻值約4.4 M 歐姆，導電率約為27 uS/cm，並在2.5 V時成功地點亮紅色LED。此外，在奈米纖維上噴灑Graphene，並透過拉曼光譜分析該材料的D band、G band與2D band峰值，表示利用本研究的電噴霧技術已具備將Graphene噴灑於奈米纖維表面之能力。此外，並以循環伏安法分析具PS:PANi:Graphene電極的超級電容，該電流與電壓之掃描圖形面積可大幅增加，顯示充放電能力相當優異。經計算後PS nanofiber、PS:PANi nanofiber、PS:Graphene nanofiber與PS:PANi:Grapene nanofiber四種電極的比電容值，分別為14.83 F/g、51 F/g、60.38 F/g、133.33 F/g。實驗結果顯示，結合PS奈米纖維的高比表面積、PANi的導電性與Graphene高電容量等優點之電極，可提升整體電容器之性能。Item 先進雷射石墨烯結構製程技術於生物分子元件應用之研究(2018) 陳肇祈; Chen, Zhao-Chi多功能生醫晶片的實現，用於人類的醫療保健上，除在生活中預防疾病發生外，更能即時甚至提前預測以獲得病患身體檢測之訊息，進一步於醫院接受更完整與深入治療，使病患在疾病之初期，立即獲得有效的診療。本研究在開發先進雷射(Advanced laser)於石墨烯(Graphene)圖案化電極製作及應用技術，以脈衝雷射剝離(Pulsed laser ablation, PLA)製程直寫(Direct writing)方式，在多層石墨烯(Multi-layer graphene, MLG)薄膜基材，進行製程材料的探討與感測元件的製作。本研究所使用的先進雷射系統，包括波長355 nm與532 nm的超快皮秒脈衝雷射(Ultrafast picosecond pulsed laser, 355/532-UPPL)及波長355 nm的奈秒脈衝雷射(Nanosecond pulsed laser, 355-NPL)。藉此先進雷射剝離製程，探討與多層石墨烯薄膜材料間之影響及特性分析，以製作感測電極結構元件。同時搭配微流體元件(Microfluidic device)設計和靜電紡絲(Electrospinning nanofibers)技術，實際應用於不同生物分子之元件檢測。 本研究以雷射製程技術於葡萄糖(Glucose)檢測元件的應用上，在加入葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase, GOD)前/後，其皆呈現線性關係。然而，GOD的電特性是能夠直接通過監測多層石墨烯導電薄膜來獲得的，該電性響應顯示良好的葡萄糖檢測濃度範圍為1 mM到10 mM。此外，在微流體元件的應用上，以順時鐘(Clockwise)方式製作陣列柱狀微流道(Pillar array channels)結構，其具有少量的熔渣(Dross)與平滑的表面特徵，利用實驗結果之模型預測，玻璃基板(Glass substrate)的移除率(C)可達到0.04 μm/pulse。在靜電紡絲奈米線實驗中，PVA-G混合奈米線透過少量摻雜(濃度為6%)石墨烯薄片是可降低薄膜之電阻，並且能夠在溫度60 °C下進行操作，消耗電功率(Electric power, P)為265.25 mW。在相對溼度(Relative humidity, RH)為80%時，其較佳的濕度檢測之電性響應(Electric response)、反應時間(Response time)及恢復時間(Recovery time)性質分別顯示為66.4%、11 sec和35 sec。在聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction, PCR)元件的實驗中，陣列孔洞之快速熱循環(Hole arrays-rapid thermal cycling, HA-RTC)元件顯示在60分鐘的時間能夠於人類多瘤性病毒(BKV)的標記物(Marker)，以及其在354鹼基對(Base pair, bp)的VP1片段完成診斷(增幅)，證實以多層石墨烯薄膜電極製作之微型加熱元件是較佳溫度保持以及熱傳導之特性。 本研究以先進脈衝雷射一次性製程(Single-step process)技術，達成免光罩(Mask-less)、微型化、快速製作及微量偵測之需求，在生醫檢測元件設計與應用，並以石墨烯材料製作薄膜檢測元件之特性，在靜電紡絲製作混合奈米線應用於生物分子之檢測獲得到驗證。Item 以皮秒雷射多孔薄膜元件技術於氣體檢測之研製與實現(2017) 甘鎧榕; Gan, Kai-Rong氣體檢測晶片及其模組開發技術，一直為空氣與環境監控的重要關鍵。近年來，雷射製程科技的發展迅速，超短脈衝(Ultra-short pulse)雷射之微細製程技術，也多應用在電子、機械與生醫工程領域。本研究採用超短脈衝雷射之微細製程技術進行材料進行電極及感測器之製備，與一般半導體製程之感測器相比於設計及初步研究時製程速度較快，即無需微影製程等複雜之步驟就可完成製作。本研究透過皮秒脈衝雷射直寫(Picosecond laser direct-writing)於石墨烯(Graphene)薄膜上進行感測圖型之製作，其構型有線圈式與指叉式結構，並探討二種結構對氣體感測結果之影響。最後再試著與3D之多孔材料製成之氣體感測器比較。本研究結果顯示線圈結構式感測器type 2 (3圈)對於水氣的反應靈敏，當相對濕度RH = 47% ~ 70%時，該電阻之檢測值可自1902 Ω至1934 Ω，其靈敏度(Sensitivity)為2.3%，且在量測一氧化碳(CO)氣體，該電阻之檢測值可自1823 Ω降低至1780 Ω，其靈敏度為1.6%。另外，使用氧化石墨烯多孔結構與平面指叉狀結構量測相對濕度RH = 45% ~ 65%進行比較，在氧化石墨烯多孔結構於電阻之檢測值會由10.8 MΩ降至0.18 MΩ，其靈敏度為99%，於指叉狀結構之感測器，其電阻之檢測值由2.22 kΩ上升至2.36 kΩ，其靈敏度為7.2%，顯示立體多孔結構其感測能力較為靈敏且對水氣之反應較快，且易達到穩定。Item 人造石墨之電化學/機械剪切複合剝離石墨烯與性能評估(2018) 黃俊凱; Huang, Chun-Kai本研究結合液相剝離法中的電化學剝離法與剪切剝離法(Shear exfoliation)，嘗試由人造石墨粉末剝離出石墨烯，企圖增加製造人造石墨之原料，如重油(Heavy oil)或瀝青焦(Asphalt coke)的經濟價值。傳統電化學剝離法多是以塊狀、棒狀、箔片狀石墨作為研究材料，一旦電解剝離完後，其剩下非石墨烯之產物(細小石墨微粒)無法再反覆剝離成為石墨烯，只能丟棄造成浪費或另尋其他用途。本研究利用電化學剝離法與機械剪切剝離法進行石墨烯剝離實驗，透過此兩種方法的相輔相成，以粉末狀人造石墨材料作為原料，可進行連續性生產，並且非石墨烯之產物也能夠重複剝離，不會造成材料的浪費。本研究亦使用由人造石墨剝離之石墨烯樣品，與由天然石墨剝離之石墨烯樣品相互比較，透過拉曼光譜分析儀(Raman spectroscope)確認石墨烯樣品之缺陷程度(ID/IG)，另以掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)及原子力顯微鏡(AFM)等儀器設備，評估石墨烯片的大小、表面形貌及厚度均勻性。最後，本研究以超級電容器之比電容值表現，作為人造石墨剝離為石墨烯後，性能有無提升之評斷依據。本研究透過電化學插層法配合剪切剝離法，已成功將人造石墨粉末剝離為平均厚度約2.62 nm、平均片徑約2.86 μm之石墨烯薄片，其缺陷程度ID/IG為0.16，並具有122.74 S/cm之導電度表現，皆優於以相同手法由天然石墨材料剝離之石墨烯。本研究亦將成功製備之石墨烯薄片應用於超級電容器，透過石墨烯的添加，使得超級電容之比電容值，較只有使用人造石墨粉末材料者提升超過一倍，代表將人造石墨剝離為石墨烯有助於超級電容性能之提升。Item 矽膠基氮化鋁/石墨烯複合導熱膠材之開發(2017) 陳昌達; Chen, Chang-Da近年來在電子產品尺寸比例不斷縮小卻仍需達到良好工作性能的趨勢下，電子產品對於散熱系統的效能要求也越來越嚴苛，可以預期散熱元件在電子資訊產品中所扮演的角色也將愈來愈重要。熱界面材料(Thermal interface materials, TIM)是目前被廣泛應用於IC封裝及電子散熱的複合材料，通常以高分子膠體基質及具有高導熱性質的陶瓷填充顆粒組成，而目前文獻或是專利，主要都透過填充顆粒表面改質技術以及於導熱膠材內部建立更強的協同效應，來改善熱界面材料的導熱特性。本研究提出大氣電漿(Atmospheric plasma, APP)表面改質技術，對填充材料進行改質，其具有低時間成本、對環境友善等優點，並且更能提升熱界面材料熱傳導係數，故具有高度應用的潛力。本研究也以傅立葉紅外光譜儀(Fourier transform infared spectrometer, FTIR)及拉曼光譜分析儀(Raman spectroscope)，確認大氣電漿改質效果後，添加適當重量百分比例的奈米碳材，能與氮化鋁顆粒在導熱膠材內部建立協同效應(Synergetic effect)，進而使所製備的熱界面材料能有更好的熱傳導效果。本研究添加經大氣電漿改質過後的材料，60 wt%的球型氮化鋁粉末、2 wt%的多壁奈米碳管及2 wt%的寡層石墨烯，透過行星式脫泡攪拌機(Planetary degassing mixer)與高分子膠體基質進行充分混拌，並以「半熟成技術(Semi-curing)」製作導熱膠片後，以符合國際規範ASTM D5470的穩態量測機台，熱傳導係數已證實達7.02 W/mK。再透過黏度計及熱重分析儀(Thermogravimetric analysis, TGA)測試，已知該導熱膠材具有黏度335 Pa·sec，及熱裂解溫度達391.36 ℃的性能表現。 關鍵詞：熱界面材料、氮化鋁、石墨烯、多壁奈米碳管、協同效應、半熟成技術、熱傳導係數Item 石墨烯應用於染料敏化太陽能電池之研製(2016) 賴禹承; Lai, Yu-Cheng本研究主要分為兩個目的，第一個主要是利用常壓化學氣相沉積法(Atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD)在大面積銅箔(20 cm * 30 cm)成長出品質均勻之石墨烯。透過拉曼光譜分析已證實可成長出I2D/IG比值為2~4左右之單層石墨烯(Single-layer graphene, SLG)。若將製程優化，期望能應用在染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)的電極。第二個目的是透過化鍍技術，在機械剝離法所製備高品質石墨烯表面複合鉑(Pt)及鉑釕合金(PtRu)奈米顆粒，並用來作為DSSC之對電極材料。藉由Pt及PtRu奈米顆粒之高比表面積(High specific surface area)，以及石墨烯與Pt之電極催化特性，以提升整體DSSC之轉換效率。化鍍製程是先將Pt之前驅物六氯鉑酸氫、釕前驅物氯化釕與石墨烯，加入還原劑乙二醇、緩衝溶液乙酸-氫氧化鈉，分別製作出石墨烯/Pt及石墨烯/PtRu複合材料，並將複合材料滴佈於導電玻璃基板上形成對電極。本研究所製備出之複合材料透過SEM、EDS及TEM量測，證實已成功將Pt及PtRu均勻複合於石墨烯表面，從結果得知石墨烯/Pt粒徑分布為1.5 nm~5.0 nm，平均在3.5 nm~4.0 nm占最多，其平均電阻值為2.73 Ω；而石墨烯/PtRu粒徑則是分布在2~4 nm，平均在2.5 nm占最多，其平均電阻值為6.44 Ω。經封裝組合成DSSC元件後，比較濺鍍法製備Pt膜、單純石墨烯膜、石墨烯/Pt及石墨烯/PtRu四種電極的轉換效率，分別為1.52 %、0.64 %、2.08 %、1.35 %。實驗結果顯示，石墨烯結合Pt後因為電性及催化特性較好，因此具有較高轉換效率，而在石墨烯/PtRu的部分也接近使用濺鍍法製備Pt膜所得到之轉換效率，透過簡易化鍍方法來製備複合材料，可減少製程所需成本，以及提升整體DSSC之轉換效率。Item 界面活性劑對電化學/機械複合剝離製程之石墨烯產率與品質影響(2016) 陳姿穎; Chen, Zi-Ying本研究結合液相剝離法中的電化學剝離法與剪切剝離法(Shear exfoliation)，另外輔以界面活性劑的添加，企圖以此製程技術提升產率，期望解決電化學剝離法無法連續性生產的缺點。傳統電化學剝離法多是以塊狀、棒狀、箔片狀石墨作為研究材料，一旦電解剝離完後，其剩下非石墨烯之產物(細小石墨微粒)無法再反覆剝離成為石墨烯，只能丟棄造成浪費或另尋其他用途。然而，本研究所提出的實驗方法可以連續性生產，而且以較低成本之天然石墨顆粒為剝離原料，非石墨烯之產物也能夠重複剝離。本研究整合兩種技術，在剪切高速剝離處理前，以施加電壓進行電化學離子插層處理，增加石墨層與層間距離而使剪切剝離較為容易，以獲得較大尺寸的石墨烯薄片，藉由上述的複合方式來達到提升產率與品質之目標。本研究透過X光粉末繞射儀(XRD)分析樣品結晶，判斷是否為石墨烯，再輔以拉曼光譜分析儀(Raman spectroscope)確認樣品有無缺陷，另以化學分析影像能譜儀(ESCA)判別氧碳值，另藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)及原子力顯微鏡(AFM)等儀器設備，評估石墨烯片的大小、表面形貌及厚度均勻性。本研究成功藉由此製程製備石墨烯片，具有低成本與高產量的優勢，期許未來可應用於導電漿料、透明導電層、超級電容或鋰電池等開發。本研究藉由整合電化學插層法、剪切剝離法與複合式界面活性劑的使用，成功將石墨粉剝離為石墨烯，剝離後石墨烯的氧碳比值(O/C)提升至2.39，經過後處理之氧碳比值降為1.37，接近初始石墨粉氧碳比1.02，剝離後經酒精清洗的石墨烯缺陷程度ID/IG為0.899，再經過高溫處理的缺陷程度為0.630，亦較近於初始材料石墨粉之缺陷程度0.604，剝離後石墨烯層數多為2奈米，經兩次反覆實驗後，寡層石墨烯的整體產率為72.48 %，意為投入10克石墨粉，可獲得7.248克之寡層石墨烯。