兼具莲花与补光效应的多功能微结构的制作方法

本发明涉及一种兼具莲花与补光效应的多功能微结构。

背景技术：

环保与洁净能源是全世界极为重要的问题，太阳能发电则是主要的洁净能源发电装置；但太阳能面板常因表面受到污染而大幅降低发电效率，同时，太阳光在太阳能面板表面上亦易于反射，因而降低了发电效率；因此，如太阳能面板上，能有一兼具莲花与补光(lotusandlighttrapping)效应之表面，将可大幅提高太阳能面板的发电效率。

而所谓莲花效应是指一表面，除了液滴与固体表面间之静态接触角(contactangle)大于150度外，当液滴自一相当高度落于表面时，液滴亦将反弹与滚动，藉此可达到自洁之功能；若该表面静态接触角大于150度，但不具反弹与滚动的特性，则只能称为具静超疏水性(staticsuperhydrophobic)；自然界中有诸多物种，天生即具备超疏水性之表面，其中以莲叶之莲花效应(lotuseffect)最为知名。

莲叶表面透过电子显微镜(scanningelectronmicroscope,sem)观察后，如图1所示，可知莲叶表面具有约20μm之突柱，突柱之间距表皮细胞上亦有一层间距为数百奈米(nm)的毫毛，并覆盖一层具疏水性的蜡质结晶(waxcrystal)；当液滴置于莲叶表面上时，将形成如球状的高接触角度，故莲叶表面具有超疏水性；而液滴落在莲叶表面时，因其间距为数百奈米(nm)的毫毛层包覆着空气，莲叶表面不会被浸湿，液滴将会反弹；若将莲叶倾斜一角度，液滴即可在莲叶之表面滚动，藉此将莲叶上所附着之灰尘及脏污一并带离，故可与以达致自洁之效果。

而公知的对象表面上制作疏水性结构之方法，主要是利用仿生概念，以微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem,mems)之加工方式，制作近似于莲叶表面上之突柱状结构；透过增加表面粗糙度(surfaceroughness)，以减少水滴与对象表面顶端的接触面积，进提升水珠对对象表面的接触角；然而，目前以微机电加工方式制造近似于莲叶之突柱状微结构，其具有诸多缺点，兹列举如下所述：

1)目前利用微机电系统加工方法系直接在材料上加工成粗糙表面或突柱状之结构，但无法复制突柱之表皮细胞上之奈米毫毛，因而该表面在静态时虽具超疏水性之特征，然而由于突柱状结构系开放性结构，故突柱间之空气可互相流通，故当液滴自一高度落在突柱状结构时，水滴会将突柱之间的空气挤出，进而使突柱状结构润湿，而失去其疏水性，液滴更是无法反弹与滚动，以达到自洁之功能，因此该表面无莲花效应。

例如：一种美国专利公开第2008/0014410号之「定向聚合物制品及方法」一案，其公开了不同高度的三角壁状结构，但其只是平行的三角壁，且亦系属开放性结构，当液滴自一高度落在其表面时，水滴会将平行三角壁间的空气挤出，进而使结构润湿而失去其疏水性，液滴更是无法反弹与滚动，因此该表面亦无莲花效应。

2)纵使可完全复制出大自然的莲花表面结构，但因它为独立的柱状结构，其抗剪与抗压的能力均不足，仅需施以轻微之横向力或纵向力，突柱状之结构即会被破坏而失去其超疏水性效果；举例而言，当将突柱状之超疏水性结构材料制成如贴纸般的薄膜，进而固定于物体表面时，亦需在薄膜上施力，而由于突柱状结构的强度差，故于施工过程中极易导致突柱状结构损坏。

3)类大自然莲花表面的结构为独立的柱状结构，因此其将光向下反射造成 的补光效果能力极差，不可能应用于太阳能板上，以期提升太阳能发电之效率。

再者，习知另提供一种概如美国专利公开第2010/0112286号之「超疏水性表面」，其具有第一型体、第二型体，以及高预定型体及低预定型体，皆揭示了不同高度且无流通之结构表面，其中，第二型体与高预定型体皆为突出的柱体，而第一型体与之低预定型体为等高并围成各单元间空气不流通的壁结构；此结构表面有下列的特色与缺失：

1)突柱状之结构易被破坏而失去其超疏水性：

当液滴静止在该表面的突出柱体上时，因液滴与结构表面的接触面积小，只要该结构材料具疏水性，则该结构将具超疏水性；但此柱体结构与前述之莲叶突柱相似，其抗剪与抗压的能力均不足，仅需施以轻微之横向力或纵向力，突柱状之结构即会被破坏而失去其超疏水性；因一旦突柱状之结构被破坏，一般可知，当液滴落在高度相等并围成各单元间空气不流通的结构表面时，如其第2b图所示，液滴与固体表面间之接触角可大于150度，但其滑动角(slidingangle)将很大，以至于液滴无法在固体表面滚动。此与液滴在网格上的情形是一样的，此表面将不具超疏水性。

2)具莲花效应的能力低：

美国专利公开第2010/0112286号一案，其各单元间空气不流通的内空气腔，固然对液滴落在结构表面时会有空气反弹的作用，但该结构(a)没有避免液滴破裂的设计：破裂的小液滴将直接进入空气腔，湿润结构而破坏其疏水性；(b)没有大幅降下落液滴动能的设计：具相当动能的液滴落在空气腔上后，落在腔体中间的液滴将迅速落入腔体底部，并将腔体内周遭的空气挤出，进而湿润结构而破坏其疏水性；由上面的分析可知，第2010/0112286号一案之设计，虽然比纯突柱状之结构有较佳的超疏水性，但液滴落下的高度低，因此，它具莲花 效应的能力低。

3)不具补光的能力：

该结构无法像成对的二个三角壁表面般，将光线互相向下反射与折射，以造成补光之效果。

综合上述的分析可知，现有的突柱状之结构虽可具高接触角，但普遍具莲花效应的能力低，且不具补光的能力；而具补光的能力的平行的三角壁结构，水滴会将平行三角壁间的空气挤出，亦使结构润湿而失去其疏水性。

有鉴于此，吾等发明人乃潜心进一步研究莲花效应，并着手进行研发及改良，期以一较佳发明以解决上述问题，且在经过不断试验及修改后而有本发明之问世。

技术实现要素：

为达致以上目的，发明人提供一种兼具莲花与补光效应的多功能微结构，尤指一种由具透明与疏水性材质制成之本体，其每一单元系由数片具相同与不同高度，而断面为三角形状的三角壁彼此相互间隔排列或交错设置，由高而低依序成型一表层、零到数层之中间层及一底层；其中，表层将只是直线，中间层可与表层构成为开放或封闭的空间，但至少在其底层必须与其他层构成封闭的空间；三角壁断面的顶端呈平顺之上凸曲线；所有各层之三角壁将共同造成向上支撑与推托液滴的力量，以降低液滴的下落动能；底层形成封闭空间的部分，将构成空气弹簧的作用，以将液滴反弹，使液滴脱离微结构的表面；同时，成对的三角壁表面亦可将光线互相向下反射与折射，以达到补光之效果。

是由上述说明及设置，显见本发明主要具有下列数项优点及功效，兹逐一详述如下：

1)本发明之三角壁顶端系呈平顺之上凸曲线，故当液滴滴落于本体时，液 滴将不易破裂形成更微小之液滴而湿润本体；其中，表层系直线结构。故与液滴之接触面积极小，可构成超疏水表面；而三角壁之间相互间隔排列或交错设置之三角壁可共同支撑并推托液滴，并随液滴越接近底层，由于三角壁之数量增加，且间距逐渐缩小，故可降低液滴滴落之动能；而底层之封闭空间将构成空气弹簧之作用，藉可将液滴反弹，使液滴脱离微结构的表面。

2)如本发明系采用透明与疏水性材料所制成，它除了具莲花效应之外，亦可藉由成对的三角壁表面亦可将光线互相向下反射与折射，以达到补光之效果。

3)如将此兼具莲花与补光效应之微结构应用于太阳能发电面板上，将可有效提升太阳能发电之效率；此外，本发明亦被可应用于温室农业及其他需采光的场所。

4)本发明之结构系由诸多的三角壁彼此相互或交错设置且具弹性，其结构强度远大于大自然的凸点式莲花结构，当将本发明敷贴附于产品表面时，结构体不易受损。

5)本发明之生产模具可藉由刀刻成型，产品可藉由微结构转印的方法大面积量化生产，其可易于成型于各物品之表面，或制成贴膜以贴附于各产品表面。

6)本发明的材料如变更为疏油性材料时，本微结构将具超疏油性；可依不同需求而于结构表面涂布不同的化学材料，此本发明结构内的化学材料亦将受到本结构的保护，故显见本发明亦确实可被广泛应用于诸多技术领域。

附图说明

图1系液滴于莲花表面之示意图；

图2系本发明形成双层结构之示意图；

图3系本发明形成三层结构，且中间层及表层间系形成封闭的空间之示意图；

图4系本发明形成三层结构，且中间层及表层间系形成开放的空间之示意图；

图5系本发明形成四层结构之示意图；

图6系本发明三角壁顶端形成曲线结构之示意图；

图7系本发明三角壁呈非等高设置之示意图；

图8系系光线照射于本发明时，光线在三角壁间互相向下反射与折射之光学路径示意图；

图9系本发明之三角壁支撑液滴的作用力示意图；

图10系本发明实验测量静态接触角之示意图；

图11系液滴落于本发明结构时，液滴反弹之实验照片图。

具体实施方式

关于本发明的技术手段，兹举数种实施例配合图式于下文进行详细说明。

请先参阅图2至图5所示，本发明系一种兼具莲花与补光效应的多功能微结构，其包含：

一本体1，其系由数片具相同与不同高度，而断面为三角形状的三角壁11彼此相互间隔排列或交错设置，由高而低依序成型表层、零到数层之中间层及底层；所述三角壁11断面之顶端系呈平顺之上凸曲线，而较佳者，系如本实施例中所示，呈平顺的圆弧状。

其中，高度最高之所述三角壁11a系形成该表层，而高度最低之所述三角壁11b系形成该底层，高度最高之所述三角壁11a顶端形成之线性结构系构成超疏水表面，高度最低之所述三角壁11b顶端延伸之平面与其他三角壁11之间形成封闭空间2。

一实施例系如图2所示，系仅具有一表层及一底层之双层结构，具有两种 不同高度之三角壁11a、11b交错设置而成；

另一实施例系如图3所示，系具有一表层、一中间层及一底层之三层结构，系具有三种不同高度之三角壁11a、11b、11c交错设置而成，且中间层之三角壁11c系与表层之三角壁11a相互交错，故系中间层系与该表层间构成封闭的空间；

另一实施例如图4所示，系具有一表层、一中间层及一底层之三层结构，其系由三种不同高度之三角壁11a、11b、11c彼此相互间隔排列及交错设置而成，而其中间层之三角壁11c系与表层之三角壁11a相互平行，故该中间层与该表层间系构成开放的空间；

另一实施例如图5所示，系具有一表层、两个中间层及一底层之四层结构，系具有四种不同高度之三角壁11a、11b、11c、11d彼此相互间隔排列及交错设置而成；

如上述之图2至图5之实施例所示者，其三角壁11之顶端原则上是直线且等高的，而在另一实施例中，如图6所示，其三角壁11为曲线结构，而如图7所示，所述三角壁11之顶端系呈非等高设置，意即，本发明之三角壁11在直线度与高度上均容许些微的变化；

本发明之图2至图5皆为本体1之部分示意，实际于应用时，可予以重复延伸或缩减，且中间层的层数是可以变更的，而由高而低依序成型一表层、零到数层之中间层及一底层。

此外，本发明之三角壁所围成之部分，其上视图并未限定为长方形，亦可为其他几何形状。

图8显示的是所有各层之三角壁将共同造成向上支撑与推托液滴的力量，以降低液滴的下落动能，随着三角壁高度的降低，三角壁的数量增加，使彼此间的间距缩小，其降低液滴下落动能的能力将增大；而形成封闭空间的部分， 将构成空气弹簧的作用，以将液滴反弹，使液滴脱离微结构的表面；

图9显示的是光线照射于本微结构时，光线的行进路线图；由于反射和折射的光线均能向下行进，此说明本微结构具补光的效果。

需另特别说明的是，若本体1之材料为具透明与疏水性的材料，依此种材料制成的本发明将具莲花与补光效应；而若本体1之材料为疏油性的材料，则依此种材料制成的本体1将具疏油的效应；且本发明亦可依不同需求而于结构表面涂布不同的化学材料层，此在本发明结构内的化学材料亦将受到本发明的保护，故显见本发明亦确实可被广泛应用于诸多技术领域者。

本实施例系以图4所示之结构举例说明，惟并不以此做为限定；本实施例之三角壁11分别具有一锥角θ，且三角壁11之顶端具有一圆弧半径r，所述三角壁11a、11c系呈横向设置，三角壁11a之间具有第一间距pa，而三角壁11c间具有第二间距p_b，且三角壁11a与三角壁11c间具有一距离；所述三角壁11b系呈横向设置，且略与所述三角壁11a及三角壁11c垂直，所述三角壁11b之间具有第三间距pc；第一间距pa、第二间距p_b及第三间距pc，皆系指三角壁11间之节距；其中，所述第一间距pa之中点系同于第二间距之中点p_b；所述三角壁11a之高度系相对最高者，而三角壁11b之高度系相对最低者，其中，所述三角壁11a之高度为dd，三角壁11c之高度为d_e，三角壁11b之高度为df；且所述三角壁11b顶部所延伸之平面，系与该本体1表面、所述三角壁11a及三角壁11c之间形成所述封闭空间2。

本实施例系以尺寸符号以表示所制成本体1之三角壁11a、三角壁11c及三角壁11b之高度、间距、锥角θ及圆弧半径r。

就图4所示之结构而言，所述锥角θ之角度系介于20°至30°之间；所述三角壁11a之高度系介于12μm至30μm之间；所述三角壁11c之高度系介 于7μm至20μm之间；所述三角壁11b之高度系介于4μm至12μm之间；所述圆弧半径r为1.25μm至2.25μm之间；所述顶层三角壁11a之第一间距pa系介于24μm至36μm之间；所述中间层三角壁11c之第二间距p_b系介于8μm至12μm之间；所述底层三角壁11b之第三间距pc系介于7μm至10μm之间；在此取前述区间范围其一规格制成之本体1。

本实施例中，所测试之本体1结构与几何尺寸如图4所示，其系由透明光导材质聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)所制成面积为20mm*20mm之试片体；本实验使用fta-1000b接触角量测仪量测静态接触角，分别量测五次并计算平均值与标准偏差；其实验结果如图10所示，液滴3于本体1之接触角为151.18±2.17°；因其接触角大150°，所以其为超疏水表面。

图11系液滴3滴落于本发明结构时，液滴3反弹之实验照片图。本实施例中，系以高速摄影机拍摄速度每秒1500张，并使用体积5μl之液滴3，于30cm之高度自由滴落于本体1表面上，观察并记錄其撞击过程；实验结果显示，液滴3将于本体1表面产生完全反弹，只要本体1表面略具倾斜，液滴3将可滚动并将在本体1表面之灰尘带离；且液滴3于本体1之三角壁11a及三角壁11c时，由于三角壁11之顶端系呈圆弧状，故不导致液滴3破裂分离为更小之液滴3，并藉由三角壁11a、11b、11c之高低落差以及间距，可令液滴3被三角壁11之侧壁共同支撑，且当液滴3越接近底层，则三角壁11之数量增加，且间距亦逐渐缩小，除能支撑液滴3之外，亦能降低液滴3滴落之动能。

另就空气中之灰尘而言，由于灰尘之粒径普遍介于0.001μm至500μm之间，质量约为0.1μg至10μg，其中，粒径低于0.1μm的微粒其性质与分子相近，与气体分子碰撞会引起大幅度自由运动；粒径介于1μm至20μm间之微粒则容易随气体流动；粒径若大于20μm则具有明显之沉降作用；而本发明中， 由于三角壁11a、11b、11c间之高度不同，且第三间距pc小于10μm，故灰尘难以落入所述三角壁11之间，而间距小于35μm者，则可将空气中75％之灰尘阻隔，而间距小于10μm，则可不受97％之灰尘影响，且即使灰尘附着于本体1表面，仍可藉由前述之自洁能力，透过液滴3将灰尘带离本体1表面。

而图9中所示之光线照射于本体1时，光线在三角壁11间互相向下反射与折射之光学路径示意图；由本图可知，大部分光线之反射光与折射光均在三角壁11间向下行进，此显示本体1表面将具补光的功能；爰就一般平面之导光体而言，当光线由一角度入射时，其部分之光线将折射至导光体内部，而另一部分之反射光线，因无其他表面可将它进一步向下反射，故反射之光线将无法进入导光体内部；再者，光线经由本发明之本体1到太阳能面板上时，由于本体1之材料与太阳能面板材料之间的光波阻抗(impedence)远较空气与太阳能面板材料之间者小；据此，光波传递进入太阳能面板的量也将较多，因此，当将本体1覆盖于太阳能面板上时，可提升太阳能面板的发电效率。

在进行补光功能的实验时，系可将本体1覆盖于不同尚未封装的太阳能面板(图未绘示)上；本体1的材质与几何尺寸如上述之液滴反弹实验者相同；实验设置与环境均府符合标准规范：在环境温度25℃、及太阳光于地面之平均照度(am1.5、1000w/m2)之环境下进行，其中，实验设置之电压为-0.4v～1v、增幅0.02v、延时200ms；每试片进行5次测试，而后取其平均值。

在进行实验时，系先将太阳能面板在上述之实验设置与环境中量取其发电效率，接着将本体1的试片黏覆在该太阳能面板上，进而在相同实验设置与环境下量取其发电效率；

实验结果显示，本发明之微结构可将一硅晶太阳能板之发电效率由17.8％提升为19.2％；亦可将一成功大学光电系所自制的染敏电池(dye-sensitized cells)之发电效率由7.91％提升为9.67％；显见本发明确实可进行补光，以增进太阳能发电效率，再者，由于本体1将具有如前述之自洁能力，故使灰尘不易附着于本体1表面，藉可维持太阳能发电效率。

惟以上所述者，仅为本发明之数种较佳实施例，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作之等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖之范围内。