ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดจิ๋ว สำหรับอิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ได้

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดจิ๋ว สำหรับอิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ได้

ดร.อดิสร นักเทคโนโลยีแห่งเนคเทค พาไปทำความรู้จักกลไกการทำงานของ Micro Supercapacitor คือ แหล่งพลังงานขนาดเล็กจิ๋วสำหรับอิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ได้ กับความสามารถชาร์จไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วในเวลาเสี้ยววินาที โดยไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่

ในอนาคต อิเล็กทรอนิกส์จะฝังอยู่ในทุกหนทุกแห่ง และอยู่บนตัวเรา กลายเป็นอุปกรณ์ที่เราสวมใส่ได้ เรียกว่า Wearable Electronics อุปกรณ์เหล่านี้ล้วนต้องการแหล่งพลังงานที่มาขับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้ทำงานได้ แหล่งพลังงานที่สำคัญนั่นคือ แบตเตอรี่ แต่แบตเตอรี่ที่เราใช้ในปัจจุบันยังคงมีขนาดใหญ่ เช่น ลักษณะแข็งเป็นก้อนทรงกระบอก หรือเป็นเม็ดกระดุม ซึ่งทำให้สวมใส่ไม่สะดวกสบาย ดังนั้น เรายังคงต้องการแหล่งพลังงานที่มีขนาดเล็กลงและโค้งงอได้ หรือยืดหยุ่นได้ก็ยิ่งดี นอกจากแบตเตอรี่แล้ว อุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่สำคัญอีกชนิดหนึ่งเรียกว่า ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) ที่สามารถเก็บประจุได้อย่างรวดเร็วแต่ขณะเดียวกันก็คายประจุรวดเร็วด้วยเช่นกัน

Micro Supercapacitor (ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดจิ๋ว) คือ แหล่งพลังงานขนาดเล็กจิ๋ว (ขนาดเส้นลายวงจรระดับไมโครเมตร) ที่สามารถฝังอยู่ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทำหน้าที่จ่ายพลังงานให้แก่วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในชิป โดยไม่ต้องอาศัยพลังงานจากแบตเตอรี่ภายนอกเลย และไม่ต้องคอยเปลี่ยนแบตเตอรี่อีกตลอดไป ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด (Supercapacitor หรือ Ultracapacitor) หรือศัพท์เฉพาะทางวิชาการจะเรียกว่า Electric Double Layer Capacitor (EDLC) ซึ่งแตกต่างจากตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบเดิมโดยที่มันสามารถเก็บประจุได้มากกว่าหลายเท่าตัว ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด (Supercapacitor) มีโครงสร้างง่ายๆ ประกอบด้วยขั้วนำไฟฟ้าสองขั้วคั้นกลางด้วยอิเล็กโตรไลท์ (Electrolyte) เมื่อชาร์จไฟ ประจุบวกจะวิ่งไปเกาะที่ขั้วลบ ประจุลบจะวิ่งไปเกาะที่ขั้วบวก เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า และเมื่อคายประจุ ประจุจะกลับมารวมตัวกันในสารอิเล็กโตรไลท์เหมือนเดิม

ดังนั้น การเกาะของประจุที่ขั้วไฟฟ้าจะเป็นการเกาะทางกายภาพ ที่ประจุเพียงแต่ถูกดึงดูดให้ไปติดบนผิวของขั้วไฟฟ้า ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีมาเกี่ยวข้อง ซึ่งแตกต่างกับแบตเตอรี่ที่ใช้การเก็บพลังงานจากการเกิดปฎิกริยาทางเคมีระหว่างขั้วไฟฟ้าและสารอิเล็กโตรไลท์ และประจุที่ได้จึงถูกกักเก็บไว้ในโครงสร้างระดับอะตอมของขั้วไฟฟ้า ดังนั้น Supercapacitor จึงชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่มาก และไม่มีการเกิดปฏิกริยาจึงไม่มีการสึกกร่อนหรือเปลี่ยนสภาพของขั้วไฟฟ้า ทำให้ Supercapacitor สามารถชาร์จไฟได้หลายล้านครั้งโดยไม่เสื่อม

นอกจากนี้การสร้างตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดเราสามารถสร้างซ้อนกันเป็นชั้นๆ เกิดเป็นการเชื่อมต่อกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการเก็บประจุให้ได้มากขึ้น หรือจะสร้างแบบเอาขั้วไฟฟ้ามาเรียงกันแบบสลับเหมือนซี่หวี ที่แยกกันด้วยระยะห่างหนึ่งขนาดระดับไมโครเมตรบนระนาบเดียวกัน เรียกว่า ขั้วแบบ Interdigitated Electrodes และทับด้วยชั้นของอิเล็กโตรไลท์แบบแข็ง (Solid Electrolyte) โดยทั้งหมดสร้างอยู่บนแผ่นฐานรองที่โค้งงอได้ โดยที่ขนาดตัวเก็บประจุสามารถย่อส่วนให้มีขนาดเล็กได้นี้เรียกว่า Micro Supercapacitor หรืออาจจะเรียกว่า ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดจิ๋ว หรือถ้ามันถูกสร้างสร้างให้อยู่บนชิปโดยตรง เรียกว่า On-chip micro supercapacitor ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานขนาดเล็กจิ๋ว เพื่อให้พลังงานแก่วงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ภายในชิปโดยตรง ใช้เป็นแหล่งพลังงานที่หาได้จากอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงาน (Energy Harvesting) เช่น การเก็บเกี่ยวพลังงานจากการสะเทือนของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric) ที่เปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือ การเก็บเกี่ยวพลังงานจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันบนวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) ที่จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เช่นกัน แต่ทั้งสองวิธีในการเก็บเกี่ยวพลังงานยังได้พลังงานไฟฟ้าจำนวนน้อยมาก และไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น จึงต้องการอุปกรณ์เก็บพลังงานที่ต้องสามารถชาร์จและคายประจุได้นับล้านๆ ครั้งโดยไม่เสื่อม และต้องสามารถชาร์จไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วในเวลาเสี้ยววินาทีซึ่งก็ตรงกับความสามารถอันโดดเด่นของตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor)

ปัจจุบันในประเทศไทย โดยศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ เนคเทค ก็กำลังวิจัยและพัฒนา Micro Supercapacitor ด้วยขั้วไฟฟ้าที่สร้างด้วยวัสดุกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่มีรูพรุนมากๆ มีพื้นที่ผิวมากเพื่อเพิ่มพื้นที่ให้ประจุมาเกาะและสามารถนำไฟฟ้าได้ดีอีกด้วย และสามารถทนทานต่อการกัดกร่อนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมุ่งเน้นสร้างบนอิเล็กทรอนิกส์ที่โค้งงอได้อีกด้วย เพื่อเป็นแหล่งพลังงานจิ๋วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ (Wearable Electronics) ต่อไปเราก็ไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่และไม่ต้องชาร์จแบตเตอรี่อีกต่อไป

*บทความโดย ดร. อดิสร เตือนตรานนท์ ผู้อำนวยการ ศูนย์นวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์
ที่ปรึกษา สำนักงานคณะกรรมการนโยบายวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและนวัตกรรมแห่งชาติ