穿戴裝置續電救星：石墨烯
作者： 資策會MIC資深產業顧問吳顯東 | 中時電子報 – 2015年3月29日 上午5:50
工商時報【資策會MIC資深產業顧問吳顯東】
電腦運算科技從1951年由Remington Rand開發出第一台量產型電腦「UNIVAC」，發展至今已經有60多年，微小化一直是發展的主軸之一。從龐然大物的主機時代，歷經個人電腦、手提式電腦、筆記型電腦到目前的平板電腦、智慧型手機，體積愈做愈小。
但此微小化並不會停歇，目前已經往穿戴式方向發展，未來甚至可能運算裝置將融入於周遭環境中，人類無須攜帶任何電腦裝置而仍能享受隨手可得的資訊。
穿戴式電腦概念於1970年代後期即已成形，Steve Mann是主要先行者之一，他在二十數年間整合當時科技打造出各種穿戴式電腦裝置，但受限於當時電腦及無線通訊科技微小化不足，成品過於笨重，難以商品化。2009年MIT Media Lab Project Six Sense展示了整合筆記型電腦（放在背包中）、攝影機、微型投影機、麥克風等的穿戴式裝置，並展示各種應用情境，引起業界關注，體認到穿戴式電腦的商機已經來臨了。
穿戴式電腦裝置主要由數個模組構成，分別是運算模組、顯示模組、無線數據通訊模組、攝影模組、使用者介面模組。運算模組目前以智慧型手機最為合適，並可兼當數據通訊模組。顯示模組以MIT Project Six Sense為例，則是使用微型投影機，可將資訊、影像投射在物體表面上，而Google的Glass則是直接投射在眼鏡的屏幕上。攝影模組除可獲取外界資訊，亦可透過影像辨識，理解使用者手勢操控訊號，成為使用者介面模組。使用者介面模組也有使用麥克風的語音辨識操控方法。
目前市面上開始出現整合前述部分模組的穿戴式裝置，手表式穿戴裝置是發展較蓬勃之其一，例如Sony的SmartWatch、Samsung的Galaxy Gear還有即將於2015年問世的Apple Watch等。手表式穿戴裝置雖然因為具時尚感且可充當智慧型手機的第2個螢幕，查看手機傳來的即時訊息，如E-mail、簡訊、行事曆等，再加上可整合生理訊號偵測裝置，記錄健康資訊等功能，具有一定差異化功能，而獲得消費者的關注，但隨著產品問世後，由於受限於電池續航力，導致設計上與傳統認知的使用手表情境差異甚大，難以被消費者接受。例如螢幕待機時黑屏，消費者要看時間，還需點選喚醒；每天要充電或頻繁使用時續航力僅數小時等問題。
因此要解決智慧穿戴裝置面臨的困境，如何提升電池的續航力是一大挑戰。以石墨烯為電極的電雙層電容器可能是未來解決方案之一。
電雙層電容器（Electric Double Layer Capacitor，EDLC），又稱做超級電容器（Ultra-capacitor or Super-Capacitor），是一種具備高能量密度的電化學電容器，比傳統的電容器容量高上數百倍到數千倍。傳統電容器由兩片金屬片組成，中間填入絕緣的介電質以隔離金屬片。當接上電池充電時，正電荷和負電荷分別聚集在金屬片上以儲存電能。其儲存容量大小與金屬板的面積成正比，與兩金屬板距離成反比，也與介電質材料有關。
充電快、壽命長的EDLC
EDLC使用多孔活性碳為電極，其坑坑洞洞的材料特性，使儲電表面積大為提高，一般而言，一公克活性碳（約為附在鉛筆頂端的橡皮擦大小）其表面積可高達250平方公尺（約為一面網球場大小），若是使用其他材料如石墨、碳奈米管、碳氣凝膠、石墨烯或導電聚合物等，其表面積會更大。此外其透過極化電解質，可將電荷儲存在電極板和電解質之間，共有兩層，電荷儲存容量又多增加1倍，因此EDLC能儲存非常高的電能。
EDLC還有很多優點，適合用在行動裝置電池上：
1.充電快速：因不是化學的氧化還原反應，而是純粹物理的電荷移動，因此充電速度非常快，幾秒到幾十秒即可充滿，而且充電電路簡單，結構也簡單，幾乎不需維護。
2.功率密度高：可提供大電流，因此也適合運用於筆記型電腦或需要更高功率的行動設備。
3.壽命非常長：可充放電大於50萬次，若每天充放電2次，可連續使用680年，而且沒有記憶效應。
EDLC目前已經廣泛使用於智慧型手機、電動手工具等產品，但主要是提供瞬間大電流，例如手機的閃光燈。此外，電動車廠商也積極開發電動車的車用電池。但由於目前單位體積的儲電量仍無法滿足行動裝置需求，而且生產成本高，因此仍無法取代鋰離子電池。
石墨烯電容器誕生
不過，2012年3月，美國加州洛杉磯分校（UCLA）的研究員發展出利用DVD燒錄器製作以石墨烯為電極的超級電容器的方法，若此方法發展成熟，由於石墨烯的單位重量表面積約為活性碳的10倍，將可以提高超級電容器的容量並降低生產成本，如此以超級電容器取代鋰離子電池將指日可待。
UCLA的製作方法為，首先，在DVD空白片塗上薄薄的氧化石墨水溶液，再利用DVD燒錄器的雷射光將氧化石墨燒成石墨烯，並蝕刻成如手指交握的兩個鋸齒狀電極，可讓表面積增加數倍，過程僅需30分鐘。最後再黏貼上電解質，完成超級電容器。
UCLA後續的研究是希望找出新的電解質，以提高儲電量，至少達到鋰離子電池的水準，但充電時間能在5分鐘之內。
UCLA研發出採用便宜的DVD燒錄器製造石墨烯電極的製造方式，是EDLC技術的一大進步，讓EDLC技術有望於未來數年內逐漸發展出可用於智慧型手機、智慧穿戴裝置甚至是筆電的行動電池。（本文作者為資策會MIC資深產業顧問）
