從59th MMM會議看磁性材料之新穎應用

 

刊登日期:2015/4/22
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楊明達/工研院材化所

二、Wireless Power 無線充電技術
無線供電技術從現狀來看,電力無線傳輸技術主要有三種方法:
1、利用兩個電感間的互感傳遞交變電流;
2、電場傳輸:利用電容的兩個電極間的電容量傳遞交變電流。
3、磁場共振:利用磁場等共鳴效應近程無線供電。

以上幾種技術的發展方向始終集中在對電力發送裝置和接受裝置的改進上。電波接受型技術的方向主要在於如何提高電流的 Q值以及保持傳輸效率,而目前多採用第一種方式來實現無線充電,但實現過程也遇到技術問題:由於手機的特殊結構,在手機裡必須安裝一個電池,這個電池實際上就是無線充電技術發展的噩夢,當發射線圈發射出來的磁場經過電池時,電池裡面的金屬就會產生感應電流,通常我們把這個叫做“渦流”,這個渦流會產生一個跟發射線圈產生的磁場方向相反的磁場,抵消掉發射線圈形成的磁場,使得接收線圈接收到的感應電壓下降,並且該渦流會轉變成熱量(電磁爐就是這個工作原理),使得手機電池非常熱。因此,為了實現手機的無線充電,就必須在電力接受線圈和手機電池之間放置一個“隔金屬”的裝置,阻擋磁力線,避免磁力線到達電池內。通常的技術是使用一個高導磁率的鐵氧體來做這個“隔金屬”裝置。

相對於共振式線圈之設計,目前 MIT試製出共振型無線電力傳輸裝置成功點亮 2.1m 外的 60W燈泡,Marin Soljačić 利用實際系統點亮 60W燈泡發表在 Science 說明頻率與系統尺寸和電力傳輸的可行距離密切相關。例如,作為傳輸介質使用的磁場在附近的擴散取決於該頻率電磁波的波長,或者作為共振器的線圈的尺寸和形狀。並不是因為共鳴式無線傳輸存在特定的頻率和系統尺寸。換言之,只要適當調整頻率和線圈的尺寸,電力傳輸的可行距離也可以大幅延長。假設頻率在 1MHz左右或以下,線圈直徑大到 6m,在附近的擴散就會達到數十米或更遠,如果以電力打比方,恐怕可以傳輸到 30m開外。相反的,如果希望縮小包含線圈在內的系統,那就需要把頻率提高到 10MHz以上。

2011 年 Duke University 的 Professor David. R. Smith 利用電路理論模型提出超常材料能提升無線功率傳輸的效率,發表 Magnetic Metamaterial Superlens for Increased Range Wireless Power Transfer,同年,Mitsubishi Electric Research Laboratories 利用簡易的結構之超常材料提升無線功率傳輸的效率,測試架構如圖六所示,圖七顯示引入超常材料可提升三倍的無線功率傳輸效率。


圖六、Magnetic Metamaterial and Superlens Assembly (A) 雙週期陣列共振器產生X Y 方向之磁共振訊號;(B) 三層結構Superlens

 
圖七、40W燈泡共振式無線傳輸 (a)實驗裝置;(b)中間插入Anisotropic Metamaterial可使燈泡發亮;(c)加入Metamaterial可使效能提升至50%

三、磁性顆粒影像量測新技術
目前國外有幾項的量測技術可以做到 (1) Magnetic Particle Image (Philip Research) ;(2) FMR 鐵磁共振訊號量測 (IBM);(3)Laser Optical;(4) SQUID Sensor。關於針測奈米磁性顆粒,除了 MRI之顯影技術已發展多年外,還有三大技術是研究的重要領域,分別為 MPI、Optical Magnetic Imaging 以及 IBM Research 所研發的 Nanoscale Magnetic Resonance Imaging 技術,分別敘述這三種影像量測技術如下。
(1) X-Space MPI:Magnetic Nanoparticles for Safe Medical Imaging Adv. Mater. 2012, 24, 3870–3877中發表對於 MPI詳盡的技術介紹,Magnetic Particle Imaging (MPI)是直接針對奈米顆粒
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