從穿戴式到電子皮膚,軟性裝置才是未來?

作者 | 發布日期 2016 年 10 月 20 日 16:01 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 穿戴式裝置
IMG_0446

目前穿戴式裝置的流行程度尚不及智慧型手機,但隨著技術進步,勢必更加普及,擁有相當大的市場潛能。而穿戴式裝置的未來,就在於擺脫手機附屬品或第二螢幕的定位,另闢蹊徑建立其殺手級應用。「三建產業資訊」(SumKen)特邀大阪府立大學電子物理工學研究科博士竹井邦晴,分享奈米材料如何應用在軟性感應器上,開創次世代穿戴式裝置,並就其相關優缺點及面臨的考驗提出討論。




以柔克剛,以量取勝

現今市場上穿戴式裝置仍以智慧型手錶為主流,輔以先前的 Google Glass 等頭戴式顯示器與監測身體機能的各種感測器,但這些都是硬性裝置,難以真正跳脫目前行動智慧裝置的窠臼。竹井邦晴認為,未來的穿戴式裝置應該要以「軟性」為目標,即使彎折也不會壞,如衣物般服貼地穿在身上,並且多為「一次性使用」的低價產品,才能在應用上做出區隔。而若能在軟性基板上通過印刷技術等便宜的製程來生產的話,便能滿足以上需求。

flexible CMOS circuit

無機 vs 有機

為了實現軟性裝置,半導體材料的選用至為關鍵。無機半導體材料電子移動度高,是有機材料的 10~1,000 倍,可低電壓驅動;在空氣及水中都較為安定,能進行任何動作;並且已經有利用矽製程集成化的技術。然而缺點在於用結晶成長技術製作幾乎不可能實現大面積與低價格,且材料堅硬不適合用在軟性裝置。

至於有機半導體材料,不但材質柔軟,還可適用於印刷技術,能大面積低價格量產。但缺點則是電子移動度低,必須用高電壓驅動;且在空氣及水中都不安定,如何改善動作將是重要課題。

竹井邦晴建議,透過將無機材料「奈米化」,可以改善僵硬並缺乏機械柔軟性的問題。利用奈米碳管(CNT)電子移動度高、安定性佳、可大量合成的特點,能夠製作出性能優異的複合材料。由於奈米材料主要帶有負電荷,經由帶正電荷的單分子層修飾基板的表面,可實現奈米材料的高密度轉印。

像是測量形變的感測器,便是將 CNT 及銀奈米粒子的油墨混合印刷,藉由奈米粒子間的電阻變化偵測形變量。而測量溫度的感測器,則是將 CNT 與 PEDOT: PSS 油墨混合,透過兩者界面的電子躍遷(溫度升高,電子躍遷數增加,電阻值下降),能測出溫度變化。

 

應用場合百百種,但離量產尚遠

利用以上技術,能夠製造出測量觸覺、摩擦及溫度的「電子皮膚」;或是能偵測人體心跳、血糖及含氧量並自動注射藥液的「智能 OK 繃」。若是加上無線傳輸,還能將檢測數據記錄至手機或雲端。此外,像是裝設在小型救災機器人上的「電子觸鬚」,能讓機器人穿梭在災害現場障礙物空隙間,掃描獲取情報。而若是能達成大面積輕量化,最實際的應用是設置在交通工具或建築物上,檢測有無形變發生,以預防大型事故。但竹內邦晴也表示,結合無機與奈米材料製成的軟性裝置,目前大多然在實驗室及理論階段,例如電力與無線傳輸的問題便尚未解決。在未看到明顯實際效益前,日本政府及企業仍不願意投入資金協助大學研發,倒是韓國三星及美國多家企業已自組團隊積極展開研發,勢必會在這一領域掌握先機。


致力推辦日本技術講座的「三建產業資訊」(SumKen),長期針對國內產業研究與技術改良的需要,提供台灣與日本的資訊知識及商業交流。最近講座相關資訊如下:

  • 主題:【日本技術講座】日本高伸縮性電子裝置開發技術
  • 時間:10 月 26日(三)09:30 至 16:30
  • 地點:桃園市桃園區縣府路 110 號 9 樓
  • 主題:【日本技術講座】最新日本智慧型手機/車載用途應用展開 FPC 技術動向
  • 時間:11 月 8 日(二)9:30 至 16:30
  • 地點:台北市中正區館前路 49 號 4 樓
  • 詳細資訊:http://www.dctc.com.tw/edm/index.aspx?s=x1026

(首圖來源:《科技新報》攝)

延伸閱讀:

發表迴響