可適型基板結構設計介紹

 

刊登日期:2018/7/5
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電子技術迅速發展使電子設備微小化,帶動近期可穿戴式電子技術演變發展,可以融入人體且功能性多,可適性電子產品就成為能貼附在人類身體表面,更能深入探索生理資訊。

本文將從以下大綱,針對兩大類可適性材料結構設計進行介紹。
‧前言
‧可適型基板結構設計與材料
‧可適型基板結構設計
 1. 平面結構設計
 2. 立體結構設計–島嶼式連接
‧結論

【內文精選】
前言
穿戴裝置基於穿戴於人類身體上,必須具備低存在感的特性,包含體積輕薄、生物友善、長時配戴與近似柔軟皮膚等四大特性,而可適性電子產品即符合這四大特性,近似皮膚貼附於身體。人類身體為柔軟曲面外型,若穿戴裝置為平面的堅硬外型,則穿戴時將造成高存在感,更產生不舒適感。杜邦看好可穿戴科技未來在運動與醫療市場的潛力,積極在材料與技術上研發,於去年(2017)推出全新品牌Intexar™ Smart Clothing Technology智慧服飾科技,不僅提供優異的可拉伸性和舒適性,並同步展示兩家搭載Intexar™導電油墨薄膜科技的智慧服飾品牌BodyPlus與OMsignal;在2017年1月於東京舉辦的智慧可穿戴展覽會,杜邦公司也與研發機構霍爾斯特中心(Holst Centre)合作,將可拉伸電子油墨材料應用於智慧型穿戴產品的線路設計及觸控開關。

可適型基板結構設計與材料
可適型材料是貼附型穿戴式產品主要的製備材料,可隨著緊貼皮膚表面在動作時的撓曲及伸縮傳輸或接收生理訊號。可適性材料(Adaptability Material)在伸縮性特點上可分為結構設計(Structure Design)或材料特性為主,前者指的是獨特的設計結構,能夠提供某種程度的容忍度,在材料變形斷裂極限內的伸縮;而後者是可以歸因於材料本身的機械特性,在允許可逆延伸本質上的柔軟特性,並響應於外力的壓縮。

可適性材料線路的彎曲應變會與材料厚度成反比,所使用的大概為半導體材料、金屬絲、金屬線或導電薄膜,其厚度大多在幾十奈米至幾微米之間,可以很容易彎曲,但伸縮率卻是非常差,因此必須藉由結構設計來補強材料應變的不足。本文將介紹兩大類主要作為設計可塑性基板的結構:立體結構設計(Out-of-Plane Design)及平面結構設計(In-Plane Design)。前者的設計使用懸空的奈米級金屬絲,利用像島嶼(元件)方式連接,金屬線以預拉伸(Prestrained)方式連接每個元件於基材上(如圖二),當處於拉伸環境中時,可以抵銷拉伸所帶來的長度變化;後者則是利用導線圖案化形成馬蹄形(如圖三),同樣的也能夠達到可拉伸的效果,但設計上線寬與圖案化曲率的比值(w = W/R)必須小於0.5,這是經由歐拉伯努利(Euler-Bernoulli Beam)方程式模擬出來的最佳條件。

圖三、平面結構設計–馬蹄形結構
圖三、平面結構設計–馬蹄形結構

可適型基板結構設計
2. 立體結構設計–島嶼式連接
屬非共面結構設計,具有可變形的模組或元件利用島嶼式與架橋(線路)相結合,可以實現較高的拉伸性(預先拉伸)。這種增加拉伸性的方式可以廣泛地被應用,包括具有高曲率及複雜的電子線路,它獨特地提供了高性能(電性)和可適性,幾乎任何類型的幾何變形都足以應付。這種設計具有穩定電性傳導和高拉伸性,響應了實驗和理論研究,闡明了這類技術相關的關鍵材料和物理方面的優越性。

立體結構的線路不會受到基材限制而能隨意移動,可以說是將共面和非共面線路設計相結合。這種設計可以透過圖九(c)的方式來製作,將元件先打件在PI薄膜上,架橋(線路)部分用PMMA先塗佈,然後於PI上再做線路,線路完成後再將PMMA溶解,釋放線路下方的空間,再黏貼於拉伸膜(PDMS)上。為了幫助線路黏附在PDMS襯底上,金屬層(Cr/SiO2)利用光阻在選定器件區域(除了導線之外)進行圖案化…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖九、立體結構的線路製作
圖九、立體結構的線路製作

作者:陳東森、蘇俊瑋、呂奇明/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期,更多資料請見下方附檔。


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