近年來可拉伸電子領域不論在學術研究或產品開發上都有突飛猛進的成長，顯示智慧醫療、健康照護的需求量越來越大。本文將可拉伸電子的製法分為複合結構及全伸縮電路兩類，分別剖析其技術現況及優缺點。並介紹數種代表性的可拉伸基板材料，包括熱塑型、熱固型、彈性體，及紙、布等生物可分解材料。
本文以穿戴式醫療應用為例，將從以下大綱列出可拉伸電子元件的規格目標，期待很快能有兼具性能與舒適的相關產品問世。
‧由可撓式到可拉伸電子
‧可拉伸電子市場現況及預估
‧可拉伸電子應用領域
‧可拉伸電子製法
1. 非彈性-彈性複合結構
2. 配線與基材皆可拉伸
‧可拉伸基板材料
‧彈性體
‧熱塑型材料
‧熱固型材料
‧生物可分解基材
‧可拉伸電子的規格
‧結語
【內文精選】
由可撓式到可拉伸電子
可撓式電子(Flexible Electronics)係利用可撓曲的基板與材料技術來取代傳統硬質基板，以解決其易碎、笨重與不易攜帶的問題。近年來可撓式電子在機器人、義肢、植入性電極及穿戴系統等應用上有明顯的成長，由過去15年來此領域期刊發表呈指數增加可得印證（圖一）。然而，有許多應用需要更大的形變，例如機器人具有觸感的膝蓋及手肘，可撓式電子還無法達成，使得可拉伸(Stretchable)技術勢在必行。可拉伸也能改善配戴的舒適性及生理健康參數量測的可靠度。由近年來期刊發表的數量分析，可拉伸電子(Stretchable Electronics)領域的成長速度可望超越可撓式電子。
圖一、1965~2020年間可撓曲及可拉伸電子相關期刊發表累積統計
可拉伸電子應用領域
根據IDTechEX預估，到了2025年，智慧醫療將會成為可拉伸電子的主要應用領域。例如可測定心電圖或心跳數等生理信號的智慧服飾（圖四）、可即時監控的文字型穿戴式電子元件、運動量測或施工現場的健康管理等。
此外，隨著機器人能力的提升，未來將能執行許多過去無法交由機器人執行的任務。因此，在設計上需有關節使其活動的範圍等同甚至超越人類。關鍵技術便是開發在大幅伸縮下不損壞，並且能維持其電性的電子零件。圖五即為一例。
圖五、可拉伸電子材料製作之機器人皮膚(a)具有可拉伸感測器的機器人手部照片；(b)機器人手部的應變感測器，手指可由0˚~90˚彎曲；(c)不同彎曲角度下應變感測器的電阻值
可拉伸電子製法
1. 非彈性-彈性複合結構
此結構以本身不可拉伸的高功能材料搭配具彈性的基材封裝而成。功能性材料可以嵌入基材內，或固定於基材表面。非彈性材料分散方式可細分為精密設計的圖案或是無次序隨機散布。複雜的積體電路通常仍是硬質的，可拉伸的部分是金屬互連和彈性基材，因此需要精準地設計圖案線路（圖八）。而當功能性材料具高深寬比，例如奈米銀線、奈米碳管時，會採用隨機分散方式，利用滲透法(Percolation)使材料的互連性在拉伸時仍得以保持。
可拉伸基板材料
傳統的電子產品是使用硬質的電路板，例如矽晶圓；可撓式電子則是使用可撓式基板，例如聚醯亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。當演進到可拉伸電子時，基板必須選用薄且具有彈性的材質。此外，好的可拉伸基板還需符合寬廣的操作溫度、對不同材料黏合性佳、優異的疊層加工性等條件。圖十二列舉數種用於可拉伸電子元件的材料，可以看出Polyurethane (PU)、Polydimethylsiloxane (PDMS)、Silicone等彈性體(Elastomers)材料具有較佳的拉伸性。此外，數種熱塑型及熱固型的材料，也具有可拉伸的特性。而未來的趨勢則是以生物可分解的紙、布、絲蛋白膜等材料為基材…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：劉怡君、關旻宗／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。