可拉伸式導電材料發展與應用趨勢

 

刊登日期:2015/7/5
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市場趨勢
根據IDTechEx估計,拉伸式電子材料將從2015年開始以年複合成長率48.3%的速度增加,直到2025年總銷售額可達16億美元(圖一),足可證明其產業在未來的成長性十分驚人。估計在2025年時,拉伸式電子的產業應用將以醫療或智慧貼片為主,其餘則為智慧皮膚與智慧織物的應用,綜觀其產品型態均以穿戴式電子呈現,因此,未來穿戴式科技將有一部分是以拉伸式電子系統表現。


圖一、2015~2025年拉伸式電子全球銷售額預估

拉伸式導電材料技術發展
1. 預拉伸方式/馬蹄形結構
目前的技術發展可分為兩種,一是利用預拉伸(Pre-strained)方式,使導電材料呈現波浪狀結構,當處於拉伸環境中時,可以抵銷拉伸所帶來的長度變化。將金屬線製作成為馬蹄形的結構時,拉伸率將可以提升至14.2%,而馬蹄形的幅度增加時,則可以提升拉伸率達到27.2%。

2. 導電/彈性體複合材料
第二種方式是將導電材料和具有彈性的高分子材料進行混合(Blending),所形成之複合材料可同時兼顧導電性與拉伸性。
以導電高分子Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)為例,單純只有PEDOT,本質上導電率並不高,約在1 S/cm左右,必須透過摻雜陰離子到PEDOT之中,以縮小能階並使導電率可提高至100 S/cm,目前已商業化的產品為PEDOT摻雜Polystyrene Sulfonate(PSS),簡稱為PEDOT:PSS。然而PEDOT:PSS的材料特性是屬於堅硬且容易脆裂,須藉由彈性材料的引入,以改善PEDOT:PSS的不可拉伸性。因此解決方式是聚氨酯與PEDOT進行混合形成複合材料,但是聚氨酯與PDEOT天生相容性不佳(聚氨酯溶解度參數為10,PEDOT為8.1),混合後容易產生相分離現象,導致導電率無法達到需求或是拉伸過程中的電導率變化較大。

工研院材化所為了解決聚氨酯與PEDOT的相容性問題,透過聚氨酯高分子中引入親水性高分子集團,除了可以增加導電率之外,更可以與PEDOT結合,形成錯合結構,能避免PEDOT相分離所產生的團聚現象。

應用領域
1. 可拉伸式電路
利用可拉伸式導電材料,應用在各種軟性基板上,例如紙或是塑膠列印出導電電路,相較於一般的電路,可拉伸式電路可以製造出更便宜,並且有彈性的電路。在穿戴式設備中,特別是針對體表電子系統與電子皮膚,更需要透過可拉伸式導電材料傳輸電子訊號,如此將可避免在體表撓曲時,電路拉伸所造成訊號的損失。來自University of Illinois的John A. Rogers教授所率領的團隊,發展出類似刺青的超薄體表電子貼片,將可拉伸的電子元件放在皮膚表面,隨著皮膚伸縮與彎曲,同時偵測使用者的體表溫度、腦波及心跳,並透過無線網路回傳至電腦中,可以不需要再配戴不舒適的電子儀器,造成身體的負擔。


圖七、可拉伸式導電材料應用於體表電子系統與電子皮膚

2. 電子織物
目前在電子織物所使用的電極貼片對於皮膚沒有足夠的貼附能力,因此須透過胸帶緊貼皮膚,使電子訊號更容易接收,但是問題在於使用者大動作時會使得貼片產生位移,造成電子訊號接收不完整。透過拉伸式導電材料的幫助,可使得電極片能夠服貼在體表,並且不會因為使用者動作而有所移動。日本東麗和NTT聯合開發的複合導電纖維,是利用導電高分子PEDOT:PSS滲入奈米纖維中,可實際應用在智慧織物的電極貼片,優點在於具有高度可拉伸性以及耐水洗性,經由測試,在水洗50次後仍然保有……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:張肇哲、鄞盟松/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」343期,更多資料請見下方附檔。


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