可拉伸導電材料

 

刊登日期:2018/7/5
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近年來隨著機器人人工感知皮膚、智慧皮膚、智慧穿戴衣物議題的興起,越來越多人開始關注相關的材料,如可拉伸的感測元件、薄膜電晶體、壓電元件、導電連接材料、電池等。

本文將從以下大綱,針對可拉伸的導電連接材料進行相關的探討,並針對可達到拉伸效果的方式進行介紹,分別為藉由結構設計達成可拉伸式的導電連接材料、本質具有可拉伸性的導電連接材料兩種方式。
‧以工程結構的設計使材料擁有拉伸性
 1. 以馬蹄形金屬線路達成拉伸性
 2. 以織物編織方式達成拉伸性
‧本質具有拉伸性的導體材料
 1. 分散性導體於複合材料的影響
 2. 可拉伸性材料導電的機制
 3. 可拉伸線路印刷之技術
‧結論

【內文精選】
穿戴式裝置是指穿戴於身上,從頭部、軀幹部、雙手到雙腳都可以設計成穿戴式的微型電子產品,還可依據不同目的的感測器來偵測不同需求的數據,其應用領域包含了機器人人工感知皮膚、智慧皮膚(E-skin)、智慧穿戴衣物(E-textile)等。既然穿戴裝置應用在人或機器人身上,那麼材料或元件的可拉伸性(Stretchability)就變得格外重要。一般人體關節所需的延伸率約為50~80%,呼吸腹部及心臟外的皮膚延伸率約為10%,綜觀市場上,尚未有成熟的產品可以適用於關節的拉伸材料。從IDTechEx 2018的預測數據(如圖一)亦可看到,軟性可拉伸之材料在2019~2028年將有顯著的成長,代表著許多廠商已經開始評估、開發及驗證此技術。

圖一、可拉伸電子材料的市場預測
圖一、可拉伸電子材料的市場預測

一般的感測元件及金屬導體,並不具有可拉伸的特性,從文獻及市場上我們大致上可把伸縮材料分為兩大部分:一部分為材料本身不具拉伸性,藉由工程結構上的設計,使材料擁有拉伸性;另一種是由導體跟彈性體所組成,本質為具有拉伸性的導體材料。以下將針對這兩類,做進一步的討論。

以工程結構的設計使材料擁有拉伸性
圖二為從微觀至巨觀的角度下,以工程結構設計,使本質不可拉伸的材料達成具有拉伸特性。微觀的例子如以Grain Boundary Lithography的技術製作奈米網格金屬線路,延伸性可以達到160%,但經過1,000次拉伸後,電阻會急遽上升;巨觀的部分,以下將分別介紹較普遍的馬蹄形金屬線路及以織物編織方式達成拉伸特性的兩種製法。
2. 以織物編織方式達成拉伸性
瑞士的Swiss Shield®公司開發出一系列單一金屬細線(銅線、黃銅、青銅、金、鋁),可與各種纖維(棉、聚酯纖維、聚氨酯纖維)進行共紡紗,如圖五。Chunya Wang的團隊將纖維素纖維(Modal Fiber)以特殊的工法編織衣物後,使衣物具有可拉伸性,再經高溫處理,纖維素纖維轉變為像石墨排列的導電結構(如圖七所示)。另外,Anyuan Cao的團隊以乾紡紗的方式,利用CVD製成單壁奈米碳管的薄膜,將其一端固定於旋轉的馬達上,另一端則固定在一可移動式的物體上,馬達旋轉後即可紡紗成如彈簧狀的結構(圖八),此結構的拉伸率最大可以達到285%,在20%內拉伸1,000次,結構仍然可以維持原本的彈性係數。

圖七、纖維素纖維經高溫處理後變成導電纖維之示意圖
圖七、纖維素纖維經高溫處理後變成導電纖維之示意圖

本質具有拉伸性的導體材料
本質具有拉伸特性的材料只需利用簡易的印刷技術,即可以圖案化方式印製於可拉伸基板上,且四面八方皆可拉伸,並不侷限於特定方向拉伸(相關比較如表一)。

本質具有拉伸性的導體材料一般是由導體材料混合彈性體組成,其中導體材料如導電高分子Polyaniline (PANi)、Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)與Poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)的導電率約100 S·cm-1,可拉伸率約可達到10%,而摻雜後的PEDOT:PSS導電率可增加至1,000 S·cm-1,但相比於金屬、奈米碳管、石墨烯,導電率仍然太低。
2. 可拉伸性材料導電的機制
1971年物理學家B. J. Last與D. J. Thouless比照展透(Percolation)行為所用的定律,重新寫出一個導電率Power Law如下:

其中,σ為複合材料的導電率、σ0為複合材料中導體的導電率、p為粉體的重量添加比例、t為臨界指數、Pc為臨界比例。如圖十四(a),當添加量到達一定值時,導電通路即建立...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:何首毅/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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