新型壓電能量採集器：離可穿戴電子產品商業化更近一步

2020-09-18 環球創新智慧

導讀

據韓國科學技術院官網近日報導，該校研究人員通過簡單易用的熱壓和流延成型製造工藝，開發出一款高度柔性但卻堅固耐用的可穿戴壓電能量採集器。

背景

從小型電子產品到嵌入式設備的一系列領域，例如傳感器、致動器、顯示器和能量採集器中，我們越來越多地看到可穿戴電子產品的應用。

「電子織物合身套裝」將電子傳感器集成到彈性織物中。（圖片來源於美國麻省理工學院研究人員）


將OLED集成到織物中變成可穿戴顯示器（圖片來源：KAIST）


可穿戴熱電發電機（圖片來源：北卡羅萊納州立大學）

儘管可穿戴電子產品有許多優點，但是要想達到商業化，還需要克服高成本和複雜製造工藝所帶來的挑戰。此外，它們的耐用性經常受到質疑。

創新

為了解決這些問題，韓國科學技術院（KAIST）洪承範（Seungbum Hong）教授領導的團隊開發出一種新的製造工藝和分析技術，用於測試價格合理的可穿戴設備的機械特性。

該校研究人員通過簡單易用的熱壓和流延成型製造工藝，開發出一款高度柔性但卻堅固耐用的可穿戴壓電能量採集器。這款能量採集器具有創紀錄的高界面粘合強度，使我們離製造嵌入式可穿戴電子產品又更近了一步。洪教授團隊表示，這一成果的新穎之處是它的簡單性、適用性、耐用性及其作為可穿戴電子設備的新特性。

基於織物的可穿戴能量採集器的製造工藝、結構和輸出信號。（圖片來源：KAIST）

這項研究成果去年在韓國註冊為國內專利，並於這個月發表在《納米能源》（Nano Energy）雜誌上。洪教授與韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）能量科學與工程系教授 Yong Min Lee、KAIST 材料科學與工程系教授 Kwangsoo No、KAIST 機械工程系教授 Seunghwa Ryu 合作開展了這項研究。

技術

在這項工藝中，研究團隊使用熱壓和流延成型的步驟將聚酯纖維織物結構與聚合物薄膜連接到一起。熱壓通常在製造電池和燃料電池時使用，因為它具有高粘附性。最重要的是，這個過程只需要2到3分鐘。

新開發的製造工藝可以採用熱壓工藝將設備直接應用到普通服裝中，就像圖案補丁採用熱壓機器直接貼到服裝中一樣。

特別是，當聚合物薄膜低於結晶溫度被熱壓到織物上時，它會轉變為一種非晶態。在這種狀態下，它緊密地粘附於織物的凹面上，滲入橫向緯紗和縱向經紗之間的縫隙中。這些特徵將導致高界面粘合強度。因此，熱壓工藝有望通過將基於織物的可穿戴設備直接應用到普通服裝上，從而降低製造成本。

除了傳統耐用性測試的彎曲循環，這種新引進的表面以及界面切割分析系統也通過測量織物和聚合物薄膜之間的高界面粘接強度，證明了這款基於織物的可穿戴設備具有高度的機械耐用性。洪教授表示，這項研究為採用織物和聚合物的可穿戴設備的製造工藝和分析奠定了新的基礎。

他補充道，他的團隊首次使用了可穿戴電子產品領域的表面和界面切削分析系統（SAICAS）來測試聚合物基可穿戴設備的機械特性。他們的表面和界面切削分析系統比傳統的方法（剝離試驗、膠帶試驗和微腐蝕試驗）更加精準，因為它定性和定量地測量了粘合強度。

採用SAICAS測量界面粘合強度（圖片來源：KAIST）

洪教授解釋道：「這項研究將實現基於界面粘合強度分析的高度耐用可穿戴設備的商業化。我們的研究為採用織物和聚合物的其他設備的製造工藝和分析奠定了新的基礎。我們希望基於織物的可穿戴電子產品很快就能上市。」

關鍵詞

可穿戴、織物、製造工藝

參考資料

【1】Jaegyu Kim, Seoungwoo Byun, Sangryun Lee, Jeongjae Ryu, Seongwoo Cho, Chungik Oh, Hongjun Kim, Kwangsoo No, Seunghwa Ryu, Yong Min Lee, Seungbum Hong. Cost-effective and strongly integrated fabric-based wearable piezoelectric energy harvester. Nano Energy, 2020; 75: 104992 DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104992

【2】https://news.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mode=V&mng_no=9950

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