如今社會，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、顯示器和能量采集器中，我們越來越多地看到可穿戴電子產品的應用。據韓國高校報道，學校研究人員通過簡單易用的熱壓和流延成型制造工藝，開發(fā)出一款高度柔性但卻堅固耐用的可穿戴壓電能量采集器。

1、背景

“電子織物合身套裝”將電子傳感器集成到彈性織物中。

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(fā)電機(圖片來源：北卡羅萊納州立大學)

盡管可穿戴電子產品有許多優(yōu)點，但是要想達到商業(yè)化，還需要克服高成本和復雜制造工藝所帶來的挑戰(zhàn)。此外，它們的耐用性經常受到質疑。

2、創(chuàng)新

為了解決這些問題，韓國科學技術院(KAIST)洪承范(Seungbum Hong)教授領導的團隊開發(fā)出一種新的制造工藝和分析技術，用于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制造工藝，開發(fā)出一款高度柔性但卻堅固耐用的可穿戴壓電能量采集器。這款能量采集器具有創(chuàng)紀錄的高界面粘合強度，使我們離制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。

基于織物的可穿戴能量采集器的制造工藝、結構和輸出信號。(圖片來源：KAIST)

這項研究成果去年在韓國注冊為國內專利，并于這個月發(fā)表在《納米能源》(Nano Energy)雜志上。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。

3、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。熱壓通常在制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(fā)的制造工藝可以采用熱壓工藝將設備直接應用到普通服裝中，就像圖案補丁采用熱壓機器直接貼到服裝中一樣。

特別是，當聚合物薄膜低于結晶溫度被熱壓到織物上時，它會轉變?yōu)橐环N非晶態(tài)。在這種狀態(tài)下，它緊密地粘附于織物的凹面上，滲入橫向緯紗和縱向經紗之間的縫隙中。這些特征將導致高界面粘合強度。因此，熱壓工藝有望通過將基于織物的可穿戴設備直接應用到普通服裝上，從而降低制造成本。

除了傳統(tǒng)耐用性測試的彎曲循環(huán)，這種新引進的表面以及界面切割分析系統(tǒng)也通過測量織物和聚合物薄膜之間的高界面粘接強度，證明了這款基于織物的可穿戴設備具有高度的機械耐用性。洪教授表示，這項研究為采用織物和聚合物的可穿戴設備的制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(tǒng)(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(tǒng)比傳統(tǒng)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。

采用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(xiàn)基于界面粘合強度分析的高度耐用可穿戴設備的商業(yè)化。我們的研究為采用織物和聚合物的其他設備的制造工藝和分析奠定了新的基礎。我們希望基于織物的可穿戴電子產品很快就能上市。”