目前穿戴式装置的流行程度尚不及智能手机,但随着技术进步,势必更加普及,拥有相当大的市场潜能。而穿戴式装置的未来,就在于摆脱手机附属品或第二屏幕的定位,另辟蹊径建立其杀手级应用。“三建产业资讯”(SumKen)特邀大阪府立大学电子物理工学研究科博士竹井邦晴,分享奈米材料如何应用在软性感应器上,开创次世代穿戴式装置,并就其相关优缺点及面临的考验提出讨论。
以柔克刚,以量取胜
现今市场上穿戴式装置仍以智能手表为主流,辅以先前的 Google Glass 等头戴式显示器与监测身体机能的各种感测器,但这些都是硬性装置,难以真正跳脱目前行动智慧装置的窠臼。竹井邦晴认为,未来的穿戴式装置应该要以“软性”为目标,即使弯折也不会坏,如衣物般服贴地穿在身上,并且多为“一次性使用”的低价产品,才能在应用上做出区隔。而若能在软性基板上通过印刷技术等便宜的制程来生产的话,便能满足以上需求。
无机 vs 有机
为了实现软性装置,半导体材料的选用至为关键。无机半导体材料电子移动度高,是有机材料的 10~1,000 倍,可低电压驱动;在空气及水中都较为安定,能进行任何动作;并且已经有利用硅制程集成化的技术。然而缺点在于用结晶成长技术制作几乎不可能实现大面积与低价格,且材料坚硬不适合用在软性装置。
至于有机半导体材料,不但材质柔软,还可适用于印刷技术,能大面积低价格量产。但缺点则是电子移动度低,必须用高电压驱动;且在空气及水中都不安定,如何改善动作将是重要课题。
竹井邦晴建议,透过将无机材料“奈米化”,可以改善僵硬并缺乏机械柔软性的问题。利用奈米碳管(CNT)电子移动度高、安定性佳、可大量合成的特点,能够制作出性能优异的复合材料。由于奈米材料主要带有负电荷,经由带正电荷的单分子层修饰基板的表面,可实现奈米材料的高密度转印。
像是测量形变的感测器,便是将 CNT 及银奈米粒子的油墨混合印刷,借由奈米粒子间的电阻变化侦测形变量。而测量温度的感测器,则是将 CNT 与 PEDOT: PSS 油墨混合,透过两者界面的电子跃迁(温度升高,电子跃迁数增加,电阻值下降),能测出温度变化。
应用场合百百种,但离量产尚远
利用以上技术,能够制造出测量触觉、摩擦及温度的“电子皮肤”;或是能侦测人体心跳、血糖及含氧量并自动注射药液的“智能 OK 绷”。若是加上无线传输,还能将检测数据记录至手机或云端。此外,像是装设在小型救灾机器人上的“电子触须”,能让机器人穿梭在灾害现场障碍物空隙间,扫描获取情报。而若是能达成大面积轻量化,最实际的应用是设置在交通工具或建筑物上,检测有无形变发生,以预防大型事故。但竹内邦晴也表示,结合无机与奈米材料制成的软性装置,目前大多然在实验室及理论阶段,例如电力与无线传输的问题便尚未解决。在未看到明显实际效益前,日本政府及企业仍不愿意投入资金协助大学研发,倒是韩国三星及美国多家企业已自组团队积极展开研发,势必会在这一领域掌握先机。
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(首图来源:《科技新报》摄)
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