新型壓電能量采集器：使嵌入式可穿戴電子產(chǎn)品商業(yè)化更進(jìn)一步

如今社會(huì)，從小型電子產(chǎn)品到嵌入式設(shè)備的一系列領(lǐng)域，例如傳感器、致動(dòng)器、顯示器和能量采集器中，我們?cè)絹?lái)越多地看到可穿戴電子產(chǎn)品的應(yīng)用。據(jù)韓國(guó)高校報(bào)道，學(xué)校研究人員通過(guò)簡(jiǎn)單易用的熱壓和流延成型制造工藝，開(kāi)發(fā)出一款高度柔性但卻堅(jiān)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(lái)源：KAIST)

可穿戴熱電發(fā)電機(jī)(圖片來(lái)源：北卡羅萊納州立大學(xué))

盡管可穿戴電子產(chǎn)品有許多優(yōu)點(diǎn)，但是要想達(dá)到商業(yè)化，還需要克服高成本和復(fù)雜制造工藝所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。此外，它們的耐用性經(jīng)常受到質(zhì)疑。

2、創(chuàng)新

為了解決這些問(wèn)題，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院(KAIST)洪承范(Seungbum Hong)教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新的制造工藝和分析技術(shù)，用于測(cè)試價(jià)格合理的可穿戴設(shè)備的機(jī)械特性。

該校研究人員通過(guò)簡(jiǎn)單易用的熱壓和流延成型制造工藝，開(kāi)發(fā)出一款高度柔性但卻堅(jiān)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(jì)錄的高界面粘合強(qiáng)度，使我們離制造嵌入式可穿戴電子產(chǎn)品又更近了一步。洪教授團(tuán)隊(duì)表示，這一成果的新穎之處是它的簡(jiǎn)單性、適用性、耐用性及其作為可穿戴電子設(shè)備的新特性。

基于織物的可穿戴能量采集器的制造工藝、結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)。(圖片來(lái)源：KAIST)

這項(xiàng)研究成果去年在韓國(guó)注冊(cè)為國(guó)內(nèi)專(zhuān)利，并于這個(gè)月發(fā)表在《納米能源》(Nano Energy)雜志上。洪教授與韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院(DGIST)能量科學(xué)與工程系教授 Yong Min Lee、KAIST 材料科學(xué)與工程系教授 Kwangsoo No、KAIST 機(jī)械工程系教授 Seunghwa Ryu 合作開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

3、技術(shù)

在這項(xiàng)工藝中，研究團(tuán)隊(duì)使用熱壓和流延成型的步驟將聚酯纖維織物結(jié)構(gòu)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(shí)使用，因?yàn)樗哂懈哒掣叫?。最重要的是，這個(gè)過(guò)程只需要2到3分鐘。

新開(kāi)發(fā)的制造工藝可以采用熱壓工藝將設(shè)備直接應(yīng)用到普通服裝中，就像圖案補(bǔ)丁采用熱壓機(jī)器直接貼到服裝中一樣。

特別是，當(dāng)聚合物薄膜低于結(jié)晶溫度被熱壓到織物上時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)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(jīng)紗之間的縫隙中。這些特征將導(dǎo)致高界面粘合強(qiáng)度。因此，熱壓工藝有望通過(guò)將基于織物的可穿戴設(shè)備直接應(yīng)用到普通服裝上，從而降低制造成本。

除了傳統(tǒng)耐用性測(cè)試的彎曲循環(huán)，這種新引進(jìn)的表面以及界面切割分析系統(tǒng)也通過(guò)測(cè)量織物和聚合物薄膜之間的高界面粘接強(qiáng)度，證明了這款基于織物的可穿戴設(shè)備具有高度的機(jī)械耐用性。洪教授表示，這項(xiàng)研究為采用織物和聚合物的可穿戴設(shè)備的制造工藝和分析奠定了新的基礎(chǔ)。

他補(bǔ)充道，他的團(tuán)隊(duì)首次使用了可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的表面和界面切削分析系統(tǒng)(SAICAS)來(lái)測(cè)試聚合物基可穿戴設(shè)備的機(jī)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(yàn)、膠帶試驗(yàn)和微腐蝕試驗(yàn))更加精準(zhǔn)，因?yàn)樗ㄐ院投康販y(cè)量了粘合強(qiáng)度。

采用SAICAS測(cè)量界面粘合強(qiáng)度(圖片來(lái)源：KAIST)

洪教授解釋道：“這項(xiàng)研究將實(shí)現(xiàn)基于界面粘合強(qiáng)度分析的高度耐用可穿戴設(shè)備的商業(yè)化。我們的研究為采用織物和聚合物的其他設(shè)備的制造工藝和分析奠定了新的基礎(chǔ)。我們希望基于織物的可穿戴電子產(chǎn)品很快就能上市。”