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會導電的布——穿戴式科技的發展

今日,「智慧穿戴」儼然成為科技社會中不可或缺的物件, 並以取代行動載具為未來發展的目標。曾幾何時, 穿著的布料從絕緣體成了導電材質,甚至以柔性取代了剛性金屬材質, 成為物聯網中重要的環節。
 
 
穿戴式科技示意圖。智慧織物的不斷進化與發展,加上物聯網趨勢的推波助瀾,可穿戴式科技的產品應運而生。
▲穿戴式科技示意圖。智慧織物的不斷進化與發展,加上物聯網趨勢的推波助瀾,可穿戴式科技的產品應運而生。
 
自2013年國際消費性電子產品展(Consumer Electronics Show, CES)首先拋出智慧型穿戴科技的議題,帶動國內外紡織業者更願意跨開步伐踏入研發與創新挑戰,接下來連續幾年的CES展中,「智慧穿戴科技」都是熱搜的關鍵字。今日,「智慧穿戴」儼然成為科技社會中不可或缺的物件,並以取代行動載具為未來發展的目標。曾幾何時,穿著的布料從絕緣體成為了導電材質,甚至柔性取代了剛性金屬材質,成為物聯網中重要的環節。
 
因應不同需求的纖維研發
  
翻開歷史文獻紀錄,從人類懂得獸皮製衣、養蠶取絲,或利用植物表皮纖維製成各類紡織品,就開始了天然纖維的發展。隨著幾千年來基本生活穿著的需求不同,衣服的功能也從保護、保暖、美觀演變到身分地位的象徵,在在訴說著織物必須跟隨人們需求不斷創新進化。當天然纖維的功能漸漸不能滿足人們的需要時,人造纖維的出現與成功自然地延續了織料與纖維的可能性與未來性。
 
如我們所熟悉的天然棉,質地柔軟但較無彈性,也容易黃化,而再生纖維人造棉(又稱嫘縈)製作價格低廉,懸垂性也比天然棉好。穿著羊毛纖維製成的毛衣有很好的保暖性,因為它的內部成中空狀,但也常讓人覺得皮膚癢,因為羊毛纖維上有看不見的鱗片。對此,壓克力纖維的成功發展大幅降低天然傳統羊毛所產生的問題,且保有很相似的觸摸感受,缺點是容易產生靜電和毛球。
 
顯微鏡下的羊毛纖維。(圖 / science image)
▲顯微鏡下的羊毛纖維。(圖 / science image)
 
從各式人造纖維的不斷研發改進再研發,可以發現人們試圖改變纖維的各種特性,以因應不同的穿著與需求,並廣泛應用於不同領域,如醫療,航太科技等。透過強度、細度、密度、吸溼性等各種物理性質測試調整,以發展出抗菌除臭、耐燃、耐衝擊,與更多耐酸鹼化學反應、耐日光、耐磨擦或具導電等性質的纖維特性。 
 
導電纖維的製造與應用
  
古詩「勸君莫惜金縷衣,勸君惜取少年時。花開堪折直須折,莫待無花空折枝」,其中所提「金縷衣」是由許多四角穿有小孔的玉片,用金、銀絲或銅編串而成的衣服,可以算是「導電衣」的發展概念初期。現今的導電纖維大約是60年代出現的一種新的纖維品種,這類纖維有良好的導電性和耐久性,特別是在低溼度下仍有良好的耐久抗靜電性,因此在工業、民用等領域有很大的用途。
 
傳統導電纖維的製程大致有二種,一是把導電材料塗布在纖維表面,一是把導電性纖維複合在單纖維構造中,或是把導電纖維摻混在合成纖維中。細分導電纖維的製造方法有4種:混紡法,即把金屬纖維與普通纖維混紡;摻雜法,即把導電性物質與普通成纖物質摻雜在一起紡絲得到導電纖維;直接紡絲法,即用導電性高分子直接紡絲;後處理法,主要是在普通纖維表面進行化學反應,使導電性高分子吸附於纖維表面以具有導電性能。
 
導電纖維初期用於抗靜電,其原理是使導電纖維之間產生電暈放電。電暈放電是一種很緩和的放電形式,當靜電壓達到一定的數值後,就產生無火花的電暈放電使靜電消除。應用市場主要是抗靜電工作服、除塵工作服、一般衣料、產業材料等領域,例如石油、天然氣等危險品工作場地、半導體、電子工業、精密儀器、醫藥衛生等。
 
導電纖維的種類。(圖 / 陳志龍、孫文賢、唐靜雯,2015,導電紡織品於穿戴式電子元件之應用,工業材料雜誌,343)
▲導電纖維的種類。(圖 / 陳志龍、孫文賢、唐靜雯,2015,導電紡織品於穿戴式電子元件之應用,工業材料雜誌,343)
 
軟性電子智慧材料的崛起
 
現今布料材質以導電纖維最具未來發展性。導電纖維重量輕且耐水洗,主要以金屬纖維、碳纖維、導電型金屬化合物纖維和導電高分子纖維4種為主。導電紡織品質地柔軟,可用來促進軟性電子網路與布料的整合,我們所熟知的電子紡織品就結合了電子功能和具紡織特性的素材。
 
紡拓會指出電子紡織品可應用於信號的發送或轉換,具體作為:一個被動元件,如電阻器、感應器或電容器;一種能源,如電池;一個半導體,如二極管或晶體管;一個轉換器,如光電轉換材料或發光材料。據英國IDTechEX報告預估,全球電子紡織品市場規模到2026年將達32.6億美元,年複合成長率達33%。
 
導電纖維。(圖 / 重繪自吳文演、黃崇信,2011,智慧型紡織品之發展趨勢與應用,絲織園地,76)
▲導電纖維。(圖 / 重繪自吳文演、黃崇信,2011,智慧型紡織品之發展趨勢與應用,絲織園地,76)
 
從智慧型紡織到穿戴式科技
 
財團法人紡織產業綜合研究所產品部系統組沈乾龍組長認為,智慧型紡織品的概念是整合「電子元件紡織化」的創新技術,讓紡織品滿足穿戴者所期待的互動機能,例如身體生理訊號的擷取、外在環境的提醒、外在資訊的給予等。也就是說,智慧紡織材料具有主動與環境互動的能力,像是可以隨著環境的變化反應或適應的能力,如變色、相變、形變、壓電、電發光等的紡織材料。 
 
智慧型紡織品經常具有導電性,其導電性的功能來自:塗布導電性物質、添加導電性物質,或使用導電性纖維等。智慧織物的不斷進化與發展,加上物聯網趨勢的推波助瀾,可穿戴式科技的產品應運而生。2014年是穿戴式電子裝置開始大放異彩的一年,更因此譽為「穿戴元年」。
 
「穿戴式科技」一詞就服裝而言,指結合了科技的成衣,這些類型的成衣通常稱為可穿戴式或科技性特殊服裝。但以理論來看,可是橫跨各學科的領域,如相變材料、纖維、紗線、織物、形狀記憶材料、變色材料、發光材料、壓電材料等,綜合匯集了不同學科的概念和專業知識。以技術層面而言,是應用現有的科技開發出微型輕便化的裝置,使其可以穿戴在人的身上以擷取生理資訊等;然後經由通訊的方式把資料傳遞到雲端運算,再回饋到個人行動裝置上,讓使用者可以得到所需要的資訊。
 
智慧穿戴讓生活更便利
 
由於服裝具有第二層皮膚的功用,可穿戴式科技的成功發展更強化與深化服裝的意義,可能改變人們穿著、社交禮儀與溝通,透過醫療技術整合,也能夠監控自我健康,從心跳紀錄到呼吸睡眠的貼心協助,甚至在感測環境方面可在緊急狀況發生時提出警告。近年來智慧型紡織與穿戴式科技服裝蓬勃發展,國內外的研發成果更是豐富。
 
現今已邁入科技發達的 21世紀,隨著科技應用在紡織上的開發與進步,賦予了機能性纖維產品更多的特殊功能,把日常生活事物由實體轉至數位化、聯網化、行動化,進而智慧化,並以多元創新應用協助處理日常生活大小事,解決生活中效率不彰或不便利等問題。近年來創新智慧材料、演算法、IoT等趨勢推升電子紡織品或稱智慧型紡織品的蓬勃發展,把「數位元件或電子元件結合在布料上」。其產品開發重點在於:協助使用者解決問題或帶來便利,為使用者創造更美好的生活。
 
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