会导电的布——穿戴式科技的发展
穿戴式科技示意图。智慧织物的不断进化与发展,加上物联网趋势的推波助澜,可穿戴式科技的产品应运而生。
因应不同需求的纤维研发
翻开历史文献纪录,从人类懂得兽皮制衣、养蚕取丝,或利用植物表皮纤维制成各类纺织品,就开始了天然纤维的发展。随著几千年来基本生活穿著的需求不同,衣服的功能也从保护、保暖、美观演变到身分地位的象徵,在在诉说著织物必须跟随人们需求不断创新进化。当天然纤维的功能渐渐不能满足人们的需要时,人造纤维的出现与成功自然地延续了织料与纤维的可能性与未来性。
如我们所熟悉的天然棉,质地柔软但较无弹性,也容易黄化,而再生纤维人造棉(又称嫘萦)制作价格低廉,悬垂性也比天然棉好。穿著羊毛纤维制成的毛衣有很好的保暖性,因为它的内部成中空状,但也常让人觉得皮肤痒,因为羊毛纤维上有看不见的鳞片。对此,压克力纤维的成功发展大幅降低天然传统羊毛所产生的问题,且保有很相似的触摸感受,缺点是容易产生静电和毛球。
顯微鏡下的羊毛纖維。(圖 / science image)
从各式人造纤维的不断研发改进再研发,可以发现人们试图改变纤维的各种特性,以因应不同的穿著与需求,并广泛应用于不同领域,如医疗,航太科技等。透过强度、细度、密度、吸溼性等各种物理性质测试调整,以发展出抗菌除臭、耐燃、耐衝击,与更多耐酸硷化学反应、耐日光、耐磨擦或具导电等性质的纤维特性。
导电纤维的制造与应用
古诗“劝君莫惜金缕衣,劝君惜取少年时。花开堪折直须折,莫待无花空折枝”,其中所提“金缕衣”是由许多四角穿有小孔的玉片,用金、银丝或铜编串而成的衣服,可以算是“导电衣”的发展概念初期。现今的导电纤维大约是60年代出现的一种新的纤维品种,这类纤维有良好的导电性和耐久性,特别是在低溼度下仍有良好的耐久抗静电性,因此在工业、民用等领域有很大的用途。
传统导电纤维的制程大致有二种,一是把导电材料涂布在纤维表面,一是把导电性纤维複合在单纤维构造中,或是把导电纤维掺混在合成纤维中。细分导电纤维的制造方法有4种:混纺法,即把金属纤维与普通纤维混纺;掺杂法,即把导电性物质与普通成纤物质掺杂在一起纺丝得到导电纤维;直接纺丝法,即用导电性高分子直接纺丝;后处理法,主要是在普通纤维表面进行化学反应,使导电性高分子吸附于纤维表面以具有导电性能。
导电纤维初期用于抗静电,其原理是使导电纤维之间产生电晕放电。电晕放电是一种很缓和的放电形式,当静电压达到一定的数值后,就产生无火花的电晕放电使静电消除。应用市场主要是抗静电工作服、除尘工作服、一般衣料、产业材料等领域,例如石油、天然气等危险品工作场地、半导体、电子工业、精密仪器、医药卫生等。
导电纤维的种类。(图 / 陈志龙、孙文贤、唐静雯,2015,导电纺织品于穿戴式电子元件之应用,工业材料杂志,343)
软性电子智慧材料的崛起
现今布料材质以导电纤维最具未来发展性。导电纤维重量轻且耐水洗,主要以金属纤维、碳纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子纤维4种为主。导电纺织品质地柔软,可用来促进软性电子网路与布料的整合,我们所熟知的电子纺织品就结合了电子功能和具纺织特性的素材。
纺拓会指出电子纺织品可应用于信号的发送或转换,具体作为:一个被动元件,如电阻器、感应器或电容器;一种能源,如电池;一个半导体,如二极管或晶体管;一个转换器,如光电转换材料或发光材料。据英国IDTechEX报告预估,全球电子纺织品市场规模到2026年将达32.6亿美元,年複合成长率达33%。
导电纤维。(图 / 重绘自吴文演、黄崇信,2011,智慧型纺织品之发展趋势与应用,丝织园地,76)
从智慧型纺织到穿戴式科技
财团法人纺织产业综合研究所产品部系统组沉乾龙组长认为,智慧型纺织品的概念是整合“电子元件纺织化”的创新技术,让纺织品满足穿戴者所期待的互动机能,例如身体生理讯号的撷取、外在环境的提醒、外在资讯的给予等。也就是说,智慧纺织材料具有主动与环境互动的能力,像是可以随著环境的变化反应或适应的能力,如变色、相变、形变、压电、电发光等的纺织材料。
智慧型纺织品经常具有导电性,其导电性的功能来自:涂布导电性物质、添加导电性物质,或使用导电性纤维等。智慧织物的不断进化与发展,加上物联网趋势的推波助澜,可穿戴式科技的产品应运而生。2014年是穿戴式电子装置开始大放异彩的一年,更因此誉为“穿戴元年”。
“穿戴式科技”一词就服装而言,指结合了科技的成衣,这些类型的成衣通常称为可穿戴式或科技性特殊服装。但以理论来看,可是横跨各学科的领域,如相变材料、纤维、纱线、织物、形状记忆材料、变色材料、发光材料、压电材料等,综合汇集了不同学科的概念和专业知识。以技术层面而言,是应用现有的科技开发出微型轻便化的装置,使其可以穿戴在人的身上以撷取生理资讯等;然后经由通讯的方式把资料传递到云端运算,再回馈到个人行动装置上,让使用者可以得到所需要的资讯。
智慧穿戴让生活更便利
由于服装具有第二层皮肤的功用,可穿戴式科技的成功发展更强化与深化服装的意义,可能改变人们穿著、社交礼仪与沟通,透过医疗技术整合,也能够监控自我健康,从心跳纪录到呼吸睡眠的贴心协助,甚至在感测环境方面可在紧急状况发生时提出警告。近年来智慧型纺织与穿戴式科技服装蓬勃发展,国内外的研发成果更是丰富。
现今已迈入科技发达的 21世纪,随著科技应用在纺织上的开发与进步,赋予了机能性纤维产品更多的特殊功能,把日常生活事物由实体转至数位化、联网化、行动化,进而智慧化,并以多元创新应用协助处理日常生活大小事,解决生活中效率不彰或不便利等问题。近年来创新智慧材料、演算法、IoT等趋势推升电子纺织品或称智慧型纺织品的蓬勃发展,把“数位元件或电子元件结合在布料上”。其产品开发