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新型压电能量采集器:离可穿戴电子产品商业化更近一步!

导读

据韩国科学技术院官网近日报道,该校研究人员通过非常简单易懂的热压和流延成型生产工艺,开发出一款高度柔性但却坚固耐用的可穿戴压电能量采集器。

背景

从小型电子产品到嵌入式设备的一系列领域,例如传感器、致动器、显示器和能量采集器中,我们越来越多地看到可穿戴电子产品的应用于。

“电子织物合身套装”将电子传感器集成到弹性织物中。(图片源于美国麻省理工学院研究人员)

将OLED构建到织物中变成可穿着显示器(图片来源:KAIST)

可穿戴热电发电机(图片来源:北卡罗莱纳州而立大学)

尽管可穿戴电子产品有许多优点,但是要想超过商业化,还需要克服低成本和简单生产工艺所带来的挑战。此外,它们的耐用性经常受到质疑。

创新

为了解决问题这些问题,韩国科学技术院(KAIST)洪承范(Seungbum Hong)教授领导的团队开发出一种新的生产工艺和分析技术,用作测试价格合理的可穿着设备的机械特性。

该校研究人员通过简单易懂的热压和流延成型制造工艺,研发出一款高度柔性但却坚固耐用的可穿着压电能量采集器。这款能量采集器具有创纪录的高界面粘合强度,使我们离生产嵌入式可穿着电子产品又更将近了一步。洪教授团队回应,这一成果的新颖之处是它的简单性、适用性、耐用性及其作为可穿戴电子设备的新特性。

基于织物的可穿戴能量采集器的生产工艺、结构和输出信号。(图片来源:KAIST)

这项研究成果去年在韩国注册为国内专利,并于这个月公开发表在《纳米能源》(Nano Energy)杂志上。洪教授与韩国大邱庆北科学技术院(DGIST)能量科学与工程系教授 Yong Min Lee、KAIST 材料科学与工程系教授 Kwangsoo No、KAIST 机械工程系教授 Seunghwa Ryu 合作积极开展了这项研究。

技术

在这项工艺中,研究团队用于热压和流延成型的步骤将聚酯纤维织物结构与聚合物薄膜相连到一起。热压通常在制造电池和燃料电池时用于,因为它具有低黏附性。最重要的是,这个过程只必须2到3分钟。

新开发的制造工艺可以使用热压工艺将设备必要应用于到普通服装中,就像图案补丁使用热压机器必要贴到服装中一样。

特别是,当聚合物薄膜低于结晶温度被热压到织物上时,它不会改变为一种非晶态。在这种状态下,它密切地粘附于织物的凹面上,渗透到纵向纬纱和纵向经纱之间的缝隙中。这些特征将导致低界面黏合强度。因此,热压工艺有望通过将基于织物的可穿着设备必要应用于到普通服装上,从而降低生产成本。

除了传统耐用性测试的弯曲循环,这种新引进的表面以及界面切割成分析系统也通过测量织物和聚合物薄膜之间的高界面粘接强度,证明了这款基于织物的可穿着设备具有高度的机械耐用性。洪教授回应,这项研究为采用织物和聚合物的可穿着设备的生产工艺和分析奠下了新的基础。

他补足道,他的团队首次用于了可穿着电子产品领域的表面和界面切削分析系统(SAICAS)来测试聚合物基可穿戴设备的机械特性。他们的表面和界面切削分析系统比传统的方法(剥离试验、胶带试验和微腐蚀试验)更加精准,因为它定性和定量地测量了粘合强度。

采用SAICAS测量界面粘合强度(图片来源:KAIST)

洪教授说明道:“这项研究将构建基于界面粘合强度分析的高度轻巧可穿戴设备的商业化。我们的研究为使用织物和聚合物的其他设备的生产工艺和分析奠定了新的基础。我们希望基于织物的可穿戴电子产品很快就能上市。”

关键词

可穿着、织物、生产工艺

参考资料

【1】Jaegyu Kim, Seoungwoo Byun, Sangryun Lee, Jeongjae Ryu, Seongwoo Cho, Chungik Oh, Hongjun Kim, Kwangsoo No, Seunghwa Ryu, Yong Min Lee, Seungbum Hong. Cost-effective and strongly integrated fabric-based wearable piezoelectric energy harvester. Nano Energy, 2020; 75: 104992 DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104992