理大研發高透氣超彈性導電材料 適用於穿戴式電子設備

香港理工大學（理大）研發高透氣及超彈性導電材料，適用於供長時間穿戴的電子設備。此一創新導電材料以塗抹或印刷方法，把液態金屬物料加於以靜電紡絲程序製成的彈性纖維網上，不但透氣度高、彈性強、能導電且導電穩定性高，可廣泛應用於健康監測設備、軟體機械人和貼在皮膚上的電子裝置。本研究項目的結果（“Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics”）（文章連結）已於權威期刊《Nature Materials》上發表。

IDTechEx¹於2016年發表的研究顯示，穿戴式電子產品將會繼智能電話之後，在市場上具有龐大的發展潛力。預計到了2026年，市場總值將超過1500億美元。穿戴式電子設備、貼在皮膚上的電子裝置、軟體機器人和生物電子零件均需採用高彈性的電子裝置和系統部件。然而，現時很多這類部件只能裝嵌在不透氣的彈性厚片上，長時間配戴會引致皮膚敏感、發炎等問題。此外，由於市場上用於電子裝置的材料透氣度低，不適合把具感應功能的裝置植入，然後疊起多層裝置在產品中；因此令可拉展的電子裝置產品在功能增潤方面受到局限。

由理大紡織及服裝學系鄭子劍教授所領導，並由應用物理學系、生物醫學工程學系跨專業科研人員組成的研究團隊，成功研發出新型高透氣、超彈性的導電材料，該導電材料能應用於多功能兼可與生物相容的電子設備。此創新導電材料名為「液態金屬纖維氈」（liquid-metal fibre mat），利用塗抹或打印技術，把液態金屬加於以靜電紡絲製成的彈性纖維網上，再經過拉展程序，懸掛在彈性纖維網之間的液態金屬便會自行形成橫向多孔、縱向彎曲的結構。「液態金屬纖維氈」透氣度極高，並且經拉力測試後仍能維持高彈性和超高導電能力。此外，物料亦具備優良的生物相容性，可直接在人體皮膚上使用。

鄭教授解釋：「我們所選用的液態金屬是通常用於製造可屈曲電路板的低熔點鎵銦合金（EGaIn），並打印在通常用於手套、氣球等橡膠產品的彈性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（poly(styrene-block-butadiene-block-styrene)，SBS）物料上，組合成『液態金屬纖維氈』。之後我們把氈子拉展至18倍，並重覆進行12次，氈子便會自動形成一些小孔，令透氣度大大提高。以測試的樣本為例，我們把0.8mg cm^-2份量EGaIn塗印在320微米厚的SBS纖維物料上，再經拉展程序後，其透氣度提升至每天724gm^-2 ，較日常用的護理膠布（每天31gm^-2 ）高出22倍。樣本亦曾在活體小兔皮膚上進行測試，生物相容的效果理想，並沒有出現任何皮膚敏感的狀況。」

EGaIn 是一種在室溫下仍能保持液態的金屬材料，不但黏性低、導電能力高、毒性低，而且暴露在空氣時，能在表面迅速形成薄薄一層氧化物（Ga₂O₃）。經過拉展程序後，氧化物會出現小孔和彎曲的摺紋，令其變得更具彈性，導電效果更佳。

此外，研究團隊亦利用「液態金屬纖維氈」製成三片分別用以量度心電圖、汗液和溫度的傳感器，並且把它們疊在一起使用。疊起三層後，物料厚度約為一毫米，而三個傳感器均能正常運作，且保持高透氣度。這足以證明此創新的「液態金屬纖維氈」能夠疊起使用，具備多功能且穿戴舒適的優點。

總括而言，「液態金屬纖維氈」是一種高透氣和超彈性的嶄新導電材料，透過把液態金屬塗抹或打印於彈性纖維物料，再經過簡單的拉展程序而製成。即使疊起多層使用，仍能維持高透氣度。此創新導電材料有助開發各種穿戴式電子設備，進一步整合具多項功能的設備，令長時間穿戴更感舒適。

本研究項目主要獲得香江學者計劃與香港研究資助局撥款支持。研究團隊會進一步加強「液態金屬纖維氈」的性能，並開發不同類型的護理電子產品及系統。

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¹ Wearable Technology 2016-2026 report: https://www.idtechex.com/tw/research-report/wearable-technology-2016-2026/483