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科技專案成果

瞄準全球3,000 億智慧衣市場 石墨烯量產新解方,電子織品輕量彈性
發佈日期:2019-03-12
單位:財團法人紡織產業綜合研究所
案例年度:2018
簡介:
紡織產業綜合研究所的傳導紡織品團隊成功研發出新配方,提供業界石墨烯量產穩定、並降低生產汙染的新製程;同時有效結合電子與織品的跨業技術,推動群體作戰的合作平台,邁入讓臺灣競逐前景看漲的全球智慧織品市場。

特色:

獎項名稱:技術成就獎
執行單位:財團法人紡織產業綜合研究所
計畫名稱:先進功能纖維紡織品關鍵技術開發計畫(2/4)-傳導性紡織品技術
資料出處:107年度經濟部技術處法人科專成果表揚成果專輯
 

107年的臺灣精品獎,有4款運用石墨烯技術製成的電子織品,從水壺套、眼罩、貼片到護腕。石墨烯,這項榮獲99年諾貝爾物理獎的重大科學發現,如今透過臺灣業者製成的商用消費品,技術成果垂手可得,傳導紡織品團隊對此技術課題投下的苦功,至關重要。
 

說起石墨烯,自從英國曼徹斯特大學2 位俄籍科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov,在自然界發現穩定存在的單層石墨烯、獲得諾貝爾獎物理獎後,其相關應用技術與產品開發,便進入如火如荼的階段。
 

石墨烯雖具優異的特性,迄今的商業應用並不多。除了成本考量外,主要原因是石墨烯具有非常大的比表面積及強大的凡得瓦力;若沒有做好石墨烯的分散,會造成再次團聚,無法顯現其優異性能。
 

再者,目前業界慣用以化學氧化還原製程,來進行石墨烯粉體的量產,但會產生高汙染、高成本與品質不佳的問題,亟欲尋求新解方。
 

新配方新製程,量產穩定汙染低
 

紡織所從105 年啟動的傳導性紡織品技術開發計畫中,就指向「可量產的石墨烯粉體原料」、與「具彈性的電子級印刷電路織物」兩大目標,顯露臺灣不會在世界織品科技潮流缺席的意向。
 

傳導紡織品團隊在計畫初期,曾經先把開發出的石墨烯粉體給下游廠商評估,卻因石墨烯粉體凝聚、無法發揮石墨烯應有效能,而吃了閉門羹。於是,研發團隊重新鎖定問題點,投入石墨烯懸浮液分散技術的解決方案。
 

經過多次試驗,終於掌握最佳配方-透過介面活性劑、穩定劑與溶劑配方組合的分散系統,成功發展出具備良好分散性及高固含量的石墨烯懸浮液。其固含量高達20wt%,並建立酯、苯、酮、醇及水等五種溶劑分散系統,未來可透過高固含量的懸浮液技術,快速導入產業界的應用。
 

傳導紡織品團隊開發出全球第一套採用連續式剝離分流法、且具量產能力的石墨烯粉體技術,並將成果移轉給國內廠商(誌陽、旭景),技轉金額超過2,000萬。這套製程無需高壓/高溫/廢水產生,單一產線年產量達150噸以上,大幅減少環境危害、提高人員操作安全,並降低生產成本。
 

目前,投入生產石墨烯成品的業者超過10家,在紡織界的應用廣布於下列領域:散熱纖維、散熱織物、電熱織物、電熱薄膜、織物電路、電磁波遮蔽織物等。此外,紡織所亦媒合促成合資新事業-宇興碳素(由和友紡織、德春聯合成立),專注石墨烯應用產品的開發。
 

石墨烯量產技術

▲ 石墨烯量產技術
 

電子織品熱,跨業平台促成供應鏈
 

另一方面,傳導紡織品團隊面向「電子紡織品(e-textiles)」的新興潮流,也投入資源,發展低電阻電子級織物的電路技術。
 

依據IDTechEx 預估,115年全球電子紡織品市場規模將達32.6億美元,其中所需的傳導材料無疑是當今需求廣泛的關鍵材料。但國內廠商對於自主開發傳導材料的能力尚不足,造成製程成本過高、無法進一步提升應用性能等問題。
 

有鑒於此,本計畫的另一項任務即為-傳導材料的開發及製造技術。研發團隊以發展電子與紡織材料元件的模組與系統整合為目標,提供了輕量、柔軟的隨身訊號感測、電流傳導、電磁波屏蔽等解決方案,期望為臺灣產業提供差異性高值化轉型與升級的新契機。
 

目前,傳導團隊的研發成果也透過專利授權給萬九公司進軍智慧穿戴市場、協助三司達公司開創自有品牌、輔導三芳化工投入光顯智慧鞋材開發等。
 

另一方面,由於電子紡織品的技術,橫跨電子、資訊與紡織等產業,計畫初期面對不同領域的專業知識與執行模式,目標業者的接受度和自信度不足;加上投資新技術研發的保守態度,一度造成計畫推廣的遲滯不前。
 

傳導紡織品團隊為了突破僵局,毅然承擔起領頭的角色:先以產品原型開發,申請多篇專利進行佈局保護;繼而成立跨產業的交流平台-臺灣智慧型紡織品聯盟(tsta),想方設法消弭跨產業的溝通誤解,終於具體促成多個跨領域的產銷供應鏈。
 

LED光顯服飾

▲ LED光顯服飾
 

石磨烯粉體SEM圖

▲ 石磨烯粉體SEM圖
 

技術共享開新局,快速打樣客製強
 

傳導紡織品團隊整合電子與紡織跨界的努力,可謂是臺灣電子紡織品由單打獨鬥、走向技術共享的轉捩點。
 

研發團隊表示:「我們藉由異業整合二者的關鍵技術能量,研究出微細化線路布局平台技術,可精細地融於服飾,讓消費者易於接受。最後得以成功發展出可撓曲、耐水洗、有彈性的軟性電子級印刷電路織物技術。」
 

目前,這些技術成果運用於雛量型LED織物電路自動接著封裝系統,形成一具備柔軟性且耐水洗性能力的織物顯示屏幕,解決以往電子紡織品不耐拉伸、不耐水洗的問題。該方案不但可提升生產良率與品質穩定度,其打樣系統還能快速滿足客製產品的開發需求,有助於強化業者在電子化紡織品的競爭力。
 

從成功開發石墨烯懸浮液製程,到彈性電子級印刷電路織物的問世,紡織所傳導紡織品團隊在引領電子紡織品的研發腳步,穩健交出成績單。
 

非僅如此,紡織所更極力推動「臺灣智慧型紡織品聯盟(tsta)」的平台,目前約有40家不同領域業者加入聯盟,希望透過該聯盟運作,加速國內智慧紡織品開發與產業發展,搶攻全球智慧衣3,000億市場。
 

研發團隊合影

▲ 研發團隊合影
 

【專家推薦】
 

  1. 紡織所在"先進功能纖維紡織品關鍵技術開發計畫-傳導性紡織品技術"中,突破我國在紡織原材料及高值化市場上的發展缺口,努力將臺灣最強項之電子產業及化工材料業界與紡織相結合,首創LED紗線、電子級印刷電路織物、連續式石墨烯剝離分流技術及其導電應用...等。建立化工材料、纖維紡織、跨領域應用等關聯產業合縱連橫之一條龍價值鏈體系,藉以積極帶動產業結構轉型、附加價值及國際競爭力提升。
     
  2. 計畫具體成果如下:
     

(1) 建立國內未來發展智慧紡織品重要之自主關鍵石墨烯材料量產技術,並發展多項光電紡織品創新應用技術。技術輔導國內產業轉型升級,輔導至少11家企業,投入傳導材料生產並應用於智慧穿戴紡織品新興市場。
 

(2) 推動紡織、機電、資訊等跨領域業者成立「臺灣智慧型紡織品聯盟/協會」,形成新興產業平台,預估將帶動>10億元的產業投資及衍生產值。
 

(3) 領先全球首創「連續式石墨烯剝離分流技術」並具環保特性,提供未來石墨烯相關衍生應用所需之高品質薄層石墨烯半成品原料,單一產線年產量達150 噸以上。可大幅降低石墨烯材料成本,並有效減少生產時廢水排放對環境的危害。新創宇興碳素公司,應用於宇興、旭景、誌陽、喬統、法台化學、和友、長興化工、大立高分子、銀荷光電等公司,提升新競爭力。


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