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半导体行业观察目前穿戴式设备的流行程度尚不及智能手机，但随着技术进步，势必更加普及，拥有相当大的市场潜能。而穿戴式设备的未来，就在于摆脱手机附属品或第二屏幕的定位，另辟蹊径建立其杀手级应用。“三建产业资讯”（SumKen）特邀大阪府立大学电子物理工学研究科博士竹井邦晴，分享纳米材料如何应用在柔性感应器上，开创次世代穿戴式设备，并就其相关优缺点及面临的考验提出讨论。
以柔克刚，以量取胜
现今市场上穿戴式设备仍以智能手表为主流，辅以先前的 Google Glass 等头戴式显示器与监测身体机能的各种感测器，但这些都是硬性设备，难以真正跳脱目前移动智能设备的窠臼。竹井邦晴认为，未来的穿戴式设备应该要以“柔性”为目标，即使弯折也不会坏，如衣物般服贴地穿在身上，并且多为“一次性使用”的低价产品，才能在应用上做出区隔。而若能在柔性基板上通过印刷技术等便宜的制程来生产的话，便能满足以上需求。
无机 vs 有机
为了实现柔性设备，半导体材料的选用至为关键。无机半导体材料电子移动度高，是有机材料的 10~1,000 倍，可低电压驱动；在空气及水中都较为安定，能进行任何动作；并且已经有利用矽制程集成化的技术。然而缺点在于用结晶成长技术制作几乎不可能实现大面积与低价格，且材料坚硬不适合用在柔性设备。
至于有机半导体材料，不但材质柔软，还可适用于印刷技术，能大面积低价格量产。但缺点则是电子移动度低，必须用高电压驱动；且在空气及水中都不安定，如何改善动作将是重要课题。
竹井邦晴建议，透过将无机材料“纳米化”，可以改善僵硬并缺乏机械柔柔性的问题。利用纳米碳管（CNT）电子移动度高、安定性佳、可大量合成的特点，能够制作出性能优异的复合材料。由于纳米材料主要带有负电荷，经由带正电荷的单分子层修饰基板的表面，可实现纳米材料的高密度转印。
像是测量形变的感测器，便是将 CNT 及银纳米粒子的油墨混合印刷，借由纳米粒子间的电阻变化侦测形变量。而测量温度的感测器，则是将 CNT 与 PEDOT: PSS 油墨混合，透过两者界面的电子跃迁（温度升高，电子跃迁数增加，电阻值下降），能测出温度变化。
应用场合百百种，但离量产尚远
利用以上技术，能够制造出测量触觉、摩擦及温度的“电子皮肤”；或是能侦测人体心跳、血糖及含氧量并自动注射药液的“智能 OK 绷”。若是加上无线传输，还能将检测数据记录至手机或云端。此外，像是装设在小型救灾机器人上的“电子触须”，能让机器人穿梭在灾害现场障碍物空隙间，扫描获取情报。而若是能达成大面积轻量化，最实际的应用是设置在交通工具或建筑物上，检测有无形变发生，以预防大型事故。但竹内邦晴也表示，结合无机与纳米材料制成的柔性设备，目前大多然在实验室及理论阶段，例如电力与无线传输的问题便尚未解决。在未看到明显实际效益前，日本政府及企业仍不愿意投入资金协助大学研发，倒是韩国三星及美国多家企业已自组团队积极展开研发，势必会在这一领域掌握先机。
（首图来源：《科技新报》摄）
延伸阅读：
- 像衣服一样，日本发明电子皮肤
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