發佈日期:2016-05-23

智慧織物技術佈局趨勢分析

作者:賴明豐

專利資訊智慧織物穿戴式裝置專利分析Smart TextilesWearable DevicesPatent Analysis

▶【延伸閱讀 | STPI 電子書城】各國專利趨勢與優勢總體分析

文章圖片所有權:https://flic.kr/p/4ykgcB,Created by Steamtalks Steamtalks
版權適用聲明:姓名標示-非商業用途

智慧織物(smart textiles)就是指紡織材料整合了「電子元件紡織化」的創新技術(沈乾龍,2013),讓織物本身能夠感知來自外部環境的刺激或變化,從而作出相應的反應以滿足穿戴者所期待的互動機能,包含身體訊號的擷取,或是藉由織物對電、熱或壓力信號作出反應,甚至制冷或制熱。近幾年有愈來愈多研發人員開始試著利用高分子、纖維等材料,模仿人類的中樞神經或是電腦的自控系統,試圖藉著智慧材料讓紡織品與通訊、資訊處理、醫療、偵測等功能做結合,可以說是高科技與傳統紡織技術有效結合的產物,市場前景亮麗可期,在服裝、建築、軍事等方面都有不可小覷的應用潛力。顧能公司(Gartner)就認為智慧衣將是未來成長最快速的穿戴式裝置,並預測2020年全球營業額將會接近50億美元之譜(鄧寧,2015)。

以穿戴為基礎概念的服飾角度來看,由於極細緻的電線在織物中傳輸,訊號容易受到干擾,因此織布過程得加入導電性纖維,並借重特殊材料的特性與創新織法,才能讓感測器與電子元件「消失在紡織物」裡面完全看不見(林昕潔,2015;DIGITIMES企劃,2014)。這種能夠貼身感測的導電纖維材料是研製生理量測智慧衣的一大重點。目前研發方向有讓紡織品反應有毒物質或氣體、溫度、心律、脈衝、壓力、位移、呼吸或是利用導電性材料整合電腦、通訊等系統來傳達及處理資訊。另外,還有利用自潔、溫濕度調節、防護和保健等等概念,來改善服裝的舒適性和適應範圍。

然而,目前各方布局智慧織物技術的態勢究竟如何呢?以美國市場來看(如圖一(a)),市場布局力道從2011年開始出現明顯驟增的趨勢。而且,從技術生命週期分析的結果來看(如圖一(b)所示),這類議題可以說仍然處於發展期是布局專利的熱門方向,不論廠商數量或是專利申請數量都還在不斷增加中。而2015年出現的減少趨勢可能是因為許多申請中專利仍處於審查階段還未公開故無法在USPTO線上資料中檢索到相關內容。

圖一 智慧織物技術歷年專利布局趨勢分析(以申請日做為計量基礎)
資料來源:USPTO線上專利資料庫,最後檢索時間為2016年1月20日

進一步將專利權人資訊正規化處理之後發現,入場布局的專利權人數(含個人申請)有301個。很明顯,這類技術的研發工作處於百家爭鳴的態勢,即便是專利量最多的NPE廠商ELWHA LLC也不過54件(佔10.21%,如圖二所示),其次是KONINKL PHILIPS ELECTRONICS NV與SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD。而最早入場佈局的廠商是GEN PRINTING INK CORP1 ,其研發重點是放在如何強化織物的拉伸強度與防水性功能上,而織物本身是一種具扁平帶狀纖維(flat fiber strip)的纖維混合物(with lignocellulosic material)並在其表面加入含氧有機化合物(O-containing organic compound)後再進行絲光或鹼劑的處理程序(mercerizing or alkaline treatment)。從國家別來看,美國專利權人的數量最多(有190個),其次是英國與加拿大(如圖三所示);若是從專利數來看,也是美國最具優勢,掌握的專利量有352件(佔了66.54%),其次是英國(26件)與南韓(23件)。台灣也有三個專利權人掌握相關技術,包括工研院2、南緯實業3,以及逢甲大學4

圖二 擁有專利數量三件以上的專利權人(含個人)

圖三 各國入場布局智慧織物的專利權人數

由前面的分析可以瞭解到,早年所謂的智慧織物主要是指高機能性紡織品,強調的是能夠產出新機能的新素材。所以經常是先有相關的纖維機能技術之後再尋找新機能性應用。其中,所謂的機能性則是指包括像是抗撕拉、抗起毬、富彈性、免熨燙、抗靜電、抗菌消臭,到吸溼排汗、抗紫外線、遠紅外線、抗電磁波、防蚊、維他命保溼、負離子等等包羅萬象(呂景瑗,2013)。然而,時勢所趨,現代人對於織物的機能性設計已經轉變成先瞭解人的需求,然後再賦予適當的機能設計。如此一來,設計出來的產品才會符合消費市場的期待。

因此,對於智慧織物機能的設計必須能夠關連到消費者本身的需求及其生活的週遭環境,例如休閒運動上的需求、安全防護上的需求,或是醫療保健上的需求等等。尤其,在整合了電子元件紡織化的創新技術之後,市場上對於高機能性織物的期待已經演進到能夠模仿大腦類神經系統一樣,讓服飾能主動偵測、接收或發送各式音訊、視訊,甚至波長訊號等,讓智慧織物從「組合」眾多機能的概念,轉變進化到織物機能與電子元件技術間的「融合」(沈乾龍,2013),包含內在身體訊號的偵測擷取、外在環境變化的提醒、外在資訊的饋入與整合分析等等機能,使用的技術也出現大轉變,包含像是以金屬化纖維取代漆包線、以針織紋路取代電子迴路、以織物電池取代固形電池等整合科技相繼出現,讓原本傳統有的纖維機能技術成功融合類微處理技術的運作機制,使高機能織物成為能自主感知來自外部環境的刺激或變化,從而作出相應的反應以滿足穿戴者所期待的互動機能的主動性智慧織品,也意味著傳統高機能性織物已經升級成為智慧織物,穿上身便能隨時掌握身體訊號。

這樣的轉變從本文檢索出來的智慧織物相關專利涉及的技術方向就能看出端倪。這些專利的三階CPC多達225種,其中以G類最多(物理),其次是H類(電學)、Y類(新興技術或待分派項目)與A類(人類生活需要)。反而原來屬於紡織類的技術(例如D類)變得不是那麼顯著。專利量最多的研發方向是「電子數位資料處理(G06F)」(如圖四所示),其次才是「其他硬體或裝置(Y10T)」與「診斷;外科;鑑定(A61B)」。

圖四 專利量在10件以上的CPC三階分類

進一步以技術生命週期分析的結果將智慧織物在技術方向上的發展趨勢分為三個時期,包括2002年以前、2003~2010年,以及2011年之後,以便觀察不同三階CPC開始出現的時間點(如表一整理)。這類相關的織物技術是從2002年以前就開始出現,2003年之後涉及的應用範圍與技術面向愈來愈廣。而「機械工程;照明;供熱;武器;爆破(F)」類應用則是2011年之後才有。其中又以F21V類技術的專利最多,相關應用包括照明裝置或其系統之功能特性或零部件(例如遮光屏、濾光器、更換光源的裝置,以及支撐、懸掛或連接裝置等等)。

整體來看,專利量成長幅度最大的是「電學(H)」(平均成長2.055倍),其次才是「新興及或待分派項目(Y)」(平均成長1.426倍)與「紡織;造紙(D)」(平均成長將近1倍)。在H類技術中,專利量成長最多的是H01L、H04L與H04W;Y類技術Y10T、Y10S與Y02E;D類技術則是D10B、D03D與D06M。其他像A類技術中,專利成長最多的是A61B、A47G與A41D;B類技術是B82Y、B01D與B05D;G類技術則是G06Q、G06F與G06K。而「化學;冶金;組合化學(C)」類的專利量則開始出現些微減少的趨勢(平均成長率為-1.1%),只有C08L、C08K與C09D有明顯的增加趨勢。

表一 各類技術方向在不同時期中開始出現的狀況

註:灰底紅字項目為該類技術中歷年專利量成長率最多的前三項技術。

從前面的分析結果可以知道,智慧織物仍是各家廠商布局專利的重點領域之一,不論是加入研發行列的專利權人數或專利量都在陸續增加中。整個市場在智慧織物技術上的布局態勢已經逐漸偏向「電學(H)」領域靠攏,包括像是「半導體裝置(H01L)」、「數位資訊之傳輸(H04L)」與「無線通訊網路(H04W)」等等都近三年廠商佈局的熱門項目;另外,如何將相關技術應用到「診斷;外科;鑑定(A61B)」也是2011年之後市場布局專利的熱門方向,光是第三個時期的專利數量就成長超過八倍,值得國內廠商關注並構思將智慧織物應用在這類領域中的可能機會。

而且,市場中還沒有出現掌握絕對優勢的廠商,其中專利量最多的ELWHA LLC也僅佔全部專利的10%左右,由此可見這個技術市場仍然處於百家爭鳴的競爭態勢,說明國內廠商仍有很大的發展機會,例如持續加強導電纖物材料技術上的布局或是規劃在不同應用情境下感測技術的設計與運作機制等等。以ELWHA LLC來看,在技術佈局上與2013年已有明顯的變化(如圖五所示),2014年的布局重點明顯偏重在「電子數位資料處理(G06F)」這塊技術議題上。

圖五 ELWHA LLC公司歷年CPC佈局變化狀況

事實上,目前全球已有許多研發團隊相繼投入智慧衣的研究,包含美國、韓國等,歐盟更是透過ICT FP6計畫結合各會員國的產官學單位重金支持相關研發(邱創乾等人,2012)。台灣運動機能布料市佔率高達七成,紡織產業世界聞名,更是全球紡織業的研發重鎮(游筱燕,2015)。由此可知,台灣不僅在布料研發上具國際競爭力,同時又有資訊電子產業,相信兩者結合將更有競爭力。政府必須正視這股由穿戴式裝置帶起來的智慧衣風潮,儘快整合產學研機構蘊涵的研發能量,加快對智慧織物相關技術與產品的布局腳步,很有機會在紡織與資訊電子兩強結合下,把整個紡織產業帶動起來,在全球市場上發光發熱。

註1:US2372713, GEN PRINTING INK CORP, Fibrous product and method of making the same. 優先權日期:1943年7月3日

註2:US9058735, IND TECH RES INST, Method and system for detecting conditions of drivers, and electronic apparatus thereof. 優先權日期:2013/09/04

註3:US20120069486, TEX RAY IND CO LTD, Fabric connector for sensing object proximity. 優先權日期:2009年6月8日

註4:US20110125064, UNIV FENG CHIA, Smart clothing for motion physiological measurement and dynamical stable apparatus thereof. 優先權日期:2009年11月20日

參考文獻

  1. TechNews (2015/09/11),穿戴裝置向前邁進的重要一哩路:超級電容織物。TechNews科技新報。http://technews.tw/2015/09/11/wearable-computer-all-foldable-fabric-ultra-capacitor/。
  2. 呂景瑗(2013),穿著的科技:機能性紡織品。科學發展,第487期,第24-29頁。
  3. 沈乾龍 (2013/07),智慧型紡織品。科學發展,第487期。
  4. 林昕潔 (2015/10/05),《紡織TIFE》秀USB織物排線,實現網聯智慧服飾。MoneyDJ。http://www.moneydj.com/KMDJ/News/NewsViewer.aspx?a=8e64106e-bb58-4b7c-8420-a1f64500b67e。
  5. 邱創乾、藍振晏、石天威與謝靜玟(2013),纖維紡織:未來服飾-智慧衣。科學發展,第470期,第10-14頁。
  6. 游筱燕(2015),台灣紡織業聯手科技業 搶進千億新商機 智慧衣紅了。財訊,第490期。
  7. 鄧寧(2015),英特爾點名智慧衣 台廠贏在起跑點。今周刊,第985期。