Умный текстиль — это функциональный материал, который активно взаимодействует с окружающей средой, т.е. реагирует или адаптируется к изменениям в ней, является быстрорастущей областью исследований. Наиболее потенциальными областями применения являются спорт и благополучие, медицина, гигиена труда, профессиональная и рабочая одежда — там, куда могут быть интегрированы носимые смарт-устройства. Эффективный источник питания необходим для удобства использования носимых устройств. В настоящее время большинство коммерческих решений e-textile используют съёмные и перезаряжаемые или одноразовые батареи в качестве источников энергии.
Однако батареи воспринимаются, как невыгодные для удобства использования носимых устройств — особенно в вещах, служащих для безопасности и защиты (например, защитные куртки для пожарных со встроенной светодиодной подсветкой, видеокамерой и маячками местоположения). Угроза повреждения элемента питания или необходимость замены батареи или перезарядки может восприниматься как риск безопасности, когда устройство становится бесполезным без энергии. Коммерческое решение на основе встроенных в текстиль солнечных элементов может обеспечить полностью автономное применение, которое использует возобновляемые источники энергии для непрерывного производства и аккумуляции собственного электричества.
Практические проблемы встроенных в текстиль солнечных элементов достигают своей кульминации в двух аспектах: интеграция солнечных элементов в текстиль, а также долговечность при использовании и уходе, и на данном этапе, в нескольких циклах стирки в стиральной машине. При модернизации изделий до уровня электронного текстиля все электронные компоненты, интегрированные в ткань, такие как солнечные элементы, должны соответствовать требованиям, предъявляемым к одежде или текстильным изделиям — сгибаться, растягиваться и иметь стойкость к стирке в стиральной машине (пусть даже только в деликатном режиме). Тканая материя является естественной платформой для носимых устройств из-за её мягких, гибких, лёгких, воздухопроницаемых, эластичных и растяжимых характеристик, которые адаптируются к формам и движениям человеческого тела. Вещи для применения в экстремальных условиях должны выдерживать грубое обращение, складывание, изгибание, обработку, а также широкий спектр условий окружающей среды и погодных условий. Более того, одежда должна выдерживать хранение и плотную упаковку в течение длительного времени, падение на пол, воздействие солнечного света, химикатов и самой стрессовой стирки.
Текстильные изделия с интегрированными солнечными элементами появились в 2010-х годах. Солнечные элементы использовались в сумках, палатках и шлемах для выработки электроэнергии для носимых устройств. Однако они, просто прикреплённые к ткани, видны и покрывают большую площадь поверхности, что ограничивает их возможности дизайна и делает их подверженными физическому повреждению при использовании. Встраивание солнечных элементов в ткань обеспечит эстетические преимущества, но их низкое покрытие поверхности резко снижает выходную мощность на единицу площади, к тому же полосы солнечных элементов легко различимы и громоздки. Коммерческие солнечные элементы компактны, эффективны, легки и недороги, а, следовательно, их текущие свойства делают их привлекательными альтернативами для питания носимых устройств. Как жёсткие, так и гибкие солнечные модули доступны в широком диапазоне размеров, что обеспечивает универсальность для различных применений и долговечность в различных внешних условиях. Относительно небольшие солнечные элементы могут генерировать достаточно энергии из окружающего света в помещении или на улице для использования в носимых датчиках. Снижение эффективности преобразования энергии, вызванное наличием ткани сверху, можно компенсировать за счёт увеличения площади поверхности солнечного элемента.
Но развитие технологий не стоит на месте — с помощью инкапсуляции в нить можно реализовать моющуюся электронную текстильную систему. Например, инкапсуляция слоем термопластичного полиуретана (ТПУ) улучшает устойчивость к стирке антенн в хлопчатобумажной ткани, напечатанных методом трафаретной печати. Промышленность уже продемонстрировала, что инкапсуляция улучшает устойчивость к стирке электропроводящих покрытий на текстильных изделиях с барьерами на основе ТПУ и латекса. Улучшена также устойчивость к многократной стирке полимерных солнечных элементов на текстильной основе с помощью композитов оксида кремния. Однако в большинстве современных решений инкапсуляция не используется, а в продукцию интегрируют съёмный корпус для электроники, состоящий из сменных батарей и печатной платы. Хотя внедрение на постоянной основе полной электронной системы, включая печатную плату, кабели, датчики и накопители энергии, возможна путём включения солнечных элементов в качестве источника энергии в ту же инкапсулированную систему.
При хорошей фабричной текстильной инкапсуляции трикотажные полотна и другие гибкие и растягивающиеся ткани обеспечивают мягкость, хорошую посадку, а также гладкий и аккуратный внешний вид встроенной в одежду электроники. А текстильная герметизация защищает модули солнечных батарей от механических воздействий во время использования и стирки, а также обеспечивает эстетическую визуальную маскировку. Более того, ламинирование ячейки между двумя слоями ткани гарантирует стабильное положение и размещение в конечном изделии, что влияет на надёжность изделия.
В зависимости от применения, электронные текстильные изделия напрямую подвергаются воздействию кожи человека (пот, жир и косметика), а также веществ окружающей среды (пыль, пары, дым, влага, грязь и бактерии). Поэтому они требуют регулярной и комплексной стирки. Этот процесс, как правило, подразумевает повторяющуюся процедуру стирки в автоматической (домашней) стиральной машине, где всегда задействованы вода, температура, время процесса, моющее средство и механическое напряжение, вызванное вращением барабана (800–1600 об/мин). Но такая машинная стирка редко принимается во внимание при проведении тестов, а то, что исследователи подразумевают под «стиркой», варьируется от одного исследования к другому. Иногда эти термины включают ультразвуковую очистку, которая типична для медицинских гаджетов или один цикл в стиральной машине (в холодной воде без моющего средства с программами продолжительностью 10 и 40 минут. Зарегистрированы даже случаи тестовых «испытаний», когда изделие подвергалось четырёхкратному ручному полосканию по 5 минут в холодной воде. Но современные технологии уже продвинулись так далеко, что некоторые серьёзные производители кардинально сменили цикл испытаний — вместо погружения изделия в воду на пару минут, они провели испытания на стойкость к стирке электронных тканей, используя даже сильные отбеливатели вместо слишком бережного обращения.
Сейчас производителями обсуждается возможность многократной стирки при самых жёстких промышленных режимах текстильных компонентов, таких как электронных нитей со встроенными проводящими медными проводами, датчиков температуры и светодиодов, подключённых к гибкой схеме, миниатюрных солнечных элементов, датчиков давления, фотодиодов, растягивающихся печатных плат, оптоэлектронных модулей с полимерными солнечными батареями, антенн и даже более сложных композитных электронных систем. С точки зрения текстильной промышленности эти тесты могут быть пригодны для прогнозирования прочности к механическим нагрузкам и водонепроницаемости отдельных электронных компонентов или сенсорных материалов. Но единый стандарт испытаний для такого рода изделий пока так и не разработан.
Существует несколько типов кремниевых солнечных элементов, включая монокристаллические, поликристаллические и аморфные. Монокристаллические показывают высокую эффективность в условиях наружного применения благодаря широкому спектру поглощения и долговечности в суровых условиях. Их обычно ставят на специальных площадках, крышах домов и дата-центров. Однако они, как правило, производятся только в виде жёстких панелей, из-за их толстых поглощающих областей. Поликристаллические демонстрируют более низкую эффективность при меньшей стоимости, при этом всё ещё требуя толстых поглотителей. В качестве альтернативы, аморфные элементы могут быть изготовлены в виде гибких тонких плёнок благодаря их высокому поглощению, что делает их пригодными для интеграции в широкий спектр продукции. Однако для сбора того же количества энергии им требуются значительно большие площади поверхности.
Один из методов инкапсуляция горячим расплавом в материалы, традиционно используемые в спортивной и профессиональной одежде был внедрён для ламинирования солнечных модулей внутри выбранных тканей. Все протестированные ткани имели гидрофобные свойства, были функциональными с превосходными механическими свойствами, высокой устойчивостью к истиранию и высокой прочностью на разрыв. Изначально, для изготовления образцов, были выбраны материалы из полиамида (PA) или полиэстера (PES) с водонепроницаемым полиуретановым (PU) покрытием или без него, а также х/б и два вида трикотажа. Поскольку водонепроницаемые термоплавкие клеевые плёнки предотвращают ненужное проникновение воды и моющих средств через ткань к солнечному элементу, то их стойкость к стирке оказалась вполне удовлетворительной. Текстильный чехол защищает солнечный элемент от механических нагрузок (истирания, ударов и т. д.) во время стирки и ношения его в качестве одежды. Инкапсуляция также надёжно фиксирует модуль солнечного элемента в правильном положении и ориентации одежды. Эластичная клеевая плёнка была изготовлена из ТПУ и имела толщину 2 микрона. Но процесс требует оптимизации параметров процесса ламинирования в соответствии с конструкцией и материалами текстильного полотна.
Цвет ткани влияет на способность аккумулировать энергию, поскольку он влияет на пропускание света через ткань; однако цвет не имеет никакого отношения к прочности стирки текстильного модуля солнечной батареи. Выбранные цвета были обычными, как для уличной, так и для профессиональной одежды. Изменение остаточной мощности обусловлено различной оптической пропускаемостью, которая зависит от их свойств, таких как химический состав, толщина, плотность и цвет.
Способность солнечных элементов, интегрированных в текстиль, к сбору энергии в среднем оставалась практически неизменной в течение всего испытания на стирку: средняя потеря мощности составила всего 11% после 50 стирок. Фактически, большинство образцов сохраняли свою плотность мощности в пределах примерно ± 10% с колебаниями вверх и вниз относительно начального значения. При визуальном наблюдении при дневном свете, проникающем через окно, было обнаружено лишь небольшое изменение цвета, но не было обнаружено значительного разрыва волокон на поверхности тканей. Изменения цвета зависят от свойств ткани, а не от структуры текстильно-ячеечного модуля. Расслоения структуры модуля также не произошло. Хотя относительная потеря мощности из-за текстильной инкапсуляции на первый взгляд может показаться большой, собранной энергии, тем не менее, достаточно для работы нескольких устройств, таких как маломощные носимые датчики.
В заключении, можно констатировать, что используемый метод инкапсуляции горячим расплавом является эффективным, масштабируемым и индустриализированным методом, который надёжно, долговечно фиксирует положение и ориентацию ячеек в конечном текстильном изделии. В этом процессе слои ламинируются в один или несколько этапов при высокой температуре (120–140 °C) и давлении (2–3 бар) в течение определённого времени (20–30 с). В зависимости от области применения интеграция может выполняться для раскроенных деталей перед их сшиванием в изделие или в готовое текстильное изделие, как конечный этап производства. Метод может быть надёжно применён к различным типам тканей, что делает его пригодным для широкого спектра использования в спортивной, туристической, медицинской и профессиональной одежде.
