섬유에 유기 전자 장치를위한 간편하고 확장 가능한 제조 방법

이 패턴 형성 절차의 전반적인 목표는 섬유 위에 유기 전기 활성 물질을 선택적으로 증착하여 의복에 웨어러블 유기 전자 소자를 직접 제작하는 것입니다. 이 방법은 웨어러블 전자 공학 분야의 핵심 질문, 특히 인체와 효율적으로 상호작용하기 위해 전자 소자를 의복과 어떻게 원활하게 통합할 것인가에 대한 답을 제시하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 섬유의 탄성 능력에서 비롯되며, 이를 통해 이러한 섬유를 피부에 밀착시켜 편안하게 착용할 수 있습니다.

먼저 이 방법의 개념에 대해 설명하겠습니다. 당사는 유기 전자 소자를 텍스타일 플랫폼과 비용 효율적이고 산업적으로 확장 가능한 방식으로 결합할 수 있는 비전통적인 방법을 모색했습니다. 이 기술은 일본의 전통 기모노 염색 기법에서 영감을 얻었으며, 이를 현대의 미세 가공 도구와 환경에 맞게 조정하여 적용하였습니다.

절차를 시작하려면, 레이저 커터를 사용하여 미리 설계된 전극 패턴을 125 µm 두께의 폴리아미드 시트에 절단하여 마스크를 형성합니다. 그런 다음, 편직 방향으로 최대 50%까지 신장 가능한 300 µm 두께의 100% 인터록 니트 폴리에스테르 직물 시트를 준비하여 평평한 이동식 표면에 고정합니다. 흄후드 내에서 자동 테이프 캐스팅 도구를 사용하여 폴리아미드 마스크 위에 polydimethylsiloxane 제형을 분당 6 m의 속도로 200 µm의 습식 막 두께로 코팅합니다.

원단을 PDMS가 코팅된 마스크 위에 조심스럽게 올리고, PDMS가 섬유 구조 속으로 흡수되도록 10분 동안 둡니다. PDMS를 100 °C에서 10분 동안 어닐링하거나, 열에 민감한 원단의 경우에는 60 °C에서 20분 동안 어닐링합니다. 흄 후드 내에서 PEDOT:PSS 분산액 80 mL, 에틸렌 글리콜 20 mL, 4-dodecylbenzenesulfonic acid 40 µL, 3-propylmethacrylate 1 mL를 함께 혼합합니다.

그 후 혼합물을 마그네틱 교반기에 올려 교반합니다. 전극 패턴에 cm²당 약 1 mL의 혼합물이 도포되고 색상이 균일해 보일 때까지 마스킹된 패브릭 위에 PEDOT:PSS 혼합물을 브러시로 코팅합니다. PEDOT:PSS의 브러시 코팅 단계가 핵심 단계입니다.

패턴의 면저항은 약 230 ohm square여야 합니다. 폴리아미드 마스크를 제거한 후, 전극 패턴을 110 °C에서 1시간 동안 경화시키거나, 열에 민감한 직물의 경우에는 60 °C에서 2시간 동안 경화시킵니다. 텍스타일 상의 PEDOT:PSS 전극으로 피부 전극을 제작하려면, 먼저 부피 대비 이온 액체 60%, 가교제 35%, 그리고 광개시제 5%로 구성된 겔 혼합물을 준비합니다.

흄 후드 내에서, 전극에 이온 액체를 cm²당 20 µL씩 코팅한 다음, 드롭 캐스팅 방식으로 겔 혼합물을 cm²당 25 µL씩 추가합니다. 코팅된 전극을 365 nm UV 광원에 10~15분 동안 노출시켜 겔을 응고시키고 피부 전극을 형성합니다. 섬유 위의 PEDOT:PSS 전극으로 정전용량형 센서를 제작하려면, 흄 후드 내에서 직물에 PDMS 제형 10 µL를 도포합니다.

스퀴지를 사용하여 PDMS 제형을 전극 위에 고르게 펴 발라 과잉분을 제거합니다. 직물의 내열성에 따라 최대 100 °C에서 최소 10분 동안 PDMS 절연층을 어닐링하여 정전 용량형 센서를 형성합니다. 이 방법을 사용하여 니트 및 직물 텍스타일에 PEDOT:PSS 전극을 패턴화하였습니다.

편직 폴리에스터의 패턴 해상도는 1 mm보다 큽니다. 더 좁은 해상도는 조밀하게 편직되거나 직조된 텍스타일에서 얻을 수 있습니다. 편직 텍스타일에 패턴화된 전극은 추가적인 수정 없이 신축성 센서로 작동합니다.

원단이 늘어날 때 전도성 섬유의 꼬임으로 인해 비저항의 변화가 발생합니다. 유기 전기화학 트랜지스터 어레이를 직조 나일론 리본 위에 패턴화하여, 추가적인 수정 없이 웨어러블 땀 센서를 제작하였습니다. 겔 형태의 이온 액체를 첨가함으로써 전극이 전기 생리학적 모니터링을 위한 웨어러블 피부 전극으로 기능할 수 있게 되었습니다.

대안적으로, 절연 PDMS 층을 추가하여 정전용량형 센서를 제작하였습니다. 전극을 터치하면 정전용량의 변화가 일어나며, 이를 통해 웨어러블 키보드를 제작할 수 있습니다. 밀착되는 직물과 유기 및 연성 전극의 결합은 기존의 고체 상태 전자 장치와 비교하여 인체와의 개선된 통신 채널을 제공합니다.

이 방법은 향후 기존 의류에 스마트 전자 기기를 맞춤형으로 적용할 수 있게 합니다. 하지만 이 기술의 결정적이며 경우에 따라 제약이 되는 요인 중 하나는 재료, 특히 유기 재료의 내구성과 착용 조건입니다.