오랫동안 편직물에 유기 전도체를 직접 패턴화

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15003(2015) 이 기사 인용

7226 액세스

133 인용

8 알트메트릭

측정항목 세부정보

웨어러블 센서는 헬스케어의 핵심 기술 도구가 될 가능성이 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있습니다. 이러한 잠재력을 실현하려면 고성능을 부여하는 새로운 전기 활성 재료를 직물과 통합해야 합니다. 여기에서는 직물에 전도성 폴리머를 패턴화할 수 있는 간단하고 신뢰할 수 있는 기술을 제시합니다. 이 기술을 사용하여 제작된 전극은 인간 피부와의 낮은 임피던스 접촉을 보여주었으며, 휴식 중에도 고품질 심전도를 기록하고 착용자가 움직일 때에도 심박수를 측정할 수 있었습니다. 이 연구는 인간의 건강 모니터링을 위한 눈에 띄지 않는 전기생리학 센서를 향한 길을 열어줍니다.

섬유 기반 건강 모니터링 장치는 혈압7, 심장 박동5,6과 같은 매개변수를 모니터링하는 데 사용되는 소비자 및 의료 애플리케이션1,2,3,4,5,6에서 큰 관심을 받고 있습니다. 생의학 기기용 기재로서 직물의 주요 장점은 비침습적 방식으로 인체와 등각 접촉을 확립하고 유지한다는 사실에서 비롯됩니다1,2,3. 실제로 센서가 장착된 셔츠1,4, 장갑8 및 손목 밴드3가 이 기술의 잠재력을 입증하는 데 사용되었습니다. 심장의 작은 전기 생리학적 신호를 정확하게 감지하는 데 필요한 등각 피부 접촉을 직물이 부여할 수 있는 심전도(ECG) 전극 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다4,5,9,10. 웨어러블 ECG 전극은 위험에 처한 사람들의 원격 모니터링을 가능하게 하고, 심장 질환의 시작을 알리고, 운동 중 신체 활동을 모니터링하는 데 도움을 줍니다11. 피부 전극에 대한 큰 관심에도 불구하고 신축성 있는 직물에 전도성 물질을 패턴화하는 것은 3차원적 특성으로 인해 방해를 받아 기존의 패턴화 공정을 적용하기가 어렵습니다1,12,13,14. 패턴 전사 기술의 선택은 직물의 유형과 구조에 따라 결정됩니다. 직물과 부직포의 실은 촘촘한 그물망으로 얽혀 있어 매우 편평하지만 대부분 신축성이 없는 구조를 갖게 됩니다15. 니트 직물의 섬유는 디자인을 변경하는 니트에 기계적인 힘을 가함으로써 변형될 수 있는 뱀 모양으로 조립됩니다. 이러한 파형 섬유는 기계적 스프링 디자인을 모방하여 모양이 변할 때 직물에 상당한 저항력을 제공합니다. 일반적으로 직접 패턴 전사는 얇은 직조 및 부직포에 수행할 수 있으며, 자수 및 편직은 두껍고 구조화된 직물에 패턴을 적용하는 데 사용됩니다.

미세 접촉, 잉크젯 및 스크린 인쇄는 직물에 전도성 패턴을 만드는 데 사용할 수 있습니다16,12. 따라서 두꺼운 편직물에 이러한 기술을 사용하여 패턴을 제어하여 전사하는 것이 방해받을 수 있습니다. 전도성 물질은 편직 구조의 표면뿐만 아니라 내부에도 코팅되어 기계적 변형 중에 실 사이에 지속적인 접촉을 제공해야 합니다. 마이크로 접촉 및 잉크젯 인쇄는 한 번에 소량의 잉크가 전사될 수 있기 때문에 일반적으로 얇은 직물에 수행되는 직접 패턴 전사를 가능하게 합니다. 코팅은 직물의 최상층에서만 발생하지만 패턴 전도성은 신축성에도 유지됩니다. 스크린 인쇄에서는 잉크(즉, 은 페이스트)의 퍼짐을 줄이고 공간 해상도를 향상시키기 위해 첨가제가 사용됩니다17,18. 잉크젯 인쇄 잉크의 점도는 인쇄 가능성을 위해 설계되어야 합니다19. 결과적으로 스크린 인쇄와 잉크젯 인쇄 모두에서 잉크 최적화는 최종 전도성에 부정적인 영향을 미칩니다.

자수와 편직은 개별 섬유를 사용하고 이어서 섬유 구조에 도입하는 것으로 구성됩니다14,20,21,22. 얇은 스테인레스 스틸, 구리 또는 기타 금속 와이어를 사용하여 직물에 전도성 패턴을 자수로 꿰맬 수 있습니다. 패턴을 만드는 과정에서 많은 양의 와이어가 필요합니다. 일반적으로 이러한 기술은 센서와 출력 전자 시스템 간의 상호 연결을 생성하기 위해 섬유 산업에 크게 통합됩니다. 또한 유기 전자 재료는 다이 코팅을 통해 적용할 수도 있습니다. 다이 코팅에서는 섬유가 전도성 물질로 채워진 노즐을 통해 이동한 다음 직물 제조 중에 직조 또는 편직되어 코팅됩니다. 이러한 접근법의 예로는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT:PSS)와 같은 유기 전도성 물질을 사용하는 대면적 터치 센서14, 전기 배선 부품13 및 유기 전기화학 트랜지스터15가 있습니다. PEDOT:PSS로 만든 전극은 상업용 전극에 비해 높은 성능을 강조하면서 피부 응용 분야에 성공적으로 사용되었습니다. 생체 적합성이 입증된 이 소재는 생체 내 연구에 사용되었으며 기존 전극에 비해 전기 임피던스를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 가장 중요한 것은 이 상업적으로 이용 가능한 폴리머가 실용성을 손상시키지 않으면서 쉽게 변형될 수 있다는 것입니다. PEDOT의 유변학적 특성은 직물과의 직접적인 통합에 매력적입니다. 따라서 직물에 생체의학 장치를 정교화하는 데 있어 핵심 과제는 절단이나 재봉이 필요 없고 전도성에 영향을 미치는 첨가제가 필요 없이 원하는 영역에만 전도성 생체 적합성 재료를 증착할 수 있는 간단한 패터닝 기술을 개발하는 것입니다.