Tetris an der Hülse: gasdurchlässiges Material für tragbare Elektronik

Wearable Electronics ist für viele moderne Menschen zu einem festen Bestandteil des Lebens geworden. Von Fitnessarmbändern und Smartwatches bis hin zu Augmented-Reality-Brillen und Smart-Shirts - die Palette der vorhandenen Geräte reicht von offensichtlich nützlich bis unterhaltsam futuristisch. Wenn es jedoch um etwas „Tragbares“ geht, müssen Sie neben der Funktionalität auch an den Komfort denken. Wissenschaftler der University of North Carolina (USA) haben ein neues gasdurchlässiges Material für tragbare Elektronik entwickelt, d.h. atmen können. Mit welchen Techniken wurde das neue Material hergestellt, welche Eigenschaften hat der erhaltene Prototyp und wie viel komfortabler wird es sein, Elektronik an sich zu tragen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.

Studienbasis

Alles, was wir an uns tragen, ist mehr oder weniger gasdurchlässig. Dies liegt an der Notwendigkeit, unserer Physiologie zu entsprechen. Die menschliche Haut ist ein wichtiges Element des Ausscheidungssystems des Körpers und liefert die Produktion von Stoffwechselprodukten durch Schweiß. Daher ist es im Alltag keine gute Idee, die Ausführung dieser Funktion mit vollständig „versiegelten“ Materialien zu blockieren (Spezialkleidung und -ausrüstung zählen nicht).

In Bezug auf tragbare Elektronik, aber mit ihrer Entwicklung und Umwandlung von gewöhnlichen Armbändern zu fast vollwertigen Kleiderschrankelementen, begannen die Wissenschaftler nicht nur über die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien nachzudenken, die für die direkte Ausführung der Funktionen des Geräts wichtig sind, sondern auch über Eigenschaften, die zum Benutzerkomfort beitragen.

Die meisten modernen tragbaren Geräte werden, wie die Forscher selbst feststellen, auf der Basis fester Polymersubstrate wie Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenterephthalat (PET) und Polyimid (PI) hergestellt. In dieser Arbeit beschreiben Wissenschaftler ein neues Material, das nicht nur eine gute Leitfähigkeit und Flexibilität wie bei den vorgenannten Vorläufern besitzt, sondern auch eine gute Gasdurchlässigkeit.

Es gab bereits Versuche, etwas Ähnliches zu schaffen, aber alle hatten während der Produktion bestimmte Schwierigkeiten oder Einschränkungen bei der Verwendung.

Beispielsweise wurde vor relativ kurzer Zeit ein ultradünnes Material auf Basis von Polyvinylalkohol (PVA) entwickelt. Die Gasdurchlässigkeit dieses Materials war ausgezeichnet, aber die Herstellung war äußerst schwierig. Mit anderen Worten, das Spiel ist die Kerze nicht wert.

Es gibt auch eine Entwicklung bei Silbernanodrähten (AgNW). Diese Option bot eine hohe elektrische Stabilität, jedoch beschränkten bloße Nanodrähte den Begriff der Langzeitstabilität.

Ein weiteres einzigartiges Material war ein PDMS-Schwamm (Polydimethylsiloxan) auf Zuckermatrizenbasis. Die Probleme waren die begrenzten Partikelgrößen von Zucker, die es schwierig machten, mikroporöse Strukturen zu erhalten. Darüber hinaus kann dieses Verfahren nicht zur Herstellung ultradünner Filme verwendet werden.

Unter Hinweis auf die oben beschriebenen Prototypen möchten Wissenschaftler sagen, dass es ziemlich schwierig ist, wirklich gutes Material herzustellen, das alle erforderlichen Eigenschaften vereint und gleichzeitig einfach herzustellen ist. Ihnen zufolge haben sie es jedoch getan.

Sie beschlossen, das Rad nicht neu zu erfinden, sondern die bestehenden Entwicklungen zu kombinieren und gleichzeitig ihre Mängel zu beseitigen. Als Ergebnis wurde ein zugfester (d. H. Flexibler) leitender Film erhalten, indem AgNW direkt unter der Oberfläche eines durch Verdampfung hergestellten porösen thermoplastischen Polyurethanfilms (TPU oder TPU) eingearbeitet wurde.

Das Verdampfungsverfahren ist ein einfaches, effizientes und skalierbares Selbstorganisationsverfahren zur Herstellung poröser Polymerfilme, ohne dass komplexe Schritte wie Photolithographie, Vakuumverdampfung und Ätzen erforderlich sind.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1

Auf Bild 1a ist ein Diagramm des Herstellungsprozesses des Prototyps dargestellt. Durch das Verdampfungsverfahren wurde ein poröser thermoplastischer Polyurethan (TPU) -Film hergestellt, wonach AgNW (Silbernanodrähte) durch thermisches Pressen in die Oberfläche eingeführt wurden.

Bei der Verdampfung spielte Tetrahydrofuran (THF) die Rolle des Lösungsmittels. Zusätzlich wurde der Lösung eine kleine Menge Polyethylenglykol (PEG) (TPU: PEG = 10: 1, bezogen auf das Gewicht) zugesetzt, um das ordnungsgemäße Zusammensetzen von Wassertröpfchen zu erleichtern.

Durch Verdampfen des organischen Lösungsmittels wurde das Substrat gekühlt. Feuchtigkeit kondensiert wiederum auf dem Substrat und sammelt sich von selbst in Tröpfchenentfernern.

Wissenschaftler weisen darauf hin, dass unter normalen Umständen eine Tröpfchenbindung vermieden werden sollte, die zur Bildung ungeordneter Strukturen führen kann. In dieser Arbeit förderte die Annäherung von Tröpfchen jedoch die Bildung durch durchlässiger Strukturen.

Wie in 1b gezeigtDie Porengröße kann durch Ändern der Konzentration der Lösung gesteuert werden. Eine höhere Konzentration (2 Gew .-% TPU + 0,2 Gew .-% PEG) führte zu einer kleineren Porengröße und einer regelmäßigeren Porenstruktur, jedoch zu einem höheren Prozentsatz verstopfter Poren (d. H. Poren, die aufgrund ihrer Lage ihre Rolle nicht erfüllen). Wenn andererseits die Konzentration zu niedrig war (1 Gew .-% TPU + 0,1 Gew .-% PEG), neigte die resultierende Struktur dazu, mit einem Porendurchmesser von mehr als 100 & mgr; m unregelmäßiger zu sein. Solche großen Poren können mit bloßem Auge gesehen werden und begrenzen die Auflösung der Elektroden.

Nach mehreren Versuchen wurde gefunden, dass die optimale Konzentration der Lösung 1,5 Gew .-% TPU und 0,15 Gew .-% PEG beträgt. Als Ergebnis wurde eine gleichmäßige poröse Struktur erhalten ( 1b und 1e) Die Porenform war mit einem Durchmesser von ~ 40 & mgr; m nahezu rund und der Oberflächenbedeckungskoeffizient betrug etwa 39% ( 1e und 1f ).

AgNWs wurden durch Eintauchen in eine Lösung von AgNW und Wasser auf einen porösen TPU-Film eingebettet. Wichtig ist, dass die Porengröße viel größer war als die Länge von AgNW (~ 20 μm). Die Mikroskopie ( 1c ) des porösen AgNW / TPU-Films zeigte, dass AgNW gleichmäßig auf der Oberfläche des TPU abgeschieden wurde, ohne die Poren zu blockieren.

AgNWs auf der Oberfläche von TPU-Filmen lassen sich leicht davon trennen, daher war es notwendig, eine Wärmebehandlung durchzuführen, um dieses Problem zu lösen. Der Schmelzpunkt von TPU liegt bei etwa 130 ° C, daher wurde beschlossen, eine Temperatur von 150 ° C für das thermische Pressen zu verwenden.

Im Bild 1d2Es ist ersichtlich, dass nach der Hitzepresse die meisten AgNWs direkt in das TPU eingebettet waren und nur ein kleiner Teil auf der Oberfläche freigelegt wurde. Diese Behandlung reduzierte auch die Filmdicke von 6,8 um auf 4,6 um.


Bild Nr. 2

Bild 2a zeigt ein optisches Bild eines porösen HP-AgNW / TPU-Films (HP - nach Wärmebehandlung). Grafik 2bzeigt den Filmwiderstand als Funktion der Anzahl von Tauchzyklen (d. h. der Anzahl von AgNW-Einbauzyklen). Der Widerstand nahm erst nach den ersten vier Zyklen ab, danach blieb er stabil und erreichte ungefähr 14,5 Ohm / sq (Ohm pro Quadrat). Daher wurden bei der Herstellung des Films genau 4 Auftragszyklen verwendet. Die thermische Pressbehandlung reduzierte den Widerstand weiter, was durch den verbesserten Kontakt in AgNW-Verbindungen erklärt werden kann, der durch Druck und thermisches Tempern verursacht wird. Beispielsweise nahm der Filmwiderstand nach der Wärmebehandlung auf 7,3 Ohm / m² ab.

Die poröse Struktur des Films führt zu einer Erhöhung der optischen Transparenz im Vergleich zu einem festen Film. Die optische Durchlässigkeit betrug 72% bei 550 nm für einen porösen TPU-Film ( 2c) und nahm nach Beschichtung mit AgNW auf 63% ab. Die Durchlässigkeit wurde nach dem thermischen Pressen aufgrund der leicht erhöhten TPU-Filmbreite weiter auf 61% reduziert.

Als nächstes wurde die Wasserdampfdurchlässigkeit basierend auf ASTM E96 geschätzt. Wie erwartet zeigt ein poröser TPU-Film im Vergleich zu einem Film ohne poröse Struktur ( 2d ) eine signifikant verbesserte Dampfdurchlässigkeit . Die Wasserdampfdurchlässigkeit betrug: 2 mg / cm ² h ^–1 für festen TPU-Film; 38 mg / cm ² h ^–1 für einen porösen TPU-Film; 36 mg / cm ² h ^–1 für poröses AgNW / TPU und 23 mg / cm ² h ^–1für poröses HP-AgNW / TPU.

Forscher haben vorgeschlagen, dass eine erhöhte Dampfdurchlässigkeit auch die Verschleißfestigkeit des Materials verbessert. Um diese Hypothese zu testen, wurde ein Langzeitverschleißtest durchgeführt, wenn ein Film auf der Haut getragen wurde. Nach 7 Tagen Tragen auf der Haut einer Person traten keine allergischen Reaktionen und Schweißansammlungen auf. Es wurde kein Unterschied zwischen dem Bereich der Haut, der mit dem Film bedeckt war, und dem Bereich um den Kontaktbereich beobachtet.

Es ist offensichtlich, dass die durchlässige poröse Struktur Schweiß und Feuchtigkeit in den Film eindringen lässt, die Wahrscheinlichkeit von Hautreizungen verringert und den Tragekomfort und die Verschleißfestigkeit verbessert.

Ferner wurden die Filme in Salzlösung getaucht, um eine Langzeitstabilität bei Kontakt mit Schweiß zu zeigen ( 2e) Nach 100 Stunden erhöhte sich die Beständigkeit der porösen AgNW / TPU- und HP-AgNW / TPU-Filme um 60% bzw. 15%.

Schältests wurden zwischen der Folie und dem Klebeband ( 2f ) sowie zwischen der Folie und der Haut durchgeführt. Abbildung 2f zeigt auch, dass der AgNW / TPU-Film leicht mit Klebeband abgezogen werden kann (das Bild rechts zeigt AgNW, das auf Klebeband übertragen wurde), während der HP-AgNW / TPU-Film viel stabiler ist.

Zusätzlich verlor der AgNW / TPU-Film nach dem Schältest die Leitfähigkeit, während der HP-AgNW / TPU-Film die Leitfähigkeit beibehielt.

Nach dem Entfernen des AgNW / TPU-Films von der Haut blieben einige AgNWs noch auf der Haut. Ein ähnlicher Test mit einem HP-Ag NW / TPU-Film zeigte jedoch, dass sich keine AgNW-Partikel auf der Haut befanden.

Daraus folgt, dass eine Wärmebehandlung die Leitfähigkeit und Stabilität des Films bei längerem Gebrauch wirksam verbessern kann.

Durch Einbau von AgNW unter die Oberfläche des TPU-Films zeigte der resultierende poröse HP-AgNW / TPU-Film eine signifikant verbesserte Haftung zwischen AgNW und TPU und damit Stabilität bei einer akzeptablen Verringerung der optischen Transmission und der Dampfpermeabilität.

Es ist anzumerken, dass der HP-AgNW / TPU-Film nicht nur an der Oberfläche, sondern auch in Dickenrichtung leitend ist. Die Ober- und Unterseite des Films sind elektrisch leitend, während sie durch die Dicke auch durch Silbernanodrähte am Rand der Poren verbunden sind. Somit wirkt der Film als leitfähiges Massenmaterial, erfordert jedoch keine große Anzahl leitfähiger Füllstoffe, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen kann.


Test mit LED.

Um diese Eigenschaft zu demonstrieren, wurde der Film an eine LED-Schaltung angeschlossen und als zweiseitiger Leiter verwendet. Zwei Tropfen flüssiges Metall wurden auf zwei Seiten des Films aufgetragen, um sich mit der LED zu verbinden. Eine leuchtende LED zeigt an, dass beide Seiten des Films elektrisch leitend und verbunden sind.


Bild Nr. 3

Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften kann der HP-AgNW / TPU-Film durch Laserschneiden verschiedene Formen annehmen. Die Bilder 3a zeigen eine Filmelektrode, die zu einer filamentären Serpentinenstruktur mit einer Linienbreite von 0,5 mm strukturiert ist. In diesem Fall bleibt der Film ultradünn, was einen engen Kontakt mit der Haut gewährleistet.


Das Verfahren zum Aufbringen eines HP-AgNW / TPU-Films auf die Haut.

Der Film wird nach Kompression, Verdrehung und anderen Verformungen, die auf der Haut auftreten können, vollständig wiederhergestellt. Bei Bedarf kann der HP-AgNW / TPU-Film mit Klebeband von der Haut entfernt und wiederverwendet werden.


HP-AgNW / TPU-Entfernungsverfahren mit einfachem Klebeband.

Grafik 3b zeigt die Widerstandsdynamik in Abhängigkeit von der Dehnung des Films. Bei 5% Belastung des Films verdoppelte sich der Widerstand. Beim Entfernen von Spannungen (Verformungen) sank der Widerstand um 10%. In nachfolgenden Zyklen, in denen sich die Dehnung des Films und sein Normalzustand abwechselten, blieb der Widerstand fast immer konstant und reversibel.

Wenn die Verformung 10% und 15% betrug, erhöhte sich der Widerstand im Vergleich zum Anfangswert um das 4- bzw. 7-fache. Trotz dieser signifikanten Schwankungen wurde ein interessanter Trend festgestellt: Bei jeder Verformungsstufe kann der Film während des ersten Streckens „programmiert“ werden, wonach sich der Widerstand innerhalb des durch das erste Strecken bestimmten Bereichs reversibel ändert. Mit anderen Worten, es ist der erste Verformungszyklus, der die wichtigste Rolle spielt und den „Rhythmus“ der Widerstandsänderung für nachfolgende Zyklen festlegt.

Infolgedessen stieg der Widerstand nach 1000 Verformungszyklen (10%) um weniger als 7%. Dieser Test hat auch gezeigt, dass der Film wirklich sehr flexibel ist. Wenn der Film auf eine Krümmung von 0,55 mm & supmin ; ¹ gebogen wurde, erhöhte sich der Widerstand nur um 0,8% ( 3 s)) Und nach 10.000 Biegezyklen stieg der Widerstand um 0,7% ( 3d ). Der HP-AgNW / TPU-Film behält seine Leitfähigkeit bis zu 45%. Und die Zerstörung des Films erfolgt nur bei einer Verformung von 350%.

Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Entwicklung hervorragend für die kontinuierliche Überwachung elektrophysiologischer Signale geeignet ist. Ein EKG wird üblicherweise zur Diagnose von Herzrhythmusstörungen verwendet, während ein EMG zur Analyse von Stimulationsniveaus, Muskelneuropathie und motorischem Verhalten verwendet werden kann.

Bei Messungen von EKG und EMG (Elektrokardiographie und Elektromyographie) sind konformer Kontakt und niedrige Hautelektrodenimpedanz entscheidend, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, d.h. um die genauesten Informationen zu erhalten.

Um den Kontakt zwischen den porösen HP-AgNW / TPU-Elektroden und der Haut zu bewerten, verwendeten wir Kunstleder aus Exoflex, das fast identisch mit der menschlichen Haut ist und den gleichen Elastizitätsmodul aufweist.


Bild Nr. 4

Bild 4a zeigt die Elektrode nach Übertragung auf künstliche Haut. Die Mikroskopie zeigt deutlich, dass die ultradünne Elektrode einen konformen (engen) Kontakt mit der Haut hatte.

Der komplexe Widerstand der anfänglichen und expandierten porösen HP-AgNW / TPU-Elektroden war nur geringfügig höher als der der handelsüblichen Ag / AgCl-Gelelektroden ( 4d)) und niedriger als die eines festen AgNW / PDMS-Films (0,2 mm dick). Dies ist auf die Qualität des Hautkontakts des Films zurückzuführen. Die geringere Dicke und die erhöhte Flexibilität des HP-AgNW / TPU-Films verringern die Biegesteifigkeit, was zu einem konformeren Kontakt führt als der feste AgNW / PDMS-Film.

Ferner wurden EKG- und EMG-Signale, die unter Verwendung poröser HP-AgNW / TPU-Elektroden erhalten wurden, mit Signalen verglichen, die unter Verwendung kommerzieller Ag / AgCl-Gelelektroden ( 4e und 4f ) erhalten wurden. Die Position der Elektroden für EKG- und EMG-Tests ist in 4b bzw. 4c gezeigt .

Bei EKGs lieferten die porösen HP-AgNW / TPU-Elektroden Signale, deren Qualität mit denen der Gelelektroden vergleichbar war. Das gemessene SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) für das EKG durch die porösen HP-AgNW / TPU-Elektroden betrug 7,0 dB, was mit Gelelektroden (7,1 dB) vergleichbar ist.

Bei konstanter Bewegung verschlechterte sich die Signalqualität und der SNR-Wert fiel für poröse auf 6,3 dB und für Gelelektroden auf 6,2 dB.

Aufgrund der EMG kann man Signale, die der Muskelkontraktion entsprechen, für verschiedene Griffkräfte klar unterscheiden. Es ist bemerkenswert, dass das Signal von porösen HP-AgNW / TPU-Elektroden schwächer war als das von Gelelektroden, dies war jedoch auf die unterschiedliche Anordnung der Elektroden zweier Typen zurückzuführen (Elektroden beider Typen wurden gleichzeitig verwendet). Der SNR-Wert für EMG mit porösen Elektroden betrug 24,9 dB, was mit dem SNR für Gelelektroden (25,9 dB) vergleichbar ist.

Es ist erwähnenswert, dass poröse Elektroden im Gegensatz zu handelsüblichen Gelelektroden kein leitfähiges Gel benötigen. Das Fehlen von Gel während der Datenerfassung verbessert ihre Qualität, da es keinen Faktor wie Gelabbau gibt. Unter Berücksichtigung der Gasdurchlässigkeit des entwickelten Films veranschaulichen diese Experimente zusätzlich die Möglichkeit, poröse Elektroden HP-AgNW / TPU zur langfristigen kontinuierlichen Überwachung des menschlichen Zustands zu verwenden.

Die menschliche Haut ist nicht der einzige Ort, an dem entwickelte Elektroden platziert werden können. Die zweite Option sind Textilien.


Bild Nr. 5

Bild 5a zeigt ein Diagramm eines kapazitiven Berührungssensors. In 5b wird der Kapazitätswert angezeigt, wenn der Sensor berührt und gedrückt wird.

Zusätzlich ist die Empfindlichkeit des Berührungssensorsystems als die Änderungsrate des Lesewerts definiert, wenn eine Berührung auftritt. In diesem System betrug die Empfindlichkeit 86%. Die Stabilität ist wiederum definiert als die Varianz der Messwerte des Berührungssensors, die etwa 1,65 beträgt. Das Signal-Rausch-Verhältnis betrug 35: 1 und die Reaktionszeit betrug weniger als 0,1 s.

Um das System der drahtlosen Berührungssensoren ( 5c ) zusammenzubauen, wurde ein Stück HP-AgNW / TPU 50x100 mm Film in eine Stoffhülle integriert und mittels Laserschneiden als vier Berührungsknöpfe angezeigt. Jede der Tasten hatte ihre eigene Funktion: links, unten, Drehung und rechts.


Tetris am Ärmel.

Um sich eingehender mit den Nuancen der Studie vertraut zu machen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Epilog

Moderne Technologie ist seit langem nicht nur mit Funktionalität, sondern auch mit Komfort verbunden. Tragbare Elektronik ist keine Ausnahme. Die meisten modernen Materialien, die für die Herstellung tragbarer Geräte verwendet werden, erfüllen ihre Grundfunktionen perfekt, enthalten jedoch keine kleinen, aber so wichtigen Details. Eines dieser Details ist die Gasdurchlässigkeit, die bei längerem Tragen eines Geräts auf der Haut freien Schweiß liefert.

Der entwickelte HP-AgNW / TPU-Film hat viele geordnete Poren. Ein solches Design hatte keinen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Films, während die Fähigkeit erhalten blieb, die Hauptaufgaben vollständig auszuführen.

Während der Studie wurden mehrere Prototypen erstellt, die den Anwendungsbereich von HP-AgNW / TPU demonstrieren. Der erste Prototyp zielte darauf ab, wichtige Informationen über den Gesundheitszustand des Benutzers zu sammeln. Das zweite ist die fast humorvolle Verwendung von HP-AgNW / TPU-Filmen zur Erstellung eines drahtlosen Tetris-Gamepads. In beiden Fällen zeigten die Prototypen hervorragende Ergebnisse, und der poröse Film war in seinen Eigenschaften und seiner Leistung mit den derzeit verwendeten kommerziellen Optionen vergleichbar.

In Zukunft wollen die Forscher ihre Arbeit an gasdurchlässigen Materialien fortsetzen, da sie der Meinung sind, dass die Verwendung eines tragbaren Geräts bequem sein sollte. Damit kann man nicht streiten.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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