切り紙に着想を得たウェアラブルセンサー作製の新技術

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 (Kirigami inspires new method for wearable sensors)

2019/10/22 アメリカ合衆国・イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校

・ イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校が、歪みへの許容性や動きへの適応性を向上させる、切り紙構造を利用した材料作製技術を開発。極薄材料のグラフェンを使用してウェアラブルセンサーの作製に成功。
・ ウェアラブルセンサーの普及により、人の体の自然な挙動で発生する圧力や歪みに耐えられる材料の開発がますます重要になっている。
・ 高感度センシングには、余剰な信号出力の回避が不可欠。切り紙設計を応用することで、材料の通常の変形許容量を超越した伸縮性が得られる。この切り紙設計は、目的とする信号からモーションアーチファクトを切り離すには極めて効果的。
・ 本研究結果は、数々のシ ミュレーシ ョンの実施 と、オ ン ライン ソフトウ ェアツールの開発 (「nanoHUB.org」の「nanoMFG node」下の「Kirigami Design and Analysis」)によるもの。同ソフトウェアプラットフォームは、実際のデバイスやプラットフォーム作製前シミュレーションを可能にする。
・ 切り紙設計の有効性をシミュレーションで確認後、大きな変形や破壊にも耐えられるグラフェンを材料として選択。原子薄のグラフェン層を 2 枚のポリイミド層の間に挟んだシートを切り紙カット処理して伸縮性を高めた。
・ グラフェンは、汗に含まれるグルコースやイオンを検出する高感度を備え、フレキシブルな半導体であるため、同材料によるセンサー作製が注目されている。
・ 切り紙のアーキテクチャの適用では、グラフェンに伸縮性と歪みへの耐久性を付与し、モーションアーチファクトを除去。変形しても電気状態を維持する。特に、グラフェン電極は最大 240%の一軸性歪みや 720 度のねじりまで耐久。
・ 切り紙構造を引き伸ばして起こる平面外変形の働きで、大きな変形が可能。・ 本研究で作製したセンサーでは、切り紙グラフェン製の 2 本のブリッジに挟まれたアイランドにアクティブセンシング素子を配置。グラフェンは折り曲げや変形でも電気信号を失わないが、伸ばしや歪みの負荷は取り込んでアクティブセンシング素子の表面への接続を維持。応力集中を再分配する切り紙構造の特殊な能力が、方向的な機械的特性を強化する。
・ 現在、本技術の商業化を視野に Version 2.0 の改善に取り組む。ポリイミドの代わりにポリジメチルシロキサン(PDMS)をサンドイッチ層に使用しても良好な結果が得られた。また、遷移金属ジカルコゲニドなど、グラフェン以外の原子薄材料の使用が可能と考える。
URL: https://grainger.illinois.edu/news/34616

(関連情報)
Materials Today 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Kirigami-inspired strain-insensitive sensors based on atomically-thin materials
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702119307679

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

This work reports kirigami-inspired architectures of graphene for strain-insensitive, surface-conformal stretchable multifunctional electrodes and sensors. The kirigami-inspired graphene electrode exhibits strain-insensitive electrical properties up to 240% applied tensile strain and mixed strain states, including a combination of stretching, twisting, and/or shearing. Moreover, a multitude of kirigami designs of graphene are explored computationally to predict deformation morphologies under different strain conditions and to achieve controllable stretchability. Notably, strain-insensitive graphene field-effect transistor and photodetection under 130% stretching and 360° torsion are achieved by strategically redistributing stress concentrations away from the active sensing elements via strain-responsive out-of-plane buckling at the vicinity of the kirigami notches. The combination of ultra-thin form factor, conformity on skin, and breathable notches suggests the applicability of kirigami-inspired platform based on atomically-thin materials in a broader set of wearable technology.

Graphical abstract

Strain-insensitive, surface-conformal, and breathable graphene-based stretchable electrodes and multifunctional devices are developed by adopting kirigami-inspired architectures. The fabricated devices demonstrate preservation of electrical signal up to 240% applied tensile strain and mixed strain states, including a combination of stretching, twisting, and/or shearing. Finally, strain-insensitive solution-gated field effect transistor and photodetection are shown by redistributing stress concentrations away from the active sensing elements via strain-responsive out-of-plane buckling.

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