Integration mehrerer elektronischer Komponenten auf einer Mikrofaser zu einer neuen elektronischen Textilplattform

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 3173 (2022) Diesen Artikel zitieren

4446 Zugriffe

8 Zitate

3 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Elektronische Fasern gelten aufgrund ihrer Dimensionskompatibilität mit Stoffen durch das Weben mit Garnen als eine der gewünschten Geräteplattformen. Allerdings ist ein präziser Verbindungsprozess zwischen den einzelnen elektronischen Fasern unerlässlich, um die gewünschten elektronischen Schaltkreise oder Systeme zu konfigurieren. Hier präsentieren wir eine integrierte elektronische Faserplattform durch die Herstellung elektronischer Geräte auf einem eindimensionalen Mikrofasersubstrat. Elektronische Komponenten wie Transistoren, Wechselrichter, Ringoszillatoren und Thermoelemente werden mit präzisen Halbleiter- und Elektrodenmustern gemeinsam auf der Außenfläche eines Fasersubstrats integriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass elektronische Komponenten zuverlässig auf einer einzigen Faser integriert werden können. Wir bewerten die elektronischen Eigenschaften des Chips auf der Faser als multifunktionale elektronische Textilplattform, indem wir deren Schalt- und Datenverarbeitung sowie Sensor- oder Wandlereinheiten zur Erfassung optischer/thermischer Signale testen. Die Demonstration der elektronischen Faser legt einen bedeutenden Proof of Concepts für die Realisierung hoher Leistung mit tragbaren elektronischen Textilsystemen nahe.

Faserelektronik ist für tragbare Anwendungen und intelligente Textilien von großem Interesse und kann die Kommunikation und die Interaktion zwischen Mensch und Umgebung erleichtern1,2,3. Als Grundelement funktioneller Textilien bietet die eindimensionale (1D) Form fadenförmiger Fasern hohe Flexibilität, isotrope Verformungen, Atmungsaktivität und geringes Gewicht in Stoffstrukturen4,5. Die 1D-Funktionsfasern können durch traditionelle Textiltechniktechniken wie Drehen, Weben, Nähen, Stricken, Knüpfen und Verflechten zu zweidimensionalen (2D) textilen und dreidimensionalen (3D) Garnkonfigurationen weiterverarbeitet werden5,6. Aufgrund dieser intrinsischen Vorzüge wurden in den letzten Jahren faserbasierte Gerätekomponenten, die optoelektronische Funktionen wie Gesundheits-/Umweltüberwachung, Anzeigen, Sensorik, Energiegewinnung, Energiespeicherung, elektromagnetische Abschirmung und Informationsverarbeitung erfüllen, direkt in Stoffe integriert um futuristische Kleidung zu demonstrieren7,8,9,10,11,12,13,14.

Die vorhandenen elektronischen Faserplattformen bestehen im Allgemeinen nur aus einer Art elektronischer Komponente mit einer einzigen Funktion auf einem Fasersubstrat, die auf die Rundumumhüllung einer aktiven Schicht auf der gesamten Faser ohne Strukturierung im gewünschten Bereich der Faseroberfläche zurückzuführen ist während des Herstellungsprozesses. Darüber hinaus ist ein präziser Verbindungsprozess zwischen den einzelnen elektronischen Fasern unerlässlich, um die gewünschten elektronischen Schaltkreise oder Systeme in das 2D-Textil zu integrieren und gleichzeitig die Verschlechterung der Geräteleistung zu minimieren15. Obwohl der Zusammenbau dieser Funktionsfasern zum sequentiellen Aufzeichnen, Erkennen und Auslesen von Daten verwendet werden kann, ähnlich wie bei herkömmlichen integrierten Schaltkreisen und Multifunktionsgeräten auf 2D-Wafern, bleiben sowohl Einschränkungen bei der Verkleinerung als auch Schwierigkeiten bei der Konfiguration des elektronischen Schaltkreises große Hindernisse für die Implementierung praktischer elektronischer Fasersysteme. Erstens werden viele komplexe und funktionale Verbindungen durch groß angelegte Integration (LSI) erzeugt, und daher wird die Reduzierung der Verkabelung, wie z. B. leitfähiger Fäden, als Engpass für die weitere Entwicklung angesehen. Zweitens sollte die Flächendichte des Geräts durch die Einführung einer speziell entwickelten Architektur oder eines speziell entwickelten Prozesses erhöht werden16. Unter diesem Gesichtspunkt ist es dringend erforderlich, kompakte und miniaturisierte elektronische Systeme zu entwickeln, die in der Lage sind, mit einer einzigen Faser zu arbeiten. Um dem Textil mehrere Funktionen zu verleihen, gelten die Methoden des Einfügens kleiner elektronischer Komponenten in einen Faserstrang oder ein Garn als aufstrebende Kandidaten, die die Implementierung einer thermisch gezogenen digitalen Faser und eines E-Garns ermöglichen17,18,19. Eine Einschränkung des thermischen Ziehansatzes und der Montage kleiner Komponenten auf der Oberseite eines Filaments ist jedoch die geringe Gerätedichte. Über eine Strategie zur Herstellung einer hochdichten elektronischen Mikrofaser, die über mehrere elektronische Komponenten und Schaltkreise verfügt und gleichzeitig eine hervorragende elektrische Leistung aufrechterhält, wurde noch nicht berichtet.

In dieser Arbeit stellen wir eine elektronische Faserplattform vor, die die LSI elektronischer Gerätekomponenten auf der Oberfläche einer 1D-Faser ermöglicht, die als Monofilament mit einem Durchmesser von 150 μm definiert ist (Abb. 1a). Durch die Verwendung hochauflösender maskenloser Fotolithographie mit einer Kapillarrohr-unterstützten Beschichtungsmethode20 werden mehrere miniaturisierte Geräteeinheiten auf einer sehr schmalen und dünnen Faseroberfläche integriert. Als Proof-of-Concept-Demonstration werden grundlegende elektronische Geräte (Feldeffekttransistoren, Wechselrichter und Ringoszillatoren) und Sensoren (Fotodetektoren, Signalwandler und verteilte Temperatursensoren bestehend aus Thermoelementen) auf den beiden verschiedenen Seiten des Rechtecks hergestellt Faser. Der Chip auf einer Faser weist verschiedene elektronische Funktionen auf (UV-Erkennung und Schalten elektrischer Signale in einem einzelnen Transistor, symmetrisches Eingangs-/Ausgangsverhalten im n-Typ-Wechselrichter, Schwingungseigenschaften eines 5-stufigen Ringoszillators) und thermische Erfassungsleistung. Wir glauben, dass unser Ansatz einer der großen Schritte zur Implementierung einer hochdichten elektronischen Faserplattform für integrierte elektronische Textilien ist.

Eine schematische Darstellung eines E-Textils, das aus einer multifunktionalen elektronischen Faser integriert und in einen Stoff eingebettet ist. B Querschnitt und dreidimensionales Schema der auf dem Mikrofasersubstrat hergestellten Geräteelemente. C REM-Bild von elektronischen Geräten, die auf einer einzelnen Mikrofaser hergestellt wurden. D Foto der flexiblen elektronischen Faser.

Die Anordnung mehrerer elektronischer Systeme auf einer Mikrofaser, dargestellt in Abb. 1A, B, besteht aus zwei verschiedenen elektronischen Teilen: grundlegenden optoelektronischen Elementen und einem Temperatursensor. Die elektronischen Komponenten sind auf der Oberfläche eines zehn Zentimeter langen quaderförmigen Monofilaments mit einem Durchmesser von 150 µm integriert. Als Proof of Concept für die Implementierung der direkten Montage elektronischer Systeme auf einer Mikrofaser weist unsere elektronische Faser im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Systemen auf 2D-Wafern eine relativ geringe Integrationsdichte auf. Durch eine weitere Verkleinerung jedes elektronischen Bauteils auf einer Mikrofaser könnte es jedoch möglich sein, elektronische Fasern mit hoher Dichte zu implementieren, die denen herkömmlicher Halbleiterbauelemente ähneln. Dies bedeutet, dass unsere elektronische Faserplattform als eine der potenziell aufstrebenden elektronischen Fasern angesehen werden kann. Als transparentes und flexibles Substrat wurde eine quadratische Mikrofaser aus Quarzglas verwendet. Obwohl die auf Siliciumdioxid basierende Faser eine relativ geringere Flexibilität als Polymersubstrate aufweist, kann sie einer hohen Prozesstemperatur von 1100 °C standhalten, ohne zu schmelzen, sodass leistungsstarke anorganische elektrische Materialien darauf abgeschieden werden können. Das Mikrofasersubstrat verfügt außerdem über eine geometrische 3D-Form mit vier planaren Flächen über die gesamte Länge der Faser, was eine höhere Integrationsdichte ermöglicht. Der effizienteste Weg, die Dichte elektronischer Komponenten zu erhöhen, besteht darin, den gesamten Faserumfang zu nutzen. Um die Machbarkeit zu untersuchen, haben wir elektronische Komponenten auf zwei verschiedenen Seiten der Faser mit quadratischem Querschnitt integriert. Auf der Oberseite der Faser sind ein Transistor, ein Wechselrichter und ein Ringoszillator (RO) auf Basis eines Metalloxidhalbleiters (MOS) aus Indium-Gallium-Zinkoxid (IGZO) platziert, während der Temperatursensor an der Seite der Faser eingebaut ist . Um das gesamte Gerät zu demonstrieren, nutzten wir sowohl ein CTAC-Verfahren (Capillary Tube-Assisted Coating) als auch hochauflösende maskenlose Photolithographie, mit der sich schnell strukturierte Metallelektroden auf den beiden verschiedenen Seiten eines dünnen und schmalen Monofilamentsubstrats herstellen lassen20,21. Der CTAC-Prozess kann möglicherweise mit einem Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsprozess kompatibel sein, der eine effiziente Möglichkeit zur Minimierung von Materialverschwendung darstellt und eine genaue Steuerung der Fotolackschichtdicke (PR) durch Anpassung der Beschichtungsgeschwindigkeit und Lösungskonzentration ermöglicht20. Querschnittsbilder der Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigen, dass der CTAC-verarbeitete PR-Film die gesamte äußere Oberfläche der Faser gleichmäßig bedeckte und die Dicke der PR-Schicht auf etwa 2 μm geschätzt wurde (ergänzende Abbildung 1). Nach dem Auftragen und Backen des PR-Films auf die Faser wurde ein Lasermustergenerator eingesetzt, um den PR zusammen mit dem Elektrodenmuster schnell freizulegen (ergänzende Abbildung 1). Die maskenlose Lithographie überträgt die Entwurfsmuster ohne Verwendung einer Fotomaske direkt auf das Fasersubstrat und ermöglicht die genaue Positionierung der Elektrodenmuster, um gewünschte elektronische Geräte an beliebigen Stellen auf nichtplanaren Substraten herzustellen, wie in der ergänzenden Abbildung 221 dargestellt. Experimentelle Details (die Abscheidung von Metall dünne Filme und Nassätzen durch Photolithographie) und die auf der Faser gebildeten Elektrodenmuster werden auch in der ergänzenden Abbildung 3 beschrieben. Die Abbildungen 1C, D zeigen ein REM-Bild und eine Fotografie des gesamten auf dem Mikrofasersubstrat hergestellten Geräts. Als Machbarkeitsnachweis wurde eine integrierte elektronische Faser (Länge: 10 cm) mit etwa 30 verstreuten ROs, Wechselrichtern, Fototransistoren, Kondensatoren und Temperatursensoren demonstriert. Alle Geräte können einzeln und unabhängig betrieben werden.

Lichtmikroskopische Bilder und Schaltpläne jedes elektrischen Geräts sind in Abb. 2A bzw. D dargestellt. Ein Feldeffekttransistor (FET), ein grundlegendes Geräteelement, in einer Top-Gate- und Bottom-Contact-Struktur (TG/BC) wurde hergestellt, um die Fähigkeiten der miniaturisierten Geräte für elektronische Faseranwendungen zu überprüfen. IGZO und Al2O3 werden als amorpher Oxidhalbleiter bzw. Gate-Dielektrikum verwendet. Ihre chemische Zusammensetzung wurde mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert und die dielektrische Kapazität der 15 nm dicken Al2O3-Schicht wurde mit 180 nF cm-2 gemessen, wie in der ergänzenden Abbildung 4 beschrieben. Abbildung 2B zeigt die Übertragungseigenschaften von der Treiber-FET im Depletion-Load-n-MOS-Wechselrichter. Der IGZO-basierte FET weist eine Feldeffektmobilität von 5,5 cm2V−1s−1 im Sättigungsbereich mit vernachlässigbarer Hysterese und einem Ein-/Aus-Stromverhältnis von mehr als 107 bei einer Gate-Source-Spannung (VG) von 5 V und einem auf niedrige Drain-Source-Spannung (VD) von 5 V. In der Anfangsphase der Herstellung erhielten wir akzeptable Übertragungskurven von < 3 von insgesamt 8 Transistoren auf 10 cm langen Prototyp-Elektronikfasern, was weniger als 40 % von bedeutet Ertrag. Schließlich haben wir durch die Zählung der funktionierenden Transistoren eine Geräteausbeute von fast 70 % erreicht. Anschließend wurden auf jedem Monofilament fünf einzelne FETs hergestellt, die eine durchschnittliche Sättigungsmobilität von 5,5 cm2V−1s−1 mit einer Standardabweichung von 1,1 cm2V−1s−1, einer Schwellenspannung (VTh) von 0,28 ± 0,57 V und einem geringen Subschwellenhub aufwiesen von 0,36 ± 0,11 V dez−1. Diese Werte ähneln denen zuvor gemeldeter IGZO-basierter FETs, was auf die Gültigkeit dieses Herstellungsprozesses für integrierte E-Textil-Anwendungen hinweist22,23,24,25.

Ein Foto und Schaltpläne eines Wechselrichters, der auf IGZO-basierten FETs basiert, die auf einem flexiblen Fasersubstrat hergestellt sind. B ID-VG-Kurven eines IGZO-FET, repräsentativ für das Fasergerät. Der FET hat eine Kanallänge (L) von 10 μm und eine Kanalbreite (W) von 50 μm. C Statische Übertragungseigenschaften des Wechselrichters basierend auf zwei IGZO-FETs für eine Versorgungsspannung (VDD) von 2 V ∼ 5 V und eine Vorspannung (Vbias) von 5 V. D Foto und Schaltplan eines 5-stufigen Ringoszillators basierend auf Verarmung -Lastwechselrichter, hergestellt auf der Mikrofaser. E Dynamische Eigenschaften des Ringoszillators als Reaktion auf unterschiedliche VDD. F Oszillationsamplitude, Frequenz und Ausbreitungsverzögerung gemessen für VDD von 2, 3, 4 und 5 V.

Basierend auf den IGZO-FETs wurden die elektrischen Eigenschaften sowohl eines Wechselrichters als auch eines RO mit 5 Stufen auf dem Monofilament bewertet, wie in Abb. 2C, E und F dargestellt. Aufgrund des komplizierten Herstellungsverfahrens und Designs elektronischer Schaltkreise auf Glasfaser , wir erreichten nur 60 bzw. 40 % des Ertrags für Wechselrichter und RO. Der Depletion-Load-n-MOS-Inverter wurde durch eine Reihenschaltung zweier n-MOS-Transistoren realisiert, die als Treiber und Last fungieren. Die Source-Elektrode des Lasttransistors ist mit der Gate-Elektrode des Lasttransistors und der Drain-Elektrode des Treibertransistors verbunden. Für die richtige Balance zwischen Treiber- und Lasttransistoren für den Betrieb des Wechselrichters und des RO wurden Kanalbreiten (W) von 20 µm und 50 µm bei gleicher Kanallänge (L) von 10 µm für Treiber- und Lastkomponenten verwendet. Die Spannungsübertragungskurve wird für eine Vorspannung (Vbias) von 5 V und Versorgungsspannungen (VDD) von 2 V bis 5 V gemessen. Die Ausgangsspannung-Eingangsspannung (VOut − VIn) des n-MOS-Depletion-Load-Inverters beträgt in Abb. 2C dargestellt. Anschließend wurde der 5-stufige RO durch den Verarmungslast-n-MOS-Wechselrichter mit IGZO-Kanälen wie oben beschrieben vorbereitet. Der RO ist mit fünf Depletion-Load-n-MOS-Wechselrichtern in Reihe geschaltet. Der Ausgang des 1. Wechselrichters wird zum Eingang des 2. Wechselrichters und der Ausgang des 2. Wechselrichters wird zum Eingang des 3. Wechselrichters. Diese Kette setzt sich bis zum 5. Wechselrichter fort, und schließlich kehrt der Ausgang des letzten (5.) Wechselrichters zum Eingang des primären (1.) Wechselrichters zurück (Abb. 2D). Auf diese Weise konnten integrierte Schaltkreise (ICs) erfolgreich mit herkömmlichen Halbleiterprozessen auf einem flexiblen Fasersubstrat hergestellt werden. Obwohl noch ein höheres Prozessniveau und eine Optimierung für mehr Verfeinerung und Genauigkeit erforderlich sind, wird es möglich sein, komplexere ICs auf der Seite der Facetten einer rechteckigen Faser oder einer Oberfläche eines zylindrischen Filaments zu integrieren. Darüber hinaus sind in Abb. 2E, F die Wellenform der Ausgangsspannung (Vout - Zeit), die Schwingungsfrequenz (f) und die Ausbreitungsverzögerung (τ) des 5-stufigen RO entsprechend der Erhöhung von VDD beschrieben. Das τ des Schaltereignisse wurden durch Anpassen von Exponentialfunktionen an die gemessenen VOut-Übergänge, die von VDD abhängen, bestimmt. Mit steigendem VDD nahm τ zu und f ab.

Um die Möglichkeit einer multifunktionalen Geräteintegration auf einer Faser zu untersuchen, haben wir die elektrischen Signale des Sensors auf einem Monofilament auf Veränderungen sowohl des UV-Lichts als auch der Temperatur überwacht. UV-Licht- und Temperatursensoren wurden auf zwei verschiedenen Seiten des Glasfasersubstrats hergestellt. Ein UV-Sensortest wurde durchgeführt, indem die optoelektrischen Eigenschaften des einzelnen IGZO-basierten FET überwacht wurden, was das Schalten der Komponente ermöglichte. Der IGZO-Halbleiter kann zur Detektion des UV-Spektrums verwendet werden, da seine optische Bandlücke etwa 3,0 eV beträgt. Beachten Sie, dass die UV-Erkennung durch Messung der Änderung des Drain-Stroms im FET-Gerät durchgeführt wurde. UV-LED-Licht (Wellenlänge: 470 nm) und UV-Laserlicht (Wellenlänge: 404 nm) bestrahlten sowohl die Ober- als auch die Unterseite des FET auf einem Monofilament, was eine UV-Erkennung „aus der Faser heraus“ bzw. „durch den Faserkern“ impliziert (Abb. 3A, D). Abbildung 3B zeigt die Übertragungseigenschaften des IGZO-basierten FET auf der Faser vor und nach der UV-Bestrahlung außerhalb der Faser bei VD = 5 V, wobei VG von –5 V auf 5 V wechselt. Bei der Beleuchtung kommt es zu einem deutlichen Anstieg des Aus-Werts -Strom von 4,0 × 10−8 A auf 7,5 × 10−7 A bei VG = 0 V. Dies impliziert, dass belichtetes Licht zur Erzeugung von Fototrägern im IGZO-Kanal beiträgt und eine höhere Kanalleitfähigkeit induziert. Abbildung 3C zeigt die zeitabhängige Photoreaktion bei verschiedenen Gate-Spannungen von −1 V und 0 V mit einer Drain-Spannung von 5 V unter gepulster Beleuchtung mit UV-Licht (Leistungsintensität: 1,0 mW cm−2). Es ist zu beachten, dass das aus der Faser abgestrahlte UV-Licht aufgrund der TG/BC-Struktur des FET-Bauelements teilweise von der Gate-Metallelektrode blockiert oder gestreut wird. Obwohl das Verhältnis von Foto- zu Dunkelstrom relativ niedrig ist, liefert es genügend elektrische Signale, die die Erkennung von UV-Beleuchtung unter unbekannten Umgebungsbedingungen ermöglichen (Abb. 3C). Wir haben auch eine weitere mögliche Anwendung als Signalwandler des IGZO-basierten FET auf der Faser gefunden. Abbildung 3D zeigt die schematische Darstellung des Signalwandlers. Der UV-Laser wurde durch den Faserkern gestrahlt und breitete sich innerhalb des einzelnen FET aus, der auf der optischen Glasfaser hergestellt war (ergänzende Abbildung 5A). Der Sperrstrom in den ID-VG-Kurven steigt deutlich um etwa drei Größenordnungen an, wenn der IGZO-Halbleiter durch Lichtausbreitung innerhalb der optischen Faser angeregt wird (Abb. 3E). Die zeitliche Reaktion zwischen dem Drainstrom und der Zeit (ID − Zeit) bei verschiedenen Laserintensitäten zeigte ein stabiles Schalten und ein relativ hohes Foto-Dunkelstrom-Verhältnis, während VD und VG bei 5 V bzw. –5 V gehalten wurden (Abb . 3F). Es wird möglich sein, einen Hochleistungsfotosensor oder Signalwandler zu realisieren, indem lichtempfindliche Halbleitermaterialien und verschiedene Bauelementarchitekturen verwendet werden, wie z. B. Bauelementarchitekturen mit unterem Gate/oberem Kontakt und senkrechte Dioden. Die Photoströme der elektronischen Faser wurden aus den Übertragungskurven bei VG = − 5 V und VD = 0 V extrahiert und die Photoresponsivität (Rλ) wurde berechnet durch

wobei Ilight und Idark der Drain-Strom bei heller bzw. dunkler Beleuchtung sind; Popt und A repräsentieren die einfallende Beleuchtungsleistung (1,0 mW cm-2 für 470-nm-LED-Licht, Popt = 84,5 μW cm-2 für 404-nm-Laserlicht, die Beleuchtungsleistung wurde mit einem Leistungsmesser gemessen) bzw. die effektive Fläche. A ist die Kanalfläche (Breite × Länge = 2 × 10−6 cm2) des Geräts. Die Fototransistoren zeigten eine Fotoempfindlichkeit von 0,64 A W−1 bei UV-LED-Licht, das aus der Faser eingestrahlt wurde, und 53,9 A W−1 bei UV-Laserlicht, das sich durch den Faserkern ausbreitete, wie in Abb. 3B, E dargestellt. In dieser Hinsicht ist IC eingeschaltet Optische Fasern können nicht nur als Fotodetektor verwendet werden, sondern auch zum Aufbau drahtloser Sensornetzwerke, die durch Laserstrahlausbreitung betrieben werden26.

Ein Schema und ein Foto der optoelektrischen Messung, wenn die Außenseite des Fasergeräts mit 470 nm UV-LED-Licht bestrahlt wird. B Übertragungskurven des IGZO-basierten Fototransistors im Dunkeln und unter UV-Lichteinwirkung. C Zeitabhängige Photoantwort bei unterschiedlichen Gate-Spannungen unter gepulster Beleuchtung mit UV-Licht. D Schematische Darstellung der optoelektrischen Messung, wenn das Innere des Fasergeräts mit 404-nm-Laserlicht bestrahlt wird. E Übertragungseigenschaften des Fototransistors im Dunkeln und bei Einwirkung von UV-Licht im Faserkern. F Transienter Photostrom des IGZO-Geräts mit unterschiedlichen Laserleistungen von 4,2 V, 4,6 V und 5,0 V.

Auf der anderen Seite der Faser sind Widerstandssensoren direkt integriert, um die Multifunktionalität des Chips auf einer Faser zu ermöglichen, wie in Abb. 4 dargestellt. Für eine effiziente Messung und Erfassung thermischer Informationen wurden Ni und Cr als thermoresistive Materialien ausgewählt Reine Metalle lassen sich leicht durch thermische Vakuumverdampfung abscheiden und haben hohe Seebeck-Koeffizienten (−19 μV K−1 für Ni und +20 μV K−1 für Cr), die große Thermospannungen und Signale zur Temperaturüberwachung erzeugen können (ergänzende Abbildung). 6)27. Der Abstand zwischen den einzelnen Thermoelementen beträgt 3,4 mm und die Kontaktflächen der drei Thermoelemente befinden sich auf einer Seite der Faseroberfläche. Die Temperatursensoren an einem Monofilament funktionieren durch Spannungsänderungen, die als Reaktion auf die Temperatur an verschiedenen Stellen entlang der Faser induziert werden. Diese vielfältigen Integrationen von Sensoren auf der Faser ermöglichen eine präzise Überwachung der Temperatur unter Umgebungsbedingungen. Durch den Aufbau des Stromkreises und die gemeinsame Nutzung des Massekontakts kann die Temperatur an drei Punkten gleichzeitig gemessen werden (Abb. 4A und ergänzende Abb. 5B). Darüber hinaus wurde die Änderung der Thermospannungen (ΔVTE) mit steigender Temperatur der Wärmequelle (TSource) und mit der Temperaturdifferenz zwischen thermisch synchronisierten Thermoelementen bei einer gegebenen Temperatur und Raumtemperatur (TTC − TRT) gemessen. Eine detaillierte Diskussion der einzelnen Sensoren ist in der ergänzenden Abbildung 6 beschrieben.

Ein Foto und ein schematisches Diagramm der Thermosensorkomponenten. B Schematische Darstellung der integrierten Thermoelemente auf einer Faser und des Temperaturgradienten über das Fasergerät. C Änderungen der Thermospannungen jedes Thermoelements als Funktion der Temperatur. D Temperaturverteilung als Funktion der Entfernung von der Wärmequelle zu jedem Sensor.

Aufgrund der einzigartigen Form unseres Chips auf einer Faser kann er als implantierbares Temperaturerfassungsmodul eingesetzt werden, wie in Abb. 4B dargestellt. Um die Temperatur der Wärmequelle zu überwachen, wird die integrierte Sensorfaserspitze vorsichtig in einen heißen Block implantiert. Durch die Wärmeleitung von der Wärmequelle zum Sensor durch den Faserkörper konnte die Temperatur in einem Material erfolgreich spontan durch Änderung der Temperatur der Wärmequelle überwacht werden. Die Thermospannungen (ΔVTE) jedes Thermoelements an einem Monofilament reagierten linear, indem sie die Temperatur des Wärmeblocks von Raumtemperatur auf 60 °C änderten, wobei sie in der Reihenfolge von der Wärmequelle entfernt niedrigere Werte aufwiesen (TSource > TTC-1 > TTC-2). > TTC-3) (Abb. 4C). Obwohl die erfasste Temperatur exponentiell abnahm, als sich die Position des Temperatursensors aufgrund von Wärmeverlusten durch Luftkonvektion von der Wärmequelle entfernte, wie in Abb. 4D dargestellt, zeigte die berechnete Temperatur an jedem integrierten Sensor auf einem Monofilament ein klares schrittweises Verhalten. Dies impliziert, dass die integrierten thermoresistiven 1D-Sensoren nicht nur auf tragbare Netzwerksysteme zur Temperaturmessung, sondern auch auf implantierbare Module anwendbar sind. Daher können die oben genannten Ergebnisse zusammen mit den UV-/Wärmesensoren und elektronischen Komponenten auf der Faser vielversprechend für die Implementierung leistungsstarker und multifunktionaler elektronischer Fasersysteme für zukünftige elektronische Textilanwendungen sein.

Um die Flexibilität und Stabilität der mehreren elektronischen Systeme auf einem Monofilament zu testen, wurde das IGZO-FET-Gerät auf der Faser sowohl unter Zug- als auch unter Druckspannungsbedingungen gemessen, wie in Abb. 5A, B dargestellt. Zur systematischen Analyse des IGZO-FET auf dem Um die Faser unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu testen, haben wir zwei elektronische Fasern hergestellt, die in unterschiedlichen Chargen hergestellt wurden. Die Fasern wurden sorgfältig auf flexiblen Polyethylenterephthalat (PET)-Substraten platziert und fixiert, indem Polyimidband sowohl für konkave als auch für konvexe Biegebedingungen verwendet wurde. Die technische Dehnung der Faser (ε), die als Verhältnis der Gesamtverformung zum Ausgangszustand unter mechanischer Einwirkung dargestellt wird, wird durch die folgende Gleichung berechnet:

wobei η = df/ds und χ = Yf/Ys. ds und df sind die Dicken des Substrats (quadratische Glasfaser, 150 μm) bzw. der aktiven Schicht (IGZO, 15 nm). Ys (Glas, 50–90 GPa) und Yf (Oxid, >100 GPa) sind der Elastizitätsmodul des Substrats bzw. der aktiven Schicht. R ist der Biegeradius. In der vereinfachten Formel unter der Voraussetzung, dass das Substrat viel dicker als die aktive Schicht ist und zwischen Ys und Yf ein relativ kleiner Unterschied besteht, kann ε innerhalb der aktiven Schicht auf dem gebogenen Substrat grob als richtiger Term der Gleichung28 ermittelt werden.

Schematische Darstellungen des integrierten Fasergeräts auf PET-Substrat (links) und ID-VG-Eigenschaften (rechts) der IGZO-FETs unter A-konkaven und B-konvexen Biegebedingungen. Die mechanische Dehnung (ε) wird anhand des Biegeradius (R) berechnet. Die Einschübe zeigen Fotos des flexiblen Fasergeräts, die während des Biegens gemessen wurden. Änderung der Einschaltzustände, Feldeffektmobilitäten und Schwellenspannungen der IGZO-FETs auf der Faser C als Funktion der mechanischen Belastung bei Vorwärts- und Rückwärtsbiegung und D während wiederholter Biegetests bis zu 10.000 Zyklen beim Biegeradius von 11,7 mm. E Foto der elektronischen Faser, die in einen Stoff eingebettet und in den Kragen eines Hemdes eingenäht ist. F Einschaltstromzustände, Feldeffektmobilitäten und Schwellenspannungen der IGZO-FETs auf der Faser im ursprünglichen, genähten Zustand und nach 10-tägigem Tragen. G Photostrom des Photosensors und Thermospannung von TCs an der Faser im unberührten, genähten Zustand und nach 10-tägigem Tragen. H Elektrische Eigenschaften des gekapselten IGZO-FET auf der elektronischen Faser vor und nach dem Waschen (Reinigungsmittel und NaCl-Lösung).

Die Feldeffektmobilität (μsat), die Schwellenspannung (Vth) und der Drain-Strom (ID,on) im eingeschalteten Zustand werden aus Abb. 5A – C geschätzt. Aufgrund der Gleichmäßigkeit von Gerät zu Gerät beobachteten wir geringfügige Unterschiede in den ID-VG-Eigenschaften zwischen zwei elektronischen Fasern für konkave und konvexe Biegung. Allerdings behielten die elektrischen Parameter wie Feldeffektmobilität, Schwellenspannung und Drainstrom jedes IGZO-FETs auf beiden Fasern ihre anfängliche Schaltleistung bis zu einer Druckspannung von 0,64 % bzw. einer Zugspannung von 0,68 % bei. Um die mechanische Haltbarkeit der Faser zu untersuchen, wurde ein wiederholter Biegezyklustest durchgeführt, wie in Abb. 5D dargestellt. Der IGZO-FET auf der Faser hielt 10.000 wiederholten Biegezyklen bei einem Biegeradius von 11,7 mm stand. Wir haben weder während noch nach dem Biegetest einen offensichtlichen Bruch der Faser oder eine Delaminierung der Halbleiter- oder Metallelektrode beobachtet. Die Sättigungsmobilität und die Schwellenspannung des FET sanken leicht von 3,77 auf 3,73 cm2V−1s−1 bzw. −0,75 V auf −0,81 V. Der Drainstrom des FET wurde bei jeder Biegebedingung mit vernachlässigbaren Änderungen mit ~ 1,28 μA gemessen, wie in der ergänzenden Abbildung 7 dargestellt. Obwohl die elektronische Faser während der wiederholten Biege- und I-V-Messung der Luft ohne Passivierungsschicht ausgesetzt war Der IGZO-FET zeigte elektrische Stabilität und Lebensdauer ohne ernsthafte Beeinträchtigungen und Fehlfunktionen. Aus den zusätzlichen mechanischen Tests und den elektrischen Eigenschaften der elektronischen Faser bis zum Grenzwert haben wir herausgefunden, dass der Schwellenbiegeradius (R) und die Dehnung (ε) der elektronischen Faser 7,3 mm bzw. 1,03 % betrugen, ohne dass es zu einem mechanischen Versagen kam die Quarzfaser. (Ergänzende Abbildung 8) Da die elektronische Leistung des IGZO-TFT auf der Faser unmittelbar vor dem Ausfall der Faser erhalten blieb, scheint die mechanische Haltbarkeit unserer elektronischen Faser von den mechanischen Eigenschaften des Fasersubstrats abzuhängen. Aufgrund der begrenzten mechanischen Eigenschaften von Mikrofasern auf der Basis anorganischer Materialien war es schwierig, eine bessere Flexibilität als bei herkömmlichen flexiblen elektronischen Geräten zu erreichen. Für die Implementierung eines leistungsstarken und integrierten elektronischen Fasersystems ist es jedoch unerlässlich, leistungsstarke anorganische Halbleitermaterialien zu verwenden. Insbesondere mikroskalige Fasern auf Siliciumdioxidbasis können als eines der vielversprechenden Fasersubstrate angesehen werden, da sie durch die Einführung sowohl von Hochtemperatur- als auch von konventionellen Halbleiterfertigungsprozessen bessere elektronische Eigenschaften erzielen und verkleinert werden können. Dennoch besteht weiterhin Bedarf an der Entwicklung besserer Fasersubstrate, die ein integriertes elektronisches Fasersystem mit hoher Leistung und Flexibilität ermöglichen. Beispielsweise verfügen flexible Polymermaterialien wie Polyimid über eine Kombination hervorragender Eigenschaften wie chemische Stabilität, thermische Stabilität, geringe Wärmeleitfähigkeit, Strahlungsbeständigkeit, Isolationsfähigkeit, hohe Zugfestigkeit und Zugmodul, die als Ersatzfasersubstrate betrachtet werden können für bessere Flexibilität und Verarbeitbarkeit29.

Tragbare E-Textilien sollten atmungsaktiv und waschbar sein und eine hohe Flexibilität und Formanpassungsfähigkeit aufweisen. Um die Machbarkeit einer möglichen E-Textil-Anwendung zu demonstrieren, wurde die elektronische Faser direkt in ein Stück gewöhnlichen Kompressionsverbandes eingenäht. Um unerwartete Schäden an der elektronischen Faser während des Nähvorgangs zu verhindern, haben wir eine spezielle Nähmethode eingeführt, bei der eine Nadel oder eine Spritze verwendet wird, die es den Fasern ermöglicht, sicher im Stoff zu platzieren (Ergänzungsfilm 1). Es hat uns geholfen, die elektronische Faser in den Stoff einzunähen, ohne dass die Oberfläche ernsthaft beschädigt wurde. Da die Nadel der Spritze die elektronische Faser beim Nähen führt, konnten wir die Ausrichtung der Faser im Kleidungsstück (Verband) steuern, was dazu führte, dass der UV-Sensor oder Temperatursensor für beide elektrischen Kontakte zur UV- oder Temperaturerfassung nach oben zeigt. Anschließend wurde der Stoff erneut ohne zusätzliche Schutzbeschichtung in den Kragen eines Hemdes eingenäht, wie in Abb. 5E dargestellt. Wir haben die Schaltleistung des IGZO-FET, die optoelektrischen Eigenschaften des UV-Sensors und die thermoelektrischen Eigenschaften des Temperatursensors auf der Faser im unberührten, genähten Zustand und nach 10-tägigem Tragen überwacht (ergänzende Abbildung 9). Der IGZO-FET behielt seine elektrische Leistung einen Tag lang bei. Nach 10 Tagen zeigte es eine leicht verminderte Feldeffektmobilität von etwa 7,4 cm2V−1s−1 (Abb. 5F). Darüber hinaus beobachteten wir einen leichten Rückgang des Drain-Stroms von 2,9 auf 1,8 μA und eine positive Verschiebung der Schwellenspannung von –2,4 auf –1,7 V. Aus den zusätzlichen Messungen des Fotostroms und der thermoelektrischen Spannung der elektronischen Faser vor und nach 10-tägigem Tragen, wie in Abb. 5G dargestellt, stellten wir fest, dass der Fotosensor relativ stabil war und Fotostromwerte von 15,3 und 13,7 μA bei eingeschalteter LED beibehielt bzw. Aus-Zustände bei VG = 0 V und VD = 5 V. Obwohl unsere elektronische Faser in einem Kleidungsstück das UV-Signal außerhalb der Faser erfolgreich erkannt hat, liegt dies an der Nähmethode mit Spritzennadelunterstützung. Wenn die elektronische Faser durch die herkömmliche Nähmethode vollständig in einem Kleidungsstück versenkt wird, ist im Allgemeinen kaum eine ordnungsgemäße Erkennung von UV-Licht aus allen Richtungen zu erwarten. Für praktische UV-Sensoranwendungen elektronischer Fasern sind daher noch weitere Untersuchungen zur Platzierung elektronischer Fasern in einem Kleidungsstück und zur Bewertung ihrer Sensorleistung erforderlich. Darüber hinaus haben wir die thermoelektrischen Eigenschaften jedes TC auf der Faser im Stoff bewertet, der auf einem heißen Spannfutter platziert wurde. Alle TCs wiesen vor und nach 10-tägigem Tragen bei Raumtemperatur (23 °C) nahezu den gleichen Wert von etwa 0,52 μV Thermospannung auf. Ebenso zeigte die durchschnittliche Thermospannung jedes TC (TC1, TC2, TC3) einen ähnlichen Wert von etwa 128,3 μV bei 40 °C vor und nach 10-tägigem Tragen. Obwohl unsere elektronischen Fasern auch unter Stressbedingungen gut funktionierten, sollten wir hier beachten, dass eine zusätzliche dicke Schutz- oder Abschirmschicht erforderlich ist, um die erwarteten Risiken im Zusammenhang mit ihrem Kontakt mit dem menschlichen Körper auszuschließen und gleichzeitig die elektrische Funktion der Geräte gegenüber verschiedenen Umgebungsbedingungen (mechanisch) aufrechtzuerhalten Stress, Chemikalien, Schweiß usw.)30,31. Um die Waschbarkeit der elektronischen Faser weiter zu bewerten, führten wir den CTAC-Prozess (Geschwindigkeit 1,0 mm min−1) einer SU-8-Lösung durch, um eine Passivierungsschicht (Dicke = 2 μm) zu bilden. Die elektronische Faser wurde vollständig mit einer SU-8-Passivierungsschicht bedeckt. Anschließend wurde die eingekapselte elektronische Faser 30 Minuten lang in eine Reinigungslösung (5 ml in 90 ml Leitungswasser) und eine NaCl-Lösung (0,5 Gew.-% für künstlichen menschlichen Schweiß) getaucht und unter Rühren bei 600 U/min bei Raumtemperatur in reinem Leitungswasser gespült32 . Nach dem Waschen wurde die elektronische Faser bei 60 °C auf einer Heizplatte getrocknet. Da die SU-8-Schicht die äußere elektronische Faser vollständig bedeckte, zeigte die elektronische Leistung des IGZO-FET einen vernachlässigbaren Unterschied in den Übertragungseigenschaften (Feldeffektmobilität von 3,74 cm2V−1s−1 im Sättigungsbereich und ein Ein/Aus-Strom). Verhältnis von 4 Größenordnungen) vor und nach dem Waschen mit Waschmittel und 0,5 Gew.-%igen NaCl-Lösungen, wie in Abb. 5H gezeigt. Dies bedeutet, dass die eingekapselte elektronische Faser unabhängig von der nassen Umgebung, wie Wasch- und Schweißbedingungen, eine stabile Leistung beibehält. Durch die Einführung einer zuverlässigen Schutz- oder Einkapselungsschicht, die unter verschiedenen mechanischen oder chemischen Bedingungen haltbar ist, kann die Implementierung praktischer elektronischer Fasern möglich sein. Daher glauben wir, dass unsere elektronische Faserplattform immer noch als gültiger Ansatz für integrierte elektronische Textilsysteme gilt.

Zusammenfassend haben wir eine elektronische Faserplattform mit integrierten elektronischen Geräten auf einer 1D-Mikrofaser demonstriert. Unser elektronisches Fasersystem bestand aus grundlegenden elektronischen Einheiten wie Transistoren, Wechselrichtern, Ringoszillatoren zur Datenverarbeitung und Sensor- oder Wandlereinheiten zur Erkennung optischer/thermischer Signale. Für eine hohe Integrationsdichte wurden die kapillarunterstützte Beschichtungsmethode und die maskenlose Fotolithographie implementiert, um das gewünschte Gerätedesign schnell und direkt mit hoher Auflösung unter Umgebungsbedingungen zu zeichnen. Aufgrund der Beschränkung der Skalierung im Herstellungsprozess im Labormaßstab zum aktuellen Stand haben wir 30 Gerätesätze erreicht (z. B. Transistor mit L = 10 μm und W = 50 μm/Kontaktpads mit 100 μm × 100 μm, 50 μm ×). 50 μm) auf einer 10 cm langen Faser, was als Proof of Concept für die Implementierung der direkten Montage elektronischer Systeme auf einer Mikrofaser demonstriert. Wenn die Halbleiterfertigungstechnologie auf einem Mikrofasersubstrat ausgereift ist, glauben wir, dass es möglich ist, eine elektronische Faser mit höherer Dichte zu implementieren, die denen herkömmlicher Halbleiterbauelemente auf einem Siliziumwafer ähnelt. Für weitere Informationen zur Machbarkeit unserer elektronischen Faserplattform haben wir einfach berechnet, wie lange die Faser benötigt, um einen Personalcomputer-Mikroprozessor (Intel Pentium-Prozessor) zu integrieren, der eine Chipfläche von 91 mm2 hat und 3,3 Millionen Transistoren mit einem Prozessschritt von 0,35 μm enthält BiCMOS-Technologie (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium). Wenn dieselbe Herstellungstechnologie angewendet wird, um den oben genannten Chip auf der Außenhülle der kreisförmigen Mikrofaser mit einem Durchmesser von 150 μm zu integrieren, sind nur 19,3 cm lange Mikrofasern erforderlich, um eine Mikroprozessorfaser zu implementieren, wie in Abb. 6 dargestellt. Daher wird der vorgeschlagene Die Geräteplattform stellt eine architektonische Art von Fasergerät bereit und soll zur Realisierung hochdichter, in Kleidung eingebetteter elektronischer Fasern beitragen. Wir gehen davon aus, dass dieser Zusammenbau mehrerer elektronischer Systeme auf Mikrofasern durch die Anpassung eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses von Rolle zu Rolle technologische Fortschritte bei elektronischen Textilien sowie bei konventioneller, auf Batch-Prozessen basierender 2D-Wafer-Elektronik ermöglichen wird. Um integrierte elektronische Fasern im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu implementieren, ist eine präzise und kontinuierliche Steuerung der Ausrichtung der Faseroberfläche erforderlich, um einen kontinuierlichen Herstellungsprozess während der Zuführung der Faser zu ermöglichen. Um Größen- und Dichtebeschränkungen integrierter elektronischer Komponenten auf einer Faser für reale Anwendungen zu überwinden, ist es erforderlich, einen maskenlosen Photolithographieprozess mit höherer Auflösung einzuführen und die Position der Belichtungsmodule zu ändern, um die Nutzung des gesamten Umfangs der Faser zu ermöglichen. Schließlich wird auch die Optimierung der Anordnung der Geräte für jeden Prozessschritt (z. B. Beschichtung, Lithographie, Entwicklung, Abscheidung, Ätzung und Inspektion) als wichtiger Faktor für die Massenproduktion elektronischer Fasern durch kontinuierliche Rolle-zu-Rolle angesehen Verfahren. (Ergänzende Abbildung 10).

Theoretische Berechnung, wie lange Mikrofaser (Durchmesser 150 μm) benötigt, um den Pentium-Mikroprozessor zu integrieren (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium).

Alle in dieser Studie verwendeten Materialien wurden wie folgt ohne jegliche Reinigung erworben. Optische Faser mit quadratischem Quarzkern (FP150QMT, Thorlabs), Gold (Au, 99,99 %, TAEWON SCIENTIFIC), Chrom (Cr, CR-090010, 99,9 %, Nilaco), Nickel (Ni, NI-311165, 99,9 %, Nilaco), IGZO-Sputtertarget (In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:1 in Atom-%, 99,99 %, Advanced Engineering Materials), Au-Ätzmittel (Gold Etchant, Sigma Aldrich), Cr-Ätzmittel (CR-7, KMG Electronic Chemicals). ), Ni-Ätzmittel (Nickel Etchants, TRANSENE), Al2O3-Ätzmittel (Aluminium Etch ANPE 80/5/5/10 Microchem), IGZO-Ätzmittel (HCl, 35 %, Wako), positiver Fotolack (AZ GXR 601, AZ Electronic Materials), Entwickler (AZ 300 MIF Developer, Merck).

Die quadratisch geformten Mikrofasern mit Siliziumdioxidkern (150 μm × 150 μm × 7,5 cm) wurden 5 Minuten lang in entionisiertem Wasser, Aceton und Isopropanol mit Ultraschall gereinigt. Anschließend erfolgte eine 15-minütige Behandlung mit ultraviolettem Ozon (UV/O3). Metallelektroden wurden durch maskenlose Photolithographie strukturiert. Eine 2 μm dicke Fotolackschicht wurde mithilfe eines Kapillarrohr-unterstützten Beschichtungsverfahrens (CTAC) (Geschwindigkeit 1,0 mm min−1) auf das Fasersubstrat aufgetragen, 2 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 100 °C eingebrannt und ultraviolettem Licht ausgesetzt unter Verwendung eines maskenlosen Aligners (MLA 100, HEIDELBERG) mit einer Energiedichte von ca. 200 mJ cm−2 und 1000 μm s−1 Antriebsgeschwindigkeit. Die Probe wurde 2 Minuten lang in Entwickler getaucht und nach dem harten Backen (100 °C für 2 Minuten) mit entionisiertem Wasser gespült. Eine 10 nm dicke Cr-Haftschicht, gefolgt von einer 30 nm dicken Au, wurde abgeschieden und durch Eintauchen des Fasersubstrats in ein Bad aus Resist-Entferner strukturiert. Bemerkenswerterweise wurden 50 nm dicke Cr- und 50 nm dicke Ni-Schichten durch Vakuumverdampfung bei einem Basisdruck von ca. 50 bar abgeschieden. ~10−6 Torr und Geschwindigkeit 0,5 Å s−1 für Thermoelemente. IGZO-Dünnfilme (15 nm) wurden unter Verwendung eines Wechselstrom-Sputtersystems (ACT ORION 8 Sputtering System, AJA International, 100 W, Ar: O2 = 20,0: 0,2 sccm, 2 × 10−3 Torr) abgeschieden. Nach der Abscheidung wurden die so abgeschiedenen IGZO-Filme auf eine Heizplatte gelegt und 30 Minuten lang bei 300 °C in Umgebungsluft thermisch getempert, um die Qualität des IGZO-Films zu verbessern. Al2O3 (Dicke 36,1 nm) für das Gate-Dielektrikum und die Kapselungsschichten wurde direkt mit dem Atomlagenabscheidungssystem (LUCIDA D100 ALD, NCD) abgeschieden. Als Vorläufer bzw. Oxidationsmittel in diesem System wurden Trimethylaluminium und entionisiertes Wasser verwendet. Die Substrattemperatur wurde während der 400 Zyklen des Abscheidungsprozesses auf 100 °C gehalten. Bei der Nassätzsequenz wurde jedes Ätzmittel für jedes Material im Handel erworben und nach Verdünnung mit entionisiertem Wasser verwendet. Die detaillierten Bedingungen sind wie folgt. Au-Ätzmittel: 1/20 für 3 Minuten; Cr-Ätzmittel: 1/20 für 3 Min.; Ni-Ätzmittel: 1/20 für 3 Min.; IGZO-Ätzmittel: 1/100 für 2 Minuten; Al2O3-Ätzmittel: 50 °C für 4 Min. Nach Abschluss jedes Nassätzvorgangs wurden die Proben mit entionisiertem Wasser gewaschen, in ein Acetonbad bei 100 °C überführt und 5 Minuten lang eingetaucht, um den Fotolack zu entfernen.

Strom-Spannungs-Kennlinien wurden mit einem HP4145B (HP Ltd.), Keithley 4200SCS (Keithley Instruments, Ltd.) und einem digitalen Phosphoroszilloskop DPO2002B (Tektronix, Ltd.) in Umgebungsluft gemessen. Die optoelektrischen und elektrischen Eigenschaften des Fototransistors wurden mit einem Keithley 4200 Halbleitercharakterisierungssystem unter Beleuchtung mit einer Wellenlänge von 470 nm (UV-LED-Licht von 50 mW cm−2) gemessen. Um das optoelektrische Signal des durch die Faser wandernden UV-Lichts zu messen, wurde 404 nm UV-Laserlicht (50 mW) verwendet. Um elektronische Fasern in einen Stoff einzunähen, wurde eine spezielle Nähmethode entwickelt, bei der eine Nadel einer Spritze verwendet wird, die es den Fasern ermöglicht, sich sicher im Stoff zu platzieren (Zusatzfilm 1). Die Beschichtung der Verkapselungsschicht (SU-8) auf der elektronischen Faser erfolgte mit dem CTAC-Verfahren (Geschwindigkeit 1,0 mm min−1). Um die Waschbarkeit der elektronischen Faser zu bewerten, wurden Reinigungsmittel (5 ml in 90 ml Leitungswasser) und NaCl (0,5 Gew.-% für künstlichen menschlichen Schweiß) in Leitungswasser gegeben. Der Waschtest wurde 30 Minuten lang durchgeführt und in reinem Leitungswasser unter Rühren bei 600 U/min bei Raumtemperatur gespült. Nach dem Waschen wurde die elektronische Faser bei 60 °C auf einer Heizplatte getrocknet. SEM- und optische Mikroskopbilder wurden mit einem Nova NanoSEM 450 (FEI Ltd.) bzw. einem Nikon ECLIPSE LV150-Mikroskop (Nikon) aufgenommen. Die Dicke dünner Filme wurde mit einem Oberflächenprofilgerät (ET200, Kosaka Laboratory Ltd.) bestimmt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Messungen wurden mit einem ESCALAB250Xi (Thermo Fisher Scientific, USA) bei einem Grunddruck von 10–9 mbar durchgeführt.

Die Bilddaten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

Rein, M. et al. Diodenfasern für gewebebasierte optische Kommunikation. Natur 560, 214–218 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Chen, G., Li, Y., Bick, M. & Chen, J. Intelligente Textilien für die Stromerzeugung. Chem. Rev. 120, 3668–3720 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Loke, G. et al. Computerstoffe. Angelegenheit 2, 786–788 (2020).

Artikel Google Scholar

Yu, L. et al. Flexible Multimaterialfasern zur verteilten Druck- und Temperaturmessung. Adv. Funktion. Mater. 30, 1908915 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Weng, W. et al. Ein Weg zur intelligenten Systemintegration: vom Faserdesign bis zum Gerätebau. Adv. Mater. 32, 1902301 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, L. et al. Anwendungsherausforderungen in der Faser- und Textilelektronik. Adv. Mater. 32, 1901971 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Yetisen, AK, Martinez-Hurtado, JL, Ünal, B, Khademhosseini, A & Butt, H. Wearables in der Medizin. Adv. Mater. Rev. 30, 1706910 (2018).

Artikel Google Scholar

Kwon, S. et al. Webbare und hocheffiziente organische lichtemittierende Fasern für tragbare Elektronik: ein skalierbarer Niedertemperaturprozess. Nano Lett. 18, 347–356 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yang, T., Xie, D., Li, Z. & Zhu, H. Jüngste Fortschritte bei tragbaren taktilen Sensoren: Materialien, Sensormechanismen und Geräteleistung. Mater. Wissenschaft. Eng., R. 115, 1–37 (2017).

Artikel Google Scholar

Liao, X. et al. Ein hoch dehnbarer multifunktionaler Nanosensor auf ZnO@Faser-Basis zur Dehnungs-/Temperatur-/UV-Erkennung. Adv. Funktion. Mater. 26, 3074–3081 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Zhong, J. et al. Faserbasierter Generator für tragbare Elektronik und mobile Medikamente. ACS Nano 8, 6273–6280 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Heo, JS, Eom, J., Kim, Y.-H. & Park, SK Aktuelle Fortschritte textilbasierter tragbarer Elektronik: eine umfassende Übersicht über Materialien, Geräte und Anwendungen. Klein 14, 1703034 (2018).

Artikel Google Scholar

Liu, LX et al. Flexible und multifunktionale Seidentextilien mit biomimetischen blattähnlichen MXene/Silber-Nanodraht-Nanostrukturen zur Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen, zur Feuchtigkeitsüberwachung und zur selbst abgeleiteten Hydrophobie. Adv. Funktion. Mater. 29, 1905197 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Ham, S. et al. Eindimensionale organische künstliche Multisynapsen, die ein elektronisches textiles neuronales Netzwerk für tragbare neuromorphe Anwendungen ermöglichen. Wissenschaft. Adv. 6, eaba1178 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yan, W. et al. Fortschrittliche elektronische und optoelektronische Fasern und Textilien aus mehreren Materialien. Adv. Mater. 31, 1802348 (2019).

Artikel Google Scholar

Karnaushenko, D., Kang, T., Bandari, VK, Zhu, F. & Schmidt, OG Selbstorganisierte 3D-Mikroelektronikgeräte: Konzepte, Materialien, Anwendungen. Adv. Mater. 32, 1902994 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Loke, G. et al. Digitale Elektronik in Fasern ermöglicht gewebebasierte Inferenz durch maschinelles Lernen. Nat. Komm. 12, 3317 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lugoda, P. et al. Flexible Integration von Temperatursensoren in E-Textilien unter Verwendung verschiedener industrieller Garnherstellungsverfahren. Sensoren 20, 73 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Komolafe, A. et al. Integration flexibler Filamentschaltungen für E-Textil-Anwendungen. Adv. Mater. Technol. 4, 1900176 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kang, M. et al. Organische Niederspannungs-Transistor-Speicherfaser mit einem nanokörnigen organischen ferroelektrischen Film. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 11, 22575–22582 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

McKenna, C., Walsh, K., Crain, M. & Lake, J. Maskenlose Direktschreib-Graustufenlithographie für MEMS-Anwendungen. Proz. 18. Biennale Universität/Regierung/Ind. Mikro-/Nano-Symp. 1–4 (IEEE, IN, 2010).

Yoon, J. et al. Robuste und dehnbare elektronische Textilien auf Indium-Gallium-Zinkoxid-Basis, hergestellt durch Zilien-unterstützten Transferdruck. Nat. Komm. 7, 1–10 (2016).

ADS Google Scholar

Cai, W., Zhang, J., Wilson, J. & Song, A. Niederspannungs-Wechselrichter auf InGaZnO-Basis mit vollem Betrieb, ermöglicht durch lösungsverarbeitetes, ultradünnes AlxOy. IEEE Electron Device Lett. 40, 1285–1288 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ok, K., Oh, S., Jeong, H., Bae, JU & Park, J. Einfluss von Aluminiumoxidpuffern auf die Stabilität von amorphen InGaZnO-Dünnschichttransistoren mit oberem Gate auf flexiblen Substraten. IEEE Electron Device Lett. 36, 917–919 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hwang, BU et al. Rolle der ultradünnen Al2O3-Schicht in organischen/anorganischen Hybrid-Gate-Dielektrika zur Verbesserung der Flexibilität von InGaZnO-Dünnschichttransistoren. Org. Wählen. 15, 1458–1464 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Jin, Z. et al. Nahfeldgekoppelter integrierbarer zweidimensionaler InSe-Fotosensor auf Glasfaser. ACS Nano 12, 12571–12577 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Hwang, S. et al. Lösungsverarbeitete organische thermoelektrische Materialien mit dotierkonzentrationsabhängiger Polarität. Physik. Chem. Chem. Physik. 18, 29199–29207 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. –H., Mei, Z. –X., Liang, H. –L. & Du, X. –L. Übersicht über flexible und transparente Dünnschichttransistoren auf Basis von Zinkoxid und verwandten Materialien. Kinn. Physik. B 26, 047307 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Lin, H. et al. Charakterisierung des thermischen und elektrischen Transports in 6,4 nm großen Au-Filmen auf Polyimidfilm- und Fasersubstraten. Wissenschaft. Rep. 10, 1–9 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Kim, D. –H., Xiao, J., Song, J., Huang, Y. & Rogers, JA Dehnbare, krummlinige Elektronik auf Basis anorganischer Materialien. Adv. Mater. 22, 2108–2124 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, J., Campbell, AS, de Ávila, BE-F. & Wang, J. Tragbare Biosensoren für die Gesundheitsüberwachung. Nat. Biotechnologie. 37, 389–406 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Lim, T. Überwachung des menschlichen Schweißes mithilfe von Fasern auf Polymerbasis. Wissenschaft. Rep. 9, 17294 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der National Research Foundation of Korea (2020R1A2C2010163) unterstützt.

Minji Kang

Aktuelle Adresse: Chemical Materials Solutions Center, Korea Research Institute of Chemical Technology, 141 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34114, Republik Korea

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Sunbin Hwang, Minji Kang.

Forschungszentrum für funktionelle Verbundwerkstoffe, Korea Institute of Science and Technology, Wanju-gun, Jeollabuk-do, 55324, Republik Korea

Sunbin Hwang, Aram Lee und Sukang Bae

Abteilung für flexible und druckbare Elektronik, LANL-JBNU Engineering Institute-Korea, Jeonbuk National University, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, 54896, Republik Korea

Minji Kang und Tae-Wook Kim

School of Materials Science and Engineering, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro-63-beon-gil, Geumjeong-gu, Busan, 46241, Republik Korea

Seoung-Ki Lee

School of Chemical Engineering, Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, Republik Korea

Sang Hyun Lee

Abteilung für Physik und Astronomie, Institut für Angewandte Physik, Seoul National University, Seoul, 08826, Republik Korea

Takhee Lee

KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul, 02841, Republik Korea

Geldhaufen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

T.-WK hat die Idee entwickelt. SH, AL, T.-WK führten die Experimente durch und SH, MK, AL, SB, S.-KL, SHL, TL, GW, T.-WK sammelten und analysierten die Daten. SH, MK, T.-WK haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript. T.-WK überwachte das Projekt, überarbeitete das Manuskript und leitete die Arbeiten bis zum Abschluss.

Korrespondenz mit Tae-Wook Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Cédric Cochrane und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Hwang, S., Kang, M., Lee, A. et al. Integration mehrerer elektronischer Komponenten auf einer Mikrofaser zu einer neuen elektronischen Textilplattform. Nat Commun 13, 3173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

Zitat herunterladen

Eingegangen: 29. Juni 2021

Angenommen: 23. Mai 2022

Veröffentlicht: 08. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Nano-Mikro-Buchstaben (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.