(A) study on skin-inspired substrates for stretchable electronics

Adeela, Hanif Sungkyunkwan university 2020 국내박사

피부 장착형 및 웨어러블 전자 장치는 인체와의 상호 작용 및 장기 모니터링 기능으로 인해 주목할 만한 관심을 끌었다. 유연한 피부에 영감을 받은 전자기기는 연성 로봇, 임플란트 의료 시스템, 인간 기계 인터페이스, 건강 모니터링 및 바이오 일렉트로닉스 등에 적합하다. 물리적, 화학적 및 생물학적 시스템을 모니터링하기 위해 고효율 및 최소의 불편함을 갖는 다양한 신축성 센서가 사용되었다. 이러한 신축성 전자 장치는 신축성 기판 상에 제조되어 인간의 피부에 착용될 때 굽히거나 늘어남 및 복잡한 곡선 형태로 변형하기위한 요건을 충족시킬 수 있다. 미래의 신축성 전자 장치의 피부 부착 가능 응용을 위해, 신축성 기판은 발생하는 큰 기계적 변형에 반응하여 장치의 층의 무결성 및 착용자의 신체 활동 중에 발생하는 거대한 기계적 변형에 반응하여 소자 성능의 수준이 유지되도록 자체 제한 기능을 가져야 한다. 따라서, 이 논문에서는 낮은 변형률에서는 높은 신축성을 가지지 만 큰 변형률에서는 높은 인성을 갖는 비 생분해성 및 초박형의 생분해성을 가진, 강인하고 자기-제한성 피부에 영감을 받은 유연성 있는 기판을 보여준다. 사람의 피부는 역동적이며 순응적이고, 생분해성이며 신축성이 뛰어나다. 사람의 피부는 비선형 및 자기 제한적 기계적 성질을 모방한다. 이는 낮은 변형률에서 높은 신축성을 갖지만 표피 아래 조직 내부의 딱딱한 콜라겐 나노 섬유 네트워크의 정렬로 인한 경화로 인해 큰 변형률에서 변형될 때 자체 제한이 된다. 인간 피부의 이러한 기계적 거동을 모방하기 위해, 우리는 높은 탄성률을 가지고, 투명하고, 강인하고, 매우 얇으며, 기능적이고 자가 제한적인 특징을 탄성 중합체의 폴리 디메틸실록산의 낮은 계수의 매트릭스 내로의 압전과 높은 계수를 결정질의 폴리(vinyldenefluoride-cotrifluoroethylene) 를 포함함으로써 제작했다. 탄성중합체 매트릭스에 무작위로 분포된 나노 섬유는 강화 필러로서 기능하여 피부와 같은 기판을 높은 내구성으로 부여하였기 때문에 낮은 압력에서 쉽게 늘어날 수 있지만 응력 감지에 신속하게 파열에 대응하고 유연성 감지를 용이하게 한다. 나노 섬유의 로딩을 제어함으로써 높은 광학 투명도 (80 %)를 갖는 초박형 (~ 62 μm) 피부형 기판의 신축성, 인성 및 영률을 조정할 수있다. 또한 초박형의 피부와 유사한 기판에 신축성 온도 센서를 제작하여 인체 피부의 감각적 기능과 기계적 행동을 모두 모방했다. 이 새로운 신축성 전자 장치는 감지 기능을 유지하면서 신체 움직임을 수용할 수 있다. 또한, NF 로 강화된 복합재는 인간 피부의 기계적 성질을 모방하기 위해 개발되었다. 뻣뻣한 NF 를 탄성중합체 매트릭스에 삽입하면 인성이 증가하지만 신축성이 좋지 않아진다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 우리는 스파게티와 같이 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 탄성중합체에 삽입된 NF 층을 뻣뻣한 폴리 (vinyldenefluoride-cotrifluoroethylene) (PVDF-TrFE )사이에 탄력 있는 폴리우레탄(PU) NFs 의 다중적인 나노 섬유 네트워크(SMNN)를 기반으로 하는 피부에 영감을 받은 디자인을 보고한다. 기판의 영률은 쌓인 층에서 뻣뻣하고 부드러운 나노 섬유 적재량을 조정하여 피부 유형에 따라 조정할 수 있다. 폴리 우레탄 나노 섬유는 또한 뻣뻣한 P (VDF-TrFE)를 첨가한 후에도 전체 기판의 신축성을 유지한다. 이러한 높은 유연성, 조절 가능하며, 자기-제한이 가능한 기판은 각각 적재량을 변화시켜서 0.09 ~ 0.06 MPa 의 탄성률 값을 갖는다. 이는 다양한 유형의 피부 속성을 모방할 수 있는 전략을 개발하는 기회를 제공한다. 또한 피부에서 영감을 얻은 기판 위의 금속 막 코팅은 주기적 (30 %에서 최대 7000 사이클) 및 동적 연신하에서 변화를 보이지 않았다. 게다가, 다양한 농도에서의 NO2 가스 감지 반응이 최대 30 %의 다양한 변형률 하에서 영향을받지 않음을 입증하는 화학 작용 가스 센서를 제조했다. 피부에서 영감을 얻은 이 기판은 의료 진단 고안 및 착용 형 센서에 적용할 수 있다. 환경 영향을 줄이고 의료용 임플란트를 위한 2 차 장치 제거 필요성을 제거하기 위해 우리는 높은 신축성, 순응성 및 조정 가능한 생분해성을 가진 피부에서 영감을 얻은 생분해성 기판을 제작했다. 여기서, PGS 와 PVA 나노 섬유 합성물은 전기 방사되었고 PEG 부드러운 탄성 중합체에 내장되어 신축성 있고 순응적이며, 얇고 및 생분해성인 인간 피부를 모방한다. 완전한 기판은 생분해성이며 피부에서 영감을 얻은 기계적 성질을 성공적으로 보여줍니다. 전도성 있는 생분해성 및 호환 가능한 마이크로 파이버 또한 바이오 응용을 위해 제조되었다. Skin mountable and wearable electronics have attracted incredible attention because of their possible interaction with the human body and long-term monitoring capabilities. Stretchable skin-inspired electronics are considerable for soft robotics, implantable medical systems, human-machine interfaces, health monitoring, and bioelectronics. Diverse stretchable sensors with high efficiency and minimum discomforts have been used to monitor physical, chemical, and biological systems. These stretchable electronic devices have been fabricated on stretchable substrates that can fulfill the requirements for bending, stretching, and deforming into complex curvilinear shapes when worn on human skin. For the future skin-attachable application of stretchable electronic devices, the stretchable substrate must possess self-limiting functions so that the integrity of layers in the devices as well as the reliability and level of device performance are maintained in response to large mechanical deformations that occur during physical activity of the wearer. Therefore, in this thesis, the development of synthetic and biodegradable ultrathin, tough, and self-limiting skin-inspired stretchable substrates that have high stretchability at low strain, but high toughness at large strain, are presented. Human skin is dynamic, conformal, biodegradable, and highly stretchable. Human skin mimics non-linear and self-limiting mechanical properties. It is highly stretchable at low strain but becomes self-limiting when deformed at large strain due to stiffening caused by the alignment of a network of stiff collagen nanofibers inside tissue beneath the epidermis. To imitate this mechanical behavior of human skin, we fabricated a skin-like substrate with highly stretchable, transparent, tough, ultrathin, functional, and self-limiting properties by incorporating crystalline poly(vinyldenefluoride-co-trifluoroethylene) nanofibers with a high modulus and piezoelectricity into the low modulus matrix of elastomeric polydimethylsiloxane. Randomly distributed nanofibers in the elastomer matrix functioned as a reinforcing filler, conferring the skin-like substrate with high durability so that it could easily stretch at low strain but swiftly counteract rupturing in response to stretching, and facilitated strain sensing. The stretchability, toughness, and Young’s modulus of the ultrathin (~62 m) skin-like substrate with high optical transparency (80%) could be tuned by controlling the loading of nanofibers. Moreover, we fabricated a stretchable temperature sensor on the ultrathin skin-like substrate that mimicked both the sensory capabilities and mechanical behavior of human skin. This novel stretchable electronic device was capable of accommodating body movements while maintaining its sensing functionalities. Furthermore, composites reinforced with nanofibers (NFs) have been developed to mimic the mechanical properties of human skin. Embedding stiff NFs into an elastomeric matrix led to an increase in the toughness but compromised the stretchability. To overcome this challenge, we report the design of a skin-inspired substrate based on a spaghetti-like multi-nanofiber network (SMNN) of elastic polyurethane (PU) NFs sandwiched between stiff poly(vinyldenefluoride-co-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE) NFs layers embedded in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer. Young’s modulus of substrate can be tuned according to skin type by adjusting the stiff and soft nanofiber loadings in stacked- layers. Polyurethane nanofibers also maintain the stretchability of overall substrate even after adding the stiff P(VDF-TrFE). This highly stretchable, tunable, and self-limiting substrate has elastic modulus values of 0.09~0.06 MPa by varying loading volumes, respectively. This provides the opportunity to develop a strategy which can mimic the properties of different type of skins. Further, the metal film coating onto the skin-inspired substrate showed no change under cyclic (up to 7000 cycles @ 30 %) and dynamic stretching. Moreover, we fabricated a chemoresistive gas sensor which demonstrated that the NO2 gas sensing response at various concentrations remained unaffected under various degrees of strains up to 30 %. This skin-inspired substrate may find applications in medical diagnostic devise and wearable sensors. To reduce the environmental impact and obviating the need for secondary device removal for medical implants we fabricated the skin-inspired biodegradable substrate with high stretchability, conformity, and tunable biodegradability. Herein, composite of stretchable Poly (Glycerol Sebacate) PGS and (Polyvinyl Alcohol) PVA nanofibers were electrospun and embedded in (Polyethylene Glycol) PEG soft elastomer to mimic stretchable, conformal, thin, and biodegradable human skin. The complete substrate is biodegradable and successfully represents the skin-inspired mechanical properties with tunable mechanical properties and time for degradation.