KR20160105161A - Transparent and Stretchable Electrotactile Stimulator and Process for Preparing the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 패터닝된 제1 보호층; 상기 패터닝된 제1 보호층에 인접하여 형성된 패터닝된 전극층; 상기 패터닝된 전극층에 인접하여 형성된 패터닝된 제2 보호층; 및 상기 패터닝된 제2 보호층에 인접하여 형성된 부착층을 포함하는, 투명하고 신축성 있는 전기 자극기, 그리고 이의 제조 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a transparent stretchable electric stimulator and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a patterned first protective layer; A patterned electrode layer formed adjacent to the patterned first passivation layer; A patterned second protective layer formed adjacent to the patterned electrode layer; And an adhesive layer formed adjacent to the patterned second protective layer, and a method of making the same.
웨어러블(wearable) 대화형 인간-장치 간의 인터페이스(interactive human machine interface (iHMI)) 시스템은, 특히, 스마트 안경(Feng, S., et al. Immunochromatographic diagnostic test analysis using google glass, ACS Nano 8, 3069-3079 (2014)) 및 스마트 시계(Wile, D.J., Ranawaya, R., Kiss, Z. H. T. Smart watch accelerometry for analysis and diagnosis of tremor, J. Neurosci. Methods 230, 1-4 (2014))와 같은 웨어러블 전자기기의 최근 발전과 함께 주목받고 있다.A wearable interactive human machine interface (iHMI) system is particularly well suited for use with smart glasses (Feng, S., et al . Immunochromatographic diagnostic assay using google glass, ACS Nano 8, 3069-3079 (2014)) and a timepiece (Wile, DJ, Ranawaya, R. , Kiss, ZHT Smart watch accelerometry for analysis and diagnosis of tremor, J. Neurosci. Methods 230, 1-4 (2014)) Has recently been attracting attention with the recent development of wearable electronic devices.
견고한 센서 및 액추에이터(actuators)가 통합된 웨어러블 장치는 높은 성능 및 실용성을 발휘하지만, 인체와 부피가 큰 견고한 장치 간의 기계적 부조화로부터 발생하는 불편함(Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333, 838-843 (2011)(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014)(Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv. Mater . 25, 68396846 (2013)); 견고한 전자 기기의 설계 불가변성(Reuss, R. H., et al. Macroelectronics: perspectives on technology and applications. Proc. IEEE ., 93, 1239-1256 (2005))으로 인해 종래의 패션 안경 및 시계에 기반한, 장치의 서로 어긋나는 설계에 기인한 착용자의 부자연스러운 외관; 및 견고한 센서의 인체에 대한 비등각 부착(nonconformal attachment)에 기인한 신호 잡음(Signal artefacts)(Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333, 838-843 (2011)(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014)(Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv . Mater . 25, 68396846 (2013))을 포함하는 광범위한 사용을 막는 몇 가지 제한이 존재한다.Wearable devices incorporating robust sensors and actuators offer high performance and practicality, but inconveniences arise from mechanical incompatibility between the human body and bulky rigid devices (Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333 , 838-843 (2011) (Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014) (Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv. Mater . 25 , 68396846 (2013)); Due to the design irreversibility of rugged electronics (Reuss, RH, et al . Macroelectronics: perspectives on technology and applications, Proc. IEEE , 93 , 1239-1256 (2005)), An unnatural appearance of the wearer due to design misalignment; And signal artefacts due to the nonconformal attachment of the robust sensor to the human body (Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333 , 838-843 (2011) (Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014) (Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv . Mater . 25 , 68396846 (2013)).
따라서 인간의 피부에 등각으로(conformally) 적층(laminate)되어 자연스러운 외관 및 높은 신호 대 잡음 비(SNR)를 가질 수 있는 새로운 장치가 요구된다.Therefore, there is a need for a new device that can be conformally laminated to human skin to have a natural appearance and a high signal-to-noise ratio (SNR).
유연하고(flexible) 신축성 있는(stretchable) 설계의 채택 및 그에 수반한 장치의 두께와 무게의 감소는 웨어러블 전자 기기 설계와 관련하여 중요한 목표이다.The adoption of a flexible and stretchable design and subsequent reduction in thickness and weight of the device is an important goal with respect to wearable electronic device design.
최근에, 신축성 있는 무기(inorganic) 전자 기기(Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333, 838-843 (2011)(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014)(Webb, R. C., et al . Ultrathin conformal devices for precise and continuous thermal characterization of human skin. Nat . Mater . 12, 938-944 (2013)), 초박 및 경량인 유기 센서(Someya, T., et al . Conformable, flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organic transistor active matrixes. Proc . Natl . Acad . Sci . U.S.A. 102, 12321-12325 (2005)(Sekitani, T., Zchieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nat . Mater . 9, 1015-1022 (2010), 유연한 전자 피부(Takei, K., et al. Nanowire active-matrix circuitry for low-voltage macroscale artificial skin. Nat . Mater . 9, 821-826 (2010)(Wang, C., et al . User-interactive electronic skin for instantaneous pressure visualization. Nat . Mater . 12, 899-904 (2013) 및 매우 민감하고 유연한 기계적 센서(Mannsfeld, S. C. B., et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nat . Mater . 9, 859-864 (2010))(Lipomi, D. J., et al . Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes. Nat . Nanotech . 6, 788-792 (2011))(Jung, S., et al . Reverse-Micelle-Induced Porous Pressure-Sensitive Rubber for Wearable HumanMachine Interfaces. Adv Mater. Early View (2014))(Gong, S, et al . A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires. Nat. Comm, 5, 3132 (2014))의 개발을 포함하는, 이러한 방향으로 상당한 노력이 이루어지고 있다.Recently, a flexible inorganic electronic device (Kim, D.-H., et al . Epidermal Electronics. Science 333 , 838-843 (2011) (Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014) (Webb, RC, et al . Ultrathin conformal devices for precise and continuous thermal characterization of human skin. Nat . Mater . 12 , 938-944 (2013)), ultra-light and lightweight organic sensors (Someya, T., et al . Conformable, flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organic transistor active matrixes. Proc . Natl . Acad . Sci . USA 102, 12321-12325 (2005) ( Sekitani, T., Zchieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nat. Mater. 9, 1015-1022 (2010 ), flexible electronics skin (Takei, K., et al. Nanowire active-matrix circuitry for low-voltage artificial skin macroscale. Nat. Mater. 9, 821-826 (2010) (Wang, C., et al . User-interactive electronic skin for instantaneous pressure visualization. Nat . Mater . 12, 899-904 (2013), and highly sensitive and flexible mechanical sensor (Mannsfeld, SCB, et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nat. Mater. 9, 859-864 (2010)) (Lipomi, DJ, meat al . Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes. Nat . Nanotech . 6 , 788-792 (2011)) (Jung, S., et al . Reverse-Micelle-Induced Porous Pressure-Sensitive Rubber for Wearable HumanMachine Interfaces. Adv Mater. Early View (2014)) (Gong, S, et al . A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires. Nat. Comm, 5 , 3132 (2014)).
초박형의 변형가능한 설계는, 최소한의 신호 잡음으로 인체에서 정확한 데이터를 수집가능하게 한다. 그러나, 이전에 보고된 이러한 장치는 불투명한 반도체와 금속으로 제조되어 인간의 피부와 다르게 보인다. 또한, 이들 센서의 대부분은 대량의 전력을 소모하고, 따라서 큰 전력 공급 장치를 필요로 한다(Kim, D.-H., et al. Epidermal Electronics. Science 333, 838-843 (2011)(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014)(Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv. Mater . 25, 68396846 (2013)).The ultra-thin, deformable design allows accurate data collection from the human body with minimal signal noise. However, these previously reported devices are made of opaque semiconductors and metals and appear different from human skin. In addition, most of these sensors consume large amounts of power and thus require large power supplies (Kim, D.-H., et al., Epidermal Electronics Science 333 , 838-843 (2011) D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014) (Jeong, J.-W., et al . Materials and optimized designs for human-machine interfaces via epidermal electronics. Adv. Mater . 25 , 68396846 (2013)).
투명한 전자 재료는 웨어러블 장치를 눈에 보이지 않게 만들 수 있어서, 자연스러운 모습과 향상된 심미감을 불러 일으킨다.Transparent electronic materials can make the wearable device invisible, creating a natural look and enhanced aesthetics.
예를 들어, 탄소기반의 나노재료(그래핀 (Kim, K. S., et al . Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature 457, 706-710 (2009)) 및 탄소 나노튜브 (Wu, Z., et al . Transparent, conductive carbon nanotube films. Science 87, 1273-1276 (2004)))와 금속 나노와이어(NW) (은 나노와이어 (Hu, L., Kim, H. S., Lee, J.-Y., Peumans, P., Cui, Y., et al . Scalable coating and properties of transparent, flexible, silver nanowire electrodes. ACS Nano 4, 2955-2963 (2010)) 및 금 나노와이어 (Moraq, A., Ezersky, V., Froumin, N., Moqiliansky, D., Jelinek, R., Transparent, conductive gold nanowire networks assembled from soluble Au thiocyanate. Chem. Comm . 49, 8552-8554 (2013)))가 집중적으로 연구되고 있다.For example, carbon-based nanomaterials (Grafin (Kim, KS , et al . Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature 457 , 706-710 (2009)) and carbon nanotubes (Wu, Z. , et al . Transparent, conductive carbon nanotube films. Science , Vol. 87 , 1273-1276 (2004)) and metal nanowires (NW) (Hu, L., Kim, HS, Lee, J.-Y., Peumans, P., Cui, Y., meat al . Scalable coatings and properties of transparent, flexible, silver nanowire electrodes. ACS Nano 4 , 2955-2963 (2010)) and gold nanowires (Moraq, A., Ezersky, V., Froumin, N., Moqiliansky, D., Jelinek, R., Transparent, conductive gold nanowire networks assembled from soluble Au thiocyanate. Chem. Comm ., 49 , 8552-8554 (2013))) have been intensively studied.
이러한 투명한 나노재료는, 나노스케일로 제작된 구조체의 굽힘 강도를 극적으로 감소시키기 때문에, 유연한 전자 장치에 사용될 수 있다(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014))(Rogers, J., Lagally, M. G., Nuzzo, R. G., Synthesis, assembly and applications of semiconductor nanomembranes. Nature 477, 45-53 (2011)).Such transparent nanomaterials can be used in flexible electronic devices because they dramatically reduce the bending strength of nanoscale structures (Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014)) (Rogers, J., Lagally, MG, Nuzzo, RG, Synthesis, Assembly and Applications of Semiconductor Nanomembranes, Nature 477 , 45-53 (2011)).
한편, 압전 재료에 기반한 자가 동력(self-powered) 기계적 센서는 전자 시스템의 전력 소모를 줄일 수 있다(Xu, S., et al. Self-powered nanowire devices. Nat. Nanotech. 5, 366-373 (2010)).On the other hand, self-powered mechanical sensors based on piezoelectric materials can reduce the power dissipation of electronic systems (Xu, S., et al., Self-powered nanowire devices, 5 , 366-373 2010).
폴리(염화 비닐리덴)(Lee, M., et al . A hybrid piezoelectric structure for wearable nanogenerators. Adv . Mater . 24, 1759-1764 (2012))(Persano, L., et al. High performance piezoelectric devices based on aligned arrays of nanofibers of poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene). Nat . Comm . 4, 1633 (2013)) 및 폴리 락트산(PLA)(Yoshida, T., et al . Piezoelectric motion of multilayer film with alternate rows of optical isomers of chiral polymer film. Jpn . J. Appl . Phys . 50, 09ND13-1-09ND13-5 (2011))을 포함하는 고분자, 및 산화 아연(Wang, Z. L., Song, J., Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays. Science 312, 242-246 (2006)) 및 티탄산 지르콘산 납(lead zirconate titanate) (Qi, Y., et al . Enhanced piezoelectricity and stretchability in energy harvesting devices fabricated from buckled PZT ribbons. Nano Lett . 11, 1331-1336 (2011))을 포함하는 무기 나노재료와 같은, 광범위한 압전 재료가 연구되고 있다.Poly (vinylidene chloride) (Lee, M. , et al . A hybrid piezoelectric structure for wearable nanogenerators. Adv . Mater . 24, 1759-1764 (2012)) ( Persano, L., et al. High performance piezoelectric devices based on aligned arrays of nanofibers of poly (vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene). Nat. Comm. 4, 1633 (2013)) and Polylactic acid (PLA) (Yoshida, T. , et al . In this paper, we propose a new type of chiral polymer film. Jpn . J. Appl . Phys . 50 , 09ND13-1-09ND13-5 (2011)), and zinc oxide (Wang, ZL, Song, J., Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays. Science 312 , 242-246 (2006) And lead zirconate titanate (Qi, Y. , et al . Enhanced piezoelectricity and stretchability in energy harvesting devices fabricated from buckled PZT ribbons. Nano Lett . 11 , 1331-1336 (2011)), a wide variety of piezoelectric materials have been studied.
본 발명자들은, 인간의 동작을 관찰하고, 기계 제어를 위한 신호로 기록된 데이터를 변환하고, 기계로 트리거링(triggering) 신호를 전달하며, 전기(electrotactile) 장치를 통해 상기 기계에서 조작자로 피드백 정보를 전송할 수 있는 자극기(stimulator)를 개발하였다.The present inventors have found that by observing human motion, converting recorded data into a signal for machine control, delivering a triggering signal to the machine, and transmitting feedback information from the machine to an operator via an electrotactile device A stimulator was developed to transmit the stimulus.
본 발명의 기본적인 목적은 패터닝된 제1 보호층; 상기 패터닝된 제1 보호층에 인접하여 형성된 패터닝된 전극층; 상기 패터닝된 전극층에 인접하여 형성된 패터닝된 제2 보호층; 및 상기 패터닝된 제2 보호층에 인접하여 형성된 부착층을 포함하는, 투명하고 신축성 있는 전기 자극기를 제공하는 것이다.A basic object of the present invention is to provide a patterned first protective layer; A patterned electrode layer formed adjacent to the patterned first passivation layer; A patterned second protective layer formed adjacent to the patterned electrode layer; And an adhesive layer formed adjacent to the patterned second protective layer.
본 발명의 또 다른 목적은 (i) 니켈로 피복된 실리콘 기판 위에 제1 보호층을 형성하는 단계; (ii) 상기 제1 보호층을 패터닝하는 단계; (iii) 상기 패터닝된 제1 보호층 위에 그래핀 층을 전사하는 단계; (iv) 상기 그래핀 층 위에 은 나노와이어 분산액을 코팅한 후 가열하는 단계; (v) 상기 건조된 은 나노와이어 층 위에 그래핀을 전사하는 단계; (vi) 상기 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층을 패터닝하는 단계; (vii) 상기 패터닝된 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층 위에 제2 보호층을 형성하는 단계; (viii) 상기 제2 보호층을 패터닝하는 단계; (ix) 상기 패터닝된 제2 보호층 위에 폴리메틸메타크릴레이트를 코팅하는 단계; (x) 에칭액을 사용하여 상기 니켈층을 제거하고 실리콘 웨이퍼를 분리하여 전기 자극기를 제조하는 단계; (xi) 상기 전기 자극기를 폴리디메틸실록산에 전사하는 단계; 및 (xii) 상기 폴리메틸메타크릴레이트 층을 제거하는 단계를 포함하는, 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (i) forming a first protective layer on a silicon substrate coated with nickel; (ii) patterning the first passivation layer; (iii) transferring the graphene layer onto the patterned first protective layer; (iv) coating the silver nanowire dispersion on the graphene layer and then heating; (v) transferring the graphene onto the dried silver nanowire layer; (vi) patterning the graphene / silver nanowire / graphene multilayer; (vii) forming a second protective layer over the patterned graphene / silver nanowire / graphene multilayer; (viii) patterning the second passivation layer; (ix) coating polymethylmethacrylate on the patterned second passivation layer; (x) removing the nickel layer using an etchant and separating the silicon wafer to produce an electric stimulator; (xi) transferring the electric stimulator to polydimethylsiloxane; And (xii) removing the polymethylmethacrylate layer. ≪ Desc /
전술한 본 발명의 기본적인 목적은 패터닝된 제1 보호층; 상기 패터닝된 제1 보호층에 인접하여 형성된 패터닝된 전극층; 상기 패터닝된 전극층에 인접하여 형성된 패터닝된 제2 보호층; 및 상기 패터닝된 제2 보호층에 인접하여 형성된 부착층을 포함하는, 투명하고 신축성 있는 전기 자극기를 제공함으로써 달성될 수 있다.The basic object of the present invention described above is to provide a patterned first protective layer; A patterned electrode layer formed adjacent to the patterned first passivation layer; A patterned second protective layer formed adjacent to the patterned electrode layer; And an adhesive layer formed adjacent to the patterned second protective layer. ≪ RTI ID = 0.0 > [0002] < / RTI >
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기에 있어서, 상기 패터닝된 제1 보호층은 에폭시 수지(예를 들면, SU8, Microchem) 또는 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene, BCB)일 수 있다. 또한, 상기 패터닝된 제1 보호층의 두께는 100 nm 내지 100 μm일 수 있다.In the transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention, the patterned first protective layer may be an epoxy resin (e.g. SU8, Microchem) or benzocyclobutene (BCB). In addition, the thickness of the patterned first protective layer may be 100 nm to 100 탆.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기에 있어서, 상기 패터닝된 전극층은 그래핀, 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT) 또는 은 나노와이어(AgNW)일 수 있다. 바람직하게는, 상기 패터닝된 전극층은 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층일 수 있다. 상기 은 나노와이어는 그래핀의 전도도를 더 높여 주는 역할을 한다. 또한, 상기 패터닝된 전도층의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.In the transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention, the patterned electrode layer may be graphene, single wall carbon nanotubes (SWNTs) or silver nanowires (AgNW). Preferably, the patterned electrode layer may be a graphene / silver nanowire / graphene multilayer. The silver nanowire serves to increase the conductivity of graphene. Further, the thickness of the patterned conductive layer may be 1 nm to 100 nm.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기에 있어서, 상기 패터닝된 제2 보호층은 에폭시 수지(예를 들면, SU8) 또는 벤조사이클로부텐일 수 있다. 또한, 상기 패터닝된 제2 보호층의 두께는 100 nm 내지 100 μm일 수 있다.In the transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention, the patterned second protective layer may be an epoxy resin (e.g., SU8) or benzocyclobutene. Also, the thickness of the patterned second protective layer may be 100 nm to 100 탆.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기에 있어서, 상기 부착층은 폴리디메틸실록산일 수 있다. 또한, 상기 부착층의 두께는 1 μm 내지 100 μm일 수 있다.In the transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention, the adhesion layer may be polydimethylsiloxane. Further, the thickness of the adhesion layer may be from 1 μm to 100 μm.
본 발명의 또 다른 목적은 (i) 니켈로 피복된 실리콘 기판 위에 제1 보호층을 형성하는 단계; (ii) 상기 제1 보호층을 패터닝하는 단계; (iii) 상기 패터닝된 제1 보호층 위에 그래핀 층을 전사하는 단계; (iv) 상기 그래핀 층 위에 은 나노와이어 분산액을 코팅한 후 가열하는 단계; (v) 상기 건조된 은 나노와이어 층 위에 그래핀을 전사하는 단계; (vi) 상기 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층을 패터닝하는 단계; (vii) 상기 패터닝된 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층 위에 제2 보호층을 형성하는 단계; (viii) 상기 제2 보호층을 패터닝하는 단계; (ix) 상기 패터닝된 제2 보호층 위에 폴리메틸메타크릴레이트를 코팅하는 단계; (x) 에칭액을 사용하여 상기 니켈층을 제거하고 실리콘 웨이퍼를 분리하여 전기 자극기를 제조하는 단계; (xi) 상기 전기 자극기를 폴리디메틸실록산에 전사하는 단계; 및 (xii) 상기 폴리메틸메타크릴레이트 층을 제거하는 단계를 포함하는, 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (i) forming a first protective layer on a silicon substrate coated with nickel; (ii) patterning the first passivation layer; (iii) transferring the graphene layer onto the patterned first protective layer; (iv) coating the silver nanowire dispersion on the graphene layer and then heating; (v) transferring the graphene onto the dried silver nanowire layer; (vi) patterning the graphene / silver nanowire / graphene multilayer; (vii) forming a second protective layer over the patterned graphene / silver nanowire / graphene multilayer; (viii) patterning the second passivation layer; (ix) coating polymethylmethacrylate on the patterned second passivation layer; (x) removing the nickel layer using an etchant and separating the silicon wafer to produce an electric stimulator; (xi) transferring the electric stimulator to polydimethylsiloxane; And (xii) removing the polymethylmethacrylate layer. ≪ Desc /
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법에 있어서, 상기 각 층의 패터닝은 포토리소그래피에 의해 수행될 수 있다.In the transparent and stretchable electric stimulator manufacturing method of the present invention, the patterning of each layer can be performed by photolithography.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법에 있어서, 상기 제1 보호층은 에폭시 수지(예를 들면, SU8) 또는 벤조사이클로부텐일 수 있다. 또한, 상기 제1 보호층의 두께는 100 nm 내지 100 μm일 수 있다.In the transparent and stretchable electric stimulator manufacturing method of the present invention, the first protective layer may be an epoxy resin (for example, SU8) or benzocyclobutene. In addition, the thickness of the first protective layer may be 100 nm to 100 m.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법에 있어서, 상기 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.In the method of the present invention for producing a transparent and stretchable electric stimulator, the thickness of the graphene / silver nanowire / graphene multilayer may be between 1 nm and 100 nm.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법에 있어서, 상기 제2 보호층은 에폭시 수지(예를 들면, SU8) 또는 벤조사이클로부텐일 수 있다. 또한, 상기 제2 보호층의 두께는 100 nm 내지 100 μm일 수 있다.In the transparent and stretchable electrical stimulator manufacturing method of the present invention, the second protective layer may be an epoxy resin (e.g., SU8) or benzocyclobutene. The thickness of the second protective layer may be 100 nm to 100 m.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법에 있어서, 상기 피부 부착용 필름은 폴리디메틸실록산일 수 있다. 또한, 상기 피부 부착용 필름의 두께는 1 μm 내지 100 μm일 수 있다.In the method of the present invention for producing a transparent and stretchable electric stimulator, the skin attachment film may be polydimethylsiloxane. Further, the thickness of the skin attachment film may be from 1 μm to 100 μm.
본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기는 등각으로 인간의 피부에 부착될 수 있고 잘 떨어지지 아니하므로, 대화형 인간-기계 인터페이스(interactive human machine interface)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 전기 자극기의 투명성으로 인하여 사용자로 하여금 착용했을 때 심미적으로 좋게 할 수 있다.The transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention can be applied to an interactive human machine interface since it can be conformally attached to human skin and does not fall off well. In addition, due to the transparency of the electric stimulator of the present invention, the wearer can be esthetically improved when worn.
도 1은 본 발명의 투명한 전기 자극기의 제조 방법을 보여 주는 개략도이다.
도 2a는 인간 손목 상부에 등각 접촉하고 있는 본 발명의 투명한 전기 자극기에 대한 사진이고, 도 2b는 본 발명의 투명한 전기 자극기의 일부가 벗겨져 있는 사진이다.
도 3은 본 발명의 전기 자극기에 사용되는 패터닝된 그래핀(GP) 헤테로구조체의 전개도이다.
도 4는 본 발명의 전기 자극기에 사용되는 패터닝된 그래핀(GP) 헤테로구조체의 단면을 색채화한 주사전자현미경(SEM) 사진(에폭시: 청색, GP/AgNW/GP: 분홍색)이다.
도 5는 본 발명의 전기 자극기(청색)의 가시광선 영역에서의 투과도이다.
도 6은 초기(적색), 금-도핑(녹색), 및 은 나노와이어(AgNW)-코팅된(청색) GP 헤테로구조체의 시트 저항(sheet resistance)을 보여 준다. 도 6의 삽입도는 상기 은 나노와이어로 코팅된 GP의 SEM 사진이다.
도 7은 인간의 동작(좌측), 대응하는 굽힘 반경과 함께 이의 확대도(중간), 및 각 굽힘 반경에서의 굽힘 동작(우측)을 보여 준다.
도 8은 초기(적색), 금-도핑(녹색), 및 은 나노와이어-코팅된(청색) GP 헤테로구조체의 단위 길이 당 저항의 변화를 보여주고, 상기 저항은 굽힘 반경에 반비례로 변한다.
도 9는 구조체를 굽힌 후에 PET 층 위의 ITO 필름의 표면에 대한 SEM 사진이다.
도 10은 굽힘 반경(R)이 ∞(도 10a), 1.3 cm(도 10b), 0.52 cm(도 10c) 및 0.38 cm(도 10d)인 경우에 GP 헤테로구조체의 스트레인 분포를 보여 주는 유한요소분석(FEA) 결과 및 이에 상응하는 굽혀진 헤테로구조체의 사진을 보여 준다.
도 11은 돼지 피부에 부착된 본 발명의 투명한 전기 자극기의 사진이다.
도 12는 본 발명의 전기 자극기를 사용하여 전기적 자극 및 기록을 수행하기 위한 실험 장치에 대한 하나의 예시이다.
도 13은 도 12에 나타난 기록계 (2), (3) 및 (4)로부터 측정된 전압을 보여 준다.
도 14는 다른 자극 전류에 대하여 피부 층의 개수의 함수로서 기록된 전압을 보여 준다.
도 15는 감지되기 위해 필요한 최소 자극 전압을 주파수의 함수로서 플롯한 것이다.
도 16은 본 발명의 전기 자극기를 사용한 직접적인 자극의 경우에 있어서 피부의 3차원 전위 분포에 대한 FEA(유한요소분석법) 결과이다.
도 17은 본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기의 초기(pristine)(좌측) 및 신장된(우측) 상태의 사진이다.
도 18은 구불구불한 GP 전극의 저항을, 적용된 스트레인의 함수로서 보여 준다.
도 19는 30% 신장(stretching) 하에서 전기 자극기/기록계 상의 스트레인 분포를 보여 주는 FEA 결과이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a method of manufacturing a transparent electric stimulator of the present invention. FIG.
Figure 2a is a photograph of a transparent electrical stimulator of the present invention conformally contacting an upper part of a human wrist, and Figure 2b is a photograph of a part of a transparent electrical stimulator of the present invention being peeled off.
3 is a developed view of a patterned graphene (GP) heterostructure used in the electrical stimulator of the present invention.
FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (epoxies: blue, GP / AgNW / GP: pink) obtained by coloring a cross section of a patterned graphene (GP) heterostructure used in the electric stimulator of the present invention.
5 is the transmittance in the visible light region of the electric stimulator (blue) of the present invention.
Figure 6 shows the sheet resistance of the initial (red), gold-doped (green), and silver nanowire (AgNW) -coated (blue) GP heterostructures. 6 is an SEM photograph of the GP coated with the silver nanowire.
Fig. 7 shows human motion (left), its enlarged view (middle) with its corresponding bending radius, and its bending motion at each bend radius (right).
Figure 8 shows the change in resistance per unit length of the initial (red), gold-doped (green), and silver nanowire-coated (blue) GP heterostructures, and the resistance varies inversely with the bending radius.
9 is a SEM photograph of the surface of the ITO film on the PET layer after bending the structure.
10 shows a finite element analysis showing the strain distribution of the GP heterostructure when the bending radius R is ∞ (FIG. 10A), 1.3 cm (FIG. 10B), 0.52 cm (FIG. 10C) and 0.38 cm (FEA) results and corresponding photographs of the bent heterostructure.
Figure 11 is a photograph of a transparent electrical stimulator of the present invention attached to pig skin.
Figure 12 is an illustration of an experimental apparatus for performing electrical stimulation and recording using the electrical stimulator of the present invention.
Fig. 13 shows the measured voltages from the recorders (2), (3) and (4) shown in Fig.
Figure 14 shows the recorded voltage as a function of the number of skin layers for different stimulation currents.
Figure 15 plots the minimum stimulation voltage needed to be sensed as a function of frequency.
16 is FEA (Finite Element Analysis) results of the three-dimensional potential distribution of the skin in the case of direct stimulation using the electric stimulator of the present invention.
Figure 17 is a photograph of the pristine (left) and elongated (right) states of the transparent and stretchable electrical stimulator of the present invention.
Figure 18 shows the resistance of the serpentine GP electrode as a function of applied strain.
Figure 19 is an FEA result showing the strain distribution on an electric stimulator / recorder under 30% stretching.
이하, 다음의 실시예 또는 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예 또는 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples or drawings. It is to be understood, however, that the following description of the embodiments or drawings is intended to illustrate specific embodiments of the invention and is not intended to be exhaustive or to limit the scope of the invention to the precise forms disclosed.
실시예Example 1. 은 1. Silver 나노와이어(AgNW)의Of nanowires (AgNW) 합성 synthesis
은 나노와이어를 합성하기 위하여, 5 ml 에틸렌 글리콜(EG, JUNSEI, Japan)을 50 ml 유리병(vial)에 붓고, 260 rpm으로 교반하면서 오일 조(oil bath) 내에서 가열하였다(153℃). 30분 동안 가열한 후, EG에 용해된 40 μL의 4 mM 염화 구리(CuCl2ㆍ2H2O, 99%, DAEJUNG, Korea) 용액을 15분 동안 가열하면서 첨가하였다. 다음으로, 1.5 mL의 0.147 M 폴리(비닐피롤리돈)(PVP, avg. MW 55000, Aldrich, USA) 및 EG에 용해시킨 1.5 ml의 0.094 M 질산은(AgNO3 99%+, Strem Chemicals, Inc., USA) 용액을 첨가하였다. 주입 후, 상기 반응을 1시간 동안 진행시켰다. 다음으로, 은 나노와이어 용액을 원심분리하였고 아세톤에 3회 반복하여 재분산시켰다. 마지막으로, 은 나노와이어를 건조시켰고, 1 wt%가 되도록 에탄올 내에 분산시켰다.
5 ml of ethylene glycol (EG, JUNSEI, Japan) was poured into a 50 ml vial and heated in an oil bath (153 ° C) with stirring at 260 rpm to synthesize the nanowires. After heating for 30 minutes, 40 μL of 4 mM copper chloride (CuCl 2 .2H 2 O, 99%, DAEJUNG, Korea) solution dissolved in EG was added with heating for 15 minutes. 1.5 ml of 0.094 M silver nitrate (AgNO 3 99% +, Strem Chemicals, Inc.) dissolved in 1.5 mL of 0.147 M poly (vinylpyrrolidone) (PVP, avg. MW 55000, Aldrich, USA) and EG. , USA). After the injection, the reaction was allowed to proceed for 1 hour. Next, the silver nanowire solution was centrifuged and redispersed in acetone three times. Finally, the silver nanowires were dried and dispersed in ethanol to 1 wt%.
실시예Example 2. 2. 그래핀의Grapina 합성 synthesis
그래핀을 화학 기상 증착(CDV)으로 25 μm의 구리 호일(foil)(Alfa Aesar, USA) 상에서 합성하였다. 구리 호일을 1000℃에서 1시간 동안, 일정한 수소 흐름(8 sccm)과 함께 어닐링한 다음, 메탄 가스(20 sccm)를 30분 동안 삽입하였다. 이어서, 수소 분위기 하에서, 상기 챔버의 온도를 실온으로 급속 냉각시켰다. PMMA(A4, 495, Microchem, USA)를 스핀 코팅한 후, 상기 구리 호일 상에 합성된 그래핀 층을 구리 에칭액에 담가서, 구리를 에칭하였고, 상기 그래핀/PMMA 층을 부유시켰다. 상기 분리된 그래핀 층을 탈이온수로 세척하여 잔류 에칭액을 제거하였다.
Graphene was synthesized by chemical vapor deposition (CDV) on 25 μm copper foil (Alfa Aesar, USA). The copper foil was annealed at 1000 占 폚 for 1 hour with a constant hydrogen flow (8 sccm) and then methane gas (20 sccm) was inserted for 30 minutes. Subsequently, under a hydrogen atmosphere, the temperature of the chamber was rapidly cooled to room temperature. After the PMMA (A4, 495, Microchem, USA) was spin-coated, the graphene layer synthesized on the copper foil was immersed in a copper etching solution to etch copper, and the graphene / PMMA layer was floated. The separated graphene layer was washed with deionized water to remove the residual etchant.
실시예Example 3. 투명한 3. Transparent 웨어러블Wearable 전기 자극기의 제조 Manufacture of electric stimulator
제조 방법의 도식적인 설명을 도 1에 나타내었다. 본 방법은 실리콘 웨이퍼의 도금 처리(Cr/Ni, 7 nm/70 nm 두께)부터 시작하고, 이어서 기판에 네거티브(negative) 에폭시(SU8, Microchem, USA)를 스핀 코팅하였다. 포토리소그래피(photolithography)를 통하여 에폭시 패턴을 형성하였다. 이어서, 상기 기판에 그래핀 층을 전사하였다. 다음으로, 은 나노와이어 분산액을 상기 그래핀 층에, 30초 동안 3000rpm으로 스핀 코팅하였고, 200℃에서 5분 동안 구웠다. 마지막으로, 두 번째 그래핀 층을 은 나노와이어가 내포된 상기 그래핀 층에 전사하였고 반응성 이온 에칭(reactive ion etching)을 이용하여 분리하였다(O2 플라즈마, 150 sccm, 챔버 압력 150 mTorr, 고주파수 전력 100 W, 에칭 시간 20초). 상기 상부 에폭시 층을 포토리소그래피를 통하여 패터닝하였다. PMMA층을 상부에 스핀 코팅하였고; 이 층은 지지층의 역할을 하였다. 니켈 에칭액(etchant)을 사용하여 희생층의 역할을 하는 상기 니켈 필름을 제거하였다. 상기 에칭 처리가 완료된 후, 상기 자극기를 PDMS/PVA 필름 상에 전사하였다. 마지막으로, 상기 장치의 PMMA층을 아세톤 용액으로 제거하였다.
A schematic description of the manufacturing method is shown in Fig. The method comprises the steps of: Starting from the wafer plating (Cr / Ni, 7 nm / 70 nm thickness), the substrate was then spin-coated with a negative epoxy (SU8, Microchem, USA). An epoxy pattern was formed by photolithography. Then, the graphene layer was transferred to the substrate. Next, the silver nanowire dispersion was spin-coated on the graphene layer at 3000 rpm for 30 seconds and baked at 200 DEG C for 5 minutes. Finally, a second graphene layer was transferred to the graphene layer containing the silver nanowires and separated using reactive ion etching (O 2 plasma, 150 sccm, chamber pressure of 150 mTorr, high frequency power 100 W,
실시예Example 4. 광학적, 전기적 및 기계적 특성 4. Optical, electrical and mechanical properties
도 2는 전기 자극기(도 2a) 및 상기 전기적 자극기에 대해 부분적으로 분리된 사진(도 2b)을 보여 준다. 상기 장치의 초박형, 경량 및 신축성에 의해 인간 피부와 등각 통합(confomal intergration)이 가능하고, 상당한 정도로 편안하게 한다. 또한, 높은 투명성으로 인해, 상기 장치는 부분 박리(delamination) 후에도 여전히 알아차리기 어렵다. 상기 눈에 보이지 않는, 투명 재료를 사용한 피부-순응성 장치는, 자연스럽고 미적으로 만족스러운 외관을 가지며, 개인의 사생활을 보장한다.Figure 2 shows an electrical stimulator (Figure 2a) and a photograph partially separated (Figure 2b) with respect to the electrical stimulator. The device's ultra-thin, lightweight and stretch allows confomal intergration with the human skin and is considerably comfortable. Also, due to the high transparency, the device is still difficult to notice after partial delamination. The invisible, skin-conforming device using a transparent material has a natural, aesthetically pleasing appearance and assures privacy of the individual.
상기 장치의 구조적 설계 및 사용된 재료의 특성은, 상기 전기 자극기에 사용된 패터닝된 전도성 그래핀(GP) 헤테로구조체의 확대도(도 3)에 도시되어 있다. 상기 전기 자극기는 전도성 그래핀 헤테로구조체(도 4), 즉, 도핑된 그래핀 층들 사이에 끼어있는 은 나노와이어의 네트워크로 이루어져 있으며, 이는 더 나은 전도도 및 피부로의 전하 주입(charge-injection)을 가능하게 한다. 상기 은 나노와이어는, 에틸렌 글리콜 내에서, 구리 씨드(seed) 및 폴리(비닐피롤리돈) 리간드를 사용하여 합성하였다. 도 4는 자극기에 사용된, 전도성 그래핀 헤테로구조체의 단면에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다. 상기 자극기의 에폭시 및 그래핀/AgNW/그래핀 층은 청색과 분홍색으로 각각 나타내었다.The structural design of the device and the properties of the material used are shown in an enlarged view of the patterned conductive graphene (GP) heterostructure used in the electrical stimulator (FIG. 3). The electrical stimulator consists of a conductive graphene heterostructure (Fig. 4), i.e. a network of silver nanowires sandwiched between doped graphene layers, which leads to better conductivity and charge-injection into the skin . The silver nanowires were synthesized in ethylene glycol using a copper seed and a poly (vinyl pyrrolidone) ligand. Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of a conductive graphene heterostructure used in a stimulator. The epoxy and graphene / AgNW / graphene layers of the stimulator were blue and pink, respectively.
GP/AgNW/GP로 만들어진 전기 자극기의 투과율을 가시광선 영역(도 5, 380 내지 780 ㎚)에서 측정 하였고; 상기 전기 자극기는 높은 투명성을 나타낸다. 인듐 주석 산화물(ITO) 전극은 투명 전극으로서 널리 사용된다. 그러나, 초기(pristine) 상태에서, 그래핀은 ITO 보다 높은 시트 저항(sheet resistance)을 가지므로, 따라서 전도성을 개선하고자 하는 경우 그래핀을 변형해야만 한다. 따라서, 염화 금으로 도핑된 다층의 그래핀으로 구성되고, 내포된 은 나노와이어를 포함한 전도성 그래핀 헤테로구조체가 사용된다. 도 6은, 초기 상태(696.5 Ω/□), 금 도핑(354.5 Ω/□) 및 은 나노와이어 코팅(98.8 Ω/□)된 그래핀 전극에 대해 측정된 시트 저항을 보여준다; 상기 측정값은 그래핀의 전도도가 도핑에 의해 성공적으로 증가할 수 있음을 나타낸다. 도 6의 삽입도는 은 나노와이어 코팅된 그래핀의 SEM 사진을 보여준다.The transmittance of an electric stimulator made of GP / AgNW / GP was measured in the visible light region (FIG. 5, 380 to 780 nm); The electrical stimulator exhibits high transparency. Indium tin oxide (ITO) electrodes are widely used as transparent electrodes. However, in the pristine state, graphene has sheet resistance higher than that of ITO, and therefore graphene must be deformed in order to improve the conductivity. Thus, conductive graphene heterostructures comprising silver nanowires, comprised of multi-layer graphene doped with gold chloride, are used. Figure 6 shows the sheet resistance measured for an initial state (696.5? /?), Gold doping (354.5? /?) And silver nanowire coating (98.8? /?) For a graphene electrode; The measured values indicate that the conductivity of graphene can be successfully increased by doping. The inset of FIG. 6 shows a SEM photograph of silver nanowire coated graphene.
ITO에 대한 상기 그래핀 헤테로구조체의 장점 중 하나는 매우 높은 기계적 변형성이다. 상기 그래핀 헤테로구조체 및 ITO 필름은, 굽힘 단계를 사용하여, 상이한 굽힘 반경으로 구부러진다. 상기 굽힘 반경은 굽힌 인간의 손목의 위치에 기초하여 측정된다(도 7). 상기 굽힘 시험에서, 상기 그래핀 헤테로구조체가 극도로 굽혀진 상태에서도 높은 전기 전도도를 유지하는 것을 확인한 반면에, ITO 필름은 시트 저항이 급격하게 증가함을 보여주었다(도 8). 상기 ITO 필름의 SEM 이미지에서 보여지는 바와 같이(도 9), 상기 ITO의 저항 증가는 굽혀질 때 형성되는 균열에 기인한다. 반면에, 상기 그래핀 헤테로구조체에서는 균열이 관찰되지 아니한다. One of the advantages of the graphene heterostructure for ITO is the extremely high mechanical deformability. The graphene heterostructure and the ITO film are bent at different bending radii using a bending step. The bending radius is measured based on the position of the bent human wrist (Fig. 7). In the bending test, it was confirmed that the graphene heterostructure was maintained at a high electrical conductivity even in an extremely bent state, whereas the ITO film showed a sharp increase in sheet resistance (FIG. 8). As shown in the SEM image of the ITO film (FIG. 9), the increase in resistance of the ITO is due to the cracks formed when bent. On the other hand, cracks are not observed in the graphene heterostructure.
이론 역학에 기반한 분석은 이러한 관찰을 확증한다. 상기 그래핀 헤테로구조체 및 ITO 필름의 상이한 굽힘 반경에 대한 스트레인(strain) 분포를 유한 요소 분석법(FEA)에 의해 얻었고; 해당 실험의 사진을 도 10e 내지 10h에 나타내었다. 적색 점선 박스가 FEA의 분석 영역에 해당한다. 상기 FEA 결과는, 동일한 굽힘 반경에서의 그래핀 헤테로구조체 및 ITO 필름의 국소적 스트레인 분포가 그다지 차이가 없다는 것을 나타낸다. 그러나, 상기 ITO 필름(< ~1%) 및 그래핀 헤테로구조체(> ~5%)에 기계적 균열을 일으키는 임계 스트레인(critical strain)은 다르다. 은 나노와이어의 첨가는 상기 그래핀 헤테로구조체의 기계적 강도를 보다 더 향상 시킨다. 따라서, 상기 전도성 그래핀 헤테로구조체는, 인체의 동적인 동작 중에도 고유의 전기적 특성을 유지한다.
An analysis based on theoretical mechanics confirms this observation. Strain distributions for different bending radii of the graphene heterostructure and ITO films were obtained by FEA; Photographs of the experiment are shown in Figs. 10E to 10H. The red dotted box corresponds to the analysis area of FEA. The FEA results show that the local strain distributions of the graphene heterostructure and ITO film at the same bending radius are not much different. However, critical strains that cause mechanical cracks in the ITO film (<1%) and graphene heterostructures (> 5%) are different. The addition of silver nanowires further improves the mechanical strength of the graphene heterostructure. Thus, the conductive graphene heterostructure maintains its inherent electrical properties even during the dynamic operation of the human body.
실시예Example 5. 전기 5. Electricity 자극기용Stimulator 전도성 conductivity GPGP 헤테로구조체Heterostructure
외부에서 전달되는 정보는, 전기 자극기를 통해, 인간 조작자에게 전송될 수 있다. 또한, 상기 전기 자극기는 투명하고 신축성이 있어야 하며, 그로 인해 미학적으로 만족스러울 뿐만 아니라, 효과적인 전하 주입을 위하여 인간 피부에 등각으로 통합된다. 도 1은 상기 자극기 제조 방법의 개략도를 나타낸다. 상기 제조 방법은, 투명한 에폭시(SU8, Microchem, USA)가 패터닝된 희생층(sacrificial layer)(Cr/Ni, 7 nm/70 nm)의 증착부터 시작한다. 이어서, GP/AgNW/GP 다중층은, 상기 에폭시 층위에 전사, 패터닝되고 추가적인 에폭시 내에 피복된다. 다음으로, 상기 전체 장치를 PDMS/폴리비닐 알콜(PVA) 기판위에 전사인쇄(transfer-printed)한다. 마지막으로, 상기 전기 자극기를, 물에 PVA 층을 용해함으로써, 피부로 전달한다.Information transmitted from the outside can be transmitted to the human operator through the electric stimulator. In addition, the electrical stimulator must be transparent and stretchable, thereby aesthetically pleasing, and is also conformally integrated into the human skin for effective charge injection. Figure 1 shows a schematic view of the stimulator manufacturing method. The above process starts with deposition of a sacrificial layer (Cr / Ni, 7 nm / 70 nm) patterned with a transparent epoxy (SU8, Microchem, USA). The GP / AgNW / GP multilayer is then transferred onto the epoxy layer, patterned and covered in an additional epoxy. Next, the whole device is transferred-printed onto a PDMS / polyvinyl alcohol (PVA) substrate. Finally, the electrical stimulator is delivered to the skin by dissolving the PVA layer in water.
상기 전기 자극기의 전하 주입 특성을 알기 위해 돼지 피부를 사용하였다. 전기 자극기 및 기록 전극(recording electrodes)은, 상기 돼지 피부 조각의 상, 하 측에 각각 등각으로 배치되었다(도 11). 도 12는 실험 설정 및 상기 전기 자극기와 기록 전극간의 거리를 보여준다. 상기 전극들 사이의 거리가 다음의 순서로 증가한다: (1)-(2) < (1)-(3) < (1)-(4). 상기 두 전극 사이의 기록된(recorded) 전압의 진폭은, 상기 거리의 감소에 따라 감소하였다(도 13). 또한, 피부 두께가 증가할수록 상기 기록 전압이 감소하였다(도 14). 감지(perception)할 수 있는 임계치보다 더 큰 자극 전압을 적용해야 하며; 상기 전압은 피부의 두께에 따라 달라진다(Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L., Molecular mechanisms of mechanotransduction in mammalian sensory neurons. Nat . Neurosci. 12, 139-153 (2011)). 도 15는, 상기 감지 전압을 상기 자극 주파수의 함수로서 나타낸 플롯이고, 최소 감지 전압이 상기 주파수에 반비례함을 보여준다(Ying, M., et al . Silicon nanomembranes for fingertip electronics. Nanotechnology . 23, 1-7 (2012)). 성공적으로 자극될 수 있는 기계적 수용기(mechanoreceptor)의 공간적 분포를 FEA(도 16)를 사용하여 추정할 수 있다. 상기 자극기가 약 30% 이상으로 신장된 이후에도(도 17)(Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9, 397-404 (2014)), 안정된 전하 주입을 보여준다 (도 18). 도 19는 신장이 될 때의, 상기 자극기 상의 스트레인 분포를 나타낸다.Pork skin was used to determine the charge injection characteristics of the electrical stimulator. Electric stimulators and recording electrodes were placed at the upper and lower sides of the pig skin piece, respectively, at an equal angle (Fig. 11). Figure 12 shows the experimental setting and the distance between the electrical stimulator and the recording electrode. The distance between the electrodes increases in the following order: (1) - (2) <(1) - (3) <(1) - (4). The amplitude of the recorded voltage between the two electrodes decreased with decreasing distance (Fig. 13). Also, as the skin thickness increased, the recording voltage decreased (FIG. 14). A stimulus voltage greater than the threshold that can be perceived must be applied; The voltage depends on the thickness of the skin (Delmas, P., Hao, J., Rodat-Despoix, L., Molecular mechanisms of mechanotransduction in mammalian sensory neurons. Nat . Neurosci . 12 , 139-153 (2011)). Figure 15 shows that the sensing voltage is a plot as a function of the stimulation frequency and the minimum sensing voltage is inversely proportional to the frequency (Ying, M., meat al . Silicon nanomembranes for fingertip electronics. Nanotechnology . 23 , 1-7 (2012)). The spatial distribution of the mechanoreceptors that can be successfully stimulated can be estimated using FEA (Fig. 16). Even after the stimulator is elongated to greater than about 30% (Figure 17) (Son, D., et al . Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nat . Nanotech . 9 , 397-404 (2014)) and stable charge injection (Fig. 18). Figure 19 shows the strain distribution on the stimulator when stretched.
Claims (18)
(ii) 상기 제1 보호층을 패터닝하는 단계;
(iii) 상기 패터닝된 제1 보호층 위에 그래핀 층을 전사하는 단계;
(iv) 상기 그래핀 층 위에 은 나노와이어 분산액을 코팅한 후 가열하는 단계;
(v) 상기 건조된 은 나노와이어 층 위에 그래핀을 전사하는 단계;
(vi) 상기 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층을 패터닝하는 단계;
(vii) 상기 패터닝된 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층 위에 제2 보호층을 형성하는 단계;
(viii) 상기 제2 보호층을 패터닝하는 단계;
(ix) 상기 패터닝된 제2 보호층 위에 폴리메틸메타크릴레이트를 코팅하는 단계;
(x) 에칭액을 사용하여 상기 니켈층을 제거하고 실리콘 웨이퍼를 분리하여 전기 자극기를 제조하는 단계;
(xi) 상기 전기 자극기를 피부 부착용 필름에 전사하는 단계; 및
(xii) 상기 폴리메틸메타크릴레이트 층을 제거하는 단계를 포함하는,
투명하고 신축성 있는 전기 자극기 제조 방법.(i) forming a first protective layer on a silicon substrate coated with nickel;
(ii) patterning the first passivation layer;
(iii) transferring the graphene layer onto the patterned first protective layer;
(iv) coating the silver nanowire dispersion on the graphene layer and then heating;
(v) transferring the graphene onto the dried silver nanowire layer;
(vi) patterning the graphene / silver nanowire / graphene multilayer;
(vii) forming a second protective layer over the patterned graphene / silver nanowire / graphene multilayer;
(viii) patterning the second passivation layer;
(ix) coating polymethylmethacrylate on the patterned second passivation layer;
(x) removing the nickel layer using an etchant and separating the silicon wafer to produce an electric stimulator;
(xi) transferring the electric stimulator to a skin attachment film; And
(xii) removing the polymethylmethacrylate layer.
A method for manufacturing a transparent and stretchable electrical stimulator.
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