3Dプリントイオンスキン：効率的で安定したセンシング性能を実現

出典: 高分子科学の最前線

近年、柔軟な圧力感知センサーは、ウェアラブルエレクトロニクス、ロボット工学、タッチスクリーンなどの皮膚分野での潜在的な応用により、幅広い注目を集めています。これらのセンサーは、抵抗率、静電容量、圧電原理に基づいて設計できます。抵抗型圧力センサーはすべて弾性マトリックスに基づいていますが、低圧領域（< 5KPa）ではヒステリシスが大きく、感度が低下することが多く、一方、圧電型圧力センサーは静圧を測定できず、温度の影響を受けやすいという問題があります。静電容量式圧力センサーには、高感度、低消費電力、温度依存性、優れた周波数応答、長期安定性などの利点があります。その中でも感度は作業性能を決定する決定的な要素です。静電容量センサーは、弾性誘電体フィルム (PDMS など) の層を、非常に柔軟な電子導体 (ITO、Ag NW、CNT など) の 2 つの層の間に挟むことによって組み立てられます。このタイプのセンサーは、電子スキンと呼ばれることがよくあります。この構造では、弾性媒体の圧縮性により、圧力負荷下での静電容量の大きな変化が保証され、センサーの感度に重要な影響を及ぼします。超低弾性率誘電体材料の導入や、エアトラップ微細誘電体層の設計により、感度を大幅に向上できることが示されています。しかし、このような微細構造設計を実現するには、化学エッチングやフォトリソグラフィー技術に基づいて金型を準備する複雑で時間のかかる金型転写プロセスが必要になることが多く、スケールや構造の多様性が制限されます。

近年、電子皮膚の電子導体をイオン伝導体に置き換えてセンサーの電極として機能させるイオン皮膚の概念が提案されています。イオンスキンは、3D プリントなどの単純な微細加工技術によって電極コンポーネントを簡単に構築できるため、圧力を感知する感度が高くなります。柔らかく構造化されたハイドロゲルを圧力センサーに導入すると、イオンスキン全体が変形しやすくなり、感度が向上します。さらに、多くのハイドロゲルは比較的良好な生体適合性を有し、その圧縮弾性率は人体のヤング率に近いため、イオン皮膚と人体組織間の機械的適合性が確保されます。しかし、ハイドロゲルは屋外環境ではすぐに乾燥します。この過程で、透明性、導電性、柔軟性、伸縮性など、ハイドロゲルのさまざまな特性が徐々に低下し、デバイスのパフォーマンスの安定性に影響を与えます。信号ドリフトは、イオン皮膚と電子皮膚が長期的な触覚検出で直面するもう 1 つの一般的な問題です。現在、既存のフレキシブルコンデンサのほぼすべての構造は、物理的に層ごとに積み重ねることによって実現されています。層間の非化学結合と電極と誘電体材料間の弾性の不一致により、激しい圧力による繰り返しの荷重負荷サイクル中に層間の相対的な変位が発生します。そのため、一定期間使用すると、明らかな静電容量ドリフトが発生することが多く、検査結果が信頼できなくなります。

この目的のために、カナダのウェスタンオンタリオ大学のヤン・ジュン教授のチームは、イオン皮膚を作るための二重材料3Dプリント戦略を提案しました。これにより、長期使用中に信号ドリフトや性能低下のリスクが排除されます。同時に、微細構造を持つイオンハイドロゲル電極を3Dプリントすることで、イオン皮膚に高い感度が与えられます。イオン性皮膚は、2 つの光硬化性前駆体 (PAAm/PEGDA/Mg2+ ハイドロゲルと水希釈性ポリウレタンアクリレート WPUA) の代替デジタル光処理 3D プリントによって作成されました。イオン伝導性ハイドロゲルは柔らかく透明な電極として機能し、電気絶縁性 WPUA は柔軟で透明な誘電体層として機能します。この新しいデュアルマテリアル印刷により、ハイドロゲルと WPUA 間の強力な化学結合が可能になり、ハイドロゲルを空気から隔離する上で重要な役割を果たし、デバイスに設計された特性が与えられます。結果として得られるデバイスは、高い感度、最小限のヒステリシス、ミリ秒範囲の応答、および優れた繰り返し電圧耐性性能を備えています。研究によると、この二重材料 3D 印刷技術により、人間の生理学的信号や人間とコンピューターの相互作用を監視するための、安定性と性能に優れたイオン皮膚の作成が実現すると期待されています。
グラフィックエクスプレス:

図1. a-c) デュアルマテリアル3Dプリントプロセスの概略図。まず、最初の前駆体溶液が DLP 印刷プロセス中に UV 硬化されます。次に、プラットフォーム上に指定された数の層を構築した後、印刷の進行を一時停止し、印刷された部分を持ち上げて、2 番目の前駆体が入った別の樹脂タンクに交換し、印刷を再開して、2 番目の樹脂を前の層に直接硬化させました。このプロセスは、3D オブジェクト全体が構築されるまで繰り返されます。 df) WPUA 層、WPUA-ハイドロゲル遷移層、およびハイドロゲル層の架橋ネットワークの概略図。図 2. a) DLP 印刷された WPUA-ハイドロゲル複合材料の変形特性。優れた伸縮性と弾性を備え、明らかな損傷なしに高レベルの圧縮、ねじり、曲げ変形に耐えることができます。 b、c）WPUAハイドロゲル中空キューブを脱イオン水に2時間浸漬する前と後の画像。 d) WPUA ハイドロゲルフィルムは透明で柔軟性があります (総厚 200 μm)。e、f) MgCl2 に 2 時間浸漬する前と後の二重層フィルムの 2 つの表面間の導電率の差。上: ハイドロゲル表面、下: WPUA 表面。 g) WPUA-ハイドロゲル-WPUA 3層フィルムの構造と画像。 h) 空気接触時間に応じて変化する重量と抵抗の曲線。
図3. a) 完全に印刷された静電容量センサーの概略図。 b) センサーの全厚は 1.2 mm で、600 μm の構造化ハイドロゲル層と 300 μm 厚のハイドロゲル層が電極として使用され、残りの 3 層の 100 μm WPUA フィルムが中間誘電体層、上層、下層の絶縁層として使用されます。 c) 内部構造を示す、完全に印刷された静電容量センサーのデジタル写真。 d) 電圧バイアス (1 V) 下でのビーム構造特性を持つイオン性皮膚の等価回路の模式図。ここで、Cedl は金属電極とイオン性ハイドロゲル導体との界面に形成される二重電気層、CWPUA は 2 つのハイドロゲル電極の接触部分における WPUA 媒体の静電容量、Cair と CWPUA はそれぞれ懸架部分における空気誘電体と WPUA 誘電体の静電容量、d0 は WPUA 誘電体層の初期厚さで 100 μm、d1 は空気誘電体層の厚さでハイドロゲル構造の初期高さに等しい、Δd1 と Δd0 は圧力下での空気誘電体と WPUA 誘電体層の厚さの変化、赤い点線と黄色い点線はそれぞれ接触部分と懸架部分で囲まれています。 e) イオンスキンの等価回路図図 4. 完全に印刷されたイオンスキンの性能。 a) 異なるビーム高さで完全に印刷されたセンサーに加えられた圧力と相対静電容量の変化 (ΔC/C0) の応答曲線。 b) 0.5～5 kPaの圧力範囲で異なるビーム高さを持つ完全印刷センサーの感知ノイズ。 c) 異なる印加圧力と異なるビーム間隔に対するセンサー静電容量応答と時間の曲線。 d) 完全に印刷されたセンサーの適用および解放された外部圧力負荷 (0.5 KPa) に対する応答および回復時間。 e) 完全に印刷されたセンサーのヒステリシス曲線。 f) 0～1.0 kPa の間で 1000 回の圧力サイクルを比較した、完全に印刷されたセンサーの正規化容量テスト。
図 5. 完全に印刷されたイオンスキンの応用デモンストレーション。 a) ナックル位置で圧力センサーを曲げたり伸ばしたりしたときの静電容量の変化。 b) 「ラッキー」、「グッド」、「3Dプリントセンサー」という単語を発声したとき、さまざまな音響条件下でのコンデンサの応答の変化。 c) 音楽のリズムに応じたリアルタイム静電容量テスト。センサーはピアノのミのキーに取り付けられており、ジングルベルを演奏すると静電容量がリズミカルに変化します。 d) 異なる高さにおける連続水滴のリアルタイム静電容量応答。
この成果は最近、国際的に有名な学術誌「Advanced Functional Materials」に「長期性能安定性を備えたイオンスキンのモノリシックデュアルマテリアル 3D プリント」というタイトルで掲載されました。

論文リンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201904716

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