Каждое электронное устройство выполняет определенную функцию за счет набора определенных свойств. Когда появляется потребность в новых функциях перед исследователями и инженерами стоит выбор — создать новое устройство либо изменить уже имеющееся. Оба пути обладают рядом соответствующих достоинств и недостатков. Совокупность знаний, полученных в ходе разработки и тех, и других позволяет ученым создавать нечто совершенно удивительное. Ярким примером тому является текстильная электроника, позволяющая буквально связать, к примеру, дисплей. Однако имеющиеся на данный момент технологии умных тканей весьма сложные, дорогостоящие и производят много отходов. А изготовление какого-либо устройства такого типа требует специального оборудования. Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) создали новый тип умного текстиля, оснащенный светодиодами, датчиками и модулями сбора и хранения энергии. Самое удивительное, что этот текстиль можно производить на тех же станках, что производят обычную одежду. Из чего сделан умный текстиль, в чем его особенности, и что из него можно сделать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Разработки необычных типов электроники, будь то текстильная или жидкостная, по большей степени связаны с желанием расширить спектр форм-факторов будущих устройств. Создавая новое устройство, обладающее невероятными функциями, инженеры порой сталкиваются с тем, что оно либо слишком большое, либо слишком неудачной формы. А это сильно ограничивает спектр практического применения такого устройства, несмотря на весь его потенциал.

Потому вполне ожидаемо появилось направление гибкой электроники. Однако устройства такого типа пока не готовы к полноценному коммерческому использованию и тотальной замене классических устройств. Главной причиной тому является их ограниченная механическая стабильность при складывании/изгибе, а также ограниченная масштабируемость.

Многие считают, что текстиль, как платформа для электроники, может стать фундаментом для реализации ранее неизвестных типов электронных систем со свободным форм-фактором, неограниченной масштабируемостью и высокой степенью модернизации. В связи с этим необходимы технологии изготовления волоконных электронных устройств и стратегии их интеграции в текстиль. К сожалению, на данный момент разработка автоматизированных процессов, включая ткачество и внедрение фотонных, электронных и энергетических устройств на основе волокна в единую текстильную систему для крупномасштабных приложений, находится на начальной стадии.

На практике существуют серьезные проблемы с автоматизированной интеграцией волоконных устройств в текстиль. Ключевые проблемы в этом направлении заключаются в следующем:

• процесс изготовления волоконных устройств;
• инкапсуляция устройств;
• вплетение волоконных устройств в текстильную систему;
• взаимосвязь между устройствами;
• проектирование системной архитектуры и методов ее управления для различных функций.

Несмотря на колосальный труд, вложенный научным сообществом в решение этих проблем, пока еще не было создано системы, которая лишена их всех.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип умного текстиля. Но куда важнее созданные ими автоматизированные методы интеграции, в том числе вплетение и соединение волоконных устройств в ткань, а также полностью функционирующие текстильные электронные системы с несколькими типами волоконных устройств, объединенных в одну текстильную цепь. Волоконные устройства, включая волоконный фотодетектор (F-PD; в качестве устройства ввода), волоконный суперконденсатор (F-SC; в качестве накопителя энергии), волоконный полевой транзистор (F-FET; в качестве электронного управляющего устройства) и волоконный QD светодиод (F-QLED; в качестве устройства вывода) изготавливались и инкапсулировались как основные элементы, необходимые для создания текстильной системы. Все эти устройства внедрялись в ткань с помощью автоматизированного ткачества и соединялись между собой проводящими нитями с помощью лазерной пайки.

Результаты исследования

Изображение №1

Выше показан процесс интеграции волоконных устройств в ткань путем автоматизированного ткачества для получения желаемой архитектуры системы. Сначала были разработаны ключевые волоконные компоненты, после чего их характеристики были оптимизированы для успешной интеграции в текстильную электронику. На 1A показаны:

• F-PD с коэффициентом включения/выключения 10⁴ при ультрафиолетовом (УФ) облучении (365 нм);
• F-SC емкостью 2.64 мФ;
• F-FET с подвижностью 12.8 см²/В·с и коэффициентом включения/выключения 10⁷;
• F-QLED с яркостью более 900 кд/м².

Все эти устройства изготавливались с использованием различных технологий, таких как вакуумное напыление или обработка раствором волокна, которое определяется соотношением сторон более 30 при ширине в несколько миллиметров. Затем функциональные устройства герметизировались защитными слоями для уменьшения механических повреждений в процессе ткачества, чтобы сохранить работоспособность волоконных устройств после их интеграции.

Изготовленные волоконные устройства вставлялись в направлении утка (горизонтально) вместе с проводящими нитями (55 ± 3 Ом/м) в направлениях утка/основы* (вертикально) с помощью автоматизированного плетения, в соответствии с проектом архитектуры системы (1B).

Основа и уток (ударение на о)* — два основных компонента, используемых в ткацком деле для превращения нити или пряжи в ткань. Продольные нити основы (warp) неподвижно удерживаются в натяжении на раме или ткацком станке, в то время как поперечный уток (weft) протягивается и вставляется поверх и под основу.

Процесс ткачества состоял из пяти этапов (1C, видео №1):

• состояние ожидания;
• выбор уточной нити;
• введение уточной нити;
• уплотнение ряда нитей за счет смещения бёрда*;
• восстановление положения бёрда.

Бёрдо* — приспособление для ткачества в виде частого гребня.

Видео №1: процесс плетения волоконных компонентов.

Бёрдо проходит расстояние (L), которое представляет собой длину от положения покоя до положения уплотнения в каждом ткацком цикле (1D). Механическая сила на функциональных волоконных устройствах, создаваемая бёрдом, контролируется скоростью бёрда, определяемой «уровнем», который является программируемой единицей скорости машины (1E и 1F). Движение бёрда с более высокой скоростью создает большую нагрузку на устройства в точке контакта. Комбинаторные исследования характеристик устройства и условий плетения показали, что механическая сила в точке удара по волоконным устройствам выше 365 Н (скорость бёрда выше 150 см/с) приводит к выходу из строя всех устройств.

Таким образом, условия ткачества были адаптированы для ограничения значения силы удара на уровне 330 Н, которое создается бёрдом со скоростью 30 см/с, что необходимо для минимизации механического напряжения на волоконных устройствах при одновременном обеспечении высокой эффективности производства.


Изображение №2

Взаимосвязи между волоконными устройствами и токопроводящими нитями в текстиле достигалась путем двухэтапной бесконтактной пайки с использованием инфракрасного лазера с длиной волны 980 нм. Первый этап — это нанесение проводящего серебряного клея через шприц (D_nozzle = 200 мкм) (2A, видео №2).

Видео №2: процесс соединения лазерной пайкой.

Вторым этапом является отверждение клея лазером (мощность 2.5 Вт), после чего серебряный клей затвердевал при температуре ниже 150°С в течение 1 секунды (2B), что является оптимальным условием для предотвращения термического повреждения. Затем волоконные устройства и проводящие нити соединялись друг с другом (2C).

Механическая стабильность исследовалась при одноосном напряжении затвердевшего токопроводящего клея, удерживающего две токопроводящие нити. Площадь контакта около 3 мм² выдерживала усилие растяжения до 600 мН (удлинение 4%; 2D). Кроме того, проводилось испытание на истирание, чтобы подтвердить долговечность электрического соединения в текстиле. Электрическое сопротивление составило ~55 мОм после 10 000 циклов (2E).


Изображение №3

Далее ученые провели оценку волоконных устройств (3A-3D) после интеграции, чтобы проверить работоспособность используемых методов плетения и межсоединения.

Функциональный текстиль состоял из хлопка в качестве основы, токопроводящих нитей (уток/основа) и волоконных устройств (уток). Каждый электрод устройств соединен между собой токопроводящими нитями, вставленными поперек ткани. Измерения фототока F-PD показали, что ток после интегрирования увеличивается до 10^–8 А по сравнению с 10^–10 А до этого (3E). Кривые циклической вольтамперометрии показали незначительное изменение емкости F-SC (2.93 мФ, т.е 0.43%) после интегрирования (3F). Кривые передачи F-FET показали, что ток покоя увеличивался с 10^–11 до 10^–7 А, тогда как ток включения сохранялся (3G). Также было установлено, ток и яркость пикселя F-QLED составляли примерно 75 % от их первоначального значения до плетения. Яркость упала с 587 до 444 кд/м² (3H).

Для подтверждения надежности волоконных устройств, интегрированных в ткань, были проведены испытания на водостойкость и долговременную стабильность. Характеристики водостойкости были изучены в условиях IPX7 (глубина 1 м, 30 минут) и показали, что все устройства демонстрируют незначительное изменение производительности. Долговременная стабильность была исследована путем хранения устройств в течение 6 месяцев на воздухе, и показала, что все волоконные устройства сохраняют свои первоначальные характеристики без каких-либо заметных ухудшений.


Изображение №4

После демонстрации того, что каждое волоконное устройство способно выдерживать процессы интеграции на текстиле, были разработаны однофункциональные текстильные системы. Каждая такая система выполняла конкретную функцию в зависимости от устройства: фотодетектор, накопление энергии, электронное управление и световое излучение/символьная индикация (видео №3).

Видео №3: отображение символов посредством F-QLED.

Сгенерированные сигналы от каждого фотодетектора собирались контроллером (плата Arduino) и затем отправлялись на индикатор (например, дисплей или светодиоды) для отображения информации. После облучения фотодетектора УФ-светом (с длиной волны 365 нм и интенсивностью 1 мВт) через соответствующий F-PD генерировался ток силой более 200 нА, и на экране ноутбука отображалось положение, в котором обнаружен УФ-свет (4B). Таким образом, F-PD доказали свою полезность в качестве фотодетекторного компонента для текстильной системы.

Дополнительно тестировалась ткань с восемнадцатью F-SC в сопряжении с коммерческим светодиодом и схемой зарядки/разрядки, чтобы подтвердить возможность использования F-SC в качестве встроенного источника питания (4C). Все F-SC измерялись в диапазоне от 0 до 1 В при скорости сканирования 100 мВ/с. Оценка емкости восемнадцати F-SC показала значение 2.64 ± 0.39 мФ (4D). Подключалось до девяти образцов, обеспечивающих выходное напряжение до 9 В (примерно 1 В на F-SC; 4E). Тесты подтвердили, что текстильное хранилище энергии может питать 21 светодиод, 29 светодиодов (4F) и полосу светодиодов в течение 38 секунд (4G), демонстрируя практическое использование F-SC для системы текстильной электроники.

Соединение обеспечивало электрическую связь F-FET с другими электронными компонентами, такими как светодиоды и источник питания, с помощью токопроводящей нити и лазерной пайки (4H до 4K). Как показано на 4L, F-FET в текстиле могут управлять яркостью светодиода. Также демонстрировалась светящаяся ткань (4M до 4O). Излучение красного, зеленого и синего света от F-QLED, вплетенных в ткань, наблюдалось с пиковой яркостью 463, 482 и 188 кд/м² и пиковой длиной волны электролюминесценции 630, 540 и 450 нм соответственно (4P и 4Q).


Изображение №5

Далее был разработан пример интегрированной текстильной электронной системы с архитектурой, адаптированной для сред AAL (от ambient assisted living). Система включала в себя четыре функциональных блока текстильных устройств: F-PD в качестве устройства ввода, F-SC в качестве накопителя энергии, F-FET в качестве электрического управляющего устройства и F-QLED в качестве устройства вывода (5A).

Как уже говорилось выше, F-PD — волоконный фотодетектор, F-SC — волоконный суперконденсатор, F-FET — волоконный полевой транзистор, а F-QLED — волоконный QD светодиод.

Данная система должна была продемонстрировать возможность модуляции света F-QLED в зависимости от интенсивности падающего солнечного света на F-PD с помощью электрической схемы управления F-FET и F-SC (5B).

Для проверки одновременной работы текстильных устройств внутри одной системы ученые исследовали два типа архитектуры:

• F-SC с F-FET, чтобы продемонстрировать пригодность F-SC в качестве источника питания для схемы управления F-FET;
• F-FET с F-QLED для модуляции яркости F-QLED напряжением затвора (VGS от gate-source voltage) F-FET.

На 5C показаны 16 F-SC и 6 F-FET, вплетенных в ткань. Электрическое соединение обеспечивалось посредством проводящих нитей. Все F-SC длиной 45 см (активная длина 30 см) были соединены последовательно и позволяли генерировать рабочее напряжение до 16 В. Шесть полевых транзисторов были соединены параллельно для увеличения выходного тока. Электроды стока F-FET, соединенные параллельно, были подключены к аноду массива F-SC через токопроводящие витые нити. Модуляция VGS выполнялась контроллером сигналов. На 5D показано сравнение характеристик передачи F-FET, питаемых внешним источником постоянного тока или встроенными F-SC. График отчетливо говорит том, что F-SC могут эффективно питать F-FET.

На 5E показана интеграция F-QLED и F-FET в одном текстильном изделии. Каждый электрод истока F-FET был подключен к аноду F-QLED, а катод F-QLED был подключен к заземлению. На 5F яркость F-QLED модулировалась путем регулировки VGS, применяемого к F-FET. Увеличение тока стока приводило к увеличению яркости F-QLED (максимальная яркость 168 кд/м² при VGS 15 В). Эти результаты свидетельствуют об успешном внедрении тканевых устройств разного функционала в текстильную систему, демонстрируя модуляцию света на системном уровне посредством четко определенной электрической схемы управляющей электроники.

Состояние каждого устройства, интегрированного в текстильную систему, можно писать четырьмя этапами: ожидание, сканирование, контроль и выход (5G). На первом этапе F-PD, F-FET и F-LED выключены, так как на фотодетектор не попадает солнечный свет. F-SC при полной зарядке непрерывно подают 16 В на F-FET.

На втором этапе F-PD обнаруживает УФ-излучение в солнечном свете, генерируя выходной ток, который становится входным сигналом в контроллере, в то время как F-FET и F-QLED остаются в выключенном состоянии.

На третьем этапе VGS F-FET модулируется контроллером сигналов, в то время как ток подается от F-PD. На четвертом этапе ток на F-QLED подается массивом F-SC, который подключен к электродам стока F-FET. Ток управления F-QLED определяется VGS, применяемым к F-FET.

Чтобы оценить реакцию текстильной системы на окружающую среду, имитатор солнечного излучения генерировал 100% УФ-свет (100 мВт/см², AM = 1.5 G). В качестве контроля использовался 50% УФ-свет.

Фототок от фотодетектора (F-PD) более 85 нА (50% УФ) или 185 нА (100% УФ) соответствует входному напряжению 10 или 15 В, которое подается на затвор транзистора (F-FET). Когда VGS применяется к транзистору, управляющие токи 550 мкА (при 10 В) и 1500 мкA (при 15 В) подаются от суперконденсатора (F-SC) к светодиоду (F-QLED) через транзистор. Яркость F-QLED составляет 55 и 166 кд/м₂ соответственно (5H). На 5I показаны фотографии текстильной системы, демонстрирующей контролируемое красное излучение F-QLED, соответствующее условиям: без УФ-света, 50% УФ-света и 100% УФ-света (система с красными и зелеными диодами показана на видео ниже).

Видео №4: работы системы с зелеными и синими светодиодами.

Дополнительно ученые создали еще один прототип, оснащенный несколькими F-QLED, чьи характеристики зависят от интенсивности солнечного света (видео №5).

Видео №5: работа системы в зависимости от уровня УФ излучения.

Данная система представляет собой комбинацию двух текстильных устройств — F-PD и F-QLED (15 писклей, 5х3), управляемых внешним сигнальным процессором. Когда на F-PD падает 50-процентный или 100-процентный УФ, светодиоды отображают символы «L»/«1» или «H»/«2» соответственно (5J и 5K).

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали новый метод изготовления умной ткани. Ранее ученые уже добились значительных успехов в производстве умных тканей большого размера, однако подобные системы требовали определенного сложного оборудования и были весьма дорогостоящие. Теперь же им удалось создать метод, позволяющий изготавливать умную ткань с помощью обычных промышленных ткацких станков, на которых производят одежду.

Помимо простоты изготовления и низкой стоимости, новая разработка оказалась многофункциональной и весьма прочной. Когда речь идет об умной ткани, то возникает вопрос износостойкости. Ученые покрыли электронные компоненты тканевой системы специальным токопроводящим клеем, который не только предотвращал механические повреждения, но и обеспечивал электрическую связь между компонентами.

Как отмечают сами ученые, основным отличием их разработки от предшественников является кардинально иная тактика производства конечной системы. Ранее умные ткани создавались на базе классической планарной электронной интеграции, где ткань служит подложкой, а электронные компоненты встраиваются в нее, как в плату. В рассмотренной нами сегодня разработке все функциональные устройства (компоненты) были изначально созданы на основе волокна, что позволяет напрямую интегрировать их в ткань.

Учитывая гибкость, прочность, простоту производства и низкую стоимость, подобного рода системы могут найти свое практическое применение в широком спектре отраслей, от автомобилестроения до носимой электроники.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?