Integración de múltiples componentes electrónicos en una microfibra hacia una plataforma textil electrónica emergente

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 3173 (2022) Citar este artículo

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Las fibras electrónicas han sido consideradas una de las plataformas de dispositivos deseadas debido a su compatibilidad dimensional con los tejidos al tejerse con hilos. Sin embargo, un proceso de conexión preciso entre cada fibra electrónica es esencial para configurar los circuitos o sistemas electrónicos deseados. Aquí, presentamos una plataforma de fibra electrónica integrada mediante la fabricación de dispositivos electrónicos en un sustrato de microfibra unidimensional. Los componentes electrónicos como transistores, inversores, osciladores de anillo y termopares se integran juntos en la superficie exterior de un sustrato de fibra con patrones de electrodos y semiconductores precisos. Nuestros resultados muestran que los componentes electrónicos se pueden integrar en una sola fibra con un funcionamiento fiable. Evaluamos las propiedades electrónicas del chip sobre la fibra como plataforma textil electrónica multifuncional probando su conmutación y procesamiento de datos, así como unidades de detección o transducción para detectar señales ópticas/térmicas. La demostración de la fibra electrónica sugiere una importante prueba de conceptos para la realización de sistemas textiles electrónicos portátiles de alto rendimiento.

La electrónica de fibra es de gran interés para aplicaciones portátiles y textiles inteligentes, y puede facilitar la comunicación y la interacción entre los humanos y el entorno1,2,3. Como elemento básico de los textiles funcionales, la forma unidimensional (1D) de las fibras similares a hilos ofrece alta flexibilidad, deformaciones isotrópicas, transpirabilidad y ligereza en las estructuras de los tejidos4,5. Las fibras funcionales 1D pueden procesarse aún más en configuraciones de hilos textiles bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) a través de técnicas tradicionales de ingeniería textil, como torcer, tejer, coser, tejer, anudar y entrelazar5,6. Debido a tales méritos intrínsecos, en los últimos años, los componentes de dispositivos basados en fibra que realizan funciones optoelectrónicas, como monitoreo de salud/ambiental, pantallas, detección, recolección de energía, almacenamiento de energía, blindaje electromagnético y procesamiento de información, se han integrado directamente en las telas. para demostrar ropa futurista7,8,9,10,11,12,13,14.

Las plataformas de fibra electrónica existentes generalmente se componen de un solo tipo de componente electrónico con una sola función en un sustrato de fibra que se atribuye a la envoltura completa de una capa activa en toda la fibra sin patrón en el área deseada en la superficie de la fibra. durante el proceso de fabricación. Además, un proceso de conexión preciso entre cada fibra electrónica es esencial para configurar los circuitos o sistemas electrónicos deseados en el tejido 2D y minimizar la degradación del rendimiento del dispositivo15. Aunque el ensamblaje de esas fibras funcionales se puede usar para registrar, detectar y leer datos secuencialmente, de forma similar a los circuitos integrados convencionales y dispositivos multifuncionales en obleas 2D, tanto las limitaciones en la reducción de escala como la dificultad en la configuración del circuito electrónico siguen siendo obstáculos importantes para el implementación de sistemas prácticos de fibra electrónica. Primero, muchas conexiones complejas y funcionales se generan a partir de la integración a gran escala (LSI) y, por lo tanto, la reducción del cableado, como los hilos conductores, se considera un cuello de botella para un mayor desarrollo. En segundo lugar, se debe aumentar la densidad de área del dispositivo mediante la introducción de una arquitectura o un proceso específicamente diseñado16. Desde este punto de vista, es muy necesario desarrollar sistemas electrónicos compactos y miniaturizados que sean capaces de trabajar sobre una sola fibra. Para impartir múltiples funciones al textil, los métodos de inserción de pequeños componentes electrónicos en una hebra o hilo de fibra se han considerado candidatos emergentes, lo que permite la implementación de una fibra digital estirada térmicamente y un hilo electrónico17,18,19. Sin embargo, una limitación del enfoque de estirado térmico y el montaje de pequeños componentes en la superficie superior de un filamento es la baja densidad del dispositivo. Todavía no se ha informado sobre una estrategia para fabricar una microfibra electrónica de alta densidad que posea múltiples componentes y circuitos electrónicos, además de mantener un excelente rendimiento eléctrico.

En este trabajo, presentamos una plataforma de fibra electrónica que permite LSI de componentes de dispositivos electrónicos en la superficie de una fibra 1D, definida como un monofilamento con un diámetro de 150 μm (Fig. 1a). Mediante el uso de fotolitografía sin máscara de alta resolución con un método de recubrimiento asistido por tubo capilar20, se integran múltiples unidades de dispositivos miniaturizados en una superficie de fibra muy estrecha y delgada. Como demostración de prueba de concepto, se fabrican dispositivos electrónicos básicos (transistores de efecto de campo, inversores y osciladores en anillo) y sensores (fotodetectores, transductores de señal y sensores de temperatura distribuidos que consisten en termopares) en los dos lados diferentes del rectángulo. fibra. El chip de una fibra exhibe varias funciones electrónicas (detección UV y conmutación de señales eléctricas en un solo transistor, comportamiento simétrico de entrada/salida en el inversor de tipo n, características de oscilación del oscilador de anillo de 5 etapas) y rendimiento de detección térmica. Creemos que nuestro enfoque es uno de los grandes pasos para implementar una plataforma de fibra electrónica de alta densidad para textiles electrónicos integrados.

A Ilustraciones esquemáticas de e-textil integrado a partir de una fibra electrónica multifuncional e incrustado en un tejido. B Esquema transversal y tridimensional de los elementos del dispositivo fabricados sobre el sustrato de microfibras. C Imagen SEM de dispositivos electrónicos fabricados en una sola microfibra. D Fotografía de la fibra electrónica flexible.

El montaje de múltiples sistemas electrónicos sobre una microfibra, ilustrado en la Fig. 1A, B, consta de dos partes electrónicas diferentes: elementos optoelectrónicos básicos y un sensor de temperatura. Los componentes electrónicos están integrados en la superficie de un monofilamento con forma de paralelepípedo de diez centímetros de largo y un diámetro de 150 µm. Como prueba de concepto para implementar el ensamblaje directo de sistemas electrónicos en una microfibra, nuestra fibra electrónica tiene una densidad de integración relativamente baja en comparación con los sistemas electrónicos convencionales en obleas 2D. Sin embargo, al reducir aún más cada parte electrónica en una microfibra, puede ser posible implementar fibras electrónicas de alta densidad similares a las de los dispositivos semiconductores convencionales. Esto implica que nuestra plataforma de fibra electrónica puede considerarse una de las potenciales fibras electrónicas emergentes. Se empleó una microfibra de forma cuadrada hecha de sílice fundida como sustrato transparente y flexible. Aunque la fibra a base de sílice tiene una flexibilidad relativamente menor que los sustratos poliméricos, puede soportar una temperatura de proceso alta de 1100 °C sin fundirse, lo que permite que se depositen sobre ella materiales eléctricos inorgánicos de alto rendimiento. El sustrato de microfibra también presenta una forma geométrica 3D que incluye cuatro caras planas a lo largo de la fibra que permite una mayor densidad de integración. La forma más eficiente de aumentar la densidad de los componentes electrónicos es utilizar toda la circunferencia de la fibra. Para investigar la viabilidad de esto, integramos componentes electrónicos en dos lados diferentes de la fibra de sección cuadrada. Un transistor, un inversor y un oscilador de anillo (RO) basado en un semiconductor de óxido de metal (MOS) de óxido de zinc galio indio (IGZO) se colocan en la superficie superior de la fibra mientras que el sensor de temperatura se construye en el lateral de la fibra. . Para demostrar todo el dispositivo, aprovechamos un método de recubrimiento asistido por tubo capilar (CTAC) y una fotolitografía sin máscara de alta resolución, que puede fabricar rápidamente electrodos de metal estampados en los dos lados diferentes de un sustrato de monofilamento delgado y angosto20,21. El proceso CTAC tiene el potencial de ser compatible con un proceso de recubrimiento de carrete a carrete, que es una forma eficiente de minimizar el desperdicio de material y permite un control preciso del espesor de la película fotorresistente (PR) ajustando la velocidad del recubrimiento y la concentración de la solución20. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de sección transversal indican que la película PR procesada con CTAC cubría uniformemente toda la superficie exterior de la fibra, y se estimó que el grosor de la capa PR era de aproximadamente 2 μm (Figura complementaria 1). Después de recubrir y hornear la película PR sobre la fibra, se empleó un generador de patrón láser para exponer rápidamente la PR junto con el patrón del electrodo (Figura 1 complementaria). La litografía sin máscara transfiere directamente los patrones de diseño al sustrato de fibra sin utilizar una fotomáscara y permite el posicionamiento exacto de los patrones de electrodos para fabricar los dispositivos electrónicos deseados en ubicaciones arbitrarias en sustratos no planos, como se muestra en la Fig. 221 complementaria. Detalles experimentales (la deposición de metal películas delgadas y grabado húmedo a través de fotolitografía) y los patrones de electrodos formados en la fibra también se describen en la Fig. 3 complementaria. Las Figuras 1C, D muestran una imagen SEM y una fotografía de todo el dispositivo fabricado en el sustrato de microfibra. Se ha demostrado como prueba de concepto una fibra electrónica integrada (longitud: 10 cm) que contiene aproximadamente 30 RO, inversores, fototransistores, condensadores y sensores de temperatura intercalados. Todos los dispositivos pueden funcionar de forma individual e independiente.

Las imágenes microscópicas ópticas y los diagramas de circuitos de cada dispositivo eléctrico se muestran en la Fig. 2A, D, respectivamente. Se fabricó un transistor de efecto de campo (FET), un elemento básico del dispositivo, en una estructura de puerta superior y contacto inferior (TG/BC) para verificar las capacidades de los dispositivos miniaturizados para aplicaciones de fibra electrónica. IGZO y Al2O3 se utilizan como semiconductor de óxido amorfo y dieléctrico de puerta, respectivamente. Su composición química se analizó con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), y la capacitancia dieléctrica de la capa de Al2O3 de 15 nm de espesor se midió como 180 nF cm-2, como se describe en la Fig. 4 complementaria. La Figura 2B muestra las características de transferencia de el controlador FET en el inversor n-MOS de carga de agotamiento. El FET basado en IGZO exhibe una movilidad de efecto de campo de 5,5 cm2V−1s−1 en el régimen de saturación con histéresis insignificante y una relación de encendido/apagado mayor que 107 a un voltaje de puerta-fuente (VG) de 5 V y un bajo voltaje de fuente de drenaje (VD) de 5 V. En la etapa inicial de fabricación, obtuvimos curvas de transferencia aceptables de < 3 del total de 8 transistores en fibra electrónica prototipo de 10 cm de largo, indicativo de menos del 40% de producir. Finalmente, logramos un rendimiento del dispositivo de casi el 70 % al contar los transistores en funcionamiento. Posteriormente, se fabricaron cinco FET individuales en cada monofilamento que exhibía una movilidad de saturación promedio de 5,5 cm2V-1s-1 con una desviación estándar de 1,1 cm2V-1s-1, voltaje de umbral (VTh) de 0,28 ± 0,57 V y oscilación subumbral baja de 0,36 ± 0,11 V dec−1. Estos valores son similares a los de los FET basados en IGZO informados anteriormente, lo que indica la validez de este proceso de fabricación para aplicaciones textiles electrónicas integradas22,23,24,25.

Una fotografía y diagramas de circuito de un inversor basado en FET basados en IGZO fabricados en un sustrato de fibra flexible. B Curvas ID−VG de un FET IGZO representativo del dispositivo de fibra. El FET tiene una longitud de canal (L) de 10 μm y un ancho de canal (W) de 50 μm. C Propiedades de transferencia estática del inversor basadas en dos FET IGZO para una tensión de alimentación (VDD) de 2 V ∼ 5 V y una tensión de polarización (Vbias) de 5 V. D Fotografía y diagrama de circuito de un oscilador en anillo de 5 etapas basado en el agotamiento -Inversores de carga fabricados en microfibra. E Características dinámicas del oscilador en anillo en respuesta a diferentes VDD. F Amplitud de oscilación, frecuencia y retardo de propagación medidos para VDD de 2, 3, 4 y 5 V.

Con base en los FET IGZO, se evaluaron las características eléctricas tanto de un inversor como de un RO con 5 etapas en el monofilamento, como se muestra en la Fig. 2C, E y F. Debido al complicado procedimiento de fabricación y diseño de circuitos electrónicos en fibra , logramos solo 60 y 40% de rendimiento para inversor y RO, respectivamente. El inversor n-MOS de carga de agotamiento se implementó mediante una conexión en serie entre dos transistores n-MOS, que desempeñan el papel de controlador y carga. El electrodo de fuente del transistor de carga está conectado al electrodo de puerta del transistor de carga y al electrodo de drenaje del transistor de control. Se utilizaron anchos de canal (W) de 20 µm y 50 µm con la misma longitud de canal (L) de 10 µm para los componentes del controlador y la carga, respectivamente, para el equilibrio adecuado entre los transistores del controlador y la carga para la operación del inversor y RO. La curva de transferencia de tensión se mide para una tensión de polarización (Vbias) de 5 V y tensiones de alimentación (VDD) de 2 V a 5 V. La tensión de salida-tensión de entrada (VOut−VIn) del inversor de carga de agotamiento n-MOS es se muestra en la Fig. 2C. Posteriormente, la RO de 5 etapas fue preparada por el inversor n-MOS de carga de agotamiento con canales IGZO como se describe anteriormente. El RO está conectado en serie con cinco inversores n-MOS de carga de agotamiento. La primera salida del inversor se convierte en la segunda entrada del inversor y la salida del segundo inversor se convierte en la tercera entrada del inversor. Esta cadena continúa hasta el quinto inversor y, finalmente, la salida del último (quinto) inversor vuelve a la entrada del inversor principal (primero) (Fig. 2D). De esta forma, los circuitos integrados (IC) se fabricaron con éxito utilizando procesos de semiconductores convencionales en un sustrato de fibra flexible. Aunque aún se requiere un mayor nivel de proceso y optimización para mayor refinamiento y precisión, será posible integrar circuitos integrados más complejos en el lado de las facetas de fibra rectangular o en la superficie de un filamento cilíndrico. Además, la forma de onda del voltaje de salida (Vout − tiempo), la frecuencia de oscilación (f) y el retardo de propagación (τ) del RO de 5 etapas de acuerdo con el aumento de VDD se describen en la Fig. 2E, F. El τ del Los eventos de conmutación se determinaron ajustando funciones exponenciales a las transiciones VOut medidas que dependen de VDD. Al aumentar VDD, τ aumentó y f disminuyó.

Para explorar la posibilidad de integración de dispositivos multifuncionales en una fibra, monitoreamos las señales eléctricas del sensor en un monofilamento frente a cambios en la luz ultravioleta y la temperatura. Se fabricaron sensores de temperatura y luz ultravioleta en dos lados diferentes del sustrato de fibra óptica. Se logró una prueba de detección UV al monitorear las características optoeléctricas del único FET basado en IGZO, lo que permitió la conmutación del componente. El semiconductor IGZO se puede utilizar para la detección del espectro UV, ya que su banda prohibida óptica es de aproximadamente 3,0 eV. Tenga en cuenta que la detección UV se llevó a cabo midiendo el cambio en la corriente de drenaje en el dispositivo FET. La luz UV-LED (longitud de onda: 470 nm) y la luz UV-láser (longitud de onda: 404 nm) irradiaron tanto la parte superior como la inferior del FET en un monofilamento, lo que implica la detección de UV "fuera de la fibra" y "a través del núcleo de la fibra", respectivamente (Fig. 3A, D). La Figura 3B presenta las características de transferencia del FET basado en IGZO en la fibra antes y después de la exposición a los rayos UV desde fuera de la fibra a VD = 5 V con un barrido de VG de −5 V a 5 V. Tras la iluminación, hay un aumento significativo en el apagado. -corriente de 4,0 × 10−8 A a 7,5 × 10−7 A a VG = 0 V. Esto implica que la luz expuesta contribuye a la generación de fotoportadores en el canal IGZO, lo que induce una mayor conductividad del canal. La Figura 3C muestra la fotorrespuesta dependiente del tiempo a diferentes voltajes de puerta de -1 V y 0 V con un voltaje de drenaje de 5 V bajo iluminación pulsada por luz ultravioleta (intensidad de potencia: 1,0 mW cm-2). Cabe señalar que la luz ultravioleta irradiada desde la fibra está parcialmente bloqueada o dispersada por el electrodo metálico de puerta debido a la estructura TG/BC del dispositivo FET. Aunque la proporción de corriente foto-oscura es relativamente baja, proporciona suficientes señales eléctricas que permiten la detección de iluminación UV en condiciones ambientales desconocidas (Fig. 3C). También encontramos una posible aplicación más como transductor de señal del FET basado en IGZO en la fibra. La Figura 3D ilustra los esquemas del transductor de señal. El láser UV se irradió a través del núcleo de la fibra y se propagó dentro del FET único fabricado en la fibra de vidrio óptico (Fig. 5A complementaria). La corriente fuera de estado en las curvas ID-VG aumenta notablemente en aproximadamente tres órdenes de magnitud cuando el semiconductor IGZO es excitado por la propagación de la luz dentro de la fibra óptica (Fig. 3E). La respuesta temporal entre la corriente de drenaje y el tiempo (ID-tiempo) con varias intensidades de láser mostró una conmutación estable y una relación foto-corriente oscura relativamente alta, mientras que VD y VG se mantuvieron en 5 V y -5 V, respectivamente (Fig. .3F). Será posible realizar un fotosensor de alto rendimiento o un transductor de señal mediante el uso de materiales semiconductores fotosensibles y diferentes arquitecturas de dispositivos, como arquitecturas de dispositivos de puerta inferior/contacto superior y diodos perpendiculares. Las fotocorrientes de la fibra electrónica se extrajeron de las curvas de transferencia a VG = − 5 V y VD = 0 V, y la fotorespuesta (Rλ) se calculó mediante

donde Ilight e Idark son la corriente de drenaje en condiciones de iluminación clara y oscuridad, respectivamente; Popt y A representan la potencia de iluminación incidente (1,0 mW cm−2 para luz LED de 470 nm, Popt = 84,5 μW cm−2 para luz láser de 404 nm, la potencia de iluminación se midió con un medidor de potencia) y el área efectiva, respectivamente. A es el área del canal (ancho × largo = 2 × 10−6 cm2) del dispositivo. Los fototransistores presentaron una fotorrespuesta de 0,64 A W-1 a la luz UV-LED irradiada desde la fibra y de 53,9 A W-1 a la luz láser UV propagada a través del núcleo de la fibra, como se muestra en la Fig. 3B, E. En este sentido, IC en Las fibras ópticas se pueden utilizar no solo como fotodetectores, sino también para construir redes de sensores inalámbricos que funcionan con la propagación del rayo láser26.

Un esquema y una fotografía de la medición optoeléctrica cuando el exterior del dispositivo de fibra es irradiado por luz UV-LED de 470 nm. B Curvas de transferencia del fototransistor basado en IGZO en la oscuridad y bajo exposición a la luz ultravioleta. C Fotorrespuesta dependiente del tiempo a diferentes voltajes de puerta bajo iluminación pulsada con luz UV. D Esquemas de la medición optoeléctrica cuando el interior del dispositivo de fibra es irradiado por luz láser de 404 nm. E Transfiera las características del fototransistor en la oscuridad y durante la exposición a la luz ultravioleta en el núcleo de la fibra. F Fotocorriente transitoria del dispositivo IGZO con diferentes potencias de láser de 4,2 V, 4,6 V y 5,0 V.

Los sensores de tipo resistivo están integrados directamente en el otro lado de la fibra para permitir la multifuncionalidad del chip en una fibra, como se muestra en la Fig. 4. Para una medición y detección eficientes de la información térmica, se seleccionaron Ni y Cr como materiales termorresistivos porque estos los metales puros se pueden depositar fácilmente mediante evaporación térmica al vacío y tienen coeficientes de Seebeck altos (−19 μV K−1 para Ni y +20 μV K−1 para Cr), lo que puede generar grandes voltajes termoeléctricos y señales para el control de la temperatura (Fig. 6)27. La distancia de intervalo entre cada termopar es de 3,4 mm y las almohadillas de contacto de los tres termopares están ubicadas en un lado de la superficie de la fibra. Los sensores de temperatura en un monofilamento operan a través de cambios de voltaje inducidos en respuesta a la temperatura en diferentes posiciones a lo largo de la fibra. Estas múltiples integraciones de sensores en la fibra permiten un control preciso de la temperatura en condiciones ambientales. Al configurar el circuito y compartir el contacto con el suelo, la temperatura se puede medir en tres puntos simultáneamente (Fig. 4A y Fig. 5B complementaria). Además, se midió el cambio en los voltajes termoeléctricos (ΔVTE) con el aumento de la temperatura de la fuente térmica (TSource) y con la diferencia de temperatura entre los termopares sincronizados térmicamente a una temperatura y temperatura ambiente dadas (TTC − TRT). En la figura complementaria 6 se describe una discusión detallada de cada sensor.

Una fotografía y diagrama esquemático de los componentes termosensores. B Ilustración esquemática de los termopares integrados en una fibra y gradiente de temperatura a través del dispositivo de fibra. C Cambios en los voltajes termoeléctricos de cada termopar en función de la temperatura. D Distribución de temperatura en función de la distancia desde la fuente de calor hasta cada sensor.

Debido a la forma única de nuestro chip en una fibra, se puede aplicar como un módulo de detección de temperatura implantable, como se muestra en la Fig. 4B. Para monitorear la temperatura de la fuente de calor, la punta de fibra de detección integrada se implanta cuidadosamente en un bloque caliente. Como resultado de la conducción térmica desde la fuente térmica hasta el sensor a través del cuerpo de fibra, la temperatura en un material se controló espontáneamente cambiando la temperatura de la fuente de calor. Los voltajes termoeléctricos (ΔVTE) de cada termopar en un monofilamento respondieron linealmente al cambiar la temperatura del bloque térmico de temperatura ambiente a 60 °C, exhibiendo valores más bajos en orden lejos de la fuente térmica (TSource > TTC-1 > TTC-2 > TTC-3) (Fig. 4C). Aunque la temperatura detectada disminuyó exponencialmente a medida que la posición del sensor de temperatura se alejaba de la fuente de calor debido a la pérdida de calor por convección del aire, como se muestra en la Fig. 4D, la temperatura calculada en cada sensor integrado en un monofilamento exhibió un claro comportamiento gradual. Esto implica que los sensores termorresistivos 1D integrados son aplicables no solo a sistemas de red de detección de temperatura portátiles, sino también a módulos implantables. Por lo tanto, los resultados anteriores, junto con la detección UV/térmica y los componentes electrónicos en la fibra, pueden ofrecer una promesa sustancial para la implementación de sistemas de fibra electrónica multifuncionales y de alto rendimiento para futuras aplicaciones textiles electrónicas.

Para probar la flexibilidad y la estabilidad de los múltiples sistemas electrónicos en un monofilamento, se midió el dispositivo IGZO FET en la fibra en condiciones de tensión de tracción y compresión, como se muestra en la Fig. 5A, B. Para el análisis sistemático del IGZO FET en el fibra bajo diversas condiciones de estrés, preparamos dos fibras electrónicas que se fabricaron en diferentes lotes. Las fibras se colocaron cuidadosamente y se fijaron sobre sustratos flexibles de tereftalato de polietileno (PET) utilizando cinta de poliimida para condiciones de flexión tanto cóncavas como convexas. La deformación de ingeniería de la fibra (ε), que se presenta como la relación entre la deformación total y el estado inicial bajo la entrada mecánica aplicada, se calcula a través de la siguiente ecuación:

donde η = df/ds y χ = Yf/Ys. ds y df son los espesores del sustrato (fibra de vidrio de forma cuadrada, 150 μm) y la capa activa (IGZO, 15 nm), respectivamente. Ys (vidrio, 50-90 GPa) e Yf (óxido, >100 GPa) son el módulo de Young del sustrato y la capa activa, respectivamente. R es el radio de curvatura. En la fórmula simplificada bajo la premisa de que el sustrato es mucho más grueso que la capa activa y hay una diferencia relativamente pequeña entre Ys e Yf, ε dentro de la capa activa en el sustrato doblado se puede obtener aproximadamente como el término correcto de la ecuación28.

Ilustraciones esquemáticas del dispositivo de fibra integrado en sustrato de PET (izquierda) y características ID-VG (derecha) de los FET IGZO en condiciones de flexión A cóncavas y B convexas. La deformación mecánica (ε) se calcula utilizando el radio de curvatura (R). Los recuadros muestran fotografías del dispositivo de fibra flexible medido durante la flexión. Cambio de estados de corriente, movilidades de efecto de campo y voltajes de umbral de los FET IGZO en la fibra C en función de la tensión mecánica con flexión hacia adelante y hacia atrás, y D durante la prueba de flexión repetida hasta 10,000 ciclos en el radio de flexión de 11,7 mm. E Fotografía de la fibra electrónica incrustada en un tejido y cosida en el interior del cuello de una camisa. F Estados de corriente, movilidades de efecto de campo y voltajes de umbral de los FET IGZO en la fibra en condiciones prístinas, cosidas y después de usarlas durante 10 días. G Fotocorriente del fotosensor y voltaje termoeléctrico de los TC en la fibra prístina, cosida y después de usarla durante 10 días. H Características eléctricas del FET IGZO encapsulado sobre la fibra electrónica antes y después del lavado (detergente y solución de NaCl).

La movilidad del efecto de campo (μsat), el voltaje de umbral (Vth) y la corriente de drenaje (ID,on) en el estado encendido se estiman a partir de la figura 5A-C. Debido a la uniformidad de dispositivo a dispositivo, observamos ligeras diferencias en las características ID-VG entre dos fibras electrónicas para flexión cóncava y convexa. Sin embargo, los parámetros eléctricos, como la movilidad del efecto de campo, el voltaje de umbral y la corriente de drenaje, de cada FET IGZO en ambas fibras mantuvieron sus rendimientos de conmutación iniciales hasta una deformación por compresión del 0,64 % y una deformación por tracción del 0,68 %, respectivamente. Para examinar la durabilidad mecánica de la fibra, se llevó a cabo una prueba de ciclo de doblado repetido, como se muestra en la Fig. 5D. El FET IGZO de la fibra sostuvo 10.000 ciclos de flexión repetida con un radio de flexión de 11,7 mm. No observamos ruptura aparente de la fibra o deslaminación del semiconductor o electrodo de metal durante o después de la prueba de flexión. La movilidad saturada y el voltaje de umbral del FET disminuyeron ligeramente de 3,77 a 3,73 cm2V-1s-1 y de -0,75 V a -0,81 V, respectivamente. La corriente de drenaje del FET se midió en ~1,28 μA en cada condición de flexión con cambios insignificantes, como se muestra en la figura complementaria 7. Aunque la fibra electrónica se expuso al aire sin ninguna capa de pasivación durante la flexión repetida y la medición I-V , el IGZO FET exhibió estabilidad eléctrica y resistencia sin degradación ni fallas graves. A partir de las pruebas mecánicas adicionales y sus características eléctricas de la fibra electrónica hasta el límite, encontramos que el radio de flexión umbral (R) y la deformación (ε) de la fibra electrónica fueron de 7,3 mm y 1,03 %, respectivamente, sin la falla mecánica de la fibra de sílice. (Fig. 8 complementaria) Debido a que el rendimiento electrónico del IGZO TFT en la fibra se mantuvo justo antes de la ruptura de la fibra, la durabilidad mecánica de nuestra fibra electrónica parece depender de las propiedades mecánicas del sustrato de la fibra. Debido a la limitación de las propiedades mecánicas de las microfibras basadas en materiales inorgánicos, era difícil lograr una mejor flexibilidad que la de los dispositivos electrónicos flexibles convencionales. Sin embargo, es esencial utilizar materiales semiconductores inorgánicos de alto rendimiento para implementar un sistema de fibra electrónica integrado y de alto rendimiento. Especialmente, la fibra a microescala basada en sílice se puede considerar como uno de los sustratos de fibra prometedores debido a su capacidad para lograr mejores propiedades electrónicas y reducir la escala mediante la introducción de procesos de fabricación de semiconductores convencionales y de alta temperatura. Sin embargo, aún se requiere desarrollar un mejor sustrato de fibra que permita un sistema de fibra electrónica integrado de alto rendimiento y flexibilidad. Por ejemplo, los materiales poliméricos flexibles, como la poliimida, incluyen una combinación de propiedades excelentes, como estabilidad química, estabilidad térmica, baja conductividad térmica, resistencia a la radiación, aislamiento, alta resistencia a la tracción y módulo de tracción, que pueden considerarse sustratos de fibra de sustitución. para una mejor flexibilidad y procesabilidad29.

Los textiles electrónicos portátiles deben ser transpirables y lavables con una gran flexibilidad y adaptabilidad a la forma. Para demostrar la viabilidad de una posible aplicación textil electrónica, la fibra electrónica se cosió directamente en un vendaje de compresión común. Para evitar daños inesperados a la fibra electrónica durante el proceso de costura, introdujimos un método de costura especial mediante el uso de una aguja de jeringa que permite que las fibras se coloquen en la tela de manera segura (Movimiento complementario 1). Nos ayudó a coser la fibra electrónica en la tela sin dañar seriamente la superficie. Debido a que la aguja de la jeringa guía la fibra electrónica durante la costura, pudimos controlar la orientación de la fibra en la prenda (vendaje), lo que resultó en que el sensor UV o el sensor de temperatura estuvieran hacia arriba para ambos contactos eléctricos para la detección de temperatura o UV. Luego, la tela se cosió nuevamente dentro del cuello de una camisa sin ningún recubrimiento protector adicional, como se muestra en la Fig. 5E. Supervisamos el rendimiento de conmutación del IGZO FET, las características optoeléctricas del sensor UV y las características termoeléctricas del sensor de temperatura en la fibra en condiciones prístinas, cosidas y después del uso durante 10 días (Fig. 9 complementaria). El IGZO FET mantuvo su rendimiento eléctrico durante 1 día. Después de 10 días, exhibió una movilidad de efecto de campo ligeramente degradada de aproximadamente 7,4 cm2V-1s-1 (Fig. 5F). Además, observamos una ligera disminución en la corriente de drenaje de 2,9 a 1,8 μA y un cambio positivo en el voltaje de umbral de -2,4 a -1,7 V, respectivamente. A partir de las mediciones adicionales de la fotocorriente y el voltaje termoeléctrico de la fibra electrónica antes y después de usarla durante 10 días, como se muestra en la Fig. 5G, encontramos que el fotosensor era relativamente estable, manteniendo valores de fotocorriente de 15.3 y 13.7 μA para el LED encendido. y apagado, respectivamente, en VG = 0 V y VD = 5 V. Aunque nuestra fibra electrónica en una prenda detectó con éxito la señal UV de la fibra, se debe al método de costura asistido por aguja de jeringa. Si la fibra electrónica está completamente enterrada en una prenda mediante el método de costura convencional, es difícil esperar una detección adecuada de la luz ultravioleta iluminada desde todas las direcciones en general. Por lo tanto, aún se requiere más investigación sobre cómo colocar fibra electrónica en una prenda y evaluar su rendimiento de detección para aplicaciones prácticas de fibra electrónica de detección UV. Además, evaluamos las características termoeléctricas de cada TC en la fibra de la tela colocada en un mandril caliente. Todos los TC exhibieron casi el mismo valor de aproximadamente 0,52 μV de voltaje termoeléctrico a temperatura ambiente (23 °C) antes y después de usarlos durante 10 días. De manera similar, el voltaje termoeléctrico promedio de cada TC (TC1, TC2, TC3) mostró un valor similar de aproximadamente 128,3 μV a 40 °C antes y después de usarlos durante 10 días. Si bien nuestra fibra electrónica funcionó muy por encima de las condiciones estresantes, debemos señalar aquí que se requiere una capa adicional de protección o blindaje para eliminar los riesgos esperados relacionados con su contacto con el cuerpo humano mientras se mantiene la función eléctrica de los dispositivos frente a diversas condiciones ambientales (mecánicas). estrés, químicos, sudor, etc.)30,31. Para evaluar más a fondo la lavabilidad de la fibra electrónica, llevamos a cabo el proceso CTAC (velocidad 1,0 mm min−1) de la solución SU-8 para formar una capa de pasivación (grosor = 2 μm). La fibra electrónica estaba completamente cubierta por una capa de pasivación SU-8. Luego, la fibra electrónica encapsulada se sumergió en solución de detergente (5 ml en 90 ml de agua del grifo) y solución de NaCl (0,5% en peso para sudor humano artificial) durante 30 min y se enjuagó en agua del grifo pura con agitación a 600 rpm a temperatura ambiente32 . Después del lavado, la fibra electrónica se secó a 60 °C en una placa caliente. Debido a que la capa SU-8 cubría completamente la fibra electrónica exterior, el rendimiento electrónico del IGZO FET mostró una diferencia insignificante en las características de transferencia (movilidad de efecto de campo de 3,74 cm2V−1s−1 en el régimen de saturación y una relación de encendido/apagado). relación de 4 órdenes de magnitud) antes y después del lavado con detergente y soluciones de NaCl al 0,5% en peso, como se muestra en la Fig. 5H. Esto implica que la fibra electrónica encapsulada mantuvo un rendimiento estable, independientemente del ambiente húmedo, como las condiciones de lavado y transpiración. Puede ser posible implementar fibras electrónicas prácticas mediante la introducción de una capa protectora o de encapsulación confiable que sea duradera bajo diversas condiciones mecánicas o químicas. Por lo tanto, creemos que nuestra plataforma de fibra electrónica todavía se considera un enfoque válido para los sistemas textiles electrónicos integrados.

En resumen, demostramos una plataforma de fibra electrónica con dispositivos electrónicos integrados en una microfibra 1D. Nuestro sistema de fibra electrónica estaba compuesto por unidades electrónicas básicas como transistores, inversores, osciladores de anillo para procesamiento de datos y unidades de detección o transducción para detectar señales ópticas/térmicas. Para una alta densidad de integración, se implementaron el método de recubrimiento asistido por capilaridad y la fotolitografía sin máscara para dibujar rápida y directamente el diseño del dispositivo deseado a alta resolución en condiciones ambientales. Debido a la limitación de reducción en el proceso de fabricación a escala de laboratorio en el estado actual, logramos 30 conjuntos de dispositivos (por ejemplo, transistor con L = 10 μm y W = 50 μm/almohadillas de contacto con 100 μm × 100 μm, 50 μm × 50 μm) sobre una fibra de 10 cm de longitud, demostrando como prueba de concepto implementar el montaje directo de sistemas electrónicos sobre una microfibra. Si la tecnología de fabricación de semiconductores en un sustrato de microfibra madura, creemos que es posible implementar una fibra electrónica de mayor densidad similar a las de los dispositivos semiconductores convencionales en una oblea de silicio. Para obtener más información sobre la viabilidad de nuestra plataforma de fibra electrónica, calculamos simplemente cuánto tiempo requiere la fibra para integrar un microprocesador de computadora personal (procesador Intel Pentium) que tiene un área de matriz de 91 mm2 y contiene 3,3 millones de transistores con un paso de proceso de 0,35 μm Tecnología BiCMOS (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium). Si se aplica la misma tecnología de fabricación para integrar el chip anterior en la capa exterior de la microfibra circular con un diámetro de 150 μm, solo se requiere una microfibra de 19,3 cm de largo para implementar la fibra del microprocesador, como se muestra en la Fig. 6. Por lo tanto, la propuesta La plataforma de dispositivos proporciona un tipo de arquitectura de dispositivo fibroso y cree que contribuye a la realización de fibras electrónicas de alta densidad incrustadas en la ropa. Prevemos que este ensamblaje de múltiples sistemas electrónicos en microfibras permitirá avances tecnológicos en textiles electrónicos, así como en electrónica de obleas 2D basadas en procesos por lotes convencionales mediante la adaptación de un proceso de fabricación continua de carrete a carrete. Mientras tanto, para implementar fibra electrónica integrada por proceso de carrete a carrete, es necesario un control preciso y continuo de la orientación de la cara de la fibra para permitir un proceso de fabricación continuo durante la alimentación de la fibra. Para superar las limitaciones de tamaño y densidad de los componentes electrónicos integrados en una fibra para aplicaciones reales, se requiere introducir un proceso de fotolitografía sin máscara de mayor resolución y modificar la ubicación de los módulos de exposición que permitan utilizar toda la circunferencia de la fibra. Finalmente, la optimización de la disposición del equipo para cada paso del proceso (por ejemplo, recubrimiento, litografía, revelado, deposición, grabado e inspección) también se considera un factor importante para realizar la producción en masa de fibra electrónica mediante bobina a bobina continua. proceso. (Fig. 10 complementaria).

Cálculo teórico de cuánto tiempo requiere la microfibra (diámetro de 150 μm) para integrar el microprocesador Pentium (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium).

Todos los materiales utilizados en este estudio se compraron de la siguiente manera sin ninguna purificación. Fibra óptica con núcleo de sílice de forma cuadrada (FP150QMT, Thorlabs), oro (Au, 99,99 %, TAEWON SCIENTIFIC), cromo (Cr, CR-090010, 99,9 %, Nilaco), níquel (Ni, NI-311165, 99,9 %, Nilaco), objetivo de pulverización IGZO (In2O3: Ga2O3: ZnO = 1: 1: 1 en % atómico, 99,99 %, materiales de ingeniería avanzada), grabador de Au (grabador de oro, Sigma Aldrich), grabador de Cr (CR-7, KMG Electronic Chemicals ), grabador Ni (grabadores de níquel, TRANSENE), grabador Al2O3 (grabador de aluminio ANPE 80/5/5/10 Microchem), grabador IGZO (HCl, 35 %, Wako), fotoprotector positivo (AZ GXR 601, AZ Electronic Materials), Desarrollador (AZ 300 MIF Developer, Merck).

Las microfibras con núcleo de sílice de forma cuadrada (150 μm × 150 μm × 7,5 cm) se limpiaron ultrasónicamente en agua desionizada, acetona e isopropanol durante 5 min. A esto le siguió un tratamiento con ozono ultravioleta (UV/O3) durante 15 min. Los electrodos metálicos se modelaron mediante fotolitografía sin máscara. Se revistió una capa fotorresistente de 2 μm de espesor sobre el sustrato de fibra utilizando un proceso de revestimiento asistido por tubo capilar (CTAC) (velocidad de 1,0 mm min−1), se horneó en una placa caliente a 100 °C durante 2 min y se expuso a luz ultravioleta. utilizando un alineador sin máscara (MLA 100, HEIDELBERG) con una densidad de energía de aproximadamente 200 mJ cm−2 y 1000 μm s−1 de velocidad de conducción. La muestra se sumergió en revelador durante 2 min y se enjuagó con agua desionizada después de un horneado intenso (100 °C durante 2 min). Se depositó una capa de adhesión de Cr de 10 nm de espesor, seguida de Au de 30 nm de espesor, y se modeló sumergiendo el sustrato de fibra en un baño de eliminador de resistencia. En particular, se depositaron capas de Cr de 50 nm de espesor y Ni de 50 nm de espesor mediante evaporación al vacío a una presión base de aprox. ~10−6 torr y velocidad 0,5 Å s−1 para termopares. Las películas delgadas IGZO (15 nm) se depositaron utilizando un pulverizador de CA (ACT ORION 8 Sputtering System, AJA International, 100 W, Ar: O2 = 20,0: 0,2 sccm, 2 × 10−3 torr). Después de la deposición, las películas IGZO depositadas se colocaron en una placa caliente y se templaron térmicamente durante 30 min a 300 °C en aire ambiente para mejorar la calidad de la película IGZO. El sistema de deposición de capas atómicas (LUCIDA D100 ALD, NCD) depositó directamente Al2O3 (espesor de 36,1 nm) para las capas dieléctrica y de encapsulación de la puerta. Se utilizaron trimetilaluminio y agua desionizada como precursores y oxidantes en este sistema, respectivamente. La temperatura del sustrato se mantuvo a 100 °C durante los 400 ciclos del proceso de deposición. En la secuencia de grabado en húmedo, cada grabador para cada material se compró comercialmente y se usó después de diluirlo con agua desionizada. Las condiciones detalladas son las siguientes. Grabador de Au: 1/20 durante 3 min; Grabador cr: 1/20 durante 3 min; Grabador Ni: 1/20 por 3 min; grabador IGZO: 1/100 durante 2 min; Grabador de Al2O3: 50 °C durante 4 min. Después de completar cada proceso de grabado húmedo, las muestras se lavaron con agua desionizada, se transfirieron a un baño de acetona a 100 °C y se sumergieron durante 5 minutos para eliminar la fotorresistencia.

Las características de corriente-voltaje se midieron con un HP4145B (HP Ltd.), Keithley 4200SCS (Keithley Instruments, Ltd.) y un osciloscopio de fósforo digital DPO2002B (Tektronix, Ltd.) en aire ambiente. Las características optoeléctricas y eléctricas del fototransistor se midieron utilizando un sistema de caracterización de semiconductores Keithley 4200 bajo iluminación a una longitud de onda de 470 nm (luz UV-LED de 50 mW cm−2). Para medir la señal optoeléctrica de la luz UV que viaja a través de la fibra, se empleó luz láser UV de 404 nm (50 mW). Para coser fibra electrónica en una tela, se desarrolló un método de costura especial mediante el uso de una aguja de jeringa que permite que las fibras se coloquen en la tela de manera segura (Película complementaria 1). El recubrimiento de la capa de encapsulación (SU-8) sobre la fibra electrónica se procesó utilizando el proceso CTAC (velocidad 1,0 mm min−1). Para evaluar la lavabilidad de la fibra electrónica, el detergente (5 ml en 90 ml de agua del grifo) y NaCl (0,5% en peso para el sudor humano artificial) se merecían en el agua del grifo. La prueba de lavado se realizó durante 30 min y se enjuagó con agua corriente pura con agitación a 600 rpm a temperatura ambiente. Después del lavado, la fibra electrónica se secó a 60 °C en una placa caliente. Las imágenes SEM y de microscopio óptico se obtuvieron utilizando un microscopio Nova NanoSEM 450 (FEI Ltd.) y Nikon ECLIPSE LV150 (Nikon), respectivamente. El espesor de las películas delgadas se determinó a partir de un perfilador de superficie (ET200, Kosaka Laboratory Ltd.). Las mediciones de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizaron utilizando un ESCALAB250Xi (Thermo Fisher Scientific, EE. UU.) a una presión básica de 10-9 mbar.

Los datos de imágenes que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable. Los datos de origen se proporcionan con este documento.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Investigación de Corea (2020R1A2C2010163).

Minji Kang

Dirección actual: Centro de Soluciones de Materiales Químicos, Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, 141 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34114, República de Corea

Estos autores contribuyeron igualmente: Sunbin Hwang, Minji Kang.

Centro de Investigación de Materiales Compuestos Funcionales, Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, Wanju-gun, Jeollabuk-do, 55324, República de Corea

Sunbin Hwang, Aram Lee y Sukang Bae

Departamento de Electrónica Flexible e Imprimible, Instituto de Ingeniería LANL-JBNU-Corea, Universidad Nacional de Jeonbuk, 567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, 54896, República de Corea

Minji Kang y Tae-Wook Kim

Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional de Pusan, 2, Busandaehak-ro-63-beon-gil, Geumjeong-gu, Busan, 46241, República de Corea

Seoung Ki Lee

Escuela de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Chonnam, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, República de Corea

Sang Hyun Lee

Departamento de Física y Astronomía, Instituto de Física Aplicada, Universidad Nacional de Seúl, Seúl, 08826, República de Corea

takhee lee

KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology, Universidad de Corea, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seúl, 02841, República de Corea

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T.-WK desarrolló la idea. SH, AL, T.-WK realizaron los experimentos y SH, MK, AL, SB, S.-KL, SHL, TL, GW, T.-WK recopilaron y analizaron los datos. SH, MK, T.-WK escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito. T.-WK supervisó el proyecto, revisó el manuscrito y dirigió el esfuerzo hasta su finalización.

Correspondencia a Tae-Wook Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hwang, S., Kang, M., Lee, A. et al. Integración de múltiples componentes electrónicos sobre una microfibra hacia una plataforma textil electrónica emergente. Nat Comun 13, 3173 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

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Recibido: 29 junio 2021

Aceptado: 23 de mayo de 2022

Publicado: 08 junio 2022

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

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