유연한 전자 장치를 위한 새로운 초박형 '스킨'은 의료 기기 및 보철 분야의 발전을 약속합니다

20년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 인간의 피부에 복잡하게 장착된 전자 장치는 인간과 기계의 원활한 융합을 약속함으로써 오랫동안 과학적 상상력을 사로잡았고 전문가들을 감질나게 했습니다. 이러한 피부에 꼭 맞는 회로는 전례 없는 예리함을 갖춘 의료용 센서나 신경계에 연결된 생체 공학적 팔다리의 잠금을 해제할 수 있습니다. 그러나 수십 년간의 부지런한 연구에도 불구하고 부적절한 재료로 인해 이 비전적인 목표를 향한 진전이 방해를 받았습니다. 이제 중국 재료 과학자 팀이 유연한 전자 장치를 장착하는 데 이상적인 조직 얇은 필름을 제조하는 획기적인 방법을 보고했습니다. 게시 위치 고급 재료 (“초등각투명 전자 피부를 위한 아라미드 나노유전체”), 난카이 대학의 연구원들은 AND라고 불리는 맞춤형 "아라미드 나노유전체" 폴리머 층을 자세히 설명합니다. 이 폴리머 층은 나노 크기의 두께와 날개 모양의 유연성을 더 깨지기 쉬운 필름을 망칠 수 있는 열 및 화학적 스트레스에 대한 견고한 탄력성과 고유하게 결합합니다. 인간의 머리카락보다 수천 배 더 얇은 두께가 100나노미터에 불과한 AND 필름은 높은 강도와 피부에 쉽게 밀착됩니다. 또한 투명하고 통기성이 있으며 300°C가 넘는 온도를 견딜 수 있습니다. 아라미드 나노유전체를 기반으로 한 초순응성 전자 장치 시연

AND를 기반으로 한 초순응 전자 장치의 시연입니다. a) 아라미드 섬유의 계층적 구조. b) 장치의 제작 및 자체 박리 과정에 대한 개략도. c) 3인치 실리콘 웨이퍼에 제작된 AND의 장치 사진. d) AND의 자체 박리 과정을 보여주는 사진. e, f) e) 인간 피부 및 f) 잎에 전사된 AND를 기반으로 한 초등각 전자 장치의 사진. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨) "생체 전자 공학과 같은 새로운 응용 분야의 경우 국부 표면과의 등각 접촉은 정밀한 신호 획득과 편안함을 가능하게 합니다."라고 Nankai University의 재료 과학자인 선임 저자 Dr. Jian Zhu는 설명합니다. "우리의 AND 필름은 피부와 유사한 전자 장치가 인간 피부의 복잡한 토폴로지 질감에 밀접하게 적응할 수 있게 해줍니다." 인간 생리학과 원활하게 융합되는 전자 장치에 대한 비전은 수십 년 동안 열렬한 연구를 촉진해 왔습니다. '라고도 불린다.표피전자공학'라는 개념은 2011년 일리노이 대학의 생의학 엔지니어인 존 로저스(John Rogers)가 피부에 직접 부착하여 움직임과 심박수를 감지하는 '표피 임시 이식 문신' 장치를 공개하면서 대중적으로 알려졌습니다. 그러나 이러한 초기 디자인은 장기간 사용 시 피부 자극이 발생할 수 있는 등의 한계에 직면했습니다. 가장 중요한 과제는 피부에 눈에 띄지 않게 구부러지면서 전자 부품을 지지할 수 있는 적절하게 얇지만 내구성이 있는 재료를 고안하는 것입니다. 엘라스토머는 신축성을 제공하지만 통기성은 최소화합니다. 파릴렌과 같은 고분자 필름은 절연체로는 탁월하지만 나노 규모로 처리하기에는 번거로운 것으로 나타났습니다. 폴리이미드와 같은 다른 옵션에는 불안정한 희생층을 사용하는 복잡한 화학 처리가 필요합니다. 난카이 연구진은 케블라 방탄 조끼에 사용되는 것과 동일한 내구성이 있는 아라미드 폴리머로부터 나노유전체를 파생시키는 색다른 접근 방식을 추구했습니다. 그들은 영화를 AND라고 부릅니다. Zhu는 “우리의 아라미드 나노유전체는 미래의 피부와 유사한 전자제품을 위한 유전체로서 큰 가능성을 갖고 있습니다.”라고 말했습니다. 연구팀은 아라미드를 폭이 10나노미터에 불과한 나노섬유로 박리하고 스핀코팅하여 맞춤형 두께의 필름으로 만들었습니다. 폴리머 사슬 내의 매우 강한 분자간 결합은 층을 매우 얇게 유지하면서 접착력과 내열성을 향상시킵니다. AND는 또한 투명하고 수증기를 투과할 수 있어 경피 바이오센싱 패치에 이상적인 기질입니다. “AND 필름은 기계적으로 강하면서도 규정을 준수하고 부드럽고 투명합니다.”라고 Zhu는 말합니다. “또한 화학적으로 불활성이고 최대 300 –C까지 열적으로 안정적이며 에칭 용제 없이 기판 처리에서 자체 분리가 가능합니다.” 실제 실행 가능성을 입증하기 위해 연구원들은 AND 필름을 사용하여 매우 다른 두 가지 장치를 만들었습니다. 하나는 근전도검사나 심전도검사와 같은 전기생리학적 신호를 정밀하게 모니터링하기 위한 땀 면역 전극입니다. 다른 하나는 유연하다. 전계 효과 트랜지스터 마이크로프로세서 성능 손실 없이 사람의 머리카락을 감쌀 수 있을 만큼 얇습니다. AND 필름이 있는 피부 장착형 은나노와이어 전극은 피험자가 땀을 많이 흘리거나 샤워를 하는 경우에도 근육과 심장 활동을 성공적으로 기록했습니다. 기존의 젤 전극은 땀으로 인해 전도성이 저하되는 조건에서는 작동하지 않습니다. 연구원들은 뛰어난 성능과 통기성이 감지기 아래에 땀이 쌓이는 것을 방지한다고 생각합니다. 정량적 측정 결과 100 nm AND 필름은 야외 노출의 90%를 초과하는 수증기 투과율을 갖는 것으로 나타났습니다. 한편, 게이트 유전체와 기판 역할을 동시에 수행하는 AND 필름을 갖춘 머리카락을 감싸는 전계 효과 트랜지스터는 4V에 불과한 저전압 작동, 40cm의 이동도와 같은 우수한 전자 특성을 보여주었습니다.2/Vs 및 켜짐/꺼짐 비율이 100,000을 초과합니다. 그리고 눈에 띄는 손상이나 성능 저하 없이 사람의 머리카락보다 작은 둘레로 극심한 굽힘을 견뎌냈습니다. Zhu는 “매우 유연한 트랜지스터는 사람의 머리카락을 감았을 때 성능 저하 없이 제대로 작동할 수 있습니다.”라고 말했습니다. Zhu는 대부분의 기존 피부 전자 장치가 주류 의료 채택에 필수적인 대규모 제조에 너무 맞춤화된 비표준 나노 제조 기술에 의존한다고 주장합니다. 그러나 기존 리소그래피 워크플로우에 대한 AND 필름의 적용 가능성은 이러한 장애물을 극복합니다. “우리의 웨이퍼 규모 접근 방식은 대량 생산과 현대 전자 제조 방법의 통합을 가능하게 합니다.”라고 그는 설명합니다. 환자가 유연한 전자 장치가 약속하는 발전의 혜택을 누리기까지는 더 많은 작업이 남아 있지만 Zhu는 절제된 낙관주의를 표명합니다. “우리는 아라미드 나노유전체가 차세대 소형 의료 기기와 생체 공학을 변화시킬 것으로 예상합니다.”라고 그는 말합니다. “이 기술을 SF 영역에서 임상 현실로 가져오면 인류 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

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마이클
버거