韩国延世大学Adv. Mater.:用于纺织和可穿戴电子设备的一维可拉伸电极和器件的最新进展
【引言】
在过去的几十年中，电子设备变得很小，这提高了它们的便携性。电子设备的尺寸变小和便携性增加的这些趋势导致可穿戴电子产品的快速发展，例如电子皮肤，智能手表和运动腕带。在各种类型的可穿戴电子产品中，结合传统纺织品和电子设备的纺织电子产品是一种有吸引力的选择。因此，在过去几十年中，科学家已经做出许多努力来开发用于可穿戴人机界面，生物医学应用和智能运动服的各种纺织电子设备。在这方面，一维形式的可拉伸和可穿戴电子设备可以直接集成到日常服装中，对于未来的可穿戴电子设备而言是非常有前途的。此外，纤维结构的层级特性使得一维电子设备和系统非常适用于先进的可穿戴电子设备。包括1D电子设备的1D组件还具有适合于可穿戴电子设备的独特特性，例如柔软性，可拉伸性，透气性和对损坏的高耐受性。此外，在日常生活中的自然运动期间，衣服的某些部分经常被拉伸和变形，从而增加了1D电子设备的可拉伸性的重要性。尽管许多现有衣服仅通过特定织物结构（例如机织或针织结构）通过刚性纱线获得一定的拉伸性，但由这种织物结构产生的拉伸性不足以覆盖特定应用中所需的高拉伸性。为了实现一维可拉伸电子器件和系统，具有高导电性和拉伸性的一维可拉伸电极（例如导电纱线或细丝）的开发是十分必要的。在这方面，基于纺织技术，电子学和纳米技术的融合，最近在开发各种高性能1D可拉伸导电纱线方面的进展是相当显着的。虽然与现有的2D可拉伸电子设备相比，一维可拉伸电子设备的成就仍然不显着，但由于这种一维可伸缩电子技术的潜在应用，依然吸引了大量的研究关注。
【成果简介】
近日，韩国延世大学Taeyoon Lee教授总结了先进可穿戴电子产品的一维可伸缩电子产品的现状和最新成果，该产品有望成为医疗保健，环境监测，人机界面，能源转换等领域的主要技术之一。本综述分为大致三个部分，回顾了一维可拉伸电极的各种导电材料和制造方法，以及基于一维可拉伸电极的代表性一维电子器件的最新进展。在第一部分中，介绍了用于一维可拉伸电极的碳基纳米材料和金属纳米材料的特性、优点和局限性。用于一维可拉伸电极的常规和先进制造技术在第二部分中详细描述。在第三部分中，提出了基于一维可拉伸电极的各种一维电子设备：例如，机械传感器，环境传感器，光纤加热器以及能量收集和存储设备。本综述的主要目的是提供对近年来开发的一维可拉伸电极及其应用的广泛概述和理解。尽管到目前为止已经发表了许多关于2D平面可拉伸电子设备的综述以及一些关于基于1D光纤的电子设备的综述，但目前还没有综述主要关注具有一维结构的电子设备。这篇综述论文将有助于扩大研究领域，帮助新研究人员进入这一领域。此外，基于本文对该领域相关研究，局限性和前景的系统总结，预计许多研究人员将有效地利用它来推进研究领域的发展。该成果以题为“Recent Advances in 1D Stretchable Electrodes and Devices for Textile and Wearable Electronics: Materials, Fabrications, and Applications”发表在Adv. Mater.上。
【图文导读】
Figure 1.用于一维可拉伸电极的碳纳米材料
a）使用rGO，TiO2和PDMS的可拉伸电热彩色纤维的结构示意图
b）具有不同颜色的可拉伸电热彩色纤维的照片
c）在不同的浸涂时间下用rGO（PDCY-RGO）进行等离子体处理的双涂层纱线的电导率
d）石墨烯基导电纤维的制造过程示意图
e）制造的石墨烯基导电纤维的光学图像
f）具有均匀滚动结构的单个石墨烯纤维的SEM图像
g）基于rGO的导电纤维的侧视SEM图像
h）石墨烯/ PVA（G@PVA）纤维的制造过程示意图
i）缠绕在塑料棒上的G@PVA纤维的照片和SEM图像
j）基于同轴SWCNT的可拉伸导电纤维的碎裂
k）基于SWCNT，MWCNT及其混合物的各种可拉伸导电纤维的电导率比较
1-n）FWCNT/PMIA可拉伸导电纤维，FWCNT的TEM图像和FWCNT/PMIA纤维的光学图像的示意图
Figure 2.用于一维可拉伸电极的金属纳米材料
a）使用AgNW，P(VDF-TrFE)纳米纤维垫和弹性纤维基材的可拉伸导电纤维的横截面SEM图像
b）基于表面改性的AgNW和PU复合材料的可拉伸导电纤维的照片
c）反射模式下光纤的光学显微镜图像
d）复合纤维的横截面SEM图像
e）AgNW/PU可拉伸导电纤维的制造过程示意图
fg）制造的AgNW / PU可拉伸导电纤维的照片和SEM图像
h）拉伸下的可拉伸导电纤维中AgNW和AgNP的变化的示意图
i）在前和50％应变下，没有AgNP的0.56wt％AgNWs混合的SBS纤维的背散射SEM图像
j）显示基于AgNP的可拉伸导电纤维表面的SEM图像
k）Ag纳米花浓度对可拉伸导电纤维的拉伸性和导电性的影响
l）基于CuNW的可拉伸导电纤维的分层结构的示意图
m）金膜在纤维上生长之前和之后的AuNW/SEBS纤维的光学显微镜图像
n）金膜生长后的截面SEM图像和AuNW/SEBS纤维的相应EDX映射图像
o）基于LM的超伸展导电纤维的照片
Figure 3.具有导电材料的可拉伸纱线的直接纺纱方法
a）由湿纺法制造的可拉伸导电纤维的电导率-应变关系
b）可拉伸导电纤维的同轴湿纺工艺的示意图
c）制造的同轴可拉伸导电纤维的照片
d）同轴可拉伸导电纤维从5％拉伸至250％应变时的照片
e）制造AuNW/SEBS可拉伸导电纤维的干纺工艺示意图
f）在纤维表面上形成AuNWs连续金膜的示意图
g）导电-应变曲线对可拉伸导电纤维的预应变水平的影响
h）通过干纺法制造的1.1米长的可拉伸导电纤维的照片
i）制造的纤维的照片显示出其高拉伸性
j）拉伸下的可拉伸导电纤维的相对电阻变化和相对导电率变化
k）可拉伸导电纤维的热拉伸方法的示意图
l）纯SEBS纤维和填充有LM的SEBS纤维的应力-应变曲线
Figure 4.导电材料的涂布，物理和化学性能
a）基于PU/棉/CNT基可拉伸导电纤维的浸涂工艺的自行开发的制造工艺示意图
b）可拉伸导电纤维的电阻与浸涂的数量
c）基于导电材料的浸涂可拉伸导电纤维的制造过程示意图
d）减小Au基可拉伸导电纤维中裂缝的长度和宽度的原理，其在拉伸时提供低电阻变化
e）制造的可拉伸导电纤维的照片
f）制造的纤维和薄膜的拉伸性和电阻变化。
g）通过化学还原过程制造导电纤维的示意图
h）根据Ag离子的吸收和还原循环，导电纤维的电阻变化
i）通过化学还原过程的AgNP基可拉伸导电纤维的制造过程的示意图
j）拉伸下的可拉伸导电纤维表面的SEM图像
k）在各种条件下可拉伸导电纤维的导电率和使用根据所应用的应变的经典3D渗滤理论计算的纤维导电率
Figure 5.制造一维可拉伸电极的方法
a）在自然松弛状态下，3cm长的初生CNTs基可拉伸导电纤维的照片及其相应的更高放大率SEM图像
b）4.4mm长的绳索部分的SEM图像，由高度均匀，完美排列的环和相应的更高放大率的图像组成
c）在0％，50％和100％的不同应变下基于CNT的弹簧状可拉伸导电纤维的SEM图像
d）拉伸和释放过程中可拉伸导电纤维的电阻，应变为100％
e）基于螺旋缠绕的纤维电极的可拉伸纤维纳米发电机的示意图
f）螺旋缠绕的Cu线电极在释放状态和拉伸状态下的照片
g）在纤维能量收集装置中的可拉伸纤维电极中CNT涂覆的棉线的线圈结构的示意图
h）基于MWCNT层的弯曲结构制造可拉伸导电纤维的示意图
i）基于MWCNT层的2D分级屈曲的可拉伸导电纤维的表面
j）根据所施加的应变，基于弯曲MWCNT电极的可拉伸导电纤维的电阻响应
k）插入扭曲的矩形夹层纤维的示意图，其包括Ecoflex橡胶芯和两个对称的弯曲CNT电极
1,m）SEM图像显示了基于扭曲结构和MWCNT层的2D分级屈曲的可拉伸导电纤维
Figure 6.1D可拉伸应变传感器
a）PEDOT在PS纤维上聚合的示意图
b）线性和锯齿形可拉伸导电纤维嵌入织物的光学图像
c）AgNW/PU基可拉伸导电纤维的横截面的SEM图像
d）AgNW/PU纤维的横截面SEM图像
e）用AgNW和AgNP制造的可拉伸导电纤维相对于增加的应变的电导率变化
f）使用具有AgNW-AgNP复合物的可拉伸导电纤维开发的智能手套照片
g）用智能手套检测英文字母“Y”的照片
h）智能手套中的手指运动检测
i）基于复丝纤维的纤维应变传感器的电阻的相对变化作为第一施加和释放的最大应变的函数
j）基于五指节点上的基于光纤的应变传感器的智能手套照片
k）由智能手套控制的遥控手持机器人的照片
l）人工膀胱系统的照片及其在猪膀胱上使用基于纤维的应变传感器的操作
m）基于纤维的应变传感器对猪囊的电阻响应和根据液体的注入和提取的电磁阀的操作
n）基于CNT导电纤维的应变传感器的电容对拉伸和拉伸释放期间的应变和位移的依赖性，其中蓝线是数据的线性拟合
o）电容软应变传感器光纤的多芯外壳印刷工艺的示意图
p）拉伸电容性光纤应变传感器的照片
q）电容光纤应变传感器的模型预测，传感器电阻和总电容高达250％应变
Figure 7.1D可拉伸压力，弯曲和扭转传感器
a）可拉伸和敏感的石墨烯基纤维机械传感器的制造过程示意图
b）基于纤维的机械传感器在向前弯曲和反向弯曲中的电阻变化
c）基于石墨烯的机械纤维在-280至800 rad/m的扭转试验中的电阻响应
d）基于可拉伸导电纤维的机械传感器在向前和向后弯曲中的电阻响应
e）可拉伸压阻式纤维压力传感器的示意图和照片
f）根据施加的压力，不同压阻纤维的相对电阻变化
g）两根扭曲的液态金属芯纤维的照片，直径850μm（顶部），拉伸至150％应变（中间），以及扭转水平为1260 rad/m（底部）的额外扭曲
h）根据所施加的扭转变形，可拉伸纤维扭转传感器的电容变化
Figure 8.适用于可穿戴应用的1D可拉伸热敏器件
a）在1.2V的恒定电压下，处于原始状态，扭曲状态，弯曲状态和拉伸（50％应变）状态的可拉伸加热纤维的IR热图像
b）在0.9至6V的不同恒定直流电压下，可拉伸加热纤维随时间变化的温度曲线
c）在人体膝盖位置的可穿戴和智能个人加热系统应用的照片以及在打开设备之前和之后的IR热图像
d）Z-图案化石墨烯光纤加热器在0.9至4.7V的逐步电压下的温度分布
e）用拇指，传感器，食指上的四个手指上的纤维热传感器编织的特定手套的照片用红色标记突出显示
f）由手套热传感器检测到的相应温度分布和右直方图分别是由红外摄像机（斜线）和可伸展光纤热传感器（空白）测量的精确温度值
g）在相同的螺旋rGO可拉伸纤维中的电阻变化，拉伸至0-50％的应变并分别加热至100℃，200℃和300℃的温度
h）基于细长ZnO NWs的可拉伸光纤传感器的照片
i）在0％和80％应变下可拉伸的基于纤维的传感器的SEM图像
j）可拉伸光纤温度传感器的归一化电流变化与0％，25％，50％和100％应变下的温度的关系
Figure 9.1D可拉伸储能装置
a）使用CNT/PANI复合纤维的纤维超级电容器的SEM图像
b）同轴纤维超级电容器的纤维基板，左端侧和中间侧的内部CNT电极的SEM图像
c）在0,25,50,75和100％的不同应变下同轴纤维超级电容器的照片
d）拉伸前后的弹性纤维电极的照片为100％，200％，300％，400％和500％
e）纤维超级电容器的恒电流充放电曲线，应变从0％增加到400％
f）基于纤维电极的双螺旋构造（向上）的可拉伸纤维超级电容器的示意图和在300％的应变下的纤维超级电容器的照片
g）光纤超级电容器在弯曲变形前后的照片，角度为180°
h）由两个串联电池组成的可拉伸串联光纤超级电容器的示意图
i）可拉伸纤维超级电容器在拉伸至100％之前和之后的循环伏安曲线
j）完整的全固态超级电容器的示意图，其包括两个对称的线圈MnO2/CNT/尼龙纤维电极和凝胶电解质
k）在拉伸释放循环期间电容保持率与施加的应变达到150％应变
l）在正常和弯曲状态下为两个LED供电的光纤超级电容器
Figure 10. 1D可拉伸能量收集设备
a）可拉伸纤维DSSC的示意图和SEM图像
b）分别在30％应变拉伸前后的可拉伸纤维DSSC
c）可拉伸纤维DSSC的能量转换效率，用于在约20％的应变下重复拉伸变形50个循环
d）基于凝胶电解质的可拉伸纤维DSSC结构的示意图
e）可拉伸纤维聚合物太阳能电池的照片，其应变从0％增加到80％
f）根据重复拉伸循环的包括纤维聚合物太阳能电池的可拉伸能量织物的能量转换效率
g,h）可拉伸纤维钙钛矿太阳能电池的制造工艺和结构示意图
i）SEM图像显示制造的可拉伸纤维钙钛矿太阳能电池的结构
j）可拉伸纤维压电纳米发电机的结构示意图
k）描述基于同轴结构的可拉伸纤维摩擦纳米发电机的示意图
l）在可重复拉伸刺激下产生的可拉伸纤维摩擦纳米发电机的开路电压（VOC）
m）由纤维超级电容器和纤维太阳能电池组成的可伸缩光纤集成能量装置的结构和工作原理的示意图
n）在10％，20％，30％和40％的应变下拉伸之前和之后的可拉伸纤维集成能量装置的光子充电和放电过程
【小结】
可以直接集成到日常纺织品或服装中的可穿戴电子设备的研究已经爆炸性地发展，具有用于各种实际可穿戴设备具有的巨大潜力。这些可穿戴电子设备强烈要求一维电子设备，这些设备重量轻，可穿戴，高度灵活，可伸缩，并且适于在日常生活中使用时频繁变形。为此，具有高拉伸性和电性能的一维电极的开发基本上是必不可少的。在此，这篇综述总结了用于可穿戴和纺织电子设备的一维可拉伸电极的最新工艺，集中于代表性导电材料，具有高性能的一维可拉伸电极的制造技术，以及各种一维可拉伸电子器件的设计和应用。最后，讨论了当前材料和设备在性能和科学理解方面的局限性和前景，应考虑进一步推进。
(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201902532)
本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。
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