Fabric-based electronic textiles (e-textiles) are the fundamental components of wearable electronic systems, which can provide convenient hand-free access to computer and electronics applications. However, e-textile technologies presently face significant technical challenges. These challenges include difficulties of fabrication due to the delicate nature of the materials, and limited operating time, a consequence of the conventional normally-on computing architecture, with volatile power-hungry electronic components, and modest battery storage.
In the first part, we report a polydopamine (PDA) based nonvolatile memory device using fully two-step solution dip coating method to deposit aluminum (Al) and PDA as metal electrodes and resistive switching layer (RSL) on cotton yarn as a backbone. This ‘PDA based Intersected Fabric Memory (PiFAM)’ was constructed by interweaving with PDA/Al coated yarns and untreated yarns for forming active memory cell and hampering cell-to-cell interaction, respectively. The PiFAM can potentially provide a promising memory component for fabric electronics and smart nanodevices.
In the second part, we demonstrate iCVD polymer-intercalated RRAM (i-RRAM). i-RRAM exhibits robust flexibility and versatile wear-ability on any substrate. Stable operation of i-RRAM, even in water, is demonstrated, which is the first experimental presentation of water-resistant organic memory without any waterproof protection package. Moreover, the direct observation of the carbon filament is also reported for the first time using transmission electron microscopy (TEM), which puts an end to the controversy surrounding the switching mechanism. Therefore, reproducibility is feasible through comprehensive modeling. Furthermore, the carbon filament is superior to a metal filament in terms of the design window and selection of the electrode material. These results suggest an alternative to solve the critical issues of organic RRAM and an optimized memory type suitable for the IoT era.
In the third part, we report a novel poly(ethylene glycol dimethacrylate) (pEGDMA)-textile memristive nonvolatile logic-in-memory circuit, enabling normally-off computing, that can overcome those challenges. To form the metal electrode and resistive switching layer, strands of cotton yarn were coated with aluminum (Al) using a solution dip coating method, and the pEGDMA was conformally applied using an initiated chemical vapor deposition (iCVD) process. The intersection of two Al/pEGDMA coated yarns becomes a unit memristor in the lattice structure. The pEGDMA-Textile Memristor (ETM), a form of crossbar array, was interwoven using a grid of Al/pEGDMA coated yarns and untreated yarns. The former were employed in the active memristor and the latter suppressed cell-to-cell disturbance. We experimentally demonstrated for the first time that the basic Boolean functions, including a half adder as well as NOT, NOR, OR, AND, and NAND logic gates, are successfully implemented with the ETM crossbar array on a fabric substrate. This research may represent a breakthrough development for practical wearable and smart fibertronics.
In the fourth part, we report a wearable and flexible temperature sensing circuitry for a diagnosis of skin temperature. This system is based on a novel carbon nanotubes (CNTs)-based temperature sensor (CTS) array, built on cotton yarn using a mixture of multi-walled (MW)-CNTs and PDMS (polydimethylsiloxane). To divide and select the unit thermistors, a memristor which operates in the normally-off state was utilized. To construct the memristors, an Al precursor-based solution dip coating method and initiated chemical vapor deposition (iCVD) were employed for the metal electrode and resistive switching layer (RSL), respectively. Using the aforementioned processes, aluminum (Al) electrode and poly (ethylene glycol methacrylate, pEGDMA)-RSL layers were deposited on a cotton yarn backbone. A unit temperature sensor based on the proposed circuitry was fabricated by intersecting the Al/pEGDMA-coated yarns to both sides of the CTS wire, while forming a 1-thermistor and 2-memristor (1T-2M). This architecture exhibited promising performance as a sensor-array system for a fully fabric-based wearable healthcare device.
섬유 기반의 점자 섬유 (e-textile)은 컴퓨터 및 전자소자 응용분야에 편리성을 제공할 수 있는 웨어러블 전자소자 시스템의 기본적인 구성요소이다. 그러나, e-textile 기술은 현재 상당한 기술적 어려움에 직면해있다. 이러한 기술적 제한 요소는 물질 자체의 고유한 특성에서 기인하는 공정의 어려움, 기계적-화학적 안정성 및 전력소비 문제 등을 포함한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다음과 같이 세 가지로 구체화하여 연구를 진행하였다.
첫 번째 파트에서는 협력연구를 통해 실 자체를 전자소자로 응용할 수 있는 연구를 진행하였다. 먼저, 2단계의 용액 침적 코팅 방법으로 실에 전극을 형성하고, 절연막을 코팅하여 교차된 구조를 메모리 소자로 응용하고자 하였다. 이 폴리도파민기반의 실로 교차된 구조의 메모리 소자는 폴리도파민/알루미늄이 코팅된 실과 아무 처리하지 않은 원사와 섞여 짜여져 있어 소자간의 간섭을 피할 수 있다. 폴리도파민 기반의 저항변화 메모리 (RRAM: resistive random access memory)와의 비교를 위해 자연적으로 형성된 산화알루미늄을 절연막으로 하는 RRAM을 제작하여 비교하였으며, 홍합모사물질인 폴리도파민의 우수한 접착력과 균일도로 인해 산화알루미늄 기반의 RRAM보다 전기적으로 더 우수한 특성을 갖는 것을 확인하였다.
두 번째 파트에서는 iCVD공정을 이용하여 증착한 pEGDMA기반의 삽입형 RRAM (i-RRAM)을 개발하였다. i-RRAM을 플라스틱, 일반 종이, 나노입자의 나노페이퍼 등 다양한 기판에 제작하였으며, 메모리 소자로서의 동작을 확인하였다. 이렇게 제작된 메모리 소자는 유연성과 마모성이 매우 우수함을 입증하였다. 특히, 물속에서도 i-RRAM이 안정적으로 동작함을 확인하였으며, 이는 추가적인 방수 패키지가 필요없는 방수 유기 메모리 구현이 가능함을 최초로 보여주었다. 또한, 투과전자현미경 (TEM)을 사용하여 외부 전압에 따라 폴리머 절연막층에서 탄소 필라멘트가 형성되고 파괴됨을 처음으로 발견하였다. 특히, 탄소 필라멘트를 기반으로 동작하는 메모리 소자는 메모리 센싱 마진이 크고 전극에 사용되는 금속의 종류와 상관없이 같은 방식으로 동작한다. 이러한 연구는 유기물 기반 RRAM의 중요한 문제를 밝혔으며 사물인터넷 (IoT)시대에 응용될 수 있는 최적의 메모리 소자가 될 수 있음을 보였다.
세 번째 파트에서는 실제 섬유를 이용하여 멤리스터 기반 기능성 회로를 세계최초로 개발하였다. 앞서 진행한 연구와 같이 실위에 전극으로 사용될 알루미늄을 증착하고, 그 위에 pEGDMA물질을 iCVD를 이용하여 증착하였다. pEGDMA의 전기적 특성은 본 연구에서 이미 검증하였으며, 코팅된 실을 격자로 구성하였다. iCVD 증착법은 매우 균일한 막을 나노급으로 증착할 수 있는 매우 향상된 기술이다. 이렇게 코팅된 실이 격자로 구성되면 각 교차점은 ‘금속-절연막-금속’형태의 RRAM이 된다. 이런 교차 배열 형태의 멤리스터 소자 (pEGDMA-textile memristor: ETM)는 직조방식으로 제작할 수 있는 특징이 있다. 이러한 섬유기반의 멤리스터 소자를 기반으로 NOT, NOR, OR, AND, NAND 및 Half Adder 와 같은 논리 회로를 세계 최초로 개발하였다. 또한, 궁극적인 웨어러블 전자소자 구현을 위해 세탁시 기계적, 화학적으로 내구성이 매우 강한 것을 실험적으로 검증하였다. 또한, 저전압 동작이 가능하며, 비휘발성 멤리스터 소자를 이용하여 전력공급이 없을 때에 저장된 정보를 유지할 수 있어 전력 효율면에서 매우 우수한 회로임을 입증하였다.
네 번째 파트에서는 국부적 피부 온도 측정이 가능한 섬유형 온도센서를 제작하였다. 탄소나노튜브 (CNTs)와 고분자 물질 (PDMS)을 혼합하여 제작한 전도성 섬유는 피부온도에 민감하게 반응하여 온도에 따라 흐르는 전류가 변하게 된다. 이러한 섬유 양쪽으로 실제 섬유를 이용하여 제작한 멤리스터를 선택 소자 (selector device)를 격자 형태로 엮어 직물 형태로 제작하였다. 4×5 배열의 격자 구조로 제작하여 각각의 격자점에 위치한 온도 센서로 매우 작은 영역의 피부온도를 측정할 수 있는 회로를 구현하였다. 특히 각 센서 양쪽에 선택소자 역할을 하는 비휘발성 멤리스터가 있어 낮은 저항상태를 가질 때만 온도에 따른 전류 측정이 가능하기 때문에 전력 소비를 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 이번 연구를 통하여 완전하게 섬유로만 이루어진 차세대 웨어러블 온도센서를 제작하였다. 이는 향후 의류형으로 제작되어 인체의 건강관리를 할 수 있는 소자로의 개발을 기대할 수 있다.
