新興電子繊維プラットフォームに向けたマイクロファイバー上の複数の電子コンポーネントの統合

Jan 06, 2024

Nature Communications volume 13、記事番号: 3173 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

電子ファイバーは、糸で織ることによる布地との寸法適合性により、望ましいデバイスプラットフォームの 1 つと考えられています。ただし、目的の電子回路やシステムを構成するには、各電子ファイバー間の正確な接続プロセスが不可欠です。ここでは、一次元マイクロファイバー基板上に電子デバイスを作製することによる、統合電子ファイバープラットフォームを紹介します。トランジスタ、インバータ、リング発振器、熱電対などの電子部品が、精密な半導体および電極パターンを備えたファイバー基板の外面に統合されています。私たちの結果は、電子コンポーネントが信頼性の高い動作で単一のファイバーに統合できることを示しています。当社では、光/熱信号を検出するための感知ユニットや変換ユニットだけでなく、スイッチングやデータ処理をテストすることにより、多機能電子繊維プラットフォームとしてのファイバー上のチップの電子特性を評価します。電子ファイバーの実証は、ウェアラブル電子テキスタイルシステムで高性能を実現するための重要な概念実証を示唆しています。

ファイバーエレクトロニクスは、ウェアラブルアプリケーションやスマートテキスタイルにとって非常に興味深いものであり、人間と周囲の間の通信や相互作用を促進することができます1、2、3。機能性繊維の基本要素として、糸状繊維の一次元 (1D) 形状は、生地構造に高い柔軟性、等方性変形、通気性、軽量性をもたらします 4,5。 1D 機能性繊維は、撚り、織り、縫製、編み、結び目、インターレースなどの伝統的な繊維工学技術を通じて、さらに加工して 2 次元 (2D) 繊維や 3 次元 (3D) 糸構成にすることができます。このような本質的な利点により、近年、健康/環境モニタリング、ディスプレイ、センシング、エネルギーハーベスティング、エネルギー貯蔵、電磁シールド、情報処理などの光電子機能を実行するファイバーベースのデバイスコンポーネントが、ファブリックに直接統合されています。未来的な服装をデモンストレーションする7、8、9、10、11、12、13、14。

既存の電子ファイバープラットフォームは一般に、ファイバー基板上の単一機能を備えた1種類の電子部品のみで構成されており、これはファイバー表面の所望の領域にパターニングすることなく、ファイバー全体に活性層を全周巻き付けることに起因すると考えられます。製造工程中。さらに、デバイスの性能の低下を最小限に抑えながら、目的の電子回路やシステムを 2D テキスタイルに構成するには、各電子ファイバー間の正確な接続プロセスが不可欠です15。これらの機能ファイバーのアセンブリは、2D ウェハー上の従来の集積回路や多機能デバイスと同様に、データの記録、検出、読み出しに順次使用できますが、スケールダウンの制限と電子回路の構成の難しさの両方が、依然として大きな障害となっています。実用的な電子ファイバーシステムの実装。まず、大規模集積回路（LSI）からは複雑かつ機能的な接続が多数生成されるため、導電性スレッドなどの配線の削減が今後の開発のボトルネックと考えられています。第二に、特別に設計されたアーキテクチャまたはプロセスを導入することにより、デバイスの面密度を高める必要があります16。この観点から、単一のファイバーで動作できるコンパクトで小型化された電子システムを開発することが非常に必要です。テキスタイルに複数の機能を付与するために、繊維ストランドまたはヤーンに小さな電子部品を挿入する方法が新たな候補と考えられており、熱延伸デジタルファイバーや電子ヤーンの実装が可能になります17、18、19。ただし、熱延伸アプローチとフィラメントの上面への小さなコンポーネントの取り付けには、デバイス密度が低いという制限があります。複数の電子部品と回路を備え、優れた電気的性能を維持する高密度電子マイクロファイバーを製造する戦略はまだ報告されていない。

この研究では、直径150μmのモノフィラメントとして定義される1Dファイバーの表面上に電子デバイスコンポーネントのLSIを可能にする電子ファイバープラットフォームを紹介します（図1a）。キャピラリチューブ支援コーティング法20を備えた高解像度のマスクレスフォトリソグラフィーを使用することにより、複数の小型デバイスユニットが非常に狭くて薄いファイバー表面に統合されます。概念実証のデモンストレーションとして、基本的な電子デバイス (電界効果トランジスタ、インバーター、リング発振器) とセンサー (光検出器、信号変換器、熱電対からなる分散型温度センサー) が長方形の 2 つの異なる側面上に製造されます。ファイバ。ファイバー上のチップは、さまざまな電子機能 (単一トランジスターでの UV 検出と電気信号のスイッチング、n 型インバーターでの対称入出力動作、5 段リング発振器の発振特性) と熱検知性能を示します。私たちは、私たちのアプローチが、統合された電子テキスタイルのための高密度電子ファイバープラットフォームを実装するための大きな一歩の 1 つであると信じています。

多機能電子ファイバーから統合され、布地に埋め込まれた e-テキスタイルの概略図。 B マイクロファイバー基板上に作製されたデバイス要素の断面図と三次元図。 C 単一のマイクロファイバー上に製造された電子デバイスの SEM 画像。 D 柔軟な電子ファイバーの写真。

図 1A、B に示すマイクロファイバー上の複数の電子システムのアセンブリは、基本的な光電子素子と温度センサーという 2 つの異なる電子部品で構成されています。電子部品は、長さ10センチ、直径150μmの直方体状のモノフィラメントの表面に集積されている。マイクロファイバー上に電子システムの直接アセンブリを実装する概念実証として、当社の電子ファイバーは、2D ウェーハ上の従来の電子システムと比較して集積密度が比較的低くなります。しかし、マイクロファイバー上の各電子部品をさらに微細化することで、従来の半導体デバイスと同様の高密度な電子ファイバーを実現できる可能性があります。これは、当社の電子ファイバープラットフォームが、新たに出現する可能性のある電子ファイバーの 1 つと考えられることを意味します。透明でフレキシブルな基板として、溶融シリカ製の正方形のマイクロファイバーを採用しました。シリカベースの繊維はポリマー基板に比べて柔軟性が比較的低いですが、1100 °C の高いプロセス温度に溶融することなく耐えることができるため、高性能の無機電気材料をその上に堆積することができます。また、マイクロファイバー基板は、ファイバーの長さ全体にわたって 4 つの平面を含む 3D 幾何学的形状を特徴としており、より高い集積密度を可能にします。電子部品の密度を高める最も効率的な方法は、ファイバーの全周を使用することです。この実現可能性を調査するために、正方形断面ファイバーの 2 つの異なる側面に電子コンポーネントを統合しました。インジウムガリウム亜鉛酸化物 (IGZO) 金属酸化物半導体 (MOS) をベースとしたトランジスタ、インバーター、リング発振器 (RO) がファイバーの上面に配置され、温度センサーがファイバーの側面に組み込まれています。。デバイス全体を実証するために、キャピラリチューブ支援コーティング（CTAC）法と高解像度マスクレスフォトリソグラフィーの両方を利用しました。これにより、薄くて狭いモノフィラメント基板の2つの異なる面にパターン化された金属電極を迅速に製造できます20、21。 CTAC プロセスは、オープンリールコーティングプロセスと互換性がある可能性があります。これは材料の無駄を最小限に抑える効率的な方法であり、コーティング速度と溶液濃度を調整することでフォトレジスト (PR) 膜厚を微調整することができます20。断面走査型電子顕微鏡（SEM）画像は、CTAC処理されたPRフィルムが繊維の外表面全体を均一に覆っており、PR層の厚さが約2μmであると推定されたことを示しています（補足図1）。ファイバー上に PR フィルムをコーティングしてベーキングした後、レーザーパターン発生器を使用して、電極パターンとともに PR を迅速に露光しました（補足図 1）。マスクレスリソグラフィーは、フォトマスクを使用せずに設計パターンをファイバー基板に直接転写し、補足図221に示すように、電極パターンの正確な位置決めを可能にして、非平面基板上の任意の位置に目的の電子デバイスを製造します。実験の詳細（金属の堆積）薄膜とフォトリソグラフィーによるウェットエッチング）およびファイバー上に形成された電極パターンも補足図3に記載されています。図1C、Dは、マイクロファイバー基板上に作製されたデバイス全体のSEM画像と写真を示しています。約 30 個の RO、インバータ、フォトトランジスタ、コンデンサ、および温度センサが点在する統合型電子ファイバ (長さ: 10 cm) が概念実証として実証されました。すべてのデバイスは個別かつ独立して動作できます。

各電気機器の光学顕微鏡像と回路図をそれぞれ図２Ａ、Ｄに示す。基本的なデバイス要素である電界効果トランジスタ (FET) は、トップゲートおよびボトムコンタクト (TG/BC) 構造で製造され、電子ファイバー用途向けの小型デバイスの機能を検証しました。 IGZO と Al2O3 は、それぞれアモルファス酸化物半導体とゲート誘電体として使用されます。それらの化学組成はX線光電子分光法（XPS）で分析され、補足図4に記載されているように、厚さ15 nmのAl2O3層の誘電容量は180 nF cm-2と測定されました。図2Bは、その伝達特性を示しています。デプリーション負荷 n-MOS インバーターのドライバー FET。 IGZO ベースの FET は、飽和領域で 5.5 cm2V-1s-1 の電界効果移動度を示し、ヒステリシスは無視でき、オン/オフ電流比は 5 V および 5 V で 107 を超えます。 5 V という低いドレイン・ソース間電圧 (VD) です。製造の初期段階では、長さ 10 cm のプロトタイプ電子ファイバー上の合計 8 個のトランジスタから 3 未満の許容可能な伝達曲線が得られました。収率。最終的に、動作するトランジスタを数えることにより、ほぼ 70% のデバイス歩留まりを達成しました。続いて、各モノフィラメント上に 5 つの個別の FET が製造され、平均飽和移動度 5.5 cm2V-1s-1、標準偏差 1.1 cm2V-1s-1、しきい値電圧 (VTh) 0.28 ± 0.57 V、および低いサブしきい値スイングを示しました。 0.36 ± 0.11 V dec−1。これらの値は、以前に報告された IGZO ベースの FET の値と類似しており、統合電子テキスタイルアプリケーションに対するこの製造プロセスの有効性を示しています 22、23、24、25。

フレキシブルファイバー基板上に作製されたIGZOベースのFETをベースにしたインバーターの写真と回路図。 B ファイバーデバイスを代表する IGZO FET の ID-VG 曲線。ＦＥＴのチャネル長（Ｌ）は１０μｍ、チャネル幅（Ｗ）は５０μｍである。 C 2 V 〜 5 V の電源電圧 (VDD) および 5 V のバイアス電圧 (Vbias) における 2 つの IGZO FET に基づくインバーターの静的伝達特性。 D デプレッションに基づく 5 段リング発振器の写真と回路図-マイクロファイバー上に製造された負荷インバーター。 E 異なる VDD に応じたリングオシレーターの動的特性。 F VDD 2、3、4、5 V で測定した発振振幅、周波数、伝播遅延。

IGZO FET に基づいて、図 2C、E、F に示すように、モノフィラメント上のインバーターと 5 段の RO の両方の電気特性を評価しました。ファイバー上の電子回路の複雑な製造手順と設計により、、インバーターと RO ではそれぞれ 60% と 40% の歩留まりしか達成できませんでした。デプレッション負荷 n-MOS インバーターは、ドライバーと負荷の役割を果たす 2 つの n-MOS トランジスタ間の直列接続によって実装されました。負荷トランジスタのソース電極は、負荷トランジスタのゲート電極およびドライバトランジスタのドレイン電極に接続されている。インバーターとROの動作におけるドライバーと負荷トランジスタ間の適切なバランスを保つために、ドライバーおよび負荷コンポーネントにそれぞれ20μmと50μmのチャネル幅(W)と10μmの同じチャネル長(L)が使用されました。電圧伝達曲線は、バイアス電圧 (Vbias) が 5 V、電源電圧 (VDD) が 2 V ～ 5 V の場合に測定されます。n-MOS デプレッション負荷インバータの出力電圧 - 入力電圧 (VOut - VIn) は次のようになります。図２Ｃに示す。続いて、上述のように、IGZO チャネルを備えたデプレッション負荷 n-MOS インバータによって 5 段 RO が準備されました。 RO は 5 つのデプレッション負荷 n-MOS インバータと直列に接続されています。 1 番目のインバータの出力は 2 番目のインバータの入力となり、2 番目のインバータの出力は 3 番目のインバータの入力になります。このチェーンは 5 番目のインバータまで続き、最後に最後の (5 番目) インバータの出力が 1 次 (1 番目) インバータの入力に戻ります (図 2D)。このようにして、従来の半導体プロセスを使用してフレキシブルファイバー基板上に集積回路（IC）を製造することに成功しました。さらなる精製と精度のためのより高いプロセスレベルと最適化が依然として必要ですが、長方形ファイバのファセットの側面または円筒形フィラメントの表面に、より複雑なICを統合することが可能になります。さらに、VDDの増加に伴う5段ROの出力電圧波形（Vout−時間）、発振周波数（f）、伝播遅延（τ）を図2E、Fに示します。スイッチングイベントは、VDD に依存する測定された VOut 遷移に指数関数を当てはめることによって決定されました。 VDD が増加すると、τ が増加し、f が減少します。

ファイバー上での多機能デバイスの統合の可能性を探るため、UV 光と温度の両方の変化に対してモノフィラメント上のセンサーの電気信号を監視しました。 UV 光センサーと温度センサーは、光ファイバー基板の 2 つの異なる面に作成されました。 UV 感知テストは、単一の IGZO ベース FET の光電気特性を監視することで実現され、コンポーネントのスイッチングが可能になりました。 IGZO 半導体は光学バンドギャップが約 3.0 eV であるため、UV スペクトルの検出に使用できます。ＵＶ検出は、ＦＥＴデバイスのドレイン電流の変化を測定することによって実行されたことに留意されたい。 UV-LED 光 (波長: 470 nm) と UV-レーザー光 (波長: 404 nm) がモノフィラメント上の FET の上部と底部の両方に照射され、それぞれ「ファイバーの外」と「ファイバーのコアを通して」の UV 感知を意味します。 (図3A、D)。図 3B は、VD = 5 V、VG を -5 V から 5 V まで掃引した状態で、ファイバーの外側から UV に曝露する前後のファイバー上の IGZO ベース FET の伝達特性を示しています。 -電流は、VG = 0 V で 4.0 × 10−8 A から 7.5 × 10−7 A です。これは、露光された光が IGZO チャネルでの光キャリアの生成に寄与し、より高いチャネル導電率を誘導することを意味します。図 3C は、UV 光によるパルス照明 (出力強度: 1.0 mW cm-2) の下で、ドレイン電圧 5 V、-1 V および 0 V の異なるゲート電圧での時間依存の光応答を示しています。 FET デバイスの TG/BC 構造により、ファイバーから照射された UV 光はゲート金属電極によって部分的に遮断または散乱されることに注意してください。光電流対暗電流の比は比較的低いですが、未知の環境条件下での UV 照射の検出を可能にする十分な電気信号を提供します (図 3C)。また、ファイバー上の IGZO ベース FET の信号変換器としてのもう 1 つの可能なアプリケーションも発見しました。図 3D は信号変換器の概略図を示しています。 UVレーザーはファイバーコアを通して照射され、光ガラスファイバー上に製造された単一のFET内を伝播しました（補足図5A）。光ファイバ内の光の伝播によってIGZO半導体が励起されると、ID-VG曲線のオフ電流が約3桁著しく増加します（図3E）。さまざまなレーザー強度でのドレイン電流と時間 (ID - 時間) の間の時間応答は、VD と VG がそれぞれ 5 V と -5 V に維持されながら、安定したスイッチングと比較的高い光対暗電流比を示しました (図.3F）。感光性半導体材料と、ボトムゲート/トップコンタクトデバイスアーキテクチャや垂直ダイオードなどのさまざまなデバイスアーキテクチャを使用することにより、高性能の光センサまたは信号トランスデューサを実現することが可能になります。電子ファイバーの光電流は、VG = − 5 V および VD = 0 V での伝達曲線から抽出され、光応答性 (Rλ) は次のように計算されました。

ここで、Ilight と Idark は、それぞれ明るい照明と暗い条件でのドレイン電流です。 Popt と A は、それぞれ入射照明パワー (470 nm LED 光の場合は 1.0 mW cm-2、404 nm レーザー光の場合は Popt = 84.5 μW cm-2、照明パワーはパワーメーターで測定) と有効面積を表します。 A はデバイスのチャネル面積 (幅 × 長さ = 2 × 10−6 cm2) です。図 3B、E に示すように、フォトトランジスタは、ファイバから照射された UV-LED 光では 0.64 A W-1 の光応答性を示し、ファイバコアを通って伝播した UV レーザー光では 53.9 A W-1 の光応答性を示しました。光ファイバーは光検出器としてだけでなく、レーザービーム伝播によって電力を供給されるワイヤレスセンサーネットワークを構築するためにも利用できます26。

A ファイバーデバイスの外側に 470 nm UV-LED 光を照射したときの光電気測定の概略図と写真。 B 暗闇および UV 光照射下での IGZO ベースのフォトトランジスタの伝達曲線。 C UV光によるパルス照明下での、異なるゲート電圧での時間依存の光応答。 D ファイバーデバイスの内部に 404 nm のレーザー光を照射したときの光電気測定の概略図。 E 暗闇およびファイバーコア内での UV 光への曝露中のフォトトランジスターの伝達特性。 F 4.2 V、4.6 V、5.0 V の異なるレーザー出力を使用した IGZO デバイスの過渡光電流。

図 4 に示すように、抵抗型センサーがファイバーの反対側に直接組み込まれており、ファイバー上のチップの多機能化が可能になります。熱情報の効率的な測定と検出のために、Ni と Cr が熱抵抗材料として選択されました。純粋な金属は真空熱蒸着によって簡単に堆積でき、高いゼーベック係数（Niの場合は-19μV K-1、Crの場合は+20μV K-1）を持ち、温度監視用の大きな熱起電圧と信号を生成できます（補足図1）。 6)27. 各熱電対間の間隔は 3.4 mm で、3 つの熱電対の接触パッドはファイバー表面の片側に配置されています。モノフィラメント上の温度センサーは、ファイバーに沿ったさまざまな位置の温度に応じて誘発される電圧変化によって動作します。これらのファイバー上のセンサーの複数の統合により、環境条件下での温度の正確な監視が可能になります。回路を設定し、接地接点を共有することにより、温度を 3 点で同時に測定できます (図 4A および補足図 5B)。さらに、熱源 (TSource) の温度上昇に伴う熱起電圧の変化 (ΔVTE) と、熱的に同期された熱電対間の温度差が、所定の温度と室温 (TTC − TRT) で測定されました。各センサーの詳細については、補足図6で説明します。

感熱コンポーネントの写真と概略図。 B ファイバー上の統合熱電対とファイバーデバイス全体の温度勾配の概略図。 C 温度の関数としての各熱電対の熱起電圧の変化。 D 熱源から各センサーまでの距離の関数としての温度分布。

ファイバー上の当社のチップは独特の形状をしているため、図 4B に示すように、埋め込み型温度検知モジュールとして適用できます。熱源の温度を監視するために、統合されたセンシングファイバーチップがホットブロックに慎重に埋め込まれます。繊維本体を通した熱源からセンサーへの熱伝導の結果、熱源の温度を変化させることによって材料内の温度を自発的に監視することに成功しました。モノフィラメント上の各熱電対の熱起電圧 (ΔVTE) は、ヒートブロックの温度を室温から 60 °C に変化させることによって線形に応答し、熱源から遠ざかる順に低い値を示しました (TSource > TTC-1 > TTC-2) > TTC-3) (図 4C)。図4Dに示すように、空気の対流による熱損失により、温度センサーの位置が熱源から遠ざかるにつれて、検出された温度は指数関数的に低下しましたが、モノフィラメント上の各統合センサーで計算された温度は、明確な段階的な挙動を示しました。これは、統合された 1D 熱抵抗センサーがウェアラブル温度感知ネットワークシステムだけでなく、埋め込み型モジュールにも適用できることを意味します。したがって、上記の結果は、UV/熱センシングおよびファイバー上の電子コンポーネントと合わせて、将来の電子テキスタイル用途向けの高性能で多機能な電子ファイバーシステムの実装に大きな期待を与えることができます。

モノフィラメント上の複数の電子システムの柔軟性と安定性をテストするために、図 5A、B に示すように、ファイバー上の IGZO FET デバイスを引張応力条件と圧縮応力条件の両方で測定しました。さまざまな応力条件下でファイバーを作製するため、異なるバッチで製造された 2 つの電子ファイバーを用意しました。ファイバーは、凹面と凸面の両方の曲げ条件でポリイミドテープを使用して、柔軟なポリエチレンテレフタレート (PET) 基板上に慎重に配置および固定されました。繊維の工学的ひずみ (ε) は、機械的入力が加えられたときの初期状態に対する全変形の比率として表され、以下の方程式で計算されます。

ここで、η = df/ds およびχ = Yf/Ys です。 ds と df は、それぞれ基板 (正方形のガラス繊維、150 μm) と活性層 (IGZO、15 nm) の厚さです。 Ys (ガラス、50～90 GPa) と Yf (酸化物、>100 GPa) は、それぞれ基板と活性層のヤング率です。 Rは曲げ半径です。基板が活性層よりもはるかに厚く、Ys と Yf の差が比較的小さいという前提の下で簡略化した式では、曲がった基板上の活性層内の ε は式 28 の右項としておおよそ得られます。

PET基板上の集積ファイバーデバイス（左）と、A凹およびB凸の曲げ条件下でのIGZO FETのID-VG特性（右）の概略図。機械的ひずみ (ε) は曲げ半径 (R) を使用して計算されます。挿入図は、曲げ中に測定されたフレキシブルファイバーデバイスの写真を示しています。ファイバ上の IGZO FET のオン電流状態、電界効果移動度、およびしきい値電圧の変化 C は、前方および後方への曲げによる機械的ひずみの関数として、および D は、曲げ半径で最大 10,000 サイクルの繰り返し曲げ試験中11.7mm。 E 生地に埋め込まれ、シャツの襟の内側に縫い付けられた電子ファイバーの写真。 F 未使用時、縫製時、および 10 日間装着後のファイバー上の IGZO FET のオン電流状態、電界効果移動度、およびしきい値電圧。 G 未使用、縫製済み、および 10 日間着用後のファイバー上の光センサーの光電流と TC の熱起電力。 H 洗浄 (洗剤と NaCl 溶液) の前後における、電子ファイバー上のカプセル化された IGZO FET の電気特性。

オン状態での電界効果移動度 (μsat)、しきい値電圧 (Vth)、およびドレイン電流 (ID,on) は、図 5A ～ C から推定されます。デバイス間の均一性により、凹面曲げと凸面曲げの 2 本の電子ファイバ間の ID-VG 特性にわずかな違いが観察されました。ただし、両方のファイバ上の各 IGZO FET の電界効果移動度、しきい値電圧、ドレイン電流などの電気パラメータは、それぞれ圧縮ひずみ 0.64% および引張ひずみ 0.68% まで初期スイッチング性能を維持しました。繊維の機械的耐久性を調べるために、図 5D に示すように、繰り返し曲げサイクル試験を実行しました。ファイバー上の IGZO FET は、曲げ半径 11.7 mm での 10,000 サイクルの繰り返し曲げに耐えました。曲げ試験中または曲げ試験後に、明らかな繊維の破損や半導体電極や金属電極の剥離は観察されませんでした。 FET の飽和移動度と閾値電圧は、それぞれ 3.77 から 3.73 cm2V-1s-1 と -0.75 V から -0.81 V にわずかに減少しました。補足図7に示すように、FETのドレイン電流は、各曲げ条件で〜1.28μAと測定され、変化はほとんどありませんでした。ただし、電子ファイバは、繰り返しの曲げとIV測定中にパッシベーション層なしで空気にさらされました。、IGZO FET は、深刻な劣化や誤動作を起こすことなく、電気的安定性と耐久性を示しました。電子ファイバーの追加の機械的テストと限界までの電気的特性から、電子ファイバーの限界曲げ半径 (R) と歪み (ε) はそれぞれ 7.3 mm と 1.03% であり、機械的破損は発生しないことがわかりました。シリカ繊維。（補足図8）ファイバー上のIGZO TFTの電子性能はファイバーが破損する直前に維持されていたため、電子ファイバーの機械的耐久性はファイバー基板の機械的特性に依存すると思われます。無機材料ベースのマイクロファイバーの機械的特性には限界があるため、従来のフレキシブル電子デバイスより優れた柔軟性を実現することは困難でした。しかし、高性能で統合された電子ファイバーシステムを実現するには、高性能の無機半導体材料を使用することが不可欠です。特に、シリカベースのマイクロスケールファイバーは、高温と従来の半導体製造プロセスの両方を導入することにより、より優れた電子特性を実現し、スケールダウンできるため、有望なファイバー基板の1つと考えられます。それにもかかわらず、高性能と柔軟性の両方を可能にする統合電子ファイバーシステムを可能にする、より優れたファイバー基板を開発することが依然として必要とされている。たとえば、ポリイミドなどの柔軟なポリマー材料には、化学的安定性、熱安定性、低熱伝導率、耐放射線性、絶縁性、高い引張強度および引張弾性率などの優れた特性の組み合わせが含まれており、代替繊維基材として考慮できます。柔軟性と加工性が向上します29。

ウェアラブル電子テキスタイルは、通気性があり、洗濯可能であり、高い柔軟性と形状適応性を備えている必要があります。潜在的な電子テキスタイル用途の実現可能性を実証するために、電子ファイバーを一般的な圧迫包帯に直接縫い付けました。縫製工程中の電子ファイバーへの予期せぬ損傷を防ぐため、注射器の針を使用してファイバーを生地に安全に配置できる特殊な縫製方法を導入しました（補足Mov. 1）。そのおかげで、表面に重大な損傷を与えることなく電子ファイバーを生地に縫い付けることができました。縫製中に注射針が電子ファイバーをガイドするため、衣類 (包帯) 内のファイバーの方向を制御することができ、その結果、UV センサーまたは温度センサーが両方の電気接点で上向きになり、UV または温度を感知するようになりました。次に、図 5E に示すように、追加の保護コーティングを行わずに、布地をシャツの襟の内側に再度縫い付けました。 IGZO FETのスイッチング性能、UVセンサーの光電気特性、および未使用の状態、縫製時および10日間の着用後のファイバー上の温度センサーの熱電特性を監視しました（補足図9）。 IGZO FETは電気的性能を1日間維持しました。 10 日後、電界効果移動度は約 7.4 cm2V-1s-1 とわずかに低下しました (図 5F)。さらに、ドレイン電流が 2.9 μA から 1.8 μA にわずかに減少し、しきい値電圧が -2.4 V から -1.7 V に正にシフトすることがそれぞれ観察されました。図5Gに示すように、10日間の着用前後の電子ファイバーの光電流と熱起電力の追加測定から、光センサーは比較的安定しており、LEDの光電流値は15.3μAと13.7μAを維持していることがわかりました。衣服内の電子ファイバーはファイバーからの UV 信号の検出に成功しましたが、これは注射針を利用した縫製方法によるものです。従来の縫製方法で電子ファイバーを衣類に完全に埋め込んだ場合、一般に全方向から照射される紫外線を適切に検出することは期待できません。したがって、電子ファイバーを衣服に配置し、その感知性能を評価する方法については、実用的な UV 感知電子ファイバーの応用には依然としてさらなる研究が必要です。さらに、ホットチャック上に置かれた布地の繊維上の各 TC の熱電特性を評価しました。すべての TC は、10 日間の着用前後で、室温 (23 °C) でほぼ同じ値の約 0.52 μV の熱起電力を示しました。同様に、各 TC (TC1、TC2、TC3) の平均熱起電力は、10 日間の着用前後で 40 °C で約 128.3 μV と同様の値を示しました。当社の電子ファイバーはストレスの多い条件下でも十分に機能しましたが、さまざまな環境条件（機械的条件）に対してデバイスの電気的機能を維持しながら、人体との接触に関連して予想されるリスクを排除するには、追加の厚い保護またはシールド層が必要であることに注意する必要があります。ストレス、化学物質、汗など）30,31。電子ファイバーの洗浄性をさらに評価するために、SU-8 溶液の CTAC プロセス (速度 1.0 mm min−1) を実行して不動態化層 (厚さ = 2 μm) を形成しました。電子ファイバーは SU-8 パシベーション層で完全に覆われていました。次に、カプセル化された電子ファイバーを洗剤溶液（水道水 90 ml に 5 ml）と NaCl 溶液（人造汗の場合は 0.5 wt%）に 30 分間浸漬し、室温、600 rpm で撹拌しながら純水道水ですすいだ32。。洗浄後、電子ファイバーをホットプレート上で 60 °C で乾燥させました。 SU-8 層が外側の電子ファイバーを完全に覆っていたため、IGZO FET の電子性能は、伝達特性 (飽和領域およびオン/オフ電流での電界効果移動度 3.74 cm2V-1s-1) において無視できるほどの差を示しました。図 5H に示すように、洗剤と 0.5 wt% NaCl 溶液で洗浄する前後の比は 4 桁)。これは、カプセル化された電子ファイバーが、洗濯や発汗などの湿潤環境に関わらず、安定した性能を維持したことを意味します。さまざまな機械的または化学的条件下で耐久性のある信頼性の高い保護層またはカプセル化層を導入することにより、実用的な電子ファイバーを実装することが可能になる可能性があります。したがって、当社の電子ファイバープラットフォームは、統合型電子テキスタイルシステムにとって有効なアプローチであると依然として考えられていると考えています。

要約すると、1D マイクロファイバー上に電子デバイスを統合した電子ファイバープラットフォームを実証しました。当社の電子ファイバーシステムは、データ処理用のトランジスタ、インバータ、リングオシレータなどの基本的な電子ユニットと、光/熱信号を検出するためのセンシングユニットまたは変換ユニットで構成されていました。高い集積密度を実現するために、キャピラリー支援コーティング法とマスクレスフォトリソグラフィーが実装され、周囲条件下で高解像度で目的のデバイス設計を迅速かつ直接描画することができました。現状の実験室規模の製造プロセスではスケールダウンの限界があるため、30デバイスセット（例：L = 10 μm、W = 50 μmのトランジスタ/100 μm × 100 μm、50 μm × コンタクトパッド）を達成しました。 50 μm) を長さ 10 cm のファイバー上で実現し、マイクロファイバー上で電子システムを直接組み立てる実装の概念実証を実証します。マイクロファイバー基板上での半導体製造技術が成熟すれば、従来の半導体デバイスと同様の高密度の電子ファイバーをシリコンウエハー上に実装することが可能になると考えられます。当社の電子ファイバープラットフォームの実現可能性に関する詳細については、ダイ面積が 91 mm2 で、プロセスステップが 0.35 μm の 330 万個のトランジスタを含むパーソナルコンピュータのマイクロプロセッサ (Intel Pentium プロセッサ) を統合するために必要なファイバーの長さを単純に計算しました。 BiCMOS テクノロジー (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium)。同じ製造技術を適用して、直径 150 μm の円形マイクロファイバーの外殻に上記のチップを統合すると、図 6 に示すように、マイクロプロセッサーファイバーを実装するために必要な長さは 19.3 cm のマイクロファイバーだけになります。デバイスプラットフォームは、アーキテクトタイプの繊維デバイスを提供し、衣服に埋め込まれた高密度電子繊維の実現に貢献すると考えられています。私たちは、マイクロファイバー上に複数の電子システムを組み立てることにより、リールツーリールの連続製造プロセスを適用することで、電子テキスタイルや従来のバッチプロセスベースの 2D ウエハーエレクトロニクスの技術的進歩が可能になると考えています。一方、統合電子ファイバーをオープンリールプロセスで実装するには、ファイバーの供給中に連続的な製造プロセスを可能にするために、ファイバー面の配向を正確かつ継続的に制御する必要があります。実際のアプリケーションでファイバー上に集積された電子部品のサイズと密度の制限を克服するには、より高い解像度のマスクレスフォトリソグラフィープロセスを導入し、ファイバーの全周を使用できるように露光モジュールの位置を変更する必要があります。最後に、電子ファイバを連続オープンリールで量産するためには、各工程（塗布、リソグラフィー、現像、成膜、エッチング、検査など）の設備配置の最適化も重要な要素と考えられる。プロセス。 (補足図10)。

Pentium マイクロプロセッサを統合するために必要なマイクロファイバー (直径 150 μm) の長さの理論的計算 (https://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm#pentium)。

この研究で使用したすべての材料は、精製せずに次のように購入しました。角型シリカコア付き光ファイバー (FP150QMT、当社)、金 (Au、99.99%、TAEWON SCIENTIFIC)、クロム (Cr、CR-090010、99.9%、Nilaco)、ニッケル (Ni、NI-311165、99.9%、 Nilaco)、IGZO スパッタリングターゲット (In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:1 in atom%、99.99%、Advanced Engineering Materials)、Au エッチャント (Gold Etchant、Sigma Aldrich)、Cr エッチャント (CR-7、KMG Electronic Chemicals) )、Ni エッチャント (Nickel Etchants、TRANSENE)、Al2O3 エッチャント (Aluminium Etch ANPE 80/5/5/10 Microchem)、IGZO エッチャント (HCl、35%、Wako)、ポジ型フォトレジスト (AZ GXR 601、AZ エレクトロニックマテリアルズ)、開発者 (AZ 300 MIF 開発者、メルク)。

正方形のシリカコアマイクロファイバー (150 μm × 150 μm × 7.5 cm) を、脱イオン水、アセトン、イソプロパノール中で 5 分間超音波洗浄しました。続いて、紫外線オゾン (UV/O3) 処理を 15 分間行いました。金属電極はマスクレスフォトリソグラフィーによってパターン化されました。厚さ 2 μm のフォトレジスト層をキャピラリーチューブ支援コーティング (CTAC) プロセス (速度 1.0 mm min-1) を使用してファイバー基板上にコーティングし、ホットプレート上で 100 °C で 2 分間ベークし、紫外線に露光しました。約２００ｍＪｃｍ−２のエネルギー密度および１０００μｍｓ−１の駆動速度を有するマスクレスアライナー（ＭＬＡ１００、ＨＥＩＤＥＬＢＥＲＧ）を使用した。サンプルを現像液に 2 分間浸し、ハードベーク (100 °C で 2 分間) 後、脱イオン水ですすぎました。厚さ 10 nm の Cr 接着層、続いて厚さ 30 nm の Au を堆積し、ファイバー基板をレジスト除去剤の槽に浸漬することによってパターン化しました。注目すべきことに、厚さ５０ｎｍのＣｒ層および厚さ５０ｎｍのＮｉ層が、約２００ｋＰａのベース圧力での真空蒸着によって堆積された。熱電対の場合、約 10−6 torr、速度 0.5 Å s−1。ＡＣスパッタ（ＡＣＴＯＲＩＯＮ８スパッタリングシステム、ＡＪＡインターナショナル、１００Ｗ、Ａｒ：Ｏ２＝２０．０：０．２ｓｃｃｍ、２×１０−３ｔｏｒｒ）を使用して、ＩＧＺＯ薄膜（１５ｎｍ）を堆積した。堆積後、堆積したままの IGZO 膜をホットプレート上に置き、大気中で 300 °C で 30 分間熱アニールして、IGZO 膜の品質を向上させました。ゲート誘電体およびカプセル化層用の Al2O3 (厚さ 36.1 nm) は、原子層堆積システム (LUCIDA D100 ALD、NCD) によって直接堆積されました。このシステムでは、トリメチルアルミニウムと脱イオン水がそれぞれ前駆体と酸化剤として使用されました。堆積プロセスの 400 サイクル中、基板温度は 100 °C に維持されました。ウェットエッチングシーケンスでは、各材質のエッチャントを市販のものを購入し、純水で希釈して使用した。詳しい条件は以下の通りです。金エッチング液: 1/20 で 3 分間。 Cr エッチャント: 1/20 で 3 分間。 Ni エッチング液: 1/20 で 3 分間。 IGZOエッチング液：1/100で2分間。 Al2O3 エッチング液: 50 °C で 4 分間。各ウェットエッチングプロセスが完了した後、サンプルを脱イオン水で洗浄し、100 °C のアセトンバスに移し、5 分間浸漬してフォトレジストを除去しました。

電流電圧特性は、HP4145B (HP Ltd.)、Keithley 4200SCS (Keithley Instruments, Ltd.)、デジタル蛍光体オシロスコープ DPO2002B (Tektronix, Ltd.) を使用して大気中で測定しました。フォトトランジスタの光電気特性および電気特性は、Keithley 4200半導体特性評価システムを使用して、波長470 nmの照明下（50 mW cm-2のUV-LED光）で測定されました。ファイバーを通過する UV 光の光電気信号を測定するために、404 nm UV レーザー光 (50 mW) が使用されました。電子ファイバーを生地に縫い付けるために、注射器の針を使用して繊維を生地に安全に配置できる特別な縫製方法が開発されました（補足ムービー1）。電子ファイバ上のカプセル化層（SU-8）のコーティングは、CTACプロセス（速度1.0 mm min-1）を使用して処理されました。電子ファイバーの洗浄性を評価するには、洗剤 (水道水 90 ml に 5 ml) と NaCl (人間の人工汗の場合 0.5 wt%) を水道水に溶かすのが適切でした。洗浄テストは 30 分間実行され、室温で 600 rpm で撹拌しながら純粋な水道水ですすがれました。洗浄後、電子ファイバーをホットプレート上で 60 °C で乾燥させました。 SEMおよび光学顕微鏡画像は、それぞれNova NanoSEM 450 (FEI Ltd.)およびNikon ECLIPSE LV150顕微鏡(Nikon)を使用して得られた。薄膜の厚さは、表面形状測定装置（ET200、株式会社小坂研究所）により測定した。 X 線光電子分光法 (XPS) 測定は、ESCALAB250Xi (Thermo Fisher Scientific、米国) を使用して、10-9 mbar の基本圧力で実行されました。

この研究の結果を裏付ける画像データは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。ソースデータはこのペーパーに付属しています。

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この研究は、韓国国立研究財団 (2020R1A2C2010163) によって支援されました。

カン・ミンジ

現在の住所：韓国化学技術研究院化学物質ソリューションセンター、141 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 34114, Republic of Korea

これらの著者は同様に貢献しました: Sunbin Hwang、Minji Kang。

韓国科学技術院、機能性複合材料研究センター、全羅北道完州郡、55324、大韓民国

ファン・ソンビン、アラム・リー、スガン・ペ

フレキシブル・アンド・プリンタブル・エレクトロニクス学科、LANL-JBNU Engineering Institute-Korea、全北国立大学、567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju, 54896, Republic of Korea

カン・ミンジ＆キム・テウク

釜山大学物質科学工学院、2、Busanaehak-ro-63-beon-gil、Geumjeong-gu、釜山、46241、共和国

イ・スンギ

全南大学校化学工学部、77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, Republic of Korea

イ・サンヒョン

ソウル国立大学応用物理研究所物理天文学部、ソウル、08826、韓国

タキー・リー

KU-KIST 高麗大学融合科学技術大学院、145 Anam-ro、Seongbuk-gu、Seoul、02841、Republic of Korea

お金の山

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T.-WK がアイデアを開発しました。 SH、AL、T.-WK が実験を実施し、SH、MK、AL、SB、S.-KL、SHL、TL、GW、T.-WK がデータを収集して分析しました。 SH、MK、T.-WKが原稿を書きました。著者全員が結果について議論し、原稿についてコメントしました。 T.-WK はプロジェクトを監督し、原稿を修正し、作業を完了に導きました。

キム・テウクさんへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Cédric Cochrane と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

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転載と許可

Hwang, S.、Kang, M.、Lee, A. 他新興の電子テキスタイルプラットフォームに向けた、マイクロファイバー上の複数の電子コンポーネントの統合。 Nat Commun 13、3173 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30894-4

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受信日: 2021 年 6 月 29 日

受理日: 2022 年 5 月 23 日

公開日: 2022 年 6 月 8 日

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

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