Transparent Kirigami Electrodes for Electronic Skin Applications

Abstract

For relieving the inconvenience while wearing electronic devices, stretchability and imperceptibility are essentially required characteristics for desired form of electronic-skin devices. Yet accomplishing these properties simultaneously is still challenging although some progress has been made on materials and structure designs. Here, we suggest a novel fabrication technique brining an idea from kirigami, Japanese ancient paper-cutting craft, to enable transparent and highly conductive electrodes to be deformable. By using facile and fast laser patterning process, we show transparent kirigami electrodes composed of silver nanowires partially embedded in ultra-thin colorless-polyimide film. Owing to rapid laser patterning method, versatile patterns are developed in few minutes under non-vacuum and room temperature condition. These patterns impart tunable elasticity to the electrodes, which can be stretched over 400% tensile strain with strain-invariant electrical property and also show good electromechanical stability even after 10,000 cycles of 400% stretching while exhibiting high optical transparency (more than 80%). In addition, gold coating on the exposed surface of silver nanowires ensure biocompatibility and improved electrical stability, preventing allergic reaction of skin and oxidation of the silver nanowires. The transparent kirigami electrodes with customizable elasticity pave the innovative way that offers facile construction of appropriate geometries for achieving multi-functional transparent and wearable electronic skin applications. The versatility of this work is demonstrated by ultra-stretchable transparent kirigami heater for personal thermal management and conformal transparent kirigami electrophysiology sensor for continuous health monitoring of human body conditions. Finally, by integrating electronic-skin sensors with a quadrotor, we have successfully demonstrated human-machine interface using our stretchable transparent kirigami electrodes.

웨어러블 전자소자를 착용할 때 이질감을 최소화하기 위해 전자피부의 형태로서 사용되는 전극은 투명하여 눈에 잘 보이지 않아야 하고, 피부처럼 구부러지며 늘어날 수 있어야 한다. 하지만 전극의 재료와 구조적 측면에서 많은 연구가 진행되었음에도 여전히 투명하면서 늘어나는 전극을 구현하는 데 어려움이 많다. 본 논문에서는 이러한 어려움을 극복하기 위해 무색의 폴리이미드와 은 나노와이어를 기반으로 한 플렉서블 투명전극에 레이저 공정을 이용한 키리가미 패턴을 넣음으로써 스트레처블 투명전극을 구현하는 공정을 고안했다. 이를 바탕으로 본래 길이의 400%까지 늘이는 반복인장시험을 10,000회 이상 진행한 후에도 저항변화가 거의 없는 투명전극을 제작했다. 또한 드러난 은 나노와이어의 표면에 선택적으로 금을 코팅함으로써 전극의 산화를 방지하고 생체에 부착 및 착용하기에 적합할 수 있도록 했다. 본 연구에서는 이를 이용해 용도에 맞게 디자인된 키리가미 패턴을 가진 투명전극을 적용한 웨어러블 히터와 생체신호 측정센서를 제작했다. 더 나아가 근전도 센서를 양팔에 부착한 후 역동적인 움직임에 대응되는 근전도 신호를 읽어 쿼드로터를 조종하는 시스템을 구축함으로써 진보된 인간-기계 인터페이스를 구현했다.