A study on the ionic/electronic hybrid devices for touch sensing and wireless power transfer based on the soft hydrogels

Abstract

As the rise of ubiquitous computing and the Internet of Thing facilitate the frequent interaction between human and machines, the importance of human machine interfaces (HMI) has been emphasized. Despite recent advances in HMI, current devices based on metals or semiconductors are still limited in use due to mechanical mismatches with humans having soft skins and tissues. In this respect, hydrogels are promising alternative for conventional conductive materials. The hydrogels are polymer networks swollen with the water. The polymer networks enable the hydrogel to maintain their shape like a solid and to withstand deformation. The water in the hydrogel dissolves the ions, making the hydrogel ionic conductive. Thus, hydrogels with ions can be served as stretchable ionic conductors to transmit electrical signals and power even in the stretched state. However, there are also issues that arise because of the use of ions as charge carriers. Herein, I demonstrate how to solve the issues when using hydrogels and how to take advantage of their characteristics. Two ionic devices were developed and explored; a hydrogel touchpad that can stretch more than 1000% and a gel receiver that can receive electrical power wirelessly. In first part, highly stretchable and transparent touch panel consisting of hydrogels was explored. Because human-computer interactions are increasingly important, touch panels may require stretchability and biocompatibility in order to allow integration with the human body. However, most touch panels have been developed based on stiff and brittle electrodes. We demonstrate an ionic touch panel based on a polyacrylamide hydrogel containing lithium chloride salts. The panel is soft and stretchable, so it can sustain a large deformation. The panel can freely transmit light information because the hydrogel is transparent, with 98% transmittance for visible light. A surface-capacitive touch system was adopted to sense a touched position. The panel can be operated under more than 1000% areal strain without sacrificing its functionalities. Epidermal touch panel use on skin was demonstrated by writing words, playing a piano, and playing games. In second part, we have explored a wireless power transfer system using an ionic conductor as a power receiving parts. A number of implantable biomedical devices that require electric power have been developed and wireless power transfer (WPT) systems are emerging as a way to provide power to these devices without requiring a hardwired connection. Most of WPT have been based on conventional conductive materials, such as metals, which tend to be less biocompatible and stiff. Herein, we describe a development of an ionic wireless power transfer (IWPT) system on the basis of ionic conductor. A power receiver of the IWPT consisting of polyacrylamide hydrogel with NaCl salts was delivered power through the ionic current induced by capacitive coupling. The hydrogel receiver, easy to fabricate, flexible, transparent, and biocompatible, received power at a distance of 5 cm from the transmitter, and even when inserted inside the mouse. Charge accumulation caused by the prevention of discharge on electrical double layers (CAPDE) induced electrochemical reactions in the IWPT. The mechanism of CAPDE was studied and the amount of products was controlled by tuning the circuit parameter.

유비쿼터스 컴퓨팅과 사물인터넷의 등장으로 사람과 기계간의 상호작용이 빈번해짐에 따라 휴먼-머신 인터페이스의 중요성이 점점 강조되어왔다. 휴먼-머신 인터페이스 기술의 발전에도 불구하고 금속과 반도체를 기반으로 한 현재의 디바이스들은 부드러운 피부와 조직을 가지고 있는 사람과의 기계적 물성의 불일치로 인해 사용이 제약되고 있다. 이런 측면에서 하이드로젤은 기존의 전도성 물질들의 대안으로서 등장했다. 하이드로젤은 다량의 수분을 머금고 있는 고분자 네트워크이다. 고분자 네트워크는 하이드로젤이 형체를 유지하고 또 변형을 견딜 수 있게 해주며 하이드로젤 내부의 수분은 이온을 녹여 하이드로젤이 이온 전도성을 가질 수 있게 해준다. 따라서 하이드로젤은 늘어난 상태에서도 전기 신호와 전력을 전달할 수 있는 신축성이 있는 전도체로 사용될 수 있다. 하지만 이온을 전하전달체로 사용한다는 것은 새로운 문제들을 야기할 수 있다. 이 논문에서 하이드로젤을 어떻게 이온 전도체로 이용하는지 또 그로 인한 문제들을 어떻게 다뤄야 하는지 말하고자 한다. 두 가지의 이온성 장치를 제작하였고 그에 대한 논의를 할 것이다. 첫 번째 장에서는 하이드로젤로 이루어진 투명하고 늘어날 수 있는 터치패널에 대해 논의할 것이다. 인간과 컴퓨터의 상호작용이 중요해짐에 따라 인간과의 통합이 가능하도록 생체적합성을 가지면서도 늘어날 수 있는 터치패널에 대한 수요가 증가하였다. 우리는 LiCl 염을 포함한 폴리아크릴아마이드 (polyacrylamide) 하이드로젤로 터치패널을 만들었다. 하이드로젤 터치패드는 부드럽고 신축성이 있어서 높은 변형을 견딜 수 있었다. 또한 하이드로젤은 높은 투명성을 가진 재료이기 때문에 가시광선 영역에서 98 %의 투명도를 보였다. 하이드로젤 터치패드는 표면 정전용량 식 터치 감지 시스템을 기반으로 제작되었으며 1000%가 넘는 변형이 주어진 상황에서도 정상적으로 작동하였다. 하이드로젤 터치패드는 피부에 부착된 형태로도 사용이 가능하였으며 피부에 부착된 상태로 글을 쓰거나 피아노를 치거나 게임을 하는 등의 동작을 수행할 수 있었다. 두 번째 장에서는 이온 전도체를 이용해서 무선으로 전력을 전달 할 수 있는 시스템에 대해 논의할 것이다. 이식형 의료장비에 전력을 제공할 수 있는 방법들 중에서 무선 전력 전송 방식은 지속적으로 충분한 양의 전력을 공급할 수 있다는 면에서 주목받고 있다. 대부분의 무선 전력 전송 시스템은 효율을 높이기 위해 전도성이 높은 금속을 사용하지만 금속은 딱딱하고 생체적합성이 부족한 재료이다. 이 논문에서 우리는 이온성 무선 전력 전송 장치를 제작하였다. 이온성 무선 전력 전송 장치는 부드럽고 투명하고 생체적합성이 뛰어난 하이드로젤 수신부를 통해 전력을 전달받는다. 이온성 무선 전력 전송 시스템은 5 cm 떨어진 거리에서도 전력을 전달 할 수 있었고 심지어 쥐의 피하에 이식된 전력 수신장치에도 피부를 통과하여 전력을 전달 할 수 있었다. 또한 이온성 장치에서 문제로 여겨지는 전기화학반응을 의도적으로 발생시키는 회로를 구성하여 원하는 전기화학반응을 유도해 낼 수 있었다. 이온성 무선 전력 전송 시스템 내에서의 전기화학반응의 발생 기작을 확인하였고 회로 설계를 통해 전기화학반응으로 인한 생성물의 양을 조절할 수 있었다.