Highly Stretchable and Water-Transience Cellulose/Conductive PEDOT:PSS Composite for Multifunctional Wearable Sensor

Abstract

피부에 부착할 수 있는 전도성 전극 재료는 웨어러블 소자 및 생체 신호 모니터링 등의 응용 분야에서 주목받으며 연구되고 있다. 피부와 유사한 유기 전도성 필름을 제작하기 위해서는 피부 순응성, 신축성, 움직임과 생물학적인 신호에 대한 민감성 및 기계적/전기적으로 견고한 특성이 요구된다. 본 연구에서는 Poly(3,4-ethylene dioxythiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT: PSS)을 전도층으로 사용하여 전도성, 신축성, 수분해성 및 민감도가 높은 셀룰로오스 필름을 제작하였다. PEDOT:PSS는 에틸렌 글리콜과 계면활성제 FS-31을 사용하여 습윤성과 전도성을 향상시켰다. 또한, 신축성 기판의 표면 개질제로 11-aminoundecanoic acid (11-AA)를 셀룰로오스 기판과 PEDOT:PSS 사이에 도입하여 화학적 결합을 강화함으로써 기계적/전기적 특성을 개선하였다. 신축성 셀룰로오스/PEDOT:PSS 복합체는 높은 피부 친화성과 감도 특성으로 체온과 호흡 등과 같은 생리학적인 변화를 인지 할 수 있다. 본 연구의 신축성, 생분해성, 피부 부착성의 셀룰로오스/PEDOT:PSS 복합 필름은 헬스케어 모니터링을 위한 차세대 웨어러블 센서의 핵심적인 소재 기술이라고 판단된다.

Skin-attachable conductive electrodes are an attractive research area for wearable devices and physiological monitoring applications. Organic skin-like conductive films must have perfect on-skin conformability, stretchability, outstanding sensitivity to motion and biological signals, and also highly robust mechanical/electrical characteristics. This study designed a conductive, stretchable, hydro-biodegradable, and highly sensitive cellulose film integrated with poly(3,4-ethylene dioxythiophene): poly (styrene sulfonate) (PEDOT: PSS) as the conductive layer. PEDOT: PSS optimized by ethylene glycol (EG) and non-ionic fluorosurfactant FS-31 to improve wettability and conductivity. Surface modifier 11-aminoundecanoic acids (11-AA) strengthen the chemical interaction between cellulose and PEDOT: PSS, resulting in reliable mechanical/electrical properties. Stretchable cellulose/PEDOT: PSS with its compatibility and sensitivity properties integrated with human skin to record physiological activities as well as temperature and breath humidity intensity. We believe that stretchable, biodegradable, skin-attachable cellulose / PEDOT:PSS film can be a trustworthy candidate as wearable sensor applications.