KR20250004162A

KR20250004162A - 전도체 배치를 갖는 착용형 흡수성 물품

Info

Publication number: KR20250004162A
Application number: KR1020247042241A
Authority: KR
Inventors: 샤비라 아바스; 틸락 락슈마나; 카리시마 제인; 라르스-에릭 루돌프 보그베르그; 페르 안데르스 라르손
Original assignee: 에씨티 하이진 앤 헬쓰 악티에볼라그
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2025-01-07
Also published as: EP4531683A1; CO2024017312A2; CN119212619A; AU2022460784A1; WO2023232263A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 재료층과 재료층 위에 적어도 부분적으로 부착된, 선택적으로 인쇄된 전도체 배치를 포함하는 착용형 흡수성 물품에 관한 것이다. 전도체 배치는 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물로부터 형성된다.

Description

전도체 배치를 갖는 착용형 흡수성 물품

본 발명은 전도체 배치(conductor arrangement)를 포함하는 기저귀, 생리대, 실금용 옷(incontinence garment) 또는 상처 드레싱 등의 의료용 드레싱과 같은 착용형 흡수성 물품에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 전도체 배치를 갖는 착용형 흡수성 물품의 제작 방법에 관한 것이다.

기저귀, 생리대, 실금용 옷, 의료용 드레싱 등과 같은 착용형 흡수성 물품은 유아 돌봄, 월경 분비물 관리, 신체 분비물 관리 및 실금 관리와 같은 목적을 위해 가정과 기관 모두에서 폭넓은 활용성을 가진다. 그러나, 흡수성 물품의 사용과 관련된 공지의 문제는 물품의 흡수 용량이 유한하고, 이를 초과하면 흡수성 물품이 효과가 없어져, 예를 들어 누출이 일어나거나 적어도 더 이상 흡수할 수 없는 상태가 된다는 것이다.

따라서, 이러한 물품의 사용자 또는 보호자는 흡수성 물품의 흡수 용량이 거의 다 되었을 때를 예측하고 용량에 도달하기 전에 교체해야 한다. 이러한 흡수성 물품의 사용자는 많고 보호자는 비교적 적은 상황에서, 예컨대 기관 등에서는 사용중인 다양한 흡수성 물품의 용량 관리가 상당한 행정적인 부담이 되고 있다.

이용된 흡수 용량 및 물품 교체 필요성에 대하여, 사용자나 보호자가 흡수성 물품의 상태를 정확히 예측하거나 결정하는 것은 매우 어려울 수 있다. 물품에 대한 흡수 수요가 합리적으로 예측될 수 있는 경우에도, 패턴이 확립되고 적절한 흡수성 물품이 제공될 수 있기까지는 기록을 유지하고 실험하는 기간이 필요하다.

따라서, 흡수성 물품의 포화 또는 임박한 포화를 사용자나 보호자에게 경고할 수 있는 시스템이 유익하다. 이러한 시스템은 흡수성 물품 내 습윤도(wetness)를 검출하는 습윤 센서(wetness sensor)의 형태를 취할 수 있다. 습윤 센서는 착용형 흡수성 물품에 제공된 전도체 배치를 사용할 수 있으며, 전도체 배치의 상이한 전도체들 간의 저항을 측정함으로써 습윤도를 검출한다. 이 방식에서, 습윤 센서는 흡수성 물품에서 습윤 사건이 발생한 위치와 습윤량을 결정할 수 있다.

습윤 센서를 포함하는 흡수성 물품에 대한 한 가지 접근법은 WO 2012/084987에 설명된다. 또한, 착용형 흡수성 물품에 감염 센서, 수화 레벨 센서 등과 같은 다른 센서들을 포함시키는 것도 고려될 수 있다.

습윤 센서의 적용은 습윤 센서가 없는 흡수성 물품에 비해 흡수성 물품의 비용을 증가시키고 제조 과정도 더 복잡하게 만든다.

따라서, 상기 언급된 단점들 중 적어도 하나를 다루는 개선된 착용형 흡수성 물품에 대한 필요가 있다.

상기 언급된 목적은 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품에 의해 달성된다.

본 발명의 한 양태는 적어도 하나의 재료층; 및 재료층 상에 적어도 부분적으로 부착된 전도체 배치를 포함하는 착용형 흡수성 물품에 관한 것이다. 전도체 배치는 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물로부터 형성된다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 재료층 위에 적어도 부분적으로 인쇄된다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 적어도 하나의 재료층을 포함하는 복수의 재료층 상에 전체적으로 부착된다. 전도체 배치는 적어도 하나의 재료층 상에 전체적으로 부착될 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 적어도 하나의 재료층을 포함하는 복수의 재료층 상에 전체적으로 인쇄된다. 전도체 배치는 적어도 하나의 재료층 상에 전체적으로 인쇄될 수 있다.

적어도 하나의 재료층 또는 복수의 재료층 상에 부착된(예를 들어, 위에 인쇄된) 조성물은 변성 셀룰로오스 섬유를 포함하는 전기 전도성 바이오잉크일 수 있고, 여기서 셀룰로오스는 다이알코올 셀룰로오스로 부분적으로 전환되며, 이후 다이알코올-변성 셀룰로오스(DALC) 섬유라고 언급된다. DALC 섬유는 고도로 가요성이고 연성이며 용융 가공될 수 있다. 흡수성 물품에 전도성 배치를 제작함으로써 나노셀룰로오스 제조의 에너지 집약적 단계가 생략될 수 있다. 또한, 필요한 전도성 물질의 함량이 전도도의 상쇄 없이 감소될 수 있다.

흡수성 물품은 환경 친화적 방식으로 비용 효과적으로 제작될 수 있고, 전도성 배치를 포함하는 다른 흡수성 물품을 제작할 때와 비교하여 제작 과정 동안 에너지가 덜 소비될 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 감지 장치 또는 감지 장치의 일부분을 포함한다. 감지 장치는 2개의 요소를 포함할 수 있고, 2개 요소 사이의 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에 따라서, 감지 장치는 임피던스-기반 센서일 수 있다.

일부 실시형태에서, 감지 장치는 감염, 미생물 성장, 온도, 수화 레벨 등 중 하나 또는 몇 개를 검출하도록 구성될 수 있다. 감지 장치는 습윤 센서 또는 다른 종류의 센서일 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 착용형 흡수성 물품은 전도체 배치와 전기 접촉하고 있는 감지 장치 또는 감지 장치의 일부분을 포함한다. 감지 장치는 2개의 요소를 포함할 수 있고, 2개 요소 사이의 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에 따라서, 감지 장치는 임피던스-기반 센서일 수 있다.

감지 장치에 의해 측정된 임피던스 값은 착용형 흡수성 물품(예를 들어, 기저귀 또는 여성용 위생용품)에 소변과 같은 액체의 도입에 반응하여 변할 수 있다(예를 들어, 감소). 따라서, 감지 장치는 착용형 흡수성 물품(의 일부분)에서 소변과 같은 액체의 존재를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 감지 장치가 임피던스를 측정하도록 구성된 경우, 그것은 적어도 하나 또는 몇 개의 재료층 상에 부착(인쇄)될 수 있고, 액체의 존재를 검출할 때 감지 장치와 액체 사이에 갈바닉 접촉이 필요하지 않게 된다. 다시 말해서, 착용형 흡수성 물품의 흡수층에 의해 흡수된 액체가 원격 검출될 수 있다.

전도성 배치와 전기 접촉되도록 착용형 흡수성 물품 상에 위치된 추가의 감지 장치를 사용하는 경우, 임피던스를 측정하는 감지 요소에 의해 액체를 검출한다는 개념에 따라, 감지 장치가 착용형 흡수성 물품의 의복과 마주하는 표면 위에 위치되는 구성이 가능하다. 후자의 장소는 감지 장치의 적용 및/또는 제거와 관련된 노력을 감소시킬 수 있다. 또한, 부착 및/또는 탈착은 유아 또는 환자 등의 사람이 착용형 흡수성 물품을 착용하고 있는 동안에도 일어날 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 추가의 감지 장치 또는 추가의 감지 장치의 일부분을 포함한다. 추가의 감지 장치는 2개의 요소를 포함할 수 있고, 2개 요소 사이의 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에 따라서, 추가의 감지 장치는 임피던스-기반 센서일 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 착용형 흡수성 물품은 전도체 배치와 전기 접촉하고 있는 추가의 감지 장치 또는 추가의 감지 장치의 일부분을 포함한다. 추가의 감지 장치는 2개의 요소를 포함할 수 있고, 2개 요소 사이의 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에 따라서, 추가의 감지 장치는 임피던스-기반 센서일 수 있다.

추가의 감지 장치의 존재는 측정 정확도를 증가시킬 수 있다. 즉 감지 장치에 더하여 추가의 제2 감지 장치가 제공된다면, 예를 들어 임피던스의 측정이 착용형 흡수성 물품의 적어도 두 부분에서 가능할 수 있다. 따라서, 감지 장치 중 하나의 장소와 관련된 부분에 액체가 도입되지 않았을 때도 착용형 흡수성 물품에서 액체의 존재를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, "거짓 음성" 측정 결과를 수신할 가능성이 적어질 수 있다.

또한, 2 이상의 감지 장치의 존재는 착용형 흡수성 물품의 포화에 관한 결론을 도출할 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도성 배치는 착용형 흡수성 물품의 신체와 마주하는 쪽 위에 제공된다. 이로써 유체와의 직접 (갈바닉) 접촉에 의해 유체의 존재를 검출할 수 있다.

일부 실시형태에서, 전도성 배치는 착용형 흡수 물품의 의복과 마주하는 쪽 위에 제공된다. 이로써 유체와의 (갈바닉) 접촉 없이 간접적으로 유체의 존재를 검출할 수 있다.

착용형 흡수성 물품은 유체를 흡수하는 하나 또는 몇 개의 유체 흡수 영역, 및 전자 장치 또는 전자 장치를 장착하기 위한 장착 위치를 포함할 수 있고, 전도체 배치가 전자 장치 또는 전자 장치를 장착하기 위한 장착 위치를 적어도 하나의 감지 장소에 전기적으로 연결함으로써 적어도 하나 또는 2 이상의 유체 흡수 영역에서 습윤도를 검출한다.

전자 장치는 상기 언급된 감지 장치일 수 있다. 전자 장치는 신호를 외부 장치로 전송하기 위한 장치일 수 있다.

전도체 배치는 연장 방향으로 연장된 복수의 기다란 도체선(conductor line)을 포함할 수 있다. 각 도체선은 각각의 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 전극은 착용형 흡수 물품의 유체 흡수 영역과 접촉한 상태로 배치될 수 있다.

전자 장치는 도체선을 통해 2개 전극 사이의 전기 저항을 측정함으로써 유체 흡수 영역 내의 하나 이상의 장소에서 습윤도를 검출하도록 구성될 수 있다.

도체선의 적어도 일부는 단면이 상이할 수 있고, 따라서 상이한 전기 저항을 가진다.

도체선은 각 연장 방향으로 1cm 내지 60cm 범위의 길이 및/또는 0.01 mm² 내지 1.00 mm² 범위의 각 연장 방향에 수직인 단면적을 가질 수 있다.

유체 흡수 영역은 흡수 코어를 포함할 수 있고, 전도체 배치의 적어도 일부분은 흡수 코어로부터 전기 절연되도록 배치될 수 있다.

전자 장치는 착용형 흡수성 물품의 나머지 부분에 제거가능하게 부착된 또는 착용형 흡수성 물품의 나머지 부분 안에 매립된 습윤 검출 유닛을 포함할 수 있다.

착용형 흡수성 물품은 기저귀, 생리대, 또는 실금용 옷일 수 있다.

착용형 흡수성 물품은 상처 드레싱과 같은 의료용 드레싱일 수 있다. 의료용 드레싱은 상처접촉층, 흡수 코어 및 뒷받침층을 포함할 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 접지 전극과 커패시터 전극을 포함하고, 접지 전극은 커패시터 전극 주변에 폐 루프를 형성할 수 있다.

재료층은 부직포, 필름, 티슈지 및 직물과 같은 가요성 재료로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 아이템을 포함할 수 있다.

전도체 배치는 전기 활성 물질을 5 wt% 내지 70 wt% 포함할 수 있다. 전도체 배치는 다이알코올 셀룰로오스를 30 wt% 내지 95 wt% 포함할 수 있다. 전도체 배치는 가소제를 10 wt% 내지 80 wt% 포함할 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "가소제"는 일반적으로 가요성 또는 작업능을 증가시키기 위해 바탕질 형성 물질에 포함되는 물질 또는 재료를 말한다. 많은 가소제는 중합체 사슬 사이의 분자간 힘을 감소시키는 경향이 있고, 그 결과 가요성과 압축성이 증가되며, 또는 중합체 바탕질에 불연속성을 야기하여 가소 효과를 발휘할 수 있다. 가소제의 예들은 당류(단당, 이당 또는 올리고당), 알코올, 폴리올, 산, 염, 지질 및 유도체(예컨대 지방산, 모노글리세라이드, 에스테르, 인지질) 및 계면활성제이다. 적합한 가소제의 구체적인 예들은, 제한은 아니지만, 글루코오스, 프럭토오스, 소르비톨, 폴리에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 락티톨, 나트륨 락테이트, 수화 가수분해 전분, 트레할로오스, 또는 꿀과 같은 이들의 조합을 포함한다. 본 발명에서 사용하기 위한 다른 적합한 가소제는 DMSO 및 이온성 액체를 포함한다.

전기 전도성 물질은 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 전도성 중합체는 특히 PEDOT:PSS일 수 있다. "PEDOT:PSS"는 중합체 복합체라고도 하는 중합 화합물이며, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스티렌 설포네이트(PSS)를 임의의 비율로 포함한다. PEDOT:PSS는 여러 공급자로부터 입수할 수 있고, 사용이 용이하므로 전도성 바이오잉크에 흔히 사용된다. 전기 전도성 물질을 형성하기 위해 1:2.5의 PEDOT:PSS 비가 사용될 수 있지만, 비율은 변경되는 것도 가능하다는 것이 일반적으로 이해된다.

전도성 배치에 사용된 성분으로서, PEDOT:PSS와 같은 전도성 중합체는 가공성, 전기화학적 특성 및 전하 전달 능력 측면에서 이익을 제공하는 전기활성 성분이며 이점을 제공할 수 있다. 이러한 중합체는 전자 장치에 적용시 전자 전도성을 증가시키기 위해 이온성 액체, 농축 황산 또는 다이메틸설폭사이드(DMSO)와 같은 용매로 도핑하는 것이 필요할 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 전도성 배치에 사용되는 조성물은 유기 용매의 첨가가 필요하지 않을 수 있다. 이것은 제작능, 비용 효율성 및 환경 친화성 측면에서 이익을 제공할 수 있다.

일부 실시형태에 따라서, 전도체 배치는 적어도 0.05 S/cm의 전기 전도도를 가진다. 전기 전도도는 적어도 0.1 S/cm일 수 있다. 전기 전도도는 적어도 0.5S/cm일 수 있다. 전기 전도도는 적어도 1 S/cm일 수 있다.

다이알코올 셀룰로오스는 직경이 적어도 1μm인 섬유를 포함할 수 있다(일부 실시형태에 따라서, 더 작은 직경의 섬유는 아님). 일부 실시형태에 따라서, 다이알코올 셀룰로오스는 직경이 적어도 5μm인 섬유를 포함한다(일부 실시형태에 따라서, 더 작은 직경의 섬유는 아님). 다이알코올 셀룰로오스는 직경이 적어도 8μm인 섬유를 포함할 수 있다(일부 실시형태에 따라서, 더 작은 직경의 섬유는 아님). 다이알코올 셀룰로오스는 직경이 적어도 12μm인 섬유를 포함할 수 있다(일부 실시형태에 따라서, 더 작은 직경의 섬유는 아님).

다이알코올 셀룰로오스는 직경이 1000nm 미만, 선택적으로 500nm 미만, 또는 200nm 미만, 또는 100nm 미만, 또는 50nm인 나노피브릴을 포함할 수 있다.

가소제는 폴리올을 포함할 수 있다.

폴리올은 글리세롤, 소르비톨 및 에리트리톨로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.

폴리올은 글리세롤을 포함할 수 있다.

가소제는 DMSO를 포함할 수 있다.

가소제는 이온성 액체를 포함할 수 있다.

전도성 배치가 전기 전도성 중합체를 포함하는 경우, 전기 전도성 중합체는 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리아세틸렌(PAC), 폴리-p-페닐렌비닐렌(PPV), 폴리피롤(PPY), 폴리아제핀, 폴리아닐린(PANI), 폴리티오펜(PT), 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT), 톨루엔설포닐(Tos) 및 폴리스티렌 설포네이트(PSS)로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있다.

전도성 배치는 전기 전도성 중합체를 10 wt% 내지 50 wt% 포함할 수 있다.

전도성 배치는 전기 전도성 중합체를 적어도 40 wt% 포함할 수 있다.

전도성 배치는 전기 전도성 탄소를 포함할 수 있다.

전기 전도성 탄소는 1D 탄소, 2D 탄소 및 3D 탄소로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 3D 탄소는 그래파이트일 수 있다. 2D 탄소는 그래핀일 수 있다. 1D 탄소는 탄소 나노튜브일 수 있다.

전도성 배치는 전기 전도성 2D 물질을 포함할 수 있다. 전기 전도성 2D 물질은 그래핀, MXenes 및 이황화몰리브덴(MoS₂)으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 착용형 흡수성 물품의 제작 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 적어도 하나의 재료층을 포함하는 흡수성 물품을 제공하는 단계, 및 적어도 하나의 재료층 상에 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물을 부착하여 적어도 하나의 재료층 상에 전도체 배치를 형성하는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에 따라서, 조성물은 다음의 기술 중 어느 하나 또는 몇 개에 의해 적어도 하나의 재료층 상에 부착된다: 3D 인쇄, 2D 인쇄, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 블레이드 코팅, 용융 가공 성형, 슬롯 다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 용액 가공, 진공 여과, 용매 주조 및 제지 기술.

조성물은 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 적어도 부분적으로 건조될 수 있다.

조성물은 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 적어도 부분적으로 경화될 수 있다.

상기 방법은 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 가교제를 첨가하는 추가의 단계(들)를 더 포함할 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "가교제" 또는 "크로스링커"는 중합체들 사이에 가교 사슬을 형성할 수 있는 화학적 존재; 및 감마선 조사, 또는 다른 종류의 전자기선, 또는 전자 폭격과 같은 적절한 시약의 존재하에 중합체 사슬들의 가교를 제공할 수 있는 제제를 말한다.

가교제는 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 첨가될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 본 발명에 따른 방법 양태들 중 어느 것에 따라서 제작된 흡수성 물품에 관한 것이다.

서로 모순되지 않는한 상기 논의된 하나 또는 몇몇 특징과 조합하여 또는 단독으로 실현될 수 있는 본 발명의 추가의 이점들과 특징들은 특정 실시형태에 대한 이후의 설명으로부터 분명해질 것이다.

본 발명을 더 잘 이해하고 이를 어떻게 효과적으로 수행할 수 있는지 보여주기 위해 이제 예시의 방식으로 첨부한 도면을 참조할 것이다. 첨부한 도면을 참조하여 발명의 설명이 제공된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 착용형 흡수성 물품을 위에서 본 도면이다.
도 1b는 도 1의 라인 A-A를 따른 단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 일 실시형태의 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치를 도시한다.
도 2b는 도 1a의 A 부분의 확대도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 일 실시형태의 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 일 실시형태의 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치를 도시한다.
도 4a는 착용형 흡수성 물품의 전도성 배치에 사용하기 위한 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유를 제조하는 과정의 일부를 도식적으로 보여준다.
도 4b는 착용형 흡수성 물품의 전도성 배치에 사용하기 위한 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유를 제조하는 과정의 일부를 도식적으로 보여준다.
도 5는 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용된 조성물로부터 얻어진 상이한 고체 함량에서 3D 전도성 잉크의 유동성 분석 결과를 보여준다.
도 6은 섬유 내의 다이알코올 셀룰로오스 나노피브릴에 수식된 PEDOT:PSS 입자들의 AFM 이미지를 보여준다.
도 7은 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용된 조성물로부터 얻어진 3D 인쇄된 필름의 표면(도 7a) 및 단면(도 7b) 이미지이다.
도 8은 세척 전(도 8a)과 세척 후(도 8b) 3D 인쇄된 필름의 WAXS 결과를 보여준다.
도 9는 세척 전후 비-DALC 조성물을 사용하여 3D 인쇄된 필름과 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물의 3D 인쇄된 필름의 습윤 특성을 비교한다.
도 10은 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물의 상이한 3D 인쇄된 구조들을 보여준다.
도 11은 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물의 일 실시형태를 사용하여 인쇄된 3D 겔의 전기 전도도를 보여준다.
도 12는 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물을 사용하고 물 또는 인산염 버퍼 용액(PBS)에서 소킹된 다른 3D 인쇄된 필름의 전기 전도도 측정 결과를 보여준다.
도 13a는 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물을 사용하여 인쇄된 3D S자형 패턴의 신축 성능에 따른 상대적 저항을 보여준다.
도 13b는 도 13a의 S자형 패턴의 단순한 전도 성능을 보여준다.
도 14는 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치에 사용하기 위한 조성물을 사용하여 인쇄된 3D 샘플의 전기화학적 시험을 위한 기준 전극, RE(Ag/AgCl); 카운터 전극, CE(Pt 전극); 및 작동 전극, WE(Pt 와이어 상에 장착된 3D 인쇄된 샘플)을 포함하는 테스트 셋업을 도식적으로 보여준다.
도 15는 도 14의 테스트 셋업으로부터 얻어진 측정 결과이다.
도 16은 도 14의 테스트 셋업으로부터 얻어진 측정 결과이다.
도 17은 도 14의 테스트 셋업으로부터 얻어진 측정 결과이다.
도 18은 도 14의 테스트 셋업으로부터 얻어진 측정 결과이다.
도 19는 도 14의 테스트 셋업으로부터 얻어진 측정 결과이다.
도 20은 압출된 조성물의 일 실시형태를 포함하는 제작된 슈퍼커패시터 장치의 일 실시형태를 보여준다.
도 21은 도 20의 장치의 정전류 충전/방전 곡선이다.
도 22는 착용형 전극 장치로부터 얻어진 ECG 측정 결과이다.

도 1a는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품을 위에서 본 도면이다. 이 실시형태는 기저귀(1)이다.

기저귀(1)는 주 부분(15), 제1 측면 부분(16), 제2 측면 부분(17), 및 부착 부재(7)를 포함한다. 주 부분(15)은 제1 방향으로 기다랗다. 제1 방향은 착용형 흡수성 물품의 길이방향 중심선에 평행하다. 길이방향 중심선은 사용시 착용자의 전면부와 마주하는 흡수성 물품의 전면부(2)에서 사용시 사용자의 후면부와 마주하는 흡수성 물품의 후면부(3)까지 연장된다.

제1 측면 부분(16)과 제2 측면 부분(17)은 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 주 부분(15)으로부터 떨어져 연장된다. 제1 측면 부분(16)과 제2 측면 부분(17)은 주 부분(15)의 대향 측면들에서 주 부분(15)으로부터 떨어져 연장된다. 부착 부재(7)는 양 측면 부분(16, 17)에 배치된다.

도 1b는 도 1a의 라인 A-A를 따른 단면도이다.

기저귀(1)는 사용하는 동안 착용자와 마주하여 소변 또는 기타 체액과 같은 유체를 통과시키도록 구성된 액체 투과성 상부층(8), 유체가 통과하지 않도록 구성된 상부층(8)에 대향하는 액체 불투과성 하부층(9), 및 하부층(9)과 상부층(8) 사이에 위치된 유체를 흡수하기 위한 흡수 코어(13)를 가진다.

기저귀(1)는 부착 부재(7)를 사용하여 주 부분(15)에 측면 부분(16, 17)을 부착함으로써 사용자의 허리 둘레에 착용되도록 구성된다.

또한, 기저귀(1)는 하부층(9) 위에 인쇄된 전도성 배치(20)가 제공된다.

기저귀는 도 1a와 1b에 관하여 설명되었지만, 본 발명은 본 발명에 따른 전도체 배치가 제공된 착용형 흡수성 물품의 다른 실시형태들도 포함한다. 특히, 도 1a 및 1b와 유사하거나 동일한 전도체 배치가, 예를 들어 상처 드레싱과 같은 의료용 드레싱 위에, 또는 생리대 또는 실금용 옷 위에 인쇄될 수 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 제1 실시형태에서 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치(20)를 도시한다.

전도성 배치는, 예를 들어 기저귀, 생리대, 실금용 옷, 또는 의료용 드레싱 위에 인쇄될 수 있다. 기저귀의 예가 더 상세히 논의될 것이다.

예를 들어, 전도성 배치(20)는 도 1의 기저귀(1)의 층들 중 하나 위에 인쇄될 수 있다. 상이한 실시형태는, 예를 들어 도 2a의 전도성 배치가 층 위에 인쇄된 상처 드레싱이다.

전도체 배치(20)는 다이알코올셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물로부터 형성되며, 기저귀의 습윤도를 검출하는 감지 장치의 일부를 형성한다.

전도체 배치(20)는 복수의 기다란 도체선과 전극선(electrode line)을 포함하고, 각 전극선은 각 도체선과 하나씩 전기적으로 연결된다. 전도체 배치(20)는 습윤 검출 유닛(미도시), 습윤 검출 유닛을 제어하는 제어 유닛(미도시), 및 제어 유닛과 습윤 검출 유닛에 전력을 제공하는 전력 공급원(미도시)이 부착된다.

전도체 배치는 습윤 검출 유닛에 의해 검출된 습윤도에 관한 정보 또는 다른 관련 정보를 전송하기 위한 송신기를 더 구비할 수 있다. 전도체 배치는 지시사항과 같은 정보를 수신하기 위한 수신기를 더 구비할 수 있다.

전도체 배치는 5 wt% 내지 70 wt%의 전기 활성 물질, 30 wt% 내지 95 wt%의 다이알코올 셀룰로오스, 및 선택적으로 10 wt% 내지 80 wt%의 가소제를 포함한다. 전기 전도성 물질은 전도성 중합체를 포함한다. 전도성 중합체는 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜 및 폴리스티렌 설포네이트를 포함한다.

전도성 배치는 기저귀(1)의 주 부분(15)에서 기저귀(1)의 재료층 위에 인쇄된다. 사용된 감지 기술 종류에 따라, 예를 들어 흡수 코어(13)와 마주한 층 위에, 신체대면측 위에, 또는 의복대면측 위에 인쇄될 수 있다.

전력 공급원은 전기 에너지 및/또는 화학 에너지의 형태로 에너지를 저장할 수 있다. 전력 공급원은 전지, 배터리 및/또는 커패시터와 같은 임의의 종류의 전력 공급원일 수 있다. 예를 들어, 전력 공급원은 BlueSpark Technologies(OH, US), Enfucell Oy(FI), GS Nanotech(KR) 또는 Cymbet(MN, US)에 의해 제공된 것과 같은 가요성 종이 전지/배터리일 수 있다.

전도체 배치(20)는 적어도 0.05 S/cm, 선택적으로 적어도 0.1 S/cm, 또는 적어도 0.5 S/cm, 또는 적어도 1 S/cm의 전기 전도도를 가진다. 다이알코올 셀룰로오스는 직경이 적어도 1μm, 예컨대 적어도 5μm, 예컨대 적어도 8μm, 예컨대 적어도 12μm인 섬유를 포함한다.

전도체 배치(20)는 복수의 기다란 도체선(4)을 포함하고, 각 도체선(4)은 동일한 연장 방향을 따라 연장된다. 전도체(4)의 연장 방향은 착용형 흡수성 물품의 길이방향 중심선에 평행하다(예를 들어, 도 1의 기저귀(1) 참조). 각 도체선(4)은 착용형 흡수성 물품의 재료층 위에 인쇄된다.

도 2a의 실시형태에서, 도체선(4)들은 연장 방향으로 상이한 길이를 가진다. 연장 방향으로 더 긴 도체선(4)은 연장 방향으로 더 짧은 선보다 단위 길이당 전기 저항이 더 낮을 수 있다.

특히 도 2b의 확대도에 도식적으로 나타낸 대로, 더 긴 도체선(4)의 연장 방향에 수직인 단면적은 더 짧은 전도체(4)의 연장 방향에 수직인 단면적보다 크다. 이 방식에서, 길이의 차이와 관련된 도체선(4)의 저항의 차이, 즉 전체 또는 합계 저항의 차이는 특히 간단하고 효과적인 방식으로 감소되거나 심지어 사라질 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서는 상이한 길이를 갖는 도체선(4)들이 동일한 단면을 가질 수 있다.

또한, 연장 방향으로 길이가 더 긴 도체선(4)은 연장 방향으로 길이가 더 짧은 도체선(4)을 이루고 있는 금속 및/또는 금속 합금과 같은 재료보다 전기 저항이 더 낮은 금속 및/또는 금속 합금과 같은 재료로 이루어질 수 있다.

전도체(4)의 단면적 및/또는 재료는 모든 전도체(4)가 실질적으로 동일한 전기 저항을 갖도록 선택될 수 있다.

도 2a에 나타낸 대로, 전도체 배치(20)의 각 도체선(4)은 전극선(6)과 전기적으로 연결된다. 구체적으로, 각 전극선(6)은 연장 방향으로 도체선(4)의 원단부에서, 즉 습윤 검출 유닛(미도시)으로부터 가장 멀리 배치된 도체선(4)의 단부에서 각 도체선(4)과 전기적으로 연결된다.

모든 전극선(6)은 동일한 연장 방향을 따라 연장된다. 전극선(6)의 연장 방향은 도체선(4)의 연장 방향에 실질적으로 수직이다. 모든 전극선(6)은 연장 방향으로 실질적으로 동일한 길이를 가진다.

도체선(4)과 전극(6)은 절연 기판(24)과 절연층(25) 사이에 배치되며, 도체선(4)은 절연층(25)으로 덮이고, 전극선(6)은 개구(26)를 통해 노출된다. 이 방식에서, 흡수 코어에 습윤 사건 발생시 각 전극선(6)과 흡수 코어 사이에 전기 접촉이 확립된다.

습윤 검출기(미도시)는 도체선(4)을 통해서 서로 인접한 전극선(6)들 사이의 전기 저항을 측정함으로써 흡수 코어 내의 하나 이상의 장소에서 습윤도를 검출하도록 구성된다. 특히, 이러한 전기 저항은 연장 방향으로 도체선(4)의 근단부에서, 즉 습윤 검출 유닛에 가장 가까이 배치된 도체선(4)의 단부에서 각 도체선(4)과 전기적으로 연결된 전기접촉부(27)에서 측정된다(도 2a 및 2b 참조). 이들 전기접촉부(27)는 도체선(4)의 연장 방향을 따라, 즉 착용형 흡수성 물품의 길이방향 중심선을 따라 서로 인접하여 배치된다.

도 2의 실시형태에서, 전도성 배치(20)는 전극선(6)이 기저귀의 흡수 코어와 접촉하게 되는 위치에서 기저귀의 재료층 위에 인쇄될 수 있고, 이때 도체선(4)은 절연층(25)에 의해 흡수 코어와 전기적으로 절연된다. 흡수 코어에 습윤 사건 발생시 각 전극선(6)과 흡수 코어 사이에 전기 접촉이 확립된다. 이 방식에서, 전기 접촉은 흡수 코어를 통해서 적어도 2개의 전극선(6) 사이에 확립된다.

습윤 검출 유닛(미도시)은 도체선(4)을 통해서 적어도 2개의 예를 들어 인접한 전극선(6)들 사이의 전기 저항을 측정함으로써 흡수 코어 내의 하나 이상의 장소에서 습윤도를 검출하도록 구성된다. 상기 상세히 설명된 대로, 전기 저항은 전기접촉부(27)에서 측정된다(도 2a 및 2b 참조).

도 3a는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 실시형태에서 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치를 도시한다. 전도성 배치는, 예를 들어 기저귀, 생리대, 실금용 옷, 또는 의료용 드레싱 위에 인쇄될 수 있다.

도 3b는 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 실시형태에서 재료층 위에 인쇄된 전도성 배치를 도시한다. 전도성 배치는, 예를 들어 기저귀, 생리대, 실금용 옷, 또는 의료용 드레싱 위에 인쇄될 수 있다.

도 3a와 3b에 도시된 전도성 배치는 감지 요소(10)를 포함하도록 구성되고, 접지 요소(접지 전극선(12)과 접지선(20)을 포함하는)와 신호선(14) 사이에 차폐 성분(18)이 연속적으로 제공되며, 이로써 감지 요소(10)의 모든 부분에서 접지 요소와 신호선(14) 사이에 차폐 성분(18)이 제공된다.

상기 설명된 대로, 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품의 하나 또는 몇 개의 재료층 위에 적어도 부분적으로 부착된 전도성 배치는 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물로부터 형성된다.

"다이알코올 셀룰로오스" 또는 "DALC" 또는 "다이알코올 변성 셀룰로오스 섬유"는, 예를 들어 도 4a와 5b에 예시된 방법에 의해 얻어질 수 있는 변성 셀룰로오스를 말한다. 이 방법은 섬유 현탁액 중의 셀룰로오스를 다이알데하이드 셀룰로오스로 산화하고, 이어서 다이알데하이드 셀룰로오스를 환원하여 다이알코올 셀룰로오스를 얻는 것을 포함한다. DALC를 얻기 위한 방법은 특허출원 WO2018/135994에서 더 논의된다. 상기 용어는 또한 DALC 섬유의 미세유동화 또는 기계 가공에 의해 얻어질 수 있는 셀룰로오스-기반 나노피브릴인 DALC 나노피브릴을 포함한다. 다이알코올 변성된 셀룰로오스 나노피브릴과 섬유 모두 다이알코올 셀룰로오스라고 할 수 있지만, 나노피브릴은 수 나노미터, 예컨대 1000nm 미만, 바람직하게 500nm 미만, 또는 200nm 미만, 또는 100nm 미만, 또는 50nm 미만의 직경을 갖고, 섬유는 마이크로미터 범위에서, 제한은 아니지만, 적어도 1μm, 예컨대 적어도 5μm, 예컨대 적어도 8μm, 예컨대 적어도 12μm의 직경을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 섬유 및 나노피브릴의 길이는 마이크로미터 또는 밀리미터 범위일 수 있다.

일반적으로 DALC 셀룰로오스를 말할 때는 특정량의 셀룰로오스가 변성된 것으로 이해된다. 전형적으로 원하는 변성도는 그 용도에 따른다. 그러나, 일반적으로 본원에 개시된 용도에서 변성도 또는 치환도는 10%-50%면 충분하다. 그러나, 더 낮은 또는 심지어 더 높은 치환도 또는 변성도가 사용될 수도 있다.

"PEDOT:PSS"는 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스티렌 설포네이트(PSS)를 임의의 비율로 포함하는 중합 화합물로서, 중합체 복합체라고도 한다. PEDOT:PSS는 여러 공급자로부터 입수할 수 있고, 사용이 용이하므로 전도성 바이오잉크에 사용될 수 있다. 다른 언급이 없다면 1:2.5의 PEDOT:PSS 비가 사용되지만, 비율은 변경되는 것도 가능하다는 것이 일반적으로 이해되며, 그것 역시 본 발명의 범위 내인 것으로 간주된다.

DALC-기반 바이오잉크

본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치를 형성하는데 사용된 조성물은 다이알코올 셀룰로오스와 전기 활성 물질을 포함할 수 있다. 본 발명에서 다이알코올셀룰로오스는 DALC 섬유 또는 DALC 나노피브릴의 형태일 수 있다. DALC 섬유 및 나노피브릴은 당업자에게 공지된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, DALC 섬유는 섬유 현탁액 중의 셀룰로오스를 다이알데하이드 셀룰로오스로 산화하고, 이어서 다이알데하이드 셀룰로오스를 환원하여 다이알코올 셀룰로오스를 얻는 것에 의해 얻어질 수 있다. 원한다면, DALC 섬유의 미세유동화 또는 기계 가공에 의해 DALC 나노피브릴이 얻어질 수 있다.

조성물은 가소제를 더 포함할 수 있다.

바이오잉크의 전기 활성 물질은 전류를 전달하는 임의의 물질, 예를 들어 전기 전도성 물질을 말한다. 일부 실시형태에서, 조성물은 5wt% 내지 70wt%의 전기 활성 물질을 포함한다. 일부 실시형태에서, 조성물은 10wt% 내지 50wt%의 전기 활성 물질을 포함한다. 일부 실시형태에서, 조성물은 40wt%의 전기 활성 물질을 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 30wt% 내지 95wt%의 다이알코올 셀룰로오스를 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 10wt% 내지 80wt%의 가소제, 예컨대 15wt% 내지 75wt%의 가소제를 포함한다. 대안으로서, 조성물은 1 vol% 내지 10 vol%의 가소제를 포함할 수 있다.

전도성 배치의 전기 전도도는 약 0.1 S/cm일 수 있다. 일부 실시형태에서, 조성물은 적어도 0.05 S/cm, 예컨대 적어도 0.1 S/cm, 예컨대 적어도 0.5 S/cm, 예컨대 적어도 1 S/cm의 전기 전도도를 가진다.

일부 실시형태에서, 가소제는 폴리올을 포함한다. 폴리올 가소제의 예들은 글리세롤, 소르비톨 및 에리트리톨을 포함한다. 일부 실시형태에서, 가소제는 글리세롤을 포함한다. 실시예에 예시된 대로, DALC 및 PEDOT:PSS와 조합된 글리세롤은 PEDOT와 PSS의 분리를 증진시켰고, 이로써 조성물의 전도도를 증가시킨다. 글리세롤의 첨가는 또한 조성물이 잉크의 겔 성질을 유지할 수 있도록 하였고, 잉크의 습윤 안정성 및 기판에 대한 밀착성을 증가시켰다. 조성물의 습윤 안정성 및 수분을 보유할 수 있는 능력은 종래의 하이드로겔 물질과 비교하여 본 발명의 조성물에 기초한 장치의 저장수명을 연장할 수 있다.

일부 실시형태에서, 가소제는 DMSO를 포함한다.

일부 실시형태에서, 가소제는 이온성 액체를 포함한다. 용어 "이온성 액체"는 이온들로 이루어지고 특정 온도에서 액체인 용융염으로 흔히 정의된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 전기 활성 물질은 전기 전도성 중합체를 포함한다. 용어 "전기 전도성 중합체"는 또한 몇 개의 중합체를 포함하는 혼합물 또는 복합체를 포함할 수 있다는 것이 이해되며, 혼합물이 전기 전도성을 나타낸다면 이들 자체는 전기 전도성이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 전기 전도성 중합체는, 예를 들어 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리아세틸렌(PAC), 폴리-p-페닐렌비닐렌(PPV), 폴리피롤(PPY), 폴리아제핀, 폴리아닐린(PANI), 폴리티오펜(PT), 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT), 톨루엔설포닐(Tos) 및 폴리스티렌설포네이트(PSS)로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 중합체를 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 전기 전도성 중합체는 PEDOT:PSS를 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 5 wt% 내지 70 wt%의 전기 전도성 중합체를 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 10 wt% 내지 50 wt%의 전기 전도성 중합체를 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 40 wt%의 전기 전도성 중합체를 포함한다.

일부 실시형태에서, 전기 활성 물질은 전기 전도성 탄소 물질을 포함한다. 용어 "전기 전도성 탄소 물질"은 전기를 전도하는 임의의 탄소 동소체를 포함할 수 있다. 전자 격리에 대한 차원 구조에 기초하여 상기 탄소는 0D, 1D, 2D 및 3D 탄소로 분류될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 전도성 탄소 물질은 1D 탄소, 2D 탄소 및 3D 탄소로 구성되는 군으로부터 선택된다.

일부 실시형태에서, 3D 탄소는 그래파이트이다.

일부 실시형태에서, 2D 탄소는 그래핀이다.

일부 실시형태에서, 1D 탄소는 탄소 나노튜브이다.

일부 실시형태에서, 전기 활성 물질은 전기 전도성 2D 물질을 포함한다. 상기 2D 물질은 2D 구조를 특징으로 하는 유기 또는 무기 전도성 물질일 수 있다. 일부 실시형태에서, 전기 전도성 2D 물질은 그래핀, MXenes 및 이황화몰리브덴(MoS₂)으로 구성되는 군으로부터 선택된다.

이후, 본 발명에 따른 착용형 흡수성 물품 상에 부착된 전도성 배치를 형성하는데 사용된 조성물의 제조 방법이 설명될 것이다. 상기 방법은 다이알코올 셀룰로오스와 전기 활성 물질을 혼합하여 조성물을 얻는 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물 제조 방법은 다이알코올 셀룰로오스와 전기 활성 물질에 가소제를 혼합하는 후속 단계를 더 포함한다.

바이오잉크의 가공

바이오잉크는 전기 전도성 물질로 더 가공될 수 있다. 가공 기술의 예들은, 제한은 아니지만, 인쇄 또는 용액 가공 기술을 포함한다.

일부 실시형태에서, 조성물은 3D 인쇄, 2D 인쇄, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 블레이드 코팅, 용융 가공, 성형, 슬롯 다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 용액 가공, 진공 여과, 용매 주조 및/또는 제지 기술에 의해 착용형 흡수성 물품에 적용되며, 이로써 상기 전기 전도성 물질이 얻어진다.

일부 실시형태에서, 조성물은 조성물의 적용 전, 동안 및/또는 후에 적어도 부분적으로 건조된다.

일부 실시형태에서, 조성물은 조성물의 적용 전, 동안 및/또는 후에 적어도 부분적으로 경화된다.

가교제는 3D 망상 구조를 제공하기 위해 조성물에 첨가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 조성물은 가교제를 더 포함한다. 가교제는 조성물의 적용 전, 동안 및/또는 후에 첨가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 가교제는 이온성 가교제, 광 가교제 및 공유 가교제로 구성되는 군으로부터 선택된다.

일부 실시형태에서, 전기 전도성 물질은 0.05 S/cm 내지 150 S/cm, 예컨대 0.1 S/cm 내지 100 S/cm, 예컨대 40 S/cm, 예컨대 35 S/cm, 예컨대 30 S/cm의 전기 전도도를 가진다. 일부 실시형태에서, 전기 전도성 물질은 적어도 0.05 S/cm, 예컨대 적어도 0.1 S/cm, 예컨대 적어도 0.5 S/cm, 예컨대 적어도 1 S/cm의 전기 전도도를 가지며, 바람직하게는 적어도 0.1 S/cm의 전도도를 가진다. 그러나, 특정 실시형태에서 전기 전도도는 100, 또는 심지어 150 S/cm 정도로 높을 수 있다.

본 발명에 따른 전도성 배치에 사용될 수 있는 전기 전도성 물질을 제조하는 방법은 3D 인쇄, 2D 인쇄, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 블레이드 코팅, 용융 가공, 성형, 슬롯 다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 용액 가공, 진공 여과, 용매 주조 및/또는 제지 기술을 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 상기 방법은 조성물의 적용 전, 동안 및/또는 후에 가교제를 첨가하는 추가의 단계(들)를 더 포함한다.

DALC 바이오잉크-기반 재료의 적용

전기 전도성 물질은 센서에 사용될 수 있다. 이러한 센서는, 예를 들어 여러 방식으로 사용될 수 있는 정전용량 센서일 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 물질은 재료에 통합되어 재료 특성이 변할 때 커패시턴스의 변화를 검출할 수 있다. 이것은, 예를 들어 재료의 수분 함량, 재료의 크기/치수, 및/또는 재료의 변형일 수 있다. 다른 실시형태에서, 커패시턴스의 변화는 센서를 터치하여 커패시턴스의 변화를 일으키는 손이나 손가락과 같은 외부 물체에 의해 검출될 수 있다.

전극에 존재하는 전기 전도성 물질의 사용에 관한 일부 실시형태

전기 전도성 물질은 자동차 장치에 사용될 수 있다.

실시예

실시예 1: DALC-기반 전도성 잉크의 제조 및 평가

재료 및 방법

재료

PEDOT:PSS(Clevios™ PH 1000, 1.3 wt%)는 Heraeus로부터 입수했다. 글리세롤, 나트륨 페리오데이트, 나트륨 보로하이드라이드, 폴리비닐알코올(PVA) 및 황산은 모두 Sigma Aldrich에서 구입했다. 모든 화학물질은 추가 정제 없이 사용했다.

다음에, 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유를 선 보고된 방법에 따라서 제조했다(Larsson, P. A. & Wagberg, L. Towards natural-fibre-based thermoplastic films produced by conventional papermaking. Green Chem. 18, 3324-3333(2016)). 간단히 말해서, 두들겨서 표백한 연목 크라프트 섬유(미세물질 제거, 섬유 농도 15 g/L)를 나트륨 페리오데이트(섬유 g당 1.35g)를 사용하여 다이알데하이드 셀룰로오스로 산화시켰다. 반응을 실온 암실에서 37h 동안 진행시켰고, 반응 완료 후 펄프를 철저히 세척했다. 알데하이드 함량을 결정하기 위해 하이드록실아민 적정을 사용했다. 나트륨 보로하이드라이드(섬유 g당 0.4g)를 첨가하여 다이알데하이드 섬유를 다이알코올 셀룰로오스로 환원시켰고, 3h 동안 0.01 M 인산염 버퍼에서 반응을 수행했다. 계속해서, 섬유를 철저히 세척하고 추가 사용시까지 4℃에 보관했다. 다이알코올 변성 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하기 위해 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유를 미세유동화한다.

가소제 없이 DALC-기반 잉크의 제조

DALC 기반 전도성 잉크를 제조하기 위해 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유(변성도 또는 치환도 10-50%) 또는 다이알코올-변성 셀룰로오스 나노피브릴(변성도 10-50%)을 PEDOT:PSS와 상이한 중량비로 혼합했고, 잉크 총 조성물 중 다이알코올 변성 셀룰로오스는 적어도 30 wt%, 바람직하게 30-95 wt%였고, PEDOT:PSS는 적어도 5 wt%, 바람직하게 5-70 wt%였다.

가소제를 사용한 DALC-기반 잉크의 제조

잉크를 제조하기 위해 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유(변성도 또는 치환도 10-50%) 또는 다이알코올-변성 셀룰로오스 나노피브릴(변성도 10-50%)과 PEDOT:PSS를 상이한 건조 중량비로 혼합했고, 잉크 총 조성물 중 다이알코올 변성 셀룰로오스(섬유 또는 나노피브릴)는 적어도 30 wt%, 바람직하게 30-95 wt%였고, PEDOT:PSS는 적어도 5 wt%, 바람직하게 5-70 wt%였다. 상기 제조의 작업 순서는 도 4b에 도시된다. 모든 잉크는 가소제를 또한 함유했고, 가소제는 총 조성물의 1 vol% 내지 10 vol%를 차지했다(총 조성물의 대략 10-80 wt%에 해당함). 1 vol%, 5 vol% 및 10 vol% 글리세롤을 잉크 제조에 사용했다. 잉크를 흄 후드에 넣어 물을 증발시켜 원하는 고체 함량을 얻었다.

유동성 측정

25mm 평행판 기하구조(1mm 갭 거리) 장착된 DHR-2 레오미터(TA Instruments, 미국 델라웨어 뉴캐슬)를 사용하여 잉크의 유동성을 측정했다. 모든 측정은 25℃에서 수행했다. 각 샘플은 분석 전에 10분 동안 평형화되었다. 보고된 값은 3회 반복 측정의 평균이다. 잉크의 선형 점탄성 및 유동 특성을 특정하기 위해, 도 2d에 나타낸 대로 상이한 PEDOT:PSS wt%에서, 그리고 도 2a와 2c에 나타낸 대로 상이한 고체 함량에서 잉크에 대해 0.01-500 s^-1에서 유동 분석을 수행했다. 저장율(검은선) 및 손실율(흰색선)을 추산하기 위해 타임스윕 측정을 수행했고, 결과를 도 5b에 나타낸다.

SEM 및 EDS 측정

에너지 분산 엑스선 분광기, EDS, 검출기 장착된 Hitachi S-4800 전계 방출 주사전자현미경을 사용하여 형태학 및 원소 맵핑에 대해 연구했다. 이 셋업을 사용하여 도 7의 이미지 (A)와 (B)를 얻었다.

광각 엑스선 스캐터링(WAXS)

PEDOT와 같은 중합체의 결정도를 결정하는 공지된 기술은 광각 엑스선 스캐터링(WAXS)이다. Microsource 엑스선 소스(CuKα선 파장 0.15418nm)와 Dectris 2D CMOS Eiger R 1M 검출기 장착된 Anton Paar SAXSpoint 2.0 시스템(Anton Paar, 오스트리아 그라츠)을 사용하여 광각 엑스선 스캐터링 측정을 수행했다. 샘플과 검출기의 거리는 111mm였다. 샘플을 VarioStage(Anton Paar, 오스트리아 그라츠) 상에 장착된 솔리드 샘플러(Anton Paar, 오스트리아 그라츠)에 장착했다. 샘플을 진공하에 두었다. 각 샘플에 대해 3개 프레임을 각각 20분 기간 동안 검출기로부터 판독했다. 이 셋업을 사용하여 얻어진 데이터를 도 8a와 8b에 나타낸다.

접촉각 측정

접촉각 미터(Theta lite, Biolin Scientific)를 사용하여 도 9의 이미지 (A)와 (B)에 나타낸 대로 샘플에 대한 접촉각을 결정했다.

결과

DALC-기반 잉크의 제조

본원에서 이해될 수 있는 대로, DALC-변성 셀룰로오스는 인쇄가능한 전기 전도성 잉크에서 전형적인 중합체에 대한 바이오-기반 대체재로서 사용될 수 있는 것으로 나타났다. 그 이유가 완전히 이해된 것은 아니지만, 예를 들어 PVA와의 일부 유사성이 발견될 수 있다. 예를 들어, 다이알코올 변성 섬유는 표면에서 이용할 수 있는 풍부한 극성 하이드록실 기를 가진다. PVA는 PEDOT:PSS와 상호침투 망구조를 형성하는 것으로 일찌기 알려져 있고, 그 결과 예를 들어 에너지 저장 장치에 사용될 수 있는 강하고 신축가능하며 가요성인 하이드로겔이 얻어진다.

가소제 없이 제조된 잉크는 가공성은 우수했지만 전도도는 낮았다. 또한, 최종 재료는 습윤 안정적이지 않았다. 즉, 가소제는 PEDOT:PSS의 전도도를 증가시켰고, DALC/PEDOT:PSS 복합체에 습윤 안정성(그 이유가 완전히 이해된 것은 아님)을 부여하는데 도움을 주었다.

도 5a, 5b, 5c 및 5d는 상이한 PEDOT:PSS wt%(20 wt%, 40 wt% 및 70 wt%)를 갖는 DALC/PEDOT:PSS 잉크의 유동성 분석, 및 상이한 고체 함량(3-10 wt%)을 갖는 잉크(PEDOT:PSS = 40 wt%)의 유동성 분석을 보여준다. 고체 함량이 6-10%인 잉크는 명백한 전단 박화와 전단 항복 거동을 나타냈고, 이것은 인쇄에 전형적으로 필요한 잉크 요건이다. 잉크의 낮은 고체 함량(1-5 wt%)은 블레이드 코팅, 스텐실 인쇄, 스크린 인쇄, 슬롯 다이 코팅 또는 용액 가공와 같은 인쇄 기술에 일반적으로 요구된다. 고체 함량이 6-8 wt%인 잉크는 후속 실시예에서 3D 인쇄에 사용되었다.

고체 함량이 3 wt%를 넘는 잉크는 겔 유사 거동을 나타냈다. 건조 샘플의 원자힘 현미경(AFM) 이미지는 도 3에서 볼 수 있는 대로 PEDOT:PSS 입자들이 진주 목걸이 같은 형태로 DALC 표면에 조직되었음을 보여주었다. 즉, PEDOT:PSS 덮인 섬유들의 얽힌 망구조를 형성함으로써 겔 유사 특성을 제공할 수 있다.

DALC 섬유와 PEDOT:PSS의 상호작용

DALC/PEDOT:PSS 복합체에서 PEDOT:PSS의 분포를 평가하기 위해 3D 인쇄 샘플의 주사전자현미경(SEM) 이미지와 황 맵핑 이미지를 수집했다. 이들은 도 7a와 7b에 나타낸 대로 PEDOT:PSS 입자들로 덮인 표면 층상 단면을 나타냈고, DALC 섬유가 필름 형성 특성을 가지므로 개별 섬유는 식별될 수 없다. 즉, DALC 섬유의 뛰어난 필름 형성 특성으로 인해 섬유의 내외부 표면에 모두 PEDOT:PSS 입자들이 균질하게 흡착되어 우수한 전도도가 달성될 수 있다.

우수한 전도도를 얻기 위한 중요한 요인은 PEDOT:PSS로부터 자유 PSS를 제거하여 PEDOT 결정립들의 패킹을 더 좋게 하는 것이다. 도 8a와 8b에서 볼 수 있는 대로, WAXS는 강한 PSS 피크를 나타냈는데, 이것은 순수한 PEDOT:PSS에서 1.3 Å^-1로부터 3D 인쇄 필름에서 1.4 Å^-1로 이동되었고(d-간격 0.51nm에서 0.44nm로), 이는 PSS 결정립들 간 적층 거리의 감소를 의미한다. 그러나, PEDOT 결정립의 π-π 적층에 해당하는 PEDOT 010과 PEDOT 100 피크는 부재한다(도 5a). 한편, 물에서 3D 인쇄 필름 세척 후에는 이들 PEDOT 피크가 나타났고, PSS 피크 강도의 감소도 상당히 수반되었다(도 8b). 또한, 전형적으로 PEDOT 결정립의 엣지-온 배향에 해당하는 PEDOT 010 피크는 q-값이 순수한 PEDOT:PSS에서 1.73 Å^-1로부터 3D 인쇄 샘플에서 1.82 Å^-1로 이동되었고, 이는 적층 거리의 감소를 의미한다(0.36nm에서 0.34nm로). 그러나, 3D 인쇄 필름에서는 PEDOT 결정립의 페이스-온 배향을 의미하는 매우 약한 PEDOT 100 피크가 나타났다. 따라서, WAXS에 근거하면, DALC 섬유는 PEDOT:PSS 입자들에 대한 주형으로 작용할 뿐만 아니라, PEDOT:PSS의 전도도 증가에 필요한 PSS 상분리를 유도한다는 것을 알 수 있다(Ouyang et. Al., 2015). 또한, 엣지-온 배향으로 PEDOT 결정립들의 밀접한 패킹이 선호되고, 이것이 PEDOT:PSS의 높은 전도도를 가져오는 것으로 나타났다. 형태학과 엑스선 스캐터링 분석은 DALC 섬유가 에틸렌글리콜 또는 다른 2차 도판트처럼 PEDOT:PSS에서 유사한 결정화를 유도할 수 있다는 것을 나타냈다.

도 9a와 9b에 나타낸 인쇄된 DALC/PEDOT:PSS 필름의 접촉각 측정은 인쇄된 건조 필름에 대해 18도에서 필름 세척 후 121도로 접촉각의 증가를 보여주었다. 이는 PEDOT의 부화로 인해 표면이 친수성에서 소수성으로 변한 것을 나타낸다. 반면, 순수한 PEDOT:PSS/글리세롤 필름에서는 접촉각이 14.5도에서 38도로 변했는데, 이것은 실제로 유의미하지 않다. 이것은 세척 후 표면이 더 많은 PEDOT 도메인(PEDOT가 더 소수성이므로)으로 부화되고 PSS는 제거된 것을 의미한다. 이러한 효과는 순수한 PEDOT:PSS/글리세롤 샘플보다 DALC/PEDOT:PSS/글리세롤 샘플에서 더욱 분명하다. 따라서, 다이알코올 셀룰로오스는 PEDOT:PSS의 더 큰 상분리를 유도하는데 중요하다.

다시 말해서, 습윤 안정성을 나타내는 PEDOT:PSS와 다이알코올-변성 셀룰로오스 섬유에 기반한 전도성 잉크가 제조되었다. DALC 섬유는 PEDOT:PSS 입자들에 대한 주형으로 작용하고 PSS와 PEDOT의 상분리를 도와서 PEDOT:PSS의 낮은 함량에서도 인쇄된 잉크에 높은 전도도를 부여한다. 또한, 변성된 셀룰로오스 섬유의 사용은 바이오-기반 전자장치에 주로 사용되는 내장된 에너지가 더 높은 셀룰로오스 나노피브릴에 대한 필요성을 없앤다.

실시예 2: 잉크의 가공 및 전기적 특성화

직접 잉크로 작성하는 3D 바이오-프린터를 사용하여 도 10a-10d에 나타낸 대로 상이한 2D 및 3D 패턴을 인쇄했다. 3D 바이오-프린터가 사용되지만 잉크는 다른 인쇄 기술을 사용하여 인쇄될 수도 있다. 또한, 이들은 용융 압출, 용액 가공 기술 및 제지 기술을 사용하여 가공될 수 있다.

재료 및 방법

Inkredible 3D 바이오-프린터(Cellink®)를 인쇄에 사용했다. 잉크를 시린지로 옮기고 30s 원심분리하여 혼합 동안 도입된 기포를 제거하고, 고정밀 원추형 노즐(20G, 25G 및 27G, Cellink®)을 사용하여 인쇄했다. 프린트 헤드 속도 및 프린트 압력은 각 잉크 조성물에 맞춰 수동으로 조정했다. 인쇄된 샘플을 하룻밤 오븐에서 60℃에서 건조시켰다.

전기적 및 전기화학적 측정

2개 프로브 전도도 테스트를 Keithley 2410 소스 미터를 사용하여 수행했다. 샘플을 2cm x 0.5cm x (두께) 치수의 직사각형으로 자르고 정전류에서 전압을 기록했다. I-V 곡선의 기울기로부터 저항을 계산했다. 다음의 식을 사용하여 전도도를 계산했다:

ρ = (R x w x t)/L

σ = 1/ρ

상기 식에서 ρ는 저항률, R은 샘플 저항, w는 너비, t는 두께, L은 2개 전극 사이의 거리, σ는 전도도이다.

BioLogic VSP 포텐시오스탯에서 3개 전극 셋업을 사용하여 순환 전압법과 정전류 충전/방전 측정을 수행했다. 이 셋업은 Ag/AgCl(BASi®, 3M NaCl) 기준 전극, 백금 카운터 전극 및 작동 전극인 백금 와이어에 장착된 3D 인쇄 샘플로 구성되었고, 1M 황산 전해질에 담겨졌다. 각 측정을 시작하기 전에 개방 회로 전위를 기록했다. 방전 사이클로부터 재료의 비 커패시턴스를 다음과 같이 계산했다:

C = (I t)/(m ΔV)

상기 식에서 I는 방전 전류, t는 방전 시간, ΔV는 전압대, m은 샘플 중 PEDOT의 질량이다.

측정된 샘플에서 PEDOT의 질량은 다음과 같이 계산했다:

3D 인쇄된 DALC/PEDOT:PSS 샘플의 직사각형 조각(20mm x 5mm)을 칭량(MO)하고, 하룻밤 1M H₂SO₄에 담근 후 milli-q 물로 철저히 세척했다. 샘플을 주변 조건에서 방치하여 건조시키고, 건조된 샘플의 질량을 다시 측정했다(Mf). 샘플은 샘플에 존재하는 글리세롤과 일부 PSS를 잃었으므로(샘플 침지 후 잔류 전해질이 투명해졌다), 최종 중량은 오직 셀룰로오스 섬유와 PEDOT:PSS로만 이루어진다.

인쇄된 샘플 중 셀룰로오스와 PEDOT:PSS의 질량 = Mf

샘플 중 PEDOT:PSS의 질량 = 0.4 * Mf, 잉크의 초기 비율(DALC/PEDOT:PSS)에 기초하여 계산됨

샘플 중 PEDOT의 질량 = 1/3.5 * (0.4 * Mf), PEDOT:PSS의 원래 비율(구입했을 때)이 1:2.5이므로(PSS 손실은 무시함)

결론

3D 인쇄된 겔은 30±3 S/cm의 전도도를 가졌다. 도 11에 나타낸 대로 전도도는 PEDOT:PSS 함량에 따라 증가했고, PEDOT:PSS 함량이 40 wt%가 되면 일정해졌다. 이는 3D 인쇄 샘플의 포화 역치를 의미하며, 20 wt% PEDOT:PSS에서도 전도도는 ~10 S/cm이어서 바이오-전자장치 용도에 아주 충분하다. 우리가 아는 한, 전도성 물질이 총 질량의 단지 20%에 불과한 3D 인쇄된 셀룰로오스 섬유-기반 PEDOT:PSS 잉크에서 이러한 우수한 전도도 값이 얻어진 것은 최초이다. 또한, 도 12에 나타낸 대로 인쇄된 재료는 물과 생리학적 용액에서 적어도 75일 동안 전도도에 유의한 손실 없이 안정적이었다. 물과 비교하여 PBS에서 전도도의 급격한 저하는 염 용액에서 PEDOT:PSS의 탈도핑 때문일 수 있다. 3D 인쇄된 패턴은 구부러질 수 있고, 전도도를 99% 유지한 상태에서 탄성이며, 이는 인쇄된 S자형 패턴을 신축한 후에도 여전히 빛을 내는 LED 라이트에 의해 증명되었다(도 13a 및 13b).

전기화학적 성능

개발된 3D 인쇄가능 전도성 잉크의 에너지 저장 용도에서의 잠재력을 증명하기 위해 3개 전극 셋업을 사용하여 전기화학적 성능을 분석했다(도 14). PEDOT:PSS 40 wt%를 함유하는 재료에 대한 순환 전압법(CV)은 이상적인 초고용량 거동을 보였고, 100 mV/s의 높은 스캔 속도에서도 준 직사각형 모양을 유지하며(도 15), 전기 이중층 커패시터로부터의 전형적인 반응을 나타낸다. 정전류 충전-방전(GCD) 곡선은 삼각형 모양으로 유의한 전위 저하는 없으며(도 16), 인쇄된 작동 전극의 높은 전도도로 인해 효과적인 전하 저장 능력을 나타낸다. 중량기준 방전 커패시턴스는 197 F/g(PEDOT 질량으로 정규화) 정도로 높고, 면적기준 커패시턴스는 10 A/g에서도 170 mF/cm²이다(도 17). 전체 전극 질량에 대하여 정규화된 용량이 표 1에 제시된다. 나타낸 대로, 3D 인쇄 샘플은 3D 인쇄가능 잉크의 단지 40%만 PEDOT:PSS라는 사실에도 불구하고 PEDOT에 대한 이론적 비 커패시턴스인 210 F/g(Snook et. al., 2011)에 근접한다. 1 A/g 전류 밀도에서 비 커패시턴스는 PEDOT:PSS 함량이 20 wt%에서 40 wt%로 증가했을 때 26 F/g에서 211 F/g로 증가하지만 PEDOT:PSS 함량이 70 wt%로 더 증가하면 158 F/g로 감소했는데(표 2), 즉 전도도 값과 동일한 경향을 따른다. 이것은 낮은 PEDOT:PSS 함량에서도 우수한 전기 전도성 망구조가 형성된다는 것을 다시 보여준다.

주파수 범위에서 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 이온 수송과 전하 전달 속도론을 연구했다. 충전/방전 사이클을 개시하기 전, 나이퀴스트 플롯(도 18)은 고주파 범위에서 실수 임피던스 축에 작은 인터셉트 0.7 Ωxcm²를 보이고, 이는 인쇄된 전극의 고유 저항이 매우 낮았음을 의미한다. 고주파에서 중주파 범위의 반원은 전하 전달 저항을 나타낸다. 반원은 10,000회 충전-방전 사이클 후 사라지는데, 이는 전극/전해질 계면에서 전하 전달이 순환 동안 개선된 것을 의미한다. 이러한 우수한 전하 전달은 또한 10,000회 사이클 후 증가된 커패시턴스(230 F/g에서 280 F/g로)가 관찰되었던 이유이다(도 19).

[표 1]

[표 2]

결론

3D 인쇄 샘플은 PEDOT:PSS의 도핑에 산 처리와 같은 2차 도핑을 사용하거나 또는 PEDOT:PSS와 다른 레독스 활성 분자의 혼합물을 사용한 최신 기술의 바이오-기반 PEDOT:PSS 슈퍼커패시터와 비슷한 전기화학적 성능을 나타낸다.

저주파 범위에서 나이퀴스트 플롯(도 18)의 수직 꼬리는 전극의 확산성 저항이 매우 낮음을 시사하며, 이는 겔 유사 전극 구조로부터의 이익이다.

실시예 3: 착용형 바이오-전자장치

재료 및 방법

전기적 및 전기화학적 측정을 위해 실시예 2의 재료 및 방법을 참조한다.

EC-12 테스트와 ECG 및 EMG 측정

스웨덴의 Beneli AB에서 SEAM ECG 전극 테스트 플랫폼(QC Integrated, 캐나다 온타리오)을 사용하여 겔-겔 구성에 대해 EC-12 테스트를 수행했다.

ECG를 기록하기 위해 기준 전극을 사람의 복부에 위치시키고, 검지손가락에 전극(겔 또는 인쇄된 PEDOT)을 하나씩 부착했다. 손을 펴고 접을 때 발생하는 활동을 기록하기 위해 팔꿈치에 기준 전극을 부착하고, 2개의 인쇄된 PEDOT 전극을 팔뚝의 반대편에 각각 부착했다. 동일한 구성을 사용하고 나머지 두 전극 사이에 세 번째 전극을 추가하여 손짓에 의해 생성된 신호를 기록했다. RHD2132 증폭기(INTAN Technologies, USA)를 사용하여 커스텀 PCB 보드 위에 전기 신호를 등록했다. 증폭기의 출력을 Spartan-6 FPGA(모델 XEM6010-LX45, Opal Kelly Inc., USA)를 포함하는 통합 모듈에 연결하고, RHX 데이터 수집 소프트웨어(Intan Technologies, USA)를 사용하여 USB로 연결하여 랩탑을 통해 수집했다. 신호는 20 kS/s의 속도로 기록했고, ECG는 1-100 Hz, EMG는 0.1-1 kHz의 상이한 주파수 범위를 사용했다. 수집된 디지털 신호를 Python 프로그래밍을 사용하여 오프라인으로 가공했다.

신호에 대한 전력선 간섭은 50, 100, 150, 200, 300 및 400 Hz의 정지 주파수에서 2차 IIR 디지털 필터를 적용하여 제거했다. 신호를 원하는 주파수 대역으로 제한하기 위해 4차 고역 및 저역 통과 버터워스 필터를 각각 1 kHz 및 1 Hz에서 적용했다. ECG 신호 상에서 P-QRS-T 복합체는 신호 표준 편차의 5배보다 높은 높이를 갖는 피크 주변에서 1s 대로 검출되었다. 손짓에 따른 EMG 모니터링을 위해 먼저 3개 전극으로부터의 신호를 전부 병합하여 사건대를 검출했다. 병합된 신호를 제곱하고, 1000개 샘플대의 이동 평균을 사용하여 평활화하고 정규화했다. 평활화된 정규화된 신호에 대해 1-샘플 차이를 계산했다. 0.07의 역치를 상기 차이에 대해 사용하여 EMG 활동이 있는 사건대와 바탕값을 구별했다. 각 사건대에서 각 전극의 신호 강도를 계산하고 추가된 신호 강도에 의해 정규화했다.

결과

3D 인쇄된 전극의 신축성, 가요성 및 우수한 전기화학적 거동 덕분에 겔 전해질로 코팅된 2개의 압출 필라멘트를 꼬아서 슈퍼커패시터 장치를 제작하는 것이 가능했다(도 20). 이 2개 전극 장치는 3 A/g에서 123 F/g의 방출 커패시턴스 및 우수한 순환성을 나타내며(도 21), 이는 압출된 섬유가 착용형 에너지 저장 장치를 위한 텍스타일로서 직조될 수 있는 잠재력을 증명한다.

또한, 심전도(ECG) 모니터링에서 3D 인쇄된 전극의 잠재력을 평가하기 위해, 전극-전극 구성에서 일회용 ECG 전극에 대한 표준 테스트를 수행했다(ANSI:AAMI EC12:2000). 3개의 상이한 PEDOT:PSS 함량에 대해 측정된 상이한 변수들이 표 3a와 3b에 요약된다. AC 임피던스, DC 오프셋 전압 및 노이즈와 같은 디폴트 변수 외에도 제세동 방전을 측정했고, 이것은 제세동 이벤트 후 ECG를 측정하는 전극의 능력을 결정한다.

표 3에서 볼 수 있는 대로, PEDOT:PSS가 20 wt% 정도로 적은 경우에도 AC 임피던스, 노이즈 레벨 및 제세동 방전이 표준 권장보다 더 좋은 값을 나타냈다. ECG 모니터링 장치에 해당 재료의 이용가능성을 더 테스트하고 증명하기 위해, 3D 인쇄된 전극을 ECG 신호를 기록하는데 대해 테스트했다. 표준 3-리드 ECG는 명확한 P-QRS 피크를 갖는 우수한 ECG 신호를 나타낸다(도 22a 및 도 22b).

[표 3a]

[표 3b]

상기 표에서 Tsukada et al., 2019는 Tsukada, Y. T. et al. Validation of wearable textile electrodes for ECG monitoring. Heart Vessels 34, 1203-1211 (2019)을 말한다.

표에서 Tsukada et al., 2012는 Tsukada, s., Nakashima, H. & Toimitus, K. Conductive Polymer Combined Silk Fiber Bundle for Bioeletrical Signal Recording. PLOS ONE 7, e33689 (2012)을 말한다.

결론

전도성 중합체 잉크는 에너지 저장 및 신체 전위 모니터링 장치에서 우수한 전기화학적 성능을 나타냈다. 본 연구는 바이오-기반 고성능 전도성 잉크를 사용하여 보다 친환경적인 바이오전자장치를 제작하는 길을 열어 주며, 친환경 장치 개발에 한 걸음 더 나아갈 수 있게 한다. 본원에서는 셀룰로오스 나노피브릴에 대한 필요가 감소하고, 3D 잉크에서 전도성 중합체의 중량 분율이 낮아지고, 우수한 가공성 및 뛰어난 특성을 가지므로, 섬유-기반 착용형 전자장치를 합리적 가격으로 규모에 맞게 제작하는 것이 가능하다.

실시예 4: 인쇄된 마이크로전극-어레이(MEA) 장치

본원에서 개발된 잉크는 심근세포 또는 신경세포와 같은 상이한 종류의 세포로부터 전위를 측정하고 모니터링하는데 사용될 수 있다. 이들은 상업적으로 이용가능한 금-기반 MEA보다 저렴할 수 있고, 이러한 장치의 클린룸 제작을 위한 패턴화 기술을 필요로 하지 않는다. 따라서, MEA의 제작 과정에 있어서 비용과 시간이 절약된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 개시된 장치 및 시스템에서 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 본원에 개시된 특징들의 실시와 명세서를 고려하면 본 발명의 다른 양태들도 당업자에게 자명할 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 예시로만 고려되어야 한다. 많은 추가의 변화 및 변형도 가능하며, 본 발명의 범위 내에 들어간다는 것이 이해된다.

Claims

적어도 하나의 재료층; 및
재료층 위에 적어도 부분적으로 부착된, 선택적으로 인쇄된 전도체 배치
를 포함하고,
상기 전도체 배치는 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물로부터 형성되는, 착용형 흡수성 물품.
제 1 항에 있어서,
전도체 배치는 감지 장치 또는 감지 장치의 일부분을 포함하거나, 또는
착용형 흡수성 물품이 전도체 배치와 전기 접촉하고 있는 감지 장치 또는 감지 장치의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 2 항에 있어서, 감지 장치는 2개의 요소를 포함하고, 2개 요소 사이의 저항을 측정하도록 구성되거나, 또는 감지 장치는 임피던스-기반 센서인 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
유체를 흡수하는 유체 흡수 영역, 및
전자 장치 또는 전자 장치를 장착하기 위한 장착 위치
를 포함하고,
상기 전도체 배치는 전자 장치 또는 전자 장치를 장착하기 위한 장착 위치를 적어도 하나의 감지 장소에 전기적으로 연결함으로써 유체 흡수 영역의 습윤도를 검출하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 4 항에 있어서, 유체 흡수 영역은 흡수 코어를 포함하고, 전도체 배치의 적어도 일부분은 흡수 코어로부터 전기 절연되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 전자 장치는 착용형 흡수성 물품의 나머지 부분에 제거가능하게 부착되거나 또는 착용형 흡수성 물품의 나머지 부분 안에 매립되는 습윤 검출 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 착용형 흡수성 물품은 기저귀, 생리대, 실금용 옷, 또는 상처접촉층, 흡수 코어 및 뒷받침층을 선택적으로 포함하는 의료용 드레싱인 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 전도체 배치는 접지 전극과 커패시터 전극을 포함하고, 접지 전극은 커패시터 전극 주변에 폐 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 재료층은 부직포, 필름, 티슈지 및 직물과 같은 가요성 재료로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 아이템을 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 전도체 배치는 5 wt% 내지 70 wt%의 전기 활성 물질, 30 wt% 내지 95 wt%의 다이알코올 셀룰로오스, 및 선택적으로 10 wt% 내지 80 wt%의 가소제를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 물질은 전도성 중합체를 포함하고, 전도성 중합체는 선택적으로 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜과 폴리스티렌 설포네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 전도체 배치는 적어도 0.05 S/cm, 선택적으로 적어도 0.1 S/cm, 또는 적어도 0.5 S/cm, 또는 적어도 1 S/cm의 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 다이알코올 셀룰로오스는 적어도 1μm, 예컨대 적어도 5μm, 예컨대 적어도 8μm, 예컨대 적어도 12μm의 직경을 갖는 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품.
착용형 흡수성 물품의 제작 방법으로서,
- 적어도 하나의 재료층을 포함하는 흡수성 물품을 제공하는 단계, 및
- 적어도 하나의 재료층 위에 다이알코올 셀룰로오스와 전기 전도성 물질을 포함하는 조성물을 부착하여 적어도 하나의 재료층 위에 전도체 배치를 형성하는 단계
를 포함하는 방법.
제 14 항에 있어서,
조성물은 3D 인쇄, 2D 인쇄, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 블레이드 코팅, 용융-가공 성형, 슬롯 다이 코팅, 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 용액 가공, 진공 여과, 용매 주조 및 제지 기술 중 임의의 하나 또는 몇 개의 기술에 의해 적어도 하나의 재료층 위에 부착되고,
선택적으로 조성물은 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 적어도 부분적으로 건조 및/또는 경화되는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품의 제작 방법.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 방법은 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 가교제를 첨가하는 추가의 단계(들)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품의 제작 방법.
제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 가교제는 조성물을 적용하기 전에, 적용하는 동안 및/또는 적용한 후에 첨가되는 것을 특징으로 하는 착용형 흡수성 물품의 제작 방법.
제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 방법에 따라서 제작된 흡수성 물품.