イノベーションの糸: 織布ディスプレイとスマートファブリックを製造するための安価な方法

ケンブリッジ大学 2023 年 4 月 21 日

研究者らは、従来の工業用織機を使用して、LED、センサー、エネルギーハーベスティング、ストレージを組み込んだスマートテキスタイルを製造する費用対効果の高い方法を開発しました。 この技術は、電子、光電子、センシング、およびエネルギーファイバーコンポーネントを従来のファイバーで織り込むことにより、機能、寸法、および形状の制限を克服します。 これにより、サイズや形状の制限のないスマート テキスタイルの作成が可能になり、さまざまな分野で大型エレクトロニクスの代替手段を提供します。 テキスタイルメーカーと協力して、チームはサイズとボリュームをスケールアップできる可能性のあるスマートテキスタイルのテストパッチを作成しました。 さらなる最適化が必要ですが、研究者らは、このアプローチにより、大型でフレキシブルなディスプレイやモニターがより手頃な価格で環境に優しいものになる可能性があると考えています。

ケンブリッジ大学が率いる国際研究チームは、工業用織機を使用してスマートテキスタイルを製造するための、費用対効果が高く環境に優しい方法を開発しました。 この技術により、サイズや形状の制限のない、柔軟で耐久性のあるスマート ファブリックの作成が可能になり、さまざまな業界に応用できる可能性があります。

研究者らは、LED、センサー、エネルギーハーベスティング、ストレージを組み込んだ次世代スマートテキスタイルを開発しました。このテキスタイルは、私たちが毎日着る衣類を製造するのに使用するのと同じ機械を使用して、あらゆる形状やサイズで安価に生産できます。

ケンブリッジ大学が率いる国際チームは、織物ディスプレイを大きなサイズで製造できることを以前に実証しましたが、これらの初期の例は、特殊な手動実験装置を使用して製造されました。 他のスマートテキスタイルは特殊なマイクロエレクトロニクス製造施設で製造できますが、これらは非常に高価であり、大量の廃棄物が発生します。

However, the team found that flexible displays and smart fabrics can be made much more cheaply, and more sustainably, by weaving electronic, optoelectronic, sensing and energy fiber components on the same industrial looms used to make conventional textiles. Their results, reported in the journal Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances では、自動車、エレクトロニクス、ファッション、建設などの分野において、スマート テキスタイルが大型エレクトロニクスの代替となり得ることを実証します。

スマートテキスタイルの開発は最近進歩しているにもかかわらず、その機能、寸法、形状は現在の製造プロセスによって制限されています。

研究者らは、LED、センサー、エネルギーハーベスティング、ストレージを組み込んだ次世代スマートテキスタイルを開発しました。このテキスタイルは、私たちが毎日着る衣類を製造するのに使用するのと同じ機械を使用して、あらゆる形状やサイズで安価に生産できます。 クレジット: Sanghyo Lee

この論文の筆頭著者であるケンブリッジ工学部のサンヒョ・リー博士は、「特殊なマイクロエレクトロニクス施設でこれらの繊維を製造することは可能だが、それには数十億ポンドの投資が必要だ」と述べた。 「さらに、この方法でスマートテキスタイルを製造することは非常に制限されています。集積回路の製造に使用されるのと同じ硬いウェハー上ですべてを作成する必要があるため、入手できる最大サイズは直径約30センチメートルです。」

「スマートテキスタイルは、実用性の欠如によっても限界がありました」と、同じく研究を共同主導した工学部のルイージ・オッキピンティ博士は述べた。 「通常の生地が耐えなければならないような曲げ、伸び、折り畳みを考えると、同じ耐久性をスマート テキスタイルに組み込むのは困難でした。」

昨年、同じ研究者の何人かが、スマートテキスタイルに使用される繊維が伸縮に耐えられる素材でコーティングされていれば、従来の製織プロセスと互換性があることを示しました。 この技術を使用して、彼らは 46 インチの織物デモンストレーター ディスプレイを作成しました。

研究者らは、LED、センサー、エネルギーハーベスティング、ストレージを組み込んだ次世代スマートテキスタイルを開発しました。このテキスタイルは、私たちが毎日着る衣類を製造するのに使用するのと同じ機械を使用して、あらゆる形状やサイズで安価に生産できます。 クレジット: Sanghyo Lee

今回、研究者らは、自動プロセスを使用して、サイズや形状に制限なくスマートテキスタイルを製造できることを示しました。 エネルギー貯蔵デバイス、発光ダイオード、トランジスタなどの複数のタイプのファイバーデバイスが製造され、カプセル化され、合成または天然の従来のファイバーと混合され、自動織りによってスマートテキスタイルが構築されました。 ファイバーデバイスは、導電性接着剤を使用した自動レーザー溶接法によって相互接続されました。

プロセスはすべて、電子コンポーネントへの損傷を最小限に抑えるように最適化されており、その結果、スマート テキスタイルは工業用織機の伸縮に十分耐えられる耐久性を実現しました。 カプセル化方法はファイバーデバイスの機能を考慮するために開発され、機械力と熱エネルギーはそれぞれ自動製織とレーザーベースの相互接続を実現するために系統的に研究されました。

研究チームは、テキスタイルメーカーと協力して、およそ50×50センチメートルのスマートテキスタイルのテストパッチを作成することができましたが、これより大きな寸法にスケールアップして大量に生産することも可能です。

「これらの企業は、高処理量の繊維押出機と、1メートル四方の繊維を自動的に織ることができる大型織機を備えた確立された製造ラインを持っています」とリー氏は述べた。 「したがって、スマートファイバーをプロセスに導入すると、基本的には他の繊維が製造されるのとまったく同じ方法で製造される電子システムが得られます。」

研究者らは、大型でフレキシブルなディスプレイやモニターを専用のエレクトロニクス製造施設ではなく工業用織機で製造できる可能性があり、そうすれば製造コストが大幅に安くなる可能性があると述べている。 ただし、プロセスをさらに最適化する必要があります。

「これらの繊維の柔軟性は本当に驚くべきものです」とオッキピンティ氏は言います。 「機械的な柔軟性だけでなく、アプローチの柔軟性、そして二酸化炭素排出量の削減に貢献し、建物、自動車の内装、衣類におけるスマートテキスタイルの実際の応用を可能にする、持続可能で環境に優しいエレクトロニクス製造プラットフォームの展開という点で。その点において、私たちのアプローチは非常にユニークです。」

参考文献: 「真のフォームファクター — 多機能ファイバーデバイスを備えた電子テキスタイルアーキテクチャのための自由な産業的に拡張可能なシステム統合」Sanghyo Lee、Hyung Woo Choi、Cátia Lopes Figueiredo、Dong-Wook Shin、Francesc Mañosa Moncunill、Kay Ullrich、Stefano Sinopoli、Petar 著ヨヴァンチッチ、ヤン・ジアジエ、ハンリーム・リー、マーティン・アイゼンライヒ、ウンベルト・エマヌエーレ、サルヴァトーレ・ニコテラ、アンジェロ・サントス、ルイ・イグレハ、アレッシオ・マッラーニ、ロベルト・モメンテ、ジョアン・ゴメス、チョン・ソンミン、ハン・スドク、バン・サンユン、チャン・シジエ、ウィリアム・ハーデン- チェーターズ、ヨハン・ソ、シャンビン・ファン、テフン・リー、ジョンワン・チョ、ユヌ・キム、アントニーノ・コスタンティーノ、ヴァージニア・ガルシア・カンデル、ネルソン・デュランス、セバスチャン・マイヤー、チョルホン・キム、マルセル・ルカッセン、アーメド・ネジム、デヴィッドヒメネス、マルティン・スプリンガー、リー・ヨンウ、アン・ゴンヒョン、チェ・ヨンジン、ソン・ジョンイン、チャ・スンナム、マニッシュ・チョワラ、ゲハン・A・J・アマラトゥンガ、ルイージ・G・オッキピンティ、ペドロ・バルキーニャ、エルビラ・フォルトゥナート、ロドリゴ・マルティンス、キム・ジョンミン、 2023 年 4 月 21 日、Science Advances.DOI: 10.1126/sciadv.adf4049

この研究は、欧州連合と英国の Research and Innovation によって部分的に支援されました。