Smart Textiles for Tactile Sensing and Energy Storage

Durant ma maîtrise, j'ai surtout travaillé sur 2 sujets dans le domaine des textiles intelligents électroactifs. Mon premier projet portait sur la fabrication d'un pad textile sensible au toucher utilisant des fibres capacitives en polymères. Les fibres capacitives, présentent une grande capacité et résistance, ont été fabriquées utilisant des techniques de fibrage. Pour permettre une connectivité facile, un mince fil de cuivre a été intégré dans le coeur de la fibre durant l'extrusion. Ces fibres (soft-capacitor) ont des une capacité par unité de longueur typiques de 69 nF/m, et des résistances de 5 kΩ•m. Nos mesures et nos modèles théoriques montrent que la capacité est un paramètre très stable déterminé par la géométrie utilisée, qui ne dépend pas du diamètre de la fibre ni de ses paramètres de fabriquation. La resistivité de la fibre, quant à elle, a un important coefficient thermique (positif), est très sensible aux contraintes de tension et dépend grandement des paramètre d'extrusion. Il a aussi été démontré qu'une fibre capacitive individuelle peut servir de capteur de glissement qui permet de déterminer, sur sa longueur, la position du contact tactile en mesurant la réponse AC de la fibre à un point donné sur sa surface. La réponse électrique d'un senseur de ce type est décrite par le modèle de réseau RC, qui est en accord avec les résultats expérimentaux. Les fibres capacitives développées sont souples, de faible diamètre, légères et n'utilisent pas d'électrolyte liquide, donc elles sont idéales pour l'intégration dans les produits textiles. À la fin du chapitre, nous avons démontré qu'en tissant un ensemble de fibres capacitives en 1 dimension (fibres parallèles), il est possible de tisser un senseur tactile en 2 dimensions. Les performances de ce senseur ont été caractérisées et une bonne isolation entre les canaux a été démontrée. Un tel senseur possède aussi des fonctionnalités multi-touch. Mon deuxième projet portait sur l'assemblage de cellules Li-ion flexibles et étirables, leur intégration dans un textile et leur caractérisation électrique dans un contexte de «textiles intelligents». L'aspect chimique de ces cellules a été développé par mon collègue Y.Liu, qui a réussi à intégrer la cathode (LiFePO4), l'anode (Li4Ti5o12) et l'électrolyte solide (PEO) dans un système de cellule électrochimique souple. J'ai démontré de façon expérimentale que des batteries de cellules flexibles peuvent être fabriqués en grande feuilles, puis coupées en fines

Abstract

During my master's I have mainly worked on two subjects in the research area of electroactive smart textiles. My first project involved building a touch sensitive textile pad using original home-made allpolymer soft capacitor fibers. The capacitor fibers featuring relatively high capacitance and resistance were fabricated using fiber drawing technique. For the ease of connectorization, a thin copper wire was integrated into the fiber core during drawing procedure. Soft-capacitor fibers have a typical capacitance per unit length of 69 nF/m, and a typical resistivity parameter of 5 kΩ•m. Our measurements and theoretical modeling show that the fiber capacitance is a very stable, geometry defined parameter independent of the fiber diameter, and fiber fabrication parameters. In contrast, fiber resistivity has a very strong positive temperature coefficient, it is highly sensitive to stretching, and it is strongly dependent on the fiber drawing parameters. Next, an individual capacitor fiber was demonstrated to act as a slide sensor that allows determining the touch position along its length by measuring the fiber AC response at a single point at the fiber surface. Electrical response of such a sensor was described by the RC ladder model, with the modelling data in excellent agreement with experimental observations. Developed capacitor fibers are soft, small diameter, lightweight and do not use liquid electrolytes, thus they are ideally suited for the integration into textile products. At the end of the chapter, we have demonstrated that by weaving a one dimensional array of capacitor fibers (in parallel to each other) a fully woven 2D touchpad sensor could be build. Performance of a touchpad sensor was then characterised and the absence of the inter-channel crosstalk was confirmed. We also note that a 2D touchpad has a partial multi-touch functionality. My second project involved assembly of flexible and stretchable Li-ion batteries, their integration into a textile, and their electric characterization in a view of smart textile applications. The chemistry for the battery was developed by my colleague Y. Liu who has combined the relatively conventional Li battery materials including LiFePO4 cathode, Li4Ti5O12 anode and PEO solid electrolyte into a non-conventional soft electrochemical battery system. I have experimentally demonstrated that flexible batteries can be first cast as sheets, and then cut into thin strips, and finally integrated into textile using conventional weaving techniques. The