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Smart Textiles for Tactile Sensing and Energy Storage

Stepan Gorgutsa

Master's thesis (2012)

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Abstract

During my master's I have mainly worked on two subjects in the research area ofelectroactive smart textiles.My first project involved building a touch sensitive textile pad using original home-made allpolymersoft capacitor fibers. The capacitor fibers featuring relatively high capacitance andresistance were fabricated using fiber drawing technique. For the ease of connectorization, a thincopper wire was integrated into the fiber core during drawing procedure. Soft-capacitor fibershave a typical capacitance per unit length of 69 nF/m, and a typical resistivity parameter of5 kΩ•m. Our measurements and theoretical modeling show that the fiber capacitance is a verystable, geometry defined parameter independent of the fiber diameter, and fiber fabricationparameters. In contrast, fiber resistivity has a very strong positive temperature coefficient, it ishighly 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 allowsdetermining the touch position along its length by measuring the fiber AC response at a singlepoint at the fiber surface. Electrical response of such a sensor was described by the RC laddermodel, with the modelling data in excellent agreement with experimental observations.Developed capacitor fibers are soft, small diameter, lightweight and do not use liquidelectrolytes, thus they are ideally suited for the integration into textile products. At the end of thechapter, we have demonstrated that by weaving a one dimensional array of capacitor fibers (inparallel to each other) a fully woven 2D touchpad sensor could be build. Performance of atouchpad sensor was then characterised and the absence of the inter-channel crosstalk wasconfirmed. 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, theirintegration 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 therelatively conventional Li battery materials including LiFePO4 cathode, Li4Ti5O12 anode andPEO solid electrolyte into a non-conventional soft electrochemical battery system. I haveexperimentally demonstrated that flexible batteries can be first cast as sheets, and then cut intothin strips, and finally integrated into textile using conventional weaving techniques. The

Résumé

Durant ma maîtrise, j'ai surtout travaillé sur 2 sujets dans le domaine des textiles intelligentsélectroactifs.Mon premier projet portait sur la fabrication d'un pad textile sensible au toucher utilisant desfibres capacitives en polymères. Les fibres capacitives, présentent une grande capacité etrésistance, ont été fabriquées utilisant des techniques de fibrage. Pour permettre une connectivitéfacile, 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 desrésistances de 5 kΩ•m. Nos mesures et nos modèles théoriques montrent que la capacité est unparamètre très stable déterminé par la géométrie utilisée, qui ne dépend pas du diamètre de lafibre ni de ses paramètres de fabriquation. La resistivité de la fibre, quant à elle, a un importantcoefficient thermique (positif), est très sensible aux contraintes de tension et dépend grandementdes paramètre d'extrusion.Il a aussi été démontré qu'une fibre capacitive individuelle peut servir de capteur de glissementqui permet de déterminer, sur sa longueur, la position du contact tactile en mesurant la réponseAC de la fibre à un point donné sur sa surface. La réponse électrique d'un senseur de ce type estdécrite 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 pasd'électrolyte liquide, donc elles sont idéales pour l'intégration dans les produits textiles. À la findu 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 performancesde ce senseur ont été caractérisées et une bonne isolation entre les canaux a été démontrée. Un telsenseur possède aussi des fonctionnalités multi-touch.Mon deuxième projet portait sur l'assemblage de cellules Li-ion flexibles et étirables, leurintégration dans un textile et leur caractérisation électrique dans un contexte de «textilesintelligents». L'aspect chimique de ces cellules a été développé par mon collègue Y.Liu, qui aréussi à intégrer la cathode (LiFePO4), l'anode (Li4Ti5o12) et l'électrolyte solide (PEO) dans unsystème de cellule électrochimique souple. J'ai démontré de façon expérimentale que desbatteries de cellules flexibles peuvent être fabriqués en grande feuilles, puis coupées en fines
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/926/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 14 Nov 2012 15:00
Last Modified: 12 Nov 2022 02:51
Cite in APA 7: Gorgutsa, S. (2012). Smart Textiles for Tactile Sensing and Energy Storage [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/926/

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