JP5582531B2 - エレクトロニクステキスタイル用接点構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に電気的機能素子を形成したフレキシブルな繊維基材を織布化したエレクトロニクステキスタイル、すなわち機能性織布に関し、特に繊維基材をたて糸、よこ糸として織布化する際の両者の接点構造及びその製造方法に関するものである。

センサーやアクチュエータ等に代表される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを、ＰＥＴ等の繊維基材に成膜、パターニング、エッチング、インプリント等により形成し、こうした繊維基材同士をたて糸及びよこ糸として織り込んで、柔軟で所定の面積を有する機能性織布とするためには、たて糸及びよこ糸としての位置決めと物理的接続、そしてこれらを電気的に接続する電気的接点が必要となる。

下記特許文献１には、有機ＬＥＤが表面に形成された帯状の繊維基材と、ＲＡＭが表面に形成された帯状の繊維基材とをたて糸及びよこ糸として織り込んで機能性織布を形成することが記載されており、両繊維基材が接触する対向箇所に、凹凸の表面接点構造を形成し、両者を嵌合することにより、物理的接続と電気的接続を実現している。

また、下記特許文献２には、発光素子などの電気的素子とその接点が配列された機能性繊維基材に対し、接点部分で導電性繊維基材を交差させることにより、電気素子に電力を供給することが記載されている。

米国特許公開２００８／０１７８４５３号公報 米国特許７，５９２，２７６（Ｂ２）明細書

こうした機能性織布は、使用形態に応じて様々な曲率に湾曲されるが、その際、繊維基材のたて糸とよこ糸間に３００μｍ程度のギャップが生じる可能性があり、上記特許文献１にみられるような構造では、このようなギャップを吸収することができず、凹凸の表面接点構造が離脱してしまい、繊維基材に形成された機能素子の電気的接続が断線され機能劣化を招くことになる。

そこで、本発明の目的は、機能性織布が様々な曲率で湾曲されても、たて糸とよこ糸間の接続部が柔軟に伸縮して、物理的接続、電気的接続を維持することにある。

本発明では、上記の目的を達成するため、長さ方向に配線を備えた繊維基材をよこ糸及びたて糸として織り込み、交差箇所で両者の物理的結合を行うとともに、よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の少なくとも一方に形成した機能素子を、両繊維基材の配線により電気的に接続する結合部を備えた機能性織布において、前記結合部は、前記よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材のそれぞれに形成した導電性のナノピラーからなり、該ナノピラーは、前記繊維基材の少なくとも一方に設けた導電性カンチレバーの先端部に形成され、両ナノピラーを互いに接触させて係合させることにより、両繊維基材の物理的結合及び電気的接続を行うようにした。

前記ナノピラーの外周面に凹凸部を形成し、両ナノピラーを互いに接触させて係合させる際、双方の凹凸部を互い違いに接触させて係合させるようにしてもよい。

また前記導電性カンチレバーは、前記機能素子それぞれの裏面に設けられ、他方の繊維基材における前記機能素子との交差部分のそれぞれに、前記導電性カンチレバーの先端部に形成されたナノピラーと係合するナノピラーを形成してもよい。

さらに、前記導電性カンチレバーは、前記よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の双方に設けられ、該カンチレバーのそれぞれの先端に形成したナノピラーを互いに係合させることにより、両繊維基材の物理的結合及び電気的接続を行うようにしてよい。

一方、本発明では、上記の機能性織布を効率よく製造するため、長さ方向に配線を備えた繊維基材をよこ糸及びたて糸として織り込み、交差箇所で両者の物理的結合を行うとともに、よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の少なくとも一方に形成した機能素子を、両繊維基材の配線により電気的接続を行う結合部を備えた機能性織布の製造方法において、
前記繊維基材おける前記機能素子の裏面に均一なアモルファスフッ素樹脂層を塗布する工程と、前記機能素子の裏側に対応して、該アモルファスフッ素樹脂層に凹部をインプリントすることにより、前記結合部の基部を形成する工程と、前記基部が形成されたアモルファスフッ素樹脂層の表面にポリメタクリル酸メチル樹脂層を塗布する工程と、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層の上面にさらに導電性ポリマー層を塗布する工程と、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層と前記導電性ポリマー層の積層部における前記基部及び該基部の上端から前記繊維基材の表面に対し、所定厚さの前記アモルファスフッ素樹脂層を介して平行に延びるレバー部をインプリントにより形成する工程と、前記基部に充填された前記アモルファスフッ素樹脂層、及び、前記レバー部を構成する、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層及び前記導電性ポリマー層の積層部を除き、前記アモルファスフッ素樹脂層、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層及び前記導電性ポリマー層をすべて除去する工程、前記レバー部上面の前記導電性ポリマー層の表面にインプリントすることによりナノピラーを形成する工程とにより機能性織布を製造した。

本発明の機能性織布によれば、さまざまな曲率に湾曲されても、よこ糸とたて糸の交差箇所が、先端のナノピラーで互いに結合されている導電性カンチレバーで結合されているため、カンチレバーが水平状態から直立状態になるまで追随し、物理的接続、電気的接続を確実に維持することが可能になる。

また本発明の機能性織布の製造方法によれば、繊維基材に均一に塗布したアモルファスフッ素樹脂層にインプリントすることにより、結合部としてのカンチレバーの基部を形成させるとともに、この基部に対応して、アモルファスフッ素樹脂層の上層に、インプリントによりポリメタクリル酸メチル樹脂層及び導電性ポリマー層の積層部からなるレバー部を形成した上で、アモルファスフッ素樹脂層を除去することにより、上記のカンチレバーを効率よく製造することが可能になる。

本発明による機能性織布の一例を示す図 カンチレバーによる結合構造を示す図 繊維基材に積層されるアモルファスフッ素樹脂層、ポリメタクリル酸メチル樹脂層、導電性ポリマー層を示す図 ナノピラー構造の実例を示す図 ナノピラーモールドの製造工程を示す図 ナノピラーの係合を示す図 接点の電気的接続を示す図

図１は、機能性織布の一例を示しており、よこ糸用繊維基材１及びたて糸用繊維基材２は、例えば、２〜３ｍｍ程度の幅を有するＰＥＴ製の帯状繊維基材３などからなり、交互に交差するよう織り込まれている。よこ糸用繊維基材１には、センサデバイスなどの機能素子４がたて糸用繊維基材２との交差部分近傍の上面に形成されている。この機能素子４は、機能性薄膜を印刷、あるいはダイコート等の手法で塗布したり、半導体製造工程を用いて直接形成されており、各機能素子４は、よこ糸用繊維基材１の上面に長さ方向に連続的に形成された配線５−１により電気的に接続されている。なお、機能素子４を予め半導体製造工程で多数製造しておき、配線５−１に電気的に接続されるよう、よこ糸用繊維基材１に貼付してもよい。

一方、たて糸用繊維基材２にも配線５−２が形成されており、よこ糸用繊維基材１の各機能素子４の裏面とたて糸用繊維基材２の交差部分には、各機能素子４と配線５−２とを物理的かつ電気的に接続する接点構造６と接点構造７とが互いに対向するよう形成され、両接点構造６、７が結合することにより、よこ糸用繊維基材１の配線５−１、各機能素子４及びたて糸用繊維基材２の配線５−２が電気的に接続されることになる。なお、各機能素子４とよこ糸用繊維基材１側の接点構造とは、よこ糸用繊維基材１の側方を回り込む配線５−３により電気的に接続されている。
また、この例に示すように、よこ糸用繊維基材１及びたて糸用繊維基材２の間に、機能素子、配線、接点構造などをまったく備えていない繊維基材３そのものを交互に織り込み、機能性織布としての強度や屈曲性を強化するようにしてもよい。

また、各機能素子４については、どのよこ糸用繊維基材１とどのたて糸用繊維基材２の交差部分に配置されたものであるかを特定する必要があるため、各機能素子４毎に、よこ糸用繊維基材１、たて糸用繊維基材２に専用の配線５−１、５−２を複数本形成してもよいが、両繊維基材にそれぞれ１本の配線５−１、５−２に並列に接続し、各配線５−１、５−２からの信号を所定の周波数で繊維基材毎にスキャニングすることにより、各機能素子４の位置を特定するようにしてもよい。

この接点構造６、７は、図２に示されるように、導電性を備えた樹脂から形成されたカンチレバー８からなり、このカンチレバー８は、図３（ａ）に示されるように、繊維基材３から垂直方向に延びる基部９と、該基部９の上端部から繊維基材３に所定の間隙を介して平行に延びるレバー部１０とからなるＬ字状のものである。

以下、よこ糸用繊維基材１、たて糸用繊維基材２の製造工程について説明する。
（１）帯状のＰＥＴフィルムからなるよこ糸用繊維基材１の上面には、機能性薄膜の印刷等により機能素子４が形成されており、また、この機能素子４に電気的に接続するよう、よこ糸用繊維基材１の長さ方向にわたり配線５−１が形成されている。なお、この配線５−１は、導電性インクを凸版印刷、グラビア印刷、ダイコートあるいはインクジェットなどにより印刷することにより形成することができる。

（２）よこ糸用繊維基材１の裏面（図３では上面）に、例えばＣＹＴＯＰ（登録商標）等のアモルファスフッ素樹脂層１１を均一に塗布する。

（３）よこ糸用繊維基材１上の機能素子４の裏側に対応して、カンチレバー８の基部９に対応する凹部をアモルファスフッ素樹脂層１１にインプリントすることにより形成する。なお、この凹部は、機能素子４の接点に表裏で対応するよう、よこ糸用繊維基材１裏面に形成されている。

（４）この基部９に対応する凹部を含む表面上に、導電性ポリアニリンなど、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）層１２を塗布し、さらにその上面に導電性ポリマー（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ等）層１３を塗布して積層する。

（５）この基部９に対応する凹部に充填されたポリメタクリル酸メチル樹脂層１２と組み合わされて、その上面によこ糸用繊維基材１の表面と平行に延びるレバー部１０をインプリントにより形成し、それ以外のアモルファスフッ素樹脂層１１、ポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー（ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ等）層１３をすべて除去する。これにより、ポリメタクリル酸メチル樹脂層１２より形成される基部９と、その基部９からよこ糸用繊維基材１に平行に延びるポリメタクリル酸メチル樹脂層１２と導電性ポリマー層１３との積層物からなるレバー部１０が形成される。

（６）レバー部１０表面の導電性ポリマー層１３のうち、先端側の表面に、図３（ａ）に示されるように、紫外線透過ガラスの裏面に貼付したナノピラーモールドに導電性ポリマーをコーティングし、導電性ポリマー層１３の上面に密着させた後、図３（ｂ）に示されるように、紫外線を照射し、ＵＶ硬化によりナノピラー１４を形成する。なお、このナノピラー１４は、図４に示されるように略円筒型で、この実施例ではその外周面には軸線方向に微小な凹凸が形成されている。
なお、ナノピラー１４をインプリントする際の型としては、図５に示されるように、シリコンモールドにＰＤＭＳ樹脂を真空キャスティングにより塗布し、硬化後にパーマネントボンディングによりガラス基板に固着し、シリコンモールドに予め形成した微小な凹凸を有するナノピラー形状を転写して、ナノピラーモールドを形成することができる。

（７）ポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー層１３はインプリント温度からの冷却時に収縮するが、レバー部１０を形成するポリメタクリル酸メチル樹脂層１２の下方には、アモルファスフッ素樹脂層１１が所定の厚さで残存し、これにより保持され、レバー部１０は、図３（ｃ）に示されるように、ポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー１３のインプリント温度から冷却に伴い、異種材料間の熱膨張率等の相違により内部応力を蓄積した状態で水平を維持している。
なお、基部９及びレバー部１０を備えたカンチレバー８は機能素子４毎に設けられ、図２に示されるように、長手方向に直交する方向に櫛状に形成されている。

（８）そして、高圧空気を吹き込みことにより、レバー部１０下面のアモルファスフッ素樹脂層１１を除去すると、導電性ポリマー層１３は、インプリント温度からの冷却時に蓄積した内部応力により、図３（ｃ）の状態から、図２に示されるようにカンチレバー部１０は基部９を基点として弓状に屈曲する。なお、この屈曲率は、レバー部１０の長さと幅の比やポリメタクリル酸メチル樹脂、導電性ポリマーの熱膨張率などにより様々な値にすることができる。

以上のように、配線５−１に電気的に接続される機能素子４毎に、電気的に接続されるカンチレバー８をよこ糸用繊維基材１となる繊維基材３に一挙に形成することができる。
なお、たて糸用繊維基材２についても、同様の製造工程で配線５−２に電気的に接続されるカンチレバー８を形成し、よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２を織り込んで織布を形成する際、両カンチレバー８の端部を対向させ、図６に示されるように、両者のナノピラー１４が互いの間隙に入り込ませることにより、よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２を物理的かつ電気的に強固に接続する接点構造６及び７とすることができる。

すなわち、よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２を織り込む際、一方のカンチレバー８に形成されたナノピラー１４を他方のナノピラー１４の間隙に押し込むことにより、一方のナノピラー１４の外周面に形成された凹凸部が、これを取り囲む他方側のナノピラー１４のいずれかと互いの凹凸部で互い違いに接触して係合し、繊維基材３がさまざまな曲率に湾曲されても、いずれかのナノピラー１４との接触した係合状態が維持され、双方のカンチレバーが水平状態から直立状態になるまで追随し、物理的接続、電気的接続を確実に維持することが可能になる。

よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２の双方に、その長手方向に対し直交する方向にカンチレバー８を形成した場合、両カンチレバーは直交する方向で交差することになるが、図２あるいは図７（ｂ）に示されるように、よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２の一方には、長手方向に直交する方向にカンチレバー８を形成し、他方には、長手方向にカンチレバー８を形成すれば、両カンチレバー８を直線上で対向させることができる。その際は、アモルファスフッ素樹脂層１１あるいはポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー１３の積層部をインプリントする型として、一方には繊維基材３の長手方向に直交する櫛状の凸部あるいは凹部を有するものを使用し、他方には、繊維基材３に対し長手方向の櫛状の凹部あるいは凸部を、繊維基材３の長手方向に断続的に複数有するものを使用すればよい。

また、図７（ａ）に示されるように、カンチレバー８をよこ糸用繊維基材１あるいはたて糸用繊維基材２の一方のみに設け、他方に、このカンチレバー８のナノピラー１４のみを形成して、両ナノピラー１４を嵌合させるようにしてもよい。その際は、他方については、アモルファスフッ素樹脂層１１あるいはポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー１３の積層部をインプリントする型として、基部９のみを形成する凸部あるいは凹部を有するものを使用し、この基部９の最表面にナノピラー１４を形成すればよい。なお、ナノピラー１４の外周面に意図的に凹凸を形成しなくても、インプリントの際に必然的に発生する微少な凹凸でも十分な保持力を得ることができる。

さらにたて糸用繊維基材２となる繊維基材３については、図２に示されるようにカンチレバー８の基部９を繊維基材３の長さ方向に連続させ、カンチレバーカップリング接点として基部９自体を配線５−１として利用することもできる。

よこ糸用繊維基材１及びたて糸用繊維基材２となる繊維基材３に形成するカンチレバー８の構造については、その他さまざまな態様が可能である。すなわち、
（１）よこ糸用繊維基材１及びたて糸用繊維基材２の双方に、機能素子４を形成し、それぞれに他方の機能素子４に接続される配線５を別個に設けるとともに、カンチレバー８を表裏交互に配置して、よこ糸用繊維基材１とたて糸用繊維基材２の交差箇所のすべてに、互いに対向する接点構造６、７を形成する。

（２）一つの機能素子４に対し、同方向、あるいは図２、図７（ｂ）に示されるように互いに対向するカンチレバー８を複数設けるとともに、他方の繊維基材３側に、これらのカンチレバー８のナノピラー１４と接触して係合するナノピラー１４を複数設け、複数のカンチレバー８でより確実な接点構造とする。その際、他方の繊維基材３にも対応するカンチレバー８を複数設け、これらの端部にナノピラー１４を形成してもよいし、カンチレバー８を設けず、基部９のみにナノピラー１４を形成してもよい。

（３）よこ糸用繊維基材１及びたて糸用繊維基材２の双方に両カンチレバー８を設け、これらを直線上で対向させるように配置する場合、両者の基部９を上下方向に同じ位置に配置し、同じ方向に延びるレバー部１０の先端に設けたナノピラー１４を互いに接触して係合するようにしてもよいし、両者の基部９の位置をずらし、レバー部１０を互いに対向する向きに伸ばし、両レバー部１０の先端に設けたナノピラー１４を互いに嵌合するようにしてもよい。

（４）カンチレバー８の基部９を形成する際、よこ糸用繊維基材１に関しては、インプリントにより機能素子４の接点を露出させるとともに、ポリメタクリル酸メチル樹脂層１２及び導電性ポリマー１３の積層部をインプリントする際、この積層部を貫通する穴を形成して、導電性樹脂等を充填することにより、カンチレバー８の導電性ポリマー１３と機能素子４の電極とを電気的に接続するようにしてもよい。なお、たて糸用繊維基材２に関しては、導電性ポリマー１３の上面からたて糸用繊維基材２の裏面まで貫通する穴を形成して、導電性樹脂等を充填することにより、カンチレバー８の導電性ポリマー１３とたて糸用繊維基材２の配線５−２とを電気的に接続するようにしてもよい。

以上説明したように本発明の機能性織布によれば、さまざまな曲率に湾曲されても、よこ糸とたて糸の交差箇所が、先端のナノピラーで互いに結合されている導電性カンチレバーで結合されているため、カンチレバーが水平状態から直立状態になるまで追随し、物理的接続、電気的接続を確実に維持することが可能になり、機能性織布の耐久性を高めその利用範囲を飛躍的に拡大することができる。

また、本発明の機能性織布の製造方法によれば、インプリントによりポリメタクリル酸メチル樹脂層及び導電性ポリマー層を形成した上で、アモルファスフッ素樹脂層を除去することにより、上記のカンチレバーを効率よく製造することが可能になり、機能性織布の製造コストを低減することが可能になる。

１ よこ糸用繊維基材
２ たて糸用繊維基材
３ 帯状繊維基材
４ 機能素子
５ 配線
６、７ 接点構造
８ カンチレバー
９ 基部
１０ レバー部
１１ アモルファスフッ素樹脂層
１２ ポリメタクリル酸メチル樹脂
１３ 導電性ポリマー層
１４ ナノピラー

Claims (5)

1. 長さ方向に配線を備えた繊維基材をよこ糸及びたて糸として織り込み、交差箇所で両者の物理的結合を行うとともに、よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の少なくとも一方に形成した機能素子を、両繊維基材の配線により電気的に接続する結合部を備えた機能性織布において、
   前記結合部は、前記よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材のそれぞれに形成した導電性のナノピラーからなり、該ナノピラーは、前記繊維基材の少なくとも一方に設けた導電性カンチレバーの先端部に形成され、両ナノピラーを互いに接触させて係合させることにより、両繊維基材の物理的結合及び電気的接続を行うようにしたことを特徴とする機能性織布。
2. 前記ナノピラーの外周面に凹凸部を形成し、両ナノピラーを互いに接触させて係合させる際、双方の凹凸部を互い違いに接触させて係合させることを特徴とする請求項１に記載の機能性織布。
3. 前記導電性カンチレバーは、前記機能素子それぞれの裏面に設けられ、他方の繊維基材における前記機能素子との交差部分のそれぞれに、前記導電性カンチレバーの先端部に形成されたナノピラーと係合するナノピラーを形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の機能性織布。
4. 前記導電性カンチレバーは、前記よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の双方に設けられ、該カンチレバーのそれぞれの先端に形成したナノピラーを互いに係合させることにより、両繊維基材の物理的結合及び電気的接続を行うようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の機能性織布。
5. 長さ方向に配線を備えた繊維基材をよこ糸及びたて糸として織り込み、交差箇所で両者の物理的結合を行うとともに、よこ糸用繊維基材及びたて糸用繊維基材の少なくとも一方に形成した機能素子を、両繊維基材の配線により電気的接続を行う結合部を備えた機能性織布の製造方法において、
   前記繊維基材おける前記機能素子の裏面に均一なアモルファスフッ素樹脂層を塗布する工程と、
   前記機能素子の裏側に対応して、該アモルファスフッ素樹脂層に凹部をインプリントすることにより、前記結合部の基部を形成する工程と、
   前記基部が形成されたアモルファスフッ素樹脂層の表面にポリメタクリル酸メチル樹脂層を塗布する工程と、
   前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層の上面にさらに導電性ポリマー層を塗布する工程と、
   前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層と前記導電性ポリマー層の積層部における前記基部及び該基部の上端から前記繊維基材の表面に対し、所定厚さの前記アモルファスフッ素樹脂層を介して平行に延びるレバー部をインプリントにより形成する工程と、
   前記基部に充填された前記アモルファスフッ素樹脂層、及び、前記レバー部を構成する、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層及び前記導電性ポリマー層の積層部を除き、前記アモルファスフッ素樹脂層、前記ポリメタクリル酸メチル樹脂層及び前記導電性ポリマー層をすべて除去する工程、
   前記レバー部上面の前記導電性ポリマー層の表面にインプリントすることによりナノピラーを形成する工程とからなる機能性織布の製造方法。