(57)【要約】  電気的に絶縁された、導電性の第１の側と導電性の第２の側とを有するテキスタイルにおいて、２つの側がテキスタイルの電気絶縁部分によって分離され、導電性は、各側上のグラフェンコーティングによって提供され、静電容量が導電性の各側の間に形成され得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェンを組み込んだ圧電容量性テキスタイル。
【請求項２】
電気的に絶縁された、導電性の第１の側と導電性の第２の側とを組み込み、
前記導電性は、各側上のグラフェンコーティングによって提供され、
静電容量が前記導電性の第１の側と第２の側との間に形成されている、請求項１に記載のテキスタイル。
【請求項３】
前記テキスタイルは、平面の状態で配置され、前記テキスタイルの前記平面内に歪みを受ける場合に、前記テキスタイルの前記平面内に弾性変形を受けるように適合されている、請求項２に記載のテキスタイル。
【請求項４】
前記テキスタイルは、前記テキスタイルの平面に対して垂直の圧縮を受ける場合に、前記テキスタイルの前記平面に対して垂直の弾性変形を受けるように適合されている、請求項２に記載のテキスタイル。
【請求項５】
前記変形は、前記静電容量の変化を引き起こす、請求項３または請求項４に記載のテキスタイル。
【請求項６】
前記グラフェンは、前記テキスタイルの形成後に前記テキスタイルに適用されている、請求項２に記載のテキスタイル。
【請求項７】
前記テキスタイルの厚さの一部が前記グラフェンを含まず、また、前記テキスタイルの両側が、電気的に切断されているか、または高い電気抵抗を有する経路によって接続されているように、前記グラフェンが前記テキスタイルの両側に適用されている、請求項６に記載のテキスタイル。
【請求項８】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、１，０００，０００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項９】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、５００，０００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項１０】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、１００，０００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項１１】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、１０，０００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項１２】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、１，０００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項１３】
前記テキスタイルの２つのコーティングされた側間の電気抵抗は、１００オームより大きい、請求項７に記載のテキスタイル。
【請求項１４】
前記テキスタイルは繊維を備え、
グラフェンが、前記繊維の形成後に前記繊維に適用されている、請求項２に記載のテキスタイル。
【請求項１５】
前記テキスタイルは繊維を備え、
グラフェンが前記繊維に組み込まれている、請求項２に記載のテキスタイル。
【請求項１６】
前記繊維は導電性であり、それによって前記テキスタイルが導電性であることを可能にする、請求項１４または請求項１５に記載の繊維。
【請求項１７】
前記繊維が均一に導電性ではない、請求項１６に記載の繊維。
【請求項１８】
前記繊維の約１００％が導電性である、請求項１４または請求項１５に記載のテキスタイル。
【請求項１９】
前記繊維の５０％超が導電性である、請求項１４または請求項１５に記載のテキスタイル。
【請求項２０】
前記繊維の１０％超が導電性である、請求項１４または請求項１５に記載のテキスタイル。
【請求項２１】
前記繊維の１％超が導電性である、請求項１４または請求項１５に記載のテキスタイル。
【請求項２２】
導電性のグラフェンを含む少なくとも１つの領域を備えた第１の側と、グラフェンを含む少なくとも１つの領域を備えた第２の側とを組み込み、
それによって、前記第１の側上の前記領域の少なくとも１つと、前記第２の側上の前記領域の少なくとも１つとの間に静電容量が形成され、
前記テキスタイルが変形する場合に、前記静電容量が可変である、請求項１に記載のテキスタイル。
【請求項２３】
前記第１および第２の側のそれぞれの上における導電性の第1の領域は、前記第１および第２の側のそれぞれの上における導電性の第２および第３の領域に接続されており、
前記導電性の第２および第３の領域は、電気機器を１つのまたは複数の前記第1の領域に接続するように適合されている、請求項２２に記載のテキスタイル。
【請求項２４】
前記第１、第２、および第３の領域は、繰り返しパターンで配置されており、
前記第２、および第３の領域は、前記第１の領域が前記第２、および第３の領域との間に挿入された領域においてのみ、電気的に互いに接続されている、請求項２３に記載のテキスタイル。
【請求項２５】
電気回路が、２つ以上の第１の領域から前記第２および第３の領域の１つへの電気的接続を介して形成可能であり、
前記領域内における前記回路の接続位置が、１つの第１の領域の第１の抵抗と、他の第１の領域の第２の抵抗とを有する電気的経路を形成するように選択され、
前記第１の抵抗と第２の抵抗とが異なる、パターンを組み込んだ請求項２４に記載のテキスタイル。
【請求項２６】
各テキスタイルは、導電性のグラフェンを含む第１の表面と、電気的に絶縁されている第２の対向面とを備え、
前記２つ以上のテキスタイルが、２つ以上の静電容量が前記第１の表面にわたって形成できるように、配置されている、請求項１に記載のテキスタイルの２つ以上の配置。
【請求項２７】
前記第１の表面は、グラフェンを含む導電性の第３の領域にさらに電気的に接続されており、
前記第３の領域は電気機器に電気的に接続されており、
それによって、前記電気機器を、前記第１の表面に電気的に接続できるようにしている、請求項２６に記載のテキスタイルの配置。
【請求項２８】
導電性を付与し、テキスタイルの多孔性、弾力性または柔軟性を実質的に変更しない、圧電容量性テキスタイル上のグラフェンコーティング。
【請求項２９】
導電性を付与し、テキスタイルの親水性を高める、圧電容量性テキスタイル上のグラフェンコーティング。
【請求項３０】
導電性のグラフェンを含む第１の領域と、導電性のグラフェンを含む第２の領域とを備え、
前記第１の領域および前記第２の領域は、前記テキスタイルの電気的に絶縁された第３の領域が前記第1の領域と第２の領域とを分離し、前記第1の領域と第２の領域との間に電気容量が形成されるように、配置されている、圧電容量性テキスタイル。
【請求項３１】
前記第１および第２の領域は、グラフェンを含む第４および第５の導電性領域にそれぞれ接続されており、
前記第４および第５の領域は、前記第１および第２の領域に電気機器をそれぞれ接続するために使用される、請求項３０に記載の圧電容量性テキスタイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電容量性テキスタイルの分野に関する。特に、本発明は、圧縮時に電気的特性を変化させる導電性の圧電容量性テキスタイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
歪みおよび圧力計は広く使用されている。圧力計は非常に精密であり、多くの材料から多くの手段によって作ることができる。通常、それらは、圧力が加えられるときに電気的特性の変化を受ける材料または材料の配置を使用するスタンドアロンの電気デバイスである。電気的特性の変化は、通常、抵抗、静電容量またはインダクタンスである。多くの場合、圧力計は歪み計の一形態である。
【０００３】
材料の変形は、材料の構成部品の相対位置を変更し、歪みを生じる。このような変形は、弾性または非弾性であり、両方または部分的に弾性の組み合わせであり、各変形に伴っていくつかの永久的な変形が生じる。変形は圧縮または広範囲であり、３つの物理的次元の一部またはすべてで発生する可能性がある。実際には、シートの平面に垂直な力を適用することにより、材料のシートの圧縮は、適用力の領域でシートを薄くする。シートの平面で圧縮できる材料のシートを伸ばすと、多くの場合、それが薄くなる。これらの変形のさまざまな個体または組み合わせを使用して歪みを測定できる。
【０００４】
歪み計は、多くの場合、複雑なパターンで薄い金属ワイヤーや箔などの変形可能であって、感度を最大化するために、柔軟性または伸縮性のある絶縁シートに接着された導電体を使用する。絶縁体を伸ばしたり圧縮したりすると、導電体が変形し、その抵抗が変化する。
【０００５】
導電性材料の複数のシートは、シートのペア間の圧縮性絶縁体によって配置することができる。電圧が２枚の電気絶縁された導電性シートに印加された場合、キャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が形成される。圧縮すると絶縁体が薄くなり、静電容量が変化する。以下の式は、２つの導電性シートの距離と構造の静電容量との関係を示す。この関係は、静電容量（Ｃ）が導電性シートの面積（Ａ）とそれらの間の距離（ｄ）に直接比例することを示す。距離（ｄ）が減少するにつれて、静電容量が増加し、その逆も同様である。
【０００６】
Ｃ∝Ａ／ｄ
【０００７】
圧電容量は、キャパシタの２つの電気伝導面間の絶縁体が厚さを変化したときに生じる静電容量の変化である。これにより、２つ以上の変形可能な導電性シートと組み合わせた変形可能な絶縁体を、キャパシタベースの歪みセンサの一部として使用することができる。
【０００８】
静電容量の測定は多くの手段によって達成することができる。現代のデジタル機器と半導体技術により、容量を測定するための簡単で正確かつ比較的低コストの測定装置が可能である。
【０００９】
薄いシート中の電気抵抗は、「オーム毎スクウェア」（「オーム／ｓｑ」または「オーム／□」）の単位で報告することができる。シート抵抗は、通常、均一な厚さの膜に適用されるが、テキスタイルなどの、導体の不均一なシートにも適用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
広い領域にわたる歪みセンシングには、堅牢で比較的安価な材料が必要である。半導体技術は不適切である。金属箔やその他の導電膜はキャパシタを形成するために使用することができるが、これらは弾力性に欠ける傾向があり、環境の影響を受ける可能性があり、多くの場合、空気や液体に不浸透性であり、その使用が制限される。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、少なくともいくつかの従来技術に関連した問題を改善する圧電容量性材料を提供することにある。
【発明を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、グラフェンを組み込んだ圧電容量性テキスタイルが提供される。
【００１３】
織物や布などのテキスタイルは、天然繊維および／または人工繊維のネットワークからなる柔軟な材料である。材料の広い範囲は、所望の特性および適用に依存する繊維にすることができる。テキスタイルは、多孔質であることが多く、空気と水がテキスタイルを通過することを可能にし、多孔性、強度、弾力性、化学相互作用、およびテキスタイルの望ましい用途に応じたその他の有益な特性を最大化または最小化することを含めて、様々な用途に合わせて特性を最適化するように調整することができる。
【００１４】
テキスタイルは、織る、編む、ノッティング（ｋｎｏｔｔｉｎｇ）、編組および、インタータングリング（ｉｎｔｅｒ−ｔａｎｇｌｉｎｇ）(例えば、ニードルパンチ、フェルティング、水流交絡、スパンレーシング、ウォーターニードリング)などのさらなる工程を伴う不織布オーバーレイ技術を含む、多くの方法によって繊維から形成することができる。また、テキスタイルは、カーディング、ヒートボンディング、およびコーティングなど、所望の特性を改善するためのさまざまな工程を含むことができる。
【００１５】
導電性テキスタイルは、金属；導電性ポリマー（例えばポリピロール)；炭素充填ポリマー繊維および；および金属充填ポリマー繊維などの、導電性繊維から作ることができる。さらに、テキスタイルは、非導電性ポリマー（ポリオレフィンまたは天然繊維）が導電層（ここに記載されているような）でコーティングされて、コーティングされた繊維から形成でき、それゆえ繊維はテキスタイルに作りこまれる。場合によっては、導電性テキスタイルは、所望の特性に応じて導電性繊維と非導電性繊維の混合物から作られる。あるいは、テキスタイルを導電性材料でコーティングすることにより、テキスタイルを導電性にすることができる。
【００１６】
導電性テキスタイルは、典型的には非導電性テキスタイルと比較して高価であるため、個々のアプリケーションのサイズとアプリケーションの幅が制限される。
【００１７】
テキスタイルには多くの工業用途がある。「テクニカルテキスタイル」と呼ばれることもあり、これらは、土木工学や関連する地盤工学の応用から、建設、製造、自動車に至る範囲に及ぶ。一般的に、それらは非審美的とみなされ、別の部分の構成要素を形成する。大規模な導電性テキスタイルでは、費用対効果の高いオプションはほとんどない。
【００１８】
歪みや圧力応答を伴う衣類や医療用途用のテキスタイルは、通常、テキスタイルに埋め込まれる複雑な電気部品、またはアイテムが形成された後にテキスタイルに取り付けられる複雑な電気部品に依存する。場合によっては、導電性インクを使用してテキスタイル上にセンサが印刷される。このような場合、センサは個別の物体であり、テキスタイルの固有の部分ではない。
【００１９】
発明者たちは、圧電容量性効果を示す導電性テキスタイルをグラフェンで作ることができることを発見した。彼らはさらに、このようなテキスタイルは、圧力および歪みセンサとしてうまく使用することができると判断した。
【００２０】
グラフェンは本質的にグラファイトの個々の層であり、グラファイトの機械的または電気化学的剥離、グラファイトの化学的酸化、および酸化グラフェンとしての剥離の後にグラフェンへの部分的または完全な還元のような「トップダウン」アプローチ、並びに、基板または触媒上におけるガスまたはプラズマからの成長のような「ボトムアップ」アプローチを含む多くの経路によって形成され得る。グラフェンの性質は、ほぼ原子的に完璧な単層から、２層、少数層、および多層グラフェン、最高には超微細グラファイトに似た巨大凝集体の数スケール層までさまざまに変化できる。グラフェンはアスペクト比が高く、最終的には１原子層の厚さ(１ナノメートル未満)であり、典型的には平面方向に数百ナノメートルから数百ミクロンである。それゆえ、グラフェンは２次元（２Ｄ）材料と呼ばれる。グラフェンは優れた導電体である。
【００２１】
例えば、本発明は、導電性の第１の側（ｆｉｒｓｔ  ｓｉｄｅ）と、導電性の第２の側（ｓｅｃｏｎｄ  ｓｉｄｅ）とを備えたテキスタイルによって具体化され得る。その際、両側がテキスタイルの電気絶縁部によって分離されており、導電性は、それぞれの側のグラフェンコーティングによって提供され、それぞれの導電性の側の間に静電容量が形成され得る。このような実施形態では、テキスタイルの平面に歪みを与えると、テキスタイルの平面に弾性変形を受け得る。この変形は、テキスタイルの平面に垂直な圧縮を行った場合にテキスタイルの平面に対して垂直であってもよい。これは、静電容量の測定可能な変化を引き起こし得る。
【００２２】
グラフェンは、テキスタイルの形成後にテキスタイルに適用され得る。テキスタイルの厚さの一部がグラフェンを含まず、また、テキスタイルの両側が、電気的に切断されているか、または高い電気抵抗を有する経路によって接続されているように、グラフェンがテキスタイルの両側に適用されるようにしてもよい。
【００２３】
上述したテキスタイルは、テキスタイルの２つのコーティングされた側間に、1，０００，０００オームより大きい、５００，０００オームより大きい、１００，０００オームより大きい、１０，０００オームより大きい、１０００オームより大きい、または１００オームより大きい電気抵抗を有するようにしてもよい。
【００２４】
代替的に、グラフェンは、繊維の形成後にテキスタイルを含む繊維に適用されてもよい。
【００２５】
代替的に、グラフェンは、テキスタイルを含む繊維に組み込まれるようにしてもよい。
【００２６】
上述した繊維は、導電性であってもよいし、導電性テキスタイルの形成を可能にする。このテキスタイルは、導電性が均一でないように形成されてもよい。導電性繊維の割合は、１００パーセント、代わりに５０パーセント超、代わりに１０パーセント超、代わりに１パーセント超であってもよい。
【００２７】
本発明は、代替として、導電性のグラフェンを含む少なくとも１つの領域を備えた第１の側と、グラフェンを含む少なくとも１つの領域を備えた第２の側とを組み込み、それによって、第１の側上の領域の少なくとも１つと第２の側上の領域の少なくとも１つとによって静電容量が形成され、テキスタイルが変形する場合に、静電容量が可変である、テキスタイルを提供する。
【００２８】
テキスタイルは、第１および第２の側のそれぞれの上における導電性の第1の領域は、それぞれの側上における導電性の第２および第３の領域に接続されている。導電性の第２および第３の領域は、電気機器を第1の領域に接続するように構成されてもよい。
【００２９】
上記テキスタイルは、第１、第２、および第３の領域を含む繰り返しパターンを有し、第２および第３の領域は、第１の領域が第２、および第３の領域との間に挿入された箇所を除いて、電気的に互いに接続されていないように構成されてもよい。
【００３０】
電気回路が、第２および第３の領域の電気的接続を介して形成可能であり、回路の接続位置が、第１の領域の第１の抵抗と、２番目の第１の領域の第２の抵抗とを有する電気的経路を形成し、第１の抵抗と第２の抵抗とが異なる。
【００３１】
別の実施形態は、各テキスタイルが、導電性のグラフェンを含む第１の表面と、電気的に絶縁されている第２の対向面とを備えた、２つ以上のテキスタイルの配置を提供する。２つ以上のテキスタイルは、２つ以上のキャパシタが第１の領域にわたって形成できるように、配置されている。第１の表面は、導電性のグラフェンを含む第３の領域にさらに電気的に接続されており、第３の領域は電気機器を第１の領域へ接続するために使用される。
【００３２】
代替の実施形態は、導電性を付与し、テキスタイルの多孔性、弾力性または柔軟性を実質的に変更しない、テキスタイル上のグラフェンコーティングを提供する。
【００３３】
代替の実施形態は、導電性を付与し、テキスタイルの親水性を高める、テキスタイル上のグラフェンコーティングを提供する。
【００３４】
代替の実施形態は、導電性のグラフェンを含む第１の領域と、導電性のグラフェンを含む第２の領域とを備えたテキスタイルを提供する。第１の領域および第２の領域は、テキスタイルの電気的に絶縁された第３の領域が、第1の領域と第２の領域とを分離し、第1の領域と第２の領域との間にキャパシタが形成されるように、配置されている。第１および第２の領域は、それぞれ、導電性のグラフェンを含む第４および第５の領域に接続されており、第４および第５の領域は、それぞれ、第１および第２の領域に電気機器を接続するために使用される。
【００３５】
ここで、具体的で非限定的な実施例を用いて、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】不織布ポリエステルをグラフェンで両側にコーティングした正方形テキスタイルセンサに、無負荷のテキスタイルの各側間の電気的絶縁を維持しながら圧力を加えた際の電気容量の変化を示すグラフである。
【００３７】
【図２】それぞれがグラフェンで片側にコーティングされた不織布ポリエステルから作られたテキスタイルセンサの２つの長方形から作られたサンドイッチの電気容量の変化を示すグラフである。２つのテキスタイルは、他のテキスタイルの非導電性背面と接触する一方のテキスタイルの導電性表面を伴って配置されている。電気絶縁はテキスタイルの２つの導電性表面の間において維持されている。
【００３８】
【図３】それぞれがグラフェンで片側にコーティングされた不織布ポリエステルから形成されたテキスタイルセンサの２つの長方形から作られたサンドイッチの電気容量の変化を示すグラフである。２つのテキスタイルは、互いに接触する各テキスタイルの非導電性背面を伴って配置されている。電気絶縁はテキスタイルの２つの導電性表面の間で維持されている。
【００３９】
【図４】間にプラスチックジオグリッドが介在し、それぞれがグラフェンで片側にコーティングされた不織布ポリエステルから作られたテキスタイルセンサの２つの長方形から形成さられたサンドイッチの電気容量の変化を示すグラフである。２つのテキスタイルは、ジオグリッドと接触する各テキスタイルの非導電性の表面を伴って配置されている。電気絶縁はテキスタイルの２つの導電性表面の間において維持されている。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
グラフェンの様々な形態が存在する。理想的なグラフェンは、純粋な炭素であり、グラフェンファミリーで最も良い導電体であり、これまでに発見された最も良い導体の１つである。それは、欠陥が無く、また酸素のような他の化学的作用も無い。酸化グラフェン（ＧＯ）は、電気絶縁体である、高度に酸化されたグラフェンの形態である。様々な記載を参照すると、中間種としては、部分的に還元された酸化グラフェン（ｐｒＧＯ）または官能化グラフェン等がある。グラフェンのエッジおよび/または基底面には様々な化学官能基が付着している。この機能によってグラフェンの電気的および物理的特性の調整が可能になり、例えばプラスチックなどの材料の中に、または上に組み込んで、複合材料を形成したりするのが容易になる。
【００４１】
炭素原子が窒素やその他の共有結合した原子などの他の原子に置き換えられるヘテロ原子の組み込みも、グラフェンの特性を調整するために使用することができる。
【００４２】
また、グラフェンは、単層または複数層でも、様々な次元であってもよい。構造的な並び替えを記述するために様々な用語が使用され、用語の標準化の試みが行われてきた。用語にかかわらず、グラフェンのこれらの単層および多層構造は有用な導電性を有し、ここで記載されるように、ポリマー、繊維およびテキスタイルの特性を生じさせる。
【００４３】
グラフェンのこれらの種々の並び替えは、特に詳細かつその特性が記載されていない限り、ここでは「グラフェン」として一般化される。導電性から電気絶縁まで連続的なスケールは、多くの形態のグラフェンを導電体として使用することができ、また、グラフェンの導電性が低い場合であっても、特に他の特性での使用が望ましい場合には、目的を果たすことができることを意味する。
【００４４】
次を含んで、多くの方法で、グラフェンを製造することができる：陽極接合、カーボンナノチューブ切断、化学剥離、化学合成、化学蒸着、電気化学的剥離、電気化学的インターカレーション、炭化ケイ素上の成長、液相剥離、マイクロメカニカル切断、マイクロ波剥離、分子線エピタキシー、光剥離、金属からの沈殿および熱剥離。これらの方法のいくつかは、つぎのように呼ばれる材料を生み出した：化学的に変換されたグラフェン、少数層グラフェン、ＧＯ、グラフェン、酸化グラフェン、グラフェンナノフレーク、グラフェンナノプレートレット、グラフェンナノリボン,グラフェンナノシート、グラファイトナノフレーク、グラファイトナノプレートレット、グラファイトナノシート、グラファイト酸化物、ＬＣＧＯ、液晶酸化グラフェン、多層グラフェン、部分的に還元された酸化グラフェン、部分的に還元されたグラファイト酸化物、ｐｒＧＯ、ｒＧＯ、還元された酸化グラフェン、還元されたグラファイト酸化物。
【００４５】
グラフェンのテキスタイルへの組み込みは、多くの方法によって達成することがでるが、いずれの場合においても、繊維およびテキスタイルの特性は、組み込みの方法に影響を与える。組み込み方法は、繊維およびテキスタイル化学、グラフェン化学、グラフェンの形状、グラフェンを繊維の中にまたは上に組み込むために使用されるプロセス、およびテキスタイルを形成するプロセスに依存する。
【００４６】
合成繊維または複合繊維にとって、好ましい方法は、合成繊維を形成する前にグラフェンをポリマーまたは複合材料に混合することを含む。天然繊維と合成繊維の両方をグラフェンでコーティングして導電性繊維を作ることができ、テキスタイルおよびテキスタイル中間体は、テキスタイルの導電性を提供するためにコーティングされ得る。合成繊維または複合繊維用ポリマーへのグラフェンの分散のために、グラフェンは、粉末として、または流体中の分散として存在することができる。適切な流体中のグラフェンの事前分散は、ポリマー中のグラフェンの分散を促進する。グラフェンのコーティングは、流体中のグラフェンの分散からが好ましい。ポリマーへのグラフェンの組み込み方法は、ポリマーへのグラフェンの溶融配合、グラフェンとポリマーのその場での（ｉｎ−ｓｉｔｕ）重合、および溶液混合を含む。いずれの技術を用いるにせよ、最小のグラフェンによって導電性を得るためには、グラフェンを十分に分散させることが望ましい。
【００４７】
グラフェンとポリマーの相分離を減らすために添加剤が必要な場合もある。
【００４８】
好ましい実施形態において、テキスタイルの物理的特性を実質的に変化させることなく、また、テキスタイルの導電性の２つの側間の電気的な絶縁分離を提供しつつ、テキスタイルは、グラフェンの薄い層をテキスタイルの表面に付着させるグラフェンを含む流体によって両側にコーティングされる。
【００４９】
別の実施形態では、テキスタイルはグラフェンによって片側のみにコーティングされ、静電容量センサは、２つのコーティングされた表面の間に電気的に絶縁されたギャップが維持されるように、コーティングされた２つのテキスタイルを一緒にもたらすことによって形成される。
【００５０】
いくつかの実施形態では、グラフェンコーティングが元のテキスタイルの特性を実質的に変化させないことが望ましい。例えば、コーティングは、テキスタイルの細孔を実質的にふさがない、またはテキスタイルの弾力性および柔軟性を実質的に低下させない。
【００５１】
他の実施形態では、グラフェンは、テキスタイルをより親水性にする、水を吸収する能力を向上させる、または液体または蒸気の水がテキスタイルを通過する能力を向上させるなど、望ましい方法でテキスタイルの１つ以上の特性を変化させる。
【００５２】
別の実施形態では、テキスタイルは、キャパシタの導電性部分を提供するグラフェンを含む繊維、および、静電容量センサの絶縁部を形成するグラフェンを含まない繊維から形成される。繊維は、ポリマーのペレットまたは粉末から溶融押出によって形成される。グラフェンは、バルクポリマーと同じであっても異なっていてもよい担体ポリマー中に分散した濃縮形態において、溶融押出物に添加される。グラフェンポリマー分散の濃縮形態は、繊維中のグラフェンの所望の濃度を得るために、溶融押出プロセスにおいて混合および希釈される。テキスタイルは、第１層が導電性であり、第２層が非導電性である２つ以上の繊維の層から形成される。
【００５３】
別の実施形態では、グラフェンの濃縮形態は、ポリマーへの組み込み、および繊維の形成の前に、例えば、油、溶媒または水のような流体中に分散される。
【００５４】
別の実施形態では、繊維は「湿式紡糸（ｗｅｔ  ｓｐｉｎｎｉｎｇ）」として知られている方法によってグラフェンの溶液分散から形成される。そこでは、溶液は、化学と機械的操作の組み合わせによって繊維中に形成される。場合によっては、湿った紡糸繊維は、グラフェンによって同時にコーティングすることができ、多層構造が形成される。
【００５５】
好ましい実施形態では、圧縮性テキスタイルの両側が、グラフェンによってコーティングされている。２つのコーティングのそれぞれはテキスタイルに浸透したが、２つのコーティング間に重要な電気回路を形成するのに十分ではない。絶縁層で分離された２つの導電性層のこの３層サンドイッチ構造は、歪みを測定するための２つのメカニズムを作り出す。テキスタイルの任意の部分の第１のメカニズムの圧縮では、２つの導電性層が近づき、２つの導電性層間の静電容量が増加する。２つの層間の静電容量のこの変化は、テキスタイルが圧力センサであることを可能にする。静電容量の増加または減少は、導電性層の物理的分離に依存する、２つの導電層間の電気的分離の程度に比例する。
【００５６】
導電性層の導電性が非常に低い場合でも、静電容量が生じる。以下の場合を含み、静電容量の様々なアレンジが可能であり、さらに歪みセンサとしての使用を可能にする。２つ以上の導電性シートの各面積（Ａ）が異なる場合、キャパシタの面積（Ａ）以上に距離（ｄ）が可変である場合、および、シートの導電率がかなり変化する場合。場合によっては、絶縁体が不十分な絶縁体であり、静電容量シートの分極中に形成された回路を介して電荷の通過を可能にする。
【００５７】
キャパシタの面積（Ａ）は、多くの場合、２次元の幾何学的断面面積によって定義される。しかしながら、静電容量は、シートまたは電極の全表面積の関数である、貯蔵できる電荷の量に依存する。キャパシタの電極は、単純な断面積測定で予測される容量を超えて容量を増加させる体積（厚さ）を持つことができる。また、化学電荷キャリアの使用を含めて、電荷密度を高めることで、貯蔵可能な電荷量を増やすこともできる。これら２つの概念は、非常に高い表面積材料を使用して面積（Ａ）を増加させるスーパーキャパシタで使用される。グラフェンは、理論によって予測される２６３０ｍ２／gまでの非常に高い固有の表面積を有する。
【００５８】
いくつかの実施形態では、歪みセンサは、容量性素子と、電池または化学プロセスなどの電荷貯蔵のための非容量性機構とを組み合わせることができる。基本的に、センシングは、少なくとも１つの容量性素子を第２の電荷貯蔵素子から分離する圧縮性絶縁体によって提供される。
【００５９】
本発明を、以下の非限定的な実施例を参考にして説明する。
【実施例】
【００６０】
実施例１：グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）を、窒素中９５０℃での膨張性グラファイトの熱剥離によって作製し、続いて水中における超音波による剥離を行った。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、プレートレットの直径が平均で約１ミクロンであり、単層から１０層以上の範囲であったことを示した。グラフェンを水性アクリルバインダーと混合し、２重量％のグラフェン分散液を得て、その後、それを、約２．０ｍｍの厚さ、１４０ｇ／ｍ２の溶融紡糸、不織布、針パンチポリエステルの両側にブレード（ｂｌａｄｅ）コーティングした。１４ｃｍ×１４ｃｍのサイズのサンプルを電気的にテストし、２つのコーティングされた側は互いに電気的に隔離されたまま(＞２０ＭΩ電気抵抗)であり、コーティングが、それらが電気的に接続されている程に浸透していなかったことを示した。電気抵抗は、テキスタイルの両側でそれぞれ１７ｋΩ／ｓｑ、２６ｋΩ／ｓｑとして測定された。図１は、１４ｃｍ×４ｃｍ（５６ｃｍ２）の面積を圧縮した場合の静電容量用コーティングテキスタイルの圧力応答曲線を示す。静電容量は、マルチメータによって圧縮前に０．２４ｎＦ（ナノファラッド）と測定され、図１に従って圧縮によって増加することが観察された。
【００６１】
実施例２：グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）をアルゴン中１０５０℃での膨張性グラファイトの熱剥離により作製し、続いて水中における超音波による剥離を行った。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、プレートレットの直径が平均で約１ミクロンであり、単層から１０層以上の範囲であったことを示した。グラフェンを水性アクリルバインダーと混合し、２重量％のグラフェン分散液を得て、それを約１９０ｇ／ｍ２の溶融紡糸、不織布、針パンチポリエステルの片側にブレードコーティングした。グラフェンの最終乾燥量は３．７ｇ／ｍ２(約２重量％)であった。電気抵抗は、テキスタイルの導電性側でおよそ３４００Ω／ｓｑと測定された。２つの片側コーティングされたテキスタイルを、第１のテキスタイルの導電性の表面が第２のテキスタイルの非導電性の表面に接触するように配置した。圧力は、面積４０ｃｍ２の剛体ディスクによって印加した。図２は、コーティングテキスタイルの圧力応答曲線を示す。
【００６２】
実施例３：実施例２に従って、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＰ）を、アルゴン中１０５０℃での膨張性グラファイトの熱剥離により作製し、続いて水中における超音波による剥離を行った。グラフェンを水性アクリルバインダーと混合し、２重量％グラフェン分散液を得て、その後、それを、約１．５ｍｍの厚さ、１４０ｇ／ｍ２の溶融紡糸、不織布、針パンチポリエステルの第１の側にブレードコーティングした。総コーティング量は約１８ｇ／ｍ２(１３重量％)であった。導電性表面の抵抗率は、２．６（±０．３）ｋΩ／ｓｑである。それぞれが、導電性である第１の側と電気絶縁性である第２の側を持つ１４ｃｍ×１４ｃｍである２つのサンプルを、1つのサンプルの第２の(絶縁)表面が他のサンプルの第２の(絶縁)表面に接触したサンドイッチ構造に位置合わせした。２つのコーティングされた側は互いに電気的に隔離された(＞２０ＭΩ電気抵抗)。図３は、４０ｃｍ２の面積を電気絶縁剛体ディスクによって圧縮した場合のサンドイッチの圧力応答曲線を示す。静電容量は、マルチメータによって圧縮前に０．０８ｎＦと測定され、図３に従って圧縮によって増加した。
【００６３】
実施例４：実施例２のようにテキスタイルを用意した。２つのテキスタイルは、それぞれ１８０ｃｍ×５０ｃｍであり、導電性である第１の表面と電気的に絶縁されている第２の表面とを有し、サンドイッチに位置合わせした。その際、一方のサンプルの第２の表面は、他のサンプルの第２の表面と接触した。２つのコーティングされた表面は互いに電気的に絶縁された（＞２０ＭΩの電気抵抗)。静電容量は、マルチメータによって圧縮前に１．９６ｎＦと測定され、圧縮によって増加した。
【００６４】
実施例５：３層構造を、それぞれがグラフェンで片側にコーティングされた不織布ポリエステルから作られた、２つの長方形のテキスタイルから作成した。２つのテキスタイルを、一方のテキスタイルの非導電性の背面が他方の導電性側に面するように配置し、その際、テキスタイル長方形の２つの非導電性面からなる電気絶縁層を残す。市販の電気絶縁性である、Ｔｅｎｓａｒ（登録商標）、Ｔｒｉａｘ（登録商標）の三角形のジオグリッドのサンプルを、テキスタイルの２層間に配置した。３層の重なりの面積は４６０ｃｍ２であった。電気絶縁と剛体パースペックスのシートを、３層サンドイッチの上に配置した。パースペックスに重量を加え、容量の変化を記録した。加圧なしで測定した容量は、０．６０（±０．１）ｐＦ（ピコファラッド）／ｃｍ２であった。図４は、圧縮の結果を示す。０．８ｐＦ／ｃｍ２を超えるまで増加することが観察された。
【００６５】
実施例６：実施例４と同様の配置で、２枚の大きなシート（約１ｍ×２ｍ)を地面に重置きした。マルチメータを、容量性構造の１つのコーナーにおいて各層に取り付けた。人が大面積センサを歩くとき、容量が各足どりによって変化することを測定できた。足が持ち上がるとき、静電容量は下がり、足を２層テキスタイル構造に戻すと、測定静電容量が増加した。このようにして、歩く人、片足で立っている人、または両足で立っている人を検出して、区別することができる。
【００６６】
実施例７：実施例２で用意した、約１５ｃｍ×５５ｃｍの２つの長方形のテキスタイルを、非導電性の表面を接触させて配置した。約３ｃｍの低温設定のビチューメン(アスファルトとも呼ばれる)を、約４０ｃｍ×６０ｃｍの面積をカバーする２つのテキスタイルの上に直角（９０°)で形成し、その結果、ビチューメンの両側から約７ｃｍのテキスタイルが突出した。テキスタイルの最上層の導電性の表面はビチューメンと接触していた。硬化するために、ビチューメンを数日間キュアした。ビチューメンで覆われた面積は約１５ｃｍ×４０ｃｍである。センサの静電容量は０．３５ｎＦと測定された。その後、車は複合構造物の上で運転された。小型ステーションワゴンの前輪がセンサを通過すると、静電容量は０．４１ｎＦに増加し、後輪がセンサを通過すると、静電容量は０．３９ｎＦに増加した。測定は、約±０．０１ｎＦ（３％）において繰り返し可能であった。
【００６７】
実施例８：実施例６に従って、約２ｍ２の容量性テキスタイルのサンプルをマットレスの上に置き、ベッドシーツで覆った。追加の重量負荷のない容量は約３．６３ｎＦであった。３５ｋｇの子供がベッドに座ると、静電容量は約３．９１ｎＦに増加し、うつ伏せに横たわった場合は約４．５１ｎＦまでさらに増加した。ベッド上の動きは、静電容量の顕著な変化として明確に記録された。動きがない場合、静電容量は安定していた。
【００６８】
当業者には理解されるように、上記の実施形態は、本発明の概念がどのように実施されるかの単なる一例を示すに過ぎない。その詳細が異なるにもかかわらず、同じ発明の概念の中に入り、同じ発明を表す他の実施形態も考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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