مقالة منهجية

وبسيطة وقابلة للتطوير أسلوب تلفيق لعضوي الأجهزة الإلكترونية بشأن المنسوجات

DOI:

10.3791/55439

⸱

مارس 13, 2017

 ,  , 
1Department of Bioelectronics, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, CMP-EMSE, MOC, 2Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذه الورقة، ونحن نقدم بروتوكول لإيداع انتقائي المواد العضوية على المنسوجات، والذي يسمح لدمج المباشر من الأجهزة الإلكترونية العضوية مع الأجهزة القابلة للارتداء. الأجهزة ملفقة يمكن أن تكون متكاملة تماما في المنسوجات، واحترام مظهرهم الميكانيكية وتمكين قدرات الاستشعار.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اليوم ، تجمع الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء بين مجموعة كبيرة ومتنوعة من التقنيات الوظيفية والقابلة للتمدد والمرنة. ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، لا يمكن ارتداء هذه الأجهزة في ظل الظروف اليومية. لذلك ، تعتبر المنسوجات عادة أفضل ركيزة لاستيعاب الأجهزة الإلكترونية في الاستخدام القابل للارتداء. في هذه الورقة ، نصف كيفية تصميم المواد العضوية النشطة بالكهرباء بشكل انتقائي على المنسوجات من محلول بطريقة سهلة وقابلة للتطوير. تتيح تقنية الترسيب متعددة الاستخدامات هذه تصنيع الأجهزة الإلكترونية العضوية القابلة للارتداء على الملابس.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مجال الالكترونيات يمكن ارتداؤها هي سوق سريعة النمو المتوقع أن يكون بقيمة 50 مليار يورو فى عام 2025، أكثر من ثلاثة أضعاف السوق الحالية. ويتمثل التحدي الرئيسي الذي يواجه أجهزة يمكن ارتداؤها الحالية هو أن تدخلي إرفاق ملفات إلكترونية الصلبة تحد من استخدام أجهزة أنشئت في الأنظمة القابلة للارتداء. استخدام المنسوجات التي تكون موجودة في الحياة اليومية بالفعل هو نهج جذابة للغاية واضحة لتجنب هذا القيد. نظرا لقدرتها المرنة، وبعض أجزاء من الملابس التي نرتديها هي بطبيعة الحال في اتصال مع ضيق الجلد. وتقوم العديد من الأمثلة على الملابس الذكية المتوفرة في السوق اليوم، ويعرض رقيقة من البلاستيك، لوحات المفاتيح وأجهزة مصدر الضوء جزءا لا يتجزأ من النسيج، وربط الأجهزة الإلكترونية مع البشر بطريقة عصرية 1. في ممارسة الرياضة، يعتمد المراقبة الصحية على أقطاب الغزل والنسيج، والتي توفر بدائل مريحة ليشيع استخدامها أقطاب لاصقة والأساور المعدنية. هنا، الألياف الموصلة هيدمج مباشرة مع الأقمشة بسط لمنع تهيج الجلد وغيرها من المضايقات أثناء ارتداء الموسعة. بالإضافة إلى ذلك، المنسوجات توفر عدد من الفرص لدمج أجهزة استشعار انحناء لالتقاط حركة 2، إلى دمج أجهزة استشعار القص لتطوير المحركات الآلية وظيفية 3، وبالتأكيد لدمج أجهزة استشعار العوامل البيولوجية من خلال الكشف عن وتحليلها في العرق 4.

وتعتمد التكنولوجيا القابلة للارتداء الحديثة على مواد أشباه الموصلات القائمة على الكربون التي تقدم الأجهزة الإلكترونية مع خصائص فريدة من نوعها. طبيعة "الناعمة" للمواد العضوية تقدم خصائص ميكانيكية أفضل للتفاعل مع الجسم البشري مقارنة الالكترونيات التقليدية الحالة الصلبة. هذا التوافق الميكانيكية، وإرفاقها مع ركائز مرنة ميكانيكيا، يمكن استخدام عوامل شكل غير مستو في أجهزة مثل المنسوجات. استخدام المواد العضوية هي أيضا ذات الصلة في علوم الحياة بسبب ايلى بهم مختلطةctronic والأيونية الموصلية 5. الى جانب ذلك، شبه الموصلة العضوية والمواد الضوئية تمكين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأجهزة الوظيفية مع العرض، الترانزستور، والمنطق، وقدرات السلطة 6، 7، 8، 9. والصعوبة الرئيسية في تصنيع هذه الأجهزة العضوية هي ترسب رقابة من المواد الفنية على الأسطح غير المستوية على الأقمشة. تقنيات التصنيع الدقيق التقليدية تقتصر في المقام الأول عدم توافق عملية ترسب مع أبعاد الهيكلي من ركائز النسيج.

هنا، نحن تصف بروتوكول تلفيق بسيطة وقابلة للأن يسمح لترسب الانتقائي لإجراء البوليمرات على المنسوجات منظم. تمكن عملية تقديم تصنيع الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء وامتثالي. ويستند المنهج على الزخرفة من جمتاح ommercially إجراء بولي البوليمر (3،4-ethylenedioxythiophene): بولي (الستايرين سلفونات) (PEDOT: PSS)، وثنائي ميثيل بولي سيلوكسان المرنة المواد الاستنسل (PDMS) على النسيج. هذا المزيج يسمح للحبس الفعال للPEDOT مائي: حل جهاز الأمن الوقائي، فضلا عن الإبقاء على خصائص لينة ولمط المنسوجات. هذه طريقة تصنيع بسيطة وموثوق بها يمهد الطريق لتصنيع مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية مباشرة على المنسوجات بطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير الصناعي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الزخرفة إجراء البوليمرات على النسيج

  1. إصلاح 10 سم × ورقة الغزل والنسيج 10 سم على سطح مستو لسهولة التعامل أثناء العملية. لصناعات النسيج واستخدام التعشيق النسيج المترابط البوليستر 100٪ مع سمك 300 ميكرون وقدرة متماسكة الاتجاه تمتد ما يصل الى 50٪.
  2. لجعل قناع يحتوي على تصميم الزخرفة، استخدم الفيلم بوليميد 125 ميكرون سميكة. ويتضح مثال على النمط في الشكل 1.
    1. استخدام الليزر القاطع (على سبيل المثال، Protolaser S، LPKF) إلى نمط قناع بوليميد 10؛ ويتضح من تصميم نمط من إلكترود في الشكل 1.
    2. معطف صياغة PDMS (10: 1 قاعدة لعلاج نسبة الوكيل) على رأس قناع (فيلم بوليميد) باستخدام أداة الشريط التلقائي الصب (K الطباعة الرقابة المغطي، شفرة الطبيب) مع سمك الفيلم الرطب من 200 ميكرون وفي 6 سرعات طلاء م / دقيقة. استخدام حوالي 0.5 مل لقناع من 3 سم × 5 سم. أداء الهو عملية تحت غطاء الدخان.
  3. بلطف نقل النسيج إلى قناع مغلفة PDMS. يترك لمدة 10 دقيقة، وبعد ذلك PDMS يجب استيعابها بالكامل في بنية النسيج.
  4. علاج العينة في فرن الهواء عند 100 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  5. تحضير البوليمر إجراء: PEDOT: PSS التشتت (80 مل)، وجلايكول الإيثيلين (20 مل)، وحمض 4-dodecylbenzenesulfonic (40 ميكرولتر)، و 3 methacryloxypropyltrimethoxysilane (1 مل) في غطاء الدخان.
  6. فرشاة معطف PEDOT: حل جهاز الأمن الوقائي في منطقة خالية من PDMS من النسيج حتى اختراق متجانسة من الحل يتم الحصول. كرر هذه الخطوة لتحقيق لون نمط موحد. تطبيق حوالي 1 مل / سم 2.
  7. علاج النسيج على 110 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لتجفيف PEDOT: حل جهاز الأمن الوقائي. خفض درجة الحرارة إلى 60 درجة مئوية لمدة المنسوجات التي تعتبر حساسة لعلاج ارتفاع درجة الحرارة، مثل النايلون.

2. تصنيع الأجهزة العضوية

ملاحظة: بروتوكول في القسم 1 describوفاق ترسب الانتقائي لإجراء المواد على المنسوجات. سوف الأقسام التالية تصف الخطوات الإضافية اللازمة لصنع الأجهزة العضوية، مثل أجهزة الاستشعار وتمتد، والترانزستورات OECT، أقطاب الجلدية، وأجهزة استشعار بالسعة.

  1. لافتعال أجهزة الاستشعار تمتد، كما هو موضح في الشكل 3A، نمط خطوط الكهربائي على النسيج، كما هو موضح في القسم 1، على بعد خطوات 1،1-1،5.
    ويرد مثال للتصميم نمط في الشكل 3A: ملاحظة. لا يتطلب تصنيع هذه المجسات أية خطوات إضافية.
  2. لافتعال تصميم الترانزستور هو مبين في الشكل 3B، نمط المصفوفات الترانزستور على الشريط المنسوجة من النايلون باتباع الخطوات الموضحة في القسم 1. تعديل طفيف على الصلب PDMS وPEDOT: PSS علاج خطوات لتجنب الانحلال الحراري من النايلون من قبل علاج عند 60 درجة C لفترة أطول.
  3. لتصنيع أقطاب الجلدية، كما هو موضح في الشكل 3C، بإيداعهلام الأيونية على PEDOT نمط: المنسوجات جهاز الأمن الوقائي.
    1. إعداد الأيونية جل السائل مزيج يحتوي على السائل الأيونية، 1 إيثيل-3-methylimidazolium إيثيل كبريتات. وكيل عبر ربط، وبولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate. وphotoinitiator، 2-هيدروكسي-2-methylpropiophenone في (ت / ت) نسبة 0.6 / 0.35 / 0.05، على التوالي.
    2. معطف PEDOT: PSS الكهربائي مع السائل الأيونية (20 ميكرولتر / سم 2) وإضافة الأيونية مزيج هلام السائل من الخطوة 2.3.1 (25 ميكرولتر / سم 2) قطرة الصب.
    3. فضح لضوء الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لبدء رد فعل يشابك لمدة 10-15 دقيقة، حتى يتصلب هلام. تنفيذ هذه الخطوة في غطاء الدخان. استخدام قفص للأشعة فوق البنفسجية واقية أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية.
  4. لبالسعة أجهزة الاستشعار التصنيع واستخدام PEDOT: PSS أقطاب النسيج معزول مع المواد العازلة (الشكل 3D).
    1. عزل لوحة المفاتيح مثل PEDOT: أسلاك جهاز الأمن الوقائي باستخدام PDMS. يمكن أن ينظر إلى تصميم لوحة المفاتيح في الشكل 2B </ قوي>. الاستغناء عن صياغة PDMS على رأس النسيج وإزالة الزائدة مع ممسحة.
    2. وضع النسيج في الفرن على 100 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. تنفيذ هذه الخطوة في غطاء الدخان.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطرق التقليدية لتطبيق الألوان أو أنماط على المنسوجات تعتمد على طبقات اخفاء القابلة للإزالة للسماح للترسب انتقائية من الأصباغ. في الشكل 1، نقدم لك مجموعة من التكيف مع هذا النهج إلى الزخرفة من PEDOT: أسلاك جهاز الأمن الوقائي على المنسوجات. كطبقة اخفاء، كنا ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان مسعور، والتي يمكن كبح جماح انتشار غير السيطرة عليها من PEDOT مائي: حل جهاز الأمن الوقائي. وعلاوة على ذلك، ليونة وstretchability المنسوجات محبوك ويمكن الح...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الزخرفة من المواد الناقلة هي واحدة من الخطوات الأولى في تصنيع الأجهزة الإلكترونية وظيفية. هذا يمكن أن تصبح صعبة، إذ تحتاج عملية التصنيع إلى أن تأخذ في الاعتبار الخصائص الكيميائية والفيزيائية لهذه المواد، وتدفق العملية تحتاج إلى النظر في المواد عبر التوافق بين الخطوات تلفيق. في التصنيع الدقيق من الأجهزة الإلكترونية العضوية، وهذه الجوانب هما أكثر أهمية نظرا لطبيعة شديدة التفاعل من المواد العضوية. اليوم، ومع ذلك، والمواد العضوية هي جذابة للغاية للإلكترونيات يمكن ارتداؤها ومرنة للخصائ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يود المؤلفون أن يعرب عن تقديرهم لمنحة BPI PIAVE AUTONOTEX للدعم المالي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
SYLGARD 184 ، طقم المطاط الصناعي من السيليكون (عامل القاعدة والمعالجة)المطاطCorning
<قوي> تركيبة البوليمر الموصلة< / قوي>CleviosTM PH 1000 PEDOT: PSS Heraeus بوليمر موصل إيثيلين جلايكول سيجما ألدريتش 03750-250 مل مذيب (EG) ، CAS: 107-21-1 3-
ميثاكريلوكسي بروبيلتريميثوكسيسيلانسيجما-ألدريتشM6514كروس لينكر (GOPs) ، سجل المستخلصات الكيميائية: 2530-85-0
4-dodecylbenzenesulfonic acidSigma-Aldrich44198DBSA ؛ سجل المستخلصات الكيميائية: 121-65-3
<قوي> الهلام السائل الأيوني < / قوي >
مصباح الأشعة فوق البنفسجية DFE 2340C.I.F / ATHELECDP134UV-365 نانومتر
1-إيثيل -3-ميثيل إيميدازوليوم كبريتات إيثيلسيجما ألدريتش51682-100G-Fسائل أيوني (IL) ، CAS: 342573-75-5
بولي (إيثيلين جلايكول) دياكريلاتسيجما ألدريتش455008-100 ملمنگنز 700 ، سجل المستخلصات الكيميائية: 26570-48-9
2-Hydroxy-2-methylpropiophenonSigma-Aldrich405655-50MLPhot Initiator (PI) ، CAS: 7473-98-5
نسيج النسيجVWRSpec-Wipe 7 مساحات100٪ نسيج بوليستر متماسك التعشيق
فيلم بوليميدDuPontHN100فيلم بوليميد مع 125 & مايكرو ؛ سمك م
الصناعي Dow PDMS

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Poupyrev, I., et al. Project Jacquard:Interactive Digital Textiles at Scale. Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems - CHI '16. , ACM Press. 4216-4227 (2016).
  2. Takamatsu, S., et al. Transparent conductive-polymer strain sensors for touch input sheets of flexible displays. J. Micromech. Microeng. 20, 075017(2010).
  3. Patel, S., et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 9, 21(2012).
  4. Bandodkar, A. J., et al. Epidermal tattoo potentiometric sodium sensors with wireless signal transduction for continuous non-invasive sweat monitoring. Biosens. Bioelectron. 54, 603-609 (2014).
  5. Owens, R. M., Malliaras, G. G. Organic Electronics at the Interface with Biology. MRS Bull. 35 (6), 449-456 (2010).
  6. Krebs, F. C., Biancardo, M., Winther-Jensen, B., Spanggard, H., Alstrup, J. Strategies for incorporation of polymer photovoltaics into garments and textiles. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 90, 1058-1067 (2006).
  7. Cherenack, K., Zysset, C., Kinkeldei, T., Münzenrieder, N., Tröster, G. Woven electronic fibers with sensing and display functions for smart textiles. Adv. Mater. 22, 5178-5182 (2010).
  8. Hamedi, M., Forchheimer, R., Inganäs, O. Towards woven logic from organic electronic fibres. Nat. Mater. 6, 357-362 (2007).
  9. Bao, L., Li, X. Towards Textile Energy Storage from Cotton T-Shirts. Adv. Mater. 24, 3246-3252 (2012).
  10. Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Sci. Rep. 5, 15003(2015).
  11. Yamada, T., et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection. Nat. Nanotechnol. 6, 296-301 (2011).
  12. Shim, N. Y., et al. All-plastic electrochemical transistor for glucose sensing using a ferrocene mediator. Sensors. 9, 9896-9902 (2009).
  13. Takamatsu, S., et al. Wearable Keyboard Using Conducting Polymer Electrodes on Textiles. Adv. Mater. 28, 4485-4488 (2016).
  14. O'Connor, T. F., Rajan, K. M., Printz, A. D., Lipomi, D. J. Toward organic electronics with properties inspired by biological tissue. J. Mater. Chem. B. 3, 4947-4952 (2015).
  15. Choi, S., Lee, H., Ghaffari, R., Hyeon, T., Kim, D. Recent Advances in Flexible and Stretchable Bio-Electronic Devices Integrated with Nanomaterials. Adv. Mater. 28, 4203-4218 (2016).
  16. Zhang, Z., Qiu, J., Wang, S. Roll-to-roll printing of flexible thin-film organic thermoelectric devices. Manuf. Lett. 8, 6-10 (2016).
  17. Rim, Y. S., Bae, S. -H., Chen, H., De Marco, N., Yang, Y. Recent Progress in Materials and Devices toward Printable and Flexible Sensors. Adv. Mater. 28, 4415-4440 (2016).
  18. Matsuhisa, N., et al. Printable elastic conductors with a high conductivity for electronic textile applications. Nat. Commun. 6, 7461(2015).
  19. Bernards, D. a, Malliaras, G. G. Steady-State and Transient Behavior of Organic Electrochemical Transistors. Adv. Funct. Mater. 17 (17), 3538-3544 (2007).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Textile FabricationPEDOT PSS PatterningLaser Cutting MaskPDMS CoatingBrush Coating TechniqueCutaneous ElectrodesCapacitive SensorsWearable ElectronicsStretch Sensors

مقالات ذات صلة