وبسيطة وقابلة للتطوير أسلوب تلفيق لعضوي الأجهزة الإلكترونية بشأن المنسوجات

يتمثل الهدف العام من إجراء التنميط هذا في ترسيب المواد العضوية النشطة كهربائيًا بشكل انتقائي على المنسوجات، مما يتيح تصنيع أجهزة إلكترونية عضوية قابلة للارتداء مباشرة على الملابس. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على سؤال جوهري في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء، وخاصة كيفية دمج الإلكترونيات بسلاسة مع الملابس للتفاعل بكفاءة مع جسم الإنسان. وتنبثق الميزة الرئيسية لهذه التقنية من القدرة المرنة للمنسوجات، والتي تتيح ارتداء هذه المنسوجات بشكل مريح في تلامس وثيق مع الجلد.

أولاً، نبذة عن هذه الطريقة. عندما نبحث عن وسيلة غير تقليدية لدمج الإلكترونيات العضوية مع منصات المنسوجات بطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع صناعياً، استلهمنا هذه التقنية من أسلوب صباغة الكيمونو الياباني القديم، والذي قمنا بتكييفه ليتناسب مع أدوات وبيئات التصنيع الدقيق المعاصرة.

لبدء الإجراء، استخدم قاطع ليزر لقص نمط قطب كهربائي مصمم مسبقاً في ورقة بولي أميد بسماكة 125 micrometer لتشكيل قناع. بعد ذلك، أحضر ورقة بسماكة 300 micrometer من نسيج بوليستر محبوك بنسبة 100% interlock مع قدرة تمدد في اتجاه الحياكة تصل إلى 50%. قم بتثبيت هذه الورقة على سطح مسطح ومحمول. وفي خزانة استخلاص الأدخنة، استخدم أداة صب شريط أوتوماتيكية لطلاء قناع البولي أميد بتركيبة polydimethylsiloxane بسرعة ستة meters per minute للوصول إلى سماكة غشاء رطب تبلغ 200 micrometers.

ضع القماش برفق على القناع المغطى بـ PDMS واترك الـ PDMS ليتم امتصاصه في بنية النسيج لمدة 10 دقائق. قم بتخمير الـ PDMS عند 100 درجة مئوية لمدة 10 دقائق أو عند 60 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة للأقمشة الحساسة للحرارة. في خزانة استخلاص الغازات، اخلط معاً 80 milliliters من تشتت PEDOT:PSS، و 20 milliliters من ethylene glycol، و 40 microliters من 4-dodecylbenzenesulfonic acid، و one milliliter من 3-propylmethacrylate.

بعد ذلك، ضع الخليط للتقليب باستخدام محرك مغناطيسي. قم بطلاء خليط PEDOT:PSS باستخدام الفرشاة فوق القماش المقنع حتى يتم طلاء نمط القطب الكهربائي بنحو 1 mL لكل cm² ويظهر بلون موحد. تعد خطوة الطلاء بالفرشاة لـ PEDOT:PSS هي الخطوة الحاسمة.

يجب أن تكون المقاومة السطحية للنمط حوالي 230 ohm square. قم بإزالة قناع البولي أميد ثم عالج نمط القطب الكهربائي عند 110 degrees Celsius لمدة ساعة واحدة أو عند 60 degrees Celsius لمدة ساعتين للأقمشة الحساسة للحرارة. لتصنيع أقطاب كهربائية جلدية من أقطاب PEDOT:PSS على المنسوجات، قم أولاً بتحضير خليط هلامي يتكون من 60% بالحجم من السائل الأيوني، و35% من عامل التشابك، و5% من البادئ الضوئي.

داخل خزانة استخلاص الأدخنة، غلف الأقطاب الكهربائية بـ 20 µL/cm² من السائل الأيوني، ثم أضف 25 µL/cm² من خليط الهلام عن طريق الصب بالتنقيط. عرّض الأقطاب المغلفة لضوء الأشعة فوق البنفسجية بطول موجي 365 nm لمدة تتراوح بين 10 إلى 15 دقيقة لتصليد الهلام وتشكيل الأقطاب الجلدية. ولتصنيع مستشعرات سعوية من أقطاب PEDOT:PSS على المنسوجات، قم بتطبيق تركيبة PDMS رقم 10 على القماش داخل خزانة استخلاص الأدخنة.

استخدم ممسحة مطاطية لتوزيع تركيبة PDMS بالتساوي فوق الأقطاب الكهربائية لإزالة أي زيادات. قم بتلدين الطبقة العازلة من PDMS عند درجة حرارة تصل إلى 100 degrees Celsius لمدة 10 minutes على الأقل، وذلك اعتماداً على مدى تحمل القماش للحرارة، لتشكيل المستشعرات السعوية. وباستخدام هذه الطريقة، تم تشكيل أقطاب PEDOT:PSS على منسوجات محيكة ومغزولة.

تزيد دقة تشكيل الأنماط في البوليستر المحبوك عن 1 mm. ويمكن الحصول على دقة أعلى (أضيق) في المنسوجات ذات الحياكة الضيقة أو المنسوجة. وتعمل الأقطاب الكهربائية المشكلة على المنسوجات المحبوكة كمستشعرات تمدد دون الحاجة إلى أي تعديلات إضافية.

عندما يتم تمديد النسيج، يؤدي التواء الألياف الموصلة إلى تغيير في المقاومية. وقد تم تشكيل مصفوفة من الترانزستورات الكهروكيميائية العضوية على شريط نايلون منسوج، وهو عبارة عن مستشعر عرق قابل للارتداء، دون إجراء أي تعديلات إضافية أيضاً. كما سمحت إضافة سائل أيوني في شكل هلام (gel) للأقطاب بالعمل كأقطاب جلدية قابلة للارتداء للمراقبة الفيزيولوجية الكهربائية.

وبدلاً من ذلك، أدت إضافة طبقة عازلة من PDMS إلى تكوين مستشعرات سعوية. حيث يؤدي لمس الأقطاب الكهربائية إلى تغيير في السعة الكهربائية، مما يسمح بتصنيع لوحة مفاتيح قابلة للارتداء. ويوفر الجمع بين المنسوجات ذات الملاءمة المحكمة والأقطاب الكهربائية العضوية واللينة قناة اتصال محسنة مع جسم الإنسان مقارنة بالأجهزة الإلكترونية التقليدية ذات الحالة الصلبة.

تسمح هذه الطريقة بالتخصيص المستقبلي للملابس الموجودة باستخدام الأجهزة الإلكترونية الذكية. ومع ذلك، تظل ديمومة المواد، وبخاصة المواد العضوية، وظروف الارتداء من النقاط الحرجة والتي قد تكون مقيدة في بعض الحالات لهذه التكنولوجيا.