Name: 关于纺织品有机电子设备的简单和可扩展的制作方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: 学习在纺织品上选择性沉积有机电活性材料的方法，用于制造可穿戴有机电子设备。该技术借鉴传统和服染色工艺，实现电子器件与服装的无缝集成，同时保持纺织品的舒适性和机械完整性。

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作者感谢BPI PIAVE AUTONOTEX基金提供的财务支持。

1. 在纺织品上构建导电聚合物图案
<ol>
	<li>将一块10 cm × 10 cm的织物固定在平坦表面上，以便于操作。该织物应采用100%双面针织聚酯纤维，厚度为300 µm，针织方向拉伸能力可达50%。</li>
	<li>使用厚度为125 µm的聚酰亚胺薄膜制作含有图案设计的掩模；图案示例见于 图1.
	<ol>
		<li>使用激光切割机（例如， Protolaser S，LPKF）对聚酰亚胺掩模进行图形化处理10；电极的图案设计如图所示 图1.</li>
		<li>使用自动涂布仪（K控制印刷涂布机，刮刀）将PDMS预聚物（基础剂与固化剂质量比10:1）涂覆于掩膜（聚酰亚胺薄膜）表面，湿膜厚度设为200 µm，涂布速度为6 m/min。每张3 cm × 5 cm的掩膜约使用0.5 mL PDMS预聚物。该操作应在通风橱中进行。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将织物轻轻转移至PDMS涂层的掩模上，静置10分钟，直至PDMS完全被织物结构吸收。</li>
	<li>在空气烘箱中于 100 °C 下固化样品 10 分钟。</li>
	<li>在通风橱中配制导电聚合物：PEDOT:PSS 分散液（80 mL）、乙二醇（20 mL）、4-十二烷基苯磺酸（40 µL）和 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（1 mL）。</li>
	<li>用刷子将 PEDOT:PSS 溶液涂覆于纺织品上无 PDMS 的区域，直至溶液均匀渗透。重复此步骤以获得颜色均匀的图案。每平方厘米约施加 1 mL 溶液2.</li>
	<li>在 110 °C 下固化织物 1 小时，以干燥 PEDOT:PSS 溶液。对于尼龙等对高温处理敏感的织物，将温度降至 60 °C。</li>
</ol>
2. 有机器件制备
注意：第1节中的方案描述了在纺织品上选择性沉积导电材料的方法。后续章节将介绍制造有机器件所需的额外步骤，例如拉伸传感器、OECT晶体管、表皮电极和电容式传感器。
<ol>
	<li>为了制备如图3a所示的拉伸传感器，按照第1节中步骤1.1–1.5所述，在织物上图案化电极线路。 
	注意：图案设计示例如图3a所示。此类传感器的制备无需额外步骤。</li>
	<li>为了制备如图3b所示的晶体管结构，按照第1节所述步骤，在尼龙编织带基底上图案化晶体管阵列。为避免尼龙因高温降解，需对PDMS退火和PEDOT:PSS固化步骤进行轻微调整，即在60 °C下延长固化时间。</li>
	<li>对于如图3c所示的表皮电极的制备，需在已图案化的PEDOT:PSS织物上沉积离子凝胶。
	<ol>
		<li>制备一种离子液体凝胶混合物，其中包含离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯以及光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮，三者体积比分别为0.6 / 0.35 / 0.05。</li>
		<li>通过滴涂法在PEDOT:PSS电极上涂覆离子液体（20 µL/cm2），然后加入步骤2.3.1中的离子液体凝胶混合物（25 µL/cm2）。</li>
		<li>暴露于紫外光（365 nm）下10–15分钟，以引发交联反应，直至凝胶固化。该步骤应在通风橱中进行，且紫外照射时应使用防紫外线保护罩。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对于电容式传感器的制备，使用以绝缘材料绝缘的PEDOT:PSS织物电极（图3d）。
	<ol>
		<li>采用PDMS对键盘状PEDOT:PSS电极进行绝缘处理；键盘设计如图2b所示。将PDMS配方溶液涂覆于织物表面，并用刮刀去除多余部分。</li>
		<li>将织物置于100 °C烘箱中加热10分钟。该步骤应在通风橱中进行。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Poupyrev, I., et al. Project Jacquard:Interactive Digital Textiles at Scale. <a target="_blank" href="http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2858176">Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems - CHI '16</a>. , ACM Press. 4216-4227 (2016).</li>
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<li>Choi, S., Lee, H., Ghaffari, R., Hyeon, T., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+Advances+in+Flexible+and+Stretchable+Bio-Electronic+Devices+Integrated+with+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Recent Advances in Flexible and Stretchable Bio-Electronic Devices Integrated with Nanomaterials.</a> Adv. Mater. 28, 4203-4218 (2016).</li>
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<li>Rim, Y. S., Bae, S. -H., Chen, H., De Marco, N., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+Progress+in+Materials+and+Devices+toward+Printable+and+Flexible+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Recent Progress in Materials and Devices toward Printable and Flexible Sensors.</a> Adv. Mater. 28, 4415-4440 (2016).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

导电材料的图形化是制造功能性电子器件的第一步。这一过程可能具有挑战性，因为制造工艺需要考虑这些材料的化学和物理特性，同时工艺流程还需兼顾各制造步骤之间的材料兼容性。在有机电子器件的微加工中，由于有机材料具有高度反应性，这两个方面显得尤为重要。然而，如今有机材料因其优异的电弹性特性，在可穿戴和柔性电子领域极具吸引力14,15。将此类技术应用于纺织品以实现完全集成的电子可穿戴设备，受限于纺织品的三维结构。传统的微加工技术仅能将导电油墨通过喷墨或丝网印刷方式沉积在薄型基底或纺织品上16,17,18。而传统刺绣技术——即通过单根纤维在纺织品上缝制——仍缺乏工业化生产的可扩展性。
有机材料图案化的最关键方面是在不破坏其电学性能的前提下进行沉积。如图1所述的图...

可穿戴电子设备领域是一个快速增长的市场，预计到2025年将达到500亿欧元，超过当前市场规模的三倍。当前可穿戴设备面临的主要挑战在于，侵入性的固态电子附件限制了现有设备在可穿戴系统中的应用。利用日常生活中已广泛使用的纺织品是一种极具吸引力且直接的解决方案，可有效避免这一局限性。由于具备弹性特性，我们所穿着的部分衣物能够自然地与皮肤紧密贴合。目前市场上许多智能服装的实例均基于将超薄塑料显示屏、键盘和光源器件嵌入纺织品中，以时尚的方式实现电子设备与人体的连接1。在体育运动实践中，健康监测依赖于纺织电极，这类电极相较于常用的粘贴式电极和金属腕带提供了更舒适的替代方案。在此类应用中，导电纤维直接与弹性织物集成，以减少长时间佩戴过程中可能引起的皮肤刺激及其他不适。此外，纺织品还为集成曲率传感器以捕捉运动2、集成剪切传感器以开发功能性机器人执行器3，以及通过检测汗液中的分析物来集成生物传感器4提供了多种可能性。
现代可穿戴技术依赖于基于碳的半导体材料，这些材料能够提供具有独特性能的电子器件。与传统的固态电子器件相比，有机材料的&#34;柔性&#34;特性在与人体接触时展现出更优的机械性能。这种机械相容性与机械柔性基底相结合，使得纺织品等非平面结构的器件得以应用。由于有机材料具有混合的电子和离子导电性，因此在生命科学领域也具有重要意义5。此外，有机半导体和光电材料可实现多种功能器件，具备显示、晶体管、逻辑和能源功能6,7,8,9。制造此类有机器件的主要难点在于如何在纺织品的非平面表面上实现功能材料的可控沉积。传统的微加工技术主要受限于沉积工艺与纺织基底结构维度之间的不兼容性。
本文介绍了一种简单且可扩展的制备方法，可实现导电聚合物在结构化织物上的选择性沉积。该工艺可用于制备可穿戴、可贴合的电子器件。该方法基于在织物上对市售导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）以及弹性体模板材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行图案化。这种组合能够有效限制水相PEDOT:PSS溶液的扩散，同时保持织物柔软和可拉伸的特性。这种简单可靠的制备方法为以低成本、工业级可扩展的方式直接在织物上制造多种电子器件提供了可行路径。

<table><tbody><tr><td>SYLGARD 184 硅胶弹性体套件（基础剂与固化剂）</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS 弹性体</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;导电聚合物配方&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSS</td><td>Heraeus</td><td></td><td>导电聚合物</td></tr><tr><td>乙二醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>03750-250ML</td><td>溶剂（EG），CAS: 107-21-1</td></tr><tr><td>3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6514</td><td>交联剂（GOPs），CAS: 2530-85-0</td></tr><tr><td>4-十二烷基苯磺酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44198</td><td>DBSA；CAS: 121-65-3</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;离子液体凝胶&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>UV 灯 DFE 2340</td><td>C.I.F/ ATHELEC</td><td>DP134</td><td>UV-365 nm</td></tr><tr><td>1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51682-100G-F</td><td>离子液体（IL），CAS: 342573-75-5</td></tr><tr><td>聚乙二醇二丙烯酸酯</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008-100ML</td><td>Mn 700，CAS: 26570-48-9</td></tr><tr><td>2-羟基-2-甲基苯乙酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>405655-50ML</td><td>光引发剂（PI），CAS: 7473-98-5</td></tr><tr><td>纺织织物</td><td>VWR</td><td>Spec-Wipe 7 Wipers</td><td>100% 锁定针织聚酯纤维织物</td></tr><tr><td>聚酰亚胺薄膜</td><td>DuPont</td><td>HN100</td><td>厚度为 125 &amp;micro;m 的聚酰亚胺薄膜</td></tr></tbody></table>

一种用于纺织品上有机电子器件的简单且可扩展的制备方法

A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

如今，可穿戴电子设备集成了多种功能性的可拉伸和柔性技术。然而，在许多情况下，这些设备无法在日常环境中佩戴。因此，纺织品通常被认为是在可穿戴应用中承载电子器件的最佳基底。本文中，我们介绍一种简便且可扩展的方法，通过溶液法在纺织品上选择性地图案化有机电活性材料。这种多功能的沉积技术能够实现衣物上可穿戴有机电子器件的制备。

传统的纺织品着色或图案化方法依赖于可去除的遮蔽层，以实现染料的选择性沉积。在图1中，我们展示了将此类方法应用于在纺织品上图案化PEDOT:PSS电极的改进。作为遮蔽层，我们使用了疏水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS），该材料能够抑制水性PEDOT:PSS溶液的不可控扩散。此外，由于PDMS具有良好的弹性和机械性能，针织和机织纺织品原有的柔软性和可拉伸性得以保留。
在图1中，该工艺首先从聚酰亚胺薄膜制备图案母版开始（步骤1）。通过激光在薄膜上刻蚀出图案轮廓的设计。使用流延涂布工具将PDMS涂覆于该母版上（步骤2），然后将织物放置在其上方（步骤3）。随后，PDMS逐步扩散进入织物内部（步骤4）。为终止这一转移过程，需进行短暂的热退火处理以固化PDMS。通过调节固化剂用量和涂覆参数，可分别调控PDMS的黏度和厚度，从而控制其扩散行为，并确保母版设计被无缺陷地复制。最后，将导电溶液用刷涂法涂布于未...

本文介绍了一种在纺织品上选择性沉积有机材料的方案，可实现有机电子器件与可穿戴设备的直接集成。所制备的器件能够完全集成于纺织品中，在保持其机械外观的同时赋予其传感功能。

如今，可穿戴电子设备融合了多种功能性的可拉伸和柔性技术。然而，在许多情况下，这些设备……

该图案化工艺的总体目标是在纺织品上选择性地沉积有机电活性材料，从而能够在服装上直接制备可穿戴有机电子器件。该方法有助于解决可穿戴电子领域中的一个关键问题，特别是如何将电子器件无缝集成到服装中，以实现与人体的高效交互。该技术的主要优势源于纺织品的弹性特性，使得这些纺织品能够舒适地贴合皮肤穿着。首先介绍该方法的思路。当我们寻求一种经济高效且可规模化应用于工业的非传统方式，将有机电子器件与纺织品平台相结合时，这一技术受到日本传统和服染色工艺的启发，并针对当今的微加工工具和环境进行了改进与适配。开始操作时，使用激光切割机将预先设计好的电极图案切割到一片厚度为125微米的聚酰亚胺薄膜上，以制成掩膜。然后取一片厚度为300微米、具有最高50%针织方向拉伸能力的100%锁缝针织聚酯织物，并将其固定在平坦且可移动的表面上。在通风橱中，使用自动涂布机以每分钟6米的速度将聚二甲基硅氧烷（PDMS）配方涂覆在聚酰亚胺掩膜上，湿膜厚度为200微米。将织物轻柔地放置在涂有PDMS的掩膜上，使PDMS渗入纺织结构中，静置10分钟。对于热敏感织物，可在100摄氏度下退火10分钟，或在60摄氏度下退火20分钟。在通风橱中，将80毫升PEDOT:PSS分散液、20毫升乙二醇、40微升4-十二烷基苯磺酸和1毫升3-丙基甲基丙烯酸酯混合均匀。然后将混合物置于磁力搅拌器上搅拌。用刷涂法将PEDOT:PSS混合物涂覆于已贴膜的织物上，直至电极图案区域每平方厘米涂覆约一毫升混合物，且表面呈现均匀的颜色。PEDOT:PSS的刷涂步骤是关键步骤。图案的方阻需约为 230 欧姆/方。移除聚酰亚胺掩模，然后在 110 摄氏度下固化电极图案 1 小时，或在 60 摄氏度下固化 2 小时（适用于对热敏感的织物）。为了从纺织品上的 PEDOT:PSS 电极制备皮肤电极，首先准备一种凝胶混合物，其中包含体积分数 60% 的离子液体、35% 的交联剂和 5% 的光引发剂。在通风橱中，用离子液体以每平方厘米20微升的量涂覆电极，然后通过滴涂法加入每平方厘米25微升的凝胶混合物。将涂覆后的电极暴露于365纳米紫外光下照射10至15分钟，使凝胶固化，形成皮肤电极。为在纺织品上的PEDOT:PSS电极上制备电容式传感器，需在通风橱中，将10至1份PDMS配方涂覆于织物上。使用刮刀将PDMS溶液均匀涂覆在电极上，以去除多余部分。根据织物的耐热性，将PDMS的绝缘层在最高100摄氏度下退火至少10分钟，形成电容式传感器。采用该方法，已在针织和机织纺织品上制备出PEDOT:PSS电极。针织聚酯材料的图案化分辨率大于一毫米。在紧密针织或机织织物上可实现更窄的分辨率。直接在针织织物上图案化的电极无需进一步修饰即可作为拉伸传感器使用。当织物被拉伸时，导电纤维的扭曲会导致电阻率发生变化。将有机电化学晶体管阵列图案化制备于编织尼龙带条上，制成一种可穿戴汗液传感器，且无需进一步修饰。通过在凝胶中添加离子液体，使电极能够作为可穿戴皮肤电极用于电生理监测。或者，通过添加一层绝缘的PDMS可制成电容传感器。触摸电极会引起电容变化，从而实现可穿戴键盘的制备。与传统的固态电子器件相比，贴合性良好的织物与有机柔性电极相结合，可提供更优的人体通信通道。该方法可实现对现有服装与智能电子设备结合的未来定制化。然而，该技术的一个关键且在某些情况下具有限制性的问题是材料、有机材料的耐久性以及可穿戴条件。

a-simple-scalable-fabrication-method-for-organic-electronic-devices

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科研

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Bioengineering

生物工程

关于纺织品有机电子设备的简单和可扩展的制作方法

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无氧化物硅和锗的软光刻功能化与图案化

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