Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien

Das übergeordnete Ziel dieses Musterungsverfahrens ist es, organische elektroaktive Materialien selektiv auf Textilien abzuscheiden, was die Herstellung von tragbaren organischen elektronischen Geräten direkt auf der Kleidung ermöglicht. Diese Methode kann helfen, eine Schlüsselfrage im Bereich der tragbaren Elektronik zu beantworten, insbesondere wie Elektronik nahtlos in die Kleidung integriert werden kann, um effizient mit dem menschlichen Körper zu interagieren. Der Hauptvorteil dieser Technik ergibt sich aus der Elastizität der Textilien, die es ermöglicht, diese Textilien bequem in engem Kontakt mit der Haut zu tragen.

Zuerst eine Idee von dieser Methode. Wenn wir nach einem unkonventionellen Weg suchen, organische Elektronik mit Textilplattform auf kosteneffiziente und branchenweit skalierbare Weise zu kombinieren. Diese Technik wurde von alten japanischen Kimono-Färbetechniken inspiriert, die wir für die heutigen Mikrofabrikationswerkzeuge und -umgebungen angepasst haben.

Um den Eingriff zu beginnen, schneiden Sie mit einem Laserschneider ein vorgefertigtes Elektrodenmuster in eine 125 Mikrometer dicke Polyamidplatte, um eine Maske zu bilden. Nehmen Sie dann eine 300 Mikrometer dicke Folie aus 100 % Interlock-Polyestergewebe mit einer Strickrichtungsdehnung von bis zu 50 %Befestigen Sie diese auf einer flachen, tragbaren Oberfläche. In einem Abzug wird die Polyamidmaske mit einem automatischen Bandgießwerkzeug bei sechs Metern pro Minute auf eine Nassfilmdicke von 200 Mikrometern mit einer Polydimethylsiloxan-Formulierung beschichtet.

Legen Sie das Gewebe vorsichtig auf die PDMS-beschichtete Maske und lassen Sie das PDMS 10 Minuten lang in die Textilstruktur einziehen. Glühen Sie das PDMS 10 Minuten lang bei 100 Grad Celsius oder bei hitzeempfindlichen Geweben 20 Minuten lang bei 60 Grad Celsius. Mischen Sie im Abzug 80 Milliliter PEDOT:PSS-Dispersion, 20 Milliliter Ethylenglykol, 40 Mikroliter 4-Dodecylbenzolsulfonsäure und einen Milliliter 3-Propylmethacrylat.

Geben Sie dann die Mischung zum Rühren auf einen Magnetrührer. Streichen Sie die PEDOT:PSS-Mischung mit dem Pinsel über das maskierte Gewebe, bis das Elektrodenmuster mit etwa einem Milliliter der Mischung pro Quadratzentimeter bedeckt ist und eine einheitliche Farbe zu haben scheint. Der Schritt der Bürstenbeschichtung von PEDOT:PSS ist der entscheidende Schritt.

Der Schichtwiderstand des Musters muss etwa 230 Ohm im Quadrat betragen. Entfernen Sie die Polyamidmaske und härten Sie das Elektrodenmuster eine Stunde lang bei 110 Grad Celsius oder bei hitzeempfindlichen Stoffen zwei Stunden lang bei 60 Grad Celsius aus. Um Hautelektroden aus PEDOT:PSS-Elektroden auf Textilien herzustellen, bereiten Sie zunächst eine Gelmischung her, die aus 60 Vol.-% ionischer Flüssigkeit, 35 % Vernetzungsmittel und 5 % Photoinitiator besteht.

Beschichten Sie die Elektroden in einem Abzug mit 20 Mikrolitern pro Quadratzentimeter der ionischen Flüssigkeit und fügen Sie dann 25 Mikroliter pro Quadratzentimeter der Gelmischung durch Tropfengießen hinzu. Setzen Sie die beschichteten Elektroden 10 bis 15 Minuten lang 365-Nanometer-UV-Licht aus, um das Gel zu verfestigen und die Hautelektroden zu bilden. Zur Herstellung von kapazitiven Sensoren aus PEDOT:PSS-Elektroden auf Textilien in einem Abzug tragen Sie eine PDMS-Formulierung von 10 zu eins auf das Gewebe auf.

Verwenden Sie einen Rakel, um die PDMS-Formulierung gleichmäßig auf den Elektroden zu verteilen, um überschüssige Formulierungen zu entfernen. Glühen Sie die Isolierschicht des PDMS je nach Wärmetoleranz des Gewebes mindestens 10 Minuten lang bei bis zu 100 Grad Celsius, um die kapazitiven Sensoren zu bilden. Mit dieser Methode wurden PEDOT:PSS-Elektroden auf gestrickte und gewebte Textilien gemustert.

Die Musterauflösung von gestricktem Polyester beträgt mehr als einen Millimeter. Engere Auflösungen können auf dicht gestrickten oder gewebten Textilien erzielt werden. Die Elektroden, die auf Stricktextilien gemustert sind, fungieren ohne weitere Modifikationen als Dehnungssensoren.

Wenn das Gewebe gedehnt wird, führt die Verdrehung der leitfähigen Fasern zu einer Änderung des spezifischen Widerstands. Ein organisches elektrochemisches Transistorarray wurde auf ein gewebtes Nylonband aufgebracht, einen tragbaren Schweißsensor, ebenfalls ohne weitere Modifikationen. Durch die Zugabe einer ionischen Flüssigkeit in das Gel konnten die Elektroden als tragbare Hautelektroden für die elektrophysiologische Überwachung fungieren.

Alternativ wurden durch Hinzufügen einer isolierenden PDMS-Schicht Kondensatorsensoren erzeugt. Das Berühren der Elektroden bewirkt eine Kapazitätsänderung, die die Herstellung einer tragbaren Tastatur ermöglicht. Die Kombination von eng anliegenden Textilien mit organischen und weichen Elektroden bietet im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Festkörpergeräten einen verbesserten Kommunikationskanal mit dem menschlichen Körper.

Diese Methode ermöglicht die zukünftige Personalisierung bestehender Kleidungsstücke mit den intelligenten elektronischen Geräten. Einer der kritischen und in einigen Fällen einschränkenden Punkte dieser Technologie ist jedoch die Haltbarkeit von Materialien, organischen Materialien und tragbaren Bedingungen.