Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien
13. März 2017
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll selektiv organische Materialien auf Textilien zu deponieren, die für die direkte Integration von organischen elektronischen Vorrichtungen mit Wearables erlaubt. Die hergestellten Geräte können vollständig in Textilien integriert werden, deren mechanische Erscheinungsbild zu respektieren und ermöglicht Sensorfunktionen.
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.
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Überblick
Diese Studie präsentiert ein neuartiges Protokoll zur selektiven Ablagerung von organischen elektroaktiven Materialien auf Textilien, das die Integration von tragbaren organischen elektronischen Geräten direkt in Kleidung ermöglicht. Diese Methode verbessert die Interaktion zwischen Elektronik und dem menschlichen Körper bei gleichzeitiger Beibehaltung von Komfort und mechanischer Integrität.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Tragbare Elektronik
- Organische Elektronik
- Textiltechnik
Hintergrund
- Die Integration von Elektronik mit Textilien ist eine Schlüsselherausforderung in der tragbaren Technologie.
- Traditionelle Methoden beeinträchtigen oft den Komfort und die Ästhetik der Kleidung.
- Diese Technik lässt sich von historischen Textilpraktiken inspirieren.
- Sie zielt darauf ab, eine kostengünstige und skalierbare Lösung für tragbare Geräte zu schaffen.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Methode zur nahtlosen Integration von organischer Elektronik in Textilien.
- Verbesserung der Funktionalität von Kleidung durch eingebettete Sensorfähigkeiten.
- Erforschung eines unkonventionellen Ansatzes zur Kombination von Elektronik mit Textilien.
Verwendete Methoden
- Anpassung traditioneller Kimono-Färbetechniken für moderne Mikrofabrikation.
- Selektive Ablagerung von organischen Materialien auf textilen Substraten.
- Bewertung der mechanischen Eigenschaften der integrierten Textilien.
- Testen des Komforts und der Tragbarkeit der Endprodukte.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Integration von organischen elektronischen Geräten in Textilien.
- Beibehaltung des mechanischen Erscheinungsbildes und des Komforts der Textilien.
- Ermöglichung neuer Sensorfähigkeiten in tragbaren Anwendungen.
- Nachweis der Skalierbarkeit und Kosteneffizienz der Methode.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode stellt einen bedeutenden Fortschritt in der tragbaren Elektronik dar.
- Sie bietet einen Rahmen für zukünftige Forschungen zu textilintegrierten Geräten.
- Der Ansatz kann zu effizienteren Interaktionen zwischen Technologie und dem menschlichen Körper führen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
This method enables scalable integration of organic electronics into textiles, addressing a key challenge in wearable device development: achieving seamless electronic-textile interfaces without compromising comfort or mechanical properties. By adapting historical patterning techniques for modern micro-fabrication, it offers a cost-effective pathway for producing wearable sensors and electrodes directly on clothing. This supports early-stage discovery of bio-integrated systems where mechanical conformity and user compliance are critical for data fidelity and longitudinal monitoring.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of physiological signals through conformal textile-integrated electrodes that maintain skin contact during movement.
- Operational Value: Supports hypothesis testing in ambulatory settings by preserving natural biomechanics during data collection.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides standardized, patterned organic electronic platforms for reliable biomarker signal acquisition from physiological surfaces.
- Operational Value: Facilitates assay reproducibility through scalable mask-based deposition and uniform material coating across textile substrates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational biomarker validation by enabling continuous, non-invasive monitoring in physiologically relevant, free-living conditions.
- Operational Value: Bridges discovery and preclinical workflows via wearable formats that reduce stress-induced artifacts in animal and human studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biological hypothesis testing to preclinical validation, particularly for applications requiring longitudinal, ambulatory physiological monitoring where electrode-tissue interface stability is paramount.
- Discovery Biology: Enables mechanical and electrical interfacing with biological systems through stretchable, skin-conformal electrodes that maintain signal integrity during dynamic movement.
- Screening: Delivers quantitative, resistivity-based readouts from textile-integrated sensors that respond to physiological strain, supporting comparative condition analysis.
- Analytics: Generates measurable shifts in electrical resistance and capacitance that correlate with physiological states, enabling statistical comparison across experimental groups.
- Translational Research: Supports continuity to preclinical studies by allowing identical wearable formats to be used across model systems, reducing translational variability.
- Enterprise Reuse: Represents a platform capability for repeated use across multiple discovery programs requiring conformal, wearable bio-interfaces.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanical mismatch between sensor and tissue, minimizing motion artifacts in ambulatory data.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through mask-defined patterning and solution-based deposition compatible with roll-to-roll textile processing.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early assessment of target engagement in naturalistic use conditions, reducing late-stage failure due to poor compliance.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by validating target modulation in physiologically relevant, wearable formats prior to invasive or bulky alternatives.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic electronics, textile handling, and micro-patterning techniques including laser cutting and tape casting.
- Needs access to fume hoods, magnetic stirrers, UV curing units, and thermal annealing equipment for material processing.
- Demands cross-team standardization between materials scientists, textile engineers, and biologists to ensure consistent electrode performance across fabric types.
- Involves adaptation considerations for varying textile stretch, thickness, and hydrophobicity that affect PDMS absorption and material adhesion.
- Practical limitations include long-term stability of organic electroactive materials under repeated washing, stretching, and environmental exposure as noted in the source.
