מאמר שיטה

שיטת ייצור פשוט Scalable עבור מכשירים אלקטרוניים אורגניים על טקסטיל

DOI:

10.3791/55439

⸱

13 במרץ 2017

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

במאמר זה

סיכום

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

במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול להפקיד חומרים אורגניים באופן סלקטיבי על טקסטיל, המאפשרים אינטגרציה הישירה של מכשירים אלקטרוניים אורגניים עם פריטי לבוש. המכשירים המפוברקים ניתן לשלב באופן מלא בטקסטיל, כיבוד המראה המכאני שלהם ומאפשר יכולות חישה.

תקציר

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

כיום, התקני אלקטרוניקה לבישים משלבים מגוון גדול של טכנולוגיות פונקציונליות, נמתחות וגמישות. עם זאת, במקרים רבים, לא ניתן ללבוש מכשירים אלה בתנאים יומיומיים. לכן, טקסטיל נחשב בדרך כלל למצע הטוב ביותר להתאמה למכשירים אלקטרוניים בשימוש לביש. במאמר זה, אנו מתארים כיצד לעצב באופן סלקטיבי חומרים אלקטרואקטיביים אורגניים על טקסטיל מתמיסה בצורה קלה וניתנת להרחבה. טכניקת שיקוע רב-תכליתית זו מאפשרת ייצור של מכשירים אלקטרוניים אורגניים לבישים על בגדים.

מבוא

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

בתחום האלקטרוניקה לביש הינו שוק בצמיחה מהירה צפוי להיות שווה 50 מיליארד יורו ב -2025, על פי שלושה השוק הנוכחי. האתגר העיקרי העומד בפני התקנים לבישים נוכחיים הוא כי מצורפים אלקטרונית מוצק פולשניות להגביל את השימוש במכשירים הוקמו בשנת מערכות לביש. באמצעות טקסטיל שכבר נמצאים בחיי היומיום היא גישה מאוד אטרקטיבית וישירה להימנע מגבלה זו. בשל יכולת אלסטית שלה, בחלקים מסוימים של הבגדים שאנחנו לובשים הם באופן טבעי במגע הדוק עם העור. דוגמאות רבות של בגדים חכמים הקיימות בשוק כיום מבוססות על תצוגות דקות, פלסטיק, מקלדות, והתקני מקור אור מוטבעים בטקסטיל, מקשר אלקטרוניקה עם בני אדם באופן אופנתי 1. בפועל ספורט, ניטור בריאות מסתמך על אלקטרודות טקסטיל, אשר מציעות חלופות נוחות נפוץ אלקטרודות דבק wristbands מתכת. הנה, סיבים מוליכים הםמשולב ישירות עם בדים סטרץ למנוע גירוי בעור תלאות אחרות במהלך ללבוש המורחב. בנוסף, טקסטיל מציע מספר הזדמנויות לשלב חיישני עקמומיות ללכוד תנועה 2, כדי לשלב חיישני גזירה לפיתוח ומפעילי רובוטית פונקציונליים 3, ובוודאי לשלב חיישנים ביולוגיים באמצעות זיהוי של אנליטי בזיעת 4.

טכנולוגיה לבישה מודרנית מסתמך על חומרים מוליכים למחצה מבוססי פחמן המספקים מכשירים אלקטרוניים עם מאפיינים ייחודיים. האופי "הרך" של חומרים אורגניים מציע תכונות מכאניות טובות יותר להתממשקות גוף האדם לעומת אלקטרוניקת מצב מוצק מסורתית. תאימות מכאנית זה, יחד עם מצעים גמישים מכאני, מאפשרת השימוש של גורמי צורה שאינה מישוריים בהתקנים כגון טקסטיל. השימוש אורגני רלוונטי גם במדעי חיים בשל ele המעורבת שלהםמוליכות ctronic ו יוניות 5. חוץ מזה, מוליך למחצה אורגני וחומרים אופטו להעצים מגוון גדול של מכשירים פונקציונליים עם תצוגה, טרנזיסטור, לוגיקה, ויכול כוח 6, 7, 8, 9. הקושי העיקרי בייצור של תקנים אורגניים כגון הוא בתצהיר המבוקר של חומרים תפקודיים על המשטחים שאינם מישוריים של טקסטיל. טכניקות microfabrication קונבנציונליות מוגבלות בעיקר על ידי ההתאמה של תהליך ההדחה עם ממדיות המבניות של מצעי טקסטיל.

כאן אנו מתארים פרוטוקול ייצור פשוט, וניתן להרחבה המאפשר בתצהיר סלקטיבית של פולימרים מוליכים על טקסטיל מובנה. התהליך הציג מאפשר הייצור של מכשירים אלקטרוניים לביש קונפורמי. הגישה מבוססת על הדפוסים של גהפולימר פולי ניצוח ommercially זמין (3,4-ethylenedioxythiophene): פולי (sulfonate סטירן) (PEDOT: PSS) וכן polydimethylsiloxane חומר סטנסיל אלסטומרי (PDMS) על טקסטיל. שילוב זה מאפשר כליאה היעילה של PEDOT המימי: פתרון PSS, כמו גם עבור השימור של התכונות הרכות stretchable של טקסטיל. שיטת ייצור פשוטה ואמינה זו סוללת את הדרך עבור הייצור של מגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים ישירות על טקסטיל בעלות-יעיל מבחינה תעשייתית באופן מדרגי.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. פולימרים מוליכים דפוסים על טקסטיל

  1. תקן גיליון טקסטיל 10 ס"מ x 10 ס"מ על משטח מישורי לטיפול קל תוך כדי התהליך. עבור הטקסטיל, להשתמש בד פוליאסטר לסרוג משתלב 100% עם עובי של 300 מיקרומטר ו יכולת מתיחה בכיוון לסרוג עד 50%.
  2. כדי לעשות מסכה המכילה את עיצוב הדפוסים, להשתמש סרט polyimide 125 מיקרומטר בעובי; דוגמא של הדפוס מתוארת באיור 1.
    1. השתמש חותך לייזר (למשל, Protolaser S, LPKF) לדפוס את המסכה polyimide 10; עיצוב הדפוס של אלקטרודה מתואר באיור 1.
    2. מעייל גיבוש PDMS (10: 1 בסיס לריפוי יחס סוכן) על גבי המסכה (סרט polyimide) באמצעות כלי ליהוק קלטת אוטומטית (שליטת K הדפסת coater, להב רופא) עם עובי סרט רטוב של 200 מיקרומטר בכל 6 מהירויות ציפוי מ '/ דקה. השתמש כ -0.5 מ"ל מסכה של 3 ס"מ x 5 ס"מ. בצע ההתהליך הוא מתחת למכסה המנוע קטר.
  3. בעדינות להעביר את הבד אל המסכה מצופה PDMS. השאר למשך 10 דקות, שלאחריו PDMS צריך להיספג באופן מלא במבנה הטקסטיל.
  4. לרפא המדגם בתנור-אוויר ב 100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
  5. הכן הפולימר ניצוח: PEDOT: פיזור PSS (80 מ"ל), אתילן גליקול (20 מ"ל), חומצה 4-dodecylbenzenesulfonic (40 μL), ו -3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (1 מ"ל) ב למכסה המנוע קטר.
  6. מברשת מעיל PEDOT: פתרון PSS על אזור PDMS ללא של טקסטיל עד חדירה הומוגנית של הפתרון מתקבל. חזור על שלב זה כדי להשיג צבע דפוס אחיד. החל על 1 מ"ל / 2 ס"מ.
  7. לרפא את הבד ב 110 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 לייבש את PEDOT: פתרון PSS. מנמיך את הטמפרטורה ל 60 מעלות צלזיוס למשך טקסטיל רגישים טיפול בטמפרטורה גבוהה, כמו ניילון.

2. ייצור מכשיר אורגני

הערה: הפרוטוקול ב describ סעיף 1es בתצהיר סלקטיבית של ניצוח חומרים על טקסטיל. הסעיפים הבאים יתארו את הצעדים נוספים הדרושים כדי לפברק תקנים אורגניים, כמו חיישני מתיחה, טרנזיסטורים OECT, אלקטרודות עורית, וחיישני קיבולים.

  1. כדי לפברק חיישני מתיחה, המוצגים באיור 3 א, דפוס קווי אלקטרודה על הטקסטיל, כמתואר בסעיף 1, צעדי 1.1-1.5.
    הערה: דוגמא של עיצוב הדפוס מוצגת באיור 3 א. הייצור של חיישנים כאלה אינו דורש שום צעדים נוספים.
  2. כדי לפברק את העיצוב טרנזיסטור שמוצג איור 3B, דפוס מערכי הטרנזיסטור על סרט ארוג ניילון השלבים המתוארים בסעיף 1. מעט לשנות את חישול PDMS ו PEDOT: PSS ריפוי בצעדים כדי למנוע השפלה תרמית של ניילון על ידי ריפוי ב 60 ° צלזיוס למשך זמן רב יותר.
  3. עבור ייצור של אלקטרודות עורית, שמוצג 3C איור, להפקידג'ל יוני על PEDOT בדוגמת: טקסטיל PSS.
    1. הכין תערובת ג'ל נוזלי יונית המכילה את הנוזל היוני, 1-אתיל-3-methylimidazolium-אתיל סולפט; הסוכן מקשר הצולב, פולי (אתילן גליקול) diacrylate; ואת photoinitiator, 2-הידרוקסי-2-methylpropiophenone לפי יחס (v / v) של 0.6 / 0.35 / 0.05, בהתאמה.
    2. מעיל PEDOT: אלקטרודה PSS עם נוזלים יוניים (20 μL / 2 ס"מ) ומוסיפים את תערובת ג'ל נוזלי יוניים משלב 2.3.1 (25 μL / 2 ס"מ) על ידי יציקת טיפה.
    3. לחשוף לאור UV (365 ננומטר) ליזום תגובה crosslinking במשך 10-15 דקות, עד מתמצק ג'ל. בצע פעולה זו במנדף. השתמש כלוב מגן-UV במהלך חשיפת UV.
  4. עבור ייצור חיישן קיבולי, השתמש PEDOT: אלקטרודות טקסטיל PSS מבודד עם חומר בידוד (איור 3D).
    1. לבודד את PEDOT דמוי-מקלדת: אלקטרודות PSS באמצעות PDMS; ניתן לראות את העיצוב המקלדת איור 2b </ Strong>. מחלק את ניסוח PDMS על גבי הבד להסיר את העודפים עם מגב.
    2. מניחים את הבד בתנור על 100 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. בצע פעולה זו במנדף.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

שיטות מסורתיות החלת צבעים או דפוסי טקסטיל להסתמך על שכבות מיסוך נשלפו על מנת לאפשר בתצהיר סלקטיבית של צבעים. באיור 1, אנו מצביעים על ההסתגלות של גישה כזו אל הדפוסים של PEDOT: אלקטרודות PSS על טקסטיל. כשכבה מיסוך, השתמשנו polydimethylsiloxane הידרופובי, אשר יכול לרסן את דיפוזיה הלא לשליטה של ​​PEDOT המימי: פתרון PSS. יתר על כן, את הרכות stretchability של טקסטיל סרוג ארוגים יכולים להישמר בזכות תכונות אלסטיות המכאניות של PDMS.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

הדפוסים של חומרים מוליכים הוא אחד הצעדים הראשונים הייצור של מכשירים אלקטרוניים תפקודיים. זה יכול להיות מאתגר, כמו תהליך הייצור צריך לקחת בחשבון את התכונות הכימיות ופיסיקליות של חומרים כאלה, ואת זרימת התהליך צריכה לשקול את צולבות התאימות המהותית בין הצעדים בדיה. בשנות ה microfabrication של מכשירים אלקטרוניים אורגניים, שני היבטים אלה הם אפילו יותר משמעותי בשל אופי מאוד תגובתי של חומרים אורגניים. היום, לעומת זאת, חומרים אורגניים הם מאוד אטרקטיביים כדי אלקטרוניקה לביש וגמישה תכונות אל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

המחברים מבקשים להודות למענק BPI PIAVE AUTONOTEX עבור התמיכה הכספית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
SYLGARD 184, ערכת אלסטומר סיליקון (חומר בסיס וריפוי)Dow CorningPDMS elastomer
<חזק>ניסוח הפולימר המוליך
CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSSHeraeusפולימר מוליך
אתילן גליקולסיגמא-אולדריץ'03750-250 מ"לממס (EG), CAS: 107-21-1
3- methacryloxypropyltrimethoxysilaneSigma-AldrichM6514Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0
4-dodecylbenzenesulfonic acidSigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
<חזק>הג'ל הנוזלי היוני
מנורת UV DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 ננומטר
1-אתיל-3-מתילמידזוליום אתיל סולפטסיגמא-אולדריץ'51682-100G-Fנוזל יוני (IL), CAS: 342573-75-5
פולי (אתילן גליקול) דיאקרילטסיגמא-אולדריץ'455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-הידרוקסי-2-מתילפרופיופנוןסיגמא-אולדריץ'405655-50 מ"לפוט יוזם (PI), CAS: 7473-98-5
בד הטקסטילVWRSpec-Wipe 7 מגבים100% בד פוליאסטר סרוג אינטרלוק
סרט הפולימידDuPontHN100סרט פולימיד עם 125 ומיקרו; עובי מ
'

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

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

מאמרים קשורים