Un metodo semplice e scalabile di fabbricazione per dispositivi elettronici organici sui tessili

L'obiettivo generale di questa procedura di definizione di schemi è depositare selettivamente materiali organici elettroattivi su tessuti, consentendo così la fabbricazione diretta su capi d'abbigliamento di dispositivi elettronici organici indossabili. Questo metodo può contribuire a rispondere a una domanda fondamentale nel campo dell'elettronica indossabile, in particolare a come integrare in modo invisibile l'elettronica con i capi d'abbigliamento per interagire in modo efficiente con il corpo umano. Il principale vantaggio di questa tecnica deriva dalla capacità elastica dei tessuti, che permette di indossare comodamente questi tessuti a stretto contatto con la pelle.

Prima di tutto, una panoramica di questo metodo. Quando si cerca un modo non tradizionale di combinare l'elettronica organica con le piattaforme tessili in modo economico e scalabile a livello industriale. Questa tecnica si è ispirata a un'antica tecnica giapponese di tintura dei kimono, adattata ai moderni strumenti e ambienti di microfabbricazione attuali.

Per iniziare la procedura, utilizzare un taglierino laser per incidere un modello di elettrodo predefinito in un foglio di poliammide spesso 125 micrometri, creando così una maschera. Successivamente, prendere un foglio di tessuto in poliestere al 100% a maglia interlock con una capacità di allungamento nella direzione della maglia fino al 50% e fissarlo su una superficie piana e portatile. In una cappa aspirante, utilizzare uno strumento automatico per la colatura su nastro per ricoprire la maschera di poliammide con una formulazione di polidimetilsilossano a sei metri al minuto, ottenendo uno spessore del film umido di 200 micrometri.

Posizionare delicatamente il tessuto sulla maschera rivestita con PDMS e lasciare che il PDMS venga assorbito nella struttura del tessuto per 10 minuti. Riscaldare il PDMS a 100 gradi Celsius per 10 minuti oppure a 60 gradi Celsius per 20 minuti, nel caso di tessuti sensibili al calore. All'interno della cappa, mescolare insieme 80 millilitri di dispersione di PEDOT:PSS, 20 millilitri di glicole etilenico, 40 microlitri di acido 4-dodecilbenzensolfonico e un millilitro di 3-propilmetacrilato.

Quindi posizionare la miscela su un agitatore magnetico per mescolare. Applicare la miscela di PEDOT:PSS sul tessuto mascherato con un pennello, fino a quando il pattern dell'elettrodo è ricoperto con circa un millilitro di miscela per centimetro quadrato e appare uniforme nel colore. Il passaggio di rivestimento con pennello della miscela di PEDOT:PSS è il passaggio critico.

La resistenza di superficie del tracciato deve essere di circa 230 ohm per quadrato. Rimuovere la maschera in poliammide quindi indurre la polimerizzazione del tracciato degli elettrodi a 110 gradi Celsius per un'ora oppure a 60 gradi Celsius per due ore, nel caso di tessuti sensibili al calore. Per realizzare elettrodi cutanei a partire da elettrodi in PEDOT:PSS su tessuti, preparare innanzitutto una miscela gel composta dal 60% in volume di liquido ionico, dal 35% di agente reticolante e dal 5% di fotoiniziatore.

In una cappa chimica, rivestire gli elettrodi con 20 microlitri per centimetro quadrato di liquido ionico, quindi aggiungere 25 microlitri per centimetro quadrato della miscela gel mediante gocciolamento. Esporre gli elettrodi rivestiti alla luce UV a 365 nanometri per 10-15 minuti per solidificare il gel e formare gli elettrodi cutanei. Per realizzare sensori capacitivi a partire da elettrodi in PEDOT:PSS su tessuti, in una cappa chimica, applicare da 10 a uno della formulazione di PDMS sul tessuto.

Utilizzare una spatola per distribuire uniformemente la formulazione di PDMS sugli elettrodi, rimuovendo ogni eccesso. Riscaldare a 100 gradi Celsius per almeno 10 minuti, in base alla tolleranza termica del tessuto, per indurire lo strato isolante di PDMS e formare i sensori capacitivi. Con questo metodo, gli elettrodi di PEDOT:PSS sono stati realizzati su tessuti a maglia e tessuti stampati.

La risoluzione di stampa del poliestere lavorato a maglia è superiore a un millimetro. Risoluzioni più strette possono essere ottenute su tessuti fitti o tessuti. Gli elettrodi stampati su tessuti a maglia funzionano come sensori di allungamento senza ulteriori modifiche.

Quando il tessuto viene stirato, la torsione delle fibre conduttive provoca una variazione della resistività. Un array di transistor elettrochimici organici è stato realizzato su un nastro di nylon tessuto, un sensore indossabile per il sudore, senza ulteriori modifiche. L'aggiunta di un liquido ionico in gel ha permesso agli elettrodi di funzionare come elettrodi cutanei indossabili per il monitoraggio elettrofisiologico.

In alternativa, l'aggiunta di uno strato isolante in PDMS ha creato sensori capacitivi. Il contatto con gli elettrodi provoca una variazione della capacità, consentendo la realizzazione di una tastiera indossabile. La combinazione di tessuti aderenti con elettrodi organici e morbidi offre un canale di comunicazione migliore con il corpo umano rispetto ai tradizionali dispositivi elettronici a stato solido.

Questo metodo consente la personalizzazione futura di capi d'abbigliamento esistenti con dispositivi elettronici intelligenti. Tuttavia, uno dei punti critici e, in alcuni casi, limitanti di questa tecnologia riguarda i materiali, la durabilità dei materiali organici e le condizioni di indossabilità.