テキスタイル上の有機電子デバイスのためのシンプルでスケーラブルな製造方法

サマリー

本稿では、ウェアラブルと有機電子デバイスの直接統合を可能にする選択的織物上に有機材料を堆積するためのプロトコルを提示します。製造されたデバイスは、完全に機械的な外観を尊重し、検知機能を有効にする、繊維に組み込むことができます。

要約

今日、ウェアラブル電子機器は、機能的で伸縮性があり、柔軟な技術を幅広く組み合わせています。ただし、多くの場合、これらのデバイスは日常の条件下では着用できません。したがって、テキスタイルは一般に、ウェアラブル用途の電子機器を収容するのに最適な基板と考えられています。この論文では、溶液からテキスタイル上に有機電気活性材料を簡単かつスケーラブルな方法で選択的にパターン化する方法について説明します。この汎用性の高い堆積技術により、衣服へのウェアラブル有機電子デバイスの作製が可能になります。

概要

ウェアラブルエレクトロニクスの分野では3回、現在の市場の上、2025年に500億ユーロの価値があると予想される急成長している市場です。現在のウェアラブルデバイスが直面する主な課題は、侵入型固体電子添付ファイルがウェアラブルシステムで確立されたデバイスの使用を制限しているということです。日常生活の中ですでに存在している繊維製品を使用することでこの制限を回避するために非常に魅力的かつ直接的なアプローチです。 、その弾性能力を、私たちが着る衣服の一部が皮膚に密着して自然にあります。市場で入手可能なスマート服の多くの例は、今日はファッショナブルな方法¹で人間と電子機器をつなぐ、薄い、プラスチックディスプレイ、キーボード、および織物に埋め込まれた光源装置に基づいています。スポーツの練習では、ヘルスモニタリングは、一般的に、接着剤、電極と金属リストバンドを使用するために快適な選択肢を提供するテキスタイル電極、に依存しています。ここでは、導電性繊維であります直接長時間着用中に皮膚刺激やその他の不快感を防ぐために、伸縮性のある生地と統合。また、テキスタイルは、運動^2をキャプチャするために、曲率センサを統合する機能ロボットアクチュエータ³の開発のためのせん断センサーを統合するために、そして確かに汗⁴中の検体を検出することによりバイオセンサーを統合するために多くの機会を提供しています。

現代の着用可能な技術は、独自の特性を有する電子デバイスを提供炭素系半導体材料に依存します。有機物の「ソフト」な性質は、従来の固体エレクトロニクスに比べ、人体とのインタフェースのための良好な機械的性質を提供しています。機械的にフレキシブル基板とペアこの機械的適合性は、そのような繊維のような装置における非平面形状因子の使用を可能にします。有機物の使用は、これらの混合ELEに生命科学にも関連していますctronicとイオン伝導性^5。また、有機半導体および光電子材料は、ディスプレイ、トランジスタ、ロジック、および電源機能^{6、7、8、9}を有する機能素子の多種多様な力を与えます。このような有機デバイスの製造における主な困難は、繊維の非平面表面上の機能材料の制御された沈着です。従来の微細加工技術は、主に織物基材の構造的次元を有する堆積プロセスの不適合性によって制限されます。

ここでは、構造化繊維製品上の導電性ポリマーの選択的な堆積を可能にし、シンプルでスケーラブルな製造プロトコルを記述します。提示方法は、ウェアラブルとコンフォーマル電子デバイスの製造を可能にします。アプローチは、Cのパターンに基づいていますommercially利用可能な導電性ポリマー、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT：PSS）及び織物のエラストマーステンシル材料、ポリジメチルシロキサン（PDMS）。この組み合わせは、水性PEDOTの効率的な閉じ込めを可能にする：PSS溶液、ならびに繊維製品のソフトで伸縮性の特性を保持するため。このシンプルで信頼性の高い製造方法は、費用効率的かつ工業的にスケーラブルな方法で直接繊維製品上のさまざまな電子機器を製造するための道を開きます。

プロトコル

1.パターニングは、繊維上の導電性高分子

1. 処理中に簡単に処理するための平坦な表面上の10センチメートル×10センチの繊維シートを修正しました。織物の場合は、300ミクロンの厚さと、50％までのニット方向ストレッチ機能を持つ100％インターロックニットポリエステル生地を使用。
2. パターニング設計を含むマスクを作成するには、125μmの厚さのポリイミドフィルムを使用します。パターンの例が図1に示されています。
   1. パターンにポリイミドマスク^10をレーザーカッター（ 例えば、Protolaser S、LPKF）を使用します。電極のパターン設計は、 図1に示されています。
   2. コートPDMS物（10：1塩基剤比を硬化する）は200μmとでの湿潤膜厚で自動テープキャスティングツール（K制御プリントコーター、ドクターブレード）を用いて、マスク（ポリイミドフィルム）の上6m /秒分の塗布速度。 3センチメートルのx 5cmのマスクのために約0.5ミリリットルを使用してください。目を実行しますヒュームフードの下でプロセスです。
3. 静かにPDMSでコーティングされたマスクに生地を移します。 PDMSは、完全に織物構造に吸収されるべき後、10分間のままにしておきます。
4. 10分間、100℃の空気オーブン中でサンプルを硬化します。
5. 導電性ポリマーを準備：PEDOT：PSS分散液（80ミリリットル）、エチレングリコール（20mL）で、4 - ドデシルベンゼンスルホン酸（40μL）、およびヒュームフード中の3-メタクリロ（1ミリリットル）。
6. ブラシコートPEDOT：溶液の均一な浸透まで織物のPDMSを含まない領域にPSS溶液が得られます。均一なパターンの色を達成するために、この手順を繰り返します。約1mL / cm ^2で適用します。
7. PSS溶液：PEDOTを乾燥させるために1時間、110℃で生地を治します。ナイロンのような高温処理に敏感である織物、60℃に温度を下げてください。

2.有機デバイスの製造

注：第1 describでプロトコル織物上の導電材料の選択的堆積をエス。次のセクションでは、ストレッチセンサ、OECTトランジスタ、皮膚電極、および容量センサのように、有機デバイスを製造するために必要な追加手順について説明します。

1. セクション1で説明したように、織物の図3aに示されるストレッチセンサ、パターン電極線を製造するために、1.1〜1.5ステップ。
   注：パターン設計の例は、 図3aに示されています。このようなセンサの製造は、任意の追加の手順は必要ありません。
2. 図3bに示すトランジスタの設計を製造するために、パターン1節で説明する手順以下のナイロン織リボン上のトランジスタアレイは、わずかにPDMSのアニーリングおよびPEDOTを変更：PSSは、60℃で硬化させることによりナイロンの熱劣化を回避するために手順を硬化させます長い時間のためのC。
3. 図3cに示される皮膚電極の製造については、堆積パターン化されたPEDOT上のイオン性ゲル：PSSテキスタイル。
   1. イオン液体、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム・エチル硫酸塩を含むイオン性液体ゲル混合物を調製します。架橋剤としては、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート。それぞれ、0.6 / 0.35 / 0.05の（v / v）の比で光開始剤、2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン。
   2. コートPEDOT：イオン液体（20μL/ cm ^2）を持つPSS電極とドロップキャスティングによって（25μL/ cm ^2）をステップ2.3.1からイオン性液体ゲル混合物を追加します。
   3. ゲルが固化するまで、10〜15分間架橋反応を開始するためにUV光（365 nm）に露光します。ドラフト内で、この手順を実行します。 UV露光中にUV-保護ケージを使用してください。
4. 静電容量センサの製造のために、PEDOTを使用：PSSのテキスタイル電極は、絶縁材料（ 図3d）で絶縁。
   1. キーボードのようなPEDOT絶縁：PDMSを使用して、PSS電極を、キーボードのデザインは、<図2bに見られます/ strong>の。生地の上にPDMS製剤を分配し、スキージで過剰を取り除きます。
   2. 10分間100℃のオーブンで生地を置きます。ドラフト内で、この手順を実行します。

結果

織物に色やパターンを適用する従来の方法は、染料の選択的堆積を可能にするために取り外し可能なマスキング層に依存しています。織物上のPSS電極： 図1では、我々は、PEDOTのパターニングにこのようなアプローチの適応を示しています。 PSS溶液：マスキング層として、我々は、水性PEDOTの非制御可能な拡散を抑制することができる疎水性のポリジメチルシロキサンを使用しました。また、ニットや織物織物の柔らかさと伸縮性は、PDMSの弾性および機械的特性のおかげで保存することができます。

図1において、プロセスは、ポリイミドフィルム（ステップ1）からパターニングマスターの準備から始まります。パターン輪郭の設計は、レーザーによりフィルム上に刻まれています。テープキャスティングツールを使用して、PDMSは、このマスター（ステップ2）に適用され、そして織物は、それの上部（ステップ3）上に配置されます。 ...

ディスカッション

導電性材料のパターニングは、機能的な電子デバイスの製造における最初のステップの1つです。製造プロセスは、アカウントにこのような材料の化学的および物理的特性を取る必要があり、プロセスフローは、製造工程の間に材料の相互互換性を考慮する必要があるので、これは、挑戦的になることができます。有機電子デバイスの微細加工では、これらの2つの側面が原因有機物の高度に反応性の性質のために一層重要です。しかし今日では、有機材料は、その電気弾性特性^14、15のためのウェアラブルとフレキシブルエレクトロニクスに非常に魅力的です。完全に統合された電子ウェアラブルを得る織物へのそのような技術の移転は、その三次元構造によって制限されます。微細加工に使用される従来の技術は、薄いだけのsubstr上の導電性インクのインクジェットやスクリーン印刷に制限されていますATEや繊維^{16、17、18。<...}

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
SYLGARD 184、シリコーンエラストマーキット(ベースおよび硬化剤)	ダウコーニング		PDMSエラストマー
導電性ポリマー配合
CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSS	ヘレウス		導電性ポリマー
エチレングリコール	Sigma-Aldrich	03750-250ML	溶剤(EG)、CAS:107-21-1
3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン	Sigma-Aldrich	M6514	Cros リンカー (GOPs), CAS: 2530-85-0
4-ドデシルベンゼンスルホン酸	Sigma-Aldrich	44198	DBSA;CAS:121-65-3
イオン液体ゲル
UVランプDFE 2340	C.I.F / ATHELEC	DP134	UV-365 nm
1-エチル-3-メチルイミダゾリウムエチル硫酸	Sigma-Aldrich	51682-100G-F	イオン液体(IL)、CAS:342573-75-5
ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート	Sigma-Aldrich	455008-100ML	Mn 700、CAS:26570-48-9
2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン	Sigma-Aldrich	405655-50ML	Phot開始剤(PI)、CAS:7473-98-5
織物生地	VWR	スペックワイプ7ワイパー100	%インターロックニットポリエステル生地
ポリイミドフィルム	デュポン	HN100	ポリイミドフィルム125 µM厚さ