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

このパターニング手順の全体的な目的は、有機電気活性材料をテキスタイル上に選択的に堆積させることで、衣類の上にウェアラブル有機電子デバイスを直接作製することを可能にすることです。この手法は、ウェアラブル電子機器の分野における重要な課題、特に電子機器を衣類とシームレスに統合し、人体と効率的に相互作用させる方法という問いへの答えとなり得ます。この技術の主な利点はテキスタイルの弾性にあり、これによりテキスタイルを皮膚に密着させて快適に着用することが可能になります。

まず、本手法のコンセプトについて説明します。私たちは、有機エレクトロニクスとテキスタイルプラットフォームを、コスト効率が高く工業的なスケールアップが可能な方法で組み合わせる非伝統的な手法を模索しました。この技術は日本の伝統的な着物の染色技法に着想を得たものであり、それを現代のマイクロファブリケーションツールおよび環境に適応させたものです。

手順を開始するために、レーザーカッターを用いて、あらかじめ設計した電極パターンを厚さ125 µmのポリアミドシートに切り抜き、マスクを作成します。次に、編み方向への伸縮性が最大50%である厚さ300 µmの100%インターロックニットポリエステル生地を用意し、これを平らなポータブル表面に固定します。ドラフトチャンバー内で、自動テープキャスティングツールを使用し、ポリアミドマスクにポリジメチルシロキサン製剤を速度6 m/minでコーティングし、ウェットフィルム厚を200 µmにします。

布地をPDMSコート済みのマスクの上にそっと置き、PDMSがテキスタイル構造に吸収されるまで10分間放置します。PDMSを100 °Cで10分間、または熱に弱い布地の場合は60 °Cで20分間アニールします。ドラフトチャンバー内で、PEDOT:PSS分散液 80 mL、エチレングリコール 20 mL、4-ドデシルベンゼンスルホン酸 40 µL、および3-プロピルメタクリレート 1 mLを混合します。

次に、混合物をマグネチックスターラーに載せて撹拌します。マスクした布の上にPEDOT:PSS混合物をブラシで塗布し、電極パターンに対して1cm²あたり約1mLの混合物が塗布され、色が均一に見えるまで塗布してください。このPEDOT:PSSのブラシ塗布工程が極めて重要なステップとなります。

パターンのシート抵抗は約230 ohm squareにする必要があります。ポリアミドマスクを除去し、電極パターンを110 °Cで1時間、または熱に弱い生地の場合は60 °Cで2時間キュアします。テキスタイル上のPEDOT:PSS電極から皮膚電極を作製するには、まず、体積比でイオン液体60%、架橋剤35%、光開始剤5%からなるゲル混合液を調製します。

ドラフトチャンバー内で、電極にイオン液体を 20 µL/cm² でコーティングし、次にドロップキャスト法でゲル混合液を 25 µL/cm² 添加します。コーティングした電極に 365 nm の UV 光を 10 〜 15 分間照射してゲルを凝固させ、皮膚電極を形成します。テキスタイル上の PEDOT:PSS 電極から容量性センサを作製するには、ドラフトチャンバー内で、布地に PDMS 調製液を 10 µL/cm² で塗布します。

スキージーを使用して、PDMS調製液を電極上に均一に広げ、余剰分を取り除きます。生地の耐熱性に応じて、最大100 °Cで少なくとも10分間、PDMSの絶縁層をアニールし、静電容量型センサを形成します。この手法を用いて、ニットおよび織物テキスタイル上にPEDOT:PSS電極をパターン形成しました。

ニットポリエステルのパターニング分解能は1 mm以上です。より狭い分解能は、密に編まれたニット生地または織物で得られます。ニット生地にパターニングされた電極は、さらなる修正を加えることなくストレッチセンサーとして機能します。

布地が引き伸ばされると、導電性繊維のねじれによって抵抗率が変化します。また、さらなる変更を加えることなく、ウェアラブルな汗センサーとして、織物ナイロンリボン上に有機電気化学トランジスタアレイをパターニングしました。ゲル状のイオン液体を追加することで、電極を電気生理学的モニタリング用のウェアラブルな皮膚電極として機能させることが可能になりました。

あるいは、絶縁性のPDMS層を追加することで、キャパシタセンサを構築しました。電極に触れることで静電容量が変化するため、ウェアラブルキーボードの作製が可能になります。体に密着するテキスタイルと、有機かつ柔軟な電極を組み合わせることで、従来の固体電子デバイスと比較して、人体とのより優れた通信チャネルを実現できます。

この手法により、既存の衣類にスマート電子デバイスを後付けしてカスタマイズすることが可能になります。しかし、この技術における極めて重要であり、場合によっては制限となる要因の一つが、材料、特に有機材料の耐久性とウェアラブルな条件下での耐性です。