Methodenartikel

Een eenvoudige en schaalbare Fabrication Methode voor biologisch Electronic Devices on Textiles

DOI:

10.3791/55439

⸱

13 maart 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

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

In deze paper presenteren we een protocol om organische materialen op textiel, die zorgt voor de directe integratie van organische elektronische apparaten met wearables selectief deponeren. De gefabriceerde apparaten kunnen volledig worden geïntegreerd in textiel, met respect voor hun mechanische uiterlijk en het mogelijk maken sensing mogelijkheden.

Samenvatting

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

Vandaag combineren draagbare elektronische apparaten een grote verscheidenheid aan functionele, rekbare en flexibele technologieën. Echter, in veel gevallen kunnen deze apparaten niet onder alledaagse omstandigheden worden gedragen. Daarom worden textielmaterialen algemeen beschouwd als het beste substraat om elektronische apparaten in draagbaar gebruik te plaatsen. In dit artikel beschrijven we hoe organisch elektroactieve materialen selectief op textiel kunnen worden gepatternd vanuit een oplossing op een eenvoudige en schaalbare manier. Deze veelzijdige depositietechniek maakt de fabricage van draagbare organische elektronische apparaten op kleding mogelijk.

Inleiding

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

Het gebied van draagbare elektronica is een snel groeiende markt verwachte waarde van € 50000000000 te worden in 2025, meer dan drie keer de huidige markt. De belangrijkste uitdaging voor de huidige draagbare apparaten is dat opdringerige solide elektronische bijlagen beperken het gebruik van gevestigde apparaten in draagbare systemen. Het gebruik van stoffen die al aanwezig zijn in het dagelijks leven is een zeer aantrekkelijke en directe aanpak om deze beperking te vermijden. Door zijn elastische vermogen, sommige delen van de kleding die we dragen nature in nauw contact met de huid. Vele voorbeelden van slimme kleding op de markt van vandaag zijn gebaseerd op dunne, plastic displays, keyboards, en de lichtbron apparaten ingebed in textiel, het koppelen van elektronica met de mens in een modieuze manier 1. In de sport praktijk, health monitoring berust op textiele elektroden, die comfortabel alternatief voor veelgebruikte plakelektroden en metalen polsbandjes bieden. Hier, geleidende vezelsrechtstreeks geïntegreerd met elastische stoffen tot irritatie van de huid en andere ongemakken tijdens verlengd slijtage te voorkomen. Bovendien biedt textiel een aantal mogelijkheden om kromming sensoren beweging 2 vangen, om dwarskracht sensoren integreren de ontwikkeling van functionele robotic actuators 3 en zeker biosensoren integreren door de detectie van een analyt in zweet 4 integreren.

Moderne draagbare technologie is gebaseerd op koolstof gebaseerde halfgeleider materiaal elektronische apparaten te leveren met unieke eigenschappen. De "zachte" karakter van organische biedt betere mechanische eigenschappen voor interfacing met het menselijk lichaam in vergelijking met traditionele solid state. Deze mechanische compatibiliteit, gecombineerd met mechanisch flexibele substraten, maakt het gebruik van niet-vlakke vormfactoren apparaten zoals textiel. Het gebruik van organische is ook relevant in life sciences als gevolg van hun gemengde electronic en ionische geleidbaarheid 5. Daarnaast organische halfgeleidende en opto-elektronische materialen machtigen een grote verscheidenheid aan functionele toestellen met display, transistor logica en vermogenscapaciteit 6, 7, 8, 9. De voornaamste moeilijkheid bij de vervaardiging van dergelijke organische inrichtingen is de gecontroleerde depositie van functionele materialen op de niet-vlakke oppervlakken van textiel. Gebruikelijke microproductietechnieken worden voornamelijk beperkt door de onverenigbaarheid van het depositieproces met de structurele dimensionaliteit van textiele substraten.

We beschrijven hier een eenvoudige fabricage en schaalbaar protocol waarmee de selectieve afzetting van geleidende polymeren op gestructureerde textiel. De voorgestelde werkwijze maakt de vervaardiging van draagbare en conforme elektronische apparaten. De benadering is gebaseerd op het patroon van de commercially beschikbaar geleidende polymeer poly (3,4-ethyleendioxythiofeen): poly (styreen sulfonaat) (PEDOT: PSS) en een elastomeer materiaal stencil polydimethylsiloxaan (PDMS) op textiel. Deze combinatie maakt efficiënte opsluiten van de waterige PEDOT: PSS-oplossing, en voor het behoud van de zachte en rekbare eigenschappen van textiel. Deze eenvoudige en betrouwbare fabricagemethode maakt de weg vrij voor de vervaardiging van een verscheidenheid aan elektronische apparaten direct op textiel in een kostenefficiënte en industrieel schaalbaar.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. patroonvorming geleidende polymeren op Textiel

  1. Bevestig een 10 cm x 10 cm vel textiel op een vlak oppervlak voor gemakkelijke hantering tijdens het proces. Voor de textielindustrie, gebruikt een 100% interlock polyester met een dikte van 300 urn en een gebreide richting rekvermogen tot 50%.
  2. Om een ​​masker met het patroon ontwerp te maken, gebruik dan een 125 urn dikke polyimide film; Een voorbeeld van de patroon is geïllustreerd in figuur 1.
    1. Gebruik een laser cutter (bijv Protolaser S, LPKF) tot patroon van de polyimide masker 10; het patroonontwerp van een elektrode is weergegeven in figuur 1.
    2. Coat de PDMS formule (10: 1 base tot verharder verhouding) boven op het masker (polyimide film) een automatisch tape casting gereedschap (K stuurafdrukelektrode-coater, rakel) met een natte filmdikte van 200 urn en een 6 m / min coatingsnelheid. Gebruik ongeveer 0,5 ml voor een masker van 3 cm x 5 cm. Voer this proces onder de zuurkast.
  3. Voorzichtig het weefsel overbrengen naar de PDMS-beklede masker. Laat gedurende 10 minuten, waarna het PDMS volledig wordt geabsorbeerd in de textielstructuur.
  4. Genezen van het monster in een lucht-oven op 100 ° C gedurende 10 minuten.
  5. Bereid het geleidende polymeer: ​​PEDOT: PSS dispersie (80 ml), ethyleenglycol (20 ml), 4-dodecylbenzeensulfonzuur (40 ui) en 3-methacryloxypropyltrimethoxysilaan (1 ml) in de zuurkast.
  6. Brush-coat de PEDOT: PSS oplossing op de PDMS-veld in het textiel tot een homogene penetratie van de oplossing wordt verkregen. Herhaal deze stap om een ​​uniform patroon kleur te bereiken. Toepassen ongeveer 1 ml / cm 2.
  7. Hard de stof bij 110 ° C gedurende 1 uur drogen aan de PEDOT: PSS-oplossing. Verlaag de temperatuur tot 60 ° C voor stoffen die gevoelig zijn voor hoge temperatuur behandeling, zoals nylon.

2. Organische Device Fabrication

LET OP: Het protocol in paragraaf 1 describes de selectieve afzetting van geleidende materialen op textiel. De volgende secties zullen de extra stappen die nodig zijn organische apparaten vervaardigen, zoals rek sensoren, OECT transistors, cutane elektroden en capacitieve sensoren beschrijven.

  1. Om stretch sensoren, weergegeven in figuur 3a, patroon van de elektrode lijnen fabriceren op de textielindustrie, zoals beschreven in paragraaf 1, de stappen 1,1-1,5.
    Opmerking: Een voorbeeld van het patroonontwerp is getoond in figuur 3a. Het vervaardigen van dergelijke sensoren geen extra stappen nodig.
  2. De transistor ontwerp getoond in figuur 3b fabriceren patroon transistor arrays op een nylon geweven band volgens de in paragraaf 1 beschreven stappen Iets wijzigen van de PDMS annealing en PEDOT: PSS uithardstappen de thermische afbraak van nylon vermijden door uitharding bij 60 ° C langer.
  3. Voor de vervaardiging van cutane elektroden, getoond in figuur 3c, stort eenionische gel op de gevormde PEDOT: PSS textiel.
    1. Bereid een ionische vloeistof gel mengsel met de ionische vloeistof 1-ethyl-3-methylimidazolium-ethylsulfaat; het verknopingsmiddel, poly (ethyleenglycol) diacrylaat; en de foto-initiator, 2-hydroxy-2-methylpropiofenon een (v / v) verhouding van 0,6 / 0,35 / 0,05, respectievelijk.
    2. Coat de PEDOT: PSS elektrode met ionische vloeistof (20 ul / cm 2) en voeg de ionische vloeibare gel mengsel uit stap 2.3.1 (25 pl / cm2) voor druppel gieten.
    3. Blootstellen aan UV-licht (365 nm) een verknopingsreactie initiëren 10-15 min, totdat de gel stolt. Voer deze stap in de zuurkast. Gebruik een UV-beschermende kooi tijdens blootstelling aan UV.
  4. Voor capacitieve sensoren vervaardiging, gebruik PEDOT: PSS textiele elektroden geïsoleerd met een isolerend materiaal (figuur 3d).
    1. Isoleer de keyboard-achtige PEDOT: PSS elektroden met behulp van de PDMS; het toetsenbord ontwerp is te zien in figuur 2b </ Strong>. Verdeel de PDMS formuleren op de top van de stof en het overtollige met een trekker.
    2. Leg de stof in een oven bij 100 ° C gedurende 10 minuten. Voer deze stap in de zuurkast.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Traditionele methoden voor het aanbrengen van kleuren of patronen textiel vertrouwen op verwijderbare maskeerlagen de selectieve afzetting van kleurstoffen mogelijk maken. In figuur 1 geven we de aanpassing van die benadering om de patroonvorming van PEDOT: PSS elektroden op textiel. Als maskerende laag, gebruikten we hydrofobe polydimethylsiloxaan, waarbij de niet-beheersbare diffusie van de waterige PEDOT kan beperken PSS oplossing. Bovendien kan de zachtheid en rekbaa...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Het patroon van geleidende materialen is een van de eerste stappen in de vervaardiging van functionele elektronische apparaten. Dit kan lastig worden, zoals het fabricageproces moet rekening worden gehouden met de chemische en fysische eigenschappen van dergelijke materialen en de processtroom moet het materiaal cross-compatibiliteit tussen de fabricagestappen overwegen. In de microfabricage van organische elektronische inrichtingen, deze twee aspecten zijn nog groter vanwege de zeer reactieve aard van organische stoffe...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

De auteurs willen de BPI PIAVE AUTONOTEX-subsidie bedanken voor de financiële ondersteuning.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
SYLGARD 184, Silicone elastomer kit (Base and Curing agent)Dow CorningPDMS elastomer
De geleidende polymeerformulering
CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSSHeraeusGeleidend polymeer
EthyleenglycolSigma-Aldrich03750-250MLOplosmiddel (EG), CAS: 107-21-1
3-methacryloxypropyltrimethoxysilaanSigma-AldrichM6514Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0
4-dodecylbenzeensulfonzuurSigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
Het ionische vloeibare gel
UV lamp DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 nm
1-Ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfaatSigma-Aldrich51682-100G-FIonische vloeistof (IL), CAS: 342573-75-5
Poly(ethyleenglycol)diacrylaatSigma-Aldrich455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-Hydroxy-2-methylpropiofenonSigma-Aldrich405655-50MLFoto-initiator (PI), CAS: 7473-98-5
Het textielweefselVWRSpec-Wipe 7 Wipers100% interlock knit polyester stof
De polyimidefilmDuPontHN100Polyimide film met 125 µm dikte

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

TextielfabricagePEDOT PSS patroneringlasersnijmaskerPDMS coatingbrush coatingtechniekcutane elektrodencapacitieve sensorendraagbare elektronicarekbare sensoren

Gerelateerde artikelen