Artykuł metodologiczny

Prosta i skalowalna metoda wytwarzania organicznych urządzeń elektronicznych na tekstyliach

DOI:

10.3791/55439

⸱

13 marca 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

W tym artykule prezentujemy protokół selektywnego osadzania materiałów organicznych na tekstyliach, który pozwala na bezpośrednią integrację organicznych urządzeń elektronicznych z urządzeniami do noszenia. Wyprodukowane urządzenia można w pełni zintegrować z tekstyliami, szanując ich mechaniczny wygląd i umożliwiając wykrywanie.

Streszczenie

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

Dzisiaj, urządzenia elektroniczne do noszenia łączą w sobie dużą różnorodność funkcjonalnych, rozciągliwych i elastycznych technologii. Jednak w wielu przypadkach urządzenia te nie mogą być noszone w codziennych warunkach. Dlatego tekstylia są powszechnie uważane za najlepsze podłoże do przechowywania urządzeń elektronicznych w użyciu do noszenia. W tym artykule opisujemy, jak w łatwy i skalowalny sposób selektywnie modelować organiczne materiały elektroaktywne na tekstyliach z roztworu. Ta wszechstronna technika osadzania umożliwia wytwarzanie organicznych urządzeń elektronicznych do noszenia na ubraniach.

Wprowadzenie

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

Branża elektroniki ubieralnej to szybko rozwijający się rynek, którego wartość w 2025 roku ma wynosić 50 miliardów euro, czyli ponad trzykrotnie więcej niż obecnie. Głównym wyzwaniem stojącym przed obecnymi urządzeniami ubieralnymi jest to, że natrętne, solidne mocowania elektroniczne ograniczają korzystanie z uznanych urządzeń w systemach ubieralnych. Korzystanie z tekstyliów, które są już obecne w życiu codziennym, jest bardzo atrakcyjnym i prostym podejściem do uniknięcia tego ograniczenia. Ze względu na swoją elastyczność niektóre części odzieży, które nosimy, naturalnie ściśle stykają się ze skórą. Wiele przykładów inteligentnych ubrań dostępnych obecnie na rynku opiera się na cienkich, plastikowych wyświetlaczach, klawiaturach i urządzeniach źródła światła wbudowanych w tekstylia, łącząc elektronikę z ludźmi w modny sposób1. W praktyce sportowej monitorowanie stanu zdrowia opiera się na elektrodach tekstylnych, które stanowią wygodną alternatywę dla powszechnie stosowanych elektrod samoprzylepnych i metalowych opasek na rękę. W tym przypadku włókna przewodzące są bezpośrednio zintegrowane z rozciągliwymi tkaninami, aby zapobiec podrażnieniom skóry i innym dolegliwościom podczas długotrwałego noszenia. Dodatkowo, tekstylia oferują szereg możliwości integracji czujników krzywizny w celu rejestrowania ruchu2, integracji czujników ścinania w celu opracowania funkcjonalnych siłowników robotycznych3, a z pewnością integracji biosensorów poprzez wykrywanie analitu w sweat4.

Nowoczesna technologia ubieralna opiera się na materiałach półprzewodnikowych na bazie węgla, które dostarczają urządzenia elektroniczne o unikalnych właściwościach. "Miękka" natura substancji organicznych oferuje lepsze właściwości mechaniczne do interakcji z ludzkim ciałem w porównaniu z tradycyjną elektroniką półprzewodnikową. Ta kompatybilność mechaniczna, w połączeniu z mechanicznie elastycznymi podłożami, umożliwia stosowanie niepłaskich kształtów w urządzeniach takich jak tekstylia. Zastosowanie substancji organicznych jest również istotne w naukach przyrodniczych ze względu na ich mieszaną przewodność elektronową i jonową5. Poza tym organiczne materiały półprzewodnikowe i optoelektroniczne umożliwiają szerokiej gamie funkcjonalnych urządzeń z wyświetlaczem, tranzystorem, logiką i możliwościami zasilania6,7,8,9. Główną trudnością w wytwarzaniu takich urządzeń organicznych jest kontrolowane osadzanie materiałów funkcjonalnych na niepłaskich powierzchniach tekstyliów. Konwencjonalne techniki mikrowytwarzania są ograniczone przede wszystkim przez niezgodność procesu osadzania z wymiarowością strukturalną podłoży tekstylnych.

Tutaj opisujemy prosty i skalowalny protokół produkcji, który pozwala na selektywne osadzanie polimerów przewodzących na tkaninach strukturalnych. Prezentowany proces umożliwia wytwarzanie elektronicznych urządzeń ubieralnych i konforemnych. Podejście to opiera się na wzorowaniu dostępnego na rynku przewodzącego polimeru poli(3,4-etylenodioksytiofen):p oly(sulfonian styrenu) (PEDOT:PSS) oraz elastomerowego materiału szablonowego polidimetylosiloksanu (PDMS) na tekstyliach. Ta kombinacja pozwala na skuteczne uwięzienie wodnego roztworu PEDOT:PSS, a także na zachowanie miękkich i rozciągliwych właściwości tekstyliów. Ta prosta i niezawodna metoda produkcji toruje drogę do wytwarzania różnych urządzeń elektronicznych bezpośrednio na tekstyliach w sposób opłacalny i skalowalny przemysłowo.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Wzorzyste polimery przewodzące na tekstyliach

  1. Zamocuj arkusz tekstylny o wymiarach 10 cm x 10 cm na płaskiej powierzchni, aby ułatwić obsługę podczas procesu. Do tkaniny użyj 100% dzianiny poliestrowej interlock o grubości 300 μm i rozciągliwości w kierunku dzianiny do 50%.
  2. Aby wykonać maskę zawierającą wzór wzoru, użyj folii poliimidowej o grubości 125 μm; przykład wzoru pokazano na rysunku 1.
    1. Użyj wycinarki laserowej (np. Protolaser S, LPKF), aby wykonać wzór maski poliimidowej10; wzór elektrody jest zilustrowany na rysunku 1.
    2. Pokryj preparat PDMS (stosunek bazy do utwardzacza 10:1) na wierzchu maski (folia poliimidowa) za pomocą automatycznego narzędzia do odlewania taśmy (powlekarka drukarska K control, rakla) o grubości mokrej warstwy 200 μm i prędkości powlekania 6 m/min. Użyj około 0,5 ml na maskę o wymiarach 3 cm x 5 cm. Wykonaj ten proces pod wyciągiem.
  3. Delikatnie przenieś tkaninę na maskę pokrytą PDMS. Pozostawić na 10 minut, po czym PDMS powinien zostać całkowicie wchłonięty przez strukturę tkaniny.
  4. Próbkę utwardzać w piecu powietrznym w temperaturze 100 °C przez 10 minut.
  5. Przygotować polimer przewodzący: dyspersję PEDOT: PSS (80 ml), glikol etylenowy (20 ml), kwas 4-dodecylobenzenosulfonowy (40 μl) i 3-metakrylokypropylotrimetoksysilan (1 ml) w dygestorium.
  6. Roztwór PEDOT:PSS należy pokryć pędzlem na obszarze tkaniny wolnym od PDMS, aż do uzyskania jednorodnej penetracji roztworu. Powtórz ten krok, aby uzyskać jednolity kolor wzoru. Nakładać około 1 ml/cm2.
  7. Utwardź tkaninę w temperaturze 110 °C przez 1 godzinę w celu wysuszenia roztworu PEDOT:PSS. Zmniejsz temperaturę do 60 °C w przypadku tekstyliów, które są wrażliwe na obróbkę w wysokiej temperaturze, takich jak nylon.

2. Produkcja urządzeń organicznych

UWAGA: Protokół w sekcji 1 opisuje selektywne osadzanie materiałów przewodzących na tekstyliach. W poniższych sekcjach opisano dodatkowe kroki potrzebne do wytworzenia urządzeń organicznych, takich jak czujniki rozciągnięcia, tranzystory OECT, elektrody skórne i czujniki pojemnościowe.

  1. Aby wytworzyć czujniki rozciągania, pokazane na rysunku 3a, należy ułożyć linie elektrod na tkaninie, jak opisano w sekcji 1, kroki 1.1-1.5.
    UWAGA: Przykładowy projekt wzoru pokazano na rysunku 3a. Produkcja takich czujników nie wymaga żadnych dodatkowych kroków.
  2. Aby wytworzyć konstrukcję tranzystora pokazaną na rysunku 3b, ułóż matryce tranzystorów na nylonowej tkanej wstążce, wykonując czynności opisane w sekcji 1. Nieznacznie zmodyfikuj etapy wyżarzania PDMS i utwardzania PEDOT: PSS, aby uniknąć termicznej degradacji nylonu poprzez utwardzanie w temperaturze 60 °C przez dłuższy czas.
  3. W celu wytworzenia elektrod skórnych, pokazanych na rysunku 3c, należy nałożyć żel jonowy na wzorzyste tkaniny PEDOT:PSS.
    1. Przygotować mieszaninę żelu z cieczą jonową zawierającą ciecz jonową, siarczan 1-etylo-3-metyloimidazoli-etylu; czynnik sieciujący, dikrylan poli(glikolu etylenowego) i fotoinicjator, 2-hydroksy-2-metylopropiofenon, odpowiednio w stosunku (v/v) 0,6/0,35/0,05.
    2. Pokryj elektrodę PEDOT:PSS cieczą jonową (20 μL/cm2) i dodaj mieszaninę żelu z cieczą jonową z kroku 2.3.1 (25 μL/cm2) przez odlewanie kroplowe.
    3. Wystawić na działanie światła UV (365 nm) w celu zainicjowania reakcji sieciowania przez 10-15 minut, aż żel zastygnie. Wykonaj tę czynność w dygestorium. Używaj klatki chroniącej przed promieniowaniem UV podczas ekspozycji na promieniowanie UV.
  4. Do produkcji czujnika pojemnościowego należy użyć elektrod tekstylnych PEDOT:PSS izolowanych materiałem izolacyjnym (rysunek 3d).
    1. Zaizoluj elektrody PEDOT:PSS przypominające klawiaturę za pomocą PDMS; konstrukcję klawiatury można zobaczyć na rysunku 2b. Dozuj preparat PDMS na wierzch tkaniny i usuń nadmiar za pomocą ściągaczki.
    2. Umieść tkaninę w piekarniku w temperaturze 100 °C na 10 minut. Wykonaj tę czynność w dygestorium.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Tradycyjne metody nakładania kolorów lub wzorów na tkaniny polegają na usuwalnych warstwach maskujących, które umożliwiają selektywne osadzanie barwników. Na rysunku 1 pokazujemy adaptację takiego podejścia do modelowania elektrod PEDOT:PSS na tekstyliach. Jako warstwę maskującą zastosowaliśmy hydrofobowy polidimetylosiloksan, który może hamować niekontrolowaną dyfuzję wodnego roztworu PEDOT:PSS. Co więcej, miękkość i rozciągliwość dzianin i tkanin może być zachowana dzię...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Wzorowanie materiałów przewodzących jest jednym z pierwszych kroków w wytwarzaniu funkcjonalnych urządzeń elektronicznych. Może to stać się wyzwaniem, ponieważ proces produkcyjny musi uwzględniać właściwości chemiczne i fizyczne takich materiałów, a przebieg procesu musi uwzględniać wzajemną kompatybilność materiałów między etapami wytwarzania. W mikroprodukcji organicznych urządzeń elektronicznych te dwa aspekty są jeszcze bardziej istotne ze względu na wysoce reaktywny charakter substancji organicznych. Obecnie jednak ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Autorzy dziękują grantowi BPI PIAVE AUTONOTEX za wsparcie finansowe.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
SYLGARD 184, Zestaw elastomerów silikonowych (baza i utwardzacz)Dow CorningPDMS elastomer
< mocny> Preparat polimeru przewodzącego
CleviosTM PH 1000 PEDOT: PSSHeraeusPolimer przewodzący
Glikol etylenowySigma-Aldrich03750-250MLRozpuszczalnik (EG), CAS: 107-21-1
3- metakryloksyloksypropylotrimetoksysilanSigma-AldrichM6514Łącznik Cros (GOP), CAS: 2530-85-0
Kwas 4-dodecylobenzenosulfonowySigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
Żel z płynem jonowym
UV lampa DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 nm
1-etylo-3-metyloimidazolium siarczan etyluSigma-Aldrich51682-100G-FCiecz jonowa (IL), CAS: 342573-75-5
Diakrylan poli(glikolu etylenowego)Sigma-Aldrich455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-hydroksy-2-metylopropiofenonSigma-Aldrich405655-50MLInicjator Fot (PI), CAS: 7473-98-5
Tkanina tekstylnaVWRSpec-Wipe 7 Wycieraczki100% dzianina poliestrowa Interlock
Folia poliamidowaDuPontHN100Folia poliamidowa z 125 &mikro; m grubości

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Organic Electronic DevicesTextile FabricationPEDOT PSS PatterningLaser Cutting MaskPDMS CoatingBrush Coating TechniqueCutaneous ElectrodesCapacitive SensorsWearable ElectronicsStretch Sensors

Powiązane artykuły