Методическая статья

Простой и масштабируемый способ изготовления для органических электронных устройств по текстилю

DOI:

10.3791/55439

⸱

13 марта 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье мы приводим протокол выборочно депонировать органических материалов на текстиль, что позволяет прямой интеграции органических электронных устройств с носимых. Изготовленном устройства могут быть полностью интегрированы в текстильной промышленности, уважая их внешний вид и механические включения возможности зондирования.

Аннотация

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

Сегодня носимые электронные устройства сочетают в себе большое разнообразие функциональных, растягиваемых и гибких технологий. Однако во многих случаях эти устройства нельзя носить в повседневных условиях. Поэтому текстиль обычно считается лучшей подложкой для размещения электронных устройств в носимых устройствах. В этой статье мы описываем, как легко и масштабируемо селективно моделировать органические электроактивные материалы на текстильных изделиях из раствора. Этот универсальный метод осаждения позволяет изготавливать носимые органические электронные устройства на одежде.

Введение

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

Поле носимой электроники является быстро растущий рынок, как ожидается, будет стоить 50 миллиардов евро в 2025 году, более чем в три раза текущего рынка. Основная задача, стоящая перед текущей носимых устройств является то, что навязчивые твердые электронные вложения ограничивают использование установленных устройств в носимых системах. Использование текстиля, которые уже присутствуют в повседневной жизни является очень привлекательным и простой подход, чтобы обойти это ограничение. Благодаря своей упругой способности, некоторые части одежды, которые мы носим, ​​естественно, в плотный контакт с кожей. Многие примеры смарт - одежды , доступных сегодня на рынке основаны на тонких пластиковых дисплеев, клавиатур и легких устройств источника встраиваемых в текстильной промышленности, связывая электронику с людьми в модный способ 1. В спортивной практике, мониторинг состояния здоровья зависит от текстильных электродов, которые предлагают удобные альтернативы часто используемые клейкие электроды и металлические браслеты. Здесь, проводящие волокнанапрямую интегрируется с эластичными тканями, чтобы предотвратить раздражение кожи и другие недомоганием во время длительного ношения. Кроме того, текстильные изделия предлагают целый ряд возможностей для интеграции датчиков кривизны для захвата движения 2, чтобы интегрировать датчики сдвига для разработки функциональных роботизированных приводов 3, и , конечно , интегрировать биосенсоров путем детектирования анализируемого вещества в поту 4.

Современные технологии носимых полагается на углеродной основе полупроводниковых материалов, которые обеспечивают электронные устройства с уникальными свойствами. "Мягкий" характер органики предлагает лучшие механические свойства для взаимодействия с человеческим телом по сравнению с традиционными твердотельной электроники. Эта механическая совместимость, в паре с механически гибких подложках, позволяет использовать неплоских форм-факторов в таких устройствах, как текстиль. Использование органики также имеет отношение в области наук о жизни из-за их смешанной Electronic и ионная проводимость 5. Кроме того, органические полупроводниковыми и оптоэлектронные материалы уполномочить большое разнообразие функциональных устройств с дисплеем, транзистора, логики и возможности питания 6, 7, 8, 9. Основная трудность при изготовлении таких органических устройств является контролируемое осаждение функциональных материалов на неплоских поверхностях текстиля. Обычные технологии изготовления микроструктур в основном ограничены несовместимостью процесса осаждения со структурной размерностью текстильных подложек.

Здесь мы опишем простой и масштабируемый протокол изготовления, который позволяет для селективного осаждения проводящих полимеров на структурированных текстильных изделий. Представленный способ позволяет изготавливать носимых и выравнивающие электронных устройств. Подход основан на паттерна Commercially имеется проводящий полимер поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стирол-сульфонат) (PEDOT: ПСС) и эластомерный материал трафарета полидиметилсилоксан (ПДМС), на текстильных изделиях. Эта комбинация позволяет эффективно удержания водного раствора PEDOT: PSS, а также для удержания мягких и растяжению свойств текстильных материалов. Это простой и надежный способ изготовления прокладывает путь для изготовления различных электронных устройств непосредственно на текстиль в экономически эффективным и промышленно масштабируемым образом.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. паттернирования Проводящие полимеры на текстильной

  1. Фикс 10 см х 10 см текстильный лист на плоскую поверхность для легкой обработки в течение процесса. Для текстильной, используют 100% блокировочный трикотажные ткани полиэфира с толщиной 300 мкм и способность Knit направление протянуть до 50%.
  2. Для того, чтобы сделать маску, содержащую конструкцию паттерна, используйте 125 мкм толщиной полиимидной пленки; пример рисунка показан на рисунке 1.
    1. Используйте резак лазера (например, ProtoLaser S, LPKF) с рисунком полиимида маски 10; шаблон проектирования электрода показана на фиг.1.
    2. Покрыть препарат PDMS (10: 1 основание для отверждения соотношение агента) на верхней части маски (полиимидной пленки) с помощью инструмента автоматического пленочного литья (K управления распечатку для нанесения покрытий, ракеля) с влажной пленки толщиной 200 мкм и при 6 м / мин скорость нанесения покрытия. Используйте около 0,5 мл для маски 3 см х 5 см. Выполнить тыснаходится процесс под вытяжкой.
  3. Аккуратно перенести ткань в маске PDMS покрытием. Оставьте в течение 10 мин, после чего ПДМС должны быть полностью погруженного в текстильной структуре.
  4. Лечение образца в воздушной печи при 100 ° С в течение 10 мин.
  5. Готовят проводящий полимер: PEDOT: ПСС дисперсия (80 мл), этиленгликоль (20 мл), 4-додецилбензолсульфокислоты (40 мкл) и 3-метакрилоксипропилтриметоксисилан (1 мл) в вытяжном шкафу.
  6. Кисть-пальто PEDOT: PSS раствор на площади PDMS свободного от текстиля до однородного проникновения раствора получается. Повторите этот шаг для достижения однородного цвета рисунка. Применить около 1 мл / см 2.
  7. Cure ткань при температуре 110 ° С в течение 1 ч, чтобы высушить PEDOT: раствор PSS. Снизить температуру до 60 ° С для текстильных изделий, чувствительных к высокотемпературной обработки, как нейлон.

2. Органические изготовления приборов

Примечание: Протокол в Разделе 1 describэс селективного осаждения проводящих материалов на текстильной промышленности. В следующих разделах будут описаны дополнительные шаги, необходимые для изготовления органических устройств, таких как датчики натяжных, OECT транзисторы, кожными электродами и емкостными датчиками.

  1. Для изготовления датчиков протяжения, показанные на рисунке 3а, рисунок электродов линии на текстиле, как описано в разделе 1, стадии 1,1-1,5.
    Примечание: Пример дизайна рисунка показан на рисунке 3а. Изготовление таких датчиков не требует каких-либо дополнительных действий.
  2. Для изготовления конструкции транзистора , показанного на рисунке 3b, рисунок транзистор массивы на нейлоновой сплетенные лентой , следуя шагам , описанным в разделе 1. Слегка изменить PDMS отжиг и PEDOT: PSS отверждения шаги , чтобы избежать термической деструкции нейлона путем отверждения при 60 ° C в течение более длительного времени.
  3. Для изготовления электродов кожными, как показано на фиг.3С, депонируетионный гель на узорной PEDOT: PSS текстиль.
    1. Готовят ионный жидкий гель смесь, содержащую ионную жидкость, 1-этил-3-метилимидазолия-этил-сульфата; сшивающий агент, поли (этиленгликоль) диакрилат; и фотоинициатор, 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в соотношении (об / об) 0,6 / 0,35 / 0,05, соответственно.
    2. Покрыть PEDOT: ПСС электрод с ионной жидкостью (20 мкл / см 2) и добавить ионную жидкость гель смесь со стадии 2.3.1 (25 мкл / см 2) путем литья капель.
    3. Защиту в УФ-свете (365 нм), чтобы инициировать реакцию сшивания в течение 10-15 мин, пока затвердевает гель. Выполните этот шаг в вытяжном шкафу. Используйте УФ-защитной клетки во время воздействия УФ-излучения.
  4. Для изготовления емкостного датчика, используйте PEDOT: PSS текстильные электроды изолированы с помощью изолирующего материала (рис 3D).
    1. Изолировать клавиатуры типа PEDOT: PSS электроды с использованием PDMS; Конструкция клавиатуры можно увидеть на рисунке 2b </ Сильный>. Разливают формулировку PDMS в верхней части ткани, и удалить излишки с ракелем.
    2. Поместите ткань в печи при температуре 100 ° С в течение 10 мин. Выполните этот шаг в вытяжном шкафу.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Традиционные методы применения цветов или шаблонов для текстиля полагаться на съемные слои маскирующих, чтобы избирательное осаждение красителей. На рисунке 1 показано , адаптацию такого подхода к паттернировании PEDOT: PSS электродов на ткани. В качестве маскирующего слоя, мы использовали гидрофобный полидиметилсилоксана, который может сдерживать неконтролируемые диффузии водного раствора PEDOT: PSS. Кроме того, мягкость и растяжению трикотажной и тканые текстильные мат...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Структурирование провод щих материалов, является одним из первых шагов при изготовлении функциональных электронных устройств. Это может стать сложной задачей, поскольку процесс изготовления необходимо учитывать химические и физические свойства таких материалов, и поток процесса необходимо учитывать материала перекрестную совместимость между этапами изготовления. В микротехнологий органических электронных устройств, эти два аспекта еще более значимым из-за высокой реакционной способности органических соединений. Сегодня,...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Авторы выражают благодарность за грант BPI PIAVE AUTONOTEX за финансовую поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
SYLGARD 184, Набор силиконовых эластомеров (Основа и отвердитель)Dow CorningPDMS elastomer
Состав
CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSSHeraeusПроводящий полимер
ЭтиленгликольSigma-Aldrich03750-250MLРастворитель (EG), CAS: 107-21-1
3- метакрилоксипропилтриметоксисиланSigma-AldrichM6514Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0
4-додецилбензолсульфоновая кислотаSigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
<сильный>Ионный жидкий гель
УФ-лампа DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 нм
1-этил-3-метилимидазолий этилсульфатSigma-Aldrich51682-100G-FИонная жидкость (IL), CAS: 342573-75-5
Поли(этиленгликоль) диакрилатSigma-Aldrich455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-Гидрокси-2-метилпропиофенонSigma-Aldrich405655-50MLГорячий инициатор (PI), CAS: 7473-98-5
Текстильная тканьVWRSpec-Wipe 7 Дворники100% интерлок трикотажная полиэфирная ткань
Полиимидная пленкаDuPontHN100Полиимидная пленка с 125 &; м толщина

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

PEDOT PSSPDMS

Похожие статьи