Простой и масштабируемый способ изготовления для органических электронных устройств по текстилю
13 марта 2017 г.
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.
Общая цель этой процедуры выкройки заключается в выборочном осаждении органических электроактивных материалов на текстиль, что позволяет изготавливать носимые органические электронные устройства непосредственно на одежде. Этот метод может помочь ответить на ключевой вопрос в области носимой электроники, особенно на то, как бесшовно интегрировать электронику с одеждой для эффективного взаимодействия с человеческим телом. Основное преимущество данной методики заключается в эластичности текстиля, что позволяет комфортно носить этот текстиль при тесном контакте с кожей.
Сначала представление об этом методе. Когда мы ищем нетрадиционный способ объединения органической электроники с текстильной платформой экономически эффективным и масштабируемым для отрасли способом. Эта техника была вдохновлена старой японской техникой окрашивания кимоно, которую мы адаптировали для современных инструментов микропроизводства и окружающей среды.
Чтобы начать процедуру, с помощью лазерного резака вырежьте предварительно разработанную схему электродов на листе полиамида толщиной 125 микрометров, чтобы сформировать маску. Затем возьмите лист толщиной 300 микрометров из 100% трикотажной полиэфирной ткани с возможностью растяжения до 50% в направлении вязки. Закрепите его на плоской портативной поверхности. В вытяжном шкафу используйте инструмент для автоматического литья ленты, чтобы покрыть полиамидную маску составом полидиметилсилоксана со скоростью шесть метров в минуту до толщины влажной пленки 200 микрометров.
Аккуратно положите ткань на маску с покрытием PDMS и дайте PDMS впитаться в текстильную структуру в течение 10 минут. Отжигайте PDMS при 100 градусах Цельсия в течение 10 минут или при 60 градусах Цельсия в течение 20 минут для термочувствительных тканей. В вытяжном шкафу смешайте 80 миллилитров дисперсии PEDOT:PSS, 20 миллилитров этиленгликоля, 40 микролитров 4-додецилбензолсульфоновой кислоты и один миллилитр 3-пропилметакрилата.
Затем поместите смесь перемешать на магнитную мешалку. Нанесите смесь PEDOT:PSS кистью на ткань в маске до тех пор, пока электродный узор не будет покрыт примерно одним миллилитром смеси на квадратный сантиметр и не станет однородным по цвету. Этап нанесения покрытия кистью PEDOT:PSS является критически важным.
Сопротивление листа шаблона должно быть около 230 Ом квадратный. Снимите полиамидную маску, затем отверждите электрод при температуре 110 градусов Цельсия в течение одного часа или при 60 градусах Цельсия в течение двух часов для термочувствительных тканей. Чтобы изготовить кожные электроды из электродов PEDOT:PSS на текстильных изделиях, сначала приготовьте гелевую смесь, состоящую на 60% из объемной ионной жидкости, на 35% сшивающего агента и на 5% фотоинициатора.
В вытяжном шкафу покройте электроды 20 микролитрами на квадратный сантиметр ионной жидкости, а затем добавьте 25 микролитров на квадратный сантиметр гелевой смеси методом капельного литья. Подвергайте электроды с покрытием воздействию ультрафиолетового излучения с яркостью 365 нанометров в течение 10–15 минут, чтобы гель затвердел и сформировал кожные электроды. Чтобы изготовить емкостные датчики из электродов PEDOT:PSS на текстильных изделиях, в вытяжном шкафу нанесите на ткань 10 к одному составу PDMS.
С помощью скребка равномерно распределите состав PDMS по электродам, чтобы удалить излишки. Отжигите изоляционный слой PDMS при температуре до 100 градусов Цельсия в течение не менее 10 минут, в зависимости от термостойкости ткани, для формирования емкостных датчиков. Используя этот метод, электроды PEDOT:PSS были нанесены на трикотажные и тканые ткани.
Разрешение рисунка трикотажного полиэстера составляет более одного миллиметра. Более узкое разрешение можно получить на плотно вязаном или тканом текстиле. Электроды с рисунком на трикотажных тканях функционируют как датчики растяжения без дальнейших модификаций.
Когда ткань растягивается, скручивание проводящих волокон приводит к изменению удельного сопротивления. Массив органических электрохимических транзисторов был нанесен на тканую нейлоновую ленту, носимый датчик пота, также без дальнейших модификаций. Добавление ионной жидкости в гель позволило электродам функционировать в качестве носимых кожных электродов для электрофизиологического мониторинга.
Как вариант, добавление изолирующего слоя PDMS создавало конденсаторные датчики. Прикосновение к электродам приводит к изменению емкости, что позволяет изготовить носимую клавиатуру. Комбинация плотно прилегающего текстиля с органическими и мягкими электродами обеспечивает улучшенный канал связи с человеческим телом по сравнению с традиционным твердотельным электронным устройством.
Этот метод позволяет в будущем кастомизировать существующую одежду с помощью интеллектуальных электронных устройств. Однако одним из критических, а в некоторых случаях и ограничивающих моментов этой технологии являются материалы, долговечность органических материалов и износостойкость.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе представлен новый протокол селективного нанесения органических электроактивных материалов на текстиль, что упрощает интеграцию носимых органических электронных устройств непосредственно в одежду. Этот метод улучшает взаимодействие между электроникой и человеческим телом, сохраняя при этом комфорт и механическую целостность.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Носимая электроника
- Органическая электроника
- Текстильная инженерия
Теоретическая часть
- Интеграция электроники с текстилем является одной из основных проблем в области носимых технологий.
- Традиционные методы зачастую отрицательно сказываются на комфорте и эстетике одежды.
- Данный метод основан на принципах исторических практик текстильного производства.
- Целью данной методики является создание экономически эффективного и масштабируемого решения для носимых устройств.
Цель исследования
- Разработать метод бесшовной интеграции органической электроники в текстильные изделия.
- Расширить функциональность одежды за счет внедрения сенсорных возможностей.
- Изучить нетрадиционный подход к объединению электроники с текстилем.
Используемые методы
- Адаптация традиционных техник окрашивания кимоно для современной микрофабрикации.
- Селективное осаждение органических материалов на текстильные подложки.
- Оценка механических свойств интегрированного текстиля.
- Тестирование комфорта и пригодности к ношению конечных изделий.
Основные результаты
- Успешная интеграция органических электронных устройств в текстильные материалы.
- Сохранение механического вида и комфорта текстильных изделий.
- Обеспечение новых сенсорных возможностей в носимых устройствах.
- Демонстрация масштабируемости и экономической эффективности метода.
Выводы
- Данный метод представляет собой значительный прогресс в области носимой электроники.
- Он закладывает основу для будущих исследований в области устройств, интегрированных в текстиль.
- Этот подход может привести к более эффективному взаимодействию между технологиями и человеческим телом.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Данный метод обеспечивает масштабируемую интеграцию органической электроники в текстиль, решая одну из ключевых проблем разработки носимых устройств: создание бесшовных интерфейсов между электроникой и тканью без ущерба для комфорта или механических свойств. Благодаря адаптации исторических методов нанесения рисунка для современной микрофабрикации, этот подход предлагает экономически эффективный способ производства носимых сенсоров и электродов непосредственно на одежде. Это способствует ранним этапам разработки биоинтегрированных систем, в которых механическое соответствие и удобство использования имеют решающее значение для достоверности данных и долгосрочного мониторинга.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: обеспечивает регистрацию физиологических сигналов с помощью конформных электродов, интегрированных в текстиль, которые сохраняют контакт с кожей при движении.
- Практическая ценность: позволяет проверять гипотезы в условиях амбулаторного наблюдения, сохраняя естественную биомеханику в процессе сбора данных.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает создание стандартизированных структурированных органических электронных платформ для надежного считывания сигналов биомаркеров с физиологических поверхностей.
- Практическая ценность: Повышает воспроизводимость анализа за счет масштабируемого нанесения через маски и равномерного покрытия материалов текстильных подложек.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Способствует валидации трансляционных биомаркеров, обеспечивая непрерывный неинвазивный мониторинг в физиологически значимых условиях в естественной среде обитания.
- Практическая ценность: Связывает этапы поиска и доклинических исследований с помощью носимых устройств, которые снижают количество артефактов, вызванных стрессом, в исследованиях на животных и людях.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум открытий — от раннего тестирования биологических гипотез до доклинической валидации, особенно для областей применения, требующих длительного амбулаторного физиологического мониторинга, при котором первостепенное значение имеет стабильность интерфейса между электродом и тканью.
- Открытия в биологии: обеспечивает механический и электрический интерфейс с биологическими системами с помощью растяжимых, конформных электродов, которые сохраняют целостность сигнала при динамическом движении.
- Скрининг: предоставляет количественные данные на основе резистивности от интегрированных в текстиль датчиков, реагирующих на физиологическую деформацию, что позволяет проводить сравнительный анализ условий.
- Аналитика: создает измеримые изменения электрического сопротивления и емкости, которые коррелируют с физиологическими состояниями, что позволяет проводить статистическое сравнение между экспериментальными группами.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность доклинических исследований за счет использования идентичных носимых форматов в различных модельных системах, что снижает трансляционную вариабельность.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой платформенную возможность для многократного использования в различных программах открытий, требующих конформных носимых биоинтерфейсов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов за счет уменьшения механического несоответствия между датчиком и тканью, сводя к минимуму артефакты движения в данных, полученных при перемещении.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизацию и масштабируемость благодаря формированию рисунка с помощью маски и жидкофазному осаждению, совместимому с рулонным производством текстиля.
- Стратегическая ценность: улучшает принятие решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») за счет возможности ранней оценки взаимодействия с мишенью в условиях естественного использования, что снижает вероятность неудач на поздних стадиях из-за низкой приверженности пациентов.
- Влияние на портфель: поддерживает продвижение проектов с учетом рисков путем подтверждения модуляции мишени в физиологически релевантных носимых форматах перед переходом к инвазивным или громоздким альтернативам.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы в области органической электроники, обращения с текстилем и методов микроструктурирования, включая лазерную резку и метод отливки лентой.
- Необходим доступ к вытяжным шкафам, магнитным мешалкам, установкам для УФ-отверждения и оборудованию для термического отжига для обработки материалов.
- Требуется межкомандная стандартизация между материаловедами, инженерами по текстилю и биологами для обеспечения стабильных характеристик электродов на различных типах тканей.
- Необходимо учитывать особенности адаптации к различной растяжимости, толщине и гидрофобности текстиля, которые влияют на абсорбцию PDMS и адгезию материалов.
- Практические ограничения включают долгосрочную стабильность органических электроактивных материалов при многократной стирке, растяжении и воздействии факторов окружающей среды, как отмечено в источнике.
