Summary
I dette papir, præsenterer vi en protokol til selektivt deponere organiske materialer på tekstiler, som giver mulighed for direkte integration af organiske elektroniske anordninger med wearables. De fabrikerede enheder kan være fuldt integreret i tekstiler, respekt for deres mekaniske udseende og muliggør sensing kapaciteter.
Introduction
Feltet af bærbare elektronik er et hurtigt voksende marked forventes at være værd 50 milliarder euro i 2025, over tre gange det nuværende marked. Den største udfordring for de nuværende bærbare enheder er, at indgribende solid elektroniske vedhæftede begrænse brugen af etablerede enheder i bærbare systemer. Brug tekstiler, der allerede er til stede i hverdagen er en meget attraktiv og enkel tilgang for at undgå denne begrænsning. På grund af sin elastiske evne, nogle dele af tøj, som vi bærer er naturligvis i tæt kontakt med huden. Mange eksempler på smart tøj til rådighed på markedet i dag, er baseret på tynde, plast skærme, tastaturer og lyskilde enheder indlejret i tekstiler, der forbinder elektronik med mennesker i et moderigtigt måde en. I sport praksis, sundhedsovervågning afhængig tekstilelektroderne, som tilbyder komfortable alternativer til almindeligt anvendte selvklæbende elektroder og metal armbånd. Her, ledende fibre erdirekte integreret med strækstoffer for at forhindre hudirritation og andre ubehageligheder under udvidet slid. Derudover tekstiler tilbyder en række muligheder for at integrere krumning sensorer til at fange bevægelse 2, at integrere shear sensorer til udvikling af funktionelle robot aktuatorer 3, og bestemt til at integrere biosensorer gennem påvisning af en analyt i sved 4.
Moderne wearable teknologi bygger på kulstof-baserede halvledermaterialer, der leverer elektroniske enheder med unikke egenskaber. Den "bløde" karakter af økologi giver bedre mekaniske egenskaber for sammenknytning med den menneskelige krop i forhold til traditionelle solid-state elektronik. Denne mekanisk kompatibilitet, parret med mekanisk fleksible substrater, muliggør anvendelse af ikke-plane formfaktorer i indretninger såsom tekstiler. Anvendelsen af organiske forbindelser er også relevant i biovidenskab på grund af deres blandede electronic og ionledningsevne 5. Desuden, organisk halvledende og optoelektroniske materialer bemyndige en lang række funktionelle enheder med display, transistor, logik, og magt kapaciteter 6, 7, 8, 9. Den største vanskelighed ved fremstillingen af sådanne organiske anordninger er den styrede aflejring af funktionelle materialer på ikke-plane overflader på tekstiler. Konventionelle microfabrication teknikker er primært begrænset af uforenelighed af depositionen processen med den strukturelle dimensionalitet af tekstile substrater.
Her beskriver vi en enkel og skalerbar fabrikation protokol, der muliggør den selektive aflejring af ledende polymerer om strukturerede tekstiler. Den præsenterede proces muliggør fremstillingen af bærbare og konforme elektroniske enheder. Den fremgangsmåde er baseret på mønsterdannelse af commercially tilgængelige ledende polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) og et elastomert stencil materiale polydimethylsiloxan (PDMS) på tekstil. Denne kombination giver mulighed for effektiv indeslutning af den vandige PEDOT: PSS opløsning, samt for opbevaring af de bløde og strækbare egenskaber af tekstiler. Denne enkle og pålidelig fabrikation metode baner vejen for fremstilling af en bred vifte af elektroniske enheder direkte på tekstiler i en omkostningseffektiv og industrielt skalerbar måde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. mønster ledende polymerer på Textile
- Fastsætte en 10 cm x 10 cm tekstil ark på en plan overflade til nem håndtering under processen. For tekstil, brug en interlock strik polyester 100% med en tykkelse på 300 um og en strik retning stretch kapacitet op til 50%.
- For at lave en maske, der indeholder mønstret design, brug en 125 um tyk polyimid film; et eksempel på det mønster er illustreret i figur 1.
- Brug en laserskærer (f.eks Protolaser S, LPKF) til mønster polyimid masken 10; mønstret design af en elektrode er illustreret i figur 1.
- Coat PDMS formulering (10: 1 base at hærder-forholdet) oven på masken (polyimid film) under anvendelse af en automatisk tape casting værktøj (K kontrol print-coater, rakel) med en våd filmtykkelse på 200 um og ved en 6 m / min coating hastighed. Brug omkring 0,5 ml til en maske på 3 cm x 5 cm. Udfør ther processen under emhætte.
- overføre forsigtigt stoffet til PDMS-overtrukne maske. Henstand i 10 minutter, hvorefter PDMS bør fuldt absorberet i tekstilindustrien struktur.
- Cure prøven i en luft-ovn ved 100 ° C i 10 min.
- Forbered den ledende polymer: PEDOT: PSS dispersion (80 ml), ethylenglycol (20 ml), 4-dodecylbenzensulfonsyre (40 pi), og 3-methacryloxypropyltrimethoxysilan (1 ml) i stinkskab.
- Brush-coate PEDOT: PSS løsning på PDMS-fri område af tekstil, indtil en homogen penetration af opløsningen opnås. Gentag dette trin for at opnå en ensartet mønster farve. Påfør ca. 1 ml / cm2.
- Hærde stof ved 110 ° C i 1 time for at tørre PEDOT: PSS opløsning. Sænk temperaturen til 60 ° C i tekstiler, der er følsomme over for høj temperatur behandling, som nylon.
2. Økologisk Device Fabrication
BEMÆRK: Protokollen i § 1 describes selektiv aflejring af ledende materialer på tekstiler. De følgende afsnit vil beskrive de yderligere nødvendige skridt for at fremstille organiske enheder, ligesom stretch sensorer, OECT transistorer, kutane elektroder og kapacitive sensorer.
- For at fabrikere stretch sensorer, der er vist i figur 3a, mønster elektroden linjer på tekstil, som beskrevet i afsnit 1, trin 1,1-1,5.
BEMÆRK: Et eksempel på det mønster design er vist i figur 3A. Fremstillingen af sådanne sensorer kræver ingen yderligere trin. - At fremstille transistoren design vist i figur 3b, mønster transistoren arrays på en nylon vævet bånd følge trinene beskrevet i afsnit 1. Let modificere PDMS annealing og PEDOT: PSS hærdning foranstaltninger for at undgå termisk nedbrydning af nylon ved hærdning ved 60 ° C i længere tid.
- Til fremstilling af kutane elektroder, der er vist i figur 3c, deponere etionisk gel på den mønstrede PEDOT: PSS tekstiler.
- Forbered en ionisk væske gel blanding indeholdende den ioniske væske, 1-ethyl-3-methylimidazolium-ethyl-sulfat; den tværbindingsmiddel, poly (ethylenglycol) diacrylat; og fotoinitiatoren, 2-hydroxy-2-methylpropiophenon ved en (v / v) forhold på 0,6 / 0,35 / 0,05, henholdsvis.
- Belæg PEDOT: PSS elektrode med ionisk væske (20 pl / cm2) og tilsæt den ioniske væske gel blandingen fra trin 2.3.1 (25 uL / cm2) for dråbe støbning.
- Udsættes for UV-lys (365 nm) for at starte en tværbindingsreaktion i 10-15 min, indtil gelen størkner. Udfør dette trin i stinkskab. Brug en UV-beskyttende bur under UV eksponering.
- For kapacitiv sensor fabrikation, bruge PEDOT: PSS tekstilelektroderne isoleret med et isolerende materiale (figur 3d).
- Isoler tastaturet-lignende PEDOT: PSS elektroder ved hjælp af PDMS; tastaturet motivet kan ses i figur 2b </ Strong>. Fritager PDMS formulering oven på stoffet og fjerne den overskydende med en gummiskraber.
- Læg stoffet i en ovn ved 100 ° C i 10 min. Udfør dette trin i stinkskab.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Traditionelle metoder til påføring farver eller mønstre til tekstiler afhængige aftagelige blænding lag for at tillade selektiv aflejring af farvestoffer. I figur 1, viser vi en tilpasning af en sådan tilgang til mønstret af PEDOT: PSS elektroder på tekstiler. Som maskerende lag, brugte vi hydrofob polydimethylsiloxan, som kan tilbageholde ikke-styrbare diffusion af det vandige PEDOT: PSS opløsning. Desuden kan blødheden og strækbarhed af strikkede og vævede tekstiler bevares takket være de elastiske og mekaniske egenskaber af PDMS.
I figur 1 starter processen med forberedelsen af mønstringen masteren fra polyimidfilm (trin 1). Udformningen af mønsteret omrids er skåret på filmen med en laser. Ved hjælp af en tape casting værktøj er PDMS påføres på denne master (trin 2), tekstilet er placeret på toppen af det (trin 3). T han PDMS derefter gradvis diffunderet ind tekstilet (trin 4). For at stoppe denne overførsel, er en kort termisk udglødning proces kræves for at helbrede de PDMS. Viskositeten og tykkelsen af PDMS kan justeres ved anvendelse af forskellige mængder af parametre hærdemidlet og coating, henholdsvis at kontrollere spredningen og for at sikre den fejlfri replikation af master design. Endelig er ledende opløsning er børste-malet på ubeskyttede tekstil og bagt tørre (trin 5). Polyimid masteren derefter delamineres fra tekstiloverfladen. Resultaterne af fabrikation flow er illustreret i figur 1, til højre. I dette tilfælde blev en succes mønster placeret på strikket polyester. Den mønsterdannelse beslutning om en sådan tekstil er større end 1 mm. Dog kan også fås på stramt strikke eller vævede tekstiler, lavere opløsning. Ved anvendelse af denne deposition teknik, den anslåede flademodstand af den ledende tekstil er tæt på 230 Ω / sq.
_content "fo: holde-together.within-side =" 1 "> Eksempler på funktionelle elektroniske enheder på strik og vævede tekstiler er vist i figur 3a og b, herunder med succes fabrikeret PEDOT:. PSS elektroder på strik tekstiler Den naturlige hestesko arrangement af fibrene i strik tekstiler giver justerbar strækbarhed til tekstiler. Denne fjeder-lignende evne af strik strukturer kan resultere i meget følsomme strain-sensorer 11. en simpel deformation i tekstil- struktur reflekteres af en ændring i den elektriske modstand som følge af snoningen af ledende fibre i trådene. Derudover ved at udnytte den hygroskopiske evne tekstilerne blev arrayet af elektroder i figur 3b mønstrede på tekstiler for at gøre plane transistorer med rektangulære kanaler og forskellige gate bredder, som kan anvendes i wearable sved sensing. sådan en geometrisk konfiguration anvendes i økologisk elektrokemiske transistors (OECT) for sensing hvilken kanal og gate er sammenkædet med en prøve af en analyt 12.Den præsenterede mønsterdannelse teknik kan udvides til at fabrikere komplekse organiske elektroniske enheder på tekstiler. Som PDMS stencil forbliver i tekstil- efter mønsterdannelsesprocessen, kan yderligere lag mønstres på PEDOT: PSS-coated ledende tekstiler. I figur 2 præsenterer vi den proces, hvor en ionisk væske gelopløsning (figur 2a) og PDMS formuleringen (figur 2b) blev påført funktionalisere eller isolere overfladen af en PEDOT: PSS elektrode hhv. Ioniske geler er i vid udstrækning anvendes i kutane elektroder. Inkorporeringen af et ionisk gel i ledende tekstiler blev anvendt til at fremstille bærbare tekstilelektroderne til elektrofysiologisk overvågning 10 og er illustreret i figur 3c. Kapacitive sensorer blev foretaget by isolerende tekstil elektrodeoverfladen med PDMS. En ændring i kapacitansen blev detekteret, når elektroden blev rørt. En sådan trykfølsom indretning blev anvendt til fremstilling af et organisk elektronisk tekstil tastatur 13, som vist i figur 3d.
Figur 1. Process flow illustrerer mønsterdannelse af ledende polymerer på tekstiler. Procesflow illustrerer mønsterdannelse af ledende polymerer på tekstiler. Trin 1: maske forberedelse; trin 2: PDMS aflejring på polyimid mønsterdannelse masken afgrænser omridset af det ønskede design; trin 3: overførsel af maske lag ved placeringen af tekstilet på PDMS-overtrukne maske; trin 4: overførsel af PDMS i størstedelen af tekstil, trin 5: aflejring af ledende polymer opløsningen på ubeskyttet tekstil. Billederne til højre viser results de vigtigste trin i processen flow. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. To eksempler på fabrikation organiske enheder. To eksempler på fabrikation organiske enheder. a) ioniske væske gel belægning på PEDOT: PSS tekstil elektrode til kutan sensing. b) Isolering lag aflejring på PEDOT: PSS tekstil elektrode til berøringsfølsomme sensorer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Fotografier af organisk elektronisk tekstile enheder. a) PEDOT: PSS elektroder til stretch sensing. b) Array af OECT transistorer til wearable biosensorer. c) Cirkulære PEDOT: PSS elektrode belagt med en ionisk væske gel til kutan elektrofysiologi. d) Økologiske touch sensorer til en wearable tastatur. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det mønster af ledende materialer er en af de første skridt i fremstillingen af funktionelle elektroniske enheder. Dette kan blive udfordrende, som fremstillingsprocessen skal tage hensyn til de kemiske og fysiske egenskaber af sådanne materialer, og processen flow behov for at overveje materialet cross-kompatibilitet mellem de fabrikationstrin. I mikrofabrikation af organiske elektroniske enheder, disse to aspekter er endnu større på grund af den meget reaktive natur økologi. Men i dag, organiske materialer er yderst attraktive for bærbare og fleksible elektronik til deres elektro-elastisk egenskaber 14, 15. Overførslen af sådanne teknologier til tekstiler for at opnå fuldt integrerede elektroniske wearables er begrænset af deres tre-dimensionelle strukturer. Konventionelle teknikker, der anvendes i mikrofabrikation er begrænset til inkjet eller trykning af ledende blæk kun på tynd substrAtes og tekstiler 16, 17, 18. Traditionel broderi teknik, hvor en enkelt fiber er syet ind i tekstil, mangler stadig industriproduktionen skalerbarhed.
Det mest kritiske aspekt i mønstret for organiske stoffer er aflejring uden at forstyrre de elektriske egenskaber. Den mønsterdannelse teknikken beskrevet i figur 1 er afhængig af den direkte aflejring af organiske, uden behov for at imødekomme specifikationerne for aflejringen teknik eller værktøjet. De organiske materialer er formuleret til de bedste af deres præstationer, og kan derefter blive sat direkte på den valgte stof struktur. Anvendeligheden af PDMS er nøglen til mønster materialer fra opløsningen på tekstiler. Anvendelsen af ledende materialer fra lav-viskositet opløsning, snarere end at bruge pastalignende trykfarver, muliggør en konform og dyb belægning i tekstil struktur. Men det begrænser selective deposition og fører til tab af mønstret opløsning. Vi har overvundet denne begrænsning ved at skabe et negativt mønster fra PDMS, der hindrer den ikke-kontrolleret ledende opløsning indtrængen i tekstil. Den strategiske valg af PDMS er baseret på dets viskoelastiske egenskaber, der bevarer de tekstil strækbarhed og fleksibilitet. PDMS er også hydrofob og muliggør kontrol med spredningen af PEDOT: PSS vandbaseret opløsning under mønsterdannelse. Vi observerede, at de ledende mønstre fremstillet ved hjælp af denne protokol demonstrerede god elektrisk ledningsevne og stabilitet under mekaniske deformationer. Denne metode giver den fremtidige tilpasning af eksisterende tøj med smarte komponenter, der har elektroniske kapaciteter. Men en af de kritiske og, i nogle tilfælde, begrænsende punkter af den foreslåede fremgangsmåde er stadig organisk materiale holdbarhed i wearable betingelser. Nogle aspekter, såsom mekanisk belastning modstand og adfærd efter vask ennd tørring af organiske ledende tekstiler, er stadig ukendt.
Det store flertal af bærbare elektronik stole på strækbare enheder, hvor forår-lignende strukturer er skabt til at opretholde den elektriske forbindelse under enhedens deformation. Afhængigt af hvilken type tekstil er fibrene i strikstoffer samlet i en hestesko design, som giver mekanisk strækbarhed af strukturen. Overtrækning disse tekstiler med ledende materialer tillader individuelle fibre til at fungere som strain og bevægelsessensorer i intelligent tøj, som vist i figur 3a. Desuden kan mere kompleks anordning geometrier let være mønstret, ikke kun på strik, men også af vævede stoffer. I figur 3b præsenterer vi en vifte af OECTs med variable geometrier. I konventionel fotolitografi, er næsten umuligt den samtidige fremstilling af store og små features at opnå uden at kræve flere trin. Vi viser, at vores mønsterdannelse teknik er i stand til at produktie mønstre med en opløsning, der varierer fra 0,5 mm til omkring hundrede gange større. Sådanne transistorer kan anvendes direkte i bærbare sved sensing med en justerbar tid respons og påvisning resolution 19.
Vi har vist, at PDMS også muliggør fortløbende aflejring af yderligere funktionelle lag på en selektiv måde, som vist i figur 2. Enheder kan derefter integreret i tekstiler og bliver fuldt integreret på bærbare systemer. Processen i figur 2a viser fremstillingen af en kutan tekstil elektrode, hvor kontakten mellem elektroden og huden forøges med en ionisk væske gel. Wearable elektroder i kutan elektrofysiologi lider bevægelsesartefakter forårsaget af den elektriske kontakt nedbrydning mellem bæreren og elektroder under optagelserne. Muligheden for at integrere ioniske geler på tekstilelektroderne åbner en effektiv kommunikationskanal medmenneskelige krop, som ønskes i wearable sundhedspleje enheder. Et eksempel på en sådan indretning kan ses i figur 3c.
Den konsekutive aflejring af andre aktive materialer kan resultere i enheder ved hjælp en stak geometri, såsom organiske batterier, kondensatorer, solceller, transistorer eller sensorer. Figur 2b viser aflejring rute af isolerende eller dielektrisk materiale. En wearable organisk tastatur (figur 3d) kan fremstilles ved hjælp af denne proces, hvor PDMS bruges til at skabe et dielektrisk lag oven på elektroden. En sådan indretning er i stand til kapacitiv variation sensing mellem elektroden og en finger, som kan have potentielt interessante anvendelser i wearable computing og menneske-maskine grænseflade.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SYLGARD 184, Silicone elastomer kit (Base and Curing agent) | Dow Corning | PDMS elastomer | |
| The conducting polymer formulation | |||
| CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSS | Heraeus | Conductive polymer | |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 03750-250ML | Solvent (EG), CAS: 107-21-1 |
| 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane | Sigma-Aldrich | M6514 | Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0 |
| 4-dodecylbenzenesulfonic acid | Sigma-Aldrich | 44198 | DBSA; CAS: 121-65-3 |
| The ionic liquid gel | |||
| UV lamp DFE 2340 | C.I.F/ ATHELEC | DP134 | UV-365 nm |
| 1-Ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate | Sigma-Aldrich | 51682-100G-F | Ionic Liquid (IL), CAS: 342573-75-5 |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 455008-100ML | Mn 700, CAS: 26570-48-9 |
| 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon | Sigma-Aldrich | 405655-50ML | Phot Initiator (PI), CAS: 7473-98-5 |
| The textile fabric | VWR | Spec-Wipe 7 Wipers | 100% interlock knit polyester fabric |
| The polyimide film | DuPont | HN100 | Polyimide film with 125 µm thickness |
References
- 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).
- Takamatsu, S., et al. Transparent conductive-polymer strain sensors for touch input sheets of flexible displays. J. Micromech. Microeng. 20, 075017 (2010).
- Patel, S., et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 9, 21 (2012).
- 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).
- Owens, R. M., Malliaras, G. G. Organic Electronics at the Interface with Biology. MRS Bull. 35 (6), 449-456 (2010).
- 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).
- 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).
- Hamedi, M., Forchheimer, R., Inganäs, O. Towards woven logic from organic electronic fibres. Nat. Mater. 6, 357-362 (2007).
- Bao, L., Li, X. Towards Textile Energy Storage from Cotton T-Shirts. Adv. Mater. 24, 3246-3252 (2012).
- Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Sci. Rep. 5, 15003 (2015).
- Yamada, T., et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection. Nat. Nanotechnol. 6, 296-301 (2011).
- Shim, N. Y., et al. All-plastic electrochemical transistor for glucose sensing using a ferrocene mediator. Sensors. 9, 9896-9902 (2009).
- Takamatsu, S., et al. Wearable Keyboard Using Conducting Polymer Electrodes on Textiles. Adv. Mater. 28, 4485-4488 (2016).
- 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).
- 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).
- Zhang, Z., Qiu, J., Wang, S. Roll-to-roll printing of flexible thin-film organic thermoelectric devices. Manuf. Lett. 8, 6-10 (2016).
- 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).
- Matsuhisa, N., et al. Printable elastic conductors with a high conductivity for electronic textile applications. Nat. Commun. 6, 7461 (2015).
- Bernards, D. a, Malliaras, G. G. Steady-State and Transient Behavior of Organic Electrochemical Transistors. Adv. Funct. Mater. 17 (17), 3538-3544 (2007).
