Summary
Dans cet article, nous présentons un protocole pour déposer sélectivement des matières organiques sur les textiles, ce qui permet l'intégration directe des dispositifs électroniques organiques avec wearables. Les dispositifs fabriqués peuvent être pleinement intégrés dans le textile, en respectant leur aspect mécanique et permettant des capacités de détection.
Introduction
Le domaine de l'électronique portable est un marché en croissance rapide devrait être une valeur de 50 milliards d'euros en 2025, plus de trois fois le marché actuel. Le principal défi auquel sont confrontés les appareils portables actuels est que les pièces jointes électroniques solides intrusives limitent l'utilisation de dispositifs établis dans les systèmes portables. Utilisation de textiles qui sont déjà présents dans la vie quotidienne est une approche très intéressante et simple pour éviter cette limitation. En raison de sa capacité élastique, certaines parties du vêtement que nous portons sont naturellement en contact étroit avec la peau. De nombreux exemples de vêtements intelligents disponibles sur le marché aujourd'hui sont basées sur des minces, des affichages en plastique, les claviers et les dispositifs de source de lumière intégrés dans le textile, l' électronique reliant avec les humains d'une manière à la mode 1. Dans la pratique du sport, la surveillance de la santé repose sur des électrodes textiles, qui offrent des alternatives confortables couramment utilisées électrodes adhésives et bracelets métalliques. Ici, les fibres conductrices sontdirectement intégré avec des tissus extensibles pour éviter les irritations de la peau et d'autres inconforts pendant le port prolongé. En outre, les textiles offrent un certain nombre de possibilités d'intégrer des capteurs de courbure pour capturer le mouvement 2, d'intégrer des capteurs de cisaillement pour le développement d'actionneurs robotiques fonctionnels 3, et certainement à intégrer biocapteurs grâce à la détection d'un analyte dans la sueur 4.
technologie portable moderne repose sur des matériaux semi-conducteurs à base de carbone qui fournissent des appareils électroniques avec des propriétés uniques. La nature «soft» des matières organiques offre de meilleures propriétés mécaniques pour l'interfaçage avec le corps humain par rapport à l'électronique traditionnelle à l'état solide. Cette compatibilité mécanique, couplé avec des substrats flexibles mécaniquement, permet l'utilisation de non-planaires facteurs de forme dans des dispositifs tels que les textiles. L'utilisation des matières organiques est également pertinente dans les sciences de la vie en raison de leur ele mixteconductivité ionique et ctronic 5. Par ailleurs, semiconductrice organique et des matériaux optoélectroniques habilitent une grande variété de dispositifs fonctionnels avec affichage, le transistor, la logique et les capacités de puissance 6, 7, 8, 9. La principale difficulté dans la fabrication de tels dispositifs organiques est le dépôt contrôlé de matériaux fonctionnels sur les surfaces non planes de textiles. des techniques de microfabrication classiques sont principalement limités par l'incompatibilité du procédé de dépôt avec la dimension structurelle des substrats textiles.
Ici, nous décrivons un protocole de fabrication simple et évolutive qui permet le dépôt sélectif de polymères conducteurs sur des textiles structurés. Le procédé présenté permet la fabrication de dispositifs électroniques portables et conformes. L'approche est basée sur la structuration de la commercially disponible poly conductrice de polymère (3,4-éthylènedioxythiophène): poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) et un polydiméthylsiloxane matériau stencil élastomère (PDMS) sur le textile. Cette combinaison permet un confinement efficace de la solution aqueuse de PEDOT: PSS solution, ainsi que pour la conservation des propriétés molles et de textiles extensibles. Cette méthode de fabrication simple et fiable ouvre la voie à la fabrication d'une variété de dispositifs électroniques directement sur les textiles d'une manière rentable et industriellement évolutive.
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Protocol
1. patterning Conducting Polymers sur textile
- Fixer un x 10 cm nappe textile 10 cm sur une surface plane pour faciliter la manipulation au cours du processus. Pour le textile, utilisant un tricot interlock tissu de polyester à 100% ayant une épaisseur de 300 pm et une capacité de tricot direction d'étirage allant jusqu'à 50%.
- Pour faire un masque contenant la conception de motif, utiliser un film de polyimide 125 um d'épaisseur; un exemple du motif est illustrée sur la figure 1.
- Utilisez un coupe-laser (par exemple, ProtoLaser S, LPKF) pour le motif de masque de polyimide 10; la conception de motif d'une électrode est illustré sur la figure 1.
- Enduire la formulation PDMS (10: 1 base pour durcir le rapport de l'agent) sur le dessus du masque (film de polyimide) en utilisant un outil de bande automatique de coulée (K commande print-coucheuse, racle) avec une épaisseur de film humide de 200 um et à une 6 m / min vitesse de couchage. Utiliser environ 0,5 ml pour un masque de 3 cm x 5 cm. Effectuer eest procédé sous la hotte.
- transférer délicatement le tissu au masque de PDMS revêtu. Laisser pendant 10 minutes, après quoi les PDMS devraient être entièrement absorbées par la structure textile.
- Durcir l'échantillon dans une étuve à air à 100 ° C pendant 10 min.
- Préparer le polymère conducteur: PEDOT: PSS dispersion (80 ml), de l'éthylène glycol (20 ml), de l'acide 4-dodécylbenzènesulfonique (40 pi) et le 3-méthacryloxypropyltriméthoxysilane (1 ml) dans la hotte.
- Brosse-coat PEDOT: PSS solution sur la surface du textile libre PDMS jusqu'à une pénétration homogène de la solution est obtenue. Répétez cette étape pour obtenir une couleur de motif uniforme. Appliquer environ 1 ml / cm 2.
- Traiter le tissu à 110 ° C pendant 1 heure pour sécher le PEDOT: PSS solution. Réduire la température à 60 ° C pour les textiles qui sont sensibles à un traitement à haute température, comme le nylon.
2. Fabrication de périphériques bio
NOTE: Le protocole à la section 1 describes le dépôt sélectif de matériaux conducteurs sur les textiles. Les sections suivantes décrivent les étapes supplémentaires nécessaires pour fabriquer des dispositifs organiques, comme des capteurs d'étirement, transistors OECT, des électrodes cutanées, et des capteurs capacitifs.
- Pour fabriquer des capteurs d'étirement, représentés sur la figure 3a, modèle les lignes d'électrodes sur le textile, tel que décrit dans la section 1, les étapes 1.1-1.5.
REMARQUE: Un exemple de la conception du schéma est représenté sur la figure 3a. La fabrication de tels capteurs ne nécessite pas d'étapes supplémentaires. - Pour fabriquer la conception du transistor représenté sur la figure 3b, le motif des réseaux de transistors sur un ruban en nylon tissé suivant les étapes décrites dans la section 1. modifier légèrement le recuit de PDMS et PEDOT: PSS durcissement des mesures pour éviter la dégradation thermique de nylon par cuisson à 60 ° C pendant une durée plus longue.
- Pour la fabrication d'électrodes cutanées, représentée sur la figure 3c, déposer ungel ionique sur le PEDOT motif: textiles PSS.
- Préparer un mélange de gel liquide ionique contenant le liquide ionique, le 1-éthyl-3-méthylimidazolium, le sulfate d'éthyle; l'agent de réticulation, le poly (éthylène glycol) diacrylate; et le photo-initiateur, la 2-hydroxy-2-méthylpropiophénone à (v / v) rapport de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivement.
- Enduire le PEDOT: PSS électrode avec un liquide ionique (20 pl / cm 2) et ajouter le mélange ionique de gel de liquide de l' étape 2.3.1 (25 pl / cm 2) par coulée de goutte.
- Exposer à une lumière UV (365 nm) pour initier une réaction de réticulation pendant 10 à 15 min jusqu'à ce que la solidification du gel. Effectuez cette étape dans la hotte. Utiliser une cage anti-UV lors de l'exposition aux UV.
- Pour la fabrication du capteur capacitif, utiliser PEDOT: électrodes textiles PSS isolés avec un matériau isolant (Figure 3d).
- Isoler le clavier comme PEDOT: PSS électrodes utilisant les PDMS; la conception du clavier peut être vu sur la figure 2b </ Strong>. Distribuer la formulation PDMS sur le dessus du tissu et enlever l'excès avec une raclette.
- Placer le tissu dans un four à 100 ° C pendant 10 min. Effectuez cette étape dans la hotte.
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Representative Results
Les méthodes traditionnelles d'application de couleurs ou des motifs textiles reposent sur des couches de masquage amovibles pour permettre le dépôt sélectif de colorants. Dans la figure 1, nous montrons l'adaptation d'une telle approche à la structuration de PEDOT: PSS électrodes sur les textiles. En tant que couche de masquage, on a utilisé un polydiméthylsiloxane hydrophobe, ce qui peut freiner la diffusion non contrôlable du PEDOT aqueux: solution PSS. En outre, la souplesse et l'extensibilité des tissus tricotés et tissés peuvent être conservées grâce aux propriétés élastiques et mécaniques des PDMS.
Sur la figure 1, le procédé commence par la préparation du maître de formation de motif de film de polyimide (étape 1). La conception du contour du motif est gravé sur le film par un laser. L'utilisation d'un outil de coulage en bande, le PDMS est appliqué sur ce maître (étape 2), et le textile est placé sur le dessus de celui-ci (étape 3). T il PDMS est ensuite progressivement diffusé dans le textile (étape 4). Pour arrêter ce transfert, un procédé thermique court recuit est nécessaire pour guérir les PDMS. La viscosité et l'épaisseur du PDMS peuvent être ajustées en utilisant des quantités différentes des paramètres de l'agent de durcissement et d'enrobage, respectivement, pour contrôler la diffusion et pour assurer la reproduction parfaite de la conception du maître. Enfin, la solution conductrice est brosse peinte sur le textile non protégés et au four pour sécher (étape 5). Le maître de polyimide est ensuite délaminé de la surface du textile. Les résultats du flux de fabrication sont illustrés sur la figure 1, à droite. Dans ce cas, un motif de succès a été placé sur le polyester tricoté. La résolution de formation de motif sur un tel textile est supérieure à 1 mm. Cependant, la résolution inférieure peut également être obtenue sur les textiles étroitement tricotés ou tissés. En utilisant cette technique de dépôt, la résistance de feuille d'environ textile conducteur est proche de 230 Ω / sq.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Des exemples de dispositifs électroniques fonctionnels sur les textiles tricotés et tissés sont présentés dans la figure 3a et b, y compris PEDOT fabriqués avec succès:. électrodes PSS sur les textiles en tricot L'arrangement en fer à cheval naturel de les fibres dans le textile en tricot sont étirabilité réglables pour les tissus. Cette capacité de structures tricotées analogue à un ressort peut entraîner des capteurs de déformation très sensibles 11. une simple déformation de la structure textile se traduit par une variation de la résistivité électrique due à la torsion des conducteurs des fibres dans les fils. en outre, en tirant profit de la capacité hygroscopique des textiles, le réseau d'électrodes de la figure 3b a été calquée sur les textiles pour réaliser des transistors planaires avec des canaux rectangulaires et les différentes largeurs de grille, qui peuvent être utilisés dans mettable sueur détection. une telle configuration géométrique est utilisée dans transisto électrochimique organiquers (OECT) pour détecter le canal et la grille sont reliés par un échantillon d'un analyte 12.La technique de formation de motif présenté peut être étendu à la fabrication de dispositifs électroniques organiques complexes sur les textiles. Que le pochoir PDMS reste dans le tissu après le procédé de formation de motifs, des couches supplémentaires peuvent être modelées sur le PEDOT: PSS-conducteur revêtu du textile. Sur la figure 2, on présente le procédé dans lequel une solution ionique de gel liquide (figure 2a) et la formulation PDMS (figure 2b) ont été appliqués à fonctionnaliser ou d' isoler la surface d'un PEDOT: PSS électrode, respectivement. gels ioniques sont largement utilisés dans les électrodes cutanées. L'incorporation d'un gel ionique dans la conduite des textiles a été utilisé pour fabriquer des électrodes textiles portables pour la surveillance électrophysiologique 10 et est illustré sur la figure 3c. Les capteurs capacitifs ont été faites by isoler la surface de l'électrode textile avec PDMS. Une variation de la capacité est détectée lorsque l'électrode est touchée. Un tel dispositif tactile a été utilisé pour fabriquer un textile électronique organique clavier 13, comme représenté sur la figure 3d.
Couler la figure 1. Procédé illustrant la formation de motifs de polymères conducteurs sur des textiles. Enchaînement des opérations illustrant la formation de motifs de polymères conducteurs sur des textiles. Etape 1: Préparation de masque; étape 2: le dépôt de PDMS sur le masque de formation de motif polyimide définissant le contour du dessin désiré; étape 3: transfert de la couche de masquage par le placement du textile sur le masque PDMS revêtu; étape 4: le transfert du PDMS dans la masse de l'industrie textile, étape 5: dépôt d'une solution de polymère conductrice sur le textile non protégé. Les images de droite montrent la results des étapes clés du déroulement du processus. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Deux exemples de dispositifs organiques de fabrication. Deux exemples de dispositifs organiques de fabrication. a) revêtement ionique liquide de gel sur le PEDOT: PSS électrode textile pour la détection cutanée. b) le dépôt de la couche d'isolation sur le PEDOT: PSS électrode textile pour les capteurs tactiles. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Photographies de texte électronique organiquedispositifs ile. a) PEDOT: PSS électrodes pour étirer détection. b) Tableau de transistors OECT pour biocapteur portable. c) circulaire PEDOT: PSS électrode revêtue d'un gel liquide ionique pour électrophysiologie cutanée. d) des capteurs tactiles organiques pour un clavier portable. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Discussion
La structuration des matériaux conducteurs est l'une des premières étapes dans la fabrication de dispositifs électroniques fonctionnels. Cela peut devenir difficile, car le processus de fabrication doit prendre en compte les propriétés chimiques et physiques de ces matériaux, et le flux de processus doit tenir compte de la compatibilité croisée matériau entre les étapes de fabrication. Dans la microfabrication de dispositifs électroniques organiques, ces deux aspects sont encore plus importantes en raison de la nature hautement réactive des matières organiques. Aujourd'hui, cependant, les matériaux organiques sont très attrayants pour les appareils électroniques portables et flexibles pour leurs propriétés électro-élastique 14, 15. Le transfert de ces technologies aux textiles pour obtenir des wearables électroniques entièrement intégrés est limitée par leurs structures en trois dimensions. Les techniques classiques utilisées dans microfabrication sont limités à jet d'encre ou sérigraphie d'encres conductrices uniquement sur substr minceAtes et textiles 16, 17, 18. technique de broderie traditionnelle, où une seule fibre est cousue dans le textile, manque encore l'évolutivité de la production industrielle.
L'aspect le plus important dans la formation de motifs des matières organiques est un dépôt sans déranger les propriétés électriques. La technique de formation de motif décrit dans la figure 1 repose sur le dépôt direct des produits organiques, sans qu'il soit nécessaire de respecter les spécifications de la technique de dépôt ou de l'outil. Les matières organiques sont formulés au mieux de leurs performances et peuvent être ensuite déposés directement sur la structure du tissu choisi. L'utilité de PDMS est la clé de matériaux de motif de solution sur les textiles. L'application de matériaux conducteurs de la solution à faible viscosité, plutôt que d'utiliser des encres pâteuses, permet à un revêtement conforme et profondément dans la structure textile. Cependant, elle limite la selectivle dépôt de courrier et conduit à la perte de la résolution de formation de motifs. Nous avons surmonté cette limitation en créant un motif négatif de PDMS pour empêcher la pénétration non contrôlée solution conductrice dans le textile. Le choix stratégique du PDMS est basée sur ses propriétés visco-élastiques, qui maintiennent l'extensibilité du textile et de la flexibilité. PDMS est également hydrophobe et permet le contrôle de la propagation de la PEDOT: une solution à base d'eau PSS pendant la formation de motifs. Nous avons observé que les motifs conducteurs fabriqués en utilisant ce protocole ont démontré une bonne conductivité et la stabilité électrique lors des déformations mécaniques. Cette méthode permet la personnalisation future de vêtements existants avec des composants intelligents qui ont des capacités électroniques. Cependant, l'un des critiques et, dans certains cas, les points de l'approche proposée limitant est encore la durabilité de la matière organique dans des conditions faciles à porter. Certains aspects, tels que la résistance aux contraintes mécaniques et le comportement après le lavage à unend séchage des textiles conducteurs organiques, sont encore inconnues.
La grande majorité des appareils électroniques portables reposent sur des dispositifs étirables, où les structures semblables à des ressorts sont créés pour maintenir la connexion électrique lors de la déformation de l'appareil. En fonction du type de textile, les fibres dans les tissus tricotés sont assemblés dans une conception de fer à cheval, en fournissant une extensibilité mécanique de la structure. Le revêtement de ces textiles avec des matériaux conducteurs permet fibres individuelles d'agir comme contrainte et capteurs de mouvement dans les vêtements intelligents, comme le montre la Figure 3a. Par ailleurs, les géométries de dispositifs plus complexes peuvent facilement être modelés, non seulement sur le tricot, mais aussi sur les tissus. Dans la figure 3b, nous présentons un tableau de OECTs avec des géométries variables. Dans la photolithographie classique, la fabrication simultanée de fonctions, petits et grands est presque impossible à réaliser sans nécessiter de multiples étapes. Nous démontrons que notre technique de mise en forme est capable de producmotifs de E avec une résolution qui varie de 0,5 mm à environ cent fois plus grande. Ces transistors peuvent être directement utilisés dans la sueur portable de détection avec un temps de réponse réglable et la résolution de détection 19.
Nous avons démontré que le PDMS permet également le dépôt consécutif de couches fonctionnelles supplémentaires d'une manière sélective, comme représenté sur la figure 2. Les périphériques peuvent ensuite être intégrées dans le textile et deviennent entièrement intégré sur les systèmes portables. Le procédé de la figure 2a montre la fabrication d'une électrode textile cutanée, où le contact entre l'électrode et la peau est renforcée avec un gel liquide ionique. des électrodes d'usure en électrophysiologie cutanée souffrent d'artefacts de mouvement provoqués par la dégradation du contact électrique entre le porteur et les électrodes pendant un enregistrement. La possibilité d'intégrer des gels ioniques sur des électrodes textiles ouvre un canal de communication efficace avec lele corps humain, ce qui est souhaitable dans les appareils médicaux portables. Un exemple d'un tel dispositif peut être vu sur la figure 3c.
Le dépôt consécutif d'autres matières actives peut entraîner des dispositifs utilisant une géométrie de la pile, tels que des batteries, des condensateurs organiques, des cellules solaires, des transistors, ou des capteurs. La figure 2b montre le tracé de matériaux isolants ou diélectriques dépôt. Un clavier organique portable (figure 3d) peut être fabriqué en utilisant ce procédé, dans lequel le PDMS est utilisé pour créer une couche diélectrique au - dessus de l'électrode. Un tel dispositif est capable de détecter une variation capacitive entre l'électrode et un doigt, ce qui peut avoir des applications potentiellement intéressantes dans l'informatique portable et homme-machine entoilage.
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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
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