Summary
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll selektiv organische Materialien auf Textilien zu deponieren, die für die direkte Integration von organischen elektronischen Vorrichtungen mit Wearables erlaubt. Die hergestellten Geräte können vollständig in Textilien integriert werden, deren mechanische Erscheinungsbild zu respektieren und ermöglicht Sensorfunktionen.
Introduction
Das Gebiet der Wearable Electronics ist ein schnell wachsender Markt erwartet im Jahr 2025 im Wert von 50 Milliarden Euro sein, mehr als das Dreifache des aktuellen Markt. Die größte Herausforderung aktuelle tragbare Geräte zugewandt ist, dass aufdringliche solide elektronische Anlagen, die Nutzung etablierter Geräte in tragbaren Systemen begrenzen. Mit Textilien, die bereits im Alltag ist ein sehr attraktiver und einfacher Ansatz, diese Einschränkung zu vermeiden. Aufgrund ihrer elastischen Fähigkeit, einige Teile der Kleidung, die wir sind von Natur aus mit der Haut in engen Kontakt tragen. Viele Beispiele für intelligente Kleidung auf dem Markt basieren heute auf dünnen, Kunststoff - Displays, Tastaturen und Lichtquellenvorrichtungen in Textilien eingebettet und verbindet Elektronik mit Menschen in einem modischen Weg 1. In der Sportpraxis setzt die Gesundheitsüberwachung auf Textil-Elektroden, die eine bequeme Alternativen bieten zu Klebeelektroden und Metall-Armbänder verwendet. Hier leitfähige Fasern sinddirekt integriert mit dehnbare Stoffe Hautreizungen und andere Beschwerden bei längerer Verschleiß zu vermeiden. Zusätzlich bieten Textilien eine Reihe von Möglichkeiten Krümmungssensoren zur Erfassung der Bewegung 2 zu integrieren , Schersensoren für die Entwicklung von funktionellen Roboter Aktuatoren 3, zu integrieren und sicher 4 Biosensoren durch den Nachweis eines Analyten im Schweiß zu integrieren.
Moderne tragbare Technologie beruht auf Kohlenstoff basierenden Halbleitermaterialien, die elektronische Geräte mit einzigartigen Eigenschaften zu liefern. Die "weichen" Art von organischen Stoffen bietet bessere mechanische Eigenschaften für den menschlichen Körper im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperelektronik Schnittstelle. Diese mechanische Kompatibilität, gepaart mit mechanisch flexiblen Substraten, ermöglicht die Verwendung von nicht-ebenen Formfaktoren in Geräten wie Textilien. Die Verwendung von organischen Stoffen ist auch relevant in Life Sciences aufgrund ihrer gemischten electronic und Ionenleitfähigkeit 5. Außerdem ermächtigen organischen Halbleiter- und optoelektronischen Materialien eine Vielzahl von Funktionsgeräte mit Display, Transistor, Logik und Leistungsfähigkeiten 6, 7, 8, 9. Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von solchen organischen Vorrichtungen ist die kontrollierte Abscheidung von Funktionsmaterialien auf die nicht ebenen Oberflächen von Textilien. Herkömmliche Mikrofabrikationstechniken werden durch die Unverträglichkeit des Abscheidungsprozesses mit der strukturellen Dimensionalität von textilen Substraten in erster Linie beschränkt.
Hier beschreiben wir eine einfache und skalierbare Herstellungsprotokoll, das auf strukturierte Textilien aus leitfähigen Polymeren für die selektive Abscheidung ermöglicht. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die Herstellung von tragbaren und konforme elektronische Geräte. Der Ansatz basiert auf der Strukturierung der commercially verfügbar leitende Polymer Poly (3,4-ethylendioxythiophen): Poly (styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) und ein elastomeres Schablonenmaterial Polydimethylsiloxan (PDMS) auf Textil. Diese Kombination ermöglicht die effiziente Begrenzung der wässrigen PEDOT: PSS-Lösung sowie für die Beibehaltung der Weich und dehnbaren Eigenschaften von Textilien. Dieses einfache und zuverlässige Herstellungsmethode bereitet den Weg für die Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Geräten direkt auf Textilien in einer kosteneffizienten und industriell skalierbar.
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Protocol
1. Patterning Leitfähige Polymere auf Textilien
- Fix eine 10 cm x 10 cm Textilfolie auf einer ebenen Oberfläche für eine einfache Handhabung während des Prozesses. Für die Textil-, verwenden, um eine 100% Interlock-Strickpolyestergewebe mit einer Dicke von 300 & mgr; m und einer Strickrichtung Stretch-Fähigkeit bis zu 50%.
- Um eine Maske mit dem Musterentwurf machen, verwenden Sie eine 125 um dicke Polyimid-Folie; Ein Beispiel des Musters ist in Figur 1 veranschaulicht.
- Verwenden Sie einen Laserschneider (zB Protolaser S, LPKF) zum Muster der Polyimid - Maske 10; die Musterauslegung einer Elektrode ist in Abbildung 1 veranschaulicht.
- Bestreichen Sie die PDMS-Formulierung (10: 1 Base Agent Verhältnis Härtung) auf der Oberseite der Maske (Polyimid-Folie) mit einem automatischen Bandgusswerkzeug (K Steuerdruck-Beschichtungsvorrichtung, Rakel) mit einer Nassfilmdicke von 200 & mgr; m und bei einer 6 m / min Beschichtungsgeschwindigkeit. Verwenden etwa 0,5 ml für eine Maske von 3 cm x 5 cm. Führen Sie thist unter dem Abzug Prozess.
- übertragen Sie den Stoff vorsichtig an die PDMS-beschichteten Maske. Lassen Sie für 10 Minuten, danach sollten die PDMS vollständig in der Textilstruktur aufgenommen werden.
- Härten der Probe in einem Luftofen bei 100 ° C für 10 min.
- Vorbereiten des leitenden Polymers: PEDOT: PSS-Dispersion (80 ml), Ethylenglykol (20 ml), 4-Dodecylbenzolsulfonsäure (40 ul) und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (1 ml) in der Abzugshaube.
- Bürstenbeschichtung der PEDOT: PSS-Lösung auf dem PDMS-freien Bereich des Textils, bis ein homogenes Eindringen der Lösung erhalten wird. Wiederholen Sie diesen Schritt ein einheitliches Muster Farbe zu erzielen. Gelten etwa 1 ml / cm 2.
- Härten des Gewebes bei 110 ° C für 1 h, um die PEDOT trocknen: PSS-Lösung. Reduzieren Sie die Temperatur auf 60 ° C für Textilien, die auf eine Behandlung mit hoher Temperatur empfindlich sind, wie Nylon.
2. Organische Bauelementherstellung
HINWEIS: Das Protokoll in Abschnitt 1 describes die selektive Abscheidung von Materialien auf Textilien durch. In den folgenden Abschnitten werden die zusätzlichen Schritte beschreiben benötigten organischen Vorrichtungen herzustellen, wie Dehnungssensoren, OECT Transistoren, Hautelektroden und kapazitive Sensoren.
- Um Dehnungssensoren, gezeigt in 3a, Muster , welches die Elektrodenleitungen auf dem Textil herzustellen, wie in Abschnitt 1 beschrieben, werden die Schritte 1,1-1,5.
HINWEIS: Ein Beispiel für die Musterauslegung ist in 3a gezeigt. Die Herstellung solcher Sensoren erfordert keine zusätzlichen Schritte. - Um den Aufbau des Transistors herzustellen in 3b gezeigt, Muster der Transistor - Arrays auf einem Nylon Webband nach den in Abschnitt beschriebenen Schritte 1. Ändern Sie leicht die PDMS - Glüh- und PEDOT: PSS Schritte Härten des thermischen Abbau von Nylon zu vermeiden , indem bei 60 ° Härtung C für eine längere Zeit.
- Für die Herstellung von Hautelektroden, in 3c gezeigt ist , abzuscheiden einionischen Gel auf der gemusterten PEDOT: PSS Textilien.
- Bereiten einer ionischen Flüssigkeit Gelgemisch enthält die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-Ethylsulfat; das Vernetzungsmittel, Poly (ethylenglykol) diacrylat; und der Photoinitiator, 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon mit einer (v / v) Verhältnis von 0,6 / 0,35 / 0,05.
- Bestreichen Sie die PEDOT: PSS - Elektrode mit ionischen Flüssigkeit (20 & mgr; l / cm 2) und fügen Sie die ionische Flüssigkeit Gel Mischung aus Schritt 2.3.1 (25 & mgr; l / cm 2) für Tropfen Gießen.
- Expose mit UV-Licht (365 nm), um eine Vernetzungsreaktion für 10-15 min zu initiieren, bis das Gel erstarrt. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube. Verwenden Sie einen UV-Schutzkorb bei UV-Exposition.
- Für kapazitive Sensorherstellungs Verwenden PEDOT: PSS textile Elektroden mit einem isolierenden Material (Abbildung 3d) isoliert.
- Isolieren Sie die Tastatur-wie PEDOT: PSS-Elektroden die PDMS; die Tastatur - Design kann in 2b zu sehen </ Strong>. Dispense die PDMS-Formulierung auf der Oberseite des Gewebes und entfernen Sie den Überschuss mit einem Rakel.
- Platzieren Sie den Stoff in einem Ofen bei 100 ° C für 10 min. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube.
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Representative Results
Traditionelle Methoden für Farben oder Muster auf Textilien setzen auf entfernbaren Maskierungsschichten zu ermöglichen, die selektive Abscheidung von Farbstoffen anwenden. In 1 zeigen wir die Anpassung eines solchen Ansatzes zur Strukturierung von PEDOT: PSS Elektroden auf Textilien. Als Maskierungsschicht verwendeten wir hydrophobem Polydimethylsiloxan, das die nicht-steuerbaren Diffusion des wässrigen PEDOT zurückhalten kann: PSS-Lösung. Darüber hinaus kann die Weichheit und Dehnbarkeit von gewirkten und gewebten Textilien durch die elastischen und mechanischen Eigenschaften der PDMS erhalten bleiben.
In 1 beginnt der Prozeß mit der Herstellung des Strukturierungs Master aus Polyimidfolie (Schritt 1). Das Design des Musters outline wird auf den Film mit einem Laser geschnitten. Mit Hilfe eines Bandgusswerkzeug wird das PDMS auf diesem Master angelegt (Schritt 2), und das Textil platziert oben drauf (Schritt 3). T er PDMS wird dann diffundiert allmählich in die textile (Schritt 4). Um diese Übertragung zu stoppen, ein kurzer thermischer Glühprozess erforderlich, um die PDMS zu heilen. Die Viskosität und Dicke der PDMS kann durch Verwendung unterschiedlicher Mengen der Härtungsmittel und Beschichtungsparameter eingestellt werden, bzw. die Diffusion zu steuern und die einwandfreie Replikation des Master Design sicherzustellen. Schließlich ist die leitende Lösung Pinsel bemalt auf dem ungeschützten Textil- und gebacken, um zu trocknen (Schritt 5). Das Polyimid-Master wird dann von der textilen Oberfläche delaminiert. Die Ergebnisse des Herstellungsflusses sind in Figur 1 auf der rechten Seite veranschaulicht. In diesem Fall wurde erfolgreich Strukturierung auf Polyestergewirke platziert. Die Strukturierungsauflösung auf einer solchen Textil größer ist als 1 mm. Jedoch können niedrigere Auflösung auch auf engmaschiges oder gewebten Textilien erzielt werden. Unter Verwendung dieser Abscheidungstechnik, die geschätzte Flächenwiderstand der leitenden Textil liegt nahe 230 Ω / sq.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Beispiele für funktionale elektronische Geräte auf stricken und gewebte Textilien werden mit PEDOT erfolgreich hergestellt in 3a und b gezeigt. PSS Elektroden auf stricken Textilien Die natürliche hufeisen Anordnung die Fasern in gestricktem Gewebe bietet einstellbare Dehnbarkeit Stoffe. Dieses federartige Fähigkeit Strickstrukturen in hochempfindlichen Dehnungssensoren 11 führen kann. eine einfache Verformung in der Textilstruktur wird durch eine Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund der Verdrehung der leitenden reflektierten Fasern in den Fäden. Zusätzlich wird durch die Vorteile der Hygroskopizität der Textilien wobei die Anordnung von Elektroden in 3b auf Textilien gemustert wurde, um planar - Transistoren mit rechteckigen Kanälen und verschiedenen Gatebreiten bilden, die in tragbaren Schweiß Messung verwendet werden kann. eine solche geometrische Konfiguration wird in der organischen elektrochemischen transisto verwendetrs (OECT) zum Erfassen , welcher Kanal und Gate durch eine Probe eines Analyten , 12 verbunden sind.Die dargestellte Strukturierungstechnik kann erweitert werden, um komplexe organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien herzustellen. Da die PDMS Schablone in der Textil nach dem Strukturierungsprozess verbleibt, kann zusätzliche Schichten auf PEDOT strukturiert werden: PSS-beschichteten Textilien durch. In Figur 2 stellen wir das Verfahren , bei dem eine ionische Flüssigkeit - Gel - Lösung (2a) und der PDMS - Formulierung (2b) , um die Oberfläche eines PEDOT zu funktionalisieren oder zu isolieren angewendet wurden: jeweils PSS Elektrode. Ionische Gele werden in Hautelektroden weitgehend verwendet. Die Inkorporation eines ionischen Gels Textilien in leitenden wurde verwendet , um 10 tragbare textile Elektroden für elektrophysiologische Überwachung herzustellen und ist in Figur 3c veranschaulicht. Kapazitive Sensoren wurden gemacht by Isolierung der Textilelektrodenoberfläche mit PDMS. Eine Veränderung in der Kapazität detektiert wurde, wenn die Elektrode berührt wurde. Eine solche wurde ein berührungsempfindliches Gerät als eine organische elektronische textile Tastatur 13, in 3d gezeigt herzustellen verwendet.
Abbildung 1. Prozess fließen , um die Strukturierung der Darstellung Polymere auf Textilien durch. Prozessablauf veranschaulicht die Strukturierung von Polymeren auf Textilien durch. Schritt 1: Maske Vorbereitung; Schritt 2: PDMS Abscheidung auf der Maske Polyimid Strukturieren der Umriß des gewünschten Design definieren; Schritt 3: Übertragung der Maskierungsschicht durch die Anordnung des Textils auf dem PDMS beschichteten Maske; Schritt 4: Übertragung der PDMS in die Masse des Textil, Schritt 5: Abscheidung von Polymerlösung auf ungeschützte textile leiten. Die Bilder auf der rechten Seite zeigen die resuLTS der wichtigsten Schritte des Prozessablaufs. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Zwei Beispiele für die Herstellung organischer Bauelemente. Zwei Beispiele für die Herstellung organischer Vorrichtungen. a) Ionic Liquid - Gel - Beschichtung auf der PEDOT: PSS Textilelektrode für die kutane Erkundung. b) Isolationsschichtabscheidung auf dem PEDOT: PSS textile Elektrode für Touch - Sensoren. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Fotografien von organischen elektronischen Textile-Geräte. a) PEDOT: PSS - Elektroden für Dehnungsmessung. b) Array von OECT Transistoren für tragbare Biosensoren. c) Kreis PEDOT: PSS - Elektrode mit einer ionischen Flüssigkeit Gel beschichtet für die kutane Elektrophysiologie. d) Organische Touch - Sensoren für eine tragbare Tastatur. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Die Strukturierung der leitfähigen Materialien ist einer der ersten Schritte bei der Herstellung von funktionellen elektronischen Geräten. Dies kann schwierig werden, da der Herstellungsprozess Berücksichtigung der chemischen und physikalischen Eigenschaften solcher Materialien zu nehmen braucht, und der Prozessablauf braucht die Materialquer Kompatibilität zwischen den Herstellungsschritten zu berücksichtigen. In dem Mikrofabrikations von organischen elektronischen Vorrichtungen sind diese beiden Aspekte noch deutlicher aufgrund der hoch reaktiven Natur von organischen Stoffen. Heute jedoch sind organische Materialien sehr attraktiv für tragbare und flexible Elektronik für ihre elektro elastischen Eigenschaften 14, 15. Die Übertragung solcher Technologien auf Textilien voll integrierte elektronische Wearables zu erhalten, wird durch ihre dreidimensionale Strukturen beschränkt. Herkömmliche Techniken in Mikro verwendet werden, um Tintenstrahl- oder Siebdruck von leitenden Tinten beschränkt nur auf dünnen substrAtes und Textilien 16, 17, 18. Traditionelle Sticktechnik, wo eine einzelne Faser in das Textil genäht ist, fehlt noch die industrielle Produktion Skalierbarkeit.
Der kritischste Aspekt bei der Strukturierung von organischen Materialien ist Ablagerung ohne die elektrischen Eigenschaften zu stören. Die Strukturierungstechnik in Figur 1 beschrieben beruht auf der direkten Abscheidung von organischen Stoffen , ohne Notwendigkeit Spezifikationen der Abscheidungstechnik oder dem Werkzeug zu erfüllen. Die organischen Materialien werden nach bestem ihrer Leistungen formuliert und können dann direkt auf der gewählten Gewebestruktur hinterlegt. Die Nützlichkeit von PDMS ist der Schlüssel zur Mustermaterialien aus Lösung auf Textilien. Die Anwendung von Materialien aus der niedrigviskosen Lösung leitet, anstatt pastöse Druckfarben ermöglicht eine konforme Beschichtung und tiefe in Textilstruktur. Jedoch schränkt sie die selective Abscheidung und führt zum Verlust der Strukturierungsauflösung. Wir haben diese Einschränkung zu überwinden, indem ein negatives Muster aus PDMS Schaffung der nicht kontrollierten leitende Lösung Eindringen in das Gewebe zu begrenzen. Die strategische Wahl des PDMS basiert auf ihrer viskoelastischen Eigenschaften, die das textile Streckbarkeit und Flexibilität aufrechtzuerhalten. Das PDMS ist auch hydrophob und ermöglicht die Steuerung der Ausbreitung der PEDOT: PSS Lösung auf Wasserbasis bei der Strukturierung. Wir beobachteten, dass die leitfähigen Muster unter Verwendung dieses Protokolls hergestellt zeigten eine gute elektrische Leitfähigkeit und Stabilität bei der mechanischen Deformationen. Diese Methode ermöglicht es, die Zukunft die Anpassung von vorhandenen Kleidungsstücke mit intelligenten Komponenten, die elektronische Fähigkeiten haben. Allerdings ist einer der kritischen und in einigen Fällen Punkte des vorgeschlagenen Konzepts zu begrenzen ist noch organisches Material Haltbarkeit in tragbaren Bedingungen. Einige Aspekte, wie beispielsweise mechanische Beanspruchbarkeit und das Verhalten nach dem Waschen einnd Trocknen von organischen leitenden Textilien, sind noch unbekannt.
Die große Mehrheit der Wearable Electronics setzen auf dehnbare Geräte, in denen federartige Strukturen geschaffen werden, um die elektrische Verbindung während der Geräte Verformung zu halten. In Abhängigkeit von der Textilart, werden die Fasern in Gestricke in einem hufeisen Design montiert, mechanische Dehnbarkeit der Struktur bereitgestellt wird. Die Beschichtung , die Textilien mit leitfähigen Materialien ermöglicht einzelnen Fasern als Stamm und Bewegungssensoren in intelligente Kleidung zu handeln, wie in 3a gezeigt. Außerdem können komplexere Vorrichtungsgeometrien leicht strukturiert werden, nicht nur auf knit, sondern auch auf Gewebe. In 3b stellen wir eine Reihe von OECTs mit variabler Geometrie. Bei herkömmlichen Photolithographie ist die gleichzeitige Herstellung von großen und kleinen Features fast unmöglich, ohne dass mehrere Schritte zu erreichen. Wir zeigen, dass unsere Strukturierungstechnik der Lage ist, produce Muster mit einer Auflösung, die von 0,5 mm bis etwa hundert mal größer variiert. Solche Transistoren in tragbaren Schweiß Erkundung mit einem einstellbaren Zeitverhalten und Erfassungsauflösung werden kann 19 direkt verwendet.
Wir haben gezeigt , dass PDMS auch die fortlaufende Abscheidung von zusätzlichen Funktionsschichten in einer selektiven Art und Weise ermöglicht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Geräte können dann in Textilien und werden voll integriert auf tragbare Systeme integriert werden. Das Verfahren in Figur 2a zeigt die Herstellung eines kutanen textile Elektrode, wobei der Kontakt zwischen der Elektrode und der Haut mit einer ionischen Flüssigkeit Gel erhöht wird. Tragbarer Elektroden in kutanen Elektro leiden an Bewegungsartefakte durch die elektrischen Kontaktverschlechterung zwischen dem Träger und Elektroden während der Aufnahmen verursacht. Die Möglichkeit, ionische Gele zur Integration auf textilen Elektroden öffnet einen effizienten Kommunikationskanal mit demmenschlichen Körper, die in tragbare Gesundheitseinrichtungen erwünscht ist. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung kann in 3c zu sehen.
Die fortlaufende Abscheidung von anderen aktiven Materialien können in Vorrichtungen führen eine Stapelgeometrie, wie beispielsweise organische Batterien, Kondensatoren, Solarzellen, Transistoren oder Sensoren. Figur 2b zeigt die Abscheidungs Route der isolierenden oder dielektrischen Materialien. Tragbares organische Tastatur (Abbildung 3d) kann mit diesem Verfahren hergestellt werden, wobei das PDMS verwendet wird , eine dielektrische Schicht auf der Elektrode zu erzeugen. Eine solche Vorrichtung ist in der Lage kapazitive Änderungs-Erfassungs zwischen der Elektrode und einem Finger, der potentiell interessanten Anwendungen in tragbaren Rechen haben und Mensch-Maschine-Schnittstellen.
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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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