Summary
In questo articolo, vi presentiamo un protocollo per depositare selettivamente materiali organici sui tessuti, che consente l'integrazione diretta di dispositivi elettronici organici con indossabili. I dispositivi fabbricati possono essere pienamente integrati nel settore tessile, rispettando il loro aspetto meccanico e consentendo capacità di rilevamento.
Introduction
Il campo di elettronica indossabile è un mercato in rapida crescita dovrebbe essere del valore di 50 miliardi di euro nel 2025, più di tre volte il mercato attuale. La sfida principale per dispositivi indossabili attuale è che solidi allegati elettronici intrusive limitano l'utilizzo di dispositivi stabiliti nei sistemi indossabili. Utilizzando tessuti che sono già presenti nella vita quotidiana è un approccio molto attraente e semplice per evitare questa limitazione. Grazie alla sua capacità elastica, alcune parti dell'indumento che indossiamo sono naturalmente in stretto contatto con la pelle. Molti esempi di abiti eleganti disponibili oggi sul mercato si basano su, display sottili di plastica, tastiere e dispositivi di sorgente di luce incorporati nei tessuti, che collega l'elettronica con gli esseri umani in un modo alla moda 1. In pratica lo sport, monitoraggio della salute si basa su elettrodi tessili, che offrono alternative comode da utilizzati comunemente elettrodi adesivi e braccialetti di metallo. Qui, fibre conduttive sonodirettamente integrato con tessuti elastici per evitare irritazioni della pelle e altri disagi durante l'utilizzo prolungato. Inoltre, tessili offrono una serie di opportunità di integrare sensori curvatura per catturare il movimento 2, per integrare i sensori di taglio per lo sviluppo di attuatori robotici funzionali 3, e certamente integrare biosensori attraverso la rivelazione di un analita nel sudore 4.
La moderna tecnologia indossabile si basa su materiali semiconduttori a base di carbonio che forniscono dispositivi elettronici con proprietà uniche. La natura "soft" di sostanze organiche offre migliori proprietà meccaniche per l'interfacciamento con il corpo umano rispetto alla elettronica a stato solido tradizionali. Questa compatibilità meccanica, in coppia con substrati flessibili meccanicamente, consente l'impiego di fattori di forma non planari in dispositivi quali tessili. L'uso di sostanze organiche è rilevante anche nelle scienze della vita a causa della loro ele mistactronic e ionici conducibilità 5. Inoltre, semiconduttori organici e materiali optoelettronici potenziare una grande varietà di dispositivi funzionali con display, transistor, logica e capacità di potenza 6, 7, 8, 9. La principale difficoltà nella fabbricazione di tali dispositivi organici è la deposizione controllata di materiali funzionali sulle superfici non planari di tessuti. tecniche di microfabbricazione convenzionali sono essenzialmente limitati dalla incompatibilità del processo di deposizione con la dimensionalità strutturale di substrati tessili.
Qui, descriviamo un semplice e scalabile protocollo di fabbricazione che consente la deposizione selettiva di polimeri conduttori su tessuti strutturati. Il processo presentato permette la fabbricazione di dispositivi elettronici indossabili e conformazionale. L'approccio è basato sulla patterning del commercially disponibili conduzione poli polimero (3,4-ethylenedioxythiophene): poli (stirene solfonato) (PEDOT PSS) e un polidimetilsilossano materiale elastomerico stencil (PDMS) sulla tessile. Questa combinazione permette il confinamento efficiente del PEDOT acquosa: soluzione PSS, nonché per la conservazione delle proprietà morbido ed estensibile di tessuti. Questo metodo di fabbricazione semplice ed affidabile apre la strada per la fabbricazione di una varietà di dispositivi elettronici direttamente sui tessuti in modo economicamente efficiente e industrialmente scalabile.
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Protocol
1. patterning polimeri conduttori sul tessile
- Fix a 10 cm x 10 cm strato tessile su una superficie piana per una facile movimentazione durante il processo. Per tessile, utilizzare un interblocco tessuto lavorato a maglia 100% poliestere con spessore di 300 um e una capacità maglia direzione di stiro fino al 50%.
- Per fare una maschera con il motivo patterning, utilizzare un poliimmide film 125 micron di spessore; un esempio del modello è illustrato in Figura 1.
- Utilizzare una taglierina laser (ad esempio, Protolaser S, LPKF) al modello della maschera poliimmide 10; il disegno del modello di un elettrodo è illustrato in Figura 1.
- Coat formulazione PDMS (10: 1 base per curare rapporto agent) sulla parte superiore della maschera (film poliimmide) utilizzando uno strumento automatico del nastro di colata (K controllo di stampa-coater, racla) con uno spessore di film umido di 200 micron e ad un 6 m / min velocità di rivestimento. Uso circa 0,5 mL di una maschera di 3 cm x 5 cm. eseguire °è processo sotto la cappa.
- Delicatamente trasferire il tessuto alla maschera PDMS rivestita. Lasciare per 10 min, dopo di che i PDMS dovrebbero essere pienamente assorbiti nella struttura tessile.
- Curare il campione in un atmosferica a 100 ° C per 10 min.
- Preparare il polimero conduttore: PEDOT PSS dispersione (80 mL), glicol etilenico (20 mL), acido 4-dodecilbenzensolfonico (40 mL), e 3-metacrilossipropiltrimetossisilano (1 mL) nella cappa.
- Spazzola-coat la PEDOT: soluzione PSS sull'area-PDMS libere del tessuto fino ad una penetrazione omogenea della soluzione ottenuta. Ripetere questo passaggio per ottenere un modello di colore uniforme. Applicare circa 1 ml / cm 2.
- Cure tessuto a 110 ° C per 1 h per asciugare il PEDOT: soluzione PSS. Ridurre la temperatura a 60 ° C per tessuti che sono sensibili al trattamento ad alta temperatura, come il nylon.
2. fabbricazione di dispositivi organici
NOTA: Il protocollo nella sezione 1 describes la deposizione selettiva di materiali conduttori sul tessile. Le sezioni seguenti descrivono gli ulteriori passi necessari per fabbricare dispositivi organici, come i sensori stretch, transistor OECT, elettrodi cutanei e sensori capacitivi.
- Per fabbricare sensori stirata, mostrati in figura 3a, modello dei cavi degli elettrodi sul tessuto, come descritto al punto 1, punti 1.1-1.5.
NOTA: Un esempio del modello di progettazione è mostrato in figura 3a. La fabbricazione di tali sensori non richiede alcuna operazione aggiuntiva. - Per realizzare il progetto transistore mostrato in Figura 3b, modello gli array di transistor su un nastro di nylon tessuto seguendo la procedura descritta nella sezione 1. modificare leggermente la ricottura PDMS e PEDOT PSS curare misure per evitare la degradazione termica di nylon da una cottura a 60 ° C per un tempo più lungo.
- Per la fabbricazione di elettrodi cutanei, illustrata nella figura 3c, depositare unogel ionico sulla PEDOT fantasia: tessile PSS.
- Preparare una miscela gel liquido ionico contenente il liquido ionico, 1-etil-3-methylimidazolium-etil solfato; l'agente reticolante, poli (etilene glicol) diacrilato; e il fotoiniziatore, 2-idrossi-2-methylpropiophenone a (v / v) rapporto 0,6 / 0,35 / 0,05, rispettivamente.
- Rivestire la PEDOT: elettrodi PSS con liquido ionico (20 l / cm 2) e aggiungere la miscela di gel liquido ionico a partire dal punto 2.3.1 (25 ml / cm 2) a goccia casting.
- Esporre alla luce UV (365 nm) per avviare una reazione di reticolazione per 10-15 minuti, fino a quando i solidifica gel. Eseguire questo passaggio nella cappa. Utilizzare una gabbia di protezione UV durante l'esposizione ai raggi UV.
- Per capacitivo fabbricazione del sensore, utilizzare PEDOT: elettrodi tessili PSS coibentati con materiale isolante (figura 3d).
- Isolare la tastiera simile PEDOT: elettrodi PSS utilizzando i PDMS; il design della tastiera può essere visto in Figura 2b </ Strong>. Distribuire la formulazione PDMS sulla parte superiore del tessuto e rimuovere l'eccesso con una spatola.
- Posizionare il tessuto in un forno a 100 ° C per 10 min. Eseguire questo passaggio nella cappa.
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Representative Results
I metodi tradizionali per l'applicazione di colori o modelli di tessuti si affidano a strati di mascheramento rimovibili per consentire la deposizione selettiva di coloranti. Nella figura 1, mostriamo l'adattamento di un tale approccio alla patterning di PEDOT: elettrodi PSS sui tessuti. Come strato di mascheratura, abbiamo usato polidimetilsilossano idrofobico, che può trattenere la diffusione non controllabile della PEDOT acquosa: soluzione PSS. Inoltre, la morbidezza e elasticità dei tessuti a maglia e tessuti possono essere conservati grazie alle proprietà elastiche e meccaniche dei PDMS.
Nella figura 1, il processo inizia con la preparazione del master patterning di film di poliimmide (passaggio 1). Il disegno del profilo del modello è inciso sulla pellicola da un laser. Utilizzando uno strumento tape casting, il PDMS è applicata sul master (fase 2), ed il tessuto viene posto su di esso (fase 3). T egli PDMS è poi progressivamente diffuso nel tessile (punto 4). Per fermare questo trasferimento, un breve processo di ricottura termica è necessaria per curare il PDMS. La viscosità e lo spessore dei PDMS può essere regolata utilizzando diverse quantità di parametri di catalizzatore e rivestimento, rispettivamente, per controllare la diffusione e per assicurare la replica impeccabile del disegno master. Infine, la soluzione conduttore è spazzola dipinta sul tessuto non protetto e cotto a secco (fase 5). Il master poliimmide viene poi delaminate dalla superficie tessile. I risultati del flusso fabbricazione sono illustrati in Figura 1, a destra. In questo caso, patterning successo è stato posto su poliestere maglia. La risoluzione patterning su tale tessuto è superiore a 1 mm. Tuttavia, la risoluzione inferiore può essere ottenuta anche su tessuti ermeticamente maglia o tessuti. Utilizzando questa tecnica di deposizione, la resistenza stimata foglio di tessile conduzione è vicino a 230 Ω / sq.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Esempi di dispositivi elettronici funzionali su tessuti a maglia e tessuti sono mostrati in figura 3a e B, compresa PEDOT fabbricato con successo:. elettrodi PSS su tessuti a maglia La disposizione a ferro di cavallo naturale le fibre tessili maglia fornisce elasticità regolabile per tessuti. Questa capacità primaverile di strutture maglia può provocare sensori di deformazione altamente sensibili 11. una semplice deformazione nella struttura tessile viene riflesso da una variazione della resistività elettrica dovuta alla torsione del conduttore fibre nei fili. Inoltre, sfruttando la capacità igroscopica dei tessuti, la matrice di elettrodi in figura 3b è stata modellata su tessuti per rendere transistori planari con canali rettangolari e differenti larghezze di gate, che possono essere utilizzati nel rilevamento sudore indossabile. Tale configurazione geometrica è utilizzato in transisto elettrochimica organicars (OECT) per il rilevamento quale canale e porta sono collegati da un campione di un analita 12.La tecnica patterning presentato può essere esteso per fabbricare dispositivi elettronici complessi organici su tessuti. Come stencil PDMS rimane nel tessuto dopo il processo di patterning, strati aggiuntivi possono essere modellati sulla PEDOT PSS-rivestito conduzione tessili. In figura 2, presentiamo il processo in cui (figura 2b) sono stati applicati una soluzione ionica gel liquido (figura 2a) e la formulazione PDMS di funzionalizzare o isolare la superficie di un PEDOT: elettrodo PSS rispettivamente. gel ionici sono largamente utilizzati negli elettrodi cutanei. L'incorporazione di un gel ionico nella conduzione tessile è stato usato per fabbricare elettrodi tessili indossabili per il monitoraggio elettrofisiologico 10 ed è illustrato in figura 3c. I sensori capacitivi sono state fatte By isolante superficie dell'elettrodo tessile con PDMS. Una variazione della capacità è stato rilevato quando l'elettrodo è stato toccato. Tale dispositivo sensibile al tocco è stato usato per fabbricare un organico tastiera tessile elettronico 13, come mostrato in figura 3d.
Figura 1. Processo di flusso che illustra il patterning di polimeri conduttori su tessuti. Flusso di processo che illustra il patterning di polimeri conduttori su tessuti. Fase 1: Preparazione maschera; step 2: deposizione PDMS sulla maschera poliimmide patterning definente il contorno del disegno desiderato; Fase 3: trasferimento dello strato di mascheratura per il posizionamento del tessuto sulla maschera PDMS rivestita; fase 4: trasferimento dei PDMS nel bulk del tessuto, passo 5: la deposizione di condurre soluzione polimerica sul tessuto non protetto. Le immagini a destra mostrano la resuLTS dei passaggi chiave del flusso di processo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Due esempi di dispositivi organici fabbricazione. Due esempi di dispositivi organici fabbricazione. a) rivestimento ionico liquido gel sulla PEDOT PSS tessile elettrodo per il rilevamento cutanea. b) la deposizione di strati di isolamento sul PEDOT: elettrodi tessile PSS per sensori tattili. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Fotografie del testo elettronico organicodispositivi Ile. a) PEDOT: elettrodi per il rilevamento PSS tratto. b) Array di transistor OECT per biosensori indossabili. c) PEDOT circolare PSS elettrodo rivestito con un gel liquido ionico per elettrofisiologia cutanea. d) sensori tattili organici per una tastiera indossabile. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il patterning di materiali conduttori è uno dei primi passi nella fabbricazione di dispositivi elettronici funzionali. Questo può diventare difficile, come il processo di fabbricazione deve tener conto delle proprietà chimiche e fisiche di tali materiali, e il flusso di processo deve considerare il materiale trasversale compatibilità tra le fasi di fabbricazione. Nella microfabbricazione di dispositivi elettronici organici, questi due aspetti sono ancora più significativi a causa della natura altamente reattiva di sostanze organiche. Oggi, tuttavia, i materiali organici sono estremamente attraenti per elettronica indossabile e flessibili per le loro proprietà elettro-elastico 14, 15. Il trasferimento di tali tecnologie tessili per ottenere indossabili elettronici completamente integrati è limitata dalle loro strutture tridimensionali. Le tecniche convenzionali utilizzate nella microfabbricazione sono limitati a getto di inchiostro o serigrafia di inchiostri conduttivi solo su substr sottileAtes e tessuti 16, 17, 18. tecnica di ricamo tradizionale, dove una singola fibra è cucito nel tessile, manca ancora industriale scalabilità di produzione.
L'aspetto più critico nel patterning di materiali organici è deposizione senza disturbare le proprietà elettriche. La tecnica patterning descritto nella figura 1 si basa sulla deposizione diretta di sostanze organiche, senza necessità di soddisfare le specifiche della tecnica di deposizione o lo strumento. I materiali organici sono formulati al meglio delle loro prestazioni e possono essere depositati direttamente sulla struttura tessuto scelto. L'utilità di PDMS è la chiave per materiali modello da soluzione su tessuti. L'applicazione di materiali conduttori dalla soluzione a bassa viscosità, piuttosto che utilizzare inchiostri pastosa, consente un conformazionale e rivestimento profondo struttura tessile. Tuttavia, limita la selective deposizione e conduce alla perdita della risoluzione patterning. Abbiamo superare questa limitazione creando un modello negativo da PDMS a frenare la penetrazione non controllato soluzione conduttore nel tessile. La scelta strategica del PDMS è basato sulle sue proprietà visco-elastiche, che mantengono di allungamento tessile e flessibilità. Il PDMS è idrofobico e permette il controllo della diffusione del PEDOT: soluzione acquosa PSS durante il patterning. Abbiamo osservato che i modelli conduttivi fabbricati utilizzando questo protocollo dimostrato una buona conducibilità elettrica e la stabilità durante deformazioni meccaniche. Questo metodo consente il futuro personalizzazione di capi esistenti con componenti intelligenti che hanno capacità elettronici. Tuttavia, uno dei critica e, in alcuni casi, limitando punti dell'approccio proposto è ancora materiale organico durata in condizioni indossabili. Alcuni aspetti, come la resistenza alle sollecitazioni meccaniche e comportamento dopo il lavaggio unND essiccazione di tessuti conduttivi organici, sono ancora sconosciute.
La grande maggioranza di elettronica indossabile affidamento su dispositivi estensibili, dove vengono create strutture primaverili per mantenere il collegamento elettrico durante la deformazione del dispositivo. A seconda del tipo di tessuto, le fibre di tessuti a maglia sono assemblati in un ferro di cavallo, fornendo estensibilità meccanica della struttura. Rivestimento questi tessuti con materiali conduttori permette singole fibre di agire come deformazione e sensori di movimento in abiti intelligenti, come mostrato nella figura 3a. Inoltre, geometrie dei dispositivi più complessi possono essere facilmente modellato, non solo sulla maglia, ma anche su tessuti. In figura 3b, vi presentiamo una serie di OECTs con geometrie variabili. In fotolitografia convenzionale, la fabbricazione simultanea di grandi e piccole caratteristiche è quasi impossibile da raggiungere senza richiedere più passaggi. Abbiamo dimostrato che la nostra tecnica patterning è in grado di produe modelli con una risoluzione che varia da 0,5 mm a circa cento volte maggiore. Tali transistori possono essere utilizzati direttamente in sensing sudore indossare con un tempo di risposta regolabile e risoluzione rilevazione 19.
Abbiamo dimostrato che PDMS consente anche la deposizione consecutivo di strati funzionali aggiuntivi in maniera selettiva, come mostrato nella Figura 2. I dispositivi possono quindi essere integrati nel settore tessile e diventano completamente integrato nei sistemi indossabili. Il processo in Figura 2a mostra la realizzazione di un elettrodo tessuto cutaneo, dove il contatto tra l'elettrodo e la pelle è rafforzata con un gel liquido ionico. elettrodi indossabili in elettrofisiologia cutanea soffrono di artefatti di movimento causati dal degrado contatto elettrico tra l'utilizzatore e gli elettrodi durante le registrazioni. La possibilità di integrare i gel ionici sugli elettrodi tessili apre un canale di comunicazione efficace con ilcorpo umano, che è desiderato in dispositivi sanitari indossabili. Un esempio di un tale dispositivo può essere visto in figura 3c.
La deposizione consecutivo di altri materiali attivi può provocare dispositivi che utilizzano una geometria pila, quali batterie organici, condensatori, celle solari, transistori, o sensori. La Figura 2b mostra il percorso deposizione di materiali isolanti o dielettrici. Una tastiera organica indossabile (Figura 3d) può essere fabbricato utilizzando questo processo, dove il PDMS è usato per creare uno strato dielettrico sulla sommità dell'elettrodo. Tale dispositivo è in grado di variazione capacitiva rilevamento tra l'elettrodo ed un dito, che può avere applicazioni potenzialmente interessanti a computer da indossare e interfacciamento uomo-macchina.
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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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