Summary
本稿では、ウェアラブルと有機電子デバイスの直接統合を可能にする選択的織物上に有機材料を堆積するためのプロトコルを提示します。製造されたデバイスは、完全に機械的な外観を尊重し、検知機能を有効にする、繊維に組み込むことができます。
Introduction
ウェアラブルエレクトロニクスの分野では3回、現在の市場の上、2025年に500億ユーロの価値があると予想される急成長している市場です。現在のウェアラブルデバイスが直面する主な課題は、侵入型固体電子添付ファイルがウェアラブルシステムで確立されたデバイスの使用を制限しているということです。日常生活の中ですでに存在している繊維製品を使用することでこの制限を回避するために非常に魅力的かつ直接的なアプローチです。 、その弾性能力を、私たちが着る衣服の一部が皮膚に密着して自然にあります。市場で入手可能なスマート服の多くの例は、今日はファッショナブルな方法1で人間と電子機器をつなぐ、薄い、プラスチックディスプレイ、キーボード、および織物に埋め込まれた光源装置に基づいています。スポーツの練習では、ヘルスモニタリングは、一般的に、接着剤、電極と金属リストバンドを使用するために快適な選択肢を提供するテキスタイル電極、に依存しています。ここでは、導電性繊維であります直接長時間着用中に皮膚刺激やその他の不快感を防ぐために、伸縮性のある生地と統合。また、テキスタイルは、運動2をキャプチャするために、曲率センサを統合する機能ロボットアクチュエータ3の開発のためのせん断センサーを統合するために、そして確かに汗4中の検体を検出することによりバイオセンサーを統合するために多くの機会を提供しています。
現代の着用可能な技術は、独自の特性を有する電子デバイスを提供炭素系半導体材料に依存します。有機物の「ソフト」な性質は、従来の固体エレクトロニクスに比べ、人体とのインタフェースのための良好な機械的性質を提供しています。機械的にフレキシブル基板とペアこの機械的適合性は、そのような繊維のような装置における非平面形状因子の使用を可能にします。有機物の使用は、これらの混合ELEに生命科学にも関連していますctronicとイオン伝導性5。また、有機半導体および光電子材料は、ディスプレイ、トランジスタ、ロジック、および電源機能6、7、8、9を有する機能素子の多種多様な力を与えます。このような有機デバイスの製造における主な困難は、繊維の非平面表面上の機能材料の制御された沈着です。従来の微細加工技術は、主に織物基材の構造的次元を有する堆積プロセスの不適合性によって制限されます。
ここでは、構造化繊維製品上の導電性ポリマーの選択的な堆積を可能にし、シンプルでスケーラブルな製造プロトコルを記述します。提示方法は、ウェアラブルとコンフォーマル電子デバイスの製造を可能にします。アプローチは、Cのパターンに基づいていますommercially利用可能な導電性ポリマー、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT：PSS）及び織物のエラストマーステンシル材料、ポリジメチルシロキサン（PDMS）。この組み合わせは、水性PEDOTの効率的な閉じ込めを可能にする：PSS溶液、ならびに繊維製品のソフトで伸縮性の特性を保持するため。このシンプルで信頼性の高い製造方法は、費用効率的かつ工業的にスケーラブルな方法で直接繊維製品上のさまざまな電子機器を製造するための道を開きます。
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Protocol
1.パターニングは、繊維上の導電性高分子
- 処理中に簡単に処理するための平坦な表面上の10センチメートル×10センチの繊維シートを修正しました。織物の場合は、300ミクロンの厚さと、50％までのニット方向ストレッチ機能を持つ100％インターロックニットポリエステル生地を使用。
- パターニング設計を含むマスクを作成するには、125μmの厚さのポリイミドフィルムを使用します。パターンの例が図1に示されています。
- パターンにポリイミドマスク10をレーザーカッター（ 例えば、Protolaser S、LPKF）を使用します。電極のパターン設計は、 図1に示されています。
- コートPDMS物（10：1塩基剤比を硬化する）は200μmとでの湿潤膜厚で自動テープキャスティングツール（K制御プリントコーター、ドクターブレード）を用いて、マスク（ポリイミドフィルム）の上6m /秒分の塗布速度。 3センチメートルのx 5cmのマスクのために約0.5ミリリットルを使用してください。目を実行しますヒュームフードの下でプロセスです。
- 静かにPDMSでコーティングされたマスクに生地を移します。 PDMSは、完全に織物構造に吸収されるべき後、10分間のままにしておきます。
- 10分間、100℃の空気オーブン中でサンプルを硬化します。
- 導電性ポリマーを準備：PEDOT：PSS分散液（80ミリリットル）、エチレングリコール（20mL）で、4 - ドデシルベンゼンスルホン酸（40μL）、およびヒュームフード中の3-メタクリロ（1ミリリットル）。
- ブラシコートPEDOT：溶液の均一な浸透まで織物のPDMSを含まない領域にPSS溶液が得られます。均一なパターンの色を達成するために、この手順を繰り返します。約1mL / cm 2で適用します。
- PSS溶液：PEDOTを乾燥させるために1時間、110℃で生地を治します。ナイロンのような高温処理に敏感である織物、60℃に温度を下げてください。
2.有機デバイスの製造
注：第1 describでプロトコル織物上の導電材料の選択的堆積をエス。次のセクションでは、ストレッチセンサ、OECTトランジスタ、皮膚電極、および容量センサのように、有機デバイスを製造するために必要な追加手順について説明します。
- セクション1で説明したように、織物の図3aに示されるストレッチセンサ、パターン電極線を製造するために、1.1〜1.5ステップ。
注：パターン設計の例は、 図3aに示されています。このようなセンサの製造は、任意の追加の手順は必要ありません。 - 図3bに示すトランジスタの設計を製造するために、パターン1節で説明する手順以下のナイロン織リボン上のトランジスタアレイは、わずかにPDMSのアニーリングおよびPEDOTを変更：PSSは、60℃で硬化させることによりナイロンの熱劣化を回避するために手順を硬化させます長い時間のためのC。
- 図3cに示される皮膚電極の製造については、堆積パターン化されたPEDOT上のイオン性ゲル：PSSテキスタイル。
- イオン液体、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム・エチル硫酸塩を含むイオン性液体ゲル混合物を調製します。架橋剤としては、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート。それぞれ、0.6 / 0.35 / 0.05の（v / v）の比で光開始剤、2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン。
- コートPEDOT：イオン液体（20μL/ cm 2）を持つPSS電極とドロップキャスティングによって（25μL/ cm 2）をステップ2.3.1からイオン性液体ゲル混合物を追加します。
- ゲルが固化するまで、10〜15分間架橋反応を開始するためにUV光（365 nm）に露光します。ドラフト内で、この手順を実行します。 UV露光中にUV-保護ケージを使用してください。
- 静電容量センサの製造のために、PEDOTを使用：PSSのテキスタイル電極は、絶縁材料（ 図3d）で絶縁。
- キーボードのようなPEDOT絶縁：PDMSを使用して、PSS電極を、キーボードのデザインは、<図2bに見られます/ strong>の。生地の上にPDMS製剤を分配し、スキージで過剰を取り除きます。
- 10分間100℃のオーブンで生地を置きます。ドラフト内で、この手順を実行します。
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Representative Results
織物に色やパターンを適用する従来の方法は、染料の選択的堆積を可能にするために取り外し可能なマスキング層に依存しています。織物上のPSS電極： 図1では、我々は、PEDOTのパターニングにこのようなアプローチの適応を示しています。 PSS溶液：マスキング層として、我々は、水性PEDOTの非制御可能な拡散を抑制することができる疎水性のポリジメチルシロキサンを使用しました。また、ニットや織物織物の柔らかさと伸縮性は、PDMSの弾性および機械的特性のおかげで保存することができます。
図1において、プロセスは、ポリイミドフィルム（ステップ1）からパターニングマスターの準備から始まります。パターン輪郭の設計は、レーザーによりフィルム上に刻まれています。テープキャスティングツールを使用して、PDMSは、このマスター（ステップ2）に適用され、そして織物は、それの上部（ステップ3）上に配置されます。 T彼はその後、次第に織物（ステップ4）に拡散するPDMS。この転送を停止するには、短い熱処理工程は、PDMSを硬化させるために必要とされます。 PDMSの粘度および厚さは、拡散を制御するために、マスタ設計の欠陥のない複製を確実にするために、それぞれ、硬化剤及びコーティングパラメータの異なる量を使用することによって調整することができます。最後に、導電性溶液は、刷毛塗り、保護されていない織物にし、（ステップ5）を乾燥させるために焼成されます。ポリイミドマスターは、その後、織物表面から剥離されます。製造フローの結果は右側に、 図1に示されています。この場合には、成功したパターニングはニットポリエステル上に置きました。そのような繊維のパターン化分解能を1mm以上です。しかし、より低い解像度もしっかりニットまたは織布に得ることができます。この堆積技術を用いて、導電性織物の推定シート抵抗は230Ω/□の近隣にあります。
1 ">ニットと織布上の機能の電子デバイスの例が正常に作製PEDOTを含む図3aおよびbに示されている。：のニットテキスタイルにPSS電極自然馬蹄配置：「キープtogether.withinページを= FO」_contentニット織物の繊維がファブリックに調整可能な伸縮性を提供しています。ニット構造のこの春のような機能は、高感度ひずみセンサ11をもたらすことができる。織物構造が単純で変形が原因で導電性のねじれの電気抵抗の変化によって反射され、糸中の繊維。また、繊維の吸湿能力を利用して、 図3bに電極アレイが織物上にパターニングされたウェアラブル汗感知に使用することができる長方形のチャネルと異なるゲート幅を有する平面型トランジスタを作製しました。このような幾何学的形状は、有機電気化学transistoで使用されていますチャネルとゲートは、検体12のサンプルによってリンクされているセンシングのためのRS（OECT）。提示パターニング技術は、繊維上の複雑な有機電子デバイスを製造するために拡張することができます。 PDMSステンシルは、パターニングプロセスの後、織物に残っているように、追加の層は、PEDOT上にパターン化することができます：PSSでコーティングされたテキスタイルを行います。 図2において、我々は、本発明の方法は、イオン性液体ゲル溶液（ 図2A）及びPDMS製剤（ 図2b）は、PEDOTの表面を官能化または単離するために適用した：PSS電極、それぞれ。イオン性ゲルは、主に皮膚電極に使用されています。繊維を実施中のイオン性ゲルの取り込みは、電気生理学的モニタ10のための着用可能な織物電極を製造するために使用され、 図3cに示されています。静電容量センサは、B作られましたyはPDMSとテキスタイル電極表面を絶縁します。電極が触れたときの静電容量の変化を検出しました。 図3dに示すようなタッチセンシティブ装置は、有機電子織物キーボード13を作製しました。
織物上に導電性ポリマーのパターンを示す図1.プロセスフロー。繊維に導電性ポリマーのパターンを示すプロセスフロー。ステップ1：マスク作成。ステップ2：所望のデザインの輪郭を定義するポリイミドパターニングマスク上のPDMS蒸着;ステップ3：PDMSでコーティングされたマスク上の織物の配置によって、マスキング層の転送;ステップ4：テキスタイルのバルクへのPDMSの転送、ステップ5：保護されていない織物上にポリマー溶液を行う堆積。右の写真はRESUを表示しますプロセスフローの主要な段階のLTS。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
製作有機デバイスの2つの例を図。製作有機デバイスの2つの例。 PEDOT上のa）は、イオン性液体ゲルコーティング：皮膚センシングのためのPSS織物電極。タッチセンサ用PSS織物電極：PEDOT上のb）の絶縁層の堆積。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
有機電子テキストの3写真を図イル・デバイス。 a）は、PEDOT：ストレッチセンシングのためのPSS電極。ウェアラブルバイオセンシングのためのOECTトランジスタのb）の配列。 c）の円形PEDOT：皮膚電気生理学のためのイオン性液体ゲルでコーティングされたPSS電極。 d）のウェアラブルキーボード用有機タッチセンサ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
導電性材料のパターニングは、機能的な電子デバイスの製造における最初のステップの1つです。製造プロセスは、アカウントにこのような材料の化学的および物理的特性を取る必要があり、プロセスフローは、製造工程の間に材料の相互互換性を考慮する必要があるので、これは、挑戦的になることができます。有機電子デバイスの微細加工では、これらの2つの側面が原因有機物の高度に反応性の性質のために一層重要です。しかし今日では、有機材料は、その電気弾性特性14、15のためのウェアラブルとフレキシブルエレクトロニクスに非常に魅力的です。完全に統合された電子ウェアラブルを得る織物へのそのような技術の移転は、その三次元構造によって制限されます。微細加工に使用される従来の技術は、薄いだけのsubstr上の導電性インクのインクジェットやスクリーン印刷に制限されていますATEや繊維16、17、18。単繊維が繊維製品に縫い込まれている伝統的な刺繍技術は、まだ工業生産の拡張性を欠いています。
有機材料のパターニングにおいて最も重要な側面は、電気的特性を乱すことなく、堆積です。 図1で説明したパターニング技術は、蒸着技術やツールの仕様を満たすために必要とせず、有機物の直接堆積に依存しています。有機材料は、その性能を最大限に製剤化され、その後、直接選択された繊維構造体上に堆積させることができます。 PDMSの有用性は、繊維製品上に溶液からパターン材料への鍵です。低粘度溶液から材料を行うのではなく、ペースト状のインクを使用するアプリケーションは、織物構造におけるコンフォーマル深いコーティングを可能にします。しかし、selectivを制限しますパターニング解像度の損失に電子沈着とリード。我々は織物の中に非制御導電性液の浸透を抑制するために、PDMSからの負のパターンを作成することでこの制限を克服しています。 PDMSの戦略的な選択は、繊維伸縮性と柔軟性を維持し、その粘弾性特性に基づいています。 PDMSはまた、疎水性であり、PEDOTの拡散を制御できます。パターニング時にPSSの水ベースのソリューションを。我々は、このプロトコルを使用して製造導電パターンは、機械的変形の間に良好な電気伝導性と安定性を示したことを観察しました。この方法は、電子機能を持つスマートなコンポーネントを持つ既存の衣類の将来のカスタマイズを行うことができます。しかし、提案されたアプローチの点を制限する、いくつかの場合において、重要でのウェアラブル条件で有機材料耐久性が依然としてあります。このような機械的ストレス耐性や行動などのいくつかの側面、洗濯Aの後有機導電性織物の目の乾燥は、まだ不明です。
着用可能な電子機器の大多数は、バネ状構造は、デバイスの変形時に電気的接続を維持するために作成された伸縮デバイスに依存しています。繊維の種類に応じて、編布中の繊維は、構造体の機械的な伸縮性を提供し、馬蹄デザインで組み立てられます。導電材料を用いてこれらの繊維をコーティングすると、 図3aに示すように、スマート衣類の歪み及び動きセンサとして機能するように個々の繊維を許容します。また、より複雑なデバイス形状が容易にニットでなく、織物だけでなく、パターン化することができます。 図3bに、我々は可変ジオメトリとOECTsの配列を提示します。従来のフォトリソグラフィでは、大小の機能の同時製造は複数のステップを必要とせずに達成することはほとんど不可能です。私たちは、パターニング技術がな生産することが可能であることを実証します0.5ミリメートルから約百倍以上に変動する解像度での電子パターン。このようなトランジスタは、直接、調整可能な時間応答と検出分解能19とウェアラブル汗感知に使用することができます。
我々は、 図2に示すように、PDMSはまた、選択的に追加の機能層の連続堆積を可能にすることを実証しました。デバイスは、その後、繊維製品に統合され、ウェアラブルシステム上で完全に統合になることができます。 図2aの処理は、電極と皮膚との間の接触は、イオン性液体ゲルで強化された皮膚繊維電極の作製を示します。皮膚の電気生理学におけるウェアラブル電極は、レコーディング中に着用者と電極間の電気接点劣化によるモーションアーチファクトに悩まされています。テキスタイル電極上にイオン性ゲルを統合する可能性は、との効率的な通信チャネルを開き着用可能な医療デバイスに所望される人体、。このような装置の例は、 図3cに見られます。
他の活性材料の連続的な堆積は、有機電池、コンデンサ、太陽電池、トランジスタ、またはセンサなどのスタックジオメトリを使用してデバイスをもたらすことができます。 図2bは、絶縁または誘電材料の堆積経路を示します。 PDMSは、電極の上に誘電体層を作成するために使用されるウェアラブル有機キーボード（ 図3d）は 、このプロセスを用いて製造することができます。このような装置は、ウェアラブルコンピューティングおよびヒューマン・マシン・インタフェースで潜在的に興味深いアプリケーションを持つことができる電極と指の間に感知容量変化することが可能です。
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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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