Summary
I denne artikkelen presenterer vi en protokoll for å selektivt sette organiske materialer på tekstiler, som gjør det mulig for direkte integrasjon av organiske elektroniske enheter med wearables. De fabrikkerte enheter kan være fullt integrert i tekstiler, respektere deres mekaniske utseende og muliggjør sensing evner.
Introduction
Feltet av bærbar elektronikk er en raskt voksende markedet forventes å være verdt 50 milliarder euro i 2025, over tre ganger dagens marked. Hovedutfordringen dagens bærbare enheter er at påtrengende solide elektroniske vedlegg begrense bruken av etablerte enheter i bærbare systemer. Ved hjelp av tekstiler som allerede er til stede i hverdagen er en meget attraktiv og grei måte å unngå denne begrensningen. På grunn av sin elastiske evne, noen deler av klær som vi slitasje er naturlig i tett kontakt med huden. Mange eksempler på smarte klær tilgjengelig på markedet i dag er basert på tynne, plast skjermer, tastaturer og lyskilde enheter innebygd i tekstiler, knytte elektronikk med mennesker i en moteriktig måte en. I sport praksis, avhengig helseovervåking på elektrodene, som tilbyr komfortable alternativer til vanlige selvklebende elektroder og metall armbånd. Her ledende fibre erdirekte integrert med elastiske stoffer for å unngå hudirritasjon og andre ubehag under utvidet slitasje. I tillegg, tekstiler gir en rekke muligheter for å integrere krumning sensorer for å fange opp bevegelser 2, for å integrere skjær følere for utvikling av funksjonelle robot aktuatorer 3, og i hvert fall for å integrere biosensorer ved påvisning av en analytt i svette 4.
Moderne bærbar teknologi er avhengig av karbon-baserte halvledermaterialer som leverer elektroniske enheter med unike egenskaper. Den "myke" natur organiske tilbyr bedre mekaniske egenskaper for grensesnitt med den menneskelige kroppen i forhold til tradisjonelle solid-state elektronikk. Denne mekaniske kompatibilitet, sammen med mekanisk fleksible underlag, muliggjør bruk av ikke-plane formfaktorer i enheter som tekstiler. Bruken av organiske er også relevant i biovitenskap på grunn av deres blandet electronic og ionisk ledningsevne 5. Dessuten organisk halvledende og optoelektroniske materialer styrke et stort utvalg av funksjonelle enheter med display, transistor, logikk, og makt evner 6, 7, 8, 9. Den største vanskelighet ved fremstillingen av slike organiske enheter er styrt avsetning av funksjonelle materialer på de ikke-plane overflater av tekstiler. Konvensjonelle microfabrication teknikker er primært begrenset av inkompatibilitet av deponering prosessen med strukturelle dimensjonalitet tekstilunderlag.
Her beskriver vi en enkel og skalerbar fabrikasjon protokoll som gjør det mulig for den selektive deponering av å drive polymerer på strukturerte tekstiler. Den presenterte prosessen gjør fabrikasjon av bærbare og konforme elektroniske enheter. Tilnærmingen er basert på fordelingen av commercially tilgjengelig ledende polymer poly (3,4-etylendioksytiofen): poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) og et elastomert materiale sjablong polydimetylsiloksan (PDMS) på tekstil. Denne kombinasjonen gir mulighet for effektiv innesperring av den vandige PEDOT: PSS-oppløsning, samt for oppbevaring av det myke og elastiske egenskaper til tekstiler. Denne enkle og pålitelige fremstillingsmetode baner vei for fabrikasjon av en rekke elektroniske enheter direkte på tekstiler i en kostnadseffektiv og industrielt skalerbare måte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. mønster Gjennomføring Polymers på Tekstil
- Fastsette en 10 cm x 10 cm ark tekstil på en plan overflate for enkel håndtering under prosessen. For tekstil, bruker en 100% strikket polyester med en tykkelse på 300 mikrometer og en strikk retning strekning kapasitet for opptil 50%.
- For å lage en maske som inneholder mønster design, bruker en 125 mikrometer tykk polyimide film; et eksempel på mønsteret er vist i figur 1.
- Bruk en laser cutter (f.eks Protolaser S, LPKF) til mønster polyimid masken 10; mønster utforming av en elektrode som er illustrert i figur 1.
- Coat PDMS formuleringen (10: 1 base til å herdemiddel-forhold) på toppen av masken (polyimidfilm) ved hjelp av en automatisk båndstøping verktøy (K kontroll print-coater, sjaberen) med en våt filmtykkelse på 200 um og ved en 6 m / min belegg hastighet. Bruk ca 0,5 ml for en maske av 3 cm x 5 cm. Utfør ther prosessen under avtrekkshette.
- overføre stoffet forsiktig til PDMS-belagt maske. La i 10 minutter, hvoretter PDMS skal være fullt ut absorberes i tekstilstrukturen.
- Vaksinen prøven i en luft-ovn ved 100 ° C i 10 min.
- Fremstille den ledende polymer: PEDOT: PSS dispersjon (80 ml), etylenglykol (20 ml), 4-dodecylbenzensulfonsyre (40 ul), og 3-metakryloksypropyltrimetoksysilan (1 ml) i avtrekksskap.
- Børste-coat PEDOT: PSS løsning på PDMS-frie område av tekstil inntil en homogen gjennomtrengning av oppløsningen oppnås. Gjenta dette trinnet for å oppnå et enhetlig mønster farge. Påfør ca 1 ml / cm 2.
- Herde stoffet ved 110 ° C i 1 time for å tørke PEDOT: PSS løsning. Redusere temperaturen til 60 ° C for tekstiler som er følsomme for høy-temperatur behandling, slik som nylon.
2. Organisk Device Fabrication
MERK: Protokollen i punkt 1 describes selektiv deponering av ledende materiale på tekstiler. Følgende avsnitt beskriver de ekstra trinnene for å dikte organiske enheter, som strekksensorer, OECT transistorer, kutane elektroder og kapasitive sensorer.
- Å dikte strekksensorer, vist i figur 3a, mønsterelektrode linjer på tekstil, som beskrevet i punkt 1, punkt 1.1 til 1.5.
NB: Et eksempel på mønsterdesign er vist i figur 3a. Fabrikasjon av slike sensorer ikke krever noen ytterligere trinn. - For å fremstille den transistor som er vist på figur 3b, mønster transistor matriser på et nylon vevet bånd å følge fremgangsmåten beskrevet i avsnitt 1. Litt modifisere PDMS gløding og PEDOT: PSS herdetrinn for å unngå termisk nedbrytning av nylon ved å herde ved 60 ° C i en lengre tid.
- For fremstillingen av kutane elektroder, er vist på figur 3c, deponere etionisk gel på mønstret PEDOT: PSS tekstiler.
- Fremstille en ionisk væske gel-blanding som inneholder den ioniske væske, 1-etyl-3-metyl-imidazolium-etylsulfat; tverrbindingsmidlet, poly (etylenglykol) diakrylat; og fotoinitiatoren, 2-hydroksy-2-metylpropiofenon i et (v / v) forhold på 0,6 / 0,35 / 0,05, respektivt.
- Smør PEDOT: PSS elektrode med ionisk væske (20 mL / cm 2) og legge den ioniske flytende gel blandingen fra trinn 2.3.1 (25 mL / cm 2) dråpe casting.
- Utsettes for UV-lys (365 nm) for å initiere en tverrbindingsreaksjon for 10-15 min, før gelen stivner. Utfør dette trinnet i avtrekksskap. Bruk en UV-beskyttende bur under UV eksponering.
- For kapasitiv sensor fabrikasjon, bruk PEDOT: PSS tekstilelektroder isolert med et isolerende materiale (Figur 3d).
- Isoler tastaturet lignende PEDOT: PSS elektroder ved hjelp av PDMS; tastaturet motivet kan se på figur 2b </ Strong>. Tilsett PDMS formulering på toppen av stoffet og fjerne overflødig med en nal.
- Legg stoffet i en ovn ved 100 ° C i 10 min. Utfør dette trinnet i avtrekksskap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tradisjonelle metoder for påføring av farger eller mønstre for å tekstiler stole på flyttbare maskeringslag for å tillate den selektive avsetning av fargestoffer. I figur 1 viser at det er tilpasning av en slik tilnærming til mønstring av PEDOT: PSS elektroder på tekstiler. Som et maskeringslag, brukte vi hydrofob polydimetylsiloksan, noe som kan begrense den ikke-styrbare diffusjon av den vandige PEDOT: PSS løsning. Dessuten kan mykhet og strekkbarhet strikkede og vevde tekstiler bli bevart takket være elastiske og mekaniske egenskaper av PDMS.
I figur 1, starter prosessen med fremstilling av mønsterpåføringshoved fra polyimidfilm (trinn 1). Utformingen av mønsteret omrisset er skåret på film av en laser. Ved hjelp av en tape støpeverktøy, er PDMS brukes på denne master (trinn 2), og tekstil er plassert på toppen av det (trinn 3). T han PDMS blir deretter gradvis diffundert inn i tekstil (trinn 4). For å stoppe denne overføringen, er en kort termisk annealing prosessen som kreves for å kurere PDMS. Viskositeten og tykkelsen av PDMS kan justeres ved å benytte forskjellige mengder av herdemidlet og belegg parametere, henholdsvis, for å kontrollere diffusjonen og for å sikre feilfri replikasjonen av hoved design. Til slutt, er den ledende løsningen børste malt på den ubeskyttede tekstiler og bakt for å tørke (trinn 5). Polyimid Hoved blir deretter delaminert fra tekstiloverflaten. Resultatene av fabrikasjonen strømningen er illustrert i figur 1, til høyre. I dette tilfelle ble vellykket mønster plassert på strikket polyester. Mønstringen oppløsning på en slik tekstil er større enn 1 mm. Imidlertid kan lavere oppløsning også fås på tette eller vevde tekstiler. Ved hjelp av denne deponering teknikk, estimert ark motstand av den ledende tekstil er nær 230 Ω / kvm.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Eksempler på funksjonelle elektroniske enheter på strikk og vevde tekstiler er vist i figur 3a og b, inkludert hell fabrikkert PEDOT. PSS elektroder på strikke tekstiler Den naturlige hestesko arrangement av fibrene i strikkes tekstiler gir justerbar strekkbarhet til tekstiler. Dette fjærlignende evne strikke strukturer kan resultere i svært følsomme belastningssensorer 11. en enkel deformasjon i tekstilstrukturen blir reflektert av en endring i elektrisk motstand på grunn av vridning av ledende fibrene i trådene. i tillegg, ved å dra fordel av de hygroskopiske egenskaper til tekstiler, ble den gruppe elektroder i figur 3b mønster på tekstiler for å lage plane transistorer med rektangulære kanaler og forskjellige port bredder, som kan anvendes i slitesterk svette sensing. en slik geometrisk konfigurasjon blir brukt i organiske elektrokjemisk transistors (OECT) for sensing hvilken kanal og gate er forbundet med en prøve av en analytt 12.Den presenterte mønster teknikken kan bli utvidet til å dikte komplekse organiske elektroniske enheter på tekstiler. Som PDMS sjablongen forblir i tekstil etter mønstringsprosess, kan ytterligere lag være mønster på PEDOT: PSS-belagte ledende tekstiler. I figur 2 presenterer vi prosessen hvor en ionisk væske geloppløsning (figur 2a) og PDMS formuleringen (figur 2b) ble påført for å funksjonalisere eller isolere overflaten av et PEDOT: PSS elektrode, respektivt. Ioniske gels er i stor grad brukes i kutane elektroder. Inkorporering av en ionisk gel i å gjennomføre tekstiler ble brukt for å fremstille slitesterk tekstilelektroder for elektrofysiologisk overvåkning 10 og er illustrert i figur 3c. Kapasitive sensorer ble gjort by isolerende elektrodeoverflaten tekstil med PDMS. En endring i kapasitans ble oppdaget da elektroden ble rørt. En slik berøringsfølsom anordning ble brukt for å fremstille en organisk, elektronisk tekstil- tastatur 13, som vist i figur 3d.
Figur 1. Process flyte illustrerer fordelingen av å drive polymerer på tekstiler. Prosessflyt som illustrerer fordelingen av å drive polymerer på tekstiler. Trinn 1: maske forberedelse; trinn 2: PDMS avsetning på polyimid mønstring maske som definerer omrisset av den ønskede utforming; Trinn 3: overføring av maskeringslaget ved plassering av stoffet på PDMS-belagte maske; trinn 4: overføring av PDMS inn i hoveddelen av tekstil, trinn 5: avsetning av ledende polymerløsningen på ubeskyttet tekstil. Bildene til høyre viser results av de viktigste trinnene i prosessen flyt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. To eksempler på fabrikasjons organiske enheter. To eksempler på fabrikasjon organiske enheter. a) ionisk flytende gel-belegg på PEDOT: PSS tekstil elektrode for kutan avføling. b) Isolasjon lag avsetning på PEDOT: PSS tekstil elektrode for berøringssensorene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Fotografier av organisk elektronisk tekstile enheter. a) PEDOT: PSS elektroder for strekningen sensing. b) Array of OECT transistorer for bærbar biosensing. c) Rundskriv PEDOT: PSS elektrode belagt med en ionisk væske gel for kutan elektrofysiologi. d) Organiske berøringssensorer for en bærbar tastatur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den fordelingen av ledende materialer er en av de første trinnene i fabrikasjon av funksjonelle elektroniske enheter. Dette kan bli utfordrende, som fremstillingsprosessen må ta hensyn til de kjemiske og fysiske egenskapene til slike materialer, og prosessflyten må vurdere materialet kryss kompatibilitet mellom de fremstillingstrinn. I microfabrication av organiske elektroniske enheter, disse to aspektene er enda mer betydelig på grunn av den sterkt reaktive natur av organiske stoffer. Men i dag, organiske materialer er svært attraktive for bærbare og fleksibel elektronikk for sine elektro elastisk egenskaper 14, 15. Overføringen av slike teknologier til tekstiler for å få fullt integrerte elektroniske wearables er begrenset av sine tredimensjonale strukturer. Konvensjonelle teknikker som brukes i microfabrication er begrenset til blekkskriver eller skjermen utskrift av ledende blekk bare på tynn substrAtes og tekstiler 16, 17, 18. Tradisjonell broderi teknikk, der en enkelt fiber er sydd inn i tekstil, mangler fortsatt industriell produksjon skalerbarhet.
Det mest kritiske aspekt i fordelingen av organisk materiale er avsetning uten å forstyrre de elektriske egenskaper. Mønstringen teknikk som er beskrevet på figur 1, er avhengig av direkte avsetting av organiske stoffer, uten behov for å tilfredsstille spesifikasjonene til deponeringsteknikk eller verktøyet. De organiske materialer er formulert til det beste av sine forestillinger, og kan deretter direkte avsatt på det valgte stoffet struktur. Nytten av PDMS er nøkkelen til mønster materiale fra løsningen på tekstiler. Anvendelsen av ledende materiale fra den lettflytende løsning, istedenfor å bruke pastalignende blekk, muliggjør en konformt og dyp belegg i tekstilstrukturen. Men det begrenser selective avsetning og fører til tap av mønsterpåførings oppløsning. Vi har overvunnet denne begrensning ved å skape et negativt mønster fra PDMS å holde den ikke-kontrollerte ledende løsning inntrengning i tekstil. Den strategiske valg av PDMS er basert på dens viskoelastiske egenskaper, som opprettholder det tekstil- strekkbarhet og fleksibilitet. PDMS er også hydrofobt og tillater kontroll av spredningen av PEDOT: PSS vannbasert løsning under mønstring. Det ble observert at de ledende mønstre produsert ved bruk av denne protokollen vist god elektrisk ledningsevne og stabilitet under mekaniske deformasjoner. Denne metoden gjør at fremtiden tilpasning av eksisterende plagg med smarte komponenter som har elektroniske evner. Imidlertid er en av de kritiske og, i noen tilfeller, å begrense steder av den foreslåtte tilnærmingen fremdeles organisk materiale holdbarhet i bærbare forhold. Noen aspekter, slik som mekanisk stress motstand og oppførsel etter vaske ennd tørking av organiske ledende tekstiler, er fortsatt ukjent.
Det store flertallet av bærbar elektronikk stole på elastisk enheter, hvor vårlig strukturer er opprettet for å opprettholde den elektriske tilkoblingen under enhet deformasjon. Avhengig av tekstiltypen, er fibrene i strikkede stoffer sammen i en hestesko utforming, noe som gir mekanisk strekkbarhet av strukturen. Belegg disse tekstilene med ledende materialer tillater individuelle fibre for å fungere som belastning og bevegelsessensorer i smarte klær, som vist i figur 3a. Dessuten kan mer komplekse geometrier enheten lett skal mønstres, ikke bare på strikke, men også på vevde stoffer. I figur 3b, presenterer vi en rekke OECTs med variabel geometri. Ved konvensjonell fotolitografi, den samtidige fremstilling av store og små egenskaper er nesten umulig å oppnå uten at det kreves flere trinn. Vi viser at vår mønstringen teknikk er i stand til produke mønstre med en oppløsning som varierer fra 0,5 mm til omtrent hundre ganger større. Slike transistorer kan brukes direkte i bærbar svette avføling med en justerbar tidsrespons og deteksjon oppløsning 19.
Vi har vist at PDMS muliggjør også den påfølgende avsetning av ytterligere funksjonelle sjikt på en selektiv måte, som vist i figur 2. Enheter kan deretter integreres i tekstiler og bli fullt integrert i bærbare systemer. Fremgangsmåten i figur 2a viser fremstillingen av en kutan tekstil elektrode, hvor kontakten mellom elektroden og huden er forbedret med en ionisk væske gel. Bærbar elektroder i kutan elektro lider av bevegelsesartefakter forårsaket av elektrisk kontakt degradering mellom brukeren og elektroder under opptak. Muligheten til å integrere ioniske gels på elektrodene åpner en effektiv kommunikasjonskanal medmenneskekroppen, som er ønsket i bærbare helse enheter. Et eksempel på en slik anordning kan sees i figur 3c.
Den etterfølgende avsetning av andre aktive materialer som kan resultere i enheter ved hjelp av en stabel geometri, som organiske batterier, kondensatorer, solceller, transistorer, eller sensorer. Figur 2b viser deponering ruten av isolerende eller dielektriske materialer. En anvendelig organisk tastatur (figur 3d) kan fremstilles ved hjelp av denne fremgangsmåten, hvor PDMS er brukt til å lage et dielektrisk lag på toppen av elektroden. En slik enhet er i stand til kapasitiv variasjon sensing mellom elektroden og en finger, som kan ha potensielt interessante programmer i bærbar databehandling og menneske-maskin-grensesnitt.
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).
