Summary
Neste artigo, apresentamos um protocolo para depositar selectivamente materiais orgânicos em têxteis, que permite a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos com wearables. Os dispositivos fabricados podem ser totalmente integrados nos têxteis, respeitando sua aparência mecânica e permitindo capacidades de detecção.
Introduction
O campo da eletrônica wearable é um mercado em rápido crescimento deverá valer 50 bilhões de euros em 2025, mais de três vezes o mercado atual. O principal desafio para dispositivos portáteis atuais é que os anexos eletrônicos sólidos intrusivas limitar o uso de dispositivos estabelecidos em sistemas vestíveis. Usando têxteis que já estão presentes na vida cotidiana é uma abordagem muito atraente e simples para evitar esta limitação. Devido à sua capacidade elástica, algumas partes da roupa que usam são naturalmente em contacto apertado com a pele. Muitos exemplos de roupas inteligentes disponíveis no mercado hoje são baseados em, displays finas de plástico, teclados e dispositivos de fonte de luz embutidos em produtos têxteis, ligando eletrônica com os seres humanos de uma forma elegante 1. Na prática do esporte, vigilância da saúde depende de eléctrodos têxteis, que oferecem alternativas confortáveis para comumente usados eletrodos adesivos e pulseiras de metal. Aqui, as fibras condutoras sãodiretamente integrado com tecidos elásticos para evitar irritação da pele e outros desconfortos durante uso prolongado. Além disso, têxteis oferecem uma série de oportunidades para integrar sensores de curvatura para captura de movimento 2, para integrar sensores de cisalhamento para o desenvolvimento de atuadores robóticos funcionais 3 e, certamente, para integrar biossensores através da detecção de uma substância a analisar no suor 4.
tecnologia wearable moderna se baseia em materiais semicondutores à base de carbono que proporcionam dispositivos eletrônicos com propriedades únicas. A natureza "soft" dos orgânicos oferece melhores propriedades mecânicas para fazer a interface com o corpo humano em comparação com a eletrônica de estado sólido tradicionais. Esta compatibilidade mecânica, emparelhado com substratos mecanicamente flexíveis, permite o uso de fatores de forma não-planares em dispositivos como os têxteis. O uso de produtos orgânicos também é relevante em ciências da vida, devido ao seu ELE mistactronic iônica e condutividade 5. Além disso, semicondutor orgânico e materiais optoeletrônicos capacitar uma grande variedade de dispositivos funcionais com display, transistor, lógica e capacidades de energia 6, 7, 8, 9. A principal dificuldade na fabricação de tais dispositivos orgânicos é a deposição controlada de materiais funcionais sobre as superfícies não planares de têxteis. técnicas de microfabricação convencionais são limitadas principalmente pela incompatibilidade do processo de deposição com a dimensionalidade estrutural de substratos têxteis.
Aqui, descrevemos um protocolo de fabricação simples e escalável que permite a deposição selectiva de polímeros condutores sobre os têxteis estruturados. O processo apresentado permite a fabricação de dispositivos eletrônicos portáteis e isolantes. A abordagem baseia-se na modelação da commercially disponíveis poli polímero condutor (3,4-etilenodioxitiofeno): poli (estireno sulfonato) (PEDOT: PSS) e um polidimetilsiloxano material de estêncil elastomérica (PDMS) na matéria têxtil. Esta combinação permite o confinamento eficiente do PEDOT aquosa: PSS solução, assim como para a retenção das propriedades macios e elásticos de têxteis. Este método de fabricação simples e confiável abre o caminho para a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos diretamente sobre os têxteis de uma forma economicamente eficiente e industrialmente escalável.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. padronização polímeros condutores sobre Textile
- Corrigir um 10 cm x folha têxtil 10 cm sobre uma superfície plana para fácil manuseio durante o processo. Para o têxtil, utilizar um tecido de poliéster tricotado de bloqueio 100% com uma espessura de 300 um e uma capacidade de malha direcção do estiramento até 50%.
- Para fazer uma máscara contendo o projeto de padronização, usar um filme de poliamida 125 um de espessura; um exemplo do padrão é ilustrada na Figura 1.
- Use um cortador de laser (por exemplo, ProtoLaser S, LPKF) com o padrão da máscara de poliimida 10; o desenho de um eléctrodo padrão é ilustrada na Figura 1.
- Revestir a formulação de PDMS (10: 1 de base para a cura da proporção do agente) por cima da máscara (filme de poliamida) usando uma ferramenta automatizada de fitas de fundição (K controlo de impressão-revestidor, doctor blade) com uma espessura de película húmida de 200 um e com um 6 m / min de velocidade de revestimento. Use cerca de 0,5 mL de uma máscara de 3 cm x 5 cm. execute thé um processo sob a coifa.
- Suavemente transferir o tecido para a máscara de PDMS-revestidos. Deixe por 10 min, após o que os PDMS deve ser totalmente absorvida na estrutura têxtil.
- Curar a amostra num aparelho de ar no forno a 100 ° C durante 10 min.
- Prepara-se o polímero condutor: PEDOT: PSS dispersão (80 mL), etileno glicol (20 ml), ácido 4-dodecilbenzenossulfónico (40 mL), e 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (1 mL), na hotte.
- Escova-revestir o PEDOT: PSS solução sobre a área do têxtil PDMS-livres até que uma penetração da solução homogénea é obtida. Repita este passo para conseguir uma cor padrão uniforme. Aplicar cerca de 1 ml / cm2.
- Curar o tecido a 110 ° C durante 1 h para secar o PEDOT: PSS solução. Reduzir a temperatura a 60 ° C para os têxteis que são sensíveis a um tratamento de alta temperatura, como o nylon.
2. fabricação de dispositivos orgânicos
NOTA: O protocolo na Seção 1 describes a deposição seletiva de materiais condutores sobre os têxteis. As secções seguintes descrevem os passos adicionais necessários para fabricar dispositivos orgânicos, como sensores de estiramento, transistores OECT, eletrodos cutâneos, e sensores capacitivos.
- Para fabricar sensores de estiramento, mostrado na Figura 3a, padrão das linhas de eléctrodos no têxtil, conforme descrito na Seção 1, os passos 1,1-1,5.
NOTA: Um exemplo de concepção padrão é mostrada na Figura 3a. O fabrico de tais sensores não exige quaisquer medidas adicionais. - Para fabricar o design do transistor mostrado na Figura 3b, as matrizes padrão transistor sobre uma fita de tecido de nylon seguindo as etapas descritas na Secção 1. Ligeiramente modificar o recozimento PDMS e PEDOT: PSS cura passos para evitar a degradação térmica de nylon de cura a 60 ° C durante um tempo mais longo.
- Para a fabricação de eléctrodos cutâneos, mostrado na Figura 3c, uma depositargel iónico na PEDOT modelado: têxteis PSS.
- Prepara-se uma mistura de gel líquido iónico contendo o líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazólio etil-sulfato; o agente de ligação cruzada, poli (etileno-glicol) diacrilato; e o fotoiniciador, 2-hidroxi-2-metilpropiofenona a uma razão (v / v) de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivamente.
- Cubra o PEDOT: PSS eletrodo com líquido iônico (20 mL / cm 2) e adicione a mistura de gel líquido iónico do passo 2.3.1 (25 mL / cm 2) por vazamento gota.
- Expor à luz UV (365 nm) para se iniciar uma reacção de reticulação durante 10-15 minutos, até que o gel solidifique. Execute esta etapa na coifa. Use uma gaiola UV-protetora durante a exposição UV.
- Para a fabricação do sensor capacitivo, usar PEDOT: PSS têxteis eléctrodos isolados com um material isolante (Figura 3D).
- Isolar o PEDOT teclado-like: eletrodos PSS usando os PDMS; o design de teclado pode ser visto na Figura 2b </ Strong>. Dispensar a formulação PDMS no topo do tecido e remover o excesso com um rodo.
- Colocar o tecido num forno a 100 ° C durante 10 min. Execute esta etapa na coifa.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Os métodos tradicionais para aplicar cores ou padrões aos têxteis contar com camadas de máscara removível para permitir a deposição selectiva de corantes. Na Figura 1, mostramos a adaptação de uma tal abordagem à padronização de PEDOT: PSS eletrodos sobre têxteis. Como uma camada de máscara, foi utilizado polidimetilsiloxano hidrofóbico, que pode conter a difusão não controlável da PEDOT aquosa: solução PSS. Além disso, a maciez e capacidade de estiramento dos tecidos de malha e tecido pode ser preservada graças às propriedades elásticas e mecânicas dos PDMS.
Na Figura 1, o processo começa com a preparação do mestre de modelação a partir de película de poliimida (passo 1). O desenho do contorno padrão é esculpido sobre o filme por um laser. Utilizando uma ferramenta de moldação por fita, o PDMS é aplicado sobre este mestre (passo 2), e o têxtil é colocado no topo do mesmo (passo 3). T ele PDMS é, depois, progressivamente difundido no têxtil (passo 4). Para parar esta transferência, um processo de tratamento térmico curto é necessário para curar o PDMS. A viscosidade e a espessura dos PDMS pode ser modificada usando quantidades diferentes dos parâmetros de agente de cura e revestimento, respectivamente, para controlar a difusão e para assegurar a replicação correcta da estrutura global. Finalmente, a solução é condutora sobre o têxtil desprotegido e cozido para secar (passo 5) pintados à escova. O mestre de poliimida é então delaminated da superfície têxtil. Os resultados do fluxo de fabricação está ilustrado na Figura 1, à direita. Neste caso, padronização bem sucedida foi colocado em malha de poliéster. A resolução padronização em um tal têxtil é superior a 1 mm. No entanto, uma resolução menor também pode ser obtido em têxteis coesa ou tecidos. Usando esta técnica de deposição, a resistência de folha estimado do têxtil realização está perto de 230 Ω / sq.
_content "fo: manter-together.within-page =" 1 "> Exemplos de dispositivos eletrônicos funcionais em tecidos de malha e tecido são mostrados na Figura 3a e b, incluindo PEDOT fabricado com sucesso:. eletrodos PSS sobre têxteis de malha O arranjo ferradura natural de as fibras têxteis de malha proporciona extensibilidade ajustável para tecidos. Esta capacidade das estruturas de malha tipo mola pode resultar em sensores de tensão altamente sensíveis 11. uma deformação simples na estrutura têxtil é reflectido por uma mudança na resistividade eléctrica, devido à torção das condutora fibras nas roscas. para além disso, tirando partido da capacidade higroscópica dos têxteis, a matriz de eléctrodos na Figura 3B foi modelado em têxteis para fazer transistores planares com canais rectangulares e diferentes larguras de porta, que podem ser utilizados na detecção de suor usável. uma tal configuração geométrica é usado em transisto electroquímica orgânicars (OECT) para detectar qual o canal e porta estão ligados por uma amostra de uma substância 12.A técnica de padronização apresentada pode ser estendida para fabricar dispositivos eletrônicos orgânicos complexos sobre os têxteis. Como o stencil PDMS permanece na indústria têxtil após o processo de padronização, as camadas adicionais podem ser modelados em PEDOT: PSS-revestido realização de têxteis. Na Figura 2, apresenta-se o processo em que uma solução de gel líquido iónico (Figura 2a) e a formulação de PDMS (Figura 2b) foram aplicados para funcionalizar ou isolar a superfície de um PEDOT: PSS eléctrodo, respectivamente. géis iônicos são largamente usados em eletrodos cutâneos. A incorporação de um gel iónico na condução têxteis foi utilizado para o fabrico de eléctrodos de têxteis portáteis para o controlo electrofisiológico 10 e é ilustrada na Figura 3C. Sensores capacitivos foram feitas by isolante superfície do eletrodo têxtil com PDMS. Uma mudança na capacitância foi detectado quando o eléctrodo foi tocado. Um tal dispositivo sensível ao toque, foi usada para fabricar um têxtil orgânica teclado electrónico 13, como mostrado na Figura 3d.
Figura 1. Processo de fluxo ilustrando o padrão de polímeros condutores sobre os têxteis. Processo de fluxo que ilustra o padrão de polímeros condutores sobre os têxteis. Passo 1: preparação de máscara; Passo 2: deposição de PDMS na máscara de padronização de poliimida que define a estrutura do modelo desejado; Passo 3: Transferir a camada de máscara de por a colocação do têxtil sobre a máscara PDMS-revestidos; Passo 4: transferência do PDMS para a maior parte da matéria têxtil, passo 5: deposição da solução de polímero para a realização de produtos têxteis não protegido. As imagens à direita mostram o results das etapas fundamentais do fluxo do processo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Dois exemplos de dispositivos de fabricação orgânicos. Dois exemplos de dispositivos orgânicos fabricação. a) revestimento de Ionic líquido gel sobre a PEDOT: eletrodo têxtil PSS para detecção cutânea. b) deposição de camadas de isolamento na PEDOT: eletrodo têxtil PSS para sensores de toque. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Fotografias do texto eletrônico orgânicadispositivos ile. a) PEDOT: PSS eléctrodos para detecção estiramento. b) Disposição de transistores OECT para biosensing wearable. c) PEDOT Circular: eletrodo PSS revestido com um gel líquido iônico para eletrofisiologia cutânea. d) sensores de toque orgânicos para um teclado wearable. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
O padrão de materiais condutores é um dos primeiros passos no fabrico de dispositivos electrónicos funcionais. Isto pode tornar-se um desafio, como o processo de fabricação tem de ter em conta as propriedades químicas e físicas de tais materiais, e o fluxo do processo deve considerar a compatibilidade cruzada material entre as etapas de fabricação. No microfabricação de dispositivos eletrônicos orgânicos, estes dois aspectos são ainda mais significativa devido à natureza altamente reativo de orgânicos. Hoje, porém, os materiais orgânicos são altamente atraente para eletrônicos portáteis e flexíveis para as suas propriedades eletro-elástica 14, 15. A transferência dessas tecnologias aos têxteis para obter wearables eletrônicos totalmente integrados é limitado por suas estruturas tridimensionais. As técnicas convencionais usadas em microfabricação são restritas a jato de tinta ou serigrafia de tintas condutoras apenas em substr finaates e têxteis 16, 17, 18. técnica de bordado tradicional, em que uma única fibra é costurado no têxtil, ainda carece industrial escalabilidade produção.
O aspecto mais crítico na padronização de materiais orgânicos é a deposição sem perturbar as propriedades eléctricas. A técnica de padronização descrito na figura 1 baseia-se na deposição directa de produtos orgânicos, sem qualquer necessidade de atender às especificações da técnica de deposição ou a ferramenta. Os materiais orgânicos são formulados com o melhor dos seus desempenhos e pode, em seguida, ser directamente depositado sobre a estrutura de tecido escolhido. O utilitário de PDMS é a chave para materiais padrão de solução sobre têxteis. A aplicação de materiais condutores a partir da solução de baixa viscosidade, em vez de utilizar tintas em pasta, permite um revestimento isolante e profunda na estrutura têxtil. No entanto, ela limita o Selective deposição e leva à perda de resolução padronização. Temos superar essa limitação, criando um padrão negativo de PDMS para conter a penetração não-controlada solução condutora para o têxtil. A escolha estratégica do PDMS é baseado em suas propriedades visco-elásticas, que mantêm a capacidade de estiramento têxtil e flexibilidade. O PDMS também é hidrofóbico e permite o controle da propagação da PEDOT: solução à base de água PSS durante a padronização. Observou-se que os padrões condutoras fabricadas usando este protocolo demonstrou boa condutividade elétrica e estabilidade durante a deformações mecânicas. Este método permite que o futuro personalização de vestuário existentes com componentes inteligentes que têm capacidades electrónicas. No entanto, um dos crítica e, em alguns casos, limitando pontos da abordagem proposta é ainda durabilidade do material orgânico em condições usáveis. Alguns aspectos, como a resistência ao estresse mecânico e comportamento após a lavagem umand secagem de tecidos que conduzem orgânicos, ainda são desconhecidos.
A grande maioria dos produtos eletrônicos vestíveis confiar em dispositivos elásticos, onde as estruturas de primavera-like são criados para manter a conexão elétrica durante a deformação do dispositivo. Dependendo do tipo têxtil, as fibras em tecidos de malha são montados em um design ferradura, proporcionando estiramento mecânico da estrutura. Revestimento esses têxteis com materiais condutores permite fibras individuais para actuar como sensores de tensão e de movimento na roupa inteligente, como mostrado na Figura 3a. Além disso, geometrias mais complexas do dispositivo pode ser facilmente modelado, não só na malha, mas também em tecidos. Na Figura 3b, apresentamos uma série de OECTs com geometrias variáveis. Em fotolitografia convencional, a fabricação simultânea de grandes e pequenas características é quase impossível de alcançar sem a necessidade de múltiplos passos. Nós demonstramos que a nossa técnica de padronização é capaz de produce padrões com uma resolução que varia de 0,5 mm a cerca de cem vezes maior. Tais transistores pode ser usado diretamente na detecção do suor wearable com um tempo de resposta ajustável e resolução de detecção 19.
Nós demonstramos que o PDMS também permite a deposição consecutivo de camadas funcionais adicionais de uma forma selectiva, como se mostra na Figura 2. Os dispositivos podem ser integrados no sector dos têxteis e tornar-se totalmente integrado em sistemas vestíveis. O processo na Figura 2a mostra a fabricação de um eléctrodo de têxtil cutânea, onde o contacto entre o eléctrodo e a pele é reforçada com um gel líquido iónico. eletrodos Wearable em eletrofisiologia cutâneo sofrem de artefatos de movimento causados pela degradação contato elétrico entre o utente e eletrodos durante gravações. A possibilidade de integrar géis iônicos em eléctrodos têxteis abre um canal de comunicação eficiente com ocorpo humano, o que é desejado em dispositivos portáteis de saúde. Um exemplo de um tal dispositivo pode ser visto na Figura 3c.
A deposição consecutivo de outros materiais activos podem resultar em dispositivos utilizando uma geometria de pilha, tais como baterias, condensadores orgânicos, células solares, transistores, ou sensores. A Figura 2b mostra o percurso de deposição de materiais isolantes ou dieléctricas. Um teclado orgânica usável (Figura 3d) pode ser fabricada usando este processo, em que o PDMS é utilizado para criar uma camada dieléctrica no topo do eléctrodo. Tal dispositivo é capaz de variação capacitiva de detecção entre o eletrodo e um dedo, o que pode ter aplicações potencialmente interessantes em computação vestível e interface homem-máquina.
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).
