Summary
В этой статье мы приводим протокол выборочно депонировать органических материалов на текстиль, что позволяет прямой интеграции органических электронных устройств с носимых. Изготовленном устройства могут быть полностью интегрированы в текстильной промышленности, уважая их внешний вид и механические включения возможности зондирования.
Introduction
Поле носимой электроники является быстро растущий рынок, как ожидается, будет стоить 50 миллиардов евро в 2025 году, более чем в три раза текущего рынка. Основная задача, стоящая перед текущей носимых устройств является то, что навязчивые твердые электронные вложения ограничивают использование установленных устройств в носимых системах. Использование текстиля, которые уже присутствуют в повседневной жизни является очень привлекательным и простой подход, чтобы обойти это ограничение. Благодаря своей упругой способности, некоторые части одежды, которые мы носим, естественно, в плотный контакт с кожей. Многие примеры смарт - одежды , доступных сегодня на рынке основаны на тонких пластиковых дисплеев, клавиатур и легких устройств источника встраиваемых в текстильной промышленности, связывая электронику с людьми в модный способ 1. В спортивной практике, мониторинг состояния здоровья зависит от текстильных электродов, которые предлагают удобные альтернативы часто используемые клейкие электроды и металлические браслеты. Здесь, проводящие волокнанапрямую интегрируется с эластичными тканями, чтобы предотвратить раздражение кожи и другие недомоганием во время длительного ношения. Кроме того, текстильные изделия предлагают целый ряд возможностей для интеграции датчиков кривизны для захвата движения 2, чтобы интегрировать датчики сдвига для разработки функциональных роботизированных приводов 3, и , конечно , интегрировать биосенсоров путем детектирования анализируемого вещества в поту 4.
Современные технологии носимых полагается на углеродной основе полупроводниковых материалов, которые обеспечивают электронные устройства с уникальными свойствами. "Мягкий" характер органики предлагает лучшие механические свойства для взаимодействия с человеческим телом по сравнению с традиционными твердотельной электроники. Эта механическая совместимость, в паре с механически гибких подложках, позволяет использовать неплоских форм-факторов в таких устройствах, как текстиль. Использование органики также имеет отношение в области наук о жизни из-за их смешанной Electronic и ионная проводимость 5. Кроме того, органические полупроводниковыми и оптоэлектронные материалы уполномочить большое разнообразие функциональных устройств с дисплеем, транзистора, логики и возможности питания 6, 7, 8, 9. Основная трудность при изготовлении таких органических устройств является контролируемое осаждение функциональных материалов на неплоских поверхностях текстиля. Обычные технологии изготовления микроструктур в основном ограничены несовместимостью процесса осаждения со структурной размерностью текстильных подложек.
Здесь мы опишем простой и масштабируемый протокол изготовления, который позволяет для селективного осаждения проводящих полимеров на структурированных текстильных изделий. Представленный способ позволяет изготавливать носимых и выравнивающие электронных устройств. Подход основан на паттерна Commercially имеется проводящий полимер поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стирол-сульфонат) (PEDOT: ПСС) и эластомерный материал трафарета полидиметилсилоксан (ПДМС), на текстильных изделиях. Эта комбинация позволяет эффективно удержания водного раствора PEDOT: PSS, а также для удержания мягких и растяжению свойств текстильных материалов. Это простой и надежный способ изготовления прокладывает путь для изготовления различных электронных устройств непосредственно на текстиль в экономически эффективным и промышленно масштабируемым образом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. паттернирования Проводящие полимеры на текстильной
- Фикс 10 см х 10 см текстильный лист на плоскую поверхность для легкой обработки в течение процесса. Для текстильной, используют 100% блокировочный трикотажные ткани полиэфира с толщиной 300 мкм и способность Knit направление протянуть до 50%.
- Для того, чтобы сделать маску, содержащую конструкцию паттерна, используйте 125 мкм толщиной полиимидной пленки; пример рисунка показан на рисунке 1.
- Используйте резак лазера (например, ProtoLaser S, LPKF) с рисунком полиимида маски 10; шаблон проектирования электрода показана на фиг.1.
- Покрыть препарат PDMS (10: 1 основание для отверждения соотношение агента) на верхней части маски (полиимидной пленки) с помощью инструмента автоматического пленочного литья (K управления распечатку для нанесения покрытий, ракеля) с влажной пленки толщиной 200 мкм и при 6 м / мин скорость нанесения покрытия. Используйте около 0,5 мл для маски 3 см х 5 см. Выполнить тыснаходится процесс под вытяжкой.
- Аккуратно перенести ткань в маске PDMS покрытием. Оставьте в течение 10 мин, после чего ПДМС должны быть полностью погруженного в текстильной структуре.
- Лечение образца в воздушной печи при 100 ° С в течение 10 мин.
- Готовят проводящий полимер: PEDOT: ПСС дисперсия (80 мл), этиленгликоль (20 мл), 4-додецилбензолсульфокислоты (40 мкл) и 3-метакрилоксипропилтриметоксисилан (1 мл) в вытяжном шкафу.
- Кисть-пальто PEDOT: PSS раствор на площади PDMS свободного от текстиля до однородного проникновения раствора получается. Повторите этот шаг для достижения однородного цвета рисунка. Применить около 1 мл / см 2.
- Cure ткань при температуре 110 ° С в течение 1 ч, чтобы высушить PEDOT: раствор PSS. Снизить температуру до 60 ° С для текстильных изделий, чувствительных к высокотемпературной обработки, как нейлон.
2. Органические изготовления приборов
Примечание: Протокол в Разделе 1 describэс селективного осаждения проводящих материалов на текстильной промышленности. В следующих разделах будут описаны дополнительные шаги, необходимые для изготовления органических устройств, таких как датчики натяжных, OECT транзисторы, кожными электродами и емкостными датчиками.
- Для изготовления датчиков протяжения, показанные на рисунке 3а, рисунок электродов линии на текстиле, как описано в разделе 1, стадии 1,1-1,5.
Примечание: Пример дизайна рисунка показан на рисунке 3а. Изготовление таких датчиков не требует каких-либо дополнительных действий. - Для изготовления конструкции транзистора , показанного на рисунке 3b, рисунок транзистор массивы на нейлоновой сплетенные лентой , следуя шагам , описанным в разделе 1. Слегка изменить PDMS отжиг и PEDOT: PSS отверждения шаги , чтобы избежать термической деструкции нейлона путем отверждения при 60 ° C в течение более длительного времени.
- Для изготовления электродов кожными, как показано на фиг.3С, депонируетионный гель на узорной PEDOT: PSS текстиль.
- Готовят ионный жидкий гель смесь, содержащую ионную жидкость, 1-этил-3-метилимидазолия-этил-сульфата; сшивающий агент, поли (этиленгликоль) диакрилат; и фотоинициатор, 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в соотношении (об / об) 0,6 / 0,35 / 0,05, соответственно.
- Покрыть PEDOT: ПСС электрод с ионной жидкостью (20 мкл / см 2) и добавить ионную жидкость гель смесь со стадии 2.3.1 (25 мкл / см 2) путем литья капель.
- Защиту в УФ-свете (365 нм), чтобы инициировать реакцию сшивания в течение 10-15 мин, пока затвердевает гель. Выполните этот шаг в вытяжном шкафу. Используйте УФ-защитной клетки во время воздействия УФ-излучения.
- Для изготовления емкостного датчика, используйте PEDOT: PSS текстильные электроды изолированы с помощью изолирующего материала (рис 3D).
- Изолировать клавиатуры типа PEDOT: PSS электроды с использованием PDMS; Конструкция клавиатуры можно увидеть на рисунке 2b </ Сильный>. Разливают формулировку PDMS в верхней части ткани, и удалить излишки с ракелем.
- Поместите ткань в печи при температуре 100 ° С в течение 10 мин. Выполните этот шаг в вытяжном шкафу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Традиционные методы применения цветов или шаблонов для текстиля полагаться на съемные слои маскирующих, чтобы избирательное осаждение красителей. На рисунке 1 показано , адаптацию такого подхода к паттернировании PEDOT: PSS электродов на ткани. В качестве маскирующего слоя, мы использовали гидрофобный полидиметилсилоксана, который может сдерживать неконтролируемые диффузии водного раствора PEDOT: PSS. Кроме того, мягкость и растяжению трикотажной и тканые текстильные материалы могут быть сохранены благодаря упругим и механических свойств PDMS.
На рисунке 1, процесс начинается с подготовки мастера структуризации из полиимидной пленки (этап 1). Конструкция контура рисунка вырезается на пленку с помощью лазера. С помощью инструмента литьем ленты, то ПДМС применяется на этом мастер (этап 2), и текстильный помещается поверх него (этап 3). T он PDMS затем постепенно диффундируют в текстильной (этап 4). Чтобы остановить эту передачу, короткий процесс термического отжига требуется вылечить PDMS. Вязкость и толщина PDMS можно регулировать с помощью различных количеств параметров отверждающего агента, и для покрытия, соответственно, контролировать диффузию и, чтобы гарантировать бесперебойную репликацию мастер-дизайна. И, наконец, проводящая решение щеточного нарисованы на незащищенную текстильной и выпекали на сухой (этап 5). Мастер полиимида затем отслаивают от текстильной поверхности. Результаты потока изготовления показаны на рисунке 1, справа. В этом случае, успешное структурирование был сделан на трикотажной полиэстера. Разрешение структурирование на такой текстильной больше 1 мм. Тем не менее, более низкое разрешение можно получить также на плотно вяжут или тканых текстильных изделий. С помощью этого метода осаждения, расчетное сопротивление листа проводящего текстиля близка к 230 Ом / кв.
_content "ВОК: Keep-together.within-страницу =" 1 "> Примеры функциональных электронных устройств на вязаных и тканых текстильных изделий показаны на рисунке 3а и б, в том числе успешно сфабриковано PEDOT:. PSS электродов на вязаных текстильных изделий Естественное расположение подкова волокна в вязаных текстильных изделий обеспечивает регулируемое растяжимость к тканям. Эта весенняя способность вяжут структур может привести к очень чувствительных датчиков 11 деформации. простая деформация в текстильной структуре отражается изменением удельного электрического сопротивления вследствие закручивания проводящая волокна в резьбу. Кроме того, за счет использования гигроскопической способности текстильных изделий, матрицу электродов на рисунке 3b был узорчатый на текстиле , чтобы плоскостные транзисторы с прямоугольными каналами и разной ширины ворот, которые могут быть использованы в носимых зондировании пота. Такая геометрическая конфигурация используется в органическом электрохимической transistoRS (OECT) для зондирования , какой канал и ворота связаны образцом анализируемого вещества 12.Представленная методика формирования рисунка может быть расширен для изготовления сложных органических электронных устройств на текстиле. По мере того как трафарет ПДМС остается в текстильной после процесса формирования рисунка дополнительные слои могут быть с рисунком на PEDOT: ПСС покрытием проводящий текстиль. На рисунке 2, мы представляем процесс , в котором ионный раствор , жидкий гель (рис 2а) и препарат ПДМС (2б) были применены к функционализации или изолировать поверхность PEDOT: PSS электрода соответственно. Ионные гели широко используются в кожных электродов. Включение ионного геля в проведении текстиля использовался для изготовления текстильных носимых электродов для электрофизиологического мониторинга 10 и показан на рисунке 3в. Емкостные датчики были сделаны бу изолирующих текстильной поверхности электрода с PDMS. Изменение емкости был обнаружен, когда электрод был затронут. Такое сенсорное устройство было использовано для изготовления органического электронного текстильную клавиатуру 13, как показано на фиг.3D.
Рисунок 1. Схема процесса , иллюстрирующая структурирование проводящих полимеров на текстильные изделия. схема процесса, иллюстрирующая структурирование проводящих полимеров на текстильные изделия. Шаг 1: Подготовка маски; шаг 2: осаждение PDMS на полиимидной узора маски, определяющей контур желаемой конструкции; шаг 3: передача маскирующего слоя путем размещения текстильного материала на маске PDMS покрытием, Шаг 4: передача PDMS в объем текстильного материала, шаг 5: осаждение проводящего полимера раствора на незащищенные ткани. Изображения справа показывают на RESULTS из ключевых этапов технологического потока. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Два примера изготовления органических устройств. Два примера изготовления органических устройств. а) Ионный жидкий гель покрытия на PEDOT: PSS текстильной электрод для кожи зондирования. б) осаждение слоя изоляции на PEDOT: PSS текстильного электрода для сенсорных датчиков. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Фотографии органического электронного текстаIle устройства. а) PEDOT: PSS электроды для растяжения зондирования. б) Массив OECT транзисторов для носимых биодатчиков. с) Круговая PEDOT: PSS электрод , покрытый ионным гель жидкости для кожного электрофизиологии. d) Органические сенсорные датчики для носимых клавиатуры. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Структурирование провод щих материалов, является одним из первых шагов при изготовлении функциональных электронных устройств. Это может стать сложной задачей, поскольку процесс изготовления необходимо учитывать химические и физические свойства таких материалов, и поток процесса необходимо учитывать материала перекрестную совместимость между этапами изготовления. В микротехнологий органических электронных устройств, эти два аспекта еще более значимым из-за высокой реакционной способности органических соединений. Сегодня, однако, органические материалы являются весьма привлекательными для носимых и гибкой электроники для своих электрогидравлических упругих свойств 14, 15. Передача таких технологий в текстильной промышленности для получения полностью интегрированных электронных носимых ограничивается их трехмерными структурами. Обычные методы, используемые в микротехнологий ограничены струйной или трафаретной печати проводящих чернил только на тонком подстрокаАтес и текстильные изделия 16, 17, 18. Традиционная техника вышивки, где один слой сшит в текстильной, до сих пор нет промышленного производства масштабируемости.
Самый важный аспект в структурировании органических материалов осаждения без нарушения электрических свойств. Методика формирования рисунка описан на фиг.1 , зависит от прямого осаждения органики, при этом нет необходимости соответствовать спецификации метода осаждения или инструмента. Органические вещества сформулированы так, чтобы лучшие из своих выступлений, а затем могут быть непосредственно нанесены на выбранной структуры ткани. Полезность PDMS является ключом к модели материалов из раствора на текстиль. Применение проводящих материалов из раствора с низкой вязкостью, а не с помощью пастообразных красок, позволяет конформное и глубокое покрытие в текстильной структуре. Тем не менее, это ограничивает selectivе осаждение и приводит к потере разрешения структуризации. Мы преодолели это ограничение, создавая негативный шаблон из PDMS, чтобы сдерживать проникновение неконтролируемой проводящая решение в текстильной. Стратегический выбор PDMS основан на его вязкоупругих свойств, которые поддерживают текстильную растяжимость и гибкость. PDMS также гидрофобными и позволяет контролировать распространение PEDOT: решение PSS водной основе во время формирования паттерна. Мы наблюдали, что проводящие образцы, изготовленные с использованием этого протокола продемонстрировали хорошую электрическую проводимость и устойчивость при механических деформаций. Этот метод позволяет в будущем настраивать существующие одежды с помощью смарт-компонентов, которые имеют электронные возможности. Тем не менее, одним из важнейших и, в некоторых случаях, предельные точки предлагаемого подхода является еще органический материал, долговечность в носимых условиях. Некоторые аспекты, такие как механическое сопротивление стресса и поведение после мытьяй сушки органических проводящих текстильных изделий, до сих пор неизвестны.
Значительное большинство носимой электроники полагаются на растяжению устройств, где пружинные подобные структуры создаются для поддержания электрического соединения при деформации устройства. В зависимости от типа текстильного волокна в трикотаже собраны в форме подковы конструкции, обеспечивая механическую растяжимость конструкции. Покрытие этих текстильных изделий с проводящими материалами позволяет отдельные волокна выступать в качестве деформации и движения датчиков в смарт - одежды, как показано на рисунке 3а. К тому же, более сложные геометрические формы устройства легко может быть с рисунком, а не только на вязки, но и на тканых материалов. На рисунке 3b, мы представляем массив OECTs с переменными геометрией. В обычной фотолитографии, одновременное изготовление больших и малых функций практически невозможно достичь без использования нескольких шагов. Показано, что наша методика формирования рисунка может Producе модели с разрешением, которое варьируется от 0,5 мм до около сотни раз больше. Такие транзисторы могут быть непосредственно использованы в носимых зондировании пот с регулируемым временем отклика и разрешением 19 обнаружения.
Мы показали , что ПДМС также позволяет последовательное нанесение дополнительных функциональных слоев в селективным способом, как показано на рисунке 2. Устройства могут быть интегрированы в текстильной промышленности и стать полностью интегрированы на носимых систем. Процесс на рисунке 2а показывает изготовление кожным текстильного электрода, где контакт между электродом и кожей усиливается с ионной жидкостью геля. Переносные электроды в кожном электрофизиологии страдают от артефактов движения, вызванных электрической деградации контакта между электродами и носящего во время записи. Возможность интеграции ионных гелей на текстильных электродов открывает эффективный канал связи счеловеческое тело, которое желательно в носимых устройствах здравоохранения. Примером такого устройства можно увидеть на рисунке 3в.
Последовательное нанесение других активных материалов может привести к устройствам с использованием геометрии стека, такие как органические батареи, конденсаторы, солнечных батарей, транзисторов или датчиков. На рисунке 2 , б показывает отложением маршрут изолирующих или диэлектрических материалов. Носимое органическая клавиатура (Рис 3) может быть изготовлен с помощью этого процесса, в котором ПДМС используется для создания диэлектрического слоя на верхней части электрода. Такое устройство способно емкостной вариации зондирования между электродом и пальцем, который может иметь потенциально интересные приложения в носимых компьютеров и человек-машина интерфейсной.
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).
