Summary
En este trabajo, se presenta un protocolo para depositar selectivamente materiales orgánicos sobre los textiles, lo que permite la integración directa de dispositivos electrónicos orgánicos con llevar encima. Los dispositivos fabricados pueden integrarse plenamente en el sector textil, respetando su aspecto mecánico y permitiendo capacidades de detección.
Introduction
El campo de la electrónica usable es un mercado de rápido crecimiento se espera que sea por valor de 50 millones de euros en 2025, más de tres veces el mercado actual. El principal reto de dispositivos portátiles actuales es que los accesorios electrónicos sólidos intrusivos limitan el uso de los dispositivos establecidos en los sistemas portátiles. El uso de los textiles que ya están presentes en la vida cotidiana es un enfoque muy atractivo y fácil de evitar esta limitación. Debido a su capacidad elástica, algunas partes de la ropa que usamos son naturalmente en estrecho contacto con la piel. Hay muchos ejemplos de ropa inteligente disponibles en el mercado hoy en día se basan en, pantallas delgadas de plástico, teclados y dispositivos de la fuente de luz incrustados en el sector textil, que une la electrónica con los seres humanos de una manera elegante 1. En la práctica del deporte, vigilancia de la salud se basa en los electrodos textiles, que ofrecen cómodas alternativas de uso común electrodos adhesivos y pulseras de metal. Aquí, las fibras conductoras sondirectamente integrado con tejidos elásticos para evitar la irritación de la piel y otras molestias durante el uso prolongado. Además, los textiles ofrecen una serie de oportunidades para integrar sensores de curvatura de captura de movimiento 2, para integrar sensores de cizallamiento para el desarrollo de actuadores robóticos funcionales 3, y desde luego para integrar los biosensores a través de la detección de un analito en sudor 4.
tecnología portátil moderna se basa en materiales semiconductores basados en el carbono que proporcionan los dispositivos electrónicos con propiedades únicas. La naturaleza "suave" de los productos orgánicos ofrece mejores propiedades mecánicas para la interfaz con el cuerpo humano en comparación con la electrónica tradicional de estado sólido. Esta compatibilidad mecánica, junto con sustratos flexibles mecánicamente, permite el uso de factores de forma no planas en dispositivos tales como los textiles. El uso de productos orgánicos también es pertinente en ciencias de la vida debido a su ele mixtaconductividad iónica ctronic y 5. Además, semiconductores orgánicos y materiales optoelectrónicos facultan a una gran variedad de dispositivos con pantalla, el transistor, la lógica y capacidad de potencia 6, 7, 8, 9. La principal dificultad en la fabricación de dispositivos tales orgánicos es la deposición controlada de materiales funcionales en las superficies no planas de textiles. técnicas de microfabricación convencionales están limitados principalmente por la incompatibilidad del proceso de deposición con la dimensionalidad estructural de sustratos textiles.
A continuación, se describe un protocolo de fabricación simple y escalable que permite la deposición selectiva de polímeros conductores sobre los textiles estructurados. El proceso presentado permite la fabricación de dispositivos electrónicos portátiles y de conformación. El enfoque se basa en el patrón de la commercially disponibles polímero conductor de poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli (estireno sulfonato) (PEDOT: PSS) y un polidimetilsiloxano material de la plantilla de elastómero (PDMS) sobre el textil. Esta combinación permite el confinamiento eficiente del PEDOT acuosa: solución de PSS, así como para la retención de las propiedades suaves y estirables de textiles. Este método de fabricación sencilla y fiable allana el camino para la fabricación de una variedad de dispositivos electrónicos directamente a los textiles de una manera rentable y escalable industrialmente.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Patterning polímeros conductores en Textil
- Fijar un 10 cm x 10 cm laminar textil sobre una superficie plana para un fácil manejo durante el proceso. Para la industria textil, utilizar un enclavamiento de punto tejido de poliéster 100% con un espesor de 300 micras y una capacidad de estirado en la dirección de punto de hasta 50%.
- Para hacer una máscara con el diseño del patrón, utilice una película de poliamida de 125 micras de espesor; un ejemplo del patrón se ilustra en la Figura 1.
- Utilice un cortador láser (por ejemplo, ProtoLaser S, LPKF) al patrón de la máscara de poliamida 10; el diseño del patrón de un electrodo se ilustra en la Figura 1.
- Escudo de la formulación de PDMS (10: 1 Base para curar relación de agente) en la parte superior de la máscara (película de poliamida) usando una herramienta automática de la cinta de colada (K control de impresión recubridor, rasqueta) con un espesor de película húmeda de 200 micras y en una 6 m / min velocidad de recubrimiento. Utilice aproximadamente 0,5 ml de una máscara de 3 cm x 5 cm. realizarles el proceso en virtud de la campana de humos.
- transferir suavemente el tejido a la máscara de PDMS-revestido. Dejar durante 10 min, después de lo cual los PDMS deben estar completamente absorbidos en la estructura textil.
- Curar la muestra en un horno de aire a 100 ° C durante 10 min.
- Preparar el polímero conductor: PEDOT: PSS dispersión (80 ml), etilenglicol (20 ml), ácido 4-dodecilbencenosulfónico (40 l), y 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (1 ml) en la campana de humos.
- se obtuvo una solución PSS en la zona-PDMS libres del tejido hasta una penetración homogénea de la solución: Brush-capa de la PEDOT. Repita este paso para conseguir un color patrón uniforme. Aplicar alrededor de 1 ml / cm2.
- Curar la tela a 110 ° C durante 1 h para secar el PEDOT: PSS solución. Reducir la temperatura a 60 ° C para los textiles que son sensibles a tratamiento a alta temperatura, como el nylon.
2. la fabricación del dispositivo orgánico
NOTA: El protocolo en la Sección 1 describes la deposición selectiva de materiales conductores sobre los textiles. Las siguientes secciones describen los pasos adicionales necesarios para fabricar dispositivos orgánicos, como los sensores de estiramiento, transistores OECT, electrodos cutáneos, y sensores capacitivos.
- Para fabricar sensores de estiramiento, que se muestra en la Figura 3a, modelo de las líneas de electrodos en la industria textil, como se describe en la Sección 1, los pasos 1.1 a 1.5.
NOTA: Un ejemplo del patrón de diseño se muestra en la Figura 3a. La fabricación de este tipo de sensores no requiere ningún paso adicional. - Para fabricar el diseño de transistores se muestra en la Figura 3b, patrón de las matrices de transistores en una cinta de tejido de nylon siguiendo los pasos descritos en la Sección 1. modificar ligeramente el recocido PDMS y PEDOT: PSS curar medidas para evitar la degradación térmica de nylon de una cocción a 60 ° C durante un tiempo más largo.
- Para la fabricación de electrodos cutáneos, que se muestra en la Figura 3c, depositar unagel iónico en el modelado de PEDOT: PSS textiles.
- Preparar una mezcla de gel de líquido iónico que contiene el líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazolio-etil sulfato; el agente de reticulación, poli (etilenglicol) diacrilato; y el fotoiniciador, 2-hidroxi-2-metilpropiofenona en una relación (v / v) de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivamente.
- Escudo el PEDOT: PSS electrodo con el líquido iónico (20 l / cm 2) y añadir la mezcla de gel líquido iónico de la etapa 2.3.1 (25 l / cm 2) por colada gota.
- Exponer a la luz UV (365 nm) para iniciar una reacción de reticulación durante 10-15 min, hasta que el gel solidifica. Realice este paso en la campana de humos. Utilice una jaula de protección UV durante la exposición UV.
- Para la fabricación del sensor capacitivo, utilice PEDOT: PSS electrodos textiles aislados con un material aislante (Figura 3d).
- Aislar el teclado como PEDOT: PSS electrodos utilizando el PDMS; el diseño de teclado se puede ver en la figura 2b </ Strong>. Dispensar la formulación PDMS en la parte superior de la tela y eliminar el exceso con una escobilla de goma.
- Coloque la tela en una estufa a 100 ° C durante 10 min. Realice este paso en la campana de humos.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Los métodos tradicionales para la aplicación de colores o patrones a los textiles se basan en capas de enmascaramiento desmontables para permitir la deposición selectiva de colorantes. En la Figura 1, se muestra la adaptación de este enfoque para el modelado de PEDOT: PSS electrodos sobre los textiles. Como capa de máscara, se utilizó polidimetilsiloxano hidrófobo, que puede restringir la difusión no controlable de la PEDOT acuosa: solución de PSS. Por otra parte, la suavidad y la capacidad de estiramiento de los textiles de punto y tejido pueden ser conservados gracias a las propiedades elásticas y mecánicas de los PDMS.
En la Figura 1, el proceso se inicia con la preparación del maestro de patrones de película de poliimida (paso 1). El diseño del marco modelo está tallada sobre la película por un láser. Con una herramienta de moldeo en cinta, el PDMS se aplica sobre este maestro (paso 2), y el textil se coloca en la parte superior de ella (paso 3). T él PDMS luego se difunde progresivamente en el textil (paso 4). Para detener esta transferencia, se requiere un proceso de recocido térmico corto para curar los PDMS. La viscosidad y el espesor de los PDMS se pueden ajustar mediante el uso de diferentes cantidades de los parámetros de agente de curado y de revestimiento, respectivamente, para el control de la difusión y para asegurar la replicación impecable del diseño maestro. Por último, la solución conductora es cepillo-pintado en el textil sin protección y al horno para secar (paso 5). El maestro de poliimida se deslamina luego de la superficie textil. Los resultados del flujo de fabricación se ilustran en la Figura 1, a la derecha. En este caso, el patrón se colocó con éxito en poliéster de punto. La resolución de los patrones en un textil de este tipo es mayor que 1 mm. Sin embargo, una resolución menor también se puede obtener en los textiles muy unidas o tejidas. Usando esta técnica de deposición, la estimación de la resistencia laminar de la realización de textil está cerca de 230 Ω / sq.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Los ejemplos de dispositivos funcionales a los textiles de punto y tejidos se muestran en la Figura 3a yb, incluyendo PEDOT fabricado con éxito:. electrodos PSS sobre los textiles de punto La disposición natural de herradura las fibras de textiles de punto proporciona elasticidad ajustable a los tejidos. Esta capacidad primaveral de estructuras de punto puede dar lugar a sensores de tensión de alta sensibilidad 11. a simple deformación en la estructura textil se refleja por un cambio en la resistividad eléctrica debido a la torsión del conductor fibras en los hilos. Además, mediante el aprovechamiento de la capacidad higroscópica de los textiles, la matriz de electrodos en la Figura 3b fue modelado en textiles para fabricar transistores planares con canales rectangulares y diferentes anchos de puerta, que se pueden utilizar en la detección sudor usable. Tal configuración geométrica se utiliza en transisto electroquímica orgánicars (OECT) para detectar qué canal y la puerta están unidos por una muestra de un analito 12.La técnica de modelado presentado puede ser extendido para fabricar dispositivos electrónicos orgánicos complejos en los textiles. A medida que la plantilla de PDMS se mantiene en la industria textil después del proceso de modelado, las capas adicionales pueden ser modelados en el PEDOT: PSS recubierta de conducción de los textiles. En la Figura 2, se presenta el proceso en el que una solución iónica gel líquido (figura 2a) y la formulación PDMS se aplicaron (Figura 2b) para funcionalizar o aislar la superficie de un PEDOT: PSS electrodo, respectivamente. geles iónicos se utilizan en gran medida en los electrodos cutáneos. La incorporación de un gel iónico en la realización de textiles se utilizó para fabricar electrodos textiles usables para la monitorización electrofisiológica 10 y se ilustra en la Figura 3c. Los sensores capacitivos se hicieron by el aislamiento de la superficie del electrodo textil con PDMS. Se detectó un cambio en la capacitancia cuando se tocó el electrodo. Dicho dispositivo sensible al tacto se utilizó para fabricar un teclado textil electrónica orgánica 13, como se muestra en la Figura 3d.
Figura 1. Proceso de flujo que ilustra el patrón de polímeros conductores sobre textiles. Flujo de proceso que ilustra el patrón de polímeros conductores sobre textiles. Paso 1: Preparación de la máscara; paso 2: deposición de PDMS en la máscara de poliimida patrón que define el contorno del diseño deseado; paso 3: transferencia de la capa de enmascaramiento por la colocación de la industria textil en la máscara de PDMS-revestidos; paso 4: transferencia de los PDMS en la mayor parte de la industria textil, paso 5: deposición de la realización de la solución de polímero sobre la materia textil sin protección. Las imágenes de la derecha muestran la results de los pasos clave del flujo de proceso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Dos ejemplos de dispositivos orgánicos de fabricación. Dos ejemplos de dispositivos orgánicos de fabricación. a) recubrimiento iónico líquido en gel en el PEDOT: PSS electrodo textil para la detección cutánea. b) deposición de la capa de aislamiento en el PEDOT: PSS electrodo textil para sensores táctiles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Fotografías de texto electrónico orgánicaile dispositivos. a) PEDOT: PSS electrodos para la detección de estiramiento. b) Matriz de transistores OECT para biosensor portátil. c) Circular PEDOT: PSS electrodo recubierto con un gel líquido iónico para electrofisiología cutánea. d) Los sensores táctiles orgánicos para un teclado portátil. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
El modelado de materiales conductores es uno de los primeros pasos en la fabricación de dispositivos electrónicos funcionales. Esto puede convertirse en un desafío, ya que el proceso de fabricación debe tener en cuenta las propiedades químicas y físicas de tales materiales, y el flujo del proceso debe tener en cuenta el material de compatibilidad cruzada entre las etapas de fabricación. En la microfabricación de dispositivos electrónicos orgánicos, estos dos aspectos son aún más significativa debido a la naturaleza altamente reactiva de la materia orgánica. Hoy, sin embargo, los materiales orgánicos son altamente atractivos para los productos electrónicos portátiles y flexibles para sus propiedades electro-elásticos 14, 15. La transferencia de dichas tecnologías a los textiles para la obtención de llevar encima electrónicos totalmente integrados está limitada por sus estructuras tridimensionales. Las técnicas convencionales utilizadas en la microfabricación se limitan a chorro de tinta o impresión de pantalla de tintas conductoras sólo en substr delgadaAtes y textiles 16, 17, 18. técnica de bordado tradicional, donde una sola fibra se cose en la industria textil, aún carece de capacidad de ampliación de la producción industrial.
El aspecto más crítico en el patrón de los materiales orgánicos es la deposición sin alterar las propiedades eléctricas. La técnica de patrón descrito en la Figura 1 se basa en la deposición directa de los orgánicos, sin necesidad de cumplir con las especificaciones de la técnica de deposición o la herramienta. Los materiales orgánicos se formulan para la mejor de sus actuaciones y luego se pueden depositar directamente sobre la estructura del tejido elegido. La utilidad de PDMS es clave para materiales del dibujo de la solución en la industria textil. La aplicación de materiales conductores de la solución de baja viscosidad, en lugar de utilizar tintas pastosas, permite un conformal y revestimiento profundo en la estructura textil. Sin embargo, se limita la de selectividade deposición y conduce a la pérdida de la resolución de patrones. Hemos superar esta limitación mediante la creación de un patrón negativo de PDMS para frenar la penetración no controlado solución conductora en el textil. La elección estratégica de la PDMS se basa en sus propiedades viscoelásticas, que mantienen la capacidad de estiramiento y flexibilidad textil. El PDMS también es hidrófobo y permite el control de la difusión de la PEDOT: solución a base de agua PSS durante el modelado. Hemos observado que los patrones conductores fabricados utilizando este protocolo demostraron una buena conductividad eléctrica y la estabilidad durante deformaciones mecánicas. Este método permite el futuro personalización de prendas existentes con componentes inteligentes que tienen capacidades electrónicas. Sin embargo, uno de los críticos y, en algunos casos, los puntos de enfoque propuesto limitante es todavía durabilidad material orgánico en condiciones usables. Algunos aspectos, tales como la resistencia a la tensión mecánica y el comportamiento después del lavado unand secado de los textiles conductores orgánicos, aún se desconocen.
La gran mayoría de la electrónica usable se basan en dispositivos estirables, donde se crean estructuras de tipo resorte para mantener la conexión eléctrica durante la deformación del dispositivo. Dependiendo del tipo de textiles, las fibras en tejidos de punto se ensamblan en un diseño de herradura, proporcionando elasticidad mecánica de la estructura. El recubrimiento de estos textiles con materiales conductores permite que las fibras individuales que actúan como sensores de tensión y movimiento en ropa inteligente, como se muestra en la Figura 3a. Además, las geometrías de dispositivos más complejos pueden ser fácilmente modelado, no sólo en géneros de punto, sino también en tejidos. En la Figura 3b, se presentan una serie de OECTs con geometrías variables. En la fotolitografía convencional, la fabricación simultánea de características grandes y pequeñas es casi imposible de conseguir sin requerir múltiples pasos. Se demuestra que nuestra técnica de modelado es capaz de Produce patrones con una resolución que varía de 0,5 mm a alrededor de cien veces mayor. Tales transistores se pueden utilizar directamente en la detección sudor portátil con una respuesta de tiempo ajustable y la resolución de la detección 19.
Hemos demostrado que PDMS también permite la deposición consecutiva de capas funcionales adicionales de una manera selectiva, como se muestra en la Figura 2. Los dispositivos pueden ser integrados en el sector textil y se vuelven completamente integrado en los sistemas portátiles. El proceso en la figura 2a muestra la fabricación de un electrodo textil cutánea, en el que el contacto entre el electrodo y la piel se ha mejorado con un gel de líquido iónico. electrodos usables en la electrofisiología cutánea sufren de artefactos de movimiento causados por la degradación contacto eléctrico entre el usuario y los electrodos durante las grabaciones. La posibilidad de integrar geles iónicos en los electrodos textiles abre un canal de comunicación eficiente con elcuerpo humano, que se desea en dispositivos sanitarios portátiles. Un ejemplo de tal dispositivo se puede ver en la Figura 3c.
La deposición consecutiva de otros materiales activos puede dar lugar a dispositivos que usan una geometría de pila, tales como baterías, condensadores orgánicos, células solares, transistores, o sensores. La Figura 2b muestra la ruta de deposición de aislantes o materiales dieléctricos. Un teclado orgánico usable (Figura 3d) puede ser fabricado utilizando este proceso, cuando se utilice el PDMS para crear una capa dieléctrica en la parte superior del electrodo. Tal dispositivo es capaz de detectar la variación capacitiva entre el electrodo y un dedo, que puede tener aplicaciones potencialmente interesantes en la computación portátil e interfaz hombre-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).
