Summary
I detta papper presenterar vi ett protokoll för att selektivt deponera organiskt material på textilier, vilket möjliggör direkt integration av organiska elektroniska apparater med smarta accessoarer. De tillverkade enheter kan integreras fullt ut i textilier, med respekt för deras mekaniska utseende och möjliggör sensorfunktioner.
Introduction
Området bärbara elektronik är en snabbt växande marknad beräknas vara värd 50 miljarder euro år 2025, mer än tre gånger den aktuella marknaden. Den främsta utmaningen för dagens bärbara enheter är att påträngande fasta elektroniska bilagor begränsa användningen av etablerade enheter i bärbara system. Använda textilier som redan finns i vardagen är en mycket attraktiv och enkel metod för att undvika denna begränsning. På grund av dess elastiska förmåga, vissa delar av kläder som vi bär är naturligt i tät kontakt med huden. Många exempel på smarta kläder som finns på marknaden idag är baserade på tunna, plast skärmar, tangentbord och ljuskälleanordningar inbäddade i textilier, som förbinder elektronik med människor i ett modernt sätt en. I sport praktiken förlitar hälsoövervakning på textilelektroder, som erbjuder bekväma alternativ till vanliga självhäftande elektroder och metallarmband. Här, ledande fibrer ärdirekt integrerat med stretchmaterial för att förhindra hudirritation och andra obehag under förlängd användning. Dessutom, textilier erbjuder ett antal möjligheter att integrera krökning sensorer för att fånga rörelse 2, för att integrera skjuvning sensorer för utveckling av funktionella robot manöverdon 3, och säkerligen att integrera biosensorer genom detektering av en analyt i svett 4.
Modern bärbar teknik bygger på kolbaserade halvledarmaterial som levererar elektroniska apparater med unika egenskaper. Den "mjuka" karaktär organics erbjuder bättre mekaniska egenskaper för att bilda gränssnitt med den mänskliga kroppen jämfört med traditionella halvledarelektroniken. Denna mekaniska kompatibilitet, parat med mekaniskt flexibla substrat, möjliggör användning av icke-plana formfaktorer i enheter såsom textilier. Användningen av organiska är också relevant i biovetenskap på grund av deras blandade electronic och jonledningsförmåga 5. Dessutom organiskt halvledande och optoelektroniska material ge ett stort antal funktionella enheter med display, transistor, logik, och kraftkapacitet 6, 7, 8, 9. Den största svårigheten vid tillverkning av sådana organiska enheter är kontrollerad avsättning av funktionella material på icke plana ytor av textilier. Konventionella mikrotillverkningstekniker främst begränsas av oförenlighet avsättningsförfarandet med den strukturella dimension av textilsubstrat.
Här beskriver vi en enkel och skalbar tillverkningsprotokoll som möjliggör selektiv avsättning av ledande polymerer på strukturerade textilier. De presenterade processen möjliggör tillverkning av bärbara och konform elektroniska apparater. Det tillvägagångssätt är baserat på mönstringen av commercially tillgängliga ledande polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) och en elastomer stencil material polydimetylsiloxan (PDMS) på textil. Denna kombination gör det möjligt att effektivt inneslutning av vatten PEDOT: PSS lösning, liksom för bibehållandet av de mjuka och sträck egenskaper textilier. Denna enkla och pålitliga tillverkningsmetod banar väg för tillverkning av en mängd olika elektroniska apparater direkt på textilier i ett kostnadseffektivt och industriellt skalbart sätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Mönstring ledande polymerer på textilier
- Fastställa en 10 cm x 10 cm textilarket på en plan yta för enkel hantering under processen. För textil, använda en 100% interlockstickning polyesterväv med en tjocklek av 300 pm och en stickad riktning sträckförmåga upp till 50%.
- För att göra en mask som innehåller mönstrings design, använd en 125 pm tjock polyimidfilm; ett exempel på mönstret som visas i fig 1.
- Använda en laserskärare (t.ex. Protolaser S, LPKF) till mönstret polyimiden masken 10; mönstret utformningen av en elektrod illustreras i figur 1.
- Belägga PDMS formuleringen (10: 1 bas att härdare förhållande) på toppen av masken (polyimidfilmen) med användning av en automatisk tejpgjutning verktyget (K styrning skriva-beläggare, räkel) med en våt filmtjocklek av 200 | j, m och vid en 6 m / min beläggningshastigheten. Använd ca 0,5 ml för en mask av 3 cm x 5 cm. utföra thär processen under dragskåp.
- överföra försiktigt tyget till PDMS-belagda masken. Låt stå i 10 minuter, varefter de PDMS fullo bör absorberas i textilstruktur.
- Härda provet i en luft ugn vid 100 ° C under 10 min.
- Förbereda den ledande polymeren: PEDOT: PSS dispersion (80 ml), etylenglykol (20 ml), 4-dodecylbensensulfonsyra (40 | il), och 3-metakryloxipropyltrimetoxisilan (1 ml) i dragskåpet.
- Borst belägga PEDOT: PSS lösning på PDMS fria området av textil tills en homogen penetrering av lösning erhålls. Upprepa detta steg för att uppnå ett enhetligt mönster färg. Applicera ca 1 ml / cm 2.
- Härda tyget vid 110 ° C under 1 h för att torka PEDOT: PSS-lösning. Sänk temperaturen till 60 ° C för textilier som är känsliga för behandling med hög temperatur, som nylon.
2. Organisk Device Fabrication
OBS: Protokollet i avsnitt 1 describes selektiv avsättning av ledande material på textilier. Följande avsnitt beskriver de ytterligare åtgärder som behövs för att tillverka organiska enheter, som stretch sensorer, OECT transistorer, kutan elektroder och kapacitiva sensorer.
- Att tillverka stretch sensorer, som visas i figur 3a, mönster elektrod linjer på textil, som beskrivs i avsnitt 1, steg från 1,1 till 1,5.
OBS: Ett exempel på mönstret konstruktion visas i figur 3a. Tillverkningen av sådana sensorer kräver inte några ytterligare steg. - Att tillverka transistorn konstruktion som visas i figur 3b, mönster transistor arrayer på en nylon vävd band att följa stegen som beskrivs i avsnitt 1. Något ändra PDMS glödgning och PEDOT: PSS bota åtgärder för att undvika termisk nedbrytning av nylon genom härdning vid 60 ° C under en längre tid.
- För tillverkning av kutana elektroder, visas i figur 3c, deponera ettjoniska gel på den mönstrade PEDOT: PSS textilier.
- Förbereda en jonisk vätska gel blandning innehållande den joniska vätskan, ett-etyl-3-metylimidazolium-etylsulfat; tvärbindningsmedel, poly (etylenglykol) diakrylat; och fotoinitiatorn, 2-hydroxi-2-metylpropiofenon vid en (v / v) -förhållande av 0,6 / 0,35 / 0,05, respektive.
- Täck PEDOT: PSS elektroden med jonisk vätska (20 ml / cm 2) och lägg den joniska vätskan gelblandningen från steg 2.3.1 (25 ml / cm 2) droppe gjutning.
- Utsättas för UV-ljus (365 nm) för att initiera en tvärbindningsreaktion under 10-15 min, tills gelén stelnar. Utför detta steg i dragskåp. Använd en UV-skyddande bur under UV-exponering.
- För kapacitiv givare tillverkning, använder PEDOT: PSS textilelektroder isolerade med ett isolerande material (figur 3d).
- Isolera tangentbordet liknande PEDOT: PSS elektroder med hjälp av PDMS; tangentbordet utformning kan ses i figur 2b </ Strong>. Dispensera PDMS formuleringen ovanpå tyget och ta bort överskott med en gummiskrapa.
- Placera tyget i en ugn vid 100 ° C under 10 min. Utför detta steg i dragskåp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Traditionella metoder för att tillämpa färger eller mönster på textilier lita på flyttbara maskeringslager för att tillåta selektiv avsättning av färgämnen. I figur 1, visar vi en anpassning av en sådan strategi för mönstring av PEDOT: PSS elektroder på textilier. Som ett maskeringsskikt, använde vi hydrofoba polydimetylsiloxan, som kan hålla den icke-styrbara diffusion av vatten PEDOT: PSS lösning. Vidare kan mjukheten och töjbarheten av stickade och vävda textilier bevaras tack vare de elastiska och mekaniska egenskaperna hos PDMS.
I figur 1, börjar processen med utarbetandet av mönstrings mästare från polyimidfilm (steg 1). Utformningen av mönstret kontur är huggen på filmen av en laser. Med användning av en bandgjutningsverktyg, är PDMS appliceras på denna master (steg 2), och textil placeras ovanpå det (steg 3). T han PDMS är sedan progressivt diffunderat in i textil (steg 4). För att stoppa denna överföring är en kort termisk glödgningsprocessen som krävs för att bota PDMS. Viskositeten och tjockleken av de PDMS kan justeras genom att använda olika mängder av de parametrar härdar och beläggning, respektive, för att styra spridningen och för att tillförsäkra den felfria replikation av huvudmallen. Slutligen är den ledande lösningen borst målad på oskyddade textil- och bakas för att torka (steg 5). Polyimid mästare sedan delamineras från textilytan. Resultatet av tillverkningsflödet illustreras i figur 1, till höger. I detta fall var framgångsrik mönstring placerad på stickad polyester. Mönstrings resolution om en sådan textil är större än 1 mm. Emellertid kan lägre upplösning även erhållas på tätt stickade eller vävda textilier. Med användning av denna avsättningsteknik, är det uppskattade ytmotstånd hos det ledande textil nära 230 Ω / sq.
_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Exempel på funktionella elektroniska apparater på stickade och vävda textilier visas i figur 3a och b, inklusive framgångsrikt tillverkas PEDOT. PSS elektroder på stickade textilier naturlig hästsko arrangemang av fibrerna i stickade textilier ger justerbar töjbarhet till tyger. Denna fjäderliknande förmåga stickade strukturer kan resultera i mycket känslig töjningsgivare 11. en enkel deformation i textilstruktur reflekteras av en förändring i den elektriska resistiviteten på grund av vridningen av ledande fibrer i gängorna. Dessutom, genom att dra fördel av den hygroskopiska kapaciteten för de textilier, ades matrisen med elektroderna i figur 3b mönstrade på textilier för att göra plana transistorer med rektangulära kanaler och olika grindbredder, som kan användas i wearable svett avkänning. en sådan geometrisk konfiguration används i organisk elektro transistors (OECT) för avkänning vilken kanal och gate binds samman med ett prov av en analyt 12.De presenterade mönstringstekniken kan utökas för att tillverka komplexa organiska elektroniska apparater på textilier. Som PDMS schablonen förblir inom textil efter mönstringsprocessen, kan ytterligare lager mönstras på PEDOT: PSS-belagd ledande textilier. I figur 2 presenterar vi den process där en jonisk vätska gellösning (Figur 2a) och PDMS formuleringen (Figur 2b) applicerades på funktionalisera eller isolera ytan av en PEDOT: PSS elektroden respektive. Joniska geler används främst i kutan elektroder. Införlivandet av en jonisk gel i ledande textilier användes för att fabricera bärbara textilelektroder för elektrofysiologisk övervakning 10 och illustreras i figur 3c. Kapacitiva sensorer gjordes by isolerande textilelektrodytan med PDMS. En förändring av kapacitansen detekterades när elektroden blev rörd. En sådan tryckkänslig anordning användes för att fabricera ett organiskt elektroniskt textil tangentbord 13, såsom visas i figur 3d.
Figur 1. Process flödes illustrerar mönstring av ledande polymerer på textilier. Processflöde som illustrerar mönstring av ledande polymerer på textilier. Steg 1: mask förberedelse; steg 2: PDMS avsättning på polyimid mönstring mask som definierar konturerna av den önskade design; steg 3: överföring av det maskerande skiktet av placeringen av textilen på PDMS-belagda masken; steg 4: överföring av PDMS i huvuddelen av textil, steg 5: deponering av ledande polymer lösning på oskyddade textil. Bilderna till höger visar Results av de viktigaste stegen i processflödet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Två exempel på tillverknings organiska enheter. Två exempel på tillverknings organiska enheter. a) Ionic flytande gel beläggning på PEDOT: PSS textil elektrod för kutan avkänning. b) isoleringsskiktet avsättning på PEDOT: PSS textil elektrod för beröringssensorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Fotografier av organiskt elektronisk textile anordningar. a) PEDOT: PSS elektroder för stretch avkänning. b) Array of OECT transistorer för bärbara biosensing. c) Cirkulär PEDOT: PSS elektroden belagd med en jonisk vätska gel för kutan elektrofysiologi. d) Ekologiska touch-sensorer för en bärbar tangentbord. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mönstringen av ledande material är ett av de första stegen i tillverkningen av funktionella elektroniska apparater. Detta kan bli utmanande, eftersom tillverkningsprocessen måste ta hänsyn till de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos sådana material, och processflödet måste överväga materialet tvär kompatibilitet mellan de tillverkningssteg. I mikro organiska elektroniska apparater, dessa två aspekter är ännu större på grund av den mycket reaktiva karaktär organiska ämnen. Men i dag, organiska material är mycket attraktiv för bärbara och flexibel elektronik för sina elektro elastiska egenskaper 14, 15. Överföringen av sådan teknik textilier för att få fullt integrerade elektroniska wearables begränsas av deras tredimensionella strukturer. Konventionella tekniker som används i mikro är begränsade till bläckstråleskrivare och screentryck av ledande bläck endast på tunn substrAtes och textilier 16, 17, 18. Traditionellt broderi teknik, där en enda fiber sys in i textil, saknar fortfarande industriproduktion skalbarhet.
Den mest kritiska aspekten i mönstring av organiska material är deponering utan att störa de elektriska egenskaperna. Mönstringsteknik som beskrivits i fig 1 förlitar sig på den direkta avsättningen av organiska ämnen, utan behov för att uppfylla specifikationerna för avsättningsteknik eller verktyget. De organiska materialen är formulerade för att det bästa av deras prestationer och kan sedan direkt avsättas på det valda vävstrukturen. Användbarheten av PDMS är nyckeln till mönster material från lösningen på textilier. Tillämpningen av ledande material från lösningen med låg viskositet, snarare än att använda pastaliknande färger, möjliggör en konform och djup beläggning i textilstruktur. Emellertid begränsar den selective nedfall och leder till förlust av mönstrings upplösning. Vi har övervunnit denna begränsning genom att skapa ett negativt mönster från PDMS att hindra okontrollerad ledande lösning tränger in i textil. Den strategiska valet av PDMS är baserade på viskoelastiska egenskaper, som upprätthåller textil töjbarhet och flexibilitet. PDMS är också hydrofob och tillåter kontroll av spridningen av PEDOT: PSS vattenbaserad lösning under mönstringen. Vi observerade att de ledande mönstren tillverkade med hjälp av detta protokoll visade god elektrisk ledningsförmåga och stabilitet under mekaniska deformationer. Denna metod gör det möjligt att framtida anpassning av befintliga plagg med smarta komponenter som har elektroniska funktioner. Det är dock en av de kritiska och i vissa fall, vilket begränsar punkter den föreslagna strategin fortfarande organiskt material hållbarhet bärbara förhållanden. Vissa aspekter, såsom mekanisk stresstålighet och beteende efter tvätt ennd torkning av organiska ledande textilier, är fortfarande okänd.
Det stora flertalet av bärbara elektronik förlitar sig på sträck enheter, där fjäderliknande strukturer skapas för att upprätthålla den elektriska anslutningen under enhet deformation. Beroende på vilken typ textil, är fibrerna i stickade tyger monterad i en hästsko design som ger mekanisk sträckbarhet av strukturen. Belägga dessa textilier med ledande material tillåter enskilda fibrer för att fungera som stam och rörelsesensorer i smarta kläder, såsom visas i figur 3a. Dessutom kan mer komplexa anordningsgeometrier enkelt vara mönstrad, inte bara på stickat, utan även på vävda tyger. I figur 3b, presenterar vi en matris med OECTs med variabla geometrier. Vid konventionell fotolitografi, är samtidig tillverkning av stora och små funktioner nästan omöjligt att uppnå utan att kräva flera steg. Visar vi att vårt mönstringsteknik kan produktionene mönster med en upplösning som varierar från 0,5 mm till cirka en hundra gånger större. Sådana transistorer kan användas direkt i bärbar svett avkänning med en justerbar svarstid och upptäckt upplösning 19.
Vi har visat att PDMS möjliggör även konsekutiv avsättning av ytterligare funktionella skikt på ett selektivt sätt, såsom visas i figur 2. Enheterna kan sedan integreras i textilier och bli fullt integrerat i bärbara system. Processen i figur 2a visar den tillverkning av en kutan textil elektrod, där kontakten mellan elektroden och huden är förstärkt med en jonisk vätska gel. Bärbara elektroder i kutan elektro lider rörelseartefakter som orsakas av den elektriska kontakten nedbrytning mellan bäraren och elektroderna under inspelningarna. Möjligheten att integrera joniska geler på textilelektroder öppnar en effektiv kommunikationskanal medmänniskokroppen, vilket är önskvärt i bärbara sjukvårdsenheter. Ett exempel på en sådan anordning kan ses i figur 3c.
Den konsekutiva avsättning av andra aktiva material kan resultera i anordningar som använder en stapel geometri, såsom organiska batterier, kondensatorer, solceller, transistorer, eller sensorer. Figur 2b visar avsättningsvägen av isolerande eller dielektriska material. En wearable organiska tangentbord (figur 3d) kan tillverkas med hjälp av denna process, där PDMS används för att skapa ett dielektriskt skikt på toppen av elektroden. En sådan anordning är i stånd att kapacitiv variation avkänning mellan elektroden och ett finger, som kan ha potentiellt intressanta tillämpningar inom bärbara datorer och människa-maskin gränssnitt.
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).
