Yöntem makalesi

Tekstil Organik Elektronik Cihazlar Basit ve Ölçeklenebilir Fabrikasyon Yöntemi

DOI:

10.3791/55439

⸱

13 Mart 2017

 ,  , 
1Department of Bioelectronics, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, CMP-EMSE, MOC, 2Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu yazıda, seçici giyilebilir organik elektronik cihazların doğrudan entegrasyon sağlar tekstil organik malzemeler, mevduat bir protokol mevcut. fabrikasyon cihazlar tamamen mekanik bir görünüme saygı ve algılama yetenekleri sağlayan, tekstil entegre edilebilir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Günümüzde giyilebilir elektronik cihazlar, çok çeşitli işlevsel, gerilebilir ve esnek teknolojileri bir araya getiriyor. Bununla birlikte, çoğu durumda, bu cihazlar günlük koşullar altında giyilemez. Bu nedenle, tekstiller genellikle giyilebilir kullanımda elektronik cihazları barındırmak için en iyi alt tabaka olarak kabul edilir. Bu yazıda, bir çözeltiden tekstil üzerindeki organik elektroaktif malzemelerin kolay ve ölçeklenebilir bir şekilde seçici olarak nasıl modelleneceğini açıklıyoruz. Bu çok yönlü biriktirme tekniği, giysiler üzerinde giyilebilir organik elektronik cihazların üretilmesini sağlar.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Giyilebilir elektronik alanında üç kez cari piyasa üzerinde, 2025 50 milyar avro değerinde olması beklenen bir hızla büyüyen bir pazar. Geçerli giyilebilir cihazlar önündeki en büyük engel müdahaleci katı elektronik ekleri giyilebilir sistemlerde kurulan cihazların kullanımını sınırlamak olmasıdır. Zaten günlük yaşamda mevcut kumaşları kullanılarak bu sınırlama önlemek için çok cazip ve anlaşılır bir yaklaşımdır. Nedeniyle elastik yeteneği, biz giymek giysi bazı kısımları deri ile sıkı temas halinde doğal olarak bulunmaktadır. Piyasada bugün mevcut akıllı giysiler pek çok örnek bir moda şekilde 1 insanlarla elektronik bağlayan ince, plastik ekranlar, klavyeler ve tekstil gömülü ışık kaynağı cihazlar dayanmaktadır. spor Uygulamada, sağlık izleme yaygın yapıştırıcı elektrotları ve metal bilekliği kullanılan rahat alternatifler sunan tekstil elektrotlar, dayanır. Burada, iletken elyaflardoğrudan cilt tahrişine ve genişletilmiş aşınma sırasında diğer rahatsızlıkları önlemek için esnek kumaşlar ile entegre. Ayrıca, tekstil ter 4 bir analitin tespiti yoluyla biyosensörler entegre etmek kesinlikle işlevsel robot aktüatörler 3 gelişmesi için kesme sensörleri entegre, ve, hareket 2 yakalamak için eğrilik sensörleri entegre birçok fırsat sunuyoruz.

Modern giyilebilir teknoloji benzersiz özelliklere sahip elektronik cihazlar teslim karbon bazlı yarı iletken malzemeler dayanır. organik "yumuşak" doğa geleneksel katı-hal elektronik kıyasla insan vücudu ile arabirim için daha iyi mekanik özellikler gösterir. mekanik esnek yüzeyler ile eşleştirilmiş Bu mekanik uyumluluk, tekstil gibi cihazlarda düzlemsel olmayan form faktörleri kullanımını sağlar. Organik maddelerin kullanımı nedeniyle karışık Elektronik endüstri için de yaşam bilimleri alakalıctronic ve iyonik iletkenliği 5. Ayrıca, organik yarı iletken ve optoelektronik malzemelerin ekran, transistör, mantık ve güç yetenekleri 6, 7, 8, 9 ile fonksiyonel cihazların büyük bir çeşitlilik güçlendirmek. Bu tür organik cihazların üretiminde ana zorluk tekstil düzlemsel olmayan yüzeyler üzerinde fonksiyonel maddelerin kontrollü birikmesidir. Klasik imalat teknikleri başta tekstil yüzeylerde yapısal boyutluluk ile çöktürme işleminin uyumsuzluk ile sınırlıdır.

Burada, yapılandırılmış tekstil iletken polimerlerin selektif birikimi sağlayan basit ve ölçeklenebilir üretim protokol açıklar. sunulan işlem giyilebilir ve konformal elektronik cihazların imalatı sağlar. yaklaşım c desenlendirme dayanmaktadırticari olarak elde edilebilir iletken polimer poli (3,4-etilendioksitiyofen): poli (stiren sülfonat) (PEDOT: PSS) ve tekstil üzerinde elastomerik şablon malzemesi polidimetilsiloksan (PDMS). yanı sıra tekstil yumuşak ve gerilebilir özelliklerin korunması için, PSS solüsyonu: Bu kombinasyon verimli sulu Pedot sınırlandırılması için izin verir. Bu basit ve güvenilir bir üretim yöntemi doğrudan maliyet-etkin ve endüstriyel ölçeklenebilir şekilde tekstil, elektronik cihazlar çeşitli imalatı için önünü açıyor.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tekstil 1. Desenlendirme İletken Polimerler

  1. işlem sırasında kolay kullanım için bir düzlemsel bir yüzeyi üzerinde bir 10 cm x 10 cm tabaka halindeki tekstil düzeltildi. Tekstil, 300 mikron kalınlığında ve% 50 bir örgü yönü streç yeteneği kadar olan% 100 interlok örme polyester kumaş kullanın.
  2. desenlendirme tasarımını içeren bir maske yapmak için, bir 125 mikron kalınlığında Polyimide film kullanın; modelinin bir örneği Şekil 1 'de gösterilmiştir.
    1. Desen poliimid maskesi 10 bir lazer kesici (örneğin, Protolaser S LPKF) kullanın; bir elektrot modeli tasarımı, Şekil 1 'de gösterilmiştir.
    2. Coat PDMS formülasyonu (10: 1 baz ajan oranı kür için) 200 um ve bir de ıslak film kalınlığı ile otomatik şerit döküm aracını (K kontrol baskı kaplayıcı, doktor bıçağı) ile maske (Polyimide film) üstünde 6 m / dakika kaplama hızı. 3 cm x 5 cm'lik bir maske için yaklaşık 0.5 mL kullanın. th gerçekleştirmekdavlumbaz altında süreçtir.
  3. Yavaşça PDMS kaplı maskeye kumaş aktarın. PDMS tam tekstil yapısı içinde absorbe edilmelidir sonra 10 dakika boyunca bırakın.
  4. 10 dakika boyunca 100 ° C'de bir hava fırınında örnek Cure.
  5. iletken polimerin hazırlanması: PEDOT: PSS dispersiyonu (80 mL), etilen glikol (20 mi), 4-dodesilbenzensülfonik asit (40 uL) ve bir davlumbaz 3-metakriloksipropiltrimetoksisilan (1 mL) eklenmiştir.
  6. Fırça kat PEDOT: çözelti homojen nüfuz kadar tekstil PDMS içermeyen alanda PSS bir solüsyon elde edilir. düzgün bir desen renk elde etmek için bu adımı tekrarlayın. 1 mL / cm 2 uygulanır.
  7. PSS çözeltisi: PEDOT kuru, 1 saat boyunca 110 ° C de kumaş Cure. naylon gibi, yüksek sıcaklık tedaviye hassas olan tekstil 60 ° C'ye düşürülür.

2. Organik Cihaz İmalatı

NOT: Bölüm 1 describ protokoltekstil malzemeleri iletken seçici birikimi es. Aşağıdaki bölümlerde streç sensörleri, OECT transistörler, deri elektrotlar ve kapasitif sensörler gibi, organik cihazları imal etmek gerekli ek adımları anlatacağız.

  1. Bölüm 1 'de tarif edildiği gibi, tekstil Şekil 3a'da gösterilen streç sensörleri, desen elektrot hatları imal etmek için, 1.1-1.5 yineleyin.
    Not: desen bir örneği Şekil 3a'da gösterilmektedir. Bu tür sensörler imalat ek işlem gerekli değildir.
  2. Şekil 3b gösterilen transistör tasarımını imal etmek, desen Bölüm 1'de açıklanan adımları izleyerek bir naylon dokuma şerit üzerinde transistör dizileri Biraz PDMS tavlama ve Pedot değiştirin: PSS 60 ° C'de kür ile naylon termal bozulmasını önlemek için adımlar kür daha uzun bir süre bekletilmiştir.
  3. Şekil 3C'de gösterildiği kutanöz elektrot üretimi, için, bir yatırmaPSS tekstil: desenli Pedot üzerine iyonik jeli.
    1. bir iyonik sıvı jel karışımı, iyonik sıvı içeren, 1-etil-3-metil-imidazolyum-etil sülfat hazırlanması; Çapraz bağlama maddesi, poli (etilen glikol) diakrilat; sırasıyla 0.6 / 0.35 / 0.05, bir (h / h) oranında bir ışık başlatan, 2-hidroksi-2-methylpropiophenone.
    2. Kat PEDOT: iyonik sıvı (20 uL / cm2) PSS elektrodu ve bırak döküm adım 2.3.1 (25 uL / cm2) den iyonik sıvı jel karışımı ekleyin.
    3. Jel katılaşır kadar, 10-15 dakika süreyle çapraz reaksiyonu başlatmak için UV ışık (365 nm) maruz. Davlumbaz bu adımı gerçekleştirin. UV ışınlarına maruz sırasında UV koruyucu kafes kullanın.
  4. Kapasitif sensör imalatı için PEDOT kullanımı: bir izolasyon malzemesi (Şekil 3D) ile izole PSS tekstil elektrotlar.
    1. Klavye gibi Pedot izole: PDMS kullanarak PSS elektrotlar; Klavye tasarımı Şekil 2b / Strong>. Kumaşın üstünde PDMS formülasyonu dağıtmak ve bir çekçek ile fazla kaldırmak.
    2. 10 dakika boyunca 100 ° C'de bir fırında kumaş yerleştirin. Davlumbaz bu adımı gerçekleştirin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tekstil renkleri ve desenleri uygulamak için geleneksel yöntemler boyaların seçici birikimi sağlamak için çıkarılabilir maskeleme katmanları güveniyor. Tekstil PSS elektrotlar: Şekil 1, biz Pedot desenlendirme böyle bir yaklaşımın adaptasyonunu göstermektedir. PSS çözümü: bir maskeleme katmanı olarak, biz sulu Pedot olmayan kontrol difüzyon dizginlemek hidrofobik polidimetilsiloksan kullandı. Ayrıca, yumuşaklık ve örme ve dokuma tekstil gerilebilirlik PDMS elastik ve mek...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

iletken malzemelerin desenlendirme fonksiyonel elektronik cihazların üretiminde ilk adımlardan biridir. fabrikasyon süreci dikkate tür malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini almak gerekiyor ve işlem akışı imalat basamakları arasındaki maddi çapraz uyumluluk düşünmeye ihtiyacı gibi bu, zorlu olabilir. Organik elektronik cihazların mikroimalat, bu iki açıdan bağlı organik maddelerin yüksek reaktif doğaya daha önemlidir. Bugün ise, organik maddeler kendi elektro-elastik özellikleri 14,...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, finansal destek için BPI PIAVE AUTONOTEX hibesine teşekkür eder.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
SYLGARD 184, Silikon elastomer kiti (Baz ve Kürleme maddesi)Dow CorningPDMS elastomer
İletken polimer formülasyonu
>CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSSHeraeusİletken polimer
Etilen glikolSigma-Aldrich03750-250MLÇözücü (EG), CAS: 107-21-1
3- metakriloksipropiltrimetoksisilanSigma-AldrichM6514Cros bağlayıcı (GOP'lar), CAS: 2530-85-0
4-dodesilbenzensülfonik asitSigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
İyonik sıvı jel
UV lambası DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 nm
1-Etil-3-metilimidazolyum etil sülfatSigma-Aldrich51682-100G-Fİyonik Sıvı (IL), CAS: 342573-75-5
Poli (etilen glikol) diakrilatSigma-Aldrich455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-Hidroksi-2-metilpropiyofenonSigma-Aldrich405655-50MLPhot Başlatıcı (PI), CAS: 7473-98-5
Tekstil kumaşıVWRSpec-Wipe 7 Silecekler%100 kilitli örgü polyester kumaş
Poliimid filmDuPontHN100125 ve mikro ile poliimid film; m kalınlık

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Takamatsu, S., et al. Transparent conductive-polymer strain sensors for touch input sheets of flexible displays. J. Micromech. Microeng. 20, 075017(2010).
  3. Patel, S., et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 9, 21(2012).
  4. 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).
  5. Owens, R. M., Malliaras, G. G. Organic Electronics at the Interface with Biology. MRS Bull. 35 (6), 449-456 (2010).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Hamedi, M., Forchheimer, R., Inganäs, O. Towards woven logic from organic electronic fibres. Nat. Mater. 6, 357-362 (2007).
  9. Bao, L., Li, X. Towards Textile Energy Storage from Cotton T-Shirts. Adv. Mater. 24, 3246-3252 (2012).
  10. Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Sci. Rep. 5, 15003(2015).
  11. Yamada, T., et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection. Nat. Nanotechnol. 6, 296-301 (2011).
  12. Shim, N. Y., et al. All-plastic electrochemical transistor for glucose sensing using a ferrocene mediator. Sensors. 9, 9896-9902 (2009).
  13. Takamatsu, S., et al. Wearable Keyboard Using Conducting Polymer Electrodes on Textiles. Adv. Mater. 28, 4485-4488 (2016).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Zhang, Z., Qiu, J., Wang, S. Roll-to-roll printing of flexible thin-film organic thermoelectric devices. Manuf. Lett. 8, 6-10 (2016).
  17. 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).
  18. Matsuhisa, N., et al. Printable elastic conductors with a high conductivity for electronic textile applications. Nat. Commun. 6, 7461(2015).
  19. Bernards, D. a, Malliaras, G. G. Steady-State and Transient Behavior of Organic Electrochemical Transistors. Adv. Funct. Mater. 17 (17), 3538-3544 (2007).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Textile FabricationPEDOT PSS PatterningLaser Cutting MaskPDMS CoatingBrush Coating TechniqueCutaneous ElectrodesCapacitive SensorsWearable ElectronicsStretch Sensors

İlgili makaleler