Tekstil Organik Elektronik Cihazlar Basit ve Ölçeklenebilir Fabrikasyon Yöntemi

Bu desenleme prosedürünün genel amacı, tekstiller üzerine organik elektroaktif malzemeleri seçici olarak biriktirmek olup, bu sayede giyilebilir organik elektronik cihazların doğrudan kıyafetler üzerine üretilmesine olanak tanır. Bu yöntem, giyilebilir elektronikler alanındaki temel bir soruya, özellikle de elektroniklerin insan vücuduyla verimli bir şekilde etkileşime girebilmesi için kıyafetlerle nasıl sorunsuz bir şekilde entegre edilebileceğine yanıt vermeye yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, tekstillerin esneklik kapasitesinden kaynaklanmakta olup, bu sayede söz konusu tekstillerin cilt ile yakın temas halinde konforlu bir şekilde giyilmesine imkan tanır.

Öncelikle bu yöntemin temel mantığına değinelim. Organik elektronikleri tekstil platformlarıyla maliyet etkin ve endüstriyel olarak ölçeklenebilir bir şekilde birleştirmenin geleneksel olmayan bir yolunu ararken, bu teknikten yararlandık. Bu yöntem, günümüzün mikro-fabrikasyon araçlarına ve ortamına uyarladığımız eski Japon kimono boyama tekniğinden esinlenilmiştir.

Prosüdüre başlamak için, bir maske oluşturmak amacıyla önceden tasarlanmış bir elektrot desenini lazer kesici kullanarak 125 mikrometre kalınlığındaki bir poliamid levhaya kesin. Ardından, örme yönünde %50'ye kadar esneme kapasitesine sahip, 300 mikrometre kalınlığında %100 interlock örgü polyester kumaş bir levha alın. Bunu düz, taşınabilir bir yüzeye sabitleyin. Bir çeker ocak içerisinde, poliamid maskeyi, dakikada altı metre hızla ve 200 mikrometre ıslak film kalınlığında bir polidimetilsiloksan formülasyonu ile kaplamak için otomatik bir bant döküm aracı kullanın.

Kumaşı nazikçe PDMS kaplı maskenin üzerine yerleştirin ve PDMS'nin tekstil yapısına emilmesi için 10 dakika bekleyin. PDMS'yi 100 °C'de 10 dakika boyunca veya ısıya duyarlı kumaşlar için 60 °C'de 20 dakika boyunca tavlayın. Çeker ocak içerisinde 80 mL PEDOT:PSS dispersiyonu, 20 mL etilen glikol, 40 µL 4-dodesilbenzen sülfonik asit ve 1 mL 3-propilmetakrilatı birlikte karıştırın.

Ardından karışımı bir manyetik karıştırıcı üzerine yerleştirerek karıştırın. Elektrot deseni, santimetre kare başına yaklaşık bir mililitre karışım kaplanana ve rengi homojen görünene kadar PEDOT:PSS karışımını maskelenmiş kumaş üzerine fırça ile uygulayın. PEDOT:PSS'nin fırça ile kaplama adımı kritik adımdır.

Desenin yüzey direnci yaklaşık 230 ohm kare olmalıdır. Polyamid maskeyi çıkarın, ardından elektrot desenini 110 °C'de bir saat veya ısıya duyarlı kumaşlar için 60 °C'de iki saat boyunca kürleyin. Tekstiller üzerindeki PEDOT:PSS elektrotlardan kutanöz elektrotlar üretmek için öncelikle hacimce %60 iyonik sıvı, %35 çapraz bağlayıcı ajan ve %5 fotobaşlatıcıdan oluşan bir jel karışımı hazırlayın.

Bir çeker ocakta, elektrotları santimetrekare başına 20 µL iyonik sıvı ile kaplayın ve ardından damlatma yöntemiyle santimetrekare başına 25 µL jel karışımı ekleyin. Jelin katılaşması ve deri elektrotlarının oluşması için kaplanmış elektrotları 10 ila 15 dakika boyunca 365 nm UV ışığına maruz bırakın. Tekstiller üzerindeki PEDOT:PSS elektrotlarından kapasitif sensörler üretmek için, bir çeker ocakta, kumaşa 10 ila bir PDMS formülasyonu uygulayın.

Fazlalıkları gidermek için PDMS formülasyonunu elektrotlar üzerine bir sıyırıcı yardımıyla eşit şekilde yayın. Kapasitif sensörleri oluşturmak için, kumaşın ısıya dayanıklılığına bağlı olarak, PDMS'in yalıtkan tabakasını en az 10 dakika boyunca 100 °C'ye kadar tavlayın. Bu yöntem kullanılarak, örme ve dokuma tekstiller üzerinde PEDOT:PSS elektrotlar desenlenmiştir.

Örme polyesterin desenleme çözünürlüğü bir milimetreden fazladır. Sıkı örülmüş veya dokunmuş tekstillerde daha dar çözünürlükler elde edilebilir. Örme tekstiller üzerine desenlenen elektrotlar, başka herhangi bir modifikasyon gerektirmeden gerilme sensörleri olarak işlev görür.

Kumaş gerildiğinde, iletken fiberlerin bükülmesi rezistivitede bir değişikliğe neden olur. Diğer herhangi bir modifikasyon yapılmaksızın, dokuma naylon bir şerit üzerine, giyilebilir bir ter sensörü olan organik bir elektrokimyasal transistör dizisi desenlenmiştir. Jel formundaki bir iyonik sıvının eklenmesi, elektrotların elektrofizyolojik izleme için giyilebilir kutanöz elektrotlar olarak çalışmasını sağlamıştır.

Alternatif olarak, yalıtkan bir PDMS tabakasının eklenmesi kapasitör sensörler oluşturmuştur. Elektrotlara dokunmak kapasitans değişimine yol açarak giyilebilir bir klavyenin üretilmesine olanak tanır. Vücuda oturan tekstillerin organik ve yumuşak elektrotlarla kombinasyonu, geleneksel katı hal elektronik cihazlarıyla karşılaştırıldığında insan vücudu ile geliştirilmiş bir iletişim kanalı sunar.

Bu yöntem, mevcut giysilerin gelecekte akıllı elektronik cihazlarla özelleştirilmesine olanak tanır. Ancak, bu teknolojinin kritik ve bazı durumlarda sınırlayıcı noktalarından biri, malzemelerin, özellikle organik malzemelerin dayanıklılığı ve giyilebilir koşullarıdır.