JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

في هذه الورقة، ونحن نقدم بروتوكول لإيداع انتقائي المواد العضوية على المنسوجات، والذي يسمح لدمج المباشر من الأجهزة الإلكترونية العضوية مع الأجهزة القابلة للارتداء. الأجهزة ملفقة يمكن أن تكون متكاملة تماما في المنسوجات، واحترام مظهرهم الميكانيكية وتمكين قدرات الاستشعار.

Abstract

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices cannot be worn under everyday conditions. Therefore, textiles are commonly considered the best substrate to accommodate electronic devices in wearable use. In this paper, we describe how to selectively pattern organic electroactive materials on textiles from a solution in an easy and scalable manner. This versatile deposition technique enables the fabrication of wearable organic electronic devices on clothes.

Introduction

مجال الالكترونيات يمكن ارتداؤها هي سوق سريعة النمو المتوقع أن يكون بقيمة 50 مليار يورو فى عام 2025، أكثر من ثلاثة أضعاف السوق الحالية. ويتمثل التحدي الرئيسي الذي يواجه أجهزة يمكن ارتداؤها الحالية هو أن تدخلي إرفاق ملفات إلكترونية الصلبة تحد من استخدام أجهزة أنشئت في الأنظمة القابلة للارتداء. استخدام المنسوجات التي تكون موجودة في الحياة اليومية بالفعل هو نهج جذابة للغاية واضحة لتجنب هذا القيد. نظرا لقدرتها المرنة، وبعض أجزاء من الملابس التي نرتديها هي بطبيعة الحال في اتصال مع ضيق الجلد. وتقوم العديد من الأمثلة على الملابس الذكية المتوفرة في السوق اليوم، ويعرض رقيقة من البلاستيك، لوحات المفاتيح وأجهزة مصدر الضوء جزءا لا يتجزأ من النسيج، وربط الأجهزة الإلكترونية مع البشر بطريقة عصرية 1. في ممارسة الرياضة، يعتمد المراقبة الصحية على أقطاب الغزل والنسيج، والتي توفر بدائل مريحة ليشيع استخدامها أقطاب لاصقة والأساور المعدنية. هنا، الألياف الموصلة هيدمج مباشرة مع الأقمشة بسط لمنع تهيج الجلد وغيرها من المضايقات أثناء ارتداء الموسعة. بالإضافة إلى ذلك، المنسوجات توفر عدد من الفرص لدمج أجهزة استشعار انحناء لالتقاط حركة 2، إلى دمج أجهزة استشعار القص لتطوير المحركات الآلية وظيفية 3، وبالتأكيد لدمج أجهزة استشعار العوامل البيولوجية من خلال الكشف عن وتحليلها في العرق 4.

وتعتمد التكنولوجيا القابلة للارتداء الحديثة على مواد أشباه الموصلات القائمة على الكربون التي تقدم الأجهزة الإلكترونية مع خصائص فريدة من نوعها. طبيعة "الناعمة" للمواد العضوية تقدم خصائص ميكانيكية أفضل للتفاعل مع الجسم البشري مقارنة الالكترونيات التقليدية الحالة الصلبة. هذا التوافق الميكانيكية، وإرفاقها مع ركائز مرنة ميكانيكيا، يمكن استخدام عوامل شكل غير مستو في أجهزة مثل المنسوجات. استخدام المواد العضوية هي أيضا ذات الصلة في علوم الحياة بسبب ايلى بهم مختلطةctronic والأيونية الموصلية 5. الى جانب ذلك، شبه الموصلة العضوية والمواد الضوئية تمكين مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأجهزة الوظيفية مع العرض، الترانزستور، والمنطق، وقدرات السلطة 6، 7، 8، 9. والصعوبة الرئيسية في تصنيع هذه الأجهزة العضوية هي ترسب رقابة من المواد الفنية على الأسطح غير المستوية على الأقمشة. تقنيات التصنيع الدقيق التقليدية تقتصر في المقام الأول عدم توافق عملية ترسب مع أبعاد الهيكلي من ركائز النسيج.

هنا، نحن تصف بروتوكول تلفيق بسيطة وقابلة للأن يسمح لترسب الانتقائي لإجراء البوليمرات على المنسوجات منظم. تمكن عملية تقديم تصنيع الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء وامتثالي. ويستند المنهج على الزخرفة من جمتاح ommercially إجراء بولي البوليمر (3،4-ethylenedioxythiophene): بولي (الستايرين سلفونات) (PEDOT: PSS)، وثنائي ميثيل بولي سيلوكسان المرنة المواد الاستنسل (PDMS) على النسيج. هذا المزيج يسمح للحبس الفعال للPEDOT مائي: حل جهاز الأمن الوقائي، فضلا عن الإبقاء على خصائص لينة ولمط المنسوجات. هذه طريقة تصنيع بسيطة وموثوق بها يمهد الطريق لتصنيع مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية مباشرة على المنسوجات بطريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير الصناعي.

Protocol

1. الزخرفة إجراء البوليمرات على النسيج

  1. إصلاح 10 سم × ورقة الغزل والنسيج 10 سم على سطح مستو لسهولة التعامل أثناء العملية. لصناعات النسيج واستخدام التعشيق النسيج المترابط البوليستر 100٪ مع سمك 300 ميكرون وقدرة متماسكة الاتجاه تمتد ما يصل الى 50٪.
  2. لجعل قناع يحتوي على تصميم الزخرفة، استخدم الفيلم بوليميد 125 ميكرون سميكة. ويتضح مثال على النمط في الشكل 1.
    1. استخدام الليزر القاطع (على سبيل المثال، Protolaser S، LPKF) إلى نمط قناع بوليميد 10؛ ويتضح من تصميم نمط من إلكترود في الشكل 1.
    2. معطف صياغة PDMS (10: 1 قاعدة لعلاج نسبة الوكيل) على رأس قناع (فيلم بوليميد) باستخدام أداة الشريط التلقائي الصب (K الطباعة الرقابة المغطي، شفرة الطبيب) مع سمك الفيلم الرطب من 200 ميكرون وفي 6 سرعات طلاء م / دقيقة. استخدام حوالي 0.5 مل لقناع من 3 سم × 5 سم. أداء الهو عملية تحت غطاء الدخان.
  3. بلطف نقل النسيج إلى قناع مغلفة PDMS. يترك لمدة 10 دقيقة، وبعد ذلك PDMS يجب استيعابها بالكامل في بنية النسيج.
  4. علاج العينة في فرن الهواء عند 100 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  5. تحضير البوليمر إجراء: PEDOT: PSS التشتت (80 مل)، وجلايكول الإيثيلين (20 مل)، وحمض 4-dodecylbenzenesulfonic (40 ميكرولتر)، و 3 methacryloxypropyltrimethoxysilane (1 مل) في غطاء الدخان.
  6. فرشاة معطف PEDOT: حل جهاز الأمن الوقائي في منطقة خالية من PDMS من النسيج حتى اختراق متجانسة من الحل يتم الحصول. كرر هذه الخطوة لتحقيق لون نمط موحد. تطبيق حوالي 1 مل / سم 2.
  7. علاج النسيج على 110 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لتجفيف PEDOT: حل جهاز الأمن الوقائي. خفض درجة الحرارة إلى 60 درجة مئوية لمدة المنسوجات التي تعتبر حساسة لعلاج ارتفاع درجة الحرارة، مثل النايلون.

2. تصنيع الأجهزة العضوية

ملاحظة: بروتوكول في القسم 1 describوفاق ترسب الانتقائي لإجراء المواد على المنسوجات. سوف الأقسام التالية تصف الخطوات الإضافية اللازمة لصنع الأجهزة العضوية، مثل أجهزة الاستشعار وتمتد، والترانزستورات OECT، أقطاب الجلدية، وأجهزة استشعار بالسعة.

  1. لافتعال أجهزة الاستشعار تمتد، كما هو موضح في الشكل 3A، نمط خطوط الكهربائي على النسيج، كما هو موضح في القسم 1، على بعد خطوات 1،1-1،5.
    ويرد مثال للتصميم نمط في الشكل 3A: ملاحظة. لا يتطلب تصنيع هذه المجسات أية خطوات إضافية.
  2. لافتعال تصميم الترانزستور هو مبين في الشكل 3B، نمط المصفوفات الترانزستور على الشريط المنسوجة من النايلون باتباع الخطوات الموضحة في القسم 1. تعديل طفيف على الصلب PDMS وPEDOT: PSS علاج خطوات لتجنب الانحلال الحراري من النايلون من قبل علاج عند 60 درجة C لفترة أطول.
  3. لتصنيع أقطاب الجلدية، كما هو موضح في الشكل 3C، بإيداعهلام الأيونية على PEDOT نمط: المنسوجات جهاز الأمن الوقائي.
    1. إعداد الأيونية جل السائل مزيج يحتوي على السائل الأيونية، 1 إيثيل-3-methylimidazolium إيثيل كبريتات. وكيل عبر ربط، وبولي (جلايكول الإثيلين) diacrylate. وphotoinitiator، 2-هيدروكسي-2-methylpropiophenone في (ت / ت) نسبة 0.6 / 0.35 / 0.05، على التوالي.
    2. معطف PEDOT: PSS الكهربائي مع السائل الأيونية (20 ميكرولتر / سم 2) وإضافة الأيونية مزيج هلام السائل من الخطوة 2.3.1 (25 ميكرولتر / سم 2) قطرة الصب.
    3. فضح لضوء الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لبدء رد فعل يشابك لمدة 10-15 دقيقة، حتى يتصلب هلام. تنفيذ هذه الخطوة في غطاء الدخان. استخدام قفص للأشعة فوق البنفسجية واقية أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية.
  4. لبالسعة أجهزة الاستشعار التصنيع واستخدام PEDOT: PSS أقطاب النسيج معزول مع المواد العازلة (الشكل 3D).
    1. عزل لوحة المفاتيح مثل PEDOT: أسلاك جهاز الأمن الوقائي باستخدام PDMS. يمكن أن ينظر إلى تصميم لوحة المفاتيح في الشكل 2B </ قوي>. الاستغناء عن صياغة PDMS على رأس النسيج وإزالة الزائدة مع ممسحة.
    2. وضع النسيج في الفرن على 100 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة. تنفيذ هذه الخطوة في غطاء الدخان.

النتائج

الطرق التقليدية لتطبيق الألوان أو أنماط على المنسوجات تعتمد على طبقات اخفاء القابلة للإزالة للسماح للترسب انتقائية من الأصباغ. في الشكل 1، نقدم لك مجموعة من التكيف مع هذا النهج إلى الزخرفة من PEDOT: أسلاك جهاز الأمن الوقائي على المنسوجات. كطب...

Discussion

الزخرفة من المواد الناقلة هي واحدة من الخطوات الأولى في تصنيع الأجهزة الإلكترونية وظيفية. هذا يمكن أن تصبح صعبة، إذ تحتاج عملية التصنيع إلى أن تأخذ في الاعتبار الخصائص الكيميائية والفيزيائية لهذه المواد، وتدفق العملية تحتاج إلى النظر في المواد عبر التوافق بين الخط?...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge the BPI PIAVE AUTONOTEX grant for the financial support.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
SYLGARD 184, Silicone elastomer kit (Base and Curing agent)Dow CorningPDMS elastomer
The conducting polymer formulation
CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSSHeraeusConductive polymer
Ethylene glycolSigma-Aldrich03750-250MLSolvent (EG), CAS: 107-21-1
3-methacryloxypropyltrimethoxysilaneSigma-AldrichM6514Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0
4-dodecylbenzenesulfonic acidSigma-Aldrich44198DBSA; CAS: 121-65-3
The ionic liquid gel
UV lamp DFE 2340C.I.F/ ATHELECDP134UV-365 nm
1-Ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfateSigma-Aldrich51682-100G-FIonic Liquid (IL), CAS: 342573-75-5
Poly(ethylene glycol) diacrylateSigma-Aldrich455008-100MLMn 700, CAS: 26570-48-9
2-Hydroxy-2-methylpropiophenonSigma-Aldrich405655-50MLPhot Initiator (PI), CAS: 7473-98-5
The textile fabricVWRSpec-Wipe 7 Wipers100% interlock knit polyester fabric
The polyimide filmDuPontHN100Polyimide film with 125 µm thickness

References

  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. , 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

121

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved