关于纺织品有机电子设备的简单和可扩展的制作方法

摘要

在本文中，我们提出了一个协议，以选择性地沉积在纺织品上的有机材料，允许直接集成与身打扮有机电子器件。在制造的器件可以完全集成在纺织品，尊重他们的机械外观，使感应功能。

摘要

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.

引言

可穿戴电子领域是一个快速增长的市场预计将价值50十亿欧元的2025年，在目前市场的三倍。当前面临的穿戴式设备的主要挑战是，侵入式固体电子附件限制在可穿戴式系统建立了设备的使用。使用已经存在于日常生活的纺织品是避免这种限制一个非常有吸引力的，直接的方法。由于它的弹性性能，我们穿着服装的某些部分是自然与皮肤紧密接触。目前市场上可用的智能衣服的许多例子都基于轻薄，塑料显示器，键盘和嵌入纺织品的光源设备，连接与人类电子在一个时尚的方式^1。在体育实践中，卫生监测依赖于纺织电极，它提供常用的胶粘剂电极和金属腕带舒适的替代品。这里，导电性纤维是有弹性的面料直接集成，以防止皮肤刺激和长期佩戴过程中其他不适。此外，纺织品提供了许多机会来整合曲率传感器捕捉运动^2，剪切传感器整合为功能性机器人致动器³的发展，当然到生物传感器通过检测分析物的汗水⁴集成。

现代可穿戴技术依赖于具有独特性质提供电子设备基于碳的半导体材料。有机物的"软"性与人体接口比传统的固态电子提供更好的机械性能。这种机械相容性，与机械柔性基板成对的，使能在设备中使用的非平面外形如纺织品。利用有机物也是生命科学相关，由于其混合ELEctronic和离子电导率^5。此外，有机半导体和光电子材料赋予了大量的各种带显示，晶体管，逻辑和电源功能^{6，7，8，9}功能器件。在这样的有机器件的制造的主要困难是纺织品的非平面表面上的功能材料的受控沉积。传统的微细加工技术由以纺织基材的结构维度沉积过程的不相容主要限制。

在这里，我们描述一个简单且可扩展的制造协议，允许对结构化织物导电聚合物的选择性沉积。所提出的方法使得可穿戴和保形电子器件的制造。该方法是基于C的图案形成ommercially可用导电聚合物聚（3,4-乙撑）:聚（苯乙烯磺酸酯）（PEDOT:PSS）和纺织品的弹性体蜡纸材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）。这种组合允许用于含水PEDOT的有效约束:PSS溶液，以及用于纺织品的柔软和可拉伸的特性的保留。这个简单的和可靠的制造方法铺平了道路的上直接以成本有效和工业上可伸缩的方式纺织各种电子设备的制造中的方法。

研究方案

1.图案纺织导电聚合物

1. 在此过程中固定在易于处理的平面表面在10cm×10cm的织物片。用于纺织，使用100％的双罗纹针织聚酯织物的厚度为300微米，针织方向拉伸能力达50％。
2. 为了使包含图形设计的面具，使用125微米厚的聚酰亚胺薄膜;的图案的例子在图1中示出。
   1. 使用激光切割器（ 例如，Protolaser S，LPKF），以图案的聚酰亚胺掩模^10;电极的图案设计在图1中示出。
   2. 涂布的PDMS制剂（10:1基固化剂的比例），使用自动带铸造工具（K控制印刷涂布机，刮刀）为200微米，在一个的湿膜厚度上的掩模（聚酰亚胺膜）的顶6米/分钟的涂布速度。使用约0.5毫升为3厘米×5厘米的掩模。执行日是通风柜下处理。
3. 轻轻织物转移到涂覆PDMS-掩模。离开10分钟，在此之后，PDMS应当在织物结构被充分吸收。
4. 固化样品在空气烘箱中在100℃下10分钟。
5. 制备导电性聚合物:PEDOT:PSS分散液（80毫升），乙二醇（20毫升），4-十二烷基苯磺酸（40微升），并在通风橱3-甲基丙烯酰（1毫升）。
6. 刷涂布PEDOT:对纺织的游离PDMS区域的PSS溶液，直至溶液的均匀渗透被获得。重复此步骤，实现了统一的图案颜色。应用约1毫升/厘米^2。
7. 固化在110℃的织物1小时以干燥PEDOT:PSS溶液。降低温度至60℃为将高温处理敏感，如尼龙的纺织品。

2.有机器件制造

注:第1节describ协议ES进行纺织品材料的选择性沉积。下面的章节将描述制造有机器件，如拉伸传感器，OECT晶体管，皮肤电极，电容式传感器所需要的额外的步骤。

1. 为了制造对纺织拉伸传感器， 如图3a所示，图案的电极线，如在第1节中所述，步骤1.1-1.5。
   注:图案设计的一个例子示于图3a。这种传感器的制造不需要任何额外的步骤。
2. 为了制造在图3b中所示的晶体管设计，图案按照第1中描述的步骤的尼龙机织色带晶体管阵列稍微修改的PDMS退火和PEDOT:PSS的固化步骤，通过在60℃固化，以避免尼龙的热降解下一个较长的时间。
3. 用于皮肤的电极的制造中， 如图3c所示，沉积一个PSS纺织品:在图案化PEDOT离子凝胶。
   1. 制备含有离子液体的离子液体的凝胶混合物，1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐;的交联剂，聚（乙二醇）二丙烯酸酯;和光引发剂，2-羟基-2-甲基苯丙酮在0.6 / 0.35 / 0.05，分别（体积/体积）的比例。
   2. 涂层在PEDOT:与离子液体（20微升/厘米^2）的PSS电极和由滴铸步骤2.3.1（25微升/厘米^2）添加离子液体的凝胶混合物。
   3. 暴露于UV光（365纳米）以引发交联反应10-15分钟，直至凝胶固化。执行在通风柜此步骤。 UV曝光时使用紫外线防护笼。
4. 用于电容传感器的制造，使用PEDOT:用绝缘材料（ 图3d）绝缘的PSS纺织品电极。
   1. 隔离键盘般的PEDOT:使用PDMS PSS电极;键盘设计可以在图2b <可见/ STRONG>。分配在织物顶部的PDMS制剂并用刮板除去多余的。
   2. 放置织物的烘箱中在100℃下进行10分钟。执行在通风柜此步骤。

结果

用于施加颜色或图案，以纺织传统方法依赖于可移动的掩模层，以允许染料的选择性沉积。在图1中 ，我们表明这种办法的PEDOT的图案化的适配:对纺织品的PSS电极。作为掩蔽层中，我们使用的疏水性聚二甲基硅氧烷，其可以抑制水性PEDOT的非可控扩散:PSS溶液。而且，柔软性和针织和机织织物的伸缩性可以保存得益于PDMS的弹性和机械性能。

讨论

导电材料的图案化是在功能的电子器件的制造中的第一个步骤。这可以成为具有挑战性的，因为在制造过程中需要考虑到这样的材料的化学和物理性质，并且处理流程需要考虑的制造步骤之间的材料的交叉兼容性。在有机电子器件的微细加工，这两个方面是更加显著由于有机物的反应性高的性质。然而，今天，有机材料是可穿戴和柔性电子为其电弹性性能^14,15

材料

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