Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien

Zusammenfassung

In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll selektiv organische Materialien auf Textilien zu deponieren, die für die direkte Integration von organischen elektronischen Vorrichtungen mit Wearables erlaubt. Die hergestellten Geräte können vollständig in Textilien integriert werden, deren mechanische Erscheinungsbild zu respektieren und ermöglicht Sensorfunktionen.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Das Gebiet der Wearable Electronics ist ein schnell wachsender Markt erwartet im Jahr 2025 im Wert von 50 Milliarden Euro sein, mehr als das Dreifache des aktuellen Markt. Die größte Herausforderung aktuelle tragbare Geräte zugewandt ist, dass aufdringliche solide elektronische Anlagen, die Nutzung etablierter Geräte in tragbaren Systemen begrenzen. Mit Textilien, die bereits im Alltag ist ein sehr attraktiver und einfacher Ansatz, diese Einschränkung zu vermeiden. Aufgrund ihrer elastischen Fähigkeit, einige Teile der Kleidung, die wir sind von Natur aus mit der Haut in engen Kontakt tragen. Viele Beispiele für intelligente Kleidung auf dem Markt basieren heute auf dünnen, Kunststoff - Displays, Tastaturen und Lichtquellenvorrichtungen in Textilien eingebettet und verbindet Elektronik mit Menschen in einem modischen Weg ^1. In der Sportpraxis setzt die Gesundheitsüberwachung auf Textil-Elektroden, die eine bequeme Alternativen bieten zu Klebeelektroden und Metall-Armbänder verwendet. Hier leitfähige Fasern sinddirekt integriert mit dehnbare Stoffe Hautreizungen und andere Beschwerden bei längerer Verschleiß zu vermeiden. Zusätzlich bieten Textilien eine Reihe von Möglichkeiten Krümmungssensoren zur Erfassung der Bewegung ² zu integrieren , Schersensoren für die Entwicklung von funktionellen Roboter Aktuatoren ^3, zu integrieren und sicher ⁴ Biosensoren durch den Nachweis eines Analyten im Schweiß zu integrieren.

Moderne tragbare Technologie beruht auf Kohlenstoff basierenden Halbleitermaterialien, die elektronische Geräte mit einzigartigen Eigenschaften zu liefern. Die "weichen" Art von organischen Stoffen bietet bessere mechanische Eigenschaften für den menschlichen Körper im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperelektronik Schnittstelle. Diese mechanische Kompatibilität, gepaart mit mechanisch flexiblen Substraten, ermöglicht die Verwendung von nicht-ebenen Formfaktoren in Geräten wie Textilien. Die Verwendung von organischen Stoffen ist auch relevant in Life Sciences aufgrund ihrer gemischten electronic und Ionenleitfähigkeit ^5. Außerdem ermächtigen organischen Halbleiter- und optoelektronischen Materialien eine Vielzahl von Funktionsgeräte mit Display, Transistor, Logik und Leistungsfähigkeiten ^{6, 7, 8, 9.} Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von solchen organischen Vorrichtungen ist die kontrollierte Abscheidung von Funktionsmaterialien auf die nicht ebenen Oberflächen von Textilien. Herkömmliche Mikrofabrikationstechniken werden durch die Unverträglichkeit des Abscheidungsprozesses mit der strukturellen Dimensionalität von textilen Substraten in erster Linie beschränkt.

Hier beschreiben wir eine einfache und skalierbare Herstellungsprotokoll, das auf strukturierte Textilien aus leitfähigen Polymeren für die selektive Abscheidung ermöglicht. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die Herstellung von tragbaren und konforme elektronische Geräte. Der Ansatz basiert auf der Strukturierung der commercially verfügbar leitende Polymer Poly (3,4-ethylendioxythiophen): Poly (styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) und ein elastomeres Schablonenmaterial Polydimethylsiloxan (PDMS) auf Textil. Diese Kombination ermöglicht die effiziente Begrenzung der wässrigen PEDOT: PSS-Lösung sowie für die Beibehaltung der Weich und dehnbaren Eigenschaften von Textilien. Dieses einfache und zuverlässige Herstellungsmethode bereitet den Weg für die Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Geräten direkt auf Textilien in einer kosteneffizienten und industriell skalierbar.

Protokoll

1. Patterning Leitfähige Polymere auf Textilien

1. Fix eine 10 cm x 10 cm Textilfolie auf einer ebenen Oberfläche für eine einfache Handhabung während des Prozesses. Für die Textil-, verwenden, um eine 100% Interlock-Strickpolyestergewebe mit einer Dicke von 300 & mgr; m und einer Strickrichtung Stretch-Fähigkeit bis zu 50%.
2. Um eine Maske mit dem Musterentwurf machen, verwenden Sie eine 125 um dicke Polyimid-Folie; Ein Beispiel des Musters ist in Figur 1 veranschaulicht.
   1. Verwenden Sie einen Laserschneider (zB Protolaser S, LPKF) zum Muster der Polyimid - Maske ^10; die Musterauslegung einer Elektrode ist in Abbildung 1 veranschaulicht.
   2. Bestreichen Sie die PDMS-Formulierung (10: 1 Base Agent Verhältnis Härtung) auf der Oberseite der Maske (Polyimid-Folie) mit einem automatischen Bandgusswerkzeug (K Steuerdruck-Beschichtungsvorrichtung, Rakel) mit einer Nassfilmdicke von 200 & mgr; m und bei einer 6 m / min Beschichtungsgeschwindigkeit. Verwenden etwa 0,5 ml für eine Maske von 3 cm x 5 cm. Führen Sie thist unter dem Abzug Prozess.
3. übertragen Sie den Stoff vorsichtig an die PDMS-beschichteten Maske. Lassen Sie für 10 Minuten, danach sollten die PDMS vollständig in der Textilstruktur aufgenommen werden.
4. Härten der Probe in einem Luftofen bei 100 ° C für 10 min.
5. Vorbereiten des leitenden Polymers: PEDOT: PSS-Dispersion (80 ml), Ethylenglykol (20 ml), 4-Dodecylbenzolsulfonsäure (40 ul) und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (1 ml) in der Abzugshaube.
6. Bürstenbeschichtung der PEDOT: PSS-Lösung auf dem PDMS-freien Bereich des Textils, bis ein homogenes Eindringen der Lösung erhalten wird. Wiederholen Sie diesen Schritt ein einheitliches Muster Farbe zu erzielen. Gelten etwa 1 ml / cm ^2.
7. Härten des Gewebes bei 110 ° C für 1 h, um die PEDOT trocknen: PSS-Lösung. Reduzieren Sie die Temperatur auf 60 ° C für Textilien, die auf eine Behandlung mit hoher Temperatur empfindlich sind, wie Nylon.

2. Organische Bauelementherstellung

HINWEIS: Das Protokoll in Abschnitt 1 describes die selektive Abscheidung von Materialien auf Textilien durch. In den folgenden Abschnitten werden die zusätzlichen Schritte beschreiben benötigten organischen Vorrichtungen herzustellen, wie Dehnungssensoren, OECT Transistoren, Hautelektroden und kapazitive Sensoren.

1. Um Dehnungssensoren, gezeigt in 3a, Muster , welches die Elektrodenleitungen auf dem Textil herzustellen, wie in Abschnitt 1 beschrieben, werden die Schritte 1,1-1,5.
   HINWEIS: Ein Beispiel für die Musterauslegung ist in 3a gezeigt. Die Herstellung solcher Sensoren erfordert keine zusätzlichen Schritte.
2. Um den Aufbau des Transistors herzustellen in 3b gezeigt, Muster der Transistor - Arrays auf einem Nylon Webband nach den in Abschnitt beschriebenen Schritte 1. Ändern Sie leicht die PDMS - Glüh- und PEDOT: PSS Schritte Härten des thermischen Abbau von Nylon zu vermeiden , indem bei 60 ° Härtung C für eine längere Zeit.
3. Für die Herstellung von Hautelektroden, in 3c gezeigt ist , abzuscheiden einionischen Gel auf der gemusterten PEDOT: PSS Textilien.
   1. Bereiten einer ionischen Flüssigkeit Gelgemisch enthält die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-Ethylsulfat; das Vernetzungsmittel, Poly (ethylenglykol) diacrylat; und der Photoinitiator, 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon mit einer (v / v) Verhältnis von 0,6 / 0,35 / 0,05.
   2. Bestreichen Sie die PEDOT: PSS - Elektrode mit ionischen Flüssigkeit (20 & mgr; l / cm ²⁾ und fügen Sie die ionische Flüssigkeit Gel Mischung aus Schritt 2.3.1 (25 & mgr; l / cm ²⁾ für Tropfen Gießen.
   3. Expose mit UV-Licht (365 nm), um eine Vernetzungsreaktion für 10-15 min zu initiieren, bis das Gel erstarrt. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube. Verwenden Sie einen UV-Schutzkorb bei UV-Exposition.
4. Für kapazitive Sensorherstellungs Verwenden PEDOT: PSS textile Elektroden mit einem isolierenden Material (Abbildung 3d) isoliert.
   1. Isolieren Sie die Tastatur-wie PEDOT: PSS-Elektroden die PDMS; die Tastatur - Design kann in 2b zu sehen </ Strong>. Dispense die PDMS-Formulierung auf der Oberseite des Gewebes und entfernen Sie den Überschuss mit einem Rakel.
   2. Platzieren Sie den Stoff in einem Ofen bei 100 ° C für 10 min. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube.

Ergebnisse

Traditionelle Methoden für Farben oder Muster auf Textilien setzen auf entfernbaren Maskierungsschichten zu ermöglichen, die selektive Abscheidung von Farbstoffen anwenden. In 1 zeigen wir die Anpassung eines solchen Ansatzes zur Strukturierung von PEDOT: PSS Elektroden auf Textilien. Als Maskierungsschicht verwendeten wir hydrophobem Polydimethylsiloxan, das die nicht-steuerbaren Diffusion des wässrigen PEDOT zurückhalten kann: PSS-Lösung. Darüber hinaus kann die ...

Diskussion

Die Strukturierung der leitfähigen Materialien ist einer der ersten Schritte bei der Herstellung von funktionellen elektronischen Geräten. Dies kann schwierig werden, da der Herstellungsprozess Berücksichtigung der chemischen und physikalischen Eigenschaften solcher Materialien zu nehmen braucht, und der Prozessablauf braucht die Materialquer Kompatibilität zwischen den Herstellungsschritten zu berücksichtigen. In dem Mikrofabrikations von organischen elektronischen Vorrichtungen sind diese beiden Aspekte noch deut...

Materialien

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