Un método de fabricación simple y escalable para dispositivos electrónicos orgánicos sobre los Textiles

Resumen

En este trabajo, se presenta un protocolo para depositar selectivamente materiales orgánicos sobre los textiles, lo que permite la integración directa de dispositivos electrónicos orgánicos con llevar encima. Los dispositivos fabricados pueden integrarse plenamente en el sector textil, respetando su aspecto mecánico y permitiendo capacidades de detección.

Resumen

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.

Introducción

El campo de la electrónica usable es un mercado de rápido crecimiento se espera que sea por valor de 50 millones de euros en 2025, más de tres veces el mercado actual. El principal reto de dispositivos portátiles actuales es que los accesorios electrónicos sólidos intrusivos limitan el uso de los dispositivos establecidos en los sistemas portátiles. El uso de los textiles que ya están presentes en la vida cotidiana es un enfoque muy atractivo y fácil de evitar esta limitación. Debido a su capacidad elástica, algunas partes de la ropa que usamos son naturalmente en estrecho contacto con la piel. Hay muchos ejemplos de ropa inteligente disponibles en el mercado hoy en día se basan en, pantallas delgadas de plástico, teclados y dispositivos de la fuente de luz incrustados en el sector textil, que une la electrónica con los seres humanos de una manera elegante ^1. En la práctica del deporte, vigilancia de la salud se basa en los electrodos textiles, que ofrecen cómodas alternativas de uso común electrodos adhesivos y pulseras de metal. Aquí, las fibras conductoras sondirectamente integrado con tejidos elásticos para evitar la irritación de la piel y otras molestias durante el uso prolongado. Además, los textiles ofrecen una serie de oportunidades para integrar sensores de curvatura de captura de movimiento ^2, para integrar sensores de cizallamiento para el desarrollo de actuadores robóticos funcionales ^3, y desde luego para integrar los biosensores a través de la detección de un analito en sudor ^4.

tecnología portátil moderna se basa en materiales semiconductores basados ​​en el carbono que proporcionan los dispositivos electrónicos con propiedades únicas. La naturaleza "suave" de los productos orgánicos ofrece mejores propiedades mecánicas para la interfaz con el cuerpo humano en comparación con la electrónica tradicional de estado sólido. Esta compatibilidad mecánica, junto con sustratos flexibles mecánicamente, permite el uso de factores de forma no planas en dispositivos tales como los textiles. El uso de productos orgánicos también es pertinente en ciencias de la vida debido a su ele mixtaconductividad iónica ctronic y ^5. Además, semiconductores orgánicos y materiales optoelectrónicos facultan a una gran variedad de dispositivos con pantalla, el transistor, la lógica y capacidad de potencia ^{6, 7, 8, 9.} La principal dificultad en la fabricación de dispositivos tales orgánicos es la deposición controlada de materiales funcionales en las superficies no planas de textiles. técnicas de microfabricación convencionales están limitados principalmente por la incompatibilidad del proceso de deposición con la dimensionalidad estructural de sustratos textiles.

A continuación, se describe un protocolo de fabricación simple y escalable que permite la deposición selectiva de polímeros conductores sobre los textiles estructurados. El proceso presentado permite la fabricación de dispositivos electrónicos portátiles y de conformación. El enfoque se basa en el patrón de la commercially disponibles polímero conductor de poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli (estireno sulfonato) (PEDOT: PSS) y un polidimetilsiloxano material de la plantilla de elastómero (PDMS) sobre el textil. Esta combinación permite el confinamiento eficiente del PEDOT acuosa: solución de PSS, así como para la retención de las propiedades suaves y estirables de textiles. Este método de fabricación sencilla y fiable allana el camino para la fabricación de una variedad de dispositivos electrónicos directamente a los textiles de una manera rentable y escalable industrialmente.

Protocolo

1. Patterning polímeros conductores en Textil

1. Fijar un 10 cm x 10 cm laminar textil sobre una superficie plana para un fácil manejo durante el proceso. Para la industria textil, utilizar un enclavamiento de punto tejido de poliéster 100% con un espesor de 300 micras y una capacidad de estirado en la dirección de punto de hasta 50%.
2. Para hacer una máscara con el diseño del patrón, utilice una película de poliamida de 125 micras de espesor; un ejemplo del patrón se ilustra en la Figura 1.
   1. Utilice un cortador láser (por ejemplo, ProtoLaser S, LPKF) al patrón de la máscara de poliamida ^10; el diseño del patrón de un electrodo se ilustra en la Figura 1.
   2. Escudo de la formulación de PDMS (10: 1 Base para curar relación de agente) en la parte superior de la máscara (película de poliamida) usando una herramienta automática de la cinta de colada (K control de impresión recubridor, rasqueta) con un espesor de película húmeda de 200 micras y en una 6 m / min velocidad de recubrimiento. Utilice aproximadamente 0,5 ml de una máscara de 3 cm x 5 cm. realizarles el proceso en virtud de la campana de humos.
3. transferir suavemente el tejido a la máscara de PDMS-revestido. Dejar durante 10 min, después de lo cual los PDMS deben estar completamente absorbidos en la estructura textil.
4. Curar la muestra en un horno de aire a 100 ° C durante 10 min.
5. Preparar el polímero conductor: PEDOT: PSS dispersión (80 ml), etilenglicol (20 ml), ácido 4-dodecilbencenosulfónico (40 l), y 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (1 ml) en la campana de humos.
6. se obtuvo una solución PSS en la zona-PDMS libres del tejido hasta una penetración homogénea de la solución: Brush-capa de la PEDOT. Repita este paso para conseguir un color patrón uniforme. Aplicar alrededor de 1 ml / ^cm2.
7. Curar la tela a 110 ° C durante 1 h para secar el PEDOT: PSS solución. Reducir la temperatura a 60 ° C para los textiles que son sensibles a tratamiento a alta temperatura, como el nylon.

2. la fabricación del dispositivo orgánico

NOTA: El protocolo en la Sección 1 describes la deposición selectiva de materiales conductores sobre los textiles. Las siguientes secciones describen los pasos adicionales necesarios para fabricar dispositivos orgánicos, como los sensores de estiramiento, transistores OECT, electrodos cutáneos, y sensores capacitivos.

1. Para fabricar sensores de estiramiento, que se muestra en la Figura 3a, modelo de las líneas de electrodos en la industria textil, como se describe en la Sección 1, los pasos 1.1 a 1.5.
   NOTA: Un ejemplo del patrón de diseño se muestra en la Figura 3a. La fabricación de este tipo de sensores no requiere ningún paso adicional.
2. Para fabricar el diseño de transistores se muestra en la Figura 3b, patrón de las matrices de transistores en una cinta de tejido de nylon siguiendo los pasos descritos en la Sección 1. modificar ligeramente el recocido PDMS y PEDOT: PSS curar medidas para evitar la degradación térmica de nylon de una cocción a 60 ° C durante un tiempo más largo.
3. Para la fabricación de electrodos cutáneos, que se muestra en la Figura 3c, depositar unagel iónico en el modelado de PEDOT: PSS textiles.
   1. Preparar una mezcla de gel de líquido iónico que contiene el líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazolio-etil sulfato; el agente de reticulación, poli (etilenglicol) diacrilato; y el fotoiniciador, 2-hidroxi-2-metilpropiofenona en una relación (v / v) de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivamente.
   2. Escudo el PEDOT: PSS electrodo con el líquido iónico (20 l / cm ²⁾ y añadir la mezcla de gel líquido iónico de la etapa 2.3.1 (25 l / cm ²⁾ por colada gota.
   3. Exponer a la luz UV (365 nm) para iniciar una reacción de reticulación durante 10-15 min, hasta que el gel solidifica. Realice este paso en la campana de humos. Utilice una jaula de protección UV durante la exposición UV.
4. Para la fabricación del sensor capacitivo, utilice PEDOT: PSS electrodos textiles aislados con un material aislante (Figura 3d).
   1. Aislar el teclado como PEDOT: PSS electrodos utilizando el PDMS; el diseño de teclado se puede ver en la figura 2b </ Strong>. Dispensar la formulación PDMS en la parte superior de la tela y eliminar el exceso con una escobilla de goma.
   2. Coloque la tela en una estufa a 100 ° C durante 10 min. Realice este paso en la campana de humos.

Resultados

Los métodos tradicionales para la aplicación de colores o patrones a los textiles se basan en capas de enmascaramiento desmontables para permitir la deposición selectiva de colorantes. En la Figura 1, se muestra la adaptación de este enfoque para el modelado de PEDOT: PSS electrodos sobre los textiles. Como capa de máscara, se utilizó polidimetilsiloxano hidrófobo, que puede restringir la difusión no controlable de la PEDOT acuosa: solución de PSS. Por otra part...

Discusión

El modelado de materiales conductores es uno de los primeros pasos en la fabricación de dispositivos electrónicos funcionales. Esto puede convertirse en un desafío, ya que el proceso de fabricación debe tener en cuenta las propiedades químicas y físicas de tales materiales, y el flujo del proceso debe tener en cuenta el material de compatibilidad cruzada entre las etapas de fabricación. En la microfabricación de dispositivos electrónicos orgánicos, estos dos aspectos son aún más significativa debido a la nat...

Materiales

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