Une méthode de fabrication simple et évolutive pour les dispositifs électroniques organiques sur les textiles

Résumé

Dans cet article, nous présentons un protocole pour déposer sélectivement des matières organiques sur les textiles, ce qui permet l'intégration directe des dispositifs électroniques organiques avec wearables. Les dispositifs fabriqués peuvent être pleinement intégrés dans le textile, en respectant leur aspect mécanique et permettant des capacités de détection.

Résumé

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

Le domaine de l'électronique portable est un marché en croissance rapide devrait être une valeur de 50 milliards d'euros en 2025, plus de trois fois le marché actuel. Le principal défi auquel sont confrontés les appareils portables actuels est que les pièces jointes électroniques solides intrusives limitent l'utilisation de dispositifs établis dans les systèmes portables. Utilisation de textiles qui sont déjà présents dans la vie quotidienne est une approche très intéressante et simple pour éviter cette limitation. En raison de sa capacité élastique, certaines parties du vêtement que nous portons sont naturellement en contact étroit avec la peau. De nombreux exemples de vêtements intelligents disponibles sur le marché aujourd'hui sont basées sur des minces, des affichages en plastique, les claviers et les dispositifs de source de lumière intégrés dans le textile, l' électronique reliant avec les humains d'une manière à la mode ^1. Dans la pratique du sport, la surveillance de la santé repose sur des électrodes textiles, qui offrent des alternatives confortables couramment utilisées électrodes adhésives et bracelets métalliques. Ici, les fibres conductrices sontdirectement intégré avec des tissus extensibles pour éviter les irritations de la peau et d'autres inconforts pendant le port prolongé. En outre, les textiles offrent un certain nombre de possibilités d'intégrer des capteurs de courbure pour capturer le mouvement ^2, d'intégrer des capteurs de cisaillement pour le développement d'actionneurs robotiques fonctionnels ^3, et certainement à intégrer biocapteurs grâce à la détection d'un analyte dans la sueur ^4.

technologie portable moderne repose sur des matériaux semi-conducteurs à base de carbone qui fournissent des appareils électroniques avec des propriétés uniques. La nature «soft» des matières organiques offre de meilleures propriétés mécaniques pour l'interfaçage avec le corps humain par rapport à l'électronique traditionnelle à l'état solide. Cette compatibilité mécanique, couplé avec des substrats flexibles mécaniquement, permet l'utilisation de non-planaires facteurs de forme dans des dispositifs tels que les textiles. L'utilisation des matières organiques est également pertinente dans les sciences de la vie en raison de leur ele mixteconductivité ionique et ctronic ^5. Par ailleurs, semiconductrice organique et des matériaux optoélectroniques habilitent une grande variété de dispositifs fonctionnels avec affichage, le transistor, la logique et les capacités de puissance ^{6, 7, 8, 9.} La principale difficulté dans la fabrication de tels dispositifs organiques est le dépôt contrôlé de matériaux fonctionnels sur les surfaces non planes de textiles. des techniques de microfabrication classiques sont principalement limités par l'incompatibilité du procédé de dépôt avec la dimension structurelle des substrats textiles.

Ici, nous décrivons un protocole de fabrication simple et évolutive qui permet le dépôt sélectif de polymères conducteurs sur des textiles structurés. Le procédé présenté permet la fabrication de dispositifs électroniques portables et conformes. L'approche est basée sur la structuration de la commercially disponible poly conductrice de polymère (3,4-éthylènedioxythiophène): poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) et un polydiméthylsiloxane matériau stencil élastomère (PDMS) sur le textile. Cette combinaison permet un confinement efficace de la solution aqueuse de PEDOT: PSS solution, ainsi que pour la conservation des propriétés molles et de textiles extensibles. Cette méthode de fabrication simple et fiable ouvre la voie à la fabrication d'une variété de dispositifs électroniques directement sur les textiles d'une manière rentable et industriellement évolutive.

Protocole

1. patterning Conducting Polymers sur textile

1. Fixer un x 10 cm nappe textile 10 cm sur une surface plane pour faciliter la manipulation au cours du processus. Pour le textile, utilisant un tricot interlock tissu de polyester à 100% ayant une épaisseur de 300 pm et une capacité de tricot direction d'étirage allant jusqu'à 50%.
2. Pour faire un masque contenant la conception de motif, utiliser un film de polyimide 125 um d'épaisseur; un exemple du motif est illustrée sur la figure 1.
   1. Utilisez un coupe-laser (par exemple, ProtoLaser S, LPKF) pour le motif de masque de polyimide ^10; la conception de motif d'une électrode est illustré sur la figure 1.
   2. Enduire la formulation PDMS (10: 1 base pour durcir le rapport de l'agent) sur le dessus du masque (film de polyimide) en utilisant un outil de bande automatique de coulée (K commande print-coucheuse, racle) avec une épaisseur de film humide de 200 um et à une 6 m / min vitesse de couchage. Utiliser environ 0,5 ml pour un masque de 3 cm x 5 cm. Effectuer eest procédé sous la hotte.
3. transférer délicatement le tissu au masque de PDMS revêtu. Laisser pendant 10 minutes, après quoi les PDMS devraient être entièrement absorbées par la structure textile.
4. Durcir l'échantillon dans une étuve à air à 100 ° C pendant 10 min.
5. Préparer le polymère conducteur: PEDOT: PSS dispersion (80 ml), de l'éthylène glycol (20 ml), de l'acide 4-dodécylbenzènesulfonique (40 pi) et le 3-méthacryloxypropyltriméthoxysilane (1 ml) dans la hotte.
6. Brosse-coat PEDOT: PSS solution sur la surface du textile libre PDMS jusqu'à une pénétration homogène de la solution est obtenue. Répétez cette étape pour obtenir une couleur de motif uniforme. Appliquer environ 1 ml / cm ^2.
7. Traiter le tissu à 110 ° C pendant 1 heure pour sécher le PEDOT: PSS solution. Réduire la température à 60 ° C pour les textiles qui sont sensibles à un traitement à haute température, comme le nylon.

2. Fabrication de périphériques bio

NOTE: Le protocole à la section 1 describes le dépôt sélectif de matériaux conducteurs sur les textiles. Les sections suivantes décrivent les étapes supplémentaires nécessaires pour fabriquer des dispositifs organiques, comme des capteurs d'étirement, transistors OECT, des électrodes cutanées, et des capteurs capacitifs.

1. Pour fabriquer des capteurs d'étirement, représentés sur la figure 3a, modèle les lignes d'électrodes sur le textile, tel que décrit dans la section 1, les étapes 1.1-1.5.
   REMARQUE: Un exemple de la conception du schéma est représenté sur la figure 3a. La fabrication de tels capteurs ne nécessite pas d'étapes supplémentaires.
2. Pour fabriquer la conception du transistor représenté sur la figure 3b, le motif des réseaux de transistors sur un ruban en nylon tissé suivant les étapes décrites dans la section 1. modifier légèrement le recuit de PDMS et PEDOT: PSS durcissement des mesures pour éviter la dégradation thermique de nylon par cuisson à 60 ° C pendant une durée plus longue.
3. Pour la fabrication d'électrodes cutanées, représentée sur la figure 3c, déposer ungel ionique sur le PEDOT motif: textiles PSS.
   1. Préparer un mélange de gel liquide ionique contenant le liquide ionique, le 1-éthyl-3-méthylimidazolium, le sulfate d'éthyle; l'agent de réticulation, le poly (éthylène glycol) diacrylate; et le photo-initiateur, la 2-hydroxy-2-méthylpropiophénone à (v / v) rapport de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivement.
   2. Enduire le PEDOT: PSS électrode avec un liquide ionique (20 pl / cm ²⁾ et ajouter le mélange ionique de gel de liquide de l' étape 2.3.1 (25 pl / cm ²⁾ par coulée de goutte.
   3. Exposer à une lumière UV (365 nm) pour initier une réaction de réticulation pendant 10 à 15 min jusqu'à ce que la solidification du gel. Effectuez cette étape dans la hotte. Utiliser une cage anti-UV lors de l'exposition aux UV.
4. Pour la fabrication du capteur capacitif, utiliser PEDOT: électrodes textiles PSS isolés avec un matériau isolant (Figure 3d).
   1. Isoler le clavier comme PEDOT: PSS électrodes utilisant les PDMS; la conception du clavier peut être vu sur la figure 2b </ Strong>. Distribuer la formulation PDMS sur le dessus du tissu et enlever l'excès avec une raclette.
   2. Placer le tissu dans un four à 100 ° C pendant 10 min. Effectuez cette étape dans la hotte.

Résultats

Les méthodes traditionnelles d'application de couleurs ou des motifs textiles reposent sur des couches de masquage amovibles pour permettre le dépôt sélectif de colorants. Dans la figure 1, nous montrons l'adaptation d'une telle approche à la structuration de PEDOT: PSS électrodes sur les textiles. En tant que couche de masquage, on a utilisé un polydiméthylsiloxane hydrophobe, ce qui peut freiner la diffusion non contrôlable du PEDOT aqueux: solutio...

Discussion

La structuration des matériaux conducteurs est l'une des premières étapes dans la fabrication de dispositifs électroniques fonctionnels. Cela peut devenir difficile, car le processus de fabrication doit prendre en compte les propriétés chimiques et physiques de ces matériaux, et le flux de processus doit tenir compte de la compatibilité croisée matériau entre les étapes de fabrication. Dans la microfabrication de dispositifs électroniques organiques, ces deux aspects sont encore plus importantes en raiso...

matériels

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