שיטת ייצור פשוט Scalable עבור מכשירים אלקטרוניים אורגניים על טקסטיל

Summary

במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול להפקיד חומרים אורגניים באופן סלקטיבי על טקסטיל, המאפשרים אינטגרציה הישירה של מכשירים אלקטרוניים אורגניים עם פריטי לבוש. המכשירים המפוברקים ניתן לשלב באופן מלא בטקסטיל, כיבוד המראה המכאני שלהם ומאפשר יכולות חישה.

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

בתחום האלקטרוניקה לביש הינו שוק בצמיחה מהירה צפוי להיות שווה 50 מיליארד יורו ב -2025, על פי שלושה השוק הנוכחי. האתגר העיקרי העומד בפני התקנים לבישים נוכחיים הוא כי מצורפים אלקטרונית מוצק פולשניות להגביל את השימוש במכשירים הוקמו בשנת מערכות לביש. באמצעות טקסטיל שכבר נמצאים בחיי היומיום היא גישה מאוד אטרקטיבית וישירה להימנע מגבלה זו. בשל יכולת אלסטית שלה, בחלקים מסוימים של הבגדים שאנחנו לובשים הם באופן טבעי במגע הדוק עם העור. דוגמאות רבות של בגדים חכמים הקיימות בשוק כיום מבוססות על תצוגות דקות, פלסטיק, מקלדות, והתקני מקור אור מוטבעים בטקסטיל, מקשר אלקטרוניקה עם בני אדם באופן אופנתי ^1. בפועל ספורט, ניטור בריאות מסתמך על אלקטרודות טקסטיל, אשר מציעות חלופות נוחות נפוץ אלקטרודות דבק wristbands מתכת. הנה, סיבים מוליכים הםמשולב ישירות עם בדים סטרץ למנוע גירוי בעור תלאות אחרות במהלך ללבוש המורחב. בנוסף, טקסטיל מציע מספר הזדמנויות לשלב חיישני עקמומיות ללכוד תנועה ^2, כדי לשלב חיישני גזירה לפיתוח ומפעילי רובוטית פונקציונליים ^3, ובוודאי לשלב חיישנים ביולוגיים באמצעות זיהוי של אנליטי בזיעת ^4.

טכנולוגיה לבישה מודרנית מסתמך על חומרים מוליכים למחצה מבוססי פחמן המספקים מכשירים אלקטרוניים עם מאפיינים ייחודיים. האופי "הרך" של חומרים אורגניים מציע תכונות מכאניות טובות יותר להתממשקות גוף האדם לעומת אלקטרוניקת מצב מוצק מסורתית. תאימות מכאנית זה, יחד עם מצעים גמישים מכאני, מאפשרת השימוש של גורמי צורה שאינה מישוריים בהתקנים כגון טקסטיל. השימוש אורגני רלוונטי גם במדעי חיים בשל ele המעורבת שלהםמוליכות ctronic ו יוניות ^5. חוץ מזה, מוליך למחצה אורגני וחומרים אופטו להעצים מגוון גדול של מכשירים פונקציונליים עם תצוגה, טרנזיסטור, לוגיקה, ויכול כוח ^{6, 7, 8, 9.} הקושי העיקרי בייצור של תקנים אורגניים כגון הוא בתצהיר המבוקר של חומרים תפקודיים על המשטחים שאינם מישוריים של טקסטיל. טכניקות microfabrication קונבנציונליות מוגבלות בעיקר על ידי ההתאמה של תהליך ההדחה עם ממדיות המבניות של מצעי טקסטיל.

כאן אנו מתארים פרוטוקול ייצור פשוט, וניתן להרחבה המאפשר בתצהיר סלקטיבית של פולימרים מוליכים על טקסטיל מובנה. התהליך הציג מאפשר הייצור של מכשירים אלקטרוניים לביש קונפורמי. הגישה מבוססת על הדפוסים של גהפולימר פולי ניצוח ommercially זמין (3,4-ethylenedioxythiophene): פולי (sulfonate סטירן) (PEDOT: PSS) וכן polydimethylsiloxane חומר סטנסיל אלסטומרי (PDMS) על טקסטיל. שילוב זה מאפשר כליאה היעילה של PEDOT המימי: פתרון PSS, כמו גם עבור השימור של התכונות הרכות stretchable של טקסטיל. שיטת ייצור פשוטה ואמינה זו סוללת את הדרך עבור הייצור של מגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים ישירות על טקסטיל בעלות-יעיל מבחינה תעשייתית באופן מדרגי.

Protocol

1. פולימרים מוליכים דפוסים על טקסטיל

1. תקן גיליון טקסטיל 10 ס"מ x 10 ס"מ על משטח מישורי לטיפול קל תוך כדי התהליך. עבור הטקסטיל, להשתמש בד פוליאסטר לסרוג משתלב 100% עם עובי של 300 מיקרומטר ו יכולת מתיחה בכיוון לסרוג עד 50%.
2. כדי לעשות מסכה המכילה את עיצוב הדפוסים, להשתמש סרט polyimide 125 מיקרומטר בעובי; דוגמא של הדפוס מתוארת באיור 1.
   1. השתמש חותך לייזר (למשל, Protolaser S, LPKF) לדפוס את המסכה polyimide ^10; עיצוב הדפוס של אלקטרודה מתואר באיור 1.
   2. מעייל גיבוש PDMS (10: 1 בסיס לריפוי יחס סוכן) על גבי המסכה (סרט polyimide) באמצעות כלי ליהוק קלטת אוטומטית (שליטת K הדפסת coater, להב רופא) עם עובי סרט רטוב של 200 מיקרומטר בכל 6 מהירויות ציפוי מ '/ דקה. השתמש כ -0.5 מ"ל מסכה של 3 ס"מ x 5 ס"מ. בצע ההתהליך הוא מתחת למכסה המנוע קטר.
3. בעדינות להעביר את הבד אל המסכה מצופה PDMS. השאר למשך 10 דקות, שלאחריו PDMS צריך להיספג באופן מלא במבנה הטקסטיל.
4. לרפא המדגם בתנור-אוויר ב 100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
5. הכן הפולימר ניצוח: PEDOT: פיזור PSS (80 מ"ל), אתילן גליקול (20 מ"ל), חומצה 4-dodecylbenzenesulfonic (40 μL), ו -3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (1 מ"ל) ב למכסה המנוע קטר.
6. מברשת מעיל PEDOT: פתרון PSS על אזור PDMS ללא של טקסטיל עד חדירה הומוגנית של הפתרון מתקבל. חזור על שלב זה כדי להשיג צבע דפוס אחיד. החל על 1 מ"ל / ² ס"מ.
7. לרפא את הבד ב 110 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 לייבש את PEDOT: פתרון PSS. מנמיך את הטמפרטורה ל 60 מעלות צלזיוס למשך טקסטיל רגישים טיפול בטמפרטורה גבוהה, כמו ניילון.

2. ייצור מכשיר אורגני

הערה: הפרוטוקול ב describ סעיף 1es בתצהיר סלקטיבית של ניצוח חומרים על טקסטיל. הסעיפים הבאים יתארו את הצעדים נוספים הדרושים כדי לפברק תקנים אורגניים, כמו חיישני מתיחה, טרנזיסטורים OECT, אלקטרודות עורית, וחיישני קיבולים.

1. כדי לפברק חיישני מתיחה, המוצגים באיור 3 א, דפוס קווי אלקטרודה על הטקסטיל, כמתואר בסעיף 1, צעדי 1.1-1.5.
   הערה: דוגמא של עיצוב הדפוס מוצגת באיור 3 א. הייצור של חיישנים כאלה אינו דורש שום צעדים נוספים.
2. כדי לפברק את העיצוב טרנזיסטור שמוצג איור 3B, דפוס מערכי הטרנזיסטור על סרט ארוג ניילון השלבים המתוארים בסעיף 1. מעט לשנות את חישול PDMS ו PEDOT: PSS ריפוי בצעדים כדי למנוע השפלה תרמית של ניילון על ידי ריפוי ב 60 ° צלזיוס למשך זמן רב יותר.
3. עבור ייצור של אלקטרודות עורית, שמוצג 3C איור, להפקידג'ל יוני על PEDOT בדוגמת: טקסטיל PSS.
   1. הכין תערובת ג'ל נוזלי יונית המכילה את הנוזל היוני, 1-אתיל-3-methylimidazolium-אתיל סולפט; הסוכן מקשר הצולב, פולי (אתילן גליקול) diacrylate; ואת photoinitiator, 2-הידרוקסי-2-methylpropiophenone לפי יחס (v / v) של 0.6 / 0.35 / 0.05, בהתאמה.
   2. מעיל PEDOT: אלקטרודה PSS עם נוזלים יוניים (20 μL / ² ס"מ) ומוסיפים את תערובת ג'ל נוזלי יוניים משלב 2.3.1 (25 μL / ² ס"מ) על ידי יציקת טיפה.
   3. לחשוף לאור UV (365 ננומטר) ליזום תגובה crosslinking במשך 10-15 דקות, עד מתמצק ג'ל. בצע פעולה זו במנדף. השתמש כלוב מגן-UV במהלך חשיפת UV.
4. עבור ייצור חיישן קיבולי, השתמש PEDOT: אלקטרודות טקסטיל PSS מבודד עם חומר בידוד (איור 3D).
   1. לבודד את PEDOT דמוי-מקלדת: אלקטרודות PSS באמצעות PDMS; ניתן לראות את העיצוב המקלדת איור 2b </ Strong>. מחלק את ניסוח PDMS על גבי הבד להסיר את העודפים עם מגב.
   2. מניחים את הבד בתנור על 100 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. בצע פעולה זו במנדף.

תוצאות

שיטות מסורתיות החלת צבעים או דפוסי טקסטיל להסתמך על שכבות מיסוך נשלפו על מנת לאפשר בתצהיר סלקטיבית של צבעים. באיור 1, אנו מצביעים על ההסתגלות של גישה כזו אל הדפוסים של PEDOT: אלקטרודות PSS על טקסטיל. כשכבה מיסוך, השתמשנו polydimethylsiloxane הידרופובי, אש?...

Discussion

הדפוסים של חומרים מוליכים הוא אחד הצעדים הראשונים הייצור של מכשירים אלקטרוניים תפקודיים. זה יכול להיות מאתגר, כמו תהליך הייצור צריך לקחת בחשבון את התכונות הכימיות ופיסיקליות של חומרים כאלה, ואת זרימת התהליך צריכה לשקול את צולבות התאימות המהותית בין הצעדים בדיה. בשנ?...

Materials

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