Un metodo semplice e scalabile di fabbricazione per dispositivi elettronici organici sui tessili

Riepilogo

In questo articolo, vi presentiamo un protocollo per depositare selettivamente materiali organici sui tessuti, che consente l'integrazione diretta di dispositivi elettronici organici con indossabili. I dispositivi fabbricati possono essere pienamente integrati nel settore tessile, rispettando il loro aspetto meccanico e consentendo capacità di rilevamento.

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.

Introduzione

Il campo di elettronica indossabile è un mercato in rapida crescita dovrebbe essere del valore di 50 miliardi di euro nel 2025, più di tre volte il mercato attuale. La sfida principale per dispositivi indossabili attuale è che solidi allegati elettronici intrusive limitano l'utilizzo di dispositivi stabiliti nei sistemi indossabili. Utilizzando tessuti che sono già presenti nella vita quotidiana è un approccio molto attraente e semplice per evitare questa limitazione. Grazie alla sua capacità elastica, alcune parti dell'indumento che indossiamo sono naturalmente in stretto contatto con la pelle. Molti esempi di abiti eleganti disponibili oggi sul mercato si basano su, display sottili di plastica, tastiere e dispositivi di sorgente di luce incorporati nei tessuti, che collega l'elettronica con gli esseri umani in un modo alla moda ^1. In pratica lo sport, monitoraggio della salute si basa su elettrodi tessili, che offrono alternative comode da utilizzati comunemente elettrodi adesivi e braccialetti di metallo. Qui, fibre conduttive sonodirettamente integrato con tessuti elastici per evitare irritazioni della pelle e altri disagi durante l'utilizzo prolungato. Inoltre, tessili offrono una serie di opportunità di integrare sensori curvatura per catturare il movimento ^2, per integrare i sensori di taglio per lo sviluppo di attuatori robotici funzionali ^3, e certamente integrare biosensori attraverso la rivelazione di un analita nel sudore ^4.

La moderna tecnologia indossabile si basa su materiali semiconduttori a base di carbonio che forniscono dispositivi elettronici con proprietà uniche. La natura "soft" di sostanze organiche offre migliori proprietà meccaniche per l'interfacciamento con il corpo umano rispetto alla elettronica a stato solido tradizionali. Questa compatibilità meccanica, in coppia con substrati flessibili meccanicamente, consente l'impiego di fattori di forma non planari in dispositivi quali tessili. L'uso di sostanze organiche è rilevante anche nelle scienze della vita a causa della loro ele mistactronic e ionici conducibilità ^5. Inoltre, semiconduttori organici e materiali optoelettronici potenziare una grande varietà di dispositivi funzionali con display, transistor, logica e capacità di potenza ^{6, 7, 8, 9.} La principale difficoltà nella fabbricazione di tali dispositivi organici è la deposizione controllata di materiali funzionali sulle superfici non planari di tessuti. tecniche di microfabbricazione convenzionali sono essenzialmente limitati dalla incompatibilità del processo di deposizione con la dimensionalità strutturale di substrati tessili.

Qui, descriviamo un semplice e scalabile protocollo di fabbricazione che consente la deposizione selettiva di polimeri conduttori su tessuti strutturati. Il processo presentato permette la fabbricazione di dispositivi elettronici indossabili e conformazionale. L'approccio è basato sulla patterning del commercially disponibili conduzione poli polimero (3,4-ethylenedioxythiophene): poli (stirene solfonato) (PEDOT PSS) e un polidimetilsilossano materiale elastomerico stencil (PDMS) sulla tessile. Questa combinazione permette il confinamento efficiente del PEDOT acquosa: soluzione PSS, nonché per la conservazione delle proprietà morbido ed estensibile di tessuti. Questo metodo di fabbricazione semplice ed affidabile apre la strada per la fabbricazione di una varietà di dispositivi elettronici direttamente sui tessuti in modo economicamente efficiente e industrialmente scalabile.

Protocollo

1. patterning polimeri conduttori sul tessile

1. Fix a 10 cm x 10 cm strato tessile su una superficie piana per una facile movimentazione durante il processo. Per tessile, utilizzare un interblocco tessuto lavorato a maglia 100% poliestere con spessore di 300 um e una capacità maglia direzione di stiro fino al 50%.
2. Per fare una maschera con il motivo patterning, utilizzare un poliimmide film 125 micron di spessore; un esempio del modello è illustrato in Figura 1.
   1. Utilizzare una taglierina laser (ad esempio, Protolaser S, LPKF) al modello della maschera poliimmide ^10; il disegno del modello di un elettrodo è illustrato in Figura 1.
   2. Coat formulazione PDMS (10: 1 base per curare rapporto agent) sulla parte superiore della maschera (film poliimmide) utilizzando uno strumento automatico del nastro di colata (K controllo di stampa-coater, racla) con uno spessore di film umido di 200 micron e ad un 6 m / min velocità di rivestimento. Uso circa 0,5 mL di una maschera di 3 cm x 5 cm. eseguire °è processo sotto la cappa.
3. Delicatamente trasferire il tessuto alla maschera PDMS rivestita. Lasciare per 10 min, dopo di che i PDMS dovrebbero essere pienamente assorbiti nella struttura tessile.
4. Curare il campione in un atmosferica a 100 ° C per 10 min.
5. Preparare il polimero conduttore: PEDOT PSS dispersione (80 mL), glicol etilenico (20 mL), acido 4-dodecilbenzensolfonico (40 mL), e 3-metacrilossipropiltrimetossisilano (1 mL) nella cappa.
6. Spazzola-coat la PEDOT: soluzione PSS sull'area-PDMS libere del tessuto fino ad una penetrazione omogenea della soluzione ottenuta. Ripetere questo passaggio per ottenere un modello di colore uniforme. Applicare circa 1 ml / cm ^2.
7. Cure tessuto a 110 ° C per 1 h per asciugare il PEDOT: soluzione PSS. Ridurre la temperatura a 60 ° C per tessuti che sono sensibili al trattamento ad alta temperatura, come il nylon.

2. fabbricazione di dispositivi organici

NOTA: Il protocollo nella sezione 1 describes la deposizione selettiva di materiali conduttori sul tessile. Le sezioni seguenti descrivono gli ulteriori passi necessari per fabbricare dispositivi organici, come i sensori stretch, transistor OECT, elettrodi cutanei e sensori capacitivi.

1. Per fabbricare sensori stirata, mostrati in figura 3a, modello dei cavi degli elettrodi sul tessuto, come descritto al punto 1, punti 1.1-1.5.
   NOTA: Un esempio del modello di progettazione è mostrato in figura 3a. La fabbricazione di tali sensori non richiede alcuna operazione aggiuntiva.
2. Per realizzare il progetto transistore mostrato in Figura 3b, modello gli array di transistor su un nastro di nylon tessuto seguendo la procedura descritta nella sezione 1. modificare leggermente la ricottura PDMS e PEDOT PSS curare misure per evitare la degradazione termica di nylon da una cottura a 60 ° C per un tempo più lungo.
3. Per la fabbricazione di elettrodi cutanei, illustrata nella figura 3c, depositare unogel ionico sulla PEDOT fantasia: tessile PSS.
   1. Preparare una miscela gel liquido ionico contenente il liquido ionico, 1-etil-3-methylimidazolium-etil solfato; l'agente reticolante, poli (etilene glicol) diacrilato; e il fotoiniziatore, 2-idrossi-2-methylpropiophenone a (v / v) rapporto 0,6 / 0,35 / 0,05, rispettivamente.
   2. Rivestire la PEDOT: elettrodi PSS con liquido ionico (20 l / cm ²⁾ e aggiungere la miscela di gel liquido ionico a partire dal punto 2.3.1 (25 ml / cm ²⁾ a goccia casting.
   3. Esporre alla luce UV (365 nm) per avviare una reazione di reticolazione per 10-15 minuti, fino a quando i solidifica gel. Eseguire questo passaggio nella cappa. Utilizzare una gabbia di protezione UV durante l'esposizione ai raggi UV.
4. Per capacitivo fabbricazione del sensore, utilizzare PEDOT: elettrodi tessili PSS coibentati con materiale isolante (figura 3d).
   1. Isolare la tastiera simile PEDOT: elettrodi PSS utilizzando i PDMS; il design della tastiera può essere visto in Figura 2b </ Strong>. Distribuire la formulazione PDMS sulla parte superiore del tessuto e rimuovere l'eccesso con una spatola.
   2. Posizionare il tessuto in un forno a 100 ° C per 10 min. Eseguire questo passaggio nella cappa.

Risultati

I metodi tradizionali per l'applicazione di colori o modelli di tessuti si affidano a strati di mascheramento rimovibili per consentire la deposizione selettiva di coloranti. Nella figura 1, mostriamo l'adattamento di un tale approccio alla patterning di PEDOT: elettrodi PSS sui tessuti. Come strato di mascheratura, abbiamo usato polidimetilsilossano idrofobico, che può trattenere la diffusione non controllabile della PEDOT acquosa: soluzione PSS. Inoltre, la mo...

Discussione

Il patterning di materiali conduttori è uno dei primi passi nella fabbricazione di dispositivi elettronici funzionali. Questo può diventare difficile, come il processo di fabbricazione deve tener conto delle proprietà chimiche e fisiche di tali materiali, e il flusso di processo deve considerare il materiale trasversale compatibilità tra le fasi di fabbricazione. Nella microfabbricazione di dispositivi elettronici organici, questi due aspetti sono ancora più significativi a causa della natura altamente reattiva di ...

Materiali

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