섬유에 유기 전자 장치를위한 간편하고 확장 가능한 제조 방법

요약

본 논문에서는 선택적으로 웨어러블 유기 전자 장치의 직접 통합 할 수 섬유에 유기 물질을 증착하는 프로토콜을 제시한다. 제작 된 소자는 완전히 기계적 모양을 존중하고 감지 기능을 가능하게 직물에 통합 될 수있다.

초록

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.

서문

착용 할 수있는 전자 분야는 세 번 현재의 시장을 2025 년에 50,000,000,000유로 가치가있을 것으로 예상 빠르게 성장하는 시장이다. 현재 착용 할 수있는 장치가 직면 한 주요 과제는 방해 고체 전자 첨부 파일이 착용 할 수있는 시스템의 구축 장치의 사용을 제한 할 것입니다. 이미 일상에 존재하는 섬유를 사용하면 이러한 제한을 피하기 위해 매우 매력적이고 간단한 방법이다. 그것의 탄성 기능에, 우리가 입는 옷의 일부가 피부에 밀착 자연적이다. 시장 오늘로 볼 수 있습니다 스마트 의류의 많은 예는 세련된 방법 ¹ 인간과 전자 제품을 연결하는 얇은 플라스틱 디스플레이, 키보드 및 섬유에 포함 된 광원 장치를 기반으로합니다. 스포츠 실제로, 상태 모니터링은 일반적으로 접착제 전극과 금속 팔찌를 사용하기 편안한 대안을 제공 섬유 전극을 사용합니다. 여기서, 도전성 섬유는직접 피부 자극과 확장 착용하는 동안 다른 불편을 방지하기 위해 신축성 직물과 통합. 또한, 섬유는 땀 ^4에서 분석 물의 검출을 통해 바이오 센서를 통합 확실히 작용 로봇 액추에이터 ^(3)의 발전 전단 센서를 통합하고, ^{움직임이 캡처} 곡률 센서를 통합하는 기회들을 제공한다.

현대 착용 할 수있는 기술은 고유 한 특성을 가진 전자 기기를 제공하는 탄소 기반의 반도체 재료에 의존한다. 유기물의 "소프트"특성은 전통적인 고체 전자에 비해, 인체와의 인터페이스를 위해 더 나은 기계적 특성을 제공한다. 기계적 유연성 기재와 짝이 기계적 호환성은, 예컨대 섬유와 같은 장치에서 비평 폼 팩터의 사용을 가능하게한다. 유기물의 사용은 그들의 혼합 ELE에도 생명 과학 관련ctronic 및 이온 전도도 ^5. 게다가, 유기 반도체 및 광전자 재료는 디스플레이, 트랜지스터 로직, 및 전력 기능 ^{6, 7, 8, 9와} 기능 소자의 큰 다양성을 강화할. 유기 소자의 제조에있어서 가장 큰 어려움은 직물의 비평 탄 표면에 기능성 물질의 증착을 제어한다. 종래의 미세 가공 기술은 주로 섬유 기질의 구조 차원으로 증착 프로세스의 호환성에 의해 제한된다.

여기에서는 구성 섬유에 전도성 중합체의 선택적인 증착을 가능하게하는 간단하고 확장 가능한 제조 프로토콜을 설명한다. 제시된 과정은 착용 및 등각 전자 장치의 제조를 가능하게한다. 이 접근법은 (C)의 패터닝에 기초ommercially 가능한 전도성 고분자, 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜) : 폴리 (스티렌 설포 네이트) (PEDOT : PSS) 및 섬유에 탄성 스텐실 재료 폴리 디메틸 실록산 (PDMS). 뿐만 아니라 섬유의 부드럽고 신축성 특성의 유지를 위해, PSS 솔루션 :이 조합은 효율적인 수성 PEDOT의 구속 수 있습니다. 이 간단하고 신뢰성있는 제조 방법은 직접 비용 효율적이며 공업 적으로 확장 가능한 방식으로 직물에 전자 제품의 다양한 제조 방법을위한 포장한다.

프로토콜

섬유 1. 패터닝 실시 폴리머

1. 과정에서 취급이 용이 평면 표면에 10 ㎝의 섬유 시트를 고정한다. 섬유의 경우, 300 ㎛의 두께와 50 % 니트 방향 연신 능력쪽으로 100 % 연동 니트 폴리 에스테르 직물을 사용한다.
2. 패터닝 디자인을 포함하는 마스크를 만들기 위해, 125 ㎛의 두께의 폴리이 미드 필름을 사용한다; 패턴의 예는도 1에 도시되어있다.
   1. 패턴 폴리이 미드 마스크 ^(10)에 레이저 커터 (예를 들어, Protolaser S, LPKF)를 사용하여; 전극 패턴의 디자인은도 1에 도시되어있다.
   2. 코트 PDMS 제제 (10 : 1베이스 에이전트 비율 경화) 200 ㎛ 또는 (A)에서의 습윤 필름 두께로 자동 테이프 캐스팅 도구 (K 제어 프린트 코터, 닥터 블레이드)을 사용하여 마스크 (폴리이 미드 막)의 위에 6m / 분의 도포 속도. 3cm × 5 cm의 마스크 약 0.5 mL를 사용합니다. 일을 수행흄 후드에서 과정입니다.
3. 조심스럽게 PDMS 코팅 마스크 직물을 전송합니다. PDMS의 완전 섬유 구조체에 흡수되어야 후 10 분 동안 남겨.
4. 10 분 동안 100 ℃에서 공기 오븐에서 샘플을 경화.
5. 전도성 중합체를 제조 : PEDOT : PSS 분산액 (80 ㎖), 에틸렌 글리콜 (20 ㎖), 4- 도데 실 벤젠 설 폰산 (40 μL) 및 흄 후드의 3- 메타 크릴 (1 mL)을 첨가 하였다.
6. 브러쉬 코트 PEDOT : 용액의 균일 침투 될 때까지 섬유의 PDMS없는 영역 PSS 용액이 얻어진다. 균일 한 패턴 색상을 달성하기 위해이 단계를 반복합니다. 약 1 ㎖ / cm ^{2를 적용합니다.}
7. PSS의 해결 방법 : PEDOT를 건조 1 시간 동안 110 ° C에서 직물을 치료. 나일론과 같은 고온 처리에 민감한 직물 60 ℃로 온도를 감소시킨다.

2. 유기 소자의 제조

참고 : 제 1 describ의 프로토콜직물에 전도성 물질의 선택적 증착을 에스. 다음 섹션에서는 스트레치 센서, OECT 트랜지스터, 피부 전극 및 정전 용량 센서와 같은 유기 소자를 제작하는 데 필요한 추가 단계를 설명합니다.

1. 제 1 항에 기재된 바와 같이, 섬유에도 3a에 도시 된 신축성 센서, 패턴 전극 라인을 제조하기 위해, 1.1-1.5 단계.
   주 : 패턴 디자인의 예는도 3a에 도시되어있다. 이러한 센서의 제조는 추가 단계가 필요하지 않습니다.
2. 도 3b에 도시 된 트랜지스터 디자인을 제조하기 위해, 패턴을 제 1에 기재된 단계에 따라 나일론 직조 리본 트랜지스터 어레이 살짝 PDMS 소둔 및 PEDOT을 수정 PSS 60 ℃에서 경화시켜 나일론의 열 열화를 방지하기위한 조치를 경화 긴 시간 동안 C.
3. 도 3c에 도시 된 피부 전극의 제조, 들면, 증착PSS 직물 : 패턴 PEDOT에 이온 젤.
   1. 이온 성 액체 젤 혼합물을 이온 성 액체를 포함하는, 1- 에틸 -3- 메틸이 미다 졸륨 에틸 술 페이트 준비; 가교제, 폴리 (에틸렌 글리콜) 디 아크릴 레이트; 각각 0.6 / 0.35 / 0.05의 (v / v)의 비율로 광개시제, 2- 히드 록시 -2- methylpropiophenone.
   2. 코트 PEDOT : 이온 성 액체 (20 μL / cm ^2)와 PSS 전극과 드롭 주조에 의해 단계 2.3.1 (25 μL / cm ^2)에서 이온 성 액체 젤 혼합물을 추가합니다.
   3. 겔이 응고 될 때까지 10 ~ 15 분 동안 가교 반응을 개시하기 위해 UV 광 (365 ㎚)에 노출시킨다. 흄 후드에서이 단계를 수행합니다. UV 노출시 자외선 보호 케이지를 사용합니다.
4. 정전 용량 식 센서의 제조에, PEDOT를 사용하는 절연 재료 (도 3D)와 절연 PSS 섬유 전극.
   1. 키보드와 같은 절연 시키 PEDOT 다음 PDMS를 사용하는 PSS 전극; 키보드 설계는도 2b <에서 알 수있는/ strong>을. 직물의 맨 위에 PDMS 제제를 분배하고, 스퀴지 초과를 제거합니다.
   2. 10 분 동안 100 ° C의 오븐에서 직물을 놓는다. 흄 후드에서이 단계를 수행합니다.

결과

직물에 색 또는 패턴을 적용하기위한 전통적인 방법은 염료를 선택적으로 증착 할 수 있도록 이동식 마스킹 층에 의존한다. 직물에 PSS 전극도 1에서는 PEDOT의 패터닝에 이러한 방식의 적응을 나타낸다. PSS 솔루션 : 마스킹 층으로, 우리는 수성 PEDOT의 비 제어 확산을 억제 할 수 소수성 폴리 디메틸 실록산을 사용했다. 또한, 부드러움과 니트와 짠 직물의 신축?...

토론

전도성 재료의 패터닝 기능성 전자 소자의 제조에 첫 단계이다. 제조 공정을 고려 이러한 물질의 화학적 및 물리적 특성을 취할 필요가 있으며, 프로세스 흐름은 제조 단계의 물질 상호 호환성을 고려할 필요가 이것은 도전이 될 수있다. 유기 전자 소자의 미세 가공에서, 이들 두 측면 의한 유기물의 높은 반응성 특성 훨씬 더 중요하다. 그러나 오늘날 유기 물질은 전기 탄성 ^14,

자료

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