Um método de fabricação simples e escalável para dispositivos eletrônicos orgânicos sobre os têxteis

Resumo

Neste artigo, apresentamos um protocolo para depositar selectivamente materiais orgânicos em têxteis, que permite a integração direta de dispositivos eletrônicos orgânicos com wearables. Os dispositivos fabricados podem ser totalmente integrados nos têxteis, respeitando sua aparência mecânica e permitindo capacidades de detecção.

Resumo

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.

Introdução

O campo da eletrônica wearable é um mercado em rápido crescimento deverá valer 50 bilhões de euros em 2025, mais de três vezes o mercado atual. O principal desafio para dispositivos portáteis atuais é que os anexos eletrônicos sólidos intrusivas limitar o uso de dispositivos estabelecidos em sistemas vestíveis. Usando têxteis que já estão presentes na vida cotidiana é uma abordagem muito atraente e simples para evitar esta limitação. Devido à sua capacidade elástica, algumas partes da roupa que usam são naturalmente em contacto apertado com a pele. Muitos exemplos de roupas inteligentes disponíveis no mercado hoje são baseados em, displays finas de plástico, teclados e dispositivos de fonte de luz embutidos em produtos têxteis, ligando eletrônica com os seres humanos de uma forma elegante ^1. Na prática do esporte, vigilância da saúde depende de eléctrodos têxteis, que oferecem alternativas confortáveis ​​para comumente usados ​​eletrodos adesivos e pulseiras de metal. Aqui, as fibras condutoras sãodiretamente integrado com tecidos elásticos para evitar irritação da pele e outros desconfortos durante uso prolongado. Além disso, têxteis oferecem uma série de oportunidades para integrar sensores de curvatura para captura de movimento ^2, para integrar sensores de cisalhamento para o desenvolvimento de atuadores robóticos funcionais ³ e, certamente, para integrar biossensores através da detecção de uma substância a analisar no suor ^4.

tecnologia wearable moderna se baseia em materiais semicondutores à base de carbono que proporcionam dispositivos eletrônicos com propriedades únicas. A natureza "soft" dos orgânicos oferece melhores propriedades mecânicas para fazer a interface com o corpo humano em comparação com a eletrônica de estado sólido tradicionais. Esta compatibilidade mecânica, emparelhado com substratos mecanicamente flexíveis, permite o uso de fatores de forma não-planares em dispositivos como os têxteis. O uso de produtos orgânicos também é relevante em ciências da vida, devido ao seu ELE mistactronic iônica e condutividade ^5. Além disso, semicondutor orgânico e materiais optoeletrônicos capacitar uma grande variedade de dispositivos funcionais com display, transistor, lógica e capacidades de energia ^{6, 7, 8, 9.} A principal dificuldade na fabricação de tais dispositivos orgânicos é a deposição controlada de materiais funcionais sobre as superfícies não planares de têxteis. técnicas de microfabricação convencionais são limitadas principalmente pela incompatibilidade do processo de deposição com a dimensionalidade estrutural de substratos têxteis.

Aqui, descrevemos um protocolo de fabricação simples e escalável que permite a deposição selectiva de polímeros condutores sobre os têxteis estruturados. O processo apresentado permite a fabricação de dispositivos eletrônicos portáteis e isolantes. A abordagem baseia-se na modelação da commercially disponíveis poli polímero condutor (3,4-etilenodioxitiofeno): poli (estireno sulfonato) (PEDOT: PSS) e um polidimetilsiloxano material de estêncil elastomérica (PDMS) na matéria têxtil. Esta combinação permite o confinamento eficiente do PEDOT aquosa: PSS solução, assim como para a retenção das propriedades macios e elásticos de têxteis. Este método de fabricação simples e confiável abre o caminho para a fabricação de uma variedade de dispositivos eletrônicos diretamente sobre os têxteis de uma forma economicamente eficiente e industrialmente escalável.

Protocolo

1. padronização polímeros condutores sobre Textile

1. Corrigir um 10 cm x folha têxtil 10 cm sobre uma superfície plana para fácil manuseio durante o processo. Para o têxtil, utilizar um tecido de poliéster tricotado de bloqueio 100% com uma espessura de 300 um e uma capacidade de malha direcção do estiramento até 50%.
2. Para fazer uma máscara contendo o projeto de padronização, usar um filme de poliamida 125 um de espessura; um exemplo do padrão é ilustrada na Figura 1.
   1. Use um cortador de laser (por exemplo, ProtoLaser S, LPKF) com o padrão da máscara de poliimida ^10; o desenho de um eléctrodo padrão é ilustrada na Figura 1.
   2. Revestir a formulação de PDMS (10: 1 de base para a cura da proporção do agente) por cima da máscara (filme de poliamida) usando uma ferramenta automatizada de fitas de fundição (K controlo de impressão-revestidor, doctor blade) com uma espessura de película húmida de 200 um e com um 6 m / min de velocidade de revestimento. Use cerca de 0,5 mL de uma máscara de 3 cm x 5 cm. execute thé um processo sob a coifa.
3. Suavemente transferir o tecido para a máscara de PDMS-revestidos. Deixe por 10 min, após o que os PDMS deve ser totalmente absorvida na estrutura têxtil.
4. Curar a amostra num aparelho de ar no forno a 100 ° C durante 10 min.
5. Prepara-se o polímero condutor: PEDOT: PSS dispersão (80 mL), etileno glicol (20 ml), ácido 4-dodecilbenzenossulfónico (40 mL), e 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (1 mL), na hotte.
6. Escova-revestir o PEDOT: PSS solução sobre a área do têxtil PDMS-livres até que uma penetração da solução homogénea é obtida. Repita este passo para conseguir uma cor padrão uniforme. Aplicar cerca de 1 ml / ^cm2.
7. Curar o tecido a 110 ° C durante 1 h para secar o PEDOT: PSS solução. Reduzir a temperatura a 60 ° C para os têxteis que são sensíveis a um tratamento de alta temperatura, como o nylon.

2. fabricação de dispositivos orgânicos

NOTA: O protocolo na Seção 1 describes a deposição seletiva de materiais condutores sobre os têxteis. As secções seguintes descrevem os passos adicionais necessários para fabricar dispositivos orgânicos, como sensores de estiramento, transistores OECT, eletrodos cutâneos, e sensores capacitivos.

1. Para fabricar sensores de estiramento, mostrado na Figura 3a, padrão das linhas de eléctrodos no têxtil, conforme descrito na Seção 1, os passos 1,1-1,5.
   NOTA: Um exemplo de concepção padrão é mostrada na Figura 3a. O fabrico de tais sensores não exige quaisquer medidas adicionais.
2. Para fabricar o design do transistor mostrado na Figura 3b, as matrizes padrão transistor sobre uma fita de tecido de nylon seguindo as etapas descritas na Secção 1. Ligeiramente modificar o recozimento PDMS e PEDOT: PSS cura passos para evitar a degradação térmica de nylon de cura a 60 ° C durante um tempo mais longo.
3. Para a fabricação de eléctrodos cutâneos, mostrado na Figura 3c, uma depositargel iónico na PEDOT modelado: têxteis PSS.
   1. Prepara-se uma mistura de gel líquido iónico contendo o líquido iónico, 1-etil-3-metilimidazólio etil-sulfato; o agente de ligação cruzada, poli (etileno-glicol) diacrilato; e o fotoiniciador, 2-hidroxi-2-metilpropiofenona a uma razão (v / v) de 0,6 / 0,35 / 0,05, respectivamente.
   2. Cubra o PEDOT: PSS eletrodo com líquido iônico (20 mL / cm ²⁾ e adicione a mistura de gel líquido iónico do passo 2.3.1 (25 mL / cm ²⁾ por vazamento gota.
   3. Expor à luz UV (365 nm) para se iniciar uma reacção de reticulação durante 10-15 minutos, até que o gel solidifique. Execute esta etapa na coifa. Use uma gaiola UV-protetora durante a exposição UV.
4. Para a fabricação do sensor capacitivo, usar PEDOT: PSS têxteis eléctrodos isolados com um material isolante (Figura 3D).
   1. Isolar o PEDOT teclado-like: eletrodos PSS usando os PDMS; o design de teclado pode ser visto na Figura 2b </ Strong>. Dispensar a formulação PDMS no topo do tecido e remover o excesso com um rodo.
   2. Colocar o tecido num forno a 100 ° C durante 10 min. Execute esta etapa na coifa.

Resultados

Os métodos tradicionais para aplicar cores ou padrões aos têxteis contar com camadas de máscara removível para permitir a deposição selectiva de corantes. Na Figura 1, mostramos a adaptação de uma tal abordagem à padronização de PEDOT: PSS eletrodos sobre têxteis. Como uma camada de máscara, foi utilizado polidimetilsiloxano hidrofóbico, que pode conter a difusão não controlável da PEDOT aquosa: solução PSS. Além disso, a maciez e capacidade de estir...

Discussão

O padrão de materiais condutores é um dos primeiros passos no fabrico de dispositivos electrónicos funcionais. Isto pode tornar-se um desafio, como o processo de fabricação tem de ter em conta as propriedades químicas e físicas de tais materiais, e o fluxo do processo deve considerar a compatibilidade cruzada material entre as etapas de fabricação. No microfabricação de dispositivos eletrônicos orgânicos, estes dois aspectos são ainda mais significativa devido à natureza altamente reativo de orgânicos. H...

Materiais

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