Een eenvoudige en schaalbare Fabrication Methode voor biologisch Electronic Devices on Textiles
Summary
In deze paper presenteren we een protocol om organische materialen op textiel, die zorgt voor de directe integratie van organische elektronische apparaten met wearables selectief deponeren. De gefabriceerde apparaten kunnen volledig worden geïntegreerd in textiel, met respect voor hun mechanische uiterlijk en het mogelijk maken sensing mogelijkheden.
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
Het gebied van draagbare elektronica is een snel groeiende markt verwachte waarde van € 50000000000 te worden in 2025, meer dan drie keer de huidige markt. De belangrijkste uitdaging voor de huidige draagbare apparaten is dat opdringerige solide elektronische bijlagen beperken het gebruik van gevestigde apparaten in draagbare systemen. Het gebruik van stoffen die al aanwezig zijn in het dagelijks leven is een zeer aantrekkelijke en directe aanpak om deze beperking te vermijden. Door zijn elastische vermogen, sommige delen van de kleding die we dragen nature in nauw contact met de huid. Vele voorbeelden van slimme kleding op de markt van vandaag zijn gebaseerd op dunne, plastic displays, keyboards, en de lichtbron apparaten ingebed in textiel, het koppelen van elektronica met de mens in een modieuze manier 1. In de sport praktijk, health monitoring berust op textiele elektroden, die comfortabel alternatief voor veelgebruikte plakelektroden en metalen polsbandjes bieden. Hier, geleidende vezelsrechtstreeks geïntegreerd met elastische stoffen tot irritatie van de huid en andere ongemakken tijdens verlengd slijtage te voorkomen. Bovendien biedt textiel een aantal mogelijkheden om kromming sensoren beweging 2 vangen, om dwarskracht sensoren integreren de ontwikkeling van functionele robotic actuators 3 en zeker biosensoren integreren door de detectie van een analyt in zweet 4 integreren.
Moderne draagbare technologie is gebaseerd op koolstof gebaseerde halfgeleider materiaal elektronische apparaten te leveren met unieke eigenschappen. De "zachte" karakter van organische biedt betere mechanische eigenschappen voor interfacing met het menselijk lichaam in vergelijking met traditionele solid state. Deze mechanische compatibiliteit, gecombineerd met mechanisch flexibele substraten, maakt het gebruik van niet-vlakke vormfactoren apparaten zoals textiel. Het gebruik van organische is ook relevant in life sciences als gevolg van hun gemengde electronic en ionische geleidbaarheid 5. Daarnaast organische halfgeleidende en opto-elektronische materialen machtigen een grote verscheidenheid aan functionele toestellen met display, transistor logica en vermogenscapaciteit 6, 7, 8, 9. De voornaamste moeilijkheid bij de vervaardiging van dergelijke organische inrichtingen is de gecontroleerde depositie van functionele materialen op de niet-vlakke oppervlakken van textiel. Gebruikelijke microproductietechnieken worden voornamelijk beperkt door de onverenigbaarheid van het depositieproces met de structurele dimensionaliteit van textiele substraten.
We beschrijven hier een eenvoudige fabricage en schaalbaar protocol waarmee de selectieve afzetting van geleidende polymeren op gestructureerde textiel. De voorgestelde werkwijze maakt de vervaardiging van draagbare en conforme elektronische apparaten. De benadering is gebaseerd op het patroon van de commercially beschikbaar geleidende polymeer poly (3,4-ethyleendioxythiofeen): poly (styreen sulfonaat) (PEDOT: PSS) en een elastomeer materiaal stencil polydimethylsiloxaan (PDMS) op textiel. Deze combinatie maakt efficiënte opsluiten van de waterige PEDOT: PSS-oplossing, en voor het behoud van de zachte en rekbare eigenschappen van textiel. Deze eenvoudige en betrouwbare fabricagemethode maakt de weg vrij voor de vervaardiging van een verscheidenheid aan elektronische apparaten direct op textiel in een kostenefficiënte en industrieel schaalbaar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het patroon van geleidende materialen is een van de eerste stappen in de vervaardiging van functionele elektronische apparaten. Dit kan lastig worden, zoals het fabricageproces moet rekening worden gehouden met de chemische en fysische eigenschappen van dergelijke materialen en de processtroom moet het materiaal cross-compatibiliteit tussen de fabricagestappen overwegen. In de microfabricage van organische elektronische inrichtingen, deze twee aspecten zijn nog groter vanwege de zeer reactieve aard van organische stoffe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the BPI PIAVE AUTONOTEX grant for the financial support.
Materials
| 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-365nm |
| 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 |
References
- Poupyrev, I., et al. Project Jacquard:Interactive Digital Textiles at Scale. Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems – CHI ’16. , 4216-4227 (2016).
- Takamatsu, S., et al. Transparent conductive-polymer strain sensors for touch input sheets of flexible displays. J. Micromech. Microeng. 20, 075017 (2010).
- Patel, S., et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 9, 21 (2012).
- Bandodkar, A. J., et al. Epidermal tattoo potentiometric sodium sensors with wireless signal transduction for continuous non-invasive sweat monitoring. Biosens. Bioelectron. 54, 603-609 (2014).
- Owens, R. M., Malliaras, G. G. Organic Electronics at the Interface with Biology. MRS Bull. 35 (6), 449-456 (2010).
- Krebs, F. C., Biancardo, M., Winther-Jensen, B., Spanggard, H., Alstrup, J. Strategies for incorporation of polymer photovoltaics into garments and textiles. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 90, 1058-1067 (2006).
- Cherenack, K., Zysset, C., Kinkeldei, T., Münzenrieder, N., Tröster, G. Woven electronic fibers with sensing and display functions for smart textiles. Adv. Mater. 22, 5178-5182 (2010).
- Hamedi, M., Forchheimer, R., Inganäs, O. Towards woven logic from organic electronic fibres. Nat. Mater. 6, 357-362 (2007).
- Bao, L., Li, X. Towards Textile Energy Storage from Cotton T-Shirts. Adv. Mater. 24, 3246-3252 (2012).
- Takamatsu, S., et al. Direct patterning of organic conductors on knitted textiles for long-term electrocardiography. Sci. Rep. 5, 15003 (2015).
- Yamada, T., et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection. Nat. Nanotechnol. 6, 296-301 (2011).
- Shim, N. Y., et al. All-plastic electrochemical transistor for glucose sensing using a ferrocene mediator. Sensors. 9, 9896-9902 (2009).
- Takamatsu, S., et al. Wearable Keyboard Using Conducting Polymer Electrodes on Textiles. Adv. Mater. 28, 4485-4488 (2016).
- O’Connor, T. F., Rajan, K. M., Printz, A. D., Lipomi, D. J. Toward organic electronics with properties inspired by biological tissue. J. Mater. Chem. B. 3, 4947-4952 (2015).
- Choi, S., Lee, H., Ghaffari, R., Hyeon, T., Kim, D. Recent Advances in Flexible and Stretchable Bio-Electronic Devices Integrated with Nanomaterials. Adv. Mater. 28, 4203-4218 (2016).
- Zhang, Z., Qiu, J., Wang, S. Roll-to-roll printing of flexible thin-film organic thermoelectric devices. Manuf. Lett. 8, 6-10 (2016).
- Rim, Y. S., Bae, S. -. H., Chen, H., De Marco, N., Yang, Y. Recent Progress in Materials and Devices toward Printable and Flexible Sensors. Adv. Mater. 28, 4415-4440 (2016).
- Matsuhisa, N., et al. Printable elastic conductors with a high conductivity for electronic textile applications. Nat. Commun. 6, 7461 (2015).
- Bernards, D. a., Malliaras, G. G. Steady-State and Transient Behavior of Organic Electrochemical Transistors. Adv. Funct. Mater. 17 (17), 3538-3544 (2007).
