En enkel och skalbar tillverkningsmetod för Organic Electronic Devices på textilier
Summary
I detta papper presenterar vi ett protokoll för att selektivt deponera organiskt material på textilier, vilket möjliggör direkt integration av organiska elektroniska apparater med smarta accessoarer. De tillverkade enheter kan integreras fullt ut i textilier, med respekt för deras mekaniska utseende och möjliggör sensorfunktioner.
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
Området bärbara elektronik är en snabbt växande marknad beräknas vara värd 50 miljarder euro år 2025, mer än tre gånger den aktuella marknaden. Den främsta utmaningen för dagens bärbara enheter är att påträngande fasta elektroniska bilagor begränsa användningen av etablerade enheter i bärbara system. Använda textilier som redan finns i vardagen är en mycket attraktiv och enkel metod för att undvika denna begränsning. På grund av dess elastiska förmåga, vissa delar av kläder som vi bär är naturligt i tät kontakt med huden. Många exempel på smarta kläder som finns på marknaden idag är baserade på tunna, plast skärmar, tangentbord och ljuskälleanordningar inbäddade i textilier, som förbinder elektronik med människor i ett modernt sätt en. I sport praktiken förlitar hälsoövervakning på textilelektroder, som erbjuder bekväma alternativ till vanliga självhäftande elektroder och metallarmband. Här, ledande fibrer ärdirekt integrerat med stretchmaterial för att förhindra hudirritation och andra obehag under förlängd användning. Dessutom, textilier erbjuder ett antal möjligheter att integrera krökning sensorer för att fånga rörelse 2, för att integrera skjuvning sensorer för utveckling av funktionella robot manöverdon 3, och säkerligen att integrera biosensorer genom detektering av en analyt i svett 4.
Modern bärbar teknik bygger på kolbaserade halvledarmaterial som levererar elektroniska apparater med unika egenskaper. Den "mjuka" karaktär organics erbjuder bättre mekaniska egenskaper för att bilda gränssnitt med den mänskliga kroppen jämfört med traditionella halvledarelektroniken. Denna mekaniska kompatibilitet, parat med mekaniskt flexibla substrat, möjliggör användning av icke-plana formfaktorer i enheter såsom textilier. Användningen av organiska är också relevant i biovetenskap på grund av deras blandade electronic och jonledningsförmåga 5. Dessutom organiskt halvledande och optoelektroniska material ge ett stort antal funktionella enheter med display, transistor, logik, och kraftkapacitet 6, 7, 8, 9. Den största svårigheten vid tillverkning av sådana organiska enheter är kontrollerad avsättning av funktionella material på icke plana ytor av textilier. Konventionella mikrotillverkningstekniker främst begränsas av oförenlighet avsättningsförfarandet med den strukturella dimension av textilsubstrat.
Här beskriver vi en enkel och skalbar tillverkningsprotokoll som möjliggör selektiv avsättning av ledande polymerer på strukturerade textilier. De presenterade processen möjliggör tillverkning av bärbara och konform elektroniska apparater. Det tillvägagångssätt är baserat på mönstringen av commercially tillgängliga ledande polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrensulfonat) (PEDOT: PSS) och en elastomer stencil material polydimetylsiloxan (PDMS) på textil. Denna kombination gör det möjligt att effektivt inneslutning av vatten PEDOT: PSS lösning, liksom för bibehållandet av de mjuka och sträck egenskaper textilier. Denna enkla och pålitliga tillverkningsmetod banar väg för tillverkning av en mängd olika elektroniska apparater direkt på textilier i ett kostnadseffektivt och industriellt skalbart sätt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mönstringen av ledande material är ett av de första stegen i tillverkningen av funktionella elektroniska apparater. Detta kan bli utmanande, eftersom tillverkningsprocessen måste ta hänsyn till de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos sådana material, och processflödet måste överväga materialet tvär kompatibilitet mellan de tillverkningssteg. I mikro organiska elektroniska apparater, dessa två aspekter är ännu större på grund av den mycket reaktiva karaktär organiska ämnen. Men i dag, organiska mate…
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).
