Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien
Summary
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll selektiv organische Materialien auf Textilien zu deponieren, die für die direkte Integration von organischen elektronischen Vorrichtungen mit Wearables erlaubt. Die hergestellten Geräte können vollständig in Textilien integriert werden, deren mechanische Erscheinungsbild zu respektieren und ermöglicht Sensorfunktionen.
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
Das Gebiet der Wearable Electronics ist ein schnell wachsender Markt erwartet im Jahr 2025 im Wert von 50 Milliarden Euro sein, mehr als das Dreifache des aktuellen Markt. Die größte Herausforderung aktuelle tragbare Geräte zugewandt ist, dass aufdringliche solide elektronische Anlagen, die Nutzung etablierter Geräte in tragbaren Systemen begrenzen. Mit Textilien, die bereits im Alltag ist ein sehr attraktiver und einfacher Ansatz, diese Einschränkung zu vermeiden. Aufgrund ihrer elastischen Fähigkeit, einige Teile der Kleidung, die wir sind von Natur aus mit der Haut in engen Kontakt tragen. Viele Beispiele für intelligente Kleidung auf dem Markt basieren heute auf dünnen, Kunststoff – Displays, Tastaturen und Lichtquellenvorrichtungen in Textilien eingebettet und verbindet Elektronik mit Menschen in einem modischen Weg 1. In der Sportpraxis setzt die Gesundheitsüberwachung auf Textil-Elektroden, die eine bequeme Alternativen bieten zu Klebeelektroden und Metall-Armbänder verwendet. Hier leitfähige Fasern sinddirekt integriert mit dehnbare Stoffe Hautreizungen und andere Beschwerden bei längerer Verschleiß zu vermeiden. Zusätzlich bieten Textilien eine Reihe von Möglichkeiten Krümmungssensoren zur Erfassung der Bewegung 2 zu integrieren , Schersensoren für die Entwicklung von funktionellen Roboter Aktuatoren 3, zu integrieren und sicher 4 Biosensoren durch den Nachweis eines Analyten im Schweiß zu integrieren.
Moderne tragbare Technologie beruht auf Kohlenstoff basierenden Halbleitermaterialien, die elektronische Geräte mit einzigartigen Eigenschaften zu liefern. Die "weichen" Art von organischen Stoffen bietet bessere mechanische Eigenschaften für den menschlichen Körper im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperelektronik Schnittstelle. Diese mechanische Kompatibilität, gepaart mit mechanisch flexiblen Substraten, ermöglicht die Verwendung von nicht-ebenen Formfaktoren in Geräten wie Textilien. Die Verwendung von organischen Stoffen ist auch relevant in Life Sciences aufgrund ihrer gemischten electronic und Ionenleitfähigkeit 5. Außerdem ermächtigen organischen Halbleiter- und optoelektronischen Materialien eine Vielzahl von Funktionsgeräte mit Display, Transistor, Logik und Leistungsfähigkeiten 6, 7, 8, 9. Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von solchen organischen Vorrichtungen ist die kontrollierte Abscheidung von Funktionsmaterialien auf die nicht ebenen Oberflächen von Textilien. Herkömmliche Mikrofabrikationstechniken werden durch die Unverträglichkeit des Abscheidungsprozesses mit der strukturellen Dimensionalität von textilen Substraten in erster Linie beschränkt.
Hier beschreiben wir eine einfache und skalierbare Herstellungsprotokoll, das auf strukturierte Textilien aus leitfähigen Polymeren für die selektive Abscheidung ermöglicht. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht die Herstellung von tragbaren und konforme elektronische Geräte. Der Ansatz basiert auf der Strukturierung der commercially verfügbar leitende Polymer Poly (3,4-ethylendioxythiophen): Poly (styrolsulfonat) (PEDOT: PSS) und ein elastomeres Schablonenmaterial Polydimethylsiloxan (PDMS) auf Textil. Diese Kombination ermöglicht die effiziente Begrenzung der wässrigen PEDOT: PSS-Lösung sowie für die Beibehaltung der Weich und dehnbaren Eigenschaften von Textilien. Dieses einfache und zuverlässige Herstellungsmethode bereitet den Weg für die Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Geräten direkt auf Textilien in einer kosteneffizienten und industriell skalierbar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Strukturierung der leitfähigen Materialien ist einer der ersten Schritte bei der Herstellung von funktionellen elektronischen Geräten. Dies kann schwierig werden, da der Herstellungsprozess Berücksichtigung der chemischen und physikalischen Eigenschaften solcher Materialien zu nehmen braucht, und der Prozessablauf braucht die Materialquer Kompatibilität zwischen den Herstellungsschritten zu berücksichtigen. In dem Mikrofabrikations von organischen elektronischen Vorrichtungen sind diese beiden Aspekte noch deut…
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).
