Name: a simple and scalable fabrication method for organic electronic devices on textiles
Uploaded: 2017-03-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
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The authors would like to acknowledge the BPI PIAVE AUTONOTEX grant for the financial support.

1. Patterning Leitfähige Polymere auf Textilien <ol><li> Fix eine 10 cm x 10 cm Textilfolie auf einer ebenen Oberfläche für eine einfache Handhabung während des Prozesses. Für die Textil-, verwenden, um eine 100% Interlock-Strickpolyestergewebe mit einer Dicke von 300 &amp; mgr; m und einer Strickrichtung Stretch-Fähigkeit bis zu 50%. </li><li> Um eine Maske mit dem Musterentwurf machen, verwenden Sie eine 125 um dicke Polyimid-Folie; Ein Beispiel des Musters ist in Figur 1 veranschaulicht. <ol><li> Verwenden Sie einen Laserschneider (zB Protolaser S, LPKF) zum Muster der Polyimid - Maske 10; die Musterauslegung einer Elektrode ist in Abbildung 1 veranschaulicht. </li><li> Bestreichen Sie die PDMS-Formulierung (10: 1 Base Agent Verhältnis Härtung) auf der Oberseite der Maske (Polyimid-Folie) mit einem automatischen Bandgusswerkzeug (K Steuerdruck-Beschichtungsvorrichtung, Rakel) mit einer Nassfilmdicke von 200 &amp; mgr; m und bei einer 6 m / min Beschichtungsgeschwindigkeit. Verwenden etwa 0,5 ml für eine Maske von 3 cm x 5 cm. Führen Sie thist unter dem Abzug Prozess. </li></ol></li><li> übertragen Sie den Stoff vorsichtig an die PDMS-beschichteten Maske. Lassen Sie für 10 Minuten, danach sollten die PDMS vollständig in der Textilstruktur aufgenommen werden. </li><li> Härten der Probe in einem Luftofen bei 100 ° C für 10 min. </li><li> Vorbereiten des leitenden Polymers: PEDOT: PSS-Dispersion (80 ml), Ethylenglykol (20 ml), 4-Dodecylbenzolsulfonsäure (40 ul) und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (1 ml) in der Abzugshaube. </li><li> Bürstenbeschichtung der PEDOT: PSS-Lösung auf dem PDMS-freien Bereich des Textils, bis ein homogenes Eindringen der Lösung erhalten wird. Wiederholen Sie diesen Schritt ein einheitliches Muster Farbe zu erzielen. Gelten etwa 1 ml / cm 2. </li><li> Härten des Gewebes bei 110 ° C für 1 h, um die PEDOT trocknen: PSS-Lösung. Reduzieren Sie die Temperatur auf 60 ° C für Textilien, die auf eine Behandlung mit hoher Temperatur empfindlich sind, wie Nylon. </li></ol> 2. Organische Bauelementherstellung HINWEIS: Das Protokoll in Abschnitt 1 describes die selektive Abscheidung von Materialien auf Textilien durch. In den folgenden Abschnitten werden die zusätzlichen Schritte beschreiben benötigten organischen Vorrichtungen herzustellen, wie Dehnungssensoren, OECT Transistoren, Hautelektroden und kapazitive Sensoren. <ol><li> Um Dehnungssensoren, gezeigt in 3a, Muster , welches die Elektrodenleitungen auf dem Textil herzustellen, wie in Abschnitt 1 beschrieben, werden die Schritte 1,1-1,5. HINWEIS: Ein Beispiel für die Musterauslegung ist in 3a gezeigt. Die Herstellung solcher Sensoren erfordert keine zusätzlichen Schritte. </li><li> Um den Aufbau des Transistors herzustellen in 3b gezeigt, Muster der Transistor - Arrays auf einem Nylon Webband nach den in Abschnitt beschriebenen Schritte 1. Ändern Sie leicht die PDMS - Glüh- und PEDOT: PSS Schritte Härten des thermischen Abbau von Nylon zu vermeiden , indem bei 60 ° Härtung C für eine längere Zeit. </li><li> Für die Herstellung von Hautelektroden, in 3c gezeigt ist , abzuscheiden einionischen Gel auf der gemusterten PEDOT: PSS Textilien. <ol><li> Bereiten einer ionischen Flüssigkeit Gelgemisch enthält die ionische Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-Ethylsulfat; das Vernetzungsmittel, Poly (ethylenglykol) diacrylat; und der Photoinitiator, 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon mit einer (v / v) Verhältnis von 0,6 / 0,35 / 0,05. </li><li> Bestreichen Sie die PEDOT: PSS - Elektrode mit ionischen Flüssigkeit (20 &amp; mgr; l / cm 2) und fügen Sie die ionische Flüssigkeit Gel Mischung aus Schritt 2.3.1 (25 &amp; mgr; l / cm 2) für Tropfen Gießen. </li><li> Expose mit UV-Licht (365 nm), um eine Vernetzungsreaktion für 10-15 min zu initiieren, bis das Gel erstarrt. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube. Verwenden Sie einen UV-Schutzkorb bei UV-Exposition. </li></ol></li><li> Für kapazitive Sensorherstellungs Verwenden PEDOT: PSS textile Elektroden mit einem isolierenden Material (Abbildung 3d) isoliert. <ol><li> Isolieren Sie die Tastatur-wie PEDOT: PSS-Elektroden die PDMS; die Tastatur - Design kann in 2b zu sehen &lt;/ Strong&gt;. Dispense die PDMS-Formulierung auf der Oberseite des Gewebes und entfernen Sie den Überschuss mit einem Rakel. </li><li> Platzieren Sie den Stoff in einem Ofen bei 100 ° C für 10 min. Führen Sie diesen Schritt in der Abzugshaube. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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 deutlicher aufgrund der hoch reaktiven Natur von organischen Stoffen. Heute jedoch sind organische Materialien sehr attraktiv für tragbare und flexible Elektronik für ihre elektro elastischen Eigenschaften 14, 15. Die Übertragung solcher Technologien auf Textilien voll integrierte elektronische Wearables zu erhalten, wird durch ihre dreidimensionale Strukturen beschränkt. Herkömmliche Techniken in Mikro verwendet werden, um Tintenstrahl- oder Siebdruck von leitenden Tinten beschränkt nur auf dünnen substrAtes und Textilien 16, 17, 18. Traditionelle Sticktechnik, wo eine einzelne Faser in das Textil genäht ist, fehlt noch die industrielle Produktion Skalierbarkeit. Der kritischste Aspekt bei der Strukturierung von organischen Materialien ist Ablagerung ohne die elektrischen Eigenschaften zu stören. Die Strukturierungstechnik in Figur 1 beschrieben beruht auf der direkten Abscheidung von organischen Stoffen , ohne Notwendigkeit Spezifikationen der Abscheidungstechnik oder dem Werkzeug zu erfüllen. Die organischen Materialien werden nach bestem ihrer Leistungen formuliert und können dann direkt auf der gewählten Gewebestruktur hinterlegt. Die Nützlichkeit von PDMS ist der Schlüssel zur Mustermaterialien aus Lösung auf Textilien. Die Anwendung von Materialien aus der niedrigviskosen Lösung leitet, anstatt pastöse Druckfarben ermöglicht eine konforme Beschichtung und tiefe in Textilstruktur. Jedoch schränkt sie die selective Abscheidung und führt zum Verlust der Strukturierungsauflösung. Wir haben diese Einschränkung zu überwinden, indem ein negatives Muster aus PDMS Schaffung der nicht kontrollierten leitende Lösung Eindringen in das Gewebe zu begrenzen. Die strategische Wahl des PDMS basiert auf ihrer viskoelastischen Eigenschaften, die das textile Streckbarkeit und Flexibilität aufrechtzuerhalten. Das PDMS ist auch hydrophob und ermöglicht die Steuerung der Ausbreitung der PEDOT: PSS Lösung auf Wasserbasis bei der Strukturierung. Wir beobachteten, dass die leitfähigen Muster unter Verwendung dieses Protokolls hergestellt zeigten eine gute elektrische Leitfähigkeit und Stabilität bei der mechanischen Deformationen. Diese Methode ermöglicht es, die Zukunft die Anpassung von vorhandenen Kleidungsstücke mit intelligenten Komponenten, die elektronische Fähigkeiten haben. Allerdings ist einer der kritischen und in einigen Fällen Punkte des vorgeschlagenen Konzepts zu begrenzen ist noch organisches Material Haltbarkeit in tragbaren Bedingungen. Einige Aspekte, wie beispielsweise mechanische Beanspruchbarkeit und das Verhalten nach dem Waschen einnd Trocknen von organischen leitenden Textilien, sind noch unbekannt. Die große Mehrheit der Wearable Electronics setzen auf dehnbare Geräte, in denen federartige Strukturen geschaffen werden, um die elektrische Verbindung während der Geräte Verformung zu halten. In Abhängigkeit von der Textilart, werden die Fasern in Gestricke in einem hufeisen Design montiert, mechanische Dehnbarkeit der Struktur bereitgestellt wird. Die Beschichtung , die Textilien mit leitfähigen Materialien ermöglicht einzelnen Fasern als Stamm und Bewegungssensoren in intelligente Kleidung zu handeln, wie in 3a gezeigt. Außerdem können komplexere Vorrichtungsgeometrien leicht strukturiert werden, nicht nur auf knit, sondern auch auf Gewebe. In 3b stellen wir eine Reihe von OECTs mit variabler Geometrie. Bei herkömmlichen Photolithographie ist die gleichzeitige Herstellung von großen und kleinen Features fast unmöglich, ohne dass mehrere Schritte zu erreichen. Wir zeigen, dass unsere Strukturierungstechnik der Lage ist, produce Muster mit einer Auflösung, die von 0,5 mm bis etwa hundert mal größer variiert. Solche Transistoren in tragbaren Schweiß Erkundung mit einem einstellbaren Zeitverhalten und Erfassungsauflösung werden kann 19 direkt verwendet. Wir haben gezeigt , dass PDMS auch die fortlaufende Abscheidung von zusätzlichen Funktionsschichten in einer selektiven Art und Weise ermöglicht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Geräte können dann in Textilien und werden voll integriert auf tragbare Systeme integriert werden. Das Verfahren in Figur 2a zeigt die Herstellung eines kutanen textile Elektrode, wobei der Kontakt zwischen der Elektrode und der Haut mit einer ionischen Flüssigkeit Gel erhöht wird. Tragbarer Elektroden in kutanen Elektro leiden an Bewegungsartefakte durch die elektrischen Kontaktverschlechterung zwischen dem Träger und Elektroden während der Aufnahmen verursacht. Die Möglichkeit, ionische Gele zur Integration auf textilen Elektroden öffnet einen effizienten Kommunikationskanal mit demmenschlichen Körper, die in tragbare Gesundheitseinrichtungen erwünscht ist. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung kann in 3c zu sehen. Die fortlaufende Abscheidung von anderen aktiven Materialien können in Vorrichtungen führen eine Stapelgeometrie, wie beispielsweise organische Batterien, Kondensatoren, Solarzellen, Transistoren oder Sensoren. Figur 2b zeigt die Abscheidungs Route der isolierenden oder dielektrischen Materialien. Tragbares organische Tastatur (Abbildung 3d) kann mit diesem Verfahren hergestellt werden, wobei das PDMS verwendet wird , eine dielektrische Schicht auf der Elektrode zu erzeugen. Eine solche Vorrichtung ist in der Lage kapazitive Änderungs-Erfassungs zwischen der Elektrode und einem Finger, der potentiell interessanten Anwendungen in tragbaren Rechen haben und Mensch-Maschine-Schnittstellen.

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 &quot;weichen&quot; 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.

<table><tbody><tr><td>SYLGARD 184, Silicone elastomer kit (Base and Curing agent)</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS elastomer</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;The conducting polymer formulation&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>CleviosTM PH 1000 PEDOT:PSS</td><td>Heraeus</td><td></td><td>Conductive polymer</td></tr><tr><td>Ethylene glycol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>03750-250ML</td><td>Solvent (EG), CAS: 107-21-1</td></tr><tr><td>3-methacryloxypropyltrimethoxysilane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6514</td><td>Cros linker (GOPs), CAS: 2530-85-0</td></tr><tr><td>4-dodecylbenzenesulfonic acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44198</td><td>DBSA; CAS: 121-65-3</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;The ionic liquid gel&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>UV lamp DFE 2340</td><td>C.I.F/ ATHELEC</td><td>DP134</td><td>UV-365 nm</td></tr><tr><td>1-Ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51682-100G-F</td><td>Ionic Liquid (IL), CAS: 342573-75-5</td></tr><tr><td>Poly(ethylene glycol) diacrylate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>455008-100ML</td><td>Mn 700, CAS: 26570-48-9</td></tr><tr><td>2-Hydroxy-2-methylpropiophenon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>405655-50ML</td><td>Phot Initiator (PI), CAS: 7473-98-5</td></tr><tr><td>The textile fabric</td><td>VWR</td><td>Spec-Wipe 7 Wipers</td><td>100% interlock knit polyester fabric</td></tr><tr><td>The polyimide film</td><td>DuPont</td><td>HN100</td><td>Polyimide film with 125 &amp;micro;m thickness</td></tr></tbody></table>

a simple and scalable fabrication method for organic electronic devices on textiles

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.

Traditionelle Methoden für Farben oder Muster auf Textilien setzen auf entfernbaren Maskierungsschichten zu ermöglichen, die selektive Abscheidung von Farbstoffen anwenden. In 1 zeigen wir die Anpassung eines solchen Ansatzes zur Strukturierung von PEDOT: PSS Elektroden auf Textilien. Als Maskierungsschicht verwendeten wir hydrophobem Polydimethylsiloxan, das die nicht-steuerbaren Diffusion des wässrigen PEDOT zurückhalten kann: PSS-Lösung. Darüber hinaus kann die Weichheit und Dehnbarkeit von gewirkten und gewebten Textilien durch die elastischen und mechanischen Eigenschaften der PDMS erhalten bleiben. In 1 beginnt der Prozeß mit der Herstellung des Strukturierungs Master aus Polyimidfolie (Schritt 1). Das Design des Musters outline wird auf den Film mit einem Laser geschnitten. Mit Hilfe eines Bandgusswerkzeug wird das PDMS auf diesem Master angelegt (Schritt 2), und das Textil platziert oben drauf (Schritt 3). T<html> er PDMS wird dann diffundiert allmählich in die textile (Schritt 4). Um diese Übertragung zu stoppen, ein kurzer thermischer Glühprozess erforderlich, um die PDMS zu heilen. Die Viskosität und Dicke der PDMS kann durch Verwendung unterschiedlicher Mengen der Härtungsmittel und Beschichtungsparameter eingestellt werden, bzw. die Diffusion zu steuern und die einwandfreie Replikation des Master Design sicherzustellen. Schließlich ist die leitende Lösung Pinsel bemalt auf dem ungeschützten Textil- und gebacken, um zu trocknen (Schritt 5). Das Polyimid-Master wird dann von der textilen Oberfläche delaminiert. Die Ergebnisse des Herstellungsflusses sind in Figur 1 auf der rechten Seite veranschaulicht. In diesem Fall wurde erfolgreich Strukturierung auf Polyestergewirke platziert. Die Strukturierungsauflösung auf einer solchen Textil größer ist als 1 mm. Jedoch können niedrigere Auflösung auch auf engmaschiges oder gewebten Textilien erzielt werden. Unter Verwendung dieser Abscheidungstechnik, die geschätzte Flächenwiderstand der leitenden Textil liegt nahe 230 Ω / sq. _content &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; Beispiele für funktionale elektronische Geräte auf stricken und gewebte Textilien werden mit PEDOT erfolgreich hergestellt in 3a und b gezeigt. PSS Elektroden auf stricken Textilien Die natürliche hufeisen Anordnung die Fasern in gestricktem Gewebe bietet einstellbare Dehnbarkeit Stoffe. Dieses federartige Fähigkeit Strickstrukturen in hochempfindlichen Dehnungssensoren 11 führen kann. eine einfache Verformung in der Textilstruktur wird durch eine Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund der Verdrehung der leitenden reflektierten Fasern in den Fäden. Zusätzlich wird durch die Vorteile der Hygroskopizität der Textilien wobei die Anordnung von Elektroden in 3b auf Textilien gemustert wurde, um planar - Transistoren mit rechteckigen Kanälen und verschiedenen Gatebreiten bilden, die in tragbaren Schweiß Messung verwendet werden kann. eine solche geometrische Konfiguration wird in der organischen elektrochemischen transisto verwendetrs (OECT) zum Erfassen , welcher Kanal und Gate durch eine Probe eines Analyten , 12 verbunden sind. Die dargestellte Strukturierungstechnik kann erweitert werden, um komplexe organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien herzustellen. Da die PDMS Schablone in der Textil nach dem Strukturierungsprozess verbleibt, kann zusätzliche Schichten auf PEDOT strukturiert werden: PSS-beschichteten Textilien durch. In Figur 2 stellen wir das Verfahren , bei dem eine ionische Flüssigkeit - Gel - Lösung (2a) und der PDMS - Formulierung (2b) , um die Oberfläche eines PEDOT zu funktionalisieren oder zu isolieren angewendet wurden: jeweils PSS Elektrode. Ionische Gele werden in Hautelektroden weitgehend verwendet. Die Inkorporation eines ionischen Gels Textilien in leitenden wurde verwendet , um 10 tragbare textile Elektroden für elektrophysiologische Überwachung herzustellen und ist in Figur 3c veranschaulicht. Kapazitive Sensoren wurden gemacht by Isolierung der Textilelektrodenoberfläche mit PDMS. Eine Veränderung in der Kapazität detektiert wurde, wenn die Elektrode berührt wurde. Eine solche wurde ein berührungsempfindliches Gerät als eine organische elektronische textile Tastatur 13, in 3d gezeigt herzustellen verwendet. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig1.jpg" /> Abbildung 1. Prozess fließen , um die Strukturierung der Darstellung Polymere auf Textilien durch. Prozessablauf veranschaulicht die Strukturierung von Polymeren auf Textilien durch. Schritt 1: Maske Vorbereitung; Schritt 2: PDMS Abscheidung auf der Maske Polyimid Strukturieren der Umriß des gewünschten Design definieren; Schritt 3: Übertragung der Maskierungsschicht durch die Anordnung des Textils auf dem PDMS beschichteten Maske; Schritt 4: Übertragung der PDMS in die Masse des Textil, Schritt 5: Abscheidung von Polymerlösung auf ungeschützte textile leiten. Die Bilder auf der rechten Seite zeigen die resuLTS der wichtigsten Schritte des Prozessablaufs. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig2.jpg" /> Abbildung 2. Zwei Beispiele für die Herstellung organischer Bauelemente. Zwei Beispiele für die Herstellung organischer Vorrichtungen. a) Ionic Liquid - Gel - Beschichtung auf der PEDOT: PSS Textilelektrode für die kutane Erkundung. b) Isolationsschichtabscheidung auf dem PEDOT: PSS textile Elektrode für Touch - Sensoren. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55439/55439fig3.jpg" /> Abbildung 3. Fotografien von organischen elektronischen Textile-Geräte. a) PEDOT: PSS - Elektroden für Dehnungsmessung. b) Array von OECT Transistoren für tragbare Biosensoren. c) Kreis PEDOT: PSS - Elektrode mit einer ionischen Flüssigkeit Gel beschichtet für die kutane Elektrophysiologie. d) Organische Touch - Sensoren für eine tragbare Tastatur. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55439/55439fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

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.

Eine einfache und skalierbare Herstellungsverfahren für organische elektronische Vorrichtungen auf Textilien

Today, wearable electronics devices combine a large variety of functional, stretchable, and flexible technologies. However, in many cases, these devices ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.4K Aufrufe.  Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, CMP-EMSE, MOC.  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. 

Serie: A Simple and Scalable Fabrication Method for Organic Electronic Devices on Textiles

Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a stable interface that permits efficient electron transport and protects underlying substrates from oxidative degradation. Group IV semiconductors can be effectively protected with highly-ordered self-assembled monolayers (SAMs) composed of simple alkyl chains that act as impervious barriers to both organic and aqueous solutions. Simple alkyl SAMs, however, are inert and not amenable to traditional patterning techniques. The motivation for immobilizing organic molecular systems on semiconductors is to impart new functionality to the surface that can provide optical, electronic, and mechanical function, as well as chemical and biological activity. 
Microcontact printing (&mu;CP) is a soft-lithographic technique for patterning SAMs on myriad surfaces.1-9 Despite its simplicity and versatility, the approach has been largely limited to noble metal surfaces and has not been well developed for pattern transfer to technologically important substrates such as oxide-free silicon and germanium. Furthermore, because this technique relies on the ink diffusion to transfer pattern from the elastomer to substrate, the resolution of such traditional printing is essentially limited to near 1 &mu;m.10-16
In contrast to traditional printing, inkless &mu;CP patterning relies on a specific reaction between a surface-immobilized substrate and a stamp-bound catalyst. Because the technique does not rely on diffusive SAM formation, it significantly expands the diversity of patternable surfaces. In addition, the inkless technique obviates the feature size limitations imposed by molecular diffusion, facilitating replication of very small (&lt;200 nm) features.17-23 However, up till now, inkless &mu;CP has been mainly used for patterning relatively disordered molecular systems, which do not protect underlying surfaces from degradation.
Here, we report a simple, reliable high-throughput method for patterning passivated silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate selective functionalization of the patterned substrates with both small molecules and proteins. The technique utilizes a preformed NHS-reactive bilayered system on oxide-free silicon and germanium. The NHS moiety is hydrolyzed in a pattern-specific manner with a sulfonic acid-modified acrylate stamp to produce chemically distinct patterns of NHS-activated and free carboxylic acids. A significant limitation to the resolution of many &mu;CP techniques is the use of PDMS material which lacks the mechanical rigidity necessary for high fidelity transfer. To alleviate this limitation we utilized a polyurethane acrylate polymer, a relatively rigid material that can be easily functionalized with different organic moieties. Our patterning approach completely protects both silicon and germanium from chemical oxidation, provides precise control over the shape and size of the patterned features, and gives ready access to chemically discriminated patterns that can be further functionalized with both organic and biological molecules. The approach is general and applicable to other technologically-relevant surfaces.

Here we describe a simple method for patterning oxide-free silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate functionalization of the patterned substrates with small molecules and proteins. The approach completely protects surfaces from chemical oxidation, provides precise control over feature morphology, and provides ready access to chemically discriminated patterns.

Soft-Lithographie Funktionalisierung und Strukturierung Oxydfreie Silizium und Germanium

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a ...

Forschung

Biotechnik

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films. Typically, ultrathin films are prepared using either sacrificial layers, which may damage the film or affect its mechanical properties, or they are made on freshly cleaved mica, a substrate that is difficult to scale. Further, the size of ultrathin film is typically limited to a few square millimeters. In this method, we modify a surface with a polyelectrolyte that alters the strength of adhesion between polymer and deposition substrate. The polyelectrolyte can be shown to remain on the wafer using spectroscopy, and a treated wafer can be used to produce multiple films, indicating that at best minimal amounts of the polyelectrolyte are added to the film. The process has thus far been shown to be limited in scalability only by the size of the coating equipment, and is expected to be readily scalable to industrial processes. In this study, the protocol for making the solutions, preparing the deposition surface, and producing the films is described.

We describe a method for the fabrication of large-area (up to 13 cm diameter) and ultrathin (as thin as 8 nm) polymer films. Instead of using a sacrificial interlayer to delaminate the film from its substrate, we use a self-limiting surface treatment suitable for arbitrarily large areas.

Herstellung von großflächigen Freistehende ultradünne Polymerfilme

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

Chemie

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabrication der Chip-Größe Gerüste für die dreidimensionale Kultivierung der Zellen

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biologie

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Ingenieurwesen

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Skalierbare, lösungsverarbeitete Fertigungsstrategie für leistungsstarke, flexible, transparente Elektroden mit eingebettetem Metallgewebe

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. Conductive polymers, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), and a semiconducting polymer, poly(thieno[3,2-b]thiophene) (PTT), were deposited on unconventional highly-disordered and textured substrates with high surface areas, such as paper, towels and fabrics. This reported deposition chamber is an improvement of previous vapor reactors because our system can accommodate both volatile and nonvolatile monomers, such as 3,4-propylenedioxythiophene and thieno[3,2-b]thiophene. Utilization of both solid and liquid oxidants are also demonstrated. One limitation of this method is that it lacks sophisticated in situ thickness monitors. Polymer coatings made by the commonly used solution-based coating methods, such as spin-coating and surface grafting, are often not uniform or susceptible to mechanical degradation. This reported vapor phase deposition method overcomes those drawbacks and is a strong alternative to common solution-based coating methods. Notably, polymer films coated by the reported method are uniform and conformal on rough surfaces, even at a micrometer scale. This feature allows for future application of vapor deposited polymers in electronics devices on flexible and highly textured substrates.

This paper presents a protocol for reactive vapor deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), and poly(thieno[3,2-b]thiophene) films on glass slides and rough substrates, such as textiles and paper.

Reaktiven Aufdampfen von konjugierten Polymerfilmen auf beliebigen Substraten

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. ...

Fabrication of Flexible Image Sensor Based on Lateral NIPIN Phototransistors

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, but several challenging points remain, such as a low absorption efficiency due to a thin active layer and low flexibility. We present an advanced method to fabricate a flexible phototransistor array with an improved electrical performance. The outstanding electrical performance is driven by a low dark current owing to deep impurity doping. Stretchable and flexible metal interconnectors simultaneously offer electrical and mechanical stabilities in a highly deformed state. The protocol explicitly describes the fabrication process of the phototransistor using a thin silicon membrane. By measuring I-V characteristics of the completed device in deformed states, we demonstrate that this approach improves the mechanical and electrical stabilities of the phototransistor array. We expect that this approach to a flexible phototransistor can be widely used for the applications of not only next-generation imaging systems/optoelectronics but also wearable devices such as tactile/pressure/temperature sensors and health monitors.

We present a detailed method to fabricate a deformable lateral NIPIN phototransistor array for curved image sensors. The phototransistor array with an open mesh form, which is composed of thin silicon islands and stretchable metal interconnectors, provides flexibility and stretchability. The parameter analyzer characterizes the electrical property of the fabricated phototransistor.

Herstellung von flexiblen Bildsensor basierend auf seitliche NIPIN Fototransistoren

Flexible photodetectors have been intensely studied for the use of curved image sensors, which are a crucial component in bio-inspired imaging systems, ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, three substrates (acrylate, ceramics, and copper) are prepared. To determine the resulting material properties of these substrates, profilometer, contact angle, scanning electron microscope (SEM), and focused ion beam (FIB) measurements are done. The achievable printing resolution and suitable drop volume for each substrate are, then, found through the drop size tests. Then, layers of insulating and conductive ink are inkjet printed alternately to fabricate the target sensor structures. After each printing step, the respective layers are individually treated by photonic curing. The parameters used for the curing of each layer are adapted depending on the printed ink, as well as on the surface properties of the respective substrate. To confirm the resulting conductivity and to determine the quality of the printed surface, four-point probe and profilometer measurements are done. Finally, a measurement set-up and results achieved by such an all-printed sensor system are shown to demonstrate the achievable quality.

Here we present a protocol for the fabrication of inkjet-printed multilayer sensor structures on additively manufactured substrates and foil.

Hybrid für die Herstellung von intelligenten Sensoren drucken

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Scalable Fabrication of Stretchable, Dual Channel, Microfluidic Organ Chips

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human patients. Human Organ-on-a-Chip (Organ Chip) microfluidic cell culture devices, which provide an experimental in vitro platform to assess efficacy, toxicity, and pharmacokinetic (PK) profiles in humans, may be better predictors of therapeutic efficacy and safety in the clinic compared to animal studies. These devices may be used to model the function of virtually any organ type and can be fluidically linked through common endothelium-lined microchannels to perform in vitro studies on human organ-level and whole body-level physiology without having to conduct experiments on people. These Organ Chips consist of two perfused microfluidic channels separated by a permeable elastomeric membrane with organ-specific parenchymal cells on one side and microvascular endothelium on the other, which can be cyclically stretched to provide organ-specific mechanical cues (e.g., breathing motions in lung). This protocol details the fabrication of flexible, dual channel, Organ Chips through casting of parts using 3D printed molds, enabling combination of multiple casting and post-processing steps. Porous poly (dimethyl siloxane) (PDMS) membranes are cast with micrometer sized through-holes using silicon pillar arrays under compression. Fabrication and assembly of Organ Chips involves equipment and steps that can be implemented outside of a traditional cleanroom. This protocol provides researchers with access to Organ Chip technology for in vitro organ- and body-level studies in drug discovery, safety and efficacy testing, as well as mechanistic studies of fundamental biological processes.

Here, we present a protocol that describes the fabrication of stretchable, dual channel, organ chip microfluidic cell culture devices for recapitulating organ-level functionality in vitro.

Skalierbare Fertigung von dehnbar, Dual Channel, mikrofluidischen Orgel Chips

A significant number of lead compounds fail in the pharmaceutical pipeline because animal studies often fail to predict clinical responses in human ...