Tekstil Organik Elektronik Cihazlar Basit ve Ölçeklenebilir Fabrikasyon Yöntemi
13 Mart 2017
Bu yazıda, seçici giyilebilir organik elektronik cihazların doğrudan entegrasyon sağlar tekstil organik malzemeler, mevduat bir protokol mevcut. fabrikasyon cihazlar tamamen mekanik bir görünüme saygı ve algılama yetenekleri sağlayan, tekstil entegre edilebilir.
Bu modelleme prosedürünün genel amacı, giyilebilir organik elektronik cihazların doğrudan giysi üzerine üretilmesini sağlayan organik elektroaktif malzemeleri tekstiller üzerine seçici olarak biriktirmektir. Bu yöntem, giyilebilir elektronik alanındaki önemli bir soruyu, özellikle de insan vücuduyla verimli bir şekilde etkileşim kurmak için elektroniğin giysilerle nasıl sorunsuz bir şekilde entegre edileceğini yanıtlamaya yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, tekstillerin elastik özelliğinden kaynaklanmaktadır, bu da bu tekstillerin cilt ile yakın temasta rahatça giyilmesini sağlar.
İlk önce bu yöntem hakkında bir fikir. Organik elektroniği tekstil platformuyla uygun maliyetli ve endüstri tarafından ölçeklenebilir bir şekilde birleştirmenin geleneksel olmayan bir yolunu aradığımızda. Bu teknik, günümüzün mikro fabrikasyon araçları ve ortamı için uyarladığımız eski Japon kimono boyama tekniğinden ilham aldı.
Prosedüre başlamak için, bir maske oluşturmak üzere önceden tasarlanmış bir elektrot desenini 125 mikrometre kalınlığında bir poliamid tabaka halinde kesmek için bir lazer kesici kullanın. Ardından, %50'ye kadar örgü yönü esneme özelliğine sahip 300 mikrometre kalınlığında %100 kilitli örgü polyester kumaştan bir tabaka alın ve bunu düz, taşınabilir bir yüzeye sabitleyin. Bir çeker ocakta, poliamid maskesini dakikada altı metrede 200 mikrometrelik bir ıslak film kalınlığına kadar bir polidimetilsiloksan formülasyonu ile kaplamak için otomatik bir bant döküm aleti kullanın.
Kumaşı nazikçe PDMS kaplı maskenin üzerine yerleştirin ve PDMS'nin 10 dakika boyunca tekstil yapısı tarafından emilmesine izin verin. PDMS'yi 100 santigrat derecede 10 dakika veya ısıya duyarlı kumaşlar için 60 santigrat derecede 20 dakika tavlayın. Çeker ocakta 80 mililitre PEDOT:PSS dispersiyonu, 20 mililitre etilen glikol, 40 mikrolitre 4-dodesilbenzensülfonik asit ve bir mililitre 3-propilmetakrilatı karıştırın.
Daha sonra karışımı manyetik bir karıştırıcı üzerinde karıştırmak için yerleştirin. PEDOT: PSS karışımını, elektrot deseni santimetre kare başına yaklaşık bir mililitre karışımla kaplanana ve renk olarak tek tip görünene kadar maskelenmiş kumaşın üzerine fırçayla kaplayın. PEDOT: PSS'nin fırça kaplama adımı kritik adımdır.
Desenin tabaka direncinin yaklaşık 230 ohm kare olması gerekir. Poliamid maskesini çıkarın, ardından elektrot modelini bir saat boyunca 110 santigrat derecede veya ısıya duyarlı kumaşlar için iki saat boyunca 60 santigrat derecede sertleştirin. Tekstillerde PEDOT: PSS elektrotlarından kutanöz elektrotlar üretmek için önce hacimce %60 iyonik sıvı, %35 çapraz bağlama maddesi ve %5 foto başlatıcıdan oluşan bir jel karışımı hazırlayın.
Bir davlumbazda, elektrotları iyonik sıvının santimetre karesi başına 20 mikrolitre ile kaplayın ve ardından damla döküm ile jel karışımının santimetre karesi başına 25 mikrolitre ekleyin. Jeli katılaştırmak ve kutanöz elektrotları oluşturmak için kaplanmış elektrotları 10 ila 15 dakika boyunca 365 nanometre UV ışığına maruz bırakın. Tekstiller üzerinde PEDOT: PSS elektrotlarından kapasitif sensörler üretmek için, bir davlumbazda, kumaşa 10'a bir PDMS formülasyonu uygulayın.
Fazlalığı gidermek için PDMS formülasyonunu elektrotlar üzerine eşit şekilde yaymak için bir silecek kullanın. Kapasitif sensörleri oluşturmak için PDMS'nin yalıtım katmanını, kumaşın ısı toleransına bağlı olarak en az 10 dakika boyunca 100 santigrat dereceye kadar tavlayın. Bu yöntem kullanılarak, PEDOT:PSS elektrotları örme ve dokuma tekstiller üzerine desenlendi.
Örme polyesterin desenleme çözünürlüğü bir milimetreden daha büyüktür. Sıkı örülmüş veya dokunmuş tekstillerde daha dar çözünürlükler elde edilebilir. Örme tekstiller üzerine desenli elektrotlar, başka bir değişiklik gerektirmeden esneme sensörleri olarak işlev görür.
Kumaş gerildiğinde, iletken liflerin bükülmesi dirençte bir değişikliğe neden olur. Organik bir elektrokimyasal transistör dizisi, giyilebilir bir ter sensörü olan dokuma bir naylon şerit üzerine modellendi ve ayrıca başka bir değişiklik yapılmadı. Jel içine iyonik bir sıvının eklenmesi, elektrotların elektro-fizyolojik izleme için giyilebilir kutanöz elektrotlar olarak işlev görmesine izin verdi.
Alternatif olarak, yalıtkan bir PDMS katmanının eklenmesi kapasitör sensörleri oluşturdu. Elektrotlara dokunmak, giyilebilir bir klavyenin üretilmesine izin veren bir kapasitans değişikliğine neden olur. Sıkı oturan tekstillerin organik ve yumuşak elektrotlarla kombinasyonu, geleneksel katı hal elektronik cihazla karşılaştırıldığında insan vücudu ile gelişmiş bir iletişim kanalı sunar.
Bu yöntem, mevcut giysilerin akıllı elektronik cihazlarla gelecekte özelleştirilmesine olanak tanır. Bununla birlikte, bu teknolojinin kritik ve bazı durumlarda sınırlayıcı noktalarından biri, malzemelerin, organik malzemelerin dayanıklılığı ve giyilebilir koşullarıdır.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, organik elektroaktif malzemelerin tekstiller üzerine seçici bir şekilde biriktirilmesi için yeni bir protokol sunarak, giyilebilir organik elektronik cihazların doğrudan kıyafetlere entegre edilmesini kolaylaştırmaktadır. Bu yöntem, konforu ve mekanik bütünlüğü korurken, elektronikler ile insan vücudu arasındaki etkileşimi artırmaktadır.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Giyilebilir elektronikler
- Organik elektronikler
- Tekstil mühendisliği
Arka Plan
- Elektroniğin tekstillerle entegrasyonu, giyilebilir teknolojide temel bir zorluktur.
- Geleneksel yöntemler genellikle giysilerin konforundan ve estetiğinden ödün verir.
- Bu teknik, tarihsel tekstil uygulamalarından ilham almaktadır.
- Giyilebilir cihazlar için maliyet etkin ve ölçeklenebilir bir çözüm oluşturmayı amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Organik elektroniklerin tekstillere sorunsuz entegrasyonu için bir yöntem geliştirmek.
- Gömülü algılama yetenekleri aracılığıyla giysilerin işlevselliğini artırmak.
- Elektroniği tekstillerle birleştirmek için geleneksel olmayan bir yaklaşımı araştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Geleneksel kimono boyama tekniklerinin modern mikro-fabrikasyon için uyarlanması.
- Tekstil altlıklar üzerine organik malzemelerin seçici bir şekilde biriktirilmesi.
- Entegre tekstillerin mekanik özelliklerinin değerlendirilmesi.
- Final ürünlerin konfor ve giyilebilirlik özelliklerinin test edilmesi.
Temel Sonuçlar
- Organik elektronik cihazların tekstillere başarılı şekilde entegrasyonu.
- Tekstillerin mekanik görünümünün ve konforunun korunması.
- Giyilebilir uygulamalarda yeni algılama yeteneklerinin etkinleştirilmesi.
- Yöntemin ölçeklenebilirliğinin ve maliyet etkinliğinin kanıtlanması.
Sonuçlar
- Bu yöntem, giyilebilir elektronikte önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir.
- Tekstille entegre cihazlar konusundaki gelecekteki araştırmalar için bir çerçeve sunmaktadır.
- Bu yaklaşım, teknoloji ile insan vücudu arasında daha verimli etkileşimlerin kurulmasını sağlayabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Endüstriyel Uygunluk
Bu yöntem, organik elektroniklerin tekstil ürünlerine ölçeklenebilir entegrasyonunu sağlayarak, giyilebilir cihaz geliştirilmesindeki temel bir sorunu ele almaktadır: konfordan veya mekanik özelliklerden ödün vermeden sorunsuz elektronik-tekstil arayüzleri oluşturmak. Tarihsel desenleme tekniklerini modern mikro-fabrikasyona uyarlayarak, giysi üzerine doğrudan giyilebilir sensörler ve elektrotlar üretmek için maliyet etkin bir yol sunar. Bu yaklaşım, mekanik uyum ve kullanıcı uyumunun veri doğruluğu ve boylamsal izleme için kritik olduğu biyo-entegre sistemlerin erken aşama keşiflerini desteklemektedir.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Hareket sırasında cilt temasını koruyan konformal tekstil entegreli elektrotlar aracılığıyla fizyolojik sinyallerin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Veri toplama sırasında doğal biyomekaniği koruyarak ambulator ortamda hipotez testlerini destekler.
Tarama ve Assay Geliştirme
- Bilimsel Değer: Fizyolojik yüzeylerden güvenilir biyobelirteç sinyali elde etmek için standartlaştırılmış, desenli organik elektronik platformlar sağlar.
- Operasyonel Değer: Ölçeklenebilir maske tabanlı biriktirme ve tekstil altlıklar üzerinde üniform malzeme kaplama yoluyla analiz tekrarlanabilirliğini kolaylaştırır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Fizyolojik olarak ilgili, serbest yaşam koşullarında sürekli ve non-invaziv izleme sağlayarak translasyonel biyobelirteç validasyonunu destekler.
- Operasyonel Değer: Hayvan ve insan çalışmalarında stres kaynaklı artefaktları azaltan giyilebilir formatlar aracılığıyla keşif ve preklinik iş akışları arasında köprü kurar.
Hat ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, erken dönem biyolojik hipotez testlerinden preklinik doğrulamaya kadar uzanan keşif sürecine uygundur; özellikle elektrot-doku arayüzü stabilitesinin kritik önem taşıdığı boylamsal, ambulatuvar fizyolojik izleme gerektiren uygulamalar için uygundur.
- Keşif Biyolojisi: Dinamik hareketler sırasında sinyal bütünlüğünü koruyan, esneklik özelliğine sahip ve cilde uyumlu elektrotlar aracılığıyla biyolojik sistemlerle mekanik ve elektriksel arayüz kurulmasını sağlar.
- Tarama: Fizyolojik gerilmelere yanıt veren tekstile entegre sensörlerden, karşılaştırmalı durum analizlerini destekleyen kantitatif ve rezistans tabanlı veriler sunar.
- Analitik: Fizyolojik durumlarla korelasyon gösteren, elektriksel direnç ve kapasitansta ölçülebilir değişimler oluşturarak deneysel gruplar arasında istatistiksel karşılaştırma yapılmasını sağlar.
- Translasyonel Araştırma: Model sistemler genelinde özdeş giyilebilir formatların kullanılmasına izin vererek translasyonel değişkenliği azaltır ve preklinik çalışmalara olan sürekliliği destekler.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Uyumlu ve giyilebilir biyolojik arayüzler gerektiren birden fazla keşif programı boyunca tekrarlı kullanım için bir platform yetkinliği teşkil eder.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Sensör ile doku arasındaki mekanik uyumsuzluğu azaltarak öngörü güvenilirliğini artırır ve ambulatuvar verilerdeki hareket artefaktlarını minimize eder.
- Operasyonel Değer: Maske tanımlı desenleme ve roll-to-roll tekstil işleme ile uyumlu solüsyon bazlı biriktirme yoluyla standardizasyon ve ölçeklenebilirlik sağlar.
- Stratejik Değer: Doğal kullanım koşullarında hedef etkileşiminin erken değerlendirmesine olanak tanıyarak go/no-go kararlarını iyileştirir ve düşük uyum nedeniyle geç aşamada meydana gelen başarısızlıkları azaltır.
- Portföy Etkisi: İnvaziv veya hantal alternatifler öncesinde, fizyolojik olarak ilgili giyilebilir formatlarda hedef modülasyonunu doğrulayarak riskten arındırılmış ilerlemeyi destekler.
Uygulama Hususları
- Organik elektronik, tekstil işleme ve lazer kesim ile bant döküm dahil olmak üzere mikro-desenleme tekniklerinde uzmanlık gerektirir.
- Malzeme işleme için çeker ocaklara, manyetik karıştırıcılara, UV kürleme ünitelerine ve termal tavlama ekipmanlarına erişim gereklidir.
- Kumaş türleri genelinde tutarlı elektrot performansı sağlamak için malzeme bilimciler, tekstil mühendisleri ve biyologlar arasında ekipler arası standardizasyon gerektirir.
- PDMS emilimini ve malzeme yapışmasını etkileyen değişken tekstil esnekliği, kalınlığı ve hidrofobisitesine yönelik adaptasyon değerlendirmelerini içerir.
- Pratik kısıtlamalar, kaynakta belirtildiği üzere, organik elektroaktif malzemelerin tekrarlanan yıkama, esnetme ve çevresel etkiler altındaki uzun vadeli stabilitesini içerir.
