Fabrication and characterization of organic electrochemical transistors for wearable textile electronics

Abstract

The rapid advancement of wearable technologies has intensified the interest in electronic textiles. Due to their inherent properties, textiles and garments represent a promising platform for integrating wearable electronic systems, particularly in the areas of health monitoring, protection, social interaction, and well-being. A fundamental component of electronic circuits is the transistor, whether intended for logic and computing operations or for sensing applications. The present research thesis investigates alternative approaches for fabricating transistor devices directly within textile structures using simple, cost-effective methods compatible with conventional textile and garment manufacturing processes, thus overcoming limitations arising from the need to apply specialized, complex and expensive laboratory techniques. Organic electrochemical transistors (OECTs) were selected as the most suitable device architecture due to their intrinsic compatibility with flexible materials, low-voltage operation, and tolerance to the structural irregularities typical in textile substrates. A fabrication methodology based on simple processing steps was developed and evaluated, and the associated challenges and practical limitations were systematically examined. Devices with various fabrication parameters, including geometry, dimensions, and materials, were fabricated and subjected to comprehensive electrical and electrochemical characterization. For the active channel it is used a conventional high-density polyethylene yarn coated with PEDOT:PSS. For the gate, the same PEDOT:PSS-coated yarn or a metallic yarn or a wire can be used. An electrolyte made of Poly-Ethylene-Glycol-Diacrylate (PEGDA) as polymer matrix, propylene carbonate (PC) as plasticiser, and LiClO4 as source of ions, has been prepared and applied by drop-casting, followed by UV curing to produce solid OECTs on textile substrates. Although polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) is typically employed as a crosslinking agent and only a limited number of studies have explored its use as the primary polymer matrix in solid electrolytes, the present research investigates the feasibility of utilizing a solid electrolyte composed entirely of a PEGDA network for the fabrication of OECTs. The resulting devices demonstrated operational stability in sporadic testing over long storage periods. Although the fabricated devices exhibit relatively slow response times, they are suitable for wearable applications where fast operation is not critical. Such applications include OECT-based sensors, which have recently attracted significant interest. Moreover, the devices displayed pronounced memristive behaviour, suggesting future potential for the development of neuromorphic computing architectures implemented directly within textile structures. Overall, the present work sets a realistic baseline for the development of fabric-based OECTs that can be easily manufactured in conventional fabric and garment production lines and contributes to the advancement of functional electronic fabrics for next-generation wearable systems.

Η ταχεία εξέλιξη των τεχνολογιών για φορετές εφαρμογές έχει εντείνει το ενδιαφέρον για τα κλωστοϋφαντουργικά ηλεκτρονικά. Λόγω των εγγενών ιδιοτήτων τους, τα κλωστοϋφαντουργικά είδη και τα ενδύματα αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την ενσωμάτωση φορετών ηλεκτρονικών συστημάτων, ιδιαίτερα για εφαρμογές στους τομείς υγείας, ατομικής προστασίας, κοινωνικής αλληλεπίδρασης και ευεξίας. Ένα θεμελιώδες στοιχείο των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, είτε για λογικές και υπολογιστικές λειτουργίες είτε για εφαρμογές αισθητήρων, είναι το τρανζίστορ. Η παρούσα ερευνητική διατριβή διερευνά εναλλακτικές προσεγγίσεις για την κατασκευή διατάξεων τρανζίστορ απευθείας σε κλωστοϋφαντουργικές δομές, χρησιμοποιώντας απλές και οικονομικά αποδοτικές μεθόδους συμβατές με συμβατικές διαδικασίες παραγωγής υφασμάτων και ενδυμάτων, υπερβαίνοντας έτσι τους περιορισμούς που απορρέουν από την ανάγκη εφαρμογής εξειδικευμένων, πολύπλοκων και δαπανηρών εργαστηριακών τεχνικών. Τα οργανικά ηλεκτροχημικά τρανζίστορ (OECTs) επιλέχθηκαν ως η καταλληλότερη αρχιτεκτονική διάταξης λόγω της εγγενούς συμβατότητάς τους με εύκαμπτα υλικά, της λειτουργίας τους σε χαμηλές τάσεις και της ανοχής τους στις δομικές ανομοιομορφίες που χαρακτηρίζουν τα υφαντικά υποστρώματα. Αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε μια μεθοδολογία κατασκευής βασισμένη σε απλά στάδια επεξεργασίας, ενώ εξετάστηκαν συστηματικά οι σχετικές δυσκολίες και οι πρακτικοί περιορισμοί στην εφαρμογής της. Κατασκευάστηκαν διατάξεις OECT με διαφορετικές παραμέτρους, όπως γεωμετρία, διαστάσεις και υλικά, οι οποίες υποβλήθηκαν σε εκτενή ηλεκτρικό και ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό. Για το ενεργό κανάλι του OECT χρησιμοποιήθηκε ένα συμβατικό νήμα πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας (HDPE) επικαλυμμένο με PEDOT:PSS. Για το ηλεκτρόδιο πύλης χρησιμοποιήθηκε είτε το ίδιο νήμα επικαλυμμένο με PEDOT:PSS είτε μεταλλικό νήμα/σύρμα. Παρασκευάστηκε ένας ηλεκτρολύτης με βάση την διακρυλική πολυαιθυλενογλυκόλη (PEGDA) ως πολυμερική μήτρα, το ανθρακικό πολυπροπυλένιο (PC) ως πλαστικοποιητή και το υπερχλωρικό λίθιο (LiClO4) ως πηγή ιόντων. Ο ηλεκτρολύτης εφαρμόστηκε με τη μέθοδο της σταγονοεναπόθεσης (drop-casting) και ακολούθησε σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία (UV curing), ώστε να παραχθούν στερεάς κατάστασης OECTs πάνω σε κλωστοϋφαντουργικά υποστρώματα. Αν και η PEGDA χρησιμοποιείται συνήθως ως παράγοντας διασταύρωσης και υπάρχουν περιορισμένες μελέτες σχετικά με τη χρήση της ως κύριας πολυμερικής μήτρας σε στερεούς ηλεκτρολύτες, η παρούσα εργασία διερευνά τη δυνατότητα αξιοποίησης ενός ηλεκτρολύτη που βασίζεται εξ ολοκλήρου σε πολυμερική μήτρα PEGDA για την κατασκευή OECTs. Οι παραγόμενες διατάξεις παρουσίασαν λειτουργική σταθερότητα κατά τη διάρκεια διαλείπουσας δοκιμής, ακόμη και μετά από παρατεταμένες περιόδους αποθήκευσης. Παρόλο που οι διατάξεις παρουσιάζουν σχετικά αργούς χρόνους απόκρισης, είναι κατάλληλες για φορετές εφαρμογές στις οποίες η ταχεία λειτουργία δεν είναι κρίσιμη. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν αισθητήρες βασισμένους σε OECT, που πρόσφατα έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον. Επιπλέον, οι διατάξεις παρουσίασαν έντονη συμπεριφορά memristor, υποδηλώνοντας μελλοντικές δυνατότητες για την ανάπτυξη νευρομορφικών υπολογιστικών αρχιτεκτονικών υλοποιημένων απευθείας σε υφασμάτινες δομές. Συνολικά, η παρούσα εργασία θέτει μια ρεαλιστική βάση για την ανάπτυξη OECTs, τα οποία μπορούν να παραχθούν εύκολα σε συμβατικές γραμμές παραγωγής υφασμάτων και ενδυμάτων, και συμβάλλει στην πρόοδο των λειτουργικών ηλεκτρονικών υφασμάτων για τα φορετά συστήματα επόμενης γενιάς.