Electrospinning of Conducting Polymer Fibers for Stretchable Electronics

L'électronique étirable est un domaine prometteur en ce qui concerne les applications au biomédical. En effet, les dispositifs étirables peuvent être utilisés pour remplir diverses fonctions, qui incluent l'électronique portable (ou les vêtements intelligents), la peau artificielle, et de façon plus générale l'ensemble des fonctions qui exigent d'avoir de l'électronique placée directement sur la peau apte à se conformer au style de vie du patient, par exemple pour de la surveillance quotidienne des constantes biologiques d'un patient. De nombreuses stratégies ont été mises en place jusqu'à présent pour produire de l'électronique étirable, cependant celles-ci peuvent être grossièrement séparées en deux catégories principales. Dans la première se retrouvent toutes les stratégies où les matériaux sont étirés grâce à l'utilisation d'une géométrie spécifique, tandis que la seconde catégorie comprend l'ensemble des matériaux qui sont intrinsèquement étirables. Ainsi, des formes spécifiques comme des fibres peuvent être utilisées pour améliorer la capacité à s'étirer d'un matériau autrement peu étirable, ce qui inclut des matériaux conducteurs comme les métaux ou certains polymères conducteurs et semi-conducteurs utilisés en électronique organique. Cependant, la mise en pratique de ces fibres requière l'utilisation d'une technique apte à aisément générer des fibres conductrices. Pour les applications en biomédical, les matériaux électroniques organiques présentent l'avantage sur l'électronique classique de posséder une bonne compatibilité avec les systèmes biologiques du fait de leur capacité à aisément faire l'interface avec le milieu biologique. Ils présentent aussi l'avantage pour ces applications de disposer d'une capacité à conduire à la fois les ions et les électrons. Le but de ce projet de recherche est de démontrer la faisabilité de la fabrication de tels films, faits de nanofibres en polymère conducteur, qui maintiennent leur capacité à conduire le courant même lorsque ceux-ci sont étirés. Bien que de nombreuses méthodes existent pour produire de telles fibres, l'électrofilage apparaît comme étant l'une des méthodes les plus simples pour réaliser des couches poreuses et non tissées de nanofibres, couches qui peuvent aisément se conformer à la surface de leur substrat. En combinant l'électrofilage avec une technique appelée la polymérisation en phase vapeur, nous avons fabriqué des nanofibres conductrices de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec de l'acide paratoluènesulfonique (tosylate, PEDOT:Tos) directement sur du polydiméthylsiloxane (PDMS), un élastomère organique siliconé. Cette méthode simple à deux étapes nous a permis de produire des nanofibres de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec du tosylate (PEDOT:Tos) sur du PDMS. Des couches fibreuses non tissées composées de nanofibres conductrices possédant un diamètre moyen d'un peu moins de 700 nm ont ainsi été obtenues directement sur le PDMS. Nous avons caractérisé ces fibres pour étudier leur comportement électrique lorsqu'une tension était appliquée à leurs extrémités. Ces tapis de fibres ont alors pu être étirés tandis qu'un voltage fixé appliqué directement dessus forçait l'écoulement d'un courant à l'intérieur des films, courant qui a été mesuré. Cela nous a permis de démontrer que ces films possédaient la capacité de s'étirer jusqu'à 140% de leur longueur initiale sans variation majeure de la quantité de courant s'écoulant dans les films.

Abstract

Stretchable electronics is a promising field for biomedical applications. Stretchable devices can be used for various purposes, including wearable electronics (or smart clothes), artificial skin, and more generally for any purpose requiring to have on-skin electronics that conform to the lifestyle of the patient, for example day-by-day biomonitoring. Many strategies have been used so far to produce stretchable electronics, however these can be split between two main categories. In the first one are the materials that stretch due to a specific geometry, while in the second category are the materials that are intrinsically stretchable. Specific shapes such as fibers can thus be used to improve the stretchability of an otherwise poorly-stretchable material, including conductive materials such as metals or conducting and semi-conducting polymers used in organic electronics. However, the practical application of fibers in stretchable electronics requires the use of a technique that can easily yield conductive fibers. For biological applications, organic electronic materials present the advantage over conventional electronic materials to possess a good compatibility with biological systems due to their ability to easily interface with the biological milieu and their mixed ionic / electronic conduction. The objective of this research project is to demonstrate the fabrication of such films, made with conductive polymer nanofibers that can still conduct the current even when stretched. Although many methods exist to produce such fibers, electrospinning is one of the easiest ways to directly make non-woven porous nanofiber mats that can conform to the surface of their substrate. By combining electrospinning with vapor phase polymerization, we fabricated conductive nanofibers of poly-(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with paratolenesulfonate (tosylate, PEDOT:Tos) directly on polydimethylsiloxane (PDMS), an organosilicon elastomer. Non-woven fiber mats composed of conductive nanofibers with an average diameter of around 700 nm were obtained directly on PDMS. We characterized these fibers to study their electrical behavior when a strain was applied to them. These mats were then stretched while the current flowing inside them was measured, at fixed voltage. This allowed us to demonstrate a stretchability up to 140% of the initial length without major variation of the current flowing in the mats.