Elektronik Tekstil Nedir?

Elektronik tekstiller (e-tekstiller), bir elektrik devresi gibi davranış gösterebilen (çalışan) tekstillerdir. Elektronik tekstiller aslında kumaş dokusunun içinde bir devre ya da devre elemanı meydana getirmektedirler. Örneğin bir anten, sensör ya da mekanik bir düğme yapılabilmektedir ve bu dokumalar iletken ipliklerden üretilmektedir. Bu özelliklerinden ötürü, elektronik tekstiller, “elektronik fonksiyonelliğe ve aynı zamanda da tekstil özelliklere sahip malzemeler” olarak tanımlanmaktadır.

Elektronik tekstiller normal tekstil yapılarının elektronik sistemlerle birleşmesiyle meydana gelmektedir. Elektronik bileşenlerin ve gelişmiş liflerin, tekstillere birleşimi malzeme ve elektronik bilimlerini bir araya getirmektedir. Elektronik ve tekstil ürünlerinin birleştirilmesi yaklaşık 120 yıl önce doktorların, tüberküloz hastalarının açık havada uyuması için elektrikli battaniyeleri tavsiye etmesi ile başlamıştır. Günümüzün modern elektronik tekstillerinde ise iletken iplikler direkt olarak kumaşa dokunmaktadır. Günlük giysilerimiz ile bilgi teknolojilerinin buluşması 1990 yılına uzanan bir geçmişe sahiptir.

Akıllı elektronik tekstiller, elektronik bileşenlerin ve işlevlerin, tekstil yapılarına entegrasyonları sonucu geliştirilen yapılardır. Elektronik tekstiller, iletken lif içeren kumaşlardan, sensör içeren kumaşlara kadar çok çeşitli tanımları kapsar. Tekstil yapısına elektriksel fonksiyon; iletken malzemelerin, tekstile entegre edilmesiyle kazandırılır. İletken malzemeler; iletken mürekkepler, iletken lifler, iletken polimerlerden üretilen iletken iplikler ve iletken ipliklerden üretilen iletken kumaşlardır.

İletken Polimerler

Akıllı malzemeler, mühendislik biliminin yeni teknolojilerinden biridir. Akıllı bir materyal, uygun çevresel uyaranları tanıma, uyaranlardan kaynaklanan bilgileri işleme ve buna uygun bir şekilde zamanında yanıt verme yeteneğine sahiptir.

İletken polimerler (ICP’ler); elektriği iletebilen, algılayan ve çalıştırma yeteneğine sahip polimerlerdir. Bu özelliklerinden dolayı birçok araştırmacının ICP’lere dayalı “akıllı polimer sistemleri” tasarlamasına yol açmaktadır. İletken polimerlerin avantajı, dispersiyon yoluyla işlenebilir olmalarıdır. İletken polimerler organik esaslı olup, genellikle termoplastik içerikli olmaması nedeniyle ısıyla şekillendirilemezler.

İletken polimerler; elektriksel, kimyasal ve fiziksel özellikleri nedeniyle, kimyasal sensörler, şarj edilebilir piller, elektrokromik ekranlar, ışık yayan cihazlar, elektrokatalizörler, elektromanyetik parazit koruması, mekanik aktüatörler dahil olmak üzere farklı alanlarda birçok uygulama bulmuştur. ICP’lerde elektrik iletimi, mobil yük taşıyıcılarının oluşturulduğu oksitlenmiş π konjuge sistem aracılığıyla elde edilirler. En yaygın kullanılan iletken polimer bazlı aktif malzemeler arasında polianilin (PAni), polipirol (PPy) ve politiofen türevleri (PTh) bulunmaktadır.

Polimer Adı	Polimer Tekrar Eden Birim	İletkenlik (S cm -1)
Polianilin	Anilin	2×10 -2
Polipirol	Pirol	102 -7.5×10 -3
Politiofen	Tiofen	10 -3

Polianilin; ilk olarak 19. yüzyılın ortalarında, elektrokimyasal ve kimyasal oksidasyon ürünlerini araştıran Henry Letheby tarafından tanımlanmıştır. 1950’lerde araştırmacılar, polisiklik aromatik bileşiklerin halojenlerle yarı iletken yük transfer kompleks tuzları oluşturduğunu tespit etmişlerdir. 1954’te Bell Labs ve başka araştırmacılar, 8 ohm. cm kadar düşük dirençlere sahip organik yük transfer kompleksleri keşfetmişlerdir. Polianilin (PAni), geri dönüşümlü redoks ve pH değiştirme özellikleri, sentez kolaylığı ve çeşitli potansiyel uygulamaları nedeniyle son on yılda en çok çalışılan ICP olmuştur. PAni, anilinin kimyasal veya elektrokimyasal oksidasyonu yoluyla sentezlenebilir.

Polimerik yapısı, polipirol ve politiyofen gibi diğer ICP’lerden farklıdır ve her biri kendine özgü renge sahip, kolayca erişilebilen üç oksidasyon özelliğine sahiptir. Ek olarak, PAni’yi bir dizi çözücü içindeki çözünürlük özelliği nedeniyle en çok kullanılan organik iletken polimer haline getirmiştir.

İletken polimerler arasında polipirol (PPy); nispeten yüksek elektrik iletkenliğine ve iyi çevresel stabiliteye sahip olduğundan daha fazla talep görmektedir. PPy havada stabildir ve hem organik hem de sulu elektrolit solüsyonlarında elektroaktiftir. Elektrik, kimyasal ve mekanik özelliklerin dinamik kontrolüne izin veren oksitlenmiş ve indirgenmiş durumları arasında geçiş yapılabilir. PPy, çözelti içindeki pirol monomerinin kimyasal veya elektrokimyasal oksidatif polimerizasyonu ile sentezlenebilir. PPy, yüksek elektronik iletkenliği, sentez kolaylığı, çevresel duyarlılığı ve ekonomik olması nedeniyle diğer iletken polimerlere göre daha çok tercih edilmektedir. PPy bazlı iletken polimerler, genel olarak ilaç dağıtım sistemleri, aktüatörler ve özellikle süper-kapasitörlerde elektrot olarak uygulamalarda yaygın olarak araştırılmıştır. PPy bazlı iletken polimerler, elektrot üzerinde kontrollü polimerize yüklemesi sağladığı için kimyasal polimerizasyon ve elektrokimyasal polimerizasyon teknikleri kullanılarak sentezlenebilir.

Politiofenler; iyi termal ve oksidatif stabilite, yüksek yük taşıyıcı hareketliliği ve işleme kolaylığı nedeniyle polimerlerin iletkenlik alanında uzun süredir önemli bir rol oynamıştır. Alan etkili transistörler, organik fotovoltaikler, ışık yayan diyotlar ve elektrokromik ekranlar gibi elektronik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmışlardır.

Politiofenlerin (PTh), polipirol ile pek çok ortak noktası vardır. Bir siklopentadien molekülünden oluşurlar, ancak bir S heteroatomuna sahiptirler. Polipirolde olduğu gibi, polimerizasyon mekanizması, polimerik yapıyı geliştirmek için birbirleriyle veya başlangıç monomeriyle reaksiyona giren radikal katyonların oluşumunu içerir . PTh’ler oksitlendiğinde iletken hale gelir. Elektriksel iletkenlik, polimer ana zinciri boyunca elektronların yer değiştirmesinden kaynaklanır.

Bu malzemelerin optik özellikleri; çözücü,sıcaklık, uygulanan potansiyel ve diğer moleküllere bağlanmadaki değişikliklere yanıt olarak renk değişimi ile çevresel uyaranlara yanıt verir.

Poli (3,4- ethylenedioxythiophene) (PEDOT), biyotıp ve biyoteknolojide kullanımına izin veren yüksek elektriksel iletkenliği ve kimyasal stabilitesi nedeniyle en başarılı PTh türevi olarak kabul edilir. PPy ve PAni ile karşılaştırıldığında, PEDOT ile ilgili araştırmalar nispeten yenidir. PEDOT’un biyouyumluluğu iyi belirlenmiştir. PEDOT, nanofilmler, nanorod dizileri ve nanolif matlar gibi çeşitli formlarda sentezlenebilir. PEDOT ve polistiren sülfonik asit (PSS) bazlı bağımsız iletken ultra ince nanofilmler, Mattoli ve arkadaşları tarafından, modifiye edilmiş bir destek tabakası tekniğine dayanan bir işlem kullanılarak üretilmiştir.

İletken PEDOT: PSS mürekkeplerinin kullanıldığı bir çalışmada, iletken mürekkep çeşitli fomülasyonlar denenerek transfer baskı tekniği ile bir yüzeye aktarılmıştır. Çalışmada çok çeşitli ince polimer filmleri basmak için kullanılabilen bir teknik geliştirilmiştir.

İletken Lifler

Elektriksel olarak iletken lifler, uzun bir geçmişe sahiptir ve elektronik tekstillerde kullanılmıştır.

İletken lifler; lif yapısına sahip, elektriksel olarak iletken bir eleman olarak tanımlanabilir. Bir metal çivi ve kalın bakır tel de elektriksel olarak iletkendir ancak ne ince ne de esnek olduklarından lif değildir. Bu durumdan farklı olarak, ince bir bakır tel ve gümüş kaplı polimer lif, iletken lif olarak kategorize edilebilir.

Metal malzemelerin elektrik direnç değerleri 10-5 Ω.cm civarındadır, tipik bir yalıtkanın ise 10 12 Ω.cm civarındadır. Doğal liflerin elektrik direnci, maruz kaldıkları havanın nemi ile belirlenir. Örneğin %53 nem değerinde yün lifinin özgül direnci 1.6X109 Ω.cm civarındayken %86 nem değerinde özgül direnci 1.3X106 Ω.cm civarındadır. Normal sıcaklıklarda metallerin direnci mutlak sıcaklıkla orantılı iken, yalıtkanların direnci sıcaklıklar düştükçe artar.

İletken lifler elektriksel iletken yapıya sahip metal malzemelerden veya iletken polimerlerden elde edilmektedirler. Metallerin güçlü, esnek olmayan yapıları, uzun kullanımı sırasında korozyona uğrayabilmeleri ve kırılabilir özellikleri sebebiyle araştırmacılar yeni malzemeler bulmuşlardır. Geleneksel tekstil liflerindeki elektriksel iletkenlik gibi fonksiyonel özellikler lifleri, karbon siyahı, metalik toz ve iletken polimerler ile kaplayarak veya üretim işlemi sırasında bu malzemelerle karıştırarak (eriyik eğirme) dahil edilebilir. Ancak daha düşük mekanik özellikler, düşük elektriksel iletkenlik değeri ve daha yüksek üretim maliyetleri sebepleriyle uygulama alanlarını engellemektedir. Yüksek mekanik özelliklere sahip tüm organik iletken liflerin (inorganik ve metalik içerikler dahil edilmeden) geliştirilmesi, dünya çapındaki araştırmacıların ana ilgi alanlarından biridir. Esneklik, dayanıklılık, maliyet etkinliği ve ölçüm kolaylığı gibi diğer işlevsel liflere göre avantajları vardır. Yukarıda belirtilen özellikler, daha yüksek elektriksel iletkenlik, hafiflik ve organik transistör, ışık yayan diyotlar (LED’ler), yakıt hücreleri için kaplamalar ve korozyon korumasında, antistatik kaplama, organik elektrotlar ve biyosensörlerdeki potansiyel uygulamalara sahip olduklarından, geleneksel tekstilleri iletken polimerlerle işleyerek / kaplayarak elde edilebilir.

Poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT), polipirol (PPy) ve polianilin (PAni) gibi iletken polimerlerle kaplanmış tekstil lifleri sadece mekanik mukavemetlerini, esnekliklerini ve rahatlıklarını korumakla kalmaz, aynı zamanda yüksek elektriksel iletkenlik değerlerine sahiptirler. Diğer iletken polimerler arasında PEDOT, iyi çevresel kararlılığı ve ısı üretimi, LED ve kimyasal sensörler alanlarındaki potansiyel uygulamaları nedeniyle tekstil alt tabakalarını işlevselleştirmek için daha iyi bir seçenek olarak kabul edilir.

Aramid (Kevlar, Nomex ve Twaron), Poliamid (6 ve 6.6) gibi yüksek performanslı lifler ve Aramid / Poliamid hibrit iplikleri iyi mekanik özelliklere ve termal stabiliteye sahiptir. Havacılık ve askeri uygulamalarda, kurşungeçirmez kumaşlarda, balistik kompozitlerde, itfaiye kıyafetlerinde ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Poliamid 6 lifi mekanik olarak iyi bir esnekliğe sahiptir, ancak elektrik iletkenliği zayıftır, bu nedenle iletken özellik kazandırmak için malzemenin iletken bir malzemeyle birleştirilmesi gerekmektedir. Nano dolgu maddelerin Poliamid 6 lifinin içine yerleştirilebildiği, ancak yalnızca belirli bir ağırlık yüzdesine kadar eklenebildiği çalışmalar yapılmıştır. Nano dolgu maddelerinin ağırlık yüzdesindeki artış, mekanik performansta düşüşe neden olabilir. Bu amaçla, gümüş (Ag) metal nanopartikülleri, her bir Poliamid 6 ipliğine %100 homojen gümüş (Ag) elementi ile kaplanmıştır.

Poliamid 6 ipliği, gümüş (Ag) metal nanopartikülleri için iyi bir yapışma özelliği ve yüzey düzgünsüzlüklerini gidermek için etanol ile temizlenmiştir. Poliamid 6 ipliği, gümüş nitrat (AgNO3) ve sodyum hidroksit (NaOH) ile 130 ° C’de 2 saat işlemden geçirilmiştir.

Elektriksel olarak iletken lifler diğer bileşenlere kolayca bağlanmalı ve yalıtımlı bir kaplama ile oldukça iletken olmalıdır. Elektriksel olarak iletken lifler, uygulama işlemine dayanıklı olmalı ve gerekirse makine tipi yıkama ve tamburlu kurutmaya dayanıklı olmalıdır.

İletken İplikler

Bir tekstilin “akıllı” işlevlerini gerçekleştirmek için, iletken tekstil iplikleri ve lifleri genellikle tekstile entegre edilmiş diğer elektronik cihazlarla ara yüz oluşturmak için kullanılır. Mevcut nesil akıllı tekstillerde kullanılan iletken ipliklerin çoğu, bakır, paslanmaz çelik (SS), gümüş, pirinç nikel ve bunların alaşımlarından yapılmış metal ipliklerden üretilmektedir. Metalik iplikler, imal edilen tekstil ürünlerine veya giysilere ağırlık eklemekle kalmaz, aynı zamanda giysileri fiziksel olarak rahatsız eder ve hatta giyilmez hale getirir ve böylece günlük uygulama için rahatsızlık verir. Bu nedenle, polimer esaslı iletken ipliklerin geliştirilmesi için sebepler ortaya çıkmıştır.

Polimer iletken ipliklerin imal edilmesinin en basit yöntemlerinden biri, metal filamentleri veya telleri doğrudan geleneksel tekstil polimer ipliklerine karıştırmaktır. Bu tür iletken iplikler, ring eğirme yöntemi veya open-end eğirme yöntemi gibi geleneksel iplik eğirme teknikleriyle kolayca imal edilebilir.

İletken Kumaşlar

Elektrik iletkenlik özelliği olan kumaşlar; iletken lif, iplik veya mürekkepler kullanılarak, farklı üretim teknikleriyle kumaşlara iletkenlik özelliği kazandırılarak oluşturulur. Statik enerjiyi yayan ve elektromanyetik alanlardan koruyan iletken kumaşlar, termal düzenleme, anti-alerjik özellikler ve antibakteriyel özellikler gibi diğer özelliklerin yanı sıra yaklaşık yirmi yıldır yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, karbon, altın, paslanmaz çelik, gümüş veya bakır gibi iletken liflerle yapılan kumaşların, “soft” ağların kumaşlara entegrasyonunu kolaylaştırmıştır. Çoğu teknik tekstilin aksine, akıllı tekstiller işlevlerinde pasif değildir; dokunma, sıcaklık veya kalp atışı gibi uyaranları algılayabilir ve bunlara tepki verebilirler.

Elektriksel iletkenlik, bir tekstil malzemesini algılama malzemesine dönüştürebilen ve etekstil giysilerinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynayan temel fiziksel özelliktir. İletken kumaşlar, biyoelektrotlar olarak veya (elastomerlerle birleştirildiğinde) biyomekanik değişkenleri algılayabilen piezo dirençli sensörler olarak kullanılabilir. Metal monofilamanların ipliğe entegrasyonundan, lifin iletken bileşenlerle zenginleştirilmesinden, kumaş yüzeyine iletken pigmentlerin basılması, suni ve sentetik liflerin iletken bir tabaka ile kaplanmasından başlayarak, elektriksel olarak iletken bir tekstil oluşturmak için birkaç farklı yöntem kullanılabilir.