基于織物的柔性印刷電子技術(shù)研究現(xiàn)狀

董琪婧，陳曉東，鄭 驤，邱 莉，韓 佳

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2.青島智匯紡科技有限公司，山東 青島 266000）

目前，隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，印刷電子技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的日常生活，并廣泛應(yīng)用于各類電子器件，制作成紡織品。印刷電子信息技術(shù)是指將印制工藝和電子設(shè)備設(shè)計(jì)及制造過程相結(jié)合的一種新型信息技術(shù)。國(guó)內(nèi)外基于印刷電子技術(shù)柔性傳感器等領(lǐng)域的研究有著很好的成果。

1 柔性印刷電子技術(shù)

柔性印刷電子技術(shù)的原理是使用具備電子功能的油墨，在柔性承印物上利用精密印刷技術(shù)來制作電子器件或電路，使印刷后的電路具備相應(yīng)的電子功能。

1.1 印刷工藝

印刷主要分為接觸式印刷和非接觸式印刷。接觸式印刷主要分為絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷等；非接觸式印刷主要有凹版印刷[1]、膠版印刷等。相較于接觸式印刷，非接觸式印刷耗材更少，成本更低，步驟更簡(jiǎn)便。

1.1.1 絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷的工藝已經(jīng)非常成熟，其使用的材料主要為絲網(wǎng)版、油墨、基底，器材主要有刮刀、印刷機(jī)、印刷臺(tái)，主要流程為：繃網(wǎng)→涂覆感光漿→烘干→曝光→印刷成品。

Darpan 等[2]采用絲網(wǎng)印刷的方式制備了一款配方簡(jiǎn)單、環(huán)保的銀納米線墨水，并能夠在PDMS、PET、PI、玻璃和紡織品上印刷。程時(shí)榜[3]采用絲網(wǎng)印刷的方式，在110 ℃低溫固化15 min 條件下制備的碳電極耐磨次數(shù)達(dá)到3000 萬次以上。Zhou 等[4]用絲網(wǎng)印刷工藝在棉織物上構(gòu)建了具備彎曲扭轉(zhuǎn)性能的柔性超級(jí)電容器。Hong 等[5]用絲網(wǎng)印刷的方式在6 種不同尼龍編織襯里織物上進(jìn)行印刷后認(rèn)為，孔徑和粗糙度越小，織物精度越高，印花精度與油墨在織物表面的動(dòng)態(tài)接觸角和潤(rùn)濕時(shí)間有很大關(guān)系。

1.1.2 噴墨印刷

噴墨印刷主要使用噴墨打印機(jī)，用油墨在基材上形成相對(duì)應(yīng)的圖案，從而完成印刷的步驟。優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制印刷圖案、淀積層的厚度尺寸，成本較低，制作工藝簡(jiǎn)便。

Bae 等[6]使用碳納米管采用噴墨印刷的方式在織物結(jié)構(gòu)印出導(dǎo)電電路，并將其制備成了一款具備高靈敏度、寬檢測(cè)范圍的印花織物的觸覺傳感器。

1.1.3 凹版印刷

如圖1 所示，凹版印刷是將印版滾筒放入油墨槽中沾滿油墨，將凸起的非印刷表面油墨刮掉，只在印刷的凹下部位留油墨，在壓力較大的情況下，將凹下部位的油墨印刷到承印物上。

圖1 凹版印刷設(shè)計(jì)圖

1.1.4 膠版印刷

膠版印刷主要是使圖文部分親油斥水，非印刷部分斥水親油來實(shí)現(xiàn)印刷。

1.1.5 小結(jié)

以上柔性印刷電子技術(shù)的研究表明，絲網(wǎng)印刷的應(yīng)用已非常廣泛。目前絲網(wǎng)印刷已經(jīng)具備工藝簡(jiǎn)單、通用性較好、速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。噴墨和絲網(wǎng)印刷成本都相對(duì)較低，噴墨印刷基材薄膜均勻性差，圖案分辨率低，產(chǎn)量低。二者的主要區(qū)別是，噴墨印刷更精確，絲網(wǎng)印刷更均勻。噴墨機(jī)的噴頭容易堵塞和咖啡環(huán)效應(yīng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，針對(duì)導(dǎo)電顆粒分布不均的情況對(duì)電路導(dǎo)電性產(chǎn)生影響。凹版印刷具備印版壽命長(zhǎng)，質(zhì)量穩(wěn)定，墨色有立體感的優(yōu)勢(shì)，但其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，設(shè)備多，價(jià)格高，印刷量必須大，容易危害環(huán)境及人體健康。膠版印刷方式有著印刷質(zhì)量好、成本低、周期短、高效等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，技術(shù)操作熟練度高，對(duì)材料局限性大。膠版印刷可以復(fù)刻原稿的色彩、層次，多用于包裝、海報(bào)、書籍等彩色型印刷物。

1.2 印刷油墨

印刷電子的核心部分是導(dǎo)電漿料，太陽能電池、柔性傳感器、薄膜開關(guān)等電子器件的制備離不開導(dǎo)電漿料。導(dǎo)電漿料一般由導(dǎo)電填料、助劑、溶劑和連結(jié)料組成，如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)電漿料的組成

柔性電子設(shè)備的納米材料要求導(dǎo)電率好，抗氧化性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。印刷油墨主要可分為導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料。導(dǎo)電材料主要有銀粉末、銀包銅粉末、銅粉末等。李克偉[7]用銀包銅配制導(dǎo)電漿料制備并得到了RFID 標(biāo)簽。鄒燕清[8]對(duì)制備好的柔性電路性能進(jìn)行研究，使用導(dǎo)電銀漿在120℃固化2 h 得到了體積電阻率為9.8×10-5Ω·cm 的柔性電路。楊同同[9]使用碳材料，利用絲網(wǎng)印刷的方式制備了CA-SWCNT 傳感層，響應(yīng)范圍達(dá)到了1.0×10-7M。介電材料主要有導(dǎo)電油墨顆粒，一般是有機(jī)聚合物材料，如聚苯乙烯、PVP 等。

以上印刷油墨的研究表明，納米銀墨是目前較成熟的印刷油墨，具有導(dǎo)電性好、穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。碳墨穩(wěn)定性好，但其電阻過大，靈敏度較差，納米銅易被氧化。銅粉油墨易氧化，導(dǎo)致導(dǎo)電性能差。油墨的導(dǎo)電性、黏稠度、流平性等都關(guān)系到油墨質(zhì)量的好壞，最終影響到印刷電極性能。部分油墨需要高溫固化，才能達(dá)到導(dǎo)電性良好的效果。

1.3 印刷基底材料

柔性電路是將電子元件安裝在柔性基板上組成的特殊電路，其特點(diǎn)表現(xiàn)為輕質(zhì)、可彎曲、厚度小和柔軟。玻璃、復(fù)合材料、陶瓷、紙、織物[10-15]等均可作為印刷電路的基底。柔性基底主要有薄玻璃、金屬箔、高分子聚合物、紙質(zhì)、織物等基底。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的織物基底主要有滌棉織物、PET 無紡布、棉織物、尼龍織物等?，F(xiàn)階段，基于剛性基材的電子器件仍處于主導(dǎo)地位，但隨著新興技術(shù)發(fā)展，基于柔性基材的電子器件也越來越多。

2 印刷電子器件

2.1 智能傳感標(biāo)簽

智能傳感標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別的功能，由傳感材料與印刷技術(shù)結(jié)合制備而成，目前較為常見的是RFID、NFC[16]等。柔性印刷電子技術(shù)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)工藝中蝕刻法制備REID 標(biāo)簽的低效、高成本問題。采用柔性印刷電子技術(shù)制備出的REID 標(biāo)簽不僅可以傳達(dá)包裝、互通數(shù)據(jù)、管理運(yùn)輸?shù)刃畔?，還簡(jiǎn)化了工藝，同時(shí)滿足了高精度和柔性化的要求。

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器可分為壓阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式柔性傳感器，通過對(duì)壓力的感知來對(duì)應(yīng)產(chǎn)生電阻變化。一般來說，壓力傳感器由傳感層和電極封裝組成，電極的制備離不開印刷電子技術(shù)。

壓阻式傳感器在壓力作用下通過對(duì)測(cè)試品施加一定壓力，使材料電阻率發(fā)生變化，從而將壓縮刺激轉(zhuǎn)換為可見電信號(hào)，其感應(yīng)能力主要?dú)w因于壓縮過程中整個(gè)材料中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的變化。電容式傳感器是根據(jù)外部壓力刺激電容器，通過影響極板間距，正對(duì)面積或介電值來使電容發(fā)生變化的，從而輸出相應(yīng)的電信號(hào)。壓電式柔性傳感器主要通過正逆電效應(yīng)受力產(chǎn)生電荷進(jìn)行感知。該過程中傳感信號(hào)源自于在壓電材料受到外力時(shí)壓力對(duì)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是對(duì)狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的電荷量的測(cè)定。

2.3 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理工作，是用于儲(chǔ)能的新興器件，具有可快速充/放電、使用安全、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

柔性電子印刷技術(shù)的出現(xiàn)，解決了目前大多數(shù)超級(jí)電容器能量密度低、可循環(huán)性差等問題。柔性電容器較傳統(tǒng)電容器容量更大，穩(wěn)定性更好，通過減少原材料節(jié)約了成本，具有使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)于柔性超級(jí)電容器[17]的研究逐漸增多，與柔性電子印刷技術(shù)密切融合，具備廣泛的應(yīng)用前景。

3 柔性印刷電子技術(shù)的應(yīng)用

目前，印刷電路在RFID 標(biāo)簽制備、柔性電容器、包裝、柔性電極制備、傳感器制備等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。朱磊等[18]以Ag NPs/石墨烯復(fù)合材料制備了水性環(huán)保導(dǎo)電油墨，制作了RFID 標(biāo)簽。李曉燕等[19]用電子印刷技術(shù)制備了柔性微型電容器并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究。董鑫等[20]制備并探究了納米銀在包裝領(lǐng)域中的應(yīng)用。趙芳菲等[21]利用柔性電子印刷技術(shù)制備了柔性織物電極，用以采集心電信號(hào)。

從涉及柔性印刷電子技術(shù)的科研文章的研究?jī)?nèi)容可知，柔性印刷電子技術(shù)已經(jīng)涉及到很多領(lǐng)域?？v觀最近十余年研究柔性印刷電子技術(shù)的文章數(shù)量，發(fā)現(xiàn)其總體趨勢(shì)是增加的，并在2014 年達(dá)到頂峰，而近幾年的研究略有下降但數(shù)量依然較大（見圖3）。

圖3 柔性印刷電子技術(shù)研究趨勢(shì)

4 印刷電子技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)存的問題

迄今為止，柔性電子印刷技術(shù)現(xiàn)存的問題主要有：功能較為單一，能源供應(yīng)可能達(dá)不到設(shè)備需求，可靠性較差；小批量生產(chǎn)時(shí)，成本優(yōu)勢(shì)難以體現(xiàn)。雖然印刷電子技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，但其具備環(huán)境友好、柔性化、低成本、大面積等優(yōu)點(diǎn)。隨著工藝的成熟、新材料的探索發(fā)展以及科技的支持，預(yù)計(jì)柔性印刷電子技術(shù)將會(huì)更進(jìn)一步。

5 結(jié)語

隨著時(shí)代的更迭，人們著裝時(shí)更為喜歡舒適性好的服裝，因此基于織物的柔性電子印刷技術(shù)還需進(jìn)一步研究。現(xiàn)階段，印刷電子技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，功能性油墨已經(jīng)成了主流研究趨勢(shì)。此外，對(duì)于柔性基底的選擇應(yīng)用也是主攻方向之一。目前以織物為基底的印刷電子器件不占少數(shù)，如何提高性能將成為未來的研究方向。印刷電子技術(shù)目前主要應(yīng)用在太陽能電池、傳感器、標(biāo)簽等新興領(lǐng)域，其擁有柔性化、低成本、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，預(yù)計(jì)基于織物的柔性電子印刷器件的發(fā)展將呈現(xiàn)出百花齊放的局面。