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喷墨打印有望成为制造电子纺织品的新方法

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据报道，在一项新的研究中，北卡罗来纳州立大学的研究人员证明，他们可以在聚酯织物上打印多层导电油墨，制造出可用于设计未来可穿戴设备的电子纺织品。研究结果于 5 月 14 日发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上。

▲图片汇总

喷墨加工提供了解决当前通过具有新颖材料和加工策略的界面工程，纺织品印刷电子设备面临的挑战。在IoT（物联网）时代，飙升的市场需求正转向柔性电子，柔性电子通常是可穿戴的，具有电子等多种功能，并嵌入到传统产品中。由于柔性电子的显着关注，柔性电子加工策略包括传统的涂层方法、通过印刷和气相沉积的图案化，使研究人员能够将各种形式的日用品开发成投放市场的智能设备。纺织品和服装将是人类“穿着”行为的最传统形式。因此，已经进行了大量研究以赋予纺织品（也称为电子纺织品）电子功能。电子纺织品开启了物联网中可穿戴电子设备的可能性，包括传感器（即捕捉身体运动的心电电极和应变传感器、执行器（即发光器件）的嵌入式功能和晶体管）、通信设备（即天线）和能源设备（即电容器、超级电容器、燃料电池和能量收集器）。可穿戴设备中的连接系统与上述设备的开发尚未完成。然而，化学研究引入了全新的材料及其机制和加工策略，以在纺织平台上实现基于单系统的可穿戴技术的目标。

在可穿戴电子产品中，由于需要嵌入功能的传统形状因素，纺织品是研究最多的纺织品之一。此外，电子纺织品在生物医学应用方面具有显着优势，因为可以直接从大面积的纺织品中获取人体的重要信号，而不同的生物信号，如心电图、脑电图、GSR、温度和湿度，可以可以在最佳位置获取信号并在日常活动中监测信号。因此，对电子纺织品的需求已经多样化，电子纺织品的研究仅限于单一导电材料在纺织品上的应用。纺织品上的单层电子材料可以简单地用作电极来测量生物电势，但在传感系统、驱动器、通信设备和能量存储设备中的进一步应用仅限于高功能纺织品，并且需要多种材料结构。

通过添加或嵌入不同的材料层可以实现多种材料结构，这可能会导致巨大的器件结构。喷墨处理向我们展示了使用电子墨水进行高效材料沉积的可能性。然而，由各向异性纤维束的独特排列和缠结产生的具有独特粗糙度的纺织品的多孔和柔性性质使得喷墨印刷多层微电子极具挑战性。先前对多层纺织电子器件结构的研究主要涉及层压薄膜，或将它们与额外的纺织层组装在一起。尽管他们在多层结构开发方面的努力引起了极大的关注，但这些方法很难被认为是真正的“由于额外的层压过程而导致的全喷墨印刷纺织电子产品”。因此，大多数具有多种材料的印刷电子研究是在光滑的平台上进行的，例如聚合物薄膜和薄金属/硅薄膜。在多层印刷电子纺织品方面，储能和电容传感设备有望成为下一个焦点。然而，夹在金属电极之间的聚合物电介质的喷墨印刷具有挑战性，因为电极很容易被具有低界面兼容性的聚合物电介质短路。

在这里，研究人员提出了一种利用纺织品固有微观结构、油墨-纤维界面和喷墨工艺优化的全喷墨。印刷纺织电容器的新方法。他们在电极级和介电级利用纺织品的多孔结构，通过墨水的粘附和芯吸行为，然后进行独特的化学反应。

▲图片1. 喷墨过程和油墨在薄膜和纺织品基材上的扩散行为示意图

研究人员通过印刷导电银油墨层制造电子纺织品作为绝缘体就像在两层液体材料周围形成三明治一样。他们将这些夹心层印在聚酯织物上。在这项研究中，在银底部电极完全绝缘的情况下形成没有缺陷的固体层对于防止与顶部电极短路非常重要。印在基材顶部的 UA 墨水在薄膜和纺织品基材上的表现会有所不同。与薄膜基材上的 UA 墨水不同，后者在 UA 介电层上具有随机组合的液滴和明显不同的厚度。纺织品基材是完全绝缘的，因为它们允许 UA 墨水流过纺织品的横截面方向并芯吸，使顶面保持平坦。在他们打印出银墨层和绝缘材料（由聚氨酯丙烯酸酯和聚（4-乙烯基苯酚）制成）后，他们使用显微镜来监测材料的表面。研究人员发现，绝缘材料和纺织纱线的化学特性对于保持液态银墨的导电性和防止其渗透多孔织物非常重要。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2021/0629/1433.html