織物表面導電線路成形方法的研究進展

肖淵+蔣龍+陳蘭+張丹+劉金玲

摘要：本文從當前織物表面導電線路的成形方法、應用等方面著手，對其現有的成形方法進行綜述，指出各成形方法存在的問題，如工藝復雜、柔韌性差、成本高等，并提出了一種新型織物表面導電線路成形方法 ——微滴噴射自由成形導電線路技術。此外，還闡述了導電線路在智能紡織品、信息傳輸、醫療保健等領域的應用，最后對不同的成形方法進行了總結，并指出織物導電線路應朝著智能化、集成化、舒適性、成本低等方向發展。

關鍵詞：智能紡織品；導電線路；絲網印刷；微滴噴射

中圖分類號：TS101；TH16

文獻標志碼：A

Research Progress on Forming Method of Conductive Circuits on Fabric Surface

Abstract： The research progress about the current forming method of conductive circuits is introdnced. The authors point out the problems that exists in the forming methods of conductive circuits， such as sophisticated technic， poor flexibility， high cost， and put forward a new forming method of conductive lines on fabric surface—freeform fabrication with micro-droplet jetting conductive lines technic. In addition， the paper presents applications of conductive lines for smart textiles， information transmission， medical care， and points out the forming methods of conductive lines on fabric surface will be with intelligence， integration， comfort and low cost after analyzing different forming methods.

Key words： smart textiles； conductive line； screen printing； micro-droplet jetting

智能紡織品作為一套完整的電子信息系統，一般由傳感器、執行器、數據處理、通信和電源等組成，因傳統電路板為一固體結構，無法隨織物一起變形，從而影響織物的使用性能，因此實現基于織物的導電線路柔性化制備已成為電子信息系統各元件在織物上有效集成的關鍵。

目前，國內外研究機構已對織物導電線路的成形方法展開相關研究，為進一步理清其發展方向，本文主要對目前織物表面導電線路的成形方法：植入金屬絲或導電纖維、絲網印刷、噴墨打印等方法進行綜述，對各種成形方法的特點進行總結。同時分析織物表面導電線路在智能服裝、信息傳輸、醫療保健等領域的應用前景，并對導電線路成形技術的發展趨勢進行了展望。

1織物導電線路制備技術

1.1傳統成形方法

常見的采用傳統工藝在織物上成形導電線路的方法有：刺繡、縫紉、織造、編織等，這些方法主要通過將金屬纖維或金屬絲摻雜于織物紋理中以成形導電線路織物，完成織物中各電子元件的集成，這種導電織物具有透氣性好、耐洗滌、壽命長等特點。

目前，國內外研究機構針對此方法在織物上成形導電線路展開相關研究。瑞士蘇黎世聯邦理工大學通過在織物內植入銅導線來成形導電線路，測得其電阻在120～320Ω之間，傳輸頻率最高可達6GHz，導線間的信號串擾比由7.2%降低至2.8%；美國北卡羅來納州立大學通過在織物內植入同軸雙絞銅線來成形導電線路，研究發現，該種方式相比于織物內植入裸露的銅導線，可有效地降低電子織物網絡導線間的信號串擾比；波蘭羅茲工業大學采用編織技術在織物內植入銅導線，并指出，織物基板的濕度對導線信號傳輸的頻率范圍有較大影響，圖1所示為羅茲工業大學采用銅導線和編織方式制備的織物導電線路。此外，日本三菱公司采用復合紡絲技術在織物上集成導電纖維和銅導線來成形導電線路。國內山東如意毛紡集團丁彩玲、東莞新綸纖維材料科技公司的侯慶華采用織造的方式在織物內植入金屬長絲和DDY-2白色芯復合導電纖維來成形導電線路，用它們制成的抗靜電服、防電磁波精紡毛織物等具有較好的抗靜電和防電磁波等功能。

傳統方法成形的織物導電線路在抗靜電、防電磁波領域獲得較多的應用，但由于其成形的織物對絲線的強度和彈性要求較高且制備工藝較繁瑣，不易于大規模生產。

1.2絲網印刷成形法

隨著納米材料技術的不斷發展和成熟，出現了具有導電功能的納米材料，使得絲網印刷技術成為在織物表面成形導電線路較為靈活的方法。

絲網印刷技術是將含有導電金屬微粒（主要是納米銀、金和銅等）及合適的樹脂材料分散到有機或無機溶劑中來成形導電線路。近10年來，許多研究機構針對絲網印刷技術在不同材料基板上成形導電線路進行了研究，如非織造織物、玻璃、腈綸/棉混紡織物、MERONA、COVINGTON、聚酰亞胺薄膜、高分子厚膜等，并將成形的導電線路應用于可穿戴式計算機和LED照明電路、織物壓力傳感器等領域。

目前，對于絲網印刷技術的研究，國外韓國科學技術學院在織物上印制寬度為1mm、長度為2cm、厚度為10μm和方阻為0.23Ω/□的導電線路；蘇黎世聯邦理工大學在織物上印制方阻為0.15Ω/□的導電線路，并提出頻寬為4.7GHz、電阻為50Ω的線路適用于可穿戴電子穿戴系統的藍牙和USB接口；Merilampi用兩種不同的墨水在PI膜、PET膜、PVC、紙張等類型基板上分別印制方阻在0.04～0.13Ω/□間的導電線路，圖2和圖3所示分別為北卡羅來納州立大學在Evolon和Tyvek？基板材料上成形的導電線路。此外，加州大學圣地亞哥分校與臺灣中原大學也在織物上分別印制了寬度為0.2mm和1.5mm的導電線路。

絲網印刷具有工藝簡單等特點，能夠實現織物表面導電線路的成形，但由于絲網印刷網格的存在，使得成形導電線路的寬度受限，影響其分辨率，且成形的導電線路后續還需要進行燒結處理，以增強成形線路的致密性，增大導電率，但較高的燒結溫度會對織物材料的性能產生損壞，影響織物本身的使用性能，致使其推廣存在一定的難度。

1.3打印技術成形法

隨著導電油墨制造技術的不斷發展和成熟，研究人員提出一種利用類似噴墨印花技術的噴墨打印方法來成形導電線路，該技術具有非接觸、精度高等特點，是一種新型的導電線路成形方法。

英國南安普頓大學YiLi等人利用噴墨打印技術針對不同基板（聚亞酰胺薄膜、接口涂層織物、聚酯/棉（65/35）織物）材料打印成形頻率為2.4GHz的偶極子天線進行研究，實驗測得打印成形天線的電阻為50Ω，接近理想天線的電阻值。美國佐治亞理工學院GregoryD.Abowd與東京大學YoshihiroKawahara等人在兩種紙張上采用噴墨打印成形出導線寬度為310μm、方阻分別為0.21Ω/□和1.3Ω/□的導電線路，放置10h后重新測得其電阻為0.19Ω/□和0.28Ω/□，放置7個月后重新測量三菱紙張方阻，發現方阻增加了約15%，由0.19Ω/□上升到0.22Ω/□，這是由于銀納米粒子在空氣中的的氧化作用導致方阻增大，其成形的導線如圖4所示。此外，英國利茲大學對采用噴墨打印技術在棉織物上、亞茲德大學對采用噴墨打印技術在織物和PET薄膜上成形導電線路進行了研究。

噴墨打印成形導電線路技術具有成形工藝簡單、速度快等特點，能夠實現導電線路的精確成形，但由于商業打印機所用噴嘴孔徑較小，易堵塞、靈活性差。因此，選擇一種適用于織物導電線路成形的流程簡單、低成本的制造方法已成為當務之急。

微滴噴射自由成形技術是在噴墨打印技術的基礎上發展起來的一項新技術，該技術具有微滴尺寸和精度可控、噴射沉積材料范圍廣、非接觸、成本低、無污染、效率高等優點，且噴嘴孔徑能根據需要改變，是一種頗具發展潛力的材料成形方法。美國麻省理工學院、加州大學歐文分校，加拿大多倫多大學，國內的華中科技大學、哈爾濱工業大學、北京有色研究金屬總院、清華大學、西北工業大學等研究機構針對該技術在電子封裝、微光學器件成形、快速成型制造、生物醫學等領域的應用開展了相關研究。該技術可方便與計算機技術結合，能直接從CAD文件將電路信息直接打印在基板上形成完整的導電路徑，在當前導電織物制備工藝復雜、成本高的現狀下，有望為織物導電線路的制備開辟一種新的思路。

2導電織物的應用領域

由于織物導電線路具有較高的應用價值，國外許多機構針對其在智能紡織品、信息傳輸、醫療保健等領域的應用展開了相關研究。

2.1智能紡織品

瑞典布羅斯大學與芬蘭坦佩雷技術大學設計了一種基于導電纖維織物的應變傳感器，能夠檢測織物的局部應變；三星先進技術研究院JihyunBae與韓國公州國立大學KyungHwaHong等人利用鍍銀的尼龍絲和導電紗線制成了一種可在極端寒冷的氣候下用來操作電容式觸控面板的屏幕的手套；美國馬薩諸塞州技術協會制作了一種穿著者通過觸摸衣服上的導線即可演奏音樂的音樂夾克，該音樂夾克無需大量導電線路和電子元件，主要有鍵盤、合成器和擴音器等音樂設備，其重量小于0.45kg。

2.2信息傳輸

電線路與微電子元件的結合，使得其在信息傳輸、智能檢測等領域具有極大的應用潛力，為微電子產品開辟了新的應用領域，也為微電子制造提供了新的應用方向。

美國麻省理工學院采用導電纖維和絕緣纖維紗線研制了可實現壓力檢測的織物，當織物感受到施加的壓力時，可引起電信號的變化，實現電流在導電纖維上導通。日本太陽公司利用碳纖維研發了一種可用于樓房、橋梁、機械、煙囪、滑索等結構應變檢測的傳感器，可用于建筑物等結構的安全診斷；蘇黎世聯邦理工大學通過在織物內植入傳感器等組件，實現了在織物上進行信息的傳輸。

2.3醫療保健

在織物中植入微小型醫療器件制成的醫療監護服，對于醫務工作者實時監測和了解病人的生命體征，提供了極大的便利，同時也為挽救病人的生命提供了有力保障。

美國Biokey公司研發了一種可用來檢測氧氣濃度、空氣濕度和病菌數量等參數的智能繃帶，它能將檢測的數據存儲于電腦中，為治療方案提供精確依據。美國加州生命襯衫公司、Sensatex公司分別開發出“生命襯衫”和智能監護服，它們將以更為舒適便捷的方式對病人進行系統的健康監測，并且能夠協助醫務人員及時了解穿著者的身體狀況，能夠有效地降低非正常死亡的概率。

3結語

通過對織物導電線路的成形方法進行比較發現，傳統成形方法成形的導電線路具有穩定性好、安全系數高等優點，但存在成形工藝復雜、成本高、成形后織物太硬、重量大、不易彎曲和不耐清洗等缺點，嚴重影響了織物本身固有的性能；絲網印刷技術成形的導電織物雖具有清潔性好、工藝簡單等優點，但存在后處理工藝要求高、導線寬度受限、分辨率低、材料浪費嚴重等問題；噴墨打印技術具有成形速度快、成形范圍廣等優點，亦同樣存在后處理工藝要求高、成本高等問題。當前，隨著織物導電線路成形技術的快速發展，織物導電線路正朝著智能化、功能集成化、交互式、舒適度高、柔性好、低成本的方向發展，開發集成不同處理方法的組合工藝技術，實現織物導電線路的低成本、短流程制造具有極大的實用意義。

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作者簡介：肖 淵，男，1975年生，副教授，博士，主要研究方向為機電控制與微制造系統等。

作者單位：西安工程大學機電學院。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51475350）；西安工程大學博士科研啟動基金（BS1304）。