基于織物的柔性電路制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)展

王瑾 繆旭紅

摘要： 智能可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，使得以織物為基底的柔性電路因其優(yōu)異的柔性和透氣性，受到廣泛關(guān)注。文章綜述了幾種常用的織物柔性電路的制備方法，并指出這些方法在柔性、工藝、規(guī)模化生產(chǎn)等方面存在的問(wèn)題;其次，結(jié)合智能紡織品的應(yīng)用，總結(jié)了織物柔性電路在傳感器、發(fā)光二極管和織物天線等領(lǐng)域的應(yīng)用;最后，對(duì)織物柔性電路在智能可穿戴系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，提出織物柔性電路應(yīng)具有趨同服用的性能、實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)、保證穩(wěn)定低功耗的電流傳輸及無(wú)縫集成等特性，為織物柔性電路發(fā)展提供方向。

關(guān)鍵詞： 智能紡織品;柔性電路;導(dǎo)電紗線;導(dǎo)電油墨;針織

Abstract： With the rapid development of intelligent wearable technology， fabric-based flexible circuits have attracted wide attention because of their excellent flexibility and permeability. In this paper， several methods of fabric flexible circuits are reviewed， and the problems of these methods in flexibility， technology and large-scale production are pointed out. Combined with the application of intelligent textiles， the application of fabric flexible circuits in sensors， light-emitting diodes and fabric antennas is summarized. Finally， the problems of fabric flexible circuits in intelligent wearable systems are discussed. It is suggested that fabric flexible circuits should have the properties of convergence， realize more complex circuit design， and ensure stability and low power. The characteristics of current transmission and seamless integration provide a direction for the development of fabric flexible circuits.

Key words： intelligent textiles; flexible circuit; conductive yarn; electrically conductive ink; knitting

隨著科技發(fā)展及人們對(duì)更舒適生活的向往，智能紡織品的需求逐年增長(zhǎng)，尤其是在運(yùn)動(dòng)識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。智能紡織品的電子信息系統(tǒng)一般由電路、傳感器、數(shù)據(jù)處理和電源等組成[1]?？椢飳?dǎo)電線路將各主要電子元件連接起來(lái)，是智能紡織品的重要組成部分[2]。傳統(tǒng)的智能紡織品通常由較粗的電線將剛性材料或半導(dǎo)體與織物結(jié)合[3]，其笨重、易磨損且無(wú)法隨織物變形等缺點(diǎn)不能滿足人們生活多元化的需求，由此催生了一種輕便、柔軟與人體皮膚貼合的柔性電路。柔性電路有將金屬納米顆粒、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物[4]等導(dǎo)電材料與柔性襯底如紙張、塑料、硅膠等摻雜復(fù)合而成的電路，這種柔性電路通常具有較高的彈性和耐磨性，但透氣性差;相比之下，以織物為基底的柔性電路具有更為理想的柔性和透氣性，幾乎可以實(shí)現(xiàn)任意角度的彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等變形，能夠滿足日常生活的使用要求。

本文詳細(xì)介紹了幾種常見(jiàn)的柔性電路的制備方法：導(dǎo)電紗線引入法、絲網(wǎng)印刷法和噴墨打印法。討論了各種方法制備的織物柔性電路在導(dǎo)電性、可穿戴性、耐用性等方面的優(yōu)劣，指出柔性電路制備過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題。同時(shí)分析織物柔性電路的應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)未來(lái)織物柔性電路的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 柔性電路制備方法

1.1 導(dǎo)電紗線引入法

1.1.1 導(dǎo)電紗線

導(dǎo)電紗線引入法制備電路的一個(gè)重要步驟是找到適宜織造的導(dǎo)電紗線，這些導(dǎo)電紗線應(yīng)對(duì)人體及織物結(jié)構(gòu)無(wú)影響。在織物中使用標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線是紡織電路的早期方法，導(dǎo)線是通過(guò)縫制或者剛性材料封裝的方式固定在織物表面，這種方式導(dǎo)電性好、工藝簡(jiǎn)單，但嚴(yán)重降低織物穿戴的舒適性[5]。將導(dǎo)電紗線與傳統(tǒng)織造工藝結(jié)合的方式形成柔性電路是目前織物電路的主要研究方向之一，通常采用機(jī)織、針織、刺繡等方法，將導(dǎo)電紗線引入織物結(jié)構(gòu)中形成導(dǎo)電線路。這種導(dǎo)電織物質(zhì)量輕、透氣性好，既具備普通織物的舒適性，又兼具優(yōu)異的導(dǎo)電性[6]。導(dǎo)電紗線的選擇是影響織物電路性能的重要因素，理想的紗線或織物應(yīng)具有完全可調(diào)的導(dǎo)電性能，并將保持這些性能，同時(shí)具有可編織、可彎曲和耐磨損等功能[7]。

導(dǎo)電紗線引入法采用的導(dǎo)電紗線主要分為以下幾種：1）導(dǎo)電金屬絲，如金、銀、銅、鎳等，是由金屬直接拉伸到較小的橫截面形成[8]。金屬絲具有優(yōu)異的導(dǎo)電性但是抗彎剛度較大，編織困難。2）金屬化纖維或紗線，主要由電鍍、化學(xué)沉積、涂覆等方法制得，如鍍銀紗線、銅離子纖維。制備的導(dǎo)電紗線有接近原紗線的優(yōu)良特性，但這種紗線在使用過(guò)程中導(dǎo)電層剝落、鍍層氧化[9]等問(wèn)題仍是亟待解決的難點(diǎn)。3）導(dǎo)電包覆紗，以導(dǎo)電金屬絲為芯紗，外層包覆非導(dǎo)電纖維或紗線[10]。此法制得的導(dǎo)電紗線，由于金屬絲位于芯部，可以很好地保護(hù)金屬絲，在一定程度上降低紗線磨損并起到絕緣作用。4）導(dǎo)電混紡紗，通過(guò)導(dǎo)電纖維和非導(dǎo)電纖維混合紡紗形成導(dǎo)電紗[11]。混紡導(dǎo)電紗對(duì)紡紗工藝要求較高，帶來(lái)制備困難、紗體內(nèi)導(dǎo)電纖維分布不勻等問(wèn)題。5）絕緣導(dǎo)電紗，對(duì)于某些織物結(jié)構(gòu)電路，為了避免使用過(guò)程導(dǎo)電紗相互接觸短路及保護(hù)導(dǎo)電紗線以減小磨損，在導(dǎo)電紗外層涂敷絕緣聚合物膜，以此制備的電路可以節(jié)省最終電路封裝程序。

1.1.2 機(jī)織法

機(jī)織物因其獨(dú)特的織造方式，在機(jī)織物中集成導(dǎo)電線路的方式主要有2種：一種是將導(dǎo)電紗和非導(dǎo)電紗交織形成電路，如圖1（a）所示。Li等[12]根據(jù)LED分布的位置在斜紋織物基底上設(shè)計(jì)導(dǎo)電線路，該機(jī)織物電路板具有多孔、柔性特性，應(yīng)變可達(dá)到30%，可與柔性傳感器或剛性電子元件連接。另一種方式是利用一維電子條的概念，以長(zhǎng)絲和延伸的形式實(shí)現(xiàn)靈活的模塊化電路。在機(jī)織物織造開(kāi)閉口過(guò)程中，形成一個(gè)類(lèi)似“口袋”的形狀，將制作的電子條沿著緯紗方向引入“口袋”從而形成柔性電路。Komolafe等[13-14]在“口袋”嵌入了一種柔性電路板，該電路由柔性基板、金屬線、電子元件等組成，這種方式制備的柔性電路可以隨時(shí)拆除，洗滌非電路部分。第一種方式制備電路導(dǎo)電紗位于織物表面，在后續(xù)使用過(guò)程易磨損失效;第二種方式制備的電路可以隨時(shí)拆卸而且電子條周?chē)喚€可對(duì)電路起到一定的保護(hù)作用，但是由于電子條具有一定剛性，此法也在一定程度降低織物舒適性。

機(jī)織過(guò)程中經(jīng)紗和緯紗都經(jīng)歷了顯著的軸向張力，因?yàn)閺埩Φ拇嬖冢瑥亩梢钥刂萍喚€軸向曲率，滿足更多種類(lèi)纖維或紗線在機(jī)織加工過(guò)程中的可編織性。機(jī)織經(jīng)緯向紗線交錯(cuò)可以形成穩(wěn)定性織物結(jié)構(gòu)，由此制備的電路確保電子元件能夠與互連線正確對(duì)齊。此外，機(jī)織結(jié)構(gòu)中三維角連鎖結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電紗線允許沿著或穿過(guò)織物，能更容易地傳輸信號(hào)。

1.1.3 針織法

針織物具有很高的靈活性和穿戴舒適性，使其在體育、醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的電子設(shè)備應(yīng)用上具有較高的發(fā)展?jié)摿?。針織物電路板的工作原理是利用?dǎo)電紗的線圈結(jié)構(gòu)，使電流沿著線圈橫列或縱行傳輸，如圖1（b）所示。相較于機(jī)織物，因?yàn)閺?fù)雜的線圈結(jié)構(gòu)，針織柔性電路設(shè)計(jì)更加困難。在眾多柔性電路應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)三維可拉伸及穩(wěn)定的電路對(duì)提高柔性電路可穿戴性具有重要意義[15]。李喬[16]制造了三維可拉伸針織柔性電路板，并證明了該電路板在多次三維沖頭疲勞實(shí)驗(yàn)中仍具有較好的導(dǎo)電性。針織物因其線圈結(jié)構(gòu)而不穩(wěn)定，制備的柔性電路板易被拉伸或扭曲，Lou等[17]為此提供了一種解決方案，采用雙包覆紗在帶有提花設(shè)備的鉤針機(jī)上設(shè)計(jì)針織圖案，制得的柔性電路較穩(wěn)定且具有多孔結(jié)構(gòu)，透氣性良好，該電路可與傳感器等電子元件結(jié)合，形成可穿戴的遠(yuǎn)紅外治療和健康監(jiān)測(cè)電子紡織品。

針織物在電子紡織品中已經(jīng)用于互連線和電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)。對(duì)用于人體運(yùn)動(dòng)和醫(yī)療的智能紡織品而言，為獲得準(zhǔn)確的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，需要傳感電路與皮膚貼身配置。這就要求設(shè)計(jì)的織物電路板應(yīng)具有與人體皮膚相當(dāng)?shù)牡湍Ａ考皟?yōu)異的彈性。針織物具有優(yōu)越的彈性，是理想的柔性電路基板，但是針織結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電紗線曲率較大，限制了導(dǎo)電紗線在材料和尺寸方面的選擇。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、靈活的針織柔性電路仍是人們需要探究的課題。

1.1.4 刺繡法

刺繡是在織物上集成電路的一種更簡(jiǎn)單的方法。刺繡法將緊密重疊的導(dǎo)電紗線縫合在織物基底上，形成各種導(dǎo)電圖案。傳統(tǒng)手工刺繡費(fèi)時(shí)費(fèi)力，近年來(lái)研究人員開(kāi)發(fā)了電子刺繡工藝，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可快速精確控制電路。Rehmi等[18]使用刺繡機(jī)將導(dǎo)電紗線在柔性基板上的金屬化接觸區(qū)刺繡，以產(chǎn)生導(dǎo)電連接。早期的刺繡電路通常與柔性非織物基板連接，在織物導(dǎo)電區(qū)集成各種電子元件。隨著智能紡織品的發(fā)展，對(duì)導(dǎo)電纖維和紗線提出了更高的要求，直接將電子功能賦予纖維或紗線，減少剛性電子元件的使用。近年來(lái)，許多研究[19-20]已經(jīng)采用物理或化學(xué)方法使紗線具有傳感性能，將傳感性能紗線與導(dǎo)電紗通過(guò)刺繡形成具有傳感性能的電路是未來(lái)刺繡法制備織物電路的主流方向。

刺繡法無(wú)須借助額外設(shè)備，可直接在織物中形成任意形狀的電路，但是導(dǎo)線穿過(guò)織物時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，因此要求導(dǎo)電紗線具有較高的強(qiáng)度和彈性，以免織造過(guò)程產(chǎn)生斷裂。刺繡法制備電路成本較低、工藝簡(jiǎn)單、靈活度高，更容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜導(dǎo)電圖案。因?yàn)榇汤C屬于織物后加工過(guò)程，導(dǎo)電線路可隨時(shí)除去和修改。但是刺繡在織物表面的導(dǎo)電線路較硬挺，降低了織物整體的延伸性，不適宜貼身織物的電路設(shè)計(jì)，減小了柔性電路的應(yīng)用范圍。

1.2 絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷是通過(guò)刮刀對(duì)絲網(wǎng)表面的漿料進(jìn)行移動(dòng)刮壓，使其透過(guò)絲網(wǎng)的圖案區(qū)域滲透到基底材料表面（圖2），從而實(shí)現(xiàn)圖案的印刷[21]。絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備柔性電路面臨諸多挑戰(zhàn)，許多研究已經(jīng)致力于優(yōu)化絲網(wǎng)印刷制備電路工藝，以獲得導(dǎo)電性能較好的柔性電路。首先，織物表面的粗糙度和孔隙率使均勻?qū)щ妼拥挠∷⑤^為復(fù)雜，為此李克偉等[22]嘗試了一種解決方案，采用PVA改性與PVC改性方式對(duì)柔性基底進(jìn)行改性處理，在柔性基底表面形成一層很薄的改性物質(zhì)層，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，制備的導(dǎo)電織物方塊電阻均小于10 Ω。其次，印刷的電路應(yīng)滿足一定機(jī)械性能，大多數(shù)的印刷是在低機(jī)械應(yīng)力下進(jìn)行的，印刷得到的柔性電路在拉伸過(guò)程中其電阻會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于復(fù)雜電路，導(dǎo)線電阻變化將會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作，因此常選用彈性較低的機(jī)織物作為基底;印刷涂層是不透明的，掩蓋了織物基底的顏色和圖案，急需尋找透明的導(dǎo)電油墨或者通過(guò)一定美學(xué)設(shè)計(jì)，以滿足柔性電路的實(shí)際應(yīng)用[23]。最后，高溫?zé)Y(jié)是絲網(wǎng)印刷必不可少的步驟，燒結(jié)影響紡織品的性質(zhì)，導(dǎo)致織物變形、手感硬化和變黃等問(wèn)題，Wang等[24]開(kāi)發(fā)了一種可以在低溫下燒結(jié)并具有良好的導(dǎo)電性和黏結(jié)強(qiáng)度的導(dǎo)電油墨及加工方法。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備導(dǎo)電線路工藝簡(jiǎn)單，已經(jīng)用于加工裝飾品，但每個(gè)印刷電子功能的油墨需要一個(gè)單獨(dú)的絲網(wǎng)，印刷材料成本高、浪費(fèi)大，限制了大面積柔性電路的制備。此外，制備的柔性電路板能否抵抗較大應(yīng)變和機(jī)器洗滌的高速旋轉(zhuǎn)，是否適宜大規(guī)模生產(chǎn)仍是需要解決的問(wèn)題。

1.3 噴墨打印

噴墨打印法是一種將墨水微滴噴射到基板上形成導(dǎo)電圖案的一種快速增材制造方法（圖3），這種方法具有非接觸、高分辨率、高精度、數(shù)字化快速成型的特點(diǎn)。噴墨打印不需要絲網(wǎng)，只需計(jì)算機(jī)圖像定義每層織物最終設(shè)計(jì)[25]，可自由設(shè)計(jì)導(dǎo)電圖案，在工業(yè)上定制大規(guī)模電路是可行的。噴墨打印電子紡織品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但若想此類(lèi)產(chǎn)品的商業(yè)開(kāi)發(fā)取得更大進(jìn)展[26]，仍有許多需要解決的難題。

噴墨打印面臨的首要困難是噴墨墨水和燒結(jié)工藝。銀粒子是印刷電子產(chǎn)品的首選材料，但分散的銀粒子會(huì)堵住噴嘴，通過(guò)對(duì)油墨配方、噴墨印刷工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高油墨印刷能力;打印后的圖案必須在高溫?zé)Y(jié)以獲得導(dǎo)電性，有研究者提出在室溫下使用光子燒結(jié)或者紅外燒結(jié)，以減少對(duì)織物基底的損傷。其次，噴墨打印沉積的固化導(dǎo)電材料的厚度通常小于1 μm，難以在表面較粗糙的織物上打印連續(xù)的導(dǎo)電層。常見(jiàn)的紡織品是由彎曲和交織的紗線構(gòu)成，織物表面紗線具有明顯的傾角，為了克服織物的粗糙度和孔隙率，Krykpayev等[27]提出了一種解決方法，在噴墨印刷前首先在織物基底打印一個(gè)界面層，界面層可以是絲網(wǎng)印刷的聚氨酯基介電層，界面層覆蓋織物表面，使其相對(duì)光滑，然后再通過(guò)噴墨打印集成一個(gè)完整的集成電路。但目前接口層所用的油墨價(jià)格昂貴，尋找其他可替代油墨是另一個(gè)需要探索的問(wèn)題。最后，噴墨打印的柔性電路可洗性與涂層和織物之間的附著力有關(guān)，根據(jù)所應(yīng)用領(lǐng)域，選擇合適的涂層材料制備可彎曲、適宜洗滌的噴墨打印電路。

2 織物柔性電路的應(yīng)用

通過(guò)內(nèi)置或嵌入到基于織物的電子網(wǎng)絡(luò)中，織物基板為傳感器和其他電子設(shè)備提供了巨大的部署機(jī)會(huì)，以創(chuàng)建大面積的電子系統(tǒng)。本文列出各種制備方法的優(yōu)劣及應(yīng)用領(lǐng)域，如表1所示?？椢锶嵝噪娐分饕糜谶B接傳感器、發(fā)光二極管[28]、織物天線[29-30]等電子元件，并最終用于裝飾、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、軍事等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)導(dǎo)電紗線引入法主要用于對(duì)電路要求不高的應(yīng)用，如裝飾及人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。常見(jiàn)的傳感器電路用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和健康，CHOW等[31]研究出了一種健身襪子用于運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)，在襪子基底上將導(dǎo)電紗線電路與織物壓阻式傳感器相連，導(dǎo)電電路與腳踝處的腳環(huán)相連，通過(guò)腳環(huán)與手機(jī)藍(lán)牙相連傳輸運(yùn)動(dòng)信息;電路連接發(fā)光二極管以達(dá)到照明電路及裝飾作用，有服裝設(shè)計(jì)師將LED燈集成到紗線上，再通過(guò)刺繡方式將紗線以設(shè)計(jì)圖案集成到節(jié)日服裝上用于裝飾[32]。

噴墨打印和絲網(wǎng)印刷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的精細(xì)控制，適于對(duì)電路高要求的應(yīng)用。如在織物基底上通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)形成柔性電路，連接織物天線用于數(shù)據(jù)傳輸可大幅減輕傳統(tǒng)天線設(shè)備質(zhì)量，這種天線設(shè)備的開(kāi)發(fā)對(duì)于醫(yī)療、軍隊(duì)裝備及個(gè)人識(shí)別等領(lǐng)域具有重要意義。

除了將電子元件附加在纖維或紗線上，紡織纖維或紗線本身可以用特殊涂層進(jìn)行功能化，以制造邏輯電路。有研究證明了將用于開(kāi)關(guān)目的的晶體管直接集成到織物纖維中，從而簡(jiǎn)化了電子紡織品的制造過(guò)程。

3 柔性電路的發(fā)展趨勢(shì)

目前，各種制備織物柔性電路板的方法均存在一些問(wèn)題，但隨著可穿戴智能紡織品微型化、智能化的快速發(fā)展，織物柔性電路的發(fā)展具有光明前景。

柔性電路應(yīng)具有趨同于紡織品的服用性能。電子元件附著在織物上，為傳統(tǒng)紡織品開(kāi)辟了新的特征，但如何保留傳統(tǒng)紡織品特性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在日常使用過(guò)程中，彎曲、剪切、透氣性和耐洗滌等特性對(duì)柔性電路的發(fā)展越來(lái)越重要[33]。

將現(xiàn)代技術(shù)集成到服裝中需要更為復(fù)雜精細(xì)的電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的智能紡織品電子系統(tǒng)[6]，這些電子系統(tǒng)具有各種功能，并均勻分布在整個(gè)織物上。隨著功能纖維的發(fā)展，這些功能纖維可直接整合到柔性電路中，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。

織物柔性電路的理想狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、低功耗的電流傳輸。未來(lái)柔性電路應(yīng)具有良好整體導(dǎo)電性及機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性的可持續(xù)柔性系統(tǒng)，目前相關(guān)研究較少，穩(wěn)定、低功耗電流對(duì)柔性電路的可靠性及使用壽命具有重要意義。

最后，與其他柔性電子元器件無(wú)縫連接。日益小型化的微電子元件和微機(jī)電系統(tǒng)使柔性電子元件與電路之間的無(wú)縫結(jié)合成為可能[5]。智能紡織品的無(wú)縫集成是實(shí)現(xiàn)舒適性及商業(yè)化不可缺少的因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

織物柔性電路的制備是智能可穿戴電子元件集成的重要一步，如何實(shí)現(xiàn)具有低功耗、高導(dǎo)電性，以及與織物完全契合的電路，仍是人們需要探索的問(wèn)題。隨著紡織技術(shù)及電子技術(shù)的進(jìn)步，柔性織物電路會(huì)向著生活需求的方向發(fā)展。

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