據(jù)悉，在一項新研究中，來自北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員證明他們可以在聚酯織物上打印多層導(dǎo)電油墨，以制作可用于設(shè)計未來可穿戴設(shè)備的電子紡織品。該研究成果5月14日發(fā)表在在 ACS Applied Materials & Interfaces上。

▲圖片摘要

噴墨加工提供了通過具有新穎材料和加工策略的界面工程解決紡織品印刷電子產(chǎn)品當(dāng)前挑戰(zhàn)的機(jī)會。在IoT（物聯(lián)網(wǎng)）時代，飆升的市場需求正轉(zhuǎn)向柔性電子通常是可穿戴的，具有電子等多種功能，被嵌入到傳統(tǒng)產(chǎn)品中。由于柔性電子的顯著關(guān)注，柔性電子的加工策略包括傳統(tǒng)的涂層方法，通過印刷進(jìn)行圖案化和氣相沉積使研究人員能夠?qū)⒏鞣N形式的日常用品開發(fā)到市場上推出的智能設(shè)備中。紡織品和服裝將是人類“穿著”行為的最傳統(tǒng)形式。

因此，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以將電子功能賦予紡織品，也稱為電子紡織品（e-textiles）。電子紡織品開啟了物聯(lián)網(wǎng)中可穿戴電子設(shè)備的可能性，其中包含傳感器（即心電圖電極和捕捉身體運動的應(yīng)變傳感器、致動器（即發(fā)光設(shè)備）的嵌入式功能和晶體管)、通信設(shè)備(即天線)和能源設(shè)備(即電容器、超級電容器、燃料電池、和能量收集器)。在具有上述設(shè)備的可穿戴設(shè)備中開發(fā)連接系統(tǒng)尚未完成。然而，化學(xué)研究已經(jīng)引入了全新的材料及其機(jī)制和加工策略，從而可以實現(xiàn)紡織品平臺中基于單系統(tǒng)的可穿戴技術(shù)的目標(biāo)。

在可穿戴電子產(chǎn)品中，由于需要嵌入功能的傳統(tǒng)形式因素，紡織品是研究最多的紡織品之一。此外，電子紡織品在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，因為來自人體的重要信號可以直接從大面積的紡織品中獲得，而不同的生物信號，如心電圖、腦電圖、GSR、溫度和濕度，可以在最佳位置獲得，并且在日常活動中監(jiān)測信號是可行的。因此，電子紡織品的需求已經(jīng)多樣化，而電子紡織品的研究僅限于在紡織品上應(yīng)用單一導(dǎo)電材料。紡織品上的單層電子材料可以簡單地用作電極來測量生物電勢，而進(jìn)一步在傳感系統(tǒng)、驅(qū)動、通信設(shè)備和能量存儲設(shè)備中的應(yīng)用受限于高功能紡織品，并且需要多種材料結(jié)構(gòu)。

可以通過添加或嵌入不同的材料層來實現(xiàn)多種材料結(jié)構(gòu)，這可能會導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)龐大。噴墨處理向我們展示了使用電子墨水進(jìn)行高效材料沉積的可能性。然而，由各向異性纖維束以獨特的方式排列和纏結(jié)所產(chǎn)生的具有獨特粗糙度的紡織品的多孔和柔性性質(zhì)使噴墨印刷多層微電子技術(shù)極具挑戰(zhàn)性。以前對多層紡織品電子器件結(jié)構(gòu)的研究主要涉及層壓薄膜，或與額外的紡織層組裝。

雖然他們在多層結(jié)構(gòu)開發(fā)方面的努力引起了極大的關(guān)注，但這些方法很難被認(rèn)為是真正的“全噴墨-由于額外的層壓過程，印刷紡織電子產(chǎn)品”。因此，大多數(shù)具有多種材料的印刷電子研究都是在光滑的平臺上進(jìn)行的，例如聚合物薄膜和薄金屬/硅薄膜。當(dāng)談到多層印刷電子紡織品時，能量存儲和電容傳感設(shè)備有望成為下一步的關(guān)注點。然而，夾在金屬電極之間的噴墨打印聚合物電介質(zhì)具有挑戰(zhàn)性，因為電極容易通過具有低界面兼容性的聚合物電介質(zhì)短路。

在此，研究人員提出了一種利用紡織品固有的微觀結(jié)構(gòu)、油墨-纖維界面和噴墨工藝優(yōu)化的全噴墨印刷紡織品電容器的新方法。他們利用紡織品在電極水平和介電水平上的多孔結(jié)構(gòu)，通過油墨的粘附和芯吸行為，然后是它們獨特的化學(xué)反應(yīng)。

▲圖1. 薄膜和紡織品基材上的噴墨過程和油墨擴(kuò)散行為示意圖

研究人員通過印刷導(dǎo)電銀墨水層來制造電子紡織品，就像在兩種液體材料層周圍形成三明治一樣，它們充當(dāng)絕緣體。他們將這些夾心層印在滌綸織物上。在這項研究中，在銀底部電極完全絕緣的同時形成一個沒有缺陷的堅固層對于防止與頂部電極短路非常重要。印在基材頂部的 UA 墨水在薄膜和紡織品基材上的表現(xiàn)會有所不同。與薄膜基材上的 UA 墨水不同，后者在 UA 介電層上具有隨機(jī)合并的液滴和明顯不同的厚度，紡織品基材是完全絕緣的，因為它們允許 UA 墨水通過紡織品的橫截面方向流動和芯吸，留下頂面平整。在他們打印出銀墨層和絕緣材料（由聚氨酯丙烯酸酯和聚(4-乙烯基苯酚) 制成）后，他們使用顯微鏡監(jiān)測了材料的表面。研究人員發(fā)現(xiàn)絕緣材料以及紡織紗線的化學(xué)特性對于保持液態(tài)銀墨水的導(dǎo)電能力和防止其滲透多孔織物非常重要。

▲圖2. 異種油墨的噴墨處理電容器結(jié)構(gòu)；

(a)PET 薄膜和 PET 紡織品上的逐步噴墨過程和(b)薄膜和紡織品電容器的結(jié)構(gòu)以及圖案樣品的光學(xué)圖像

▲圖3. 不同條件下噴墨打印樣品的顯微圖像；

(a). 薄膜 2-2、薄膜 3-3、紡織品 3-1 和紡織品 3-3 中逐步過程的光學(xué)顯微鏡，(b) 在 UA 中通過激光共聚焦掃描在薄膜銀上獲得的 3D 形貌 2-2，(c) 薄膜 2-2 UA 上 PVP/PMF 中的 3D 形貌，(d) 紡織品 3-1 銀上 UA 中的 3D 形貌，(e) 紡織品 3-3 銀上 UA 中的 3D 形貌 ，和（f）紡織品 3-1（500 倍）的 SEM 橫截面圖像

研究人員在多次彎曲材料后評估了電子紡織品的電氣性能。他們測試了100 多次彎曲循環(huán)，發(fā)現(xiàn)電子紡織品沒有失去其電氣性能。在未來的工作中，與使用需要特殊設(shè)施和大氣條件的方法制造的電子紡織品相比，他們希望提高材料的電氣性能，并提高材料的透氣性。

最終，他們希望使用打印方法來創(chuàng)建一種電子紡織品，可用于可穿戴電子產(chǎn)品，例如可以跟蹤心率的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，或用作電池為電子設(shè)備存儲電力。研究人員表示他們能夠在織物上涂上一層既耐用又靈活的多層材料，它的美妙之處在于，可以用噴墨打印機(jī)完成了所有工作卻沒有使用任何層壓或其他方法。

本文來源：Inhwan Kim et al, Microstructures in All-Inkjet-Printed Textile Capacitors with Bilayer Interfaces of Polymer Dielectrics and metal–Organic Decomposition Silver Electrodes, ACS Applied Materials & Interfaces (2021).