喷墨打印有望成为制造电子纺织品的新方法

据悉，在一项新研究中，来自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，以制作可用于设计未来可穿戴设备的电子纺织品。该研究成果5月14日发表在在 ACS Applied Materials & Interfaces上。

▲图片摘要

喷墨加工提供了通过具有新颖材料和加工策略的界面工程解决纺织品印刷电子产品当前挑战的机会。在IoT（物联网）时代，飙升的市场需求正转向柔性电子通常是可穿戴的，具有电子等多种功能，被嵌入到传统产品中。由于柔性电子的显著关注，柔性电子的加工策略包括传统的涂层方法，通过印刷进行图案化和气相沉积使研究人员能够将各种形式的日常用品开发到市场上推出的智能设备中。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将电子功能赋予纺织品，也称为电子纺织品（e-textiles）。电子纺织品开启了物联网中可穿戴电子设备的可能性，其中包含传感器（即心电图电极和捕捉身体运动的应变传感器、致动器（即发光设备）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)。在具有上述设备的可穿戴设备中开发连接系统尚未完成。然而，化学研究已经引入了全新的材料及其机制和加工策略，从而可以实现纺织品平台中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式因素，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中具有显着优势，因为来自人体的重要信号可以直接从大面积的纺织品中获得，而不同的生物信号，如心电图、脑电图、GSR、温度和湿度，可以在最佳位置获得，并且在日常活动中监测信号是可行的。因此，电子纺织品的需求已经多样化，而电子纺织品的研究仅限于在纺织品上应用单一导电材料。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，而进一步在传感系统、驱动、通信设备和能量存储设备中的应用受限于高功能纺织品，并且需要多种材料结构。

可以通过添加或嵌入不同的材料层来实现多种材料结构，这可能会导致器件结构庞大。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，由各向异性纤维束以独特的方式排列和缠结所产生的具有独特粗糙度的纺织品的多孔和柔性性质使喷墨印刷多层微电子技术极具挑战性。以前对多层纺织品电子器件结构的研究主要涉及层压薄膜，或与额外的纺织层组装。

虽然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“全喷墨-由于额外的层压过程，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都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。当谈到多层印刷电子纺织品时，能量存储和电容传感设备有望成为下一步的关注点。然而，夹在金属电极之间的喷墨打印聚合物电介质具有挑战性，因为电极容易通过具有低界面兼容性的聚合物电介质短路。

在此，研究人员提出了一种利用纺织品固有的微观结构、油墨-纤维界面和喷墨工艺优化的全喷墨印刷纺织品电容器的新方法。他们利用纺织品在电极水平和介电水平上的多孔结构，通过油墨的粘附和芯吸行为，然后是它们独特的化学反应。

▲图1. 薄膜和纺织品基材上的喷墨过程和油墨扩散行为示意图

研究人员通过印刷导电银墨水层来制造电子纺织品，就像在两种液体材料层周围形成三明治一样，它们充当绝缘体。他们将这些夹心层印在涤纶织物上。在这项研究中，在银底部电极完全绝缘的同时形成一个没有缺陷的坚固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 介电层上具有随机合并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 墨水通过纺织品的横截面方向流动和芯吸，留下顶面平整。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，他们使用显微镜监测了材料的表面。研究人员发现绝缘材料以及纺织纱线的化学特性对于保持液态银墨水的导电能力和防止其渗透多孔织物非常重要。

▲图2. 异种油墨的喷墨处理电容器结构；

(a)PET 薄膜和 PET 纺织品上的逐步喷墨过程和(b)薄膜和纺织品电容器的结构以及图案样品的光学图像

▲图3. 不同条件下喷墨打印样品的显微图像；

(a). 薄膜 2-2、薄膜 3-3、纺织品 3-1 和纺织品 3-3 中逐步过程的光学显微镜，(b) 在 UA 中通过激光共聚焦扫描在薄膜银上获得的 3D 形貌 2-2，(c) 薄膜 2-2 UA 上 PVP/PMF 中的 3D 形貌，(d) 纺织品 3-1 银上 UA 中的 3D 形貌，(e) 纺织品 3-3 银上 UA 中的 3D 形貌 ，和（f）纺织品 3-1（500 倍）的 SEM 横截面图像

研究人员在多次弯曲材料后评估了电子纺织品的电气性能。他们测试了100 多次弯曲循环，发现电子纺织品没有失去其电气性能。在未来的工作中，与使用需要特殊设施和大气条件的方法制造的电子纺织品相比，他们希望提高材料的电气性能，并提高材料的透气性。

最终，他们希望使用打印方法来创建一种电子纺织品，可用于可穿戴电子产品，例如可以跟踪心率的生物医学设备，或用作电池为电子设备存储电力。研究人员表示他们能够在织物上涂上一层既耐用又灵活的多层材料，它的美妙之处在于，可以用喷墨打印机完成了所有工作却没有使用任何层压或其他方法。

本文来源：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).