董琪婧，陳曉東，鄭 驤，邱 莉，韓 佳

（1.內蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080；2.青島智匯紡科技有限公司，山東 青島 266000）

目前，隨著納米技術的蓬勃發(fā)展，印刷電子技術逐漸走進人們的日常生活，并廣泛應用于各類電子器件，制作成紡織品。印刷電子信息技術是指將印制工藝和電子設備設計及制造過程相結合的一種新型信息技術。國內外基于印刷電子技術柔性傳感器等領域的研究有著很好的成果。

1 柔性印刷電子技術

柔性印刷電子技術的原理是使用具備電子功能的油墨，在柔性承印物上利用精密印刷技術來制作電子器件或電路，使印刷后的電路具備相應的電子功能。

1.1 印刷工藝

印刷主要分為接觸式印刷和非接觸式印刷。接觸式印刷主要分為絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷等；非接觸式印刷主要有凹版印刷[1]、膠版印刷等。相較于接觸式印刷，非接觸式印刷耗材更少，成本更低，步驟更簡便。

1.1.1 絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷的工藝已經(jīng)非常成熟，其使用的材料主要為絲網(wǎng)版、油墨、基底，器材主要有刮刀、印刷機、印刷臺，主要流程為：繃網(wǎng)→涂覆感光漿→烘干→曝光→印刷成品。

Darpan 等[2]采用絲網(wǎng)印刷的方式制備了一款配方簡單、環(huán)保的銀納米線墨水，并能夠在PDMS、PET、PI、玻璃和紡織品上印刷。程時榜[3]采用絲網(wǎng)印刷的方式，在110 ℃低溫固化15 min 條件下制備的碳電極耐磨次數(shù)達到3000 萬次以上。Zhou 等[4]用絲網(wǎng)印刷工藝在棉織物上構建了具備彎曲扭轉性能的柔性超級電容器。Hong 等[5]用絲網(wǎng)印刷的方式在6 種不同尼龍編織襯里織物上進行印刷后認為，孔徑和粗糙度越小，織物精度越高，印花精度與油墨在織物表面的動態(tài)接觸角和潤濕時間有很大關系。

1.1.2 噴墨印刷

噴墨印刷主要使用噴墨打印機，用油墨在基材上形成相對應的圖案，從而完成印刷的步驟。優(yōu)點是可以精確控制印刷圖案、淀積層的厚度尺寸，成本較低，制作工藝簡便。

Bae 等[6]使用碳納米管采用噴墨印刷的方式在織物結構印出導電電路，并將其制備成了一款具備高靈敏度、寬檢測范圍的印花織物的觸覺傳感器。

1.1.3 凹版印刷

如圖1 所示，凹版印刷是將印版滾筒放入油墨槽中沾滿油墨，將凸起的非印刷表面油墨刮掉，只在印刷的凹下部位留油墨，在壓力較大的情況下，將凹下部位的油墨印刷到承印物上。

圖1 凹版印刷設計圖

1.1.4 膠版印刷

膠版印刷主要是使圖文部分親油斥水，非印刷部分斥水親油來實現(xiàn)印刷。

1.1.5 小結

以上柔性印刷電子技術的研究表明，絲網(wǎng)印刷的應用已非常廣泛。目前絲網(wǎng)印刷已經(jīng)具備工藝簡單、通用性較好、速度快等優(yōu)點，因此被廣泛應用。噴墨和絲網(wǎng)印刷成本都相對較低，噴墨印刷基材薄膜均勻性差，圖案分辨率低，產(chǎn)量低。二者的主要區(qū)別是，噴墨印刷更精確，絲網(wǎng)印刷更均勻。噴墨機的噴頭容易堵塞和咖啡環(huán)效應的環(huán)狀結構，針對導電顆粒分布不均的情況對電路導電性產(chǎn)生影響。凹版印刷具備印版壽命長，質量穩(wěn)定，墨色有立體感的優(yōu)勢，但其缺點是工藝復雜，設備多，價格高，印刷量必須大，容易危害環(huán)境及人體健康。膠版印刷方式有著印刷質量好、成本低、周期短、高效等優(yōu)點，其缺點是工藝復雜，技術操作熟練度高，對材料局限性大。膠版印刷可以復刻原稿的色彩、層次，多用于包裝、海報、書籍等彩色型印刷物。

1.2 印刷油墨

印刷電子的核心部分是導電漿料，太陽能電池、柔性傳感器、薄膜開關等電子器件的制備離不開導電漿料。導電漿料一般由導電填料、助劑、溶劑和連結料組成，如圖2 所示。

圖2 導電漿料的組成

柔性電子設備的納米材料要求導電率好，抗氧化性強，穩(wěn)定性好。印刷油墨主要可分為導電材料、半導體材料、電介質材料。導電材料主要有銀粉末、銀包銅粉末、銅粉末等。李克偉[7]用銀包銅配制導電漿料制備并得到了RFID 標簽。鄒燕清[8]對制備好的柔性電路性能進行研究，使用導電銀漿在120℃固化2 h 得到了體積電阻率為9.8×10-5Ω·cm 的柔性電路。楊同同[9]使用碳材料，利用絲網(wǎng)印刷的方式制備了CA-SWCNT 傳感層，響應范圍達到了1.0×10-7M。介電材料主要有導電油墨顆粒，一般是有機聚合物材料，如聚苯乙烯、PVP 等。

以上印刷油墨的研究表明，納米銀墨是目前較成熟的印刷油墨，具有導電性好、穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)勢。碳墨穩(wěn)定性好，但其電阻過大，靈敏度較差，納米銅易被氧化。銅粉油墨易氧化，導致導電性能差。油墨的導電性、黏稠度、流平性等都關系到油墨質量的好壞，最終影響到印刷電極性能。部分油墨需要高溫固化，才能達到導電性良好的效果。

1.3 印刷基底材料

柔性電路是將電子元件安裝在柔性基板上組成的特殊電路，其特點表現(xiàn)為輕質、可彎曲、厚度小和柔軟。玻璃、復合材料、陶瓷、紙、織物[10-15]等均可作為印刷電路的基底。柔性基底主要有薄玻璃、金屬箔、高分子聚合物、紙質、織物等基底。國內外應用的織物基底主要有滌棉織物、PET 無紡布、棉織物、尼龍織物等?，F(xiàn)階段，基于剛性基材的電子器件仍處于主導地位，但隨著新興技術發(fā)展，基于柔性基材的電子器件也越來越多。

2 印刷電子器件

2.1 智能傳感標簽

智能傳感標簽可以實現(xiàn)自動識別的功能，由傳感材料與印刷技術結合制備而成，目前較為常見的是RFID、NFC[16]等。柔性印刷電子技術的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)工藝中蝕刻法制備REID 標簽的低效、高成本問題。采用柔性印刷電子技術制備出的REID 標簽不僅可以傳達包裝、互通數(shù)據(jù)、管理運輸?shù)刃畔ⅲ€簡化了工藝，同時滿足了高精度和柔性化的要求。

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器可分為壓阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式柔性傳感器，通過對壓力的感知來對應產(chǎn)生電阻變化。一般來說，壓力傳感器由傳感層和電極封裝組成，電極的制備離不開印刷電子技術。

壓阻式傳感器在壓力作用下通過對測試品施加一定壓力，使材料電阻率發(fā)生變化，從而將壓縮刺激轉換為可見電信號，其感應能力主要歸因于壓縮過程中整個材料中導電網(wǎng)絡的變化。電容式傳感器是根據(jù)外部壓力刺激電容器，通過影響極板間距，正對面積或介電值來使電容發(fā)生變化的，從而輸出相應的電信號。壓電式柔性傳感器主要通過正逆電效應受力產(chǎn)生電荷進行感知。該過程中傳感信號源自于在壓電材料受到外力時壓力對電信號的轉換，是對狀態(tài)改變時產(chǎn)生的電荷量的測定。

2.3 超級電容器

超級電容器根據(jù)能量轉換的原理工作，是用于儲能的新興器件，具有可快速充/放電、使用安全、長期穩(wěn)定運行等優(yōu)點。

柔性電子印刷技術的出現(xiàn)，解決了目前大多數(shù)超級電容器能量密度低、可循環(huán)性差等問題。柔性電容器較傳統(tǒng)電容器容量更大，穩(wěn)定性更好，通過減少原材料節(jié)約了成本，具有使用壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點。目前對于柔性超級電容器[17]的研究逐漸增多，與柔性電子印刷技術密切融合，具備廣泛的應用前景。

3 柔性印刷電子技術的應用

目前，印刷電路在RFID 標簽制備、柔性電容器、包裝、柔性電極制備、傳感器制備等方面有著廣泛的應用前景。朱磊等[18]以Ag NPs/石墨烯復合材料制備了水性環(huán)保導電油墨，制作了RFID 標簽。李曉燕等[19]用電子印刷技術制備了柔性微型電容器并對其進行相關研究。董鑫等[20]制備并探究了納米銀在包裝領域中的應用。趙芳菲等[21]利用柔性電子印刷技術制備了柔性織物電極，用以采集心電信號。

從涉及柔性印刷電子技術的科研文章的研究內容可知，柔性印刷電子技術已經(jīng)涉及到很多領域?？v觀最近十余年研究柔性印刷電子技術的文章數(shù)量，發(fā)現(xiàn)其總體趨勢是增加的，并在2014 年達到頂峰，而近幾年的研究略有下降但數(shù)量依然較大（見圖3）。

圖3 柔性印刷電子技術研究趨勢

4 印刷電子技術發(fā)展與現(xiàn)存的問題

迄今為止，柔性電子印刷技術現(xiàn)存的問題主要有：功能較為單一，能源供應可能達不到設備需求，可靠性較差；小批量生產(chǎn)時，成本優(yōu)勢難以體現(xiàn)。雖然印刷電子技術存在一些缺點，但其具備環(huán)境友好、柔性化、低成本、大面積等優(yōu)點。隨著工藝的成熟、新材料的探索發(fā)展以及科技的支持，預計柔性印刷電子技術將會更進一步。

5 結語

隨著時代的更迭，人們著裝時更為喜歡舒適性好的服裝，因此基于織物的柔性電子印刷技術還需進一步研究?，F(xiàn)階段，印刷電子技術發(fā)展已經(jīng)十分成熟，功能性油墨已經(jīng)成了主流研究趨勢。此外，對于柔性基底的選擇應用也是主攻方向之一。目前以織物為基底的印刷電子器件不占少數(shù)，如何提高性能將成為未來的研究方向。印刷電子技術目前主要應用在太陽能電池、傳感器、標簽等新興領域，其擁有柔性化、低成本、環(huán)境友好等優(yōu)點。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，預計基于織物的柔性電子印刷器件的發(fā)展將呈現(xiàn)出百花齊放的局面。