肖淵+蔣龍+陳蘭+張丹+劉金玲

摘要：本文從當(dāng)前織物表面導(dǎo)電線路的成形方法、應(yīng)用等方面著手，對其現(xiàn)有的成形方法進(jìn)行綜述，指出各成形方法存在的問題，如工藝復(fù)雜、柔韌性差、成本高等，并提出了一種新型織物表面導(dǎo)電線路成形方法 ——微滴噴射自由成形導(dǎo)電線路技術(shù)。此外，還闡述了導(dǎo)電線路在智能紡織品、信息傳輸、醫(yī)療保健等領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對不同的成形方法進(jìn)行了總結(jié)，并指出織物導(dǎo)電線路應(yīng)朝著智能化、集成化、舒適性、成本低等方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能紡織品；導(dǎo)電線路；絲網(wǎng)印刷；微滴噴射

中圖分類號：TS101；TH16

文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)，一般由傳感器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)處理、通信和電源等組成，因傳統(tǒng)電路板為一固體結(jié)構(gòu)，無法隨織物一起變形，從而影響織物的使用性能，因此實現(xiàn)基于織物的導(dǎo)電線路柔性化制備已成為電子信息系統(tǒng)各元件在織物上有效集成的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)已對織物導(dǎo)電線路的成形方法展開相關(guān)研究，為進(jìn)一步理清其發(fā)展方向，本文主要對目前織物表面導(dǎo)電線路的成形方法：植入金屬絲或?qū)щ娎w維、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印等方法進(jìn)行綜述，對各種成形方法的特點進(jìn)行總結(jié)。同時分析織物表面導(dǎo)電線路在智能服裝、信息傳輸、醫(yī)療保健等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并對導(dǎo)電線路成形技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1織物導(dǎo)電線路制備技術(shù)

1.1傳統(tǒng)成形方法

常見的采用傳統(tǒng)工藝在織物上成形導(dǎo)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(dǎo)電線路織物，完成織物中各電子元件的集成，這種導(dǎo)電織物具有透氣性好、耐洗滌、壽命長等特點。

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)針對此方法在織物上成形導(dǎo)電線路展開相關(guān)研究。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)通過在織物內(nèi)植入銅導(dǎo)線來成形導(dǎo)電線路，測得其電阻在120～320Ω之間，傳輸頻率最高可達(dá)6GHz，導(dǎo)線間的信號串?dāng)_比由7.2%降低至2.8%；美國北卡羅來納州立大學(xué)通過在織物內(nèi)植入同軸雙絞銅線來成形導(dǎo)電線路，研究發(fā)現(xiàn)，該種方式相比于織物內(nèi)植入裸露的銅導(dǎo)線，可有效地降低電子織物網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線間的信號串?dāng)_比；波蘭羅茲工業(yè)大學(xué)采用編織技術(shù)在織物內(nèi)植入銅導(dǎo)線，并指出，織物基板的濕度對導(dǎo)線信號傳輸?shù)念l率范圍有較大影響，圖1所示為羅茲工業(yè)大學(xué)采用銅導(dǎo)線和編織方式制備的織物導(dǎo)電線路。此外，日本三菱公司采用復(fù)合紡絲技術(shù)在織物上集成導(dǎo)電纖維和銅導(dǎo)線來成形導(dǎo)電線路。國內(nèi)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(nèi)植入金屬長絲和DDY-2白色芯復(fù)合導(dǎo)電纖維來成形導(dǎo)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(tǒng)方法成形的織物導(dǎo)電線路在抗靜電、防電磁波領(lǐng)域獲得較多的應(yīng)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(guī)模生產(chǎn)。

1.2絲網(wǎng)印刷成形法

隨著納米材料技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，出現(xiàn)了具有導(dǎo)電功能的納米材料，使得絲網(wǎng)印刷技術(shù)成為在織物表面成形導(dǎo)電線路較為靈活的方法。

絲網(wǎng)印刷技術(shù)是將含有導(dǎo)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(dǎo)電線路。近10年來，許多研究機構(gòu)針對絲網(wǎng)印刷技術(shù)在不同材料基板上成形導(dǎo)電線路進(jìn)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(dǎo)電線路應(yīng)用于可穿戴式計算機和LED照明電路、織物壓力傳感器等領(lǐng)域。

目前，對于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的研究，國外韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)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(dǎo)電線路；蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)在織物上印制方阻為0.15Ω/□的導(dǎo)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(tǒng)的藍(lán)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(dǎo)電線路，圖2和圖3所示分別為北卡羅來納州立大學(xué)在Evolon和Tyvek？基板材料上成形的導(dǎo)電線路。此外，加州大學(xué)圣地亞哥分校與臺灣中原大學(xué)也在織物上分別印制了寬度為0.2mm和1.5mm的導(dǎo)電線路。

絲網(wǎng)印刷具有工藝簡單等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)織物表面導(dǎo)電線路的成形，但由于絲網(wǎng)印刷網(wǎng)格的存在，使得成形導(dǎo)電線路的寬度受限，影響其分辨率，且成形的導(dǎo)電線路后續(xù)還需要進(jìn)行燒結(jié)處理，以增強成形線路的致密性，增大導(dǎo)電率，但較高的燒結(jié)溫度會對織物材料的性能產(chǎn)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(shù)成形法

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

英國南安普頓大學(xué)YiLi等人利用噴墨打印技術(shù)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(jìn)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(xué)院GregoryD.Abowd與東京大學(xué)YoshihiroKawahara等人在兩種紙張上采用噴墨打印成形出導(dǎo)線寬度為310μm、方阻分別為0.21Ω/□和1.3Ω/□的導(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)致方阻增大，其成形的導(dǎo)線如圖4所示。此外，英國利茲大學(xué)對采用噴墨打印技術(shù)在棉織物上、亞茲德大學(xué)對采用噴墨打印技術(shù)在織物和PET薄膜上成形導(dǎo)電線路進(jìn)行了研究。

噴墨打印成形導(dǎo)電線路技術(shù)具有成形工藝簡單、速度快等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電線路的精確成形，但由于商業(yè)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(dǎo)電線路成形的流程簡單、低成本的制造方法已成為當(dāng)務(wù)之急。

微滴噴射自由成形技術(shù)是在噴墨打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，該技術(shù)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(yōu)點，且噴嘴孔徑能根據(jù)需要改變，是一種頗具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧铣尚畏椒?。美國麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)歐文分校，加拿大多倫多大學(xué)，國內(nèi)的華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京有色研究金屬總院、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等研究機構(gòu)針對該技術(shù)在電子封裝、微光學(xué)器件成形、快速成型制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用開展了相關(guān)研究。該技術(shù)可方便與計算機技術(shù)結(jié)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(dǎo)電路徑，在當(dāng)前導(dǎo)電織物制備工藝復(fù)雜、成本高的現(xiàn)狀下，有望為織物導(dǎo)電線路的制備開辟一種新的思路。

2導(dǎo)電織物的應(yīng)用領(lǐng)域

由于織物導(dǎo)電線路具有較高的應(yīng)用價值，國外許多機構(gòu)針對其在智能紡織品、信息傳輸、醫(yī)療保健等領(lǐng)域的應(yīng)用展開了相關(guān)研究。

2.1智能紡織品

瑞典布羅斯大學(xué)與芬蘭坦佩雷技術(shù)大學(xué)設(shè)計了一種基于導(dǎo)電纖維織物的應(yīng)變傳感器，能夠檢測織物的局部應(yīng)變；三星先進(jìn)技術(shù)研究院JihyunBae與韓國公州國立大學(xué)KyungHwaHong等人利用鍍銀的尼龍絲和導(dǎo)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(shù)協(xié)會制作了一種穿著者通過觸摸衣服上的導(dǎo)線即可演奏音樂的音樂夾克，該音樂夾克無需大量導(dǎo)電線路和電子元件，主要有鍵盤、合成器和擴音器等音樂設(shè)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(jié)合，使得其在信息傳輸、智能檢測等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，為微電子產(chǎn)品開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，也為微電子制造提供了新的應(yīng)用方向。

美國麻省理工學(xué)院采用導(dǎo)電纖維和絕緣纖維紗線研制了可實現(xiàn)壓力檢測的織物，當(dāng)織物感受到施加的壓力時，可引起電信號的變化，實現(xiàn)電流在導(dǎo)電纖維上導(dǎo)通。日本太陽公司利用碳纖維研發(fā)了一種可用于樓房、橋梁、機械、煙囪、滑索等結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測的傳感器，可用于建筑物等結(jié)構(gòu)的安全診斷；蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)通過在織物內(nèi)植入傳感器等組件，實現(xiàn)了在織物上進(jìn)行信息的傳輸。

2.3醫(yī)療保健

在織物中植入微小型醫(yī)療器件制成的醫(yī)療監(jiān)護(hù)服，對于醫(yī)務(wù)工作者實時監(jiān)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(fā)了一種可用來檢測氧氣濃度、空氣濕度和病菌數(shù)量等參數(shù)的智能繃帶，它能將檢測的數(shù)據(jù)存儲于電腦中，為治療方案提供精確依據(jù)。美國加州生命襯衫公司、Sensatex公司分別開發(fā)出“生命襯衫”和智能監(jiān)護(hù)服，它們將以更為舒適便捷的方式對病人進(jìn)行系統(tǒng)的健康監(jiān)測，并且能夠協(xié)助醫(yī)務(wù)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(jié)語

通過對織物導(dǎo)電線路的成形方法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)成形方法成形的導(dǎo)電線路具有穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高等優(yōu)點，但存在成形工藝復(fù)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(yán)重影響了織物本身固有的性能；絲網(wǎng)印刷技術(shù)成形的導(dǎo)電織物雖具有清潔性好、工藝簡單等優(yōu)點，但存在后處理工藝要求高、導(dǎo)線寬度受限、分辨率低、材料浪費嚴(yán)重等問題；噴墨打印技術(shù)具有成形速度快、成形范圍廣等優(yōu)點，亦同樣存在后處理工藝要求高、成本高等問題。當(dāng)前，隨著織物導(dǎo)電線路成形技術(shù)的快速發(fā)展，織物導(dǎo)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(fā)展，開發(fā)集成不同處理方法的組合工藝技術(shù)，實現(xiàn)織物導(dǎo)電線路的低成本、短流程制造具有極大的實用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Agrawal P，Brinks G，Gooijer H.Functional inkjet printing on textiles：challenges and opportunities[J].Conf erenteOnderzoek voor een vitale regio，2012（1）：1-5.

[2] 伏廣偉，湛權(quán).民用防電磁輻射服裝的開發(fā)及屏蔽效能評價[J].紡織導(dǎo)報，2010（1）：88-90.

[3] Didier Cottet，Januse Grzyb，Tünde Kirsten，et al.Electrical characterization of textile transmission lines[J].IEEE Transactions on Advanced Packing，2003，26（2）：182-190.

[4] Dhawan A，Ghosh T K，Seyam A M，et al.Woven fabric based electrical circuits Part II：yarn and fabric structures to reduce crosstalk[J].Textile Research Journal，2004，74（11）：955-960.

[5] Le？nikowski J.Textile transmission lines in the modern textronic clothes[J].FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe，2011，19（6）：89-93.

[6] 劉愛平，導(dǎo)電纖維的發(fā)展與應(yīng)用[J].廣西紡織科技，2008，37（4）：36-38.

[7] 丁彩玲，王少華，張慶娟，等.抗靜電、防電磁波精紡毛織物的開發(fā)[J].毛紡科技，2008（5）：36-37.

[8] 侯慶華.白色復(fù)合導(dǎo)電纖維DDY-2的研制 第3報 導(dǎo)電織物及其抗靜電性能[J].合成纖維，2005（11）：43-45.

[9] Yongsang Kim，Hyejung Kim，Hoi-Jun Yoo.Electral characterization of screen–printed circuits on the fabric[J].IEEE Transaction on Advanced Packaging，2010，33（1）：196-205.

[10] Locher Ivo，Gerhard Tr？ster.Screen-printed textile transmission lines[J].Textile Research Journal，2007，77（11）：837-842.

[11] Merilampi S，Laine-Ma T，Ruuskanen P.The characterization of electrically conductive silver ink patterns on flexible substrates[J]. Microelectronics reliability，2009，49（7）：782-790.

[12] Yang Y L，Chuang M C，Lou S L，et al.Thick-film textile-based amperometric sensors and biosensors[J]. Analyst，2010，135（6）：1230-1234.

[13] Yi Li.Inkjet printed flexible antenna on textile for wearable applications[A].In：Russel Torah，Steve Beeby，John Tudor. 2012 Textile Institute World Conference[C].ePrints Soton，2012.

[14] Yoshihiro Kawahara，Steve Hodges，Benjam S Cook，et al. Instant inkjet circuits：lab-based inkjet printing to support rapid prototyping of ubiComp devices [J].UbiComp13，2014（1）：363-372.

[15] Bidoki S M，McGorman D，Lewis D M，et al.Inkjet printing of conductive patterns on textile fabrics[J].AATCC review，2005，5（6）：17-22.

[16] Bidoki S M，Nouri J，Heidari A A.Inkjet deposited circuit components[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20（5）：55023-55029.

[17] Li Guo，Lena Berglin，Heikki Mattila.Improvement of electromechanical properties of strain sensors made of elastic-conductive hybrid yarns[J].Textile Research Journal，2012，82（19）：1937-1947.

[18] Jihyun Bae，Kyung Hwa Hong.Electrical properties of conductive fabrics for operating capacitive touch screen displays[J].Textile Research Journal，2013，83（4）：329-336.

[19] 黃鶴，嚴(yán)灝景.智能紡織品[J].印染，2005，31（7）：47-49.

[20] 陶肖明，張興祥.智能纖維的現(xiàn)狀與未來[J].棉紡織技術(shù)，2002，30（3）：11-16.

[21] 沈新元，沈云.智能纖維的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].合成纖維工業(yè)，2001，24（1）：1-5.

[22] Zysset C，Cherenack K，Kinkeldei T，et al.Weaving integrated circuits into textiles[A].In：Cherenack K，Kinkeeldei T，Tr？ster G.Wearable Computers （ISWC），2010 International Symposium on Zürich[C].IEEE，2010：1-8.

[23] 李雯，莊勤亮.導(dǎo)電纖維及其智能紡織品的發(fā)展現(xiàn)狀[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2003（8）：1-3.

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(tǒng)等。

作者單位：西安工程大學(xué)機電學(xué)院。

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