基于织物的柔性电路制备方法及应用研究进展

王瑾 缪旭红

摘要： 智能可穿戴技术的快速发展，使得以织物为基底的柔性电路因其优异的柔性和透气性，受到广泛关注。文章综述了几种常用的织物柔性电路的制备方法，并指出这些方法在柔性、工艺、规模化生产等方面存在的问题;其次，结合智能纺织品的应用，总结了织物柔性电路在传感器、发光二极管和织物天线等领域的应用;最后，对织物柔性电路在智能可穿戴系统中存在的问题，提出织物柔性电路应具有趋同服用的性能、实现更为复杂的电路设计、保证稳定低功耗的电流传输及无缝集成等特性，为织物柔性电路发展提供方向。

关键词： 智能纺织品;柔性电路;导电纱线;导电油墨;针织

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

随着科技发展及人们对更舒适生活的向往，智能纺织品的需求逐年增长，尤其是在运动识别、健康监测等领域。智能纺织品的电子信息系统一般由电路、传感器、数据处理和电源等组成[1]。织物导电线路将各主要电子元件连接起来，是智能纺织品的重要组成部分[2]。传统的智能纺织品通常由较粗的电线将刚性材料或半导体与织物结合[3]，其笨重、易磨损且无法随织物变形等缺点不能满足人们生活多元化的需求，由此催生了一种轻便、柔软与人体皮肤贴合的柔性电路。柔性电路有将金属纳米颗粒、金属氧化物、导电聚合物[4]等导电材料与柔性衬底如纸张、塑料、硅胶等掺杂复合而成的电路，这种柔性电路通常具有较高的弹性和耐磨性，但透气性差;相比之下，以织物为基底的柔性电路具有更为理想的柔性和透气性，几乎可以实现任意角度的弯曲、扭转、拉伸等变形，能够满足日常生活的使用要求。

本文详细介绍了几种常见的柔性电路的制备方法：导电纱线引入法、丝网印刷法和喷墨打印法。讨论了各种方法制备的织物柔性电路在导电性、可穿戴性、耐用性等方面的优劣，指出柔性电路制备过程中亟需解决的问题。同时分析织物柔性电路的应用领域，并对未来织物柔性电路的发展前景进行了展望。

1 柔性电路制备方法

1.1 导电纱线引入法

1.1.1 导电纱线

导电纱线引入法制备电路的一个重要步骤是找到适宜织造的导电纱线，这些导电纱线应对人体及织物结构无影响。在织物中使用标准的导线是纺织电路的早期方法，导线是通过缝制或者刚性材料封装的方式固定在织物表面，这种方式导电性好、工艺简单，但严重降低织物穿戴的舒适性[5]。将导电纱线与传统织造工艺结合的方式形成柔性电路是目前织物电路的主要研究方向之一，通常采用机织、针织、刺绣等方法，将导电纱线引入织物结构中形成导电线路。这种导电织物质量轻、透气性好，既具备普通织物的舒适性，又兼具优异的导电性[6]。导电纱线的选择是影响织物电路性能的重要因素，理想的纱线或织物应具有完全可调的导电性能，并将保持这些性能，同时具有可编织、可弯曲和耐磨损等功能[7]。

导电纱线引入法采用的导电纱线主要分为以下几种：1）导电金属丝，如金、银、铜、镍等，是由金属直接拉伸到较小的横截面形成[8]。金屬丝具有优异的导电性但是抗弯刚度较大，编织困难。2）金属化纤维或纱线，主要由电镀、化学沉积、涂覆等方法制得，如镀银纱线、铜离子纤维。制备的导电纱线有接近原纱线的优良特性，但这种纱线在使用过程中导电层剥落、镀层氧化[9]等问题仍是亟待解决的难点。3）导电包覆纱，以导电金属丝为芯纱，外层包覆非导电纤维或纱线[10]。此法制得的导电纱线，由于金属丝位于芯部，可以很好地保护金属丝，在一定程度上降低纱线磨损并起到绝缘作用。4）导电混纺纱，通过导电纤维和非导电纤维混合纺纱形成导电纱[11]。混纺导电纱对纺纱工艺要求较高，带来制备困难、纱体内导电纤维分布不匀等问题。5）绝缘导电纱，对于某些织物结构电路，为了避免使用过程导电纱相互接触短路及保护导电纱线以减小磨损，在导电纱外层涂敷绝缘聚合物膜，以此制备的电路可以节省最终电路封装程序。

1.1.2 机织法

机织物因其独特的织造方式，在机织物中集成导电线路的方式主要有2种：一种是将导电纱和非导电纱交织形成电路，如图1（a）所示。Li等[12]根据LED分布的位置在斜纹织物基底上设计导电线路，该机织物电路板具有多孔、柔性特性，应变可达到30%，可与柔性传感器或刚性电子元件连接。另一种方式是利用一维电子条的概念，以长丝和延伸的形式实现灵活的模块化电路。在机织物织造开闭口过程中，形成一个类似“口袋”的形状，将制作的电子条沿着纬纱方向引入“口袋”从而形成柔性电路。Komolafe等[13-14]在“口袋”嵌入了一种柔性电路板，该电路由柔性基板、金属线、电子元件等组成，这种方式制备的柔性电路可以随时拆除，洗涤非电路部分。第一种方式制备电路导电纱位于织物表面，在后续使用过程易磨损失效;第二种方式制备的电路可以随时拆卸而且电子条周围纱线可对电路起到一定的保护作用，但是由于电子条具有一定刚性，此法也在一定程度降低织物舒适性。

机织过程中经纱和纬纱都经历了显著的轴向张力，因为张力的存在，从而可以控制纱线轴向曲率，满足更多种类纤维或纱线在机织加工过程中的可编织性。机织经纬向纱线交错可以形成稳定性织物结构，由此制备的电路确保电子元件能够与互连线正确对齐。此外，机织结构中三维角连锁结构的导电纱线允许沿着或穿过织物，能更容易地传输信号。

1.1.3 针织法

针织物具有很高的灵活性和穿戴舒适性，使其在体育、医学和其他领域的电子设备应用上具有较高的发展潜力。针织物电路板的工作原理是利用导电纱的线圈结构，使电流沿着线圈横列或纵行传输，如图1（b）所示。相较于机织物，因为复杂的线圈结构，针织柔性电路设计更加困难。在众多柔性电路应用中，如何实现三维可拉伸及稳定的电路对提高柔性电路可穿戴性具有重要意义[15]。李乔[16]制造了三维可拉伸针织柔性电路板，并证明了该电路板在多次三维冲头疲劳实验中仍具有较好的导电性。针织物因其线圈结构而不稳定，制备的柔性电路板易被拉伸或扭曲，Lou等[17]为此提供了一种解决方案，采用双包覆纱在带有提花设备的钩针机上设计针织图案，制得的柔性电路较稳定且具有多孔结构，透气性良好，该电路可与传感器等电子元件结合，形成可穿戴的远红外治疗和健康监测电子纺织品。

针织物在电子纺织品中已经用于互连线和电子设备的开发。对用于人体运动和医疗的智能纺织品而言，为获得准确的生理信号监测，需要传感电路与皮肤贴身配置。这就要求设计的织物电路板应具有与人体皮肤相当的低模量及优异的弹性。针织物具有优越的弹性，是理想的柔性电路基板，但是针织结构中的导电纱线曲率较大，限制了导电纱线在材料和尺寸方面的选择。如何实现复杂的、灵活的针织柔性电路仍是人们需要探究的课题。

1.1.4 刺绣法

刺绣是在织物上集成电路的一种更简单的方法。刺绣法将紧密重叠的导电纱线缝合在织物基底上，形成各种导电图案。传统手工刺绣费时费力，近年来研究人员开发了电子刺绣工艺，通过计算机辅助设计可快速精确控制电路。Rehmi等[18]使用刺绣机将导电纱线在柔性基板上的金属化接触区刺绣，以产生导电连接。早期的刺绣电路通常与柔性非织物基板连接，在织物导电区集成各种电子元件。随着智能纺织品的发展，对导电纤维和纱线提出了更高的要求，直接将电子功能赋予纤维或纱线，减少刚性电子元件的使用。近年来，许多研究[19-20]已经采用物理或化学方法使纱线具有传感性能，将传感性能纱线与导电纱通过刺绣形成具有传感性能的电路是未来刺绣法制备织物电路的主流方向。

刺绣法无须借助额外设备，可直接在织物中形成任意形状的电路，但是导线穿过织物时会发生弯曲，因此要求导电纱线具有较高的强度和弹性，以免织造过程产生断裂。刺绣法制备电路成本较低、工艺简单、灵活度高，更容易实现复杂导电图案。因为刺绣属于织物后加工过程，导电线路可随时除去和修改。但是刺绣在织物表面的导电线路较硬挺，降低了织物整体的延伸性，不适宜贴身织物的电路设计，减小了柔性电路的应用范围。

1.2 丝网印刷

丝网印刷是通过刮刀对丝网表面的浆料进行移动刮压，使其透过丝网的图案区域渗透到基底材料表面（图2），从而实现图案的印刷[21]。丝网印刷技术制备柔性电路面临诸多挑战，许多研究已经致力于优化丝网印刷制备电路工艺，以获得导电性能较好的柔性电路。首先，织物表面的粗糙度和孔隙率使均匀导电层的印刷较为复杂，为此李克伟等[22]尝试了一种解决方案，采用PVA改性与PVC改性方式对柔性基底进行改性处理，在柔性基底表面形成一层很薄的改性物质层，然后进行丝网印刷，制备的导电织物方块电阻均小于10 Ω。其次，印刷的电路应满足一定机械性能，大多数的印刷是在低机械应力下进行的，印刷得到的柔性电路在拉伸过程中其电阻会发生变化。对于复杂电路，导线电阻变化将会影响整个电路的正常工作，因此常选用弹性较低的机织物作为基底;印刷涂层是不透明的，掩盖了织物基底的颜色和图案，急需寻找透明的导电油墨或者通过一定美学设计，以满足柔性电路的实际应用[23]。最后，高温烧结是丝网印刷必不可少的步骤，烧结影响纺织品的性质，导致织物变形、手感硬化和变黄等问题，Wang等[24]开发了一种可以在低温下烧结并具有良好的导電性和黏结强度的导电油墨及加工方法。

丝网印刷技术制备导电线路工艺简单，已经用于加工装饰品，但每个印刷电子功能的油墨需要一个单独的丝网，印刷材料成本高、浪费大，限制了大面积柔性电路的制备。此外，制备的柔性电路板能否抵抗较大应变和机器洗涤的高速旋转，是否适宜大规模生产仍是需要解决的问题。

1.3 喷墨打印

喷墨打印法是一种将墨水微滴喷射到基板上形成导电图案的一种快速增材制造方法（图3），这种方法具有非接触、高分辨率、高精度、数字化快速成型的特点。喷墨打印不需要丝网，只需计算机图像定义每层织物最终设计[25]，可自由设计导电图案，在工业上定制大规模电路是可行的。喷墨打印电子纺织品已经进入市场，但若想此类产品的商业开发取得更大进展[26]，仍有许多需要解决的难题。

喷墨打印面临的首要困难是喷墨墨水和烧结工艺。银粒子是印刷电子产品的首选材料，但分散的银粒子会堵住喷嘴，通过对油墨配方、噴墨印刷工艺进行优化，提高油墨印刷能力;打印后的图案必须在高温烧结以获得导电性，有研究者提出在室温下使用光子烧结或者红外烧结，以减少对织物基底的损伤。其次，喷墨打印沉积的固化导电材料的厚度通常小于1 μm，难以在表面较粗糙的织物上打印连续的导电层。常见的纺织品是由弯曲和交织的纱线构成，织物表面纱线具有明显的倾角，为了克服织物的粗糙度和孔隙率，Krykpayev等[27]提出了一种解决方法，在喷墨印刷前首先在织物基底打印一个界面层，界面层可以是丝网印刷的聚氨酯基介电层，界面层覆盖织物表面，使其相对光滑，然后再通过喷墨打印集成一个完整的集成电路。但目前接口层所用的油墨价格昂贵，寻找其他可替代油墨是另一个需要探索的问题。最后，喷墨打印的柔性电路可洗性与涂层和织物之间的附着力有关，根据所应用领域，选择合适的涂层材料制备可弯曲、适宜洗涤的喷墨打印电路。

2 织物柔性电路的应用

通过内置或嵌入到基于织物的电子网络中，织物基板为传感器和其他电子设备提供了巨大的部署机会，以创建大面积的电子系统。本文列出各种制备方法的优劣及应用领域，如表1所示。织物柔性电路主要用于连接传感器、发光二极管[28]、织物天线[29-30]等电子元件，并最终用于装饰、运动监测、医疗健康、军事等领域。

传统导电纱线引入法主要用于对电路要求不高的应用，如装饰及人体运动监测。常见的传感器电路用于监测人体运动和健康，CHOW等[31]研究出了一种健身袜子用于运动和健康监测，在袜子基底上将导电纱线电路与织物压阻式传感器相连，导电电路与脚踝处的脚环相连，通过脚环与手机蓝牙相连传输运动信息;电路连接发光二极管以达到照明电路及装饰作用，有服装设计师将LED灯集成到纱线上，再通过刺绣方式将纱线以设计图案集成到节日服装上用于装饰[32]。

喷墨打印和丝网印刷可以实现对电路的精细控制，适于对电路高要求的应用。如在织物基底上通过丝网印刷技术形成柔性电路，连接织物天线用于数据传输可大幅减轻传统天线设备质量，这种天线设备的开发对于医疗、军队装备及个人识别等领域具有重要意义。

除了将电子元件附加在纤维或纱线上，纺织纤维或纱线本身可以用特殊涂层进行功能化，以制造逻辑电路。有研究证明了将用于开关目的的晶体管直接集成到织物纤维中，从而简化了电子纺织品的制造过程。

3 柔性电路的发展趋势

目前，各种制备织物柔性电路板的方法均存在一些问题，但随着可穿戴智能纺织品微型化、智能化的快速发展，织物柔性电路的发展具有光明前景。

柔性电路应具有趋同于纺织品的服用性能。电子元件附着在织物上，为传统纺织品开辟了新的特征，但如何保留传统纺织品特性是一个关键问题。在日常使用过程中，弯曲、剪切、透气性和耐洗涤等特性对柔性电路的发展越来越重要[33]。

将现代技术集成到服装中需要更为复杂精细的电路设计，以实现一个完整的智能纺织品电子系统[6]，这些电子系统具有各种功能，并均匀分布在整个织物上。随着功能纤维的发展，这些功能纤维可直接整合到柔性电路中，从而实现更为复杂的电路设计。

织物柔性电路的理想状态是实现稳定、低功耗的电流传输。未来柔性电路应具有良好整体导电性及机械和环境稳定性的可持续柔性系统，目前相关研究较少，稳定、低功耗电流对柔性电路的可靠性及使用寿命具有重要意义。

最后，与其他柔性电子元器件无缝连接。日益小型化的微电子元件和微机电系统使柔性电子元件与电路之间的无缝结合成为可能[5]。智能纺织品的无缝集成是实现舒适性及商业化不可缺少的因素。

4 结 语

织物柔性电路的制备是智能可穿戴电子元件集成的重要一步，如何实现具有低功耗、高导电性，以及与织物完全契合的电路，仍是人们需要探索的问题。随着纺织技术及电子技术的进步，柔性织物电路会向着生活需求的方向发展。

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