基于丝网印刷柔性电路的制备及研究

董琪婧，陈晓东 ,郑 骧，邱 莉，韩 佳

（1.内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080；2.青岛智汇纺科技有限公司，山东 青岛 266000）

柔性电子印刷技术的原理是使用具备电子功能的油墨，在柔性承印物上利用精密印刷技术来制作电子器件或电路，印刷后的电路具备相应的电子功能。柔性电子印刷技术在射频识别标签、传感器、薄膜晶体管、超级电容器[1-4]等方面有着广阔的应用前景。印刷是一种成本较低，将导电物质印刷在印承物上的制备方法，主要分为接触式和非接触式印刷。目前最常用的是丝网印刷技术和喷墨印刷技术。柔性电路中基底主要有纸基[5]、聚合物基底[6]，如聚酰亚胺（PI）、聚碳酸酯（PC）等和纺织物基底[7]。与普通聚合物电路板比较，纺织品电路重量轻，对皮肤友好，可见纺织基印刷电路在可穿戴电子领域具有较大应用价值。每种柔性基材在印刷时都会受到基材与油墨之间的作用。常见的印刷材料主要有导电银胶、金、银、铜、石墨烯[8]、碳纳米管[9-10]等。本文使用银包铜油墨，通过丝网印刷的方式制备成织物基印刷电路。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

NS101-M 单色、单工位丝印机，DLX890C 型万用电能表，ND602 烤炉，MD5060 真空晒版机，烘版箱，NA104 手动拉网头，数显平头测厚仪，高精度黄金克称电子秤，刮刀，80 目网框，不锈钢杯40 mL，硫酸纸，搅拌棒，银包铜粉末，印花透明胶浆，涤棉平纹布。

1.2 实验步骤

印刷电路网版的制备：按比例调配感光胶，脱泡12h。在暗室环境下，使用上浆器由下到上，将网版正反面反复刮刷2 次，放入烘版箱烘干。在硫酸纸上打印设计图，对打印图案和网版进行真空曝光，用高压水枪在冲网箱中进行清洗、干燥。其中，印刷电路图案长度为25cm，宽度为0.2～1.0cm。

导电材料与基底面料的选择：选择银包铜粉末，用透明胶浆按3∶5 的比例配制导电油墨。基底面料选择规格为涤/棉4/6 涤棉平纹布。

油墨配制与印刷电路的制备：在印刷台板上放置涤棉平纹布，用刮刀以30°角在平纹布上往复刮刷1次银包铜油墨，分别刮刷1、3、5 层以制备柔性电路。

1.3 测试

1.3.1 厚度测试

使用数显测厚仪，测出3 种不同材料刮刷1、3、5层的厚度，每种样品测试5 次。

1.3.2 导电性测试

将DLX890C 型万用电能表、鲨鱼夹、铜片电极进行连接，测量不同印刷次数，不同线宽对印刷电路导电性的影响。

1.3.3 织物弯折性测试

选取4 个线宽相同、印刷次数相同的样品进行弯折实验，观察电阻变化。选择印刷电路中心点位置作为弯折点，弯折后的印刷电路左右两边形成0°、30°、60°、90°的夹角，每弯折100 次对电阻进行比较，探究弯折后角度、次数对样品导电性的影响。

2 结果与讨论

2.1 厚度分析

采用银包铜油墨在涤棉平纹布上进行刮刷，刮刷1 次，厚度在0.050mm±0.007mm，刮刷3 次，厚度在0.100mm±0.005mm，刮刷5 次，厚度在0.180mm±0.004mm。随着刮刷次数增加，导电金属层厚度也增加。随着印刷次数增加，电路厚度增加，电路的完整性和均匀性逐渐提高，印刷厚度趋于均匀，误差波动较小。

图1 是银包铜油墨印刷次数不同时的厚度误差棒，印刷整体厚度较为均匀，印刷1 层误差为±0.7 %，印刷3 层误差为±0.5%，印刷5 层误差为±0.4%。

图1 银包铜油墨印刷次数、线宽对厚度的影响

2.2 导电性分析

探究导电银包铜油墨不同印刷层数、不同线宽对织物印刷电路导电性的影响。

采用银包铜油墨刮刷1 次，电阻在79.62～480.28Ω，刮刷3 次，电阻在6.56～35.24Ω，刮刷5 次，电阻在4.72～33.02Ω。图2 为银包铜油墨印刷不同次数、宽度的电阻变化及误差，右上角图片为印刷不同次数的实物图，由图2 可知印刷电路测出电阻波动较小。

图2 银包铜油墨印刷次数、线宽对电阻的影响

电阻率的计算见公式（1）。

式中：R为电阻，ρ为电阻率，l为长度，A为截面积。

印刷1 次可测出电阻，证明电路已形成导电路径，电阻较大但分布不均匀。电路印刷次数与电阻变化成反比。在印刷宽度一致时，随着印刷次数增加，厚度增大，相同宽度横截面积增加，由电阻率公式（1）可知，在电阻率ρ 和长度l 数值一定时，产生的阻力R 减小。因此，随着印刷次数增加，电阻逐渐减小。印刷次数增加，电阻波动减小。这是由于随着印刷次数增加，印刷电路趋于完整，电阻呈现相对稳定的趋势，误差波动减小。印刷1 次和印刷3 或5 次差异比较明显，这是由于印刷1 次存在颗粒分布网络较为简单的情况，电流通过不够通畅。印刷3 次和5 次比较，电阻差异较小，印刷多2 次但电阻变化差异不明显。

2.3 弯折程度对导电稳定性的影响

综合考虑效果和成本问题后，使用银包铜油墨1cm 线路宽度，0.1mm 印刷厚度的4 个样品进行弯折实验，观察电阻变化。探究导电油墨不同印刷厚度、印刷线路宽度对涤棉织物印刷电路导电性的影响。图3是线路宽度为1.0cm，印刷厚度为0.1mm 的银包铜印刷电路，按照0°、30°、60°、90°弯折角度弯折的印刷电路电阻的数据。

图3 银包铜油墨弯折角度对电阻的影响

由图3 可知，在印刷宽度、印刷厚度一致时，随着弯折次数增加，电阻逐渐增加。开始弯折时测试样电阻变化较大，随着弯折次数增加，弯折位置形成较为稳定的堆砌结构，因此电阻变化逐渐减小，曲线变化减缓。随着弯折后角度的减小，电阻逐渐增加。弯折后角度为0°时对印刷电路影响最大，其导电性能下降较为明显。弯折后角度为30°、60°、90°对导电性能的影响较小，电阻变化不明显。

3 结论

本研究采用银包铜粉作为导电材料所配制出的导电油墨，通过丝网印刷的方式在涤棉平纹布上印刷电路，制备成以织物为基底的柔性印刷电路，结论如下。

（1）同种材料，长度相同，印刷线路宽度相同时，随着印刷电路厚度增加，电阻降低，误差波动越小，导电性越好。

（2）同种材料，长度相同，印刷电路厚度相同时，随着印刷线路宽度增加，电阻减小。

（3）相同线路宽度，同种材料，厚度相同时印刷的电路，随着弯折次数增加，电阻逐渐增加。在大于30°弯折角度下稳定性较好。

综上所述，控制其他变量不变，印刷电路在印刷厚度为0.18mm，印刷线路宽度为1cm 时，导电效果最佳，且弯折后角度在30°、60°、90°时对电阻影响较小。本文总结得出的柔性印刷电路的最佳工艺，对企业的实际生产具有一定的价值，可为今后智能服装的开发提供参考。