基于半液態(tài)金屬的壓力調(diào)控選擇性粘附打印技術(shù)

靈活、輕便、高度可靠和耐用的可穿戴電子產(chǎn)品在健康監(jiān)測、能量收集、人機(jī)交互和柔性顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)長期與皮膚接觸以及各種復(fù)雜環(huán)境，可穿戴電子產(chǎn)品需要具備良好的防水和透氣的特性。智能可穿戴設(shè)備，如谷歌Jacquard夾克和Sensoria智能運(yùn)動(dòng)服等產(chǎn)品，已經(jīng)徹底改變了我們與服裝互動(dòng)的方式；然而，這些進(jìn)步通常伴隨著較高的成本和技術(shù)，所以這些產(chǎn)品在服裝市場中的價(jià)格也相對(duì)昂貴，限制了可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)用性。

近期，天津大學(xué)國瑞副研究員和黃顯教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials期刊上發(fā)表了題為“Pressure Regulated Printing of Semiliquid Metal on Electrospinning Film Enables Breathable and Waterproof Wearable Electronics”的研究成果，提出了“基于半液態(tài)金屬（SLM）的壓力調(diào)控選擇性粘附”技術(shù)，為制造這類設(shè)備提供了全新的思路。

首先，研究人員使用激光打印機(jī)在熱轉(zhuǎn)印紙上打印出各種電路圖案，如心電圖電極、LED陣列、溫度傳感器等；接著，將這些電路圖案通過熱壓的方式轉(zhuǎn)移到聚丙烯（PP）薄膜上，從而形成電路結(jié)構(gòu)；然后，利用SLM技術(shù)有選擇性地涂覆液態(tài)金屬導(dǎo)線，制造導(dǎo)電路徑；最后，通過熱壓將兩層PP薄膜與中間的熱熔不織布（TPU）粘合在一起，形成多層結(jié)構(gòu)的可穿戴設(shè)備，見圖1。相較于傳統(tǒng)的電子元件制造方法，SLM技術(shù)即節(jié)省了時(shí)間，又降低了成本，同時(shí)還提供了更大的自由度，使設(shè)備的設(shè)計(jì)更加靈活，不僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)，還具有擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，為可穿戴設(shè)備的未來帶來更多機(jī)遇。

圖1可穿戴電子設(shè)備在PP薄膜上的制備和應(yīng)用

防水可以提高可穿戴電子產(chǎn)品的耐用性，PP薄膜較低的表面能使其具備出色的防水性能。水滴在PP薄膜上呈高接觸角，證實(shí)其高度疏水性，可有效保護(hù)可穿戴電子設(shè)備在水下使用。由圖2可以看出，PP薄膜能夠承受較高的水壓，保持電路正常工作，即使長時(shí)間浸泡在水中也不受影響；此外，PP薄膜的透氣性良好，即使在水下也能維持一定的透氣性，使穿戴者的皮膚與周圍環(huán)境交換氣體，保證了舒適性和安全性?？傊?，PP薄膜能夠確保可穿戴電子產(chǎn)品在水下環(huán)境中長期使用；可穿戴電子產(chǎn)品可以適應(yīng)各種復(fù)雜情況，包括皮膚出汗、溫度變化大和反復(fù)清洗等。

圖2SLM電路在PP薄膜上的耐水性和透氣性測試

通過選擇性粘附的打印方法，能夠在當(dāng)前操作條件下制備最薄寬度為100 μm的SLM導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)在PP薄膜上打印了長度為5 cm，寬度從100 μm到1 mm不等的SLM導(dǎo)線。圖3的測試結(jié)果表明，隨著墨粉軌跡寬度的增加，電阻從5.4 ?逐漸降至1.0 ?，且保持在可接受的范圍內(nèi)。

為了表征可穿戴電子設(shè)備的靈活性，研究人員測試了SLM導(dǎo)體在彎曲和扭曲條件下的電性能，圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)電阻僅略微增加，長期周期性測試的相對(duì)電阻變化很??；此外，SLM導(dǎo)體的氧化不影響電性能，熱穩(wěn)定性良好。為了克服結(jié)構(gòu)損壞問題，研究人員進(jìn)一步研究了多層SLM電路的連接方法，通過鉆孔和熱壓熔化，成功制備了多層SLM電路，在彎曲和扭曲條件下其電性能穩(wěn)定，并展示了使用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)制備大面積SLM電路的過程?？傊?，通過選擇性粘附打印方法制備的SLM電路適用于多層及大面積。

圖3SLM導(dǎo)線的電性能

圖4為多功能可穿戴電子設(shè)備位于志愿者的胸部，用于檢測人體表面溫度和心電圖信號(hào)。觸摸傳感器電極1可通過LED陣列顯示不同溫度范圍，而觸摸傳感器電極2則顯示心率。溫度傳感器采用溫度敏感的復(fù)合屏幕，可以在不同溫度下測量電阻變化，保持長期穩(wěn)定性。此外，可穿戴設(shè)備還配備了ECG電極，其阻抗低于商用電極，可清晰記錄ECG信號(hào)。設(shè)備還適用于水下和劇烈運(yùn)動(dòng)，為健康監(jiān)測提供了更廣泛的應(yīng)用。

圖4可穿戴電子設(shè)備用于檢測各種體征

綜上所述，作者展示了一種基于半液態(tài)金屬（SLM）的壓力調(diào)控選擇性粘附的制造策略，這種方法簡單、快速、經(jīng)濟(jì)，適合大規(guī)模生產(chǎn)可穿戴電子設(shè)備。SLM為可穿戴電路提供了更高的導(dǎo)電性（1.4 × 10?S/m）和更穩(wěn)定的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。采用SLM電路制備的可穿戴電子設(shè)備可用于監(jiān)測人體表面溫度、心電圖信號(hào)以及人機(jī)交互，其多層結(jié)構(gòu)和柔韌性適合長期佩戴。PP薄膜為設(shè)備提供了出色的透氣性（311.1 g/m2/h）和防水性，適用于各種日?；顒?dòng)，以及劇烈運(yùn)動(dòng)和水下使用。





審核編輯：劉清