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）

目前，随着纳米技术的蓬勃发展，印刷电子技术逐渐走进人们的日常生活，并广泛应用于各类电子器件，制作成纺织品。印刷电子信息技术是指将印制工艺和电子设备设计及制造过程相结合的一种新型信息技术。国内外基于印刷电子技术柔性传感器等领域的研究有着很好的成果。

1 柔性印刷电子技术

柔性印刷电子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，使印刷后的电路具备相应的电子功能。

1.1 印刷工艺

印刷主要分为接触式印刷和非接触式印刷。接触式印刷主要分为丝网印刷、喷墨印刷等；非接触式印刷主要有凹版印刷[1]、胶版印刷等。相较于接触式印刷，非接触式印刷耗材更少，成本更低，步骤更简便。

1.1.1 丝网印刷

丝网印刷的工艺已经非常成熟，其使用的材料主要为丝网版、油墨、基底，器材主要有刮刀、印刷机、印刷台，主要流程为：绷网→涂覆感光浆→烘干→曝光→印刷成品。

Darpan 等[2]采用丝网印刷的方式制备了一款配方简单、环保的银纳米线墨水，并能够在PDMS、PET、PI、玻璃和纺织品上印刷。程时榜[3]采用丝网印刷的方式，在110 ℃低温固化15 min 条件下制备的碳电极耐磨次数达到3000 万次以上。Zhou 等[4]用丝网印刷工艺在棉织物上构建了具备弯曲扭转性能的柔性超级电容器。Hong 等[5]用丝网印刷的方式在6 种不同尼龙编织衬里织物上进行印刷后认为，孔径和粗糙度越小，织物精度越高，印花精度与油墨在织物表面的动态接触角和润湿时间有很大关系。

1.1.2 喷墨印刷

喷墨印刷主要使用喷墨打印机，用油墨在基材上形成相对应的图案，从而完成印刷的步骤。优点是可以精确控制印刷图案、淀积层的厚度尺寸，成本较低，制作工艺简便。

Bae 等[6]使用碳纳米管采用喷墨印刷的方式在织物结构印出导电电路，并将其制备成了一款具备高灵敏度、宽检测范围的印花织物的触觉传感器。

1.1.3 凹版印刷

如图1 所示，凹版印刷是将印版滚筒放入油墨槽中沾满油墨，将凸起的非印刷表面油墨刮掉，只在印刷的凹下部位留油墨，在压力较大的情况下，将凹下部位的油墨印刷到承印物上。

图1 凹版印刷设计图

1.1.4 胶版印刷

胶版印刷主要是使图文部分亲油斥水，非印刷部分斥水亲油来实现印刷。

1.1.5 小结

以上柔性印刷电子技术的研究表明，丝网印刷的应用已非常广泛。目前丝网印刷已经具备工艺简单、通用性较好、速度快等优点，因此被广泛应用。喷墨和丝网印刷成本都相对较低，喷墨印刷基材薄膜均匀性差，图案分辨率低，产量低。二者的主要区别是，喷墨印刷更精确，丝网印刷更均匀。喷墨机的喷头容易堵塞和咖啡环效应的环状结构，针对导电颗粒分布不均的情况对电路导电性产生影响。凹版印刷具备印版寿命长，质量稳定，墨色有立体感的优势，但其缺点是工艺复杂，设备多，价格高，印刷量必须大，容易危害环境及人体健康。胶版印刷方式有着印刷质量好、成本低、周期短、高效等优点，其缺点是工艺复杂，技术操作熟练度高，对材料局限性大。胶版印刷可以复刻原稿的色彩、层次，多用于包装、海报、书籍等彩色型印刷物。

1.2 印刷油墨

印刷电子的核心部分是导电浆料，太阳能电池、柔性传感器、薄膜开关等电子器件的制备离不开导电浆料。导电浆料一般由导电填料、助剂、溶剂和连结料组成，如图2 所示。

图2 导电浆料的组成

柔性电子设备的纳米材料要求导电率好，抗氧化性强，稳定性好。印刷油墨主要可分为导电材料、半导体材料、电介质材料。导电材料主要有银粉末、银包铜粉末、铜粉末等。李克伟[7]用银包铜配制导电浆料制备并得到了RFID 标签。邹燕清[8]对制备好的柔性电路性能进行研究，使用导电银浆在120℃固化2 h 得到了体积电阻率为9.8×10-5Ω·cm 的柔性电路。杨同同[9]使用碳材料，利用丝网印刷的方式制备了CA-SWCNT 传感层，响应范围达到了1.0×10-7M。介电材料主要有导电油墨颗粒，一般是有机聚合物材料，如聚苯乙烯、PVP 等。

以上印刷油墨的研究表明，纳米银墨是目前较成熟的印刷油墨，具有导电性好、稳定性好、灵敏度高等优势。碳墨稳定性好，但其电阻过大，灵敏度较差，纳米铜易被氧化。铜粉油墨易氧化，导致导电性能差。油墨的导电性、黏稠度、流平性等都关系到油墨质量的好坏，最终影响到印刷电极性能。部分油墨需要高温固化，才能达到导电性良好的效果。

1.3 印刷基底材料

柔性电路是将电子元件安装在柔性基板上组成的特殊电路，其特点表现为轻质、可弯曲、厚度小和柔软。玻璃、复合材料、陶瓷、纸、织物[10-15]等均可作为印刷电路的基底。柔性基底主要有薄玻璃、金属箔、高分子聚合物、纸质、织物等基底。国内外应用的织物基底主要有涤棉织物、PET 无纺布、棉织物、尼龙织物等。现阶段，基于刚性基材的电子器件仍处于主导地位，但随着新兴技术发展，基于柔性基材的电子器件也越来越多。

2 印刷电子器件

2.1 智能传感标签

智能传感标签可以实现自动识别的功能，由传感材料与印刷技术结合制备而成，目前较为常见的是RFID、NFC[16]等。柔性印刷电子技术的出现，解决了传统工艺中蚀刻法制备REID 标签的低效、高成本问题。采用柔性印刷电子技术制备出的REID 标签不仅可以传达包装、互通数据、管理运输等信息，还简化了工艺，同时满足了高精度和柔性化的要求。

2.2 压力传感器

压力传感器可分为压阻式传感器、电容式传感器和压电式柔性传感器，通过对压力的感知来对应产生电阻变化。一般来说，压力传感器由传感层和电极封装组成，电极的制备离不开印刷电子技术。

压阻式传感器在压力作用下通过对测试品施加一定压力，使材料电阻率发生变化，从而将压缩刺激转换为可见电信号，其感应能力主要归因于压缩过程中整个材料中导电网络的变化。电容式传感器是根据外部压力刺激电容器，通过影响极板间距，正对面积或介电值来使电容发生变化的，从而输出相应的电信号。压电式柔性传感器主要通过正逆电效应受力产生电荷进行感知。该过程中传感信号源自于在压电材料受到外力时压力对电信号的转换，是对状态改变时产生的电荷量的测定。

2.3 超级电容器

超级电容器根据能量转换的原理工作，是用于储能的新兴器件，具有可快速充/放电、使用安全、长期稳定运行等优点。

柔性电子印刷技术的出现，解决了目前大多数超级电容器能量密度低、可循环性差等问题。柔性电容器较传统电容器容量更大，稳定性更好，通过减少原材料节约了成本，具有使用寿命长、环境友好等优点。目前对于柔性超级电容器[17]的研究逐渐增多，与柔性电子印刷技术密切融合，具备广泛的应用前景。

3 柔性印刷电子技术的应用

目前，印刷电路在RFID 标签制备、柔性电容器、包装、柔性电极制备、传感器制备等方面有着广泛的应用前景。朱磊等[18]以Ag NPs/石墨烯复合材料制备了水性环保导电油墨，制作了RFID 标签。李晓燕等[19]用电子印刷技术制备了柔性微型电容器并对其进行相关研究。董鑫等[20]制备并探究了纳米银在包装领域中的应用。赵芳菲等[21]利用柔性电子印刷技术制备了柔性织物电极，用以采集心电信号。

从涉及柔性印刷电子技术的科研文章的研究内容可知，柔性印刷电子技术已经涉及到很多领域。纵观最近十余年研究柔性印刷电子技术的文章数量，发现其总体趋势是增加的，并在2014 年达到顶峰，而近几年的研究略有下降但数量依然较大（见图3）。

图3 柔性印刷电子技术研究趋势

4 印刷电子技术发展与现存的问题

迄今为止，柔性电子印刷技术现存的问题主要有：功能较为单一，能源供应可能达不到设备需求，可靠性较差；小批量生产时，成本优势难以体现。虽然印刷电子技术存在一些缺点，但其具备环境友好、柔性化、低成本、大面积等优点。随着工艺的成熟、新材料的探索发展以及科技的支持，预计柔性印刷电子技术将会更进一步。

5 结语

随着时代的更迭，人们着装时更为喜欢舒适性好的服装，因此基于织物的柔性电子印刷技术还需进一步研究。现阶段，印刷电子技术发展已经十分成熟，功能性油墨已经成了主流研究趋势。此外，对于柔性基底的选择应用也是主攻方向之一。目前以织物为基底的印刷电子器件不占少数，如何提高性能将成为未来的研究方向。印刷电子技术目前主要应用在太阳能电池、传感器、标签等新兴领域，其拥有柔性化、低成本、环境友好等优点。随着现代科技飞速发展，预计基于织物的柔性电子印刷器件的发展将呈现出百花齐放的局面。