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1. 簡(jiǎn)介
柔性和可拉伸電子產(chǎn)品的開發(fā)在很大程度上依賴于導(dǎo)電跡線的性能，這些跡線可以承受高變形，同時(shí)保持導(dǎo)電性[1，2]?？衫熳呔€是制造可穿戴電子產(chǎn)品傳感器和天線的關(guān)鍵組件[3]?？纱┐麽t(yī)療電子產(chǎn)品的一個(gè)重要方面是能夠適應(yīng)與身體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的機(jī)械應(yīng)變和變形，而不會(huì)降低電子設(shè)備的性能?；ミB（即導(dǎo)電跡線）是電子產(chǎn)品中的無源元件，與傳感器或集成電路等有源元件相比，更容易適應(yīng)變形[4]。事實(shí)上，許多可拉伸電子產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)集成都是通過組裝封裝在可拉伸基板中的宏觀集成電路芯片（毫米到厘米級(jí)）來實(shí)現(xiàn)的[5-7]。在這種情況下，可拉伸互連和天線是僅有的兩個(gè)實(shí)際可拉伸的電氣組件。
印刷的可拉伸互連可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。首先，即使導(dǎo)電材料本質(zhì)上不是可拉伸的，也可以實(shí)現(xiàn)拉伸性。例如，金屬膜可以沉積在預(yù)拉伸的彈性體基材上，以實(shí)現(xiàn)手風(fēng)琴般的“波浪狀”結(jié)構(gòu)[8]。在金屬圖案中制作結(jié)構(gòu)浮雕也允許拉伸性，例如蛇形-[5]、分形-[9]、網(wǎng)狀-[10]和線圈形[11]互連。這些例子不是印刷電子產(chǎn)品，但它們的概念可以很容易地應(yīng)用于印刷以實(shí)現(xiàn)拉伸性。其次，可以開發(fā)具有內(nèi)在可拉伸性、彈性和導(dǎo)電性的材料。嵌入或沉積在彈性基板上的納米線的滲透網(wǎng)絡(luò)可以是一個(gè)例子[12]。金屬前體可以用彈性主體材料打印，然后作為后處理進(jìn)行還原以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性[13，14]。然而，后處理通常涉及高固化溫度或腐蝕性化學(xué)品，這可能導(dǎo)致主體或基材的降解。第三，可以填充固有的可塑性但無彈性的導(dǎo)電材料，然后封裝在彈性槽中，就像微流體通道一樣。液態(tài)金屬填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道就是一個(gè)很好的例子[15]。
提高導(dǎo)電材料的可印刷性一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題。例如，Someya等人引入了一種基于咪唑的離子液體，以實(shí)現(xiàn)由碳納米管（CNT）和氟化橡膠組成的油墨溶液的足夠粘度[16，17]。然而，這種油墨在PDMS基材和互連層之間顯示出分層問題。該小組最近推出了一種新配方，該配方結(jié)合了銀片，氟橡膠和表面活性劑，以增強(qiáng)PDMS基材的附著力[18]。Baik等人開發(fā)了一種帶有聚偏氟乙烯粘合劑的可印刷銀和CNT復(fù)合油墨，但需要160°C的相當(dāng)高的固化溫度[19]。Yang等人開發(fā)了一種含有可溶性銀鹽和粘合橡膠的無顆粒導(dǎo)電墨水，可以直接用筆書寫[20]。這種油墨可以保持與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺的良好附著力，但需要多個(gè)書寫步驟和化學(xué)還原后處理[20]。Pei等人開發(fā)了一種含有纖維素和含氟表面活性劑分子的水性銀納米線墨水[21]。表1總結(jié)了用于可拉伸互連的幾種值得注意的導(dǎo)電油墨的主要特性。用于可拉伸互連的可印刷導(dǎo)電材料的理想油墨將實(shí)現(xiàn)所有理想的特性，例如理想的印刷粘度，與彈性基材的附著力，導(dǎo)電材料的高變形性和低固化溫度。
表 1.各種彈性油墨的比較研究。
| 組件 | 印刷方式 | 差應(yīng)變時(shí)的電導(dǎo)率值 % | 固化溫度 | 參考 |
| 銀-碳納米管復(fù)合材料，聚偏氟乙烯 | 滴鑄 | 5710 S cm−1—0% 應(yīng)變 | 160 °C， 12 小時(shí) | [19] |
| 熱軋 | 20 S 厘米−1—140% 應(yīng)變 | |||
| 嵌入銀/鉑 | 絲網(wǎng)印刷 | 3012 S 厘米−1—0% 應(yīng)變 | 室溫，24小時(shí)（干燥） | [14] |
| rGO 與聚偏氟乙烯混合 | 熱軋 | 322.8 秒 厘米−1—35% 應(yīng)變 | 150 °C，90 分鐘 | |
| 銀片（91重量%），聚氨酯 | 可絲網(wǎng)印刷 | 3570 S cm−1—0% 應(yīng)變 | 70 °C， 3 小時(shí) | [24] |
| 1200 S cm−1—70% 應(yīng)變 | 對(duì) PET/PVC 的低附著力 | |||
| 銀片、MWNT、芐硫醇、乙醇 | 濕紡 | ∼6000 S 厘米−1—0% 應(yīng)變 | 135 °C，45 分鐘 | [25] |
| ∼260 秒−1—70% 應(yīng)變 | ||||
| 銀片、氟表面活性劑 | 絲網(wǎng)和模板 | 738 S cm−1—0% 應(yīng)變 | 80 °C，30 分鐘 | [18] |
| MIBK， 氟橡膠 | 打印 | 400 S cm−1—70% 應(yīng)變 | ||
| （羥丙基）甲基纖維素，含氟表面活性劑，AgNW，消泡劑MO | 絲網(wǎng)印刷 | 46 700 S 厘米−1—0% 應(yīng)變 | 150 °C，30 分鐘 | [21] |
| 8002 S cm−1—70% 應(yīng)變 | ||||
| 銀片，TEA，4-甲基-2-戊酮，氟橡膠（目前的研究） | 打印 | 849 S cm−1—0% 應(yīng)變 | 室溫 | 我們的工作 |
| ∼100 S 厘米−1—110% 應(yīng)變 |
在這里，我們開發(fā)了一種新的配方，以實(shí)現(xiàn)具有高導(dǎo)電性的可拉伸墨水。我們引入了三乙醇胺（TEA），它通常用作化妝品工業(yè)中的表面活性劑或塑料制造中的增塑劑[22，23]，在我們的銀片和氟橡膠的油墨配方中。在制造油墨時(shí)，TEA促進(jìn)了組分在甲基異丁酮（MIBK）助溶劑中的溶解，從而產(chǎn)生了均勻的溶液。油墨可以很容易地印刷，并在彈性基材上很好地粘附。在印刷和干燥溶劑后，該復(fù)合材料表現(xiàn)出8.49×10的高電導(dǎo)率值4T J−1無需任何后處理。此外，TEA對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了塑化，使得印刷的跡線可以自由變形而不會(huì)失去導(dǎo)電性。復(fù)合材料本身不具有機(jī)械彈性，但可拉伸基材和復(fù)合材料的良好附著力相結(jié)合，使可拉伸痕跡可以彎曲、扭曲和拉伸高達(dá)*，而不會(huì)降低其電氣和機(jī)械性能。我們制造了具有三種不同幾何形狀的無線局域網(wǎng)（WLAN）天線：環(huán)形、貼片和領(lǐng)結(jié)。對(duì)三種不同天線幾何形狀的性能進(jìn)行了仿真和測(cè)量，以應(yīng)對(duì)原始幾何形狀和單軸應(yīng)變條件。
2. 材料和方法
2.2. 彈性油墨溶液的制備和印刷
四種組分的混合比例是影響彈性油墨機(jī)械耐久性和導(dǎo)電性的重要參數(shù)。我們確定了氟橡膠：MIBK：TEA：銀片之間的最佳重量比為1：2.3：1：X，以實(shí)現(xiàn)拉伸性和導(dǎo)電性。對(duì)于40 wt%，35 wt%，30 wt%和25 wt%銀含量的X值分別為2.95，2.40，1.90和1.45。這里，“wt%銀含量”的命名法是指包括溶劑在內(nèi)的溶液的總重量。首先，氟橡膠在MIBK中溶解24小時(shí)。然后，加入TEA作為分散劑，并將混合物攪拌6-8小時(shí)。一旦混合物變得均勻，加入銀片并將混合物攪拌4小時(shí)以獲得性墨水。所有這些程序都是在室溫下進(jìn)行的。天線（身體環(huán)，貼片和領(lǐng)結(jié)）使用3D噴射打印機(jī)（nScrypt桌面3Dn打印機(jī)）圖案化到彈性體基板（VHB-4905）上。打印后，將天線圖在100°C下干燥20分鐘以除去多余的溶劑。當(dāng)需要干燥時(shí)，將樣品置于120°C的真空烘箱中24小時(shí)（Symphony-VWR，Vacuubrand 2 C）。制造過程的示意圖如圖1所示。圖1.彈性油墨制造的原理圖和在彈性基板上印刷可拉伸的跡線以進(jìn)行可拉伸天線制造。
3.1. 油墨的機(jī)械耐久性
使用拉伸測(cè)試儀（Univert，Cellscale生物材料測(cè)試），我們研究了印刷跡線在多個(gè)拉伸釋放周期中的電阻變化。在一個(gè)周期中，我們測(cè)試了電阻的變化，直到跡線在應(yīng)變值為 ∼500% 時(shí)最終失效（圖 2（b））。在這里，我們觀察到拉伸方面的阻力增加幾乎是線性的，最高可達(dá)應(yīng)變的∼150%，而增加的速度在進(jìn)一步拉伸時(shí)迅速增長(zhǎng)。印刷薄膜的操作可重復(fù)性（圖2（a）），以0.3毫米秒的十字頭速度將其拉伸至50%應(yīng)變−1，然后以相同的速率釋放菌株（每個(gè)周期需要 50 秒）。該拉伸釋放循環(huán)重復(fù)1000次，并觀察到阻力的變化（圖2（c））。印刷的跡線在測(cè)試中是導(dǎo)電的，但相對(duì)于拉伸釋放周期，阻力逐漸增加。我們假設(shè)降解與跡線的局部塑性變形有關(guān)（例如某些局部點(diǎn)的少量厚度起伏）;確切的機(jī)制是未來研究的主題。
圖2.（a） 單軸拉伸和釋放循環(huán)的示意圖以及我們實(shí)驗(yàn)裝置的相應(yīng)圖片。（b） 相對(duì)于應(yīng)變的相對(duì)電阻值，直至最終失效，約為 500%。（c） 可拉伸痕量薄膜在1000個(gè)拉伸釋放周期中的阻力變化。
3.3. TEA在彈性油墨溶液和可拉伸痕跡中的作用
彈性油墨溶液由銀（Ag）片，氟橡膠，有機(jī)溶劑（MIBK）和分散劑（TEA）組成。如圖4所示，TEA在我們的可拉伸油墨中的作用是雙重的：（1）組分之間的相容劑，以確保銀片（填料）在油墨溶液狀態(tài)下均勻分散在氟橡膠基體中;（2）用于氟聚合物網(wǎng)絡(luò)的增塑劑，在印刷導(dǎo)電痕量狀態(tài)下賦予高拉伸性。
3.4. 在可伸縮天線中的應(yīng)用
在這項(xiàng)工作中設(shè)計(jì)和制造了三種類型的可拉伸天線。身體上的可拉伸天線設(shè)計(jì)用于人體皮膚，而另外兩個(gè)則針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的WLAN。
3.4.1. 機(jī)身可伸縮天線
在機(jī)體操作中，天線有一些設(shè)計(jì)考慮因素[34]。這是由于身體組織的相對(duì)介電常數(shù)大，導(dǎo)致大量的電磁波損失。形狀和身體成分的人與人之間的差異使問題進(jìn)一步復(fù)雜化[35，36]。我們?cè)噲D建立一個(gè)類似于人類手臂的一階近似模型，通過司法模擬來設(shè)計(jì)身體天線。表2顯示了我們用于使用身體組織和層的已知特征來模擬人體手臂的參數(shù)。手臂的幾何模型如圖5（a）所示。可以看出，假設(shè)橫截面為橢圓，而主軸的尺寸如表2所示，其中A是半短軸，B是半長(zhǎng)軸。因此，A × B 是每個(gè)橢圓面積的 4/π 倍。手臂的長(zhǎng)度也假設(shè)為 150 毫米。該模型包括皮膚、脂肪、肌肉和骨骼。這些值用于Ansys HFSS全波3D電磁模擬器軟件，以研究設(shè)計(jì)天線的性能。表 2 中提到的參數(shù)分配給軟件中的每一層。
表 2.模擬中使用的人體組件的介電和導(dǎo)電特性。
| 層 | εr | σ （S m−1) | 譚δ | A × B （毫米2) |
| 皮膚 | 38 | 1.4 | 0.28 | 45×64 |
| 脂肪 | 5.2 | 0.1 | 0.14 | 42×60 |
| 肌肉 | 52.7 | 1.7 | 0.24 | 38×54 |
| 骨 | 18.5 | 0.8 | 0.31 | 24×30 |
圖5.（左圖）（a）機(jī)體可拉伸天線、（d）可拉伸貼片天線和（g）可拉伸領(lǐng)結(jié)天線的物理尺寸和仿真模型。（中圖）（b）體上、（e）貼片和（g）領(lǐng)結(jié)天線的原始和拉伸樣品的輸入反射系數(shù)（S11）的仿真和測(cè)量結(jié)果。（右圖）（c）機(jī)體、（f）貼片和（i）領(lǐng)結(jié)天線的輻射方向圖（E平面和H平面）的仿真和測(cè)量結(jié)果。
環(huán)形天線是貼體應(yīng)用的之一，因?yàn)榕c其他天線設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)的磁偶極子性能受周圍介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的影響相對(duì)較小[37]。人體由于其含水量高，具有非常高的相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)于身體天線，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有四個(gè)圓圈的方形環(huán)形結(jié)構(gòu)，工作頻率為3.5 GHz。四個(gè)圓圈的作用是通過增強(qiáng)導(dǎo)體路徑中的電流分布來提高增益和阻抗帶寬。設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)為16毫米×16毫米的正方形，每個(gè)圓的直徑為4毫米，線的厚度為1毫米。對(duì)于基材，使用1毫米厚的丙烯酸彈性體VHB膠帶4905（3M），相對(duì)介電常數(shù)為3.2，切線損失為0.03。
3.4.2. 無線局域網(wǎng)可伸縮天線
使用可拉伸材料和墨水，可以打印用于許多應(yīng)用（如WLAN信道）的可重新配置天線[38]。尋找可伸縮天線的新材料推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展[39-41]，并且追求最佳材料以獲得更好的性能仍在進(jìn)行中。圖5（d）顯示了專為WLAN應(yīng)用設(shè)計(jì)的可拉伸貼片天線。貼片設(shè)計(jì)是基本天線之一。在這里，接地層作為平行于天線平面的單獨(dú)層包括在內(nèi)，而介電層則在兩層之間鋪設(shè)。貼片天線的工作頻率直接取決于貼片長(zhǎng)度，因此拉伸貼片會(huì)改變其共振頻率。對(duì)于貼片天線，設(shè)計(jì)了兩段阻抗變壓器，使反射系數(shù)匹配到50 Ω。當(dāng)貼片天線沿縱向（Y軸）拉伸時(shí)，其工作頻率發(fā)生變化。領(lǐng)結(jié)槽天線是一種寬帶單層天線。當(dāng)領(lǐng)結(jié)天線被拉伸時(shí)，其阻抗增加。
S11在不同拉伸長(zhǎng)度下的對(duì)數(shù)尺度仿真和測(cè)量結(jié)果分別顯示在圖5（b）、（e）和（h）中。S11 圖與頻率的關(guān)系圖顯示了從天線輸入端口反射回來的功率量。當(dāng)天線接受的功率越多時(shí)，反射回來的功率就越少，因此輻射功率更高。在dB標(biāo)度中，較低的值意味著較低的反射功率。天線的工作帶寬定義為反射系數(shù)低于−10 dB的頻率范圍，即天線接受的功率超過90%。與S11圖中深度相關(guān)的頻率被視為共振頻率。通過拉伸這些天線，降低了工作頻率。
機(jī)身天線設(shè)計(jì)為在原始長(zhǎng)度下具有 3.5 GHz 的諧振頻率。圖5（b）中的藍(lán)色實(shí)線是體上天線在其原始長(zhǎng)度下的仿真結(jié)果。S11曲線的深度發(fā)生在3.5 GHz處，電平約為−12 dB，這意味著天線在此頻率下接受超過93%的饋電功率。S11的測(cè)量值在圖5（b）中被描繪為帶圓圈的黑色實(shí)線，顯示了在相同頻率下大約98%的接受功率。在*拉伸長(zhǎng)度的同時(shí)，使用圖5（b）中分別顯示為紅色虛線和帶三角形的綠色實(shí)心的仿真和測(cè)量來研究性能。兩者都在1.75 GHz時(shí)顯示出約99%的接受功率，這是原始諧振頻率的一半。預(yù)計(jì)通過將天線的長(zhǎng)度增加其原始長(zhǎng)度的兩倍，諧振頻率將減半[42]。
貼片和領(lǐng)結(jié)槽天線在S11方面具有相似的性能，分別如圖5（e）和（h）所示。貼片天線設(shè)計(jì)為在 5.5 GHz 下具有諧振。圖5（e）中的藍(lán)色實(shí)線和虛線綠色曲線說明了貼片天線的輸入反射系數(shù)（S11）在原始長(zhǎng)度下的仿真和測(cè)量結(jié)果。兩條曲線都顯示貼片天線在 5.5 GHz 時(shí)的功率接受度超過 96%。然后將貼片天線沿y方向拉伸32%和65%。貼片天線的工作頻率取決于y方向上的貼片長(zhǎng)度，因此通過增加貼片的長(zhǎng)度，預(yù)計(jì)諧振頻率會(huì)降低。
在圖5（e）中，32%拉伸長(zhǎng)度的輸入反射系數(shù)（S11）的模擬和測(cè)量分別以純紅色（帶圓圈）和破折號(hào)粉色（帶圓圈）表示。通過將補(bǔ)丁的長(zhǎng)度比其原始長(zhǎng)度增加32%，預(yù)計(jì)諧振頻率將降低23%，即4.1 GHz。在仿真和測(cè)量中都執(zhí)行了相同的結(jié)果。同樣，如果貼片比原始長(zhǎng)度拉伸65%，則工作頻率降低40%，即3.3 GHz。圖5（e）中帶十字標(biāo)記的黑色實(shí)線和帶三角形標(biāo)記的棕色虛線表示輸入反射系數(shù)的仿真和測(cè)量結(jié)果。仿真顯示超過98%的可接受功率，而在測(cè)量中只有95%。領(lǐng)結(jié)槽天線設(shè)計(jì)為在其原始長(zhǎng)度下以 5.3 GHz 的頻率運(yùn)行。
圖5（h）中的藍(lán)色實(shí)線和虛線綠色曲線展示了領(lǐng)結(jié)槽天線原始長(zhǎng)度下輸入反射系數(shù)（S11）的仿真和測(cè)量。兩條曲線都顯示天線在所需頻率下接受的功率超過99%。領(lǐng)結(jié)槽天線的諧振頻率還取決于其在 y 方向上的總長(zhǎng)度。與體上天線和貼片天線類似，領(lǐng)結(jié)槽天線的諧振頻率與天線電長(zhǎng)度的倒數(shù)成正比[43]。通過將槽的長(zhǎng)度比其原始長(zhǎng)度增加 42%，預(yù)計(jì)諧振頻率降低到 4 GHz，而拉伸到比原始長(zhǎng)度多 110% 應(yīng)將其降低到 2.5 GHz。圖5（h）中，領(lǐng)結(jié)槽天線的輸入反射系數(shù)（S11）為42%和拉伸率為110%的仿真和測(cè)量結(jié)果分別以帶圓形標(biāo)記的純紅色、帶圓形標(biāo)記的虛線粉紅色、帶十字標(biāo)記的純黑色和帶三角形標(biāo)記的破折號(hào)棕色顯示。輸入反射系數(shù)結(jié)果表明，所有三個(gè)天線的仿真和測(cè)量結(jié)果之間都非常一致。這些差異是由于實(shí)際中基板和導(dǎo)體厚度的變化，以及電導(dǎo)率的輕微降低和基板介電常數(shù)的增加，這些未包括在模擬中
4. 結(jié)論
在這里，我們展示了一種用于高度可變形導(dǎo)電跡線的新型合成配方，其中TEA用作含氟聚合物和銀片復(fù)合材料的增容劑和增塑劑。彈性體基板上的印刷導(dǎo)電跡線顯示出電氣和機(jī)械性能的出色組合。我們討論了TEA在油墨溶液和印刷跡線中的作用。使用導(dǎo)電跡線，我們制造了一個(gè)3.2 GHz的體上環(huán)形天線，以及WLAN貼片和領(lǐng)結(jié)天線。這些天線是可拉伸的，它們的共振頻率隨著天線的拉伸而下降。這些結(jié)果表明，我們的新型墨水可以作為可穿戴電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的導(dǎo)體材料。
