东华大学胡吉永教授课题组在织物基RFID 电子元件用的UV导电油墨上取得新进展
智能织物是一个新兴的前沿科技，它的出现代表着电子技术、制造技术、传感器技术、物联网技术与传统的纺织技术结合得更加紧密。与传统的智能手表和手环等可穿戴设备不同，智能织物更轻量、更柔性、更适合人体、更多用途。智能织物，既可以由各种各样的导电材料制成，例如导电纤维、导电纱线、导电涂层、导电刺绣图案和导电叠片，也可以带有各种电子元器件，例如：传感器、集成电路、LED、OLED、电池等。目前，可穿戴电子设备基本上是通过将电子器件胶合到织物上来实现的，这意味着这些电子器件与皮肤的相容性有限，穿戴起来也会不舒适。如何将电子器件通过简单的制造方法直接融入到织物中需要进一步研究。此外，器件的稳定性，柔韧性以及可水洗性仍是目前亟需解决的一大难题。
针对上述关键问题，东华大学胡吉永教授团队提出了一种UV纳米银导电油墨，并通过丝网印刷的方式在普通锦纶织物基底上直接印刷导电电路和可穿戴UHF REID标签。这种导电油墨沉积到织物上之后通过紫外固化，其中的溶剂很容易被去除，从而生成一张由多个片状纳米银组成的薄而均匀的导电网络。
图1. 在织物上丝网印刷导电电路及RFID标签的示意图
丝网印刷线宽是决定导线印刷分辨率及其在柔性电子设备中应用的基本要素之一。因此，在织物基材上丝网印刷不同宽度的导电线，长度为50 mm，宽度分别为5,4,3,2,1,0.5,0.4,0.3和0.2 mm，实验结果表明，在织物上印刷的导电线的边缘光滑且清晰，并且片状纳米银分布均匀。固化后，纳米银的含量为78.57 %，电导率高达6.02 × 106 S m−1。
图2. (a) 在锦纶织物上丝网印刷不同宽度的导电线的光学图；(b) 固化后导电线光滑且均匀边缘的SEM图；(c) 印刷导电线截面SEM图；(d)固化后丝网印刷导电线的元素映射图；(b)织物上印刷导电线的EDS光谱
对具有不同宽度的丝网印刷导电线进行了弯曲测试，以进一步探究导电线的柔韧性。结果表明随着弯曲周期的增加，具有不同宽度的印刷线的电阻均有一定程度地增加，其中0.2 mm宽的印刷线具有最大的电阻变化，弯曲500次后电阻是原始电阻的2倍。宽度为0.2 mm的导电线的厚度最薄，根据层压板中性面理论厚度较薄的导电线在弯曲过程中更容易受到破坏，导致较大的电阻变化。
图3. (a) 在弯曲半径为5 mm的500次弯曲循环期间，印刷导电线的相对电阻变化；(b)在500次弯曲循环后具有不同宽度的印刷线的相对电阻
为了证明UV导电油墨在印刷电子纺织品中的应用前景，用丝网印刷的方式制备了UHF RFID标签天线，并且通过机洗来评估其可洗性。丝网印刷标签的平均读取距离约为8.32 m，比纺织产品物流和仓库管理所需的距离长得多。而且，经过5次机洗循环后，标签的平均读取距离从8.32 m降低到3.12 m，但读取距离仍然超过3.0 m，满足纺织品仓储和物流管理所需的读取距离。
图4. (a) 封装芯片的丝网印刷UHF RFID标签天线；(b) 5次洗涤循环期间UHF RFID标签的平均读取距离。
以上相关成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, published online, DOI: 10.1021/acsami.9b06432, 2019)上。论文的第一作者为东华大学纺织学院的博士生洪虹，通讯作者为胡吉永教授，共同作者为晏雄教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b06432
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