基于絲網印刷柔性電路的制備及研究

董琪婧，陳曉東 ,鄭 驤，邱 莉，韓 佳

（1.內蒙古工業大學 輕工與紡織學院，內蒙古 呼和浩特 010080；2.青島智匯紡科技有限公司，山東 青島 266000）

柔性電子印刷技術的原理是使用具備電子功能的油墨，在柔性承印物上利用精密印刷技術來制作電子器件或電路，印刷后的電路具備相應的電子功能。柔性電子印刷技術在射頻識別標簽、傳感器、薄膜晶體管、超級電容器[1-4]等方面有著廣闊的應用前景。印刷是一種成本較低，將導電物質印刷在印承物上的制備方法，主要分為接觸式和非接觸式印刷。目前最常用的是絲網印刷技術和噴墨印刷技術。柔性電路中基底主要有紙基[5]、聚合物基底[6]，如聚酰亞胺（PI）、聚碳酸酯（PC）等和紡織物基底[7]。與普通聚合物電路板比較，紡織品電路重量輕，對皮膚友好，可見紡織基印刷電路在可穿戴電子領域具有較大應用價值。每種柔性基材在印刷時都會受到基材與油墨之間的作用。常見的印刷材料主要有導電銀膠、金、銀、銅、石墨烯[8]、碳納米管[9-10]等。本文使用銀包銅油墨，通過絲網印刷的方式制備成織物基印刷電路。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

NS101-M 單色、單工位絲印機，DLX890C 型萬用電能表，ND602 烤爐，MD5060 真空曬版機，烘版箱，NA104 手動拉網頭，數顯平頭測厚儀，高精度黃金克稱電子秤，刮刀，80 目網框，不銹鋼杯40 mL，硫酸紙，攪拌棒，銀包銅粉末，印花透明膠漿，滌棉平紋布。

1.2 實驗步驟

印刷電路網版的制備：按比例調配感光膠，脫泡12h。在暗室環境下，使用上漿器由下到上，將網版正反面反復刮刷2 次，放入烘版箱烘干。在硫酸紙上打印設計圖，對打印圖案和網版進行真空曝光，用高壓水槍在沖網箱中進行清洗、干燥。其中，印刷電路圖案長度為25cm，寬度為0.2～1.0cm。

導電材料與基底面料的選擇：選擇銀包銅粉末，用透明膠漿按3∶5 的比例配制導電油墨?；酌媪线x擇規格為滌/棉4/6 滌棉平紋布。

油墨配制與印刷電路的制備：在印刷臺板上放置滌棉平紋布，用刮刀以30°角在平紋布上往復刮刷1次銀包銅油墨，分別刮刷1、3、5 層以制備柔性電路。

1.3 測試

1.3.1 厚度測試

使用數顯測厚儀，測出3 種不同材料刮刷1、3、5層的厚度，每種樣品測試5 次。

1.3.2 導電性測試

將DLX890C 型萬用電能表、鯊魚夾、銅片電極進行連接，測量不同印刷次數，不同線寬對印刷電路導電性的影響。

1.3.3 織物彎折性測試

選取4 個線寬相同、印刷次數相同的樣品進行彎折實驗，觀察電阻變化。選擇印刷電路中心點位置作為彎折點，彎折后的印刷電路左右兩邊形成0°、30°、60°、90°的夾角，每彎折100 次對電阻進行比較，探究彎折后角度、次數對樣品導電性的影響。

2 結果與討論

2.1 厚度分析

采用銀包銅油墨在滌棉平紋布上進行刮刷，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。隨著刮刷次數增加，導電金屬層厚度也增加。隨著印刷次數增加，電路厚度增加，電路的完整性和均勻性逐漸提高，印刷厚度趨于均勻，誤差波動較小。

圖1 是銀包銅油墨印刷次數不同時的厚度誤差棒，印刷整體厚度較為均勻，印刷1 層誤差為±0.7 %，印刷3 層誤差為±0.5%，印刷5 層誤差為±0.4%。

圖1 銀包銅油墨印刷次數、線寬對厚度的影響

2.2 導電性分析

探究導電銀包銅油墨不同印刷層數、不同線寬對織物印刷電路導電性的影響。

采用銀包銅油墨刮刷1 次，電阻在79.62～480.28Ω，刮刷3 次，電阻在6.56～35.24Ω，刮刷5 次，電阻在4.72～33.02Ω。圖2 為銀包銅油墨印刷不同次數、寬度的電阻變化及誤差，右上角圖片為印刷不同次數的實物圖，由圖2 可知印刷電路測出電阻波動較小。

圖2 銀包銅油墨印刷次數、線寬對電阻的影響

電阻率的計算見公式（1）。

式中：R為電阻，ρ為電阻率，l為長度，A為截面積。

印刷1 次可測出電阻，證明電路已形成導電路徑，電阻較大但分布不均勻。電路印刷次數與電阻變化成反比。在印刷寬度一致時，隨著印刷次數增加，厚度增大，相同寬度橫截面積增加，由電阻率公式（1）可知，在電阻率ρ 和長度l 數值一定時，產生的阻力R 減小。因此，隨著印刷次數增加，電阻逐漸減小。印刷次數增加，電阻波動減小。這是由于隨著印刷次數增加，印刷電路趨于完整，電阻呈現相對穩定的趨勢，誤差波動減小。印刷1 次和印刷3 或5 次差異比較明顯，這是由于印刷1 次存在顆粒分布網絡較為簡單的情況，電流通過不夠通暢。印刷3 次和5 次比較，電阻差異較小，印刷多2 次但電阻變化差異不明顯。

2.3 彎折程度對導電穩定性的影響

綜合考慮效果和成本問題后，使用銀包銅油墨1cm 線路寬度，0.1mm 印刷厚度的4 個樣品進行彎折實驗，觀察電阻變化。探究導電油墨不同印刷厚度、印刷線路寬度對滌棉織物印刷電路導電性的影響。圖3是線路寬度為1.0cm，印刷厚度為0.1mm 的銀包銅印刷電路，按照0°、30°、60°、90°彎折角度彎折的印刷電路電阻的數據。

圖3 銀包銅油墨彎折角度對電阻的影響

由圖3 可知，在印刷寬度、印刷厚度一致時，隨著彎折次數增加，電阻逐漸增加。開始彎折時測試樣電阻變化較大，隨著彎折次數增加，彎折位置形成較為穩定的堆砌結構，因此電阻變化逐漸減小，曲線變化減緩。隨著彎折后角度的減小，電阻逐漸增加。彎折后角度為0°時對印刷電路影響最大，其導電性能下降較為明顯。彎折后角度為30°、60°、90°對導電性能的影響較小，電阻變化不明顯。

3 結論

本研究采用銀包銅粉作為導電材料所配制出的導電油墨，通過絲網印刷的方式在滌棉平紋布上印刷電路，制備成以織物為基底的柔性印刷電路，結論如下。

（1）同種材料，長度相同，印刷線路寬度相同時，隨著印刷電路厚度增加，電阻降低，誤差波動越小，導電性越好。

（2）同種材料，長度相同，印刷電路厚度相同時，隨著印刷線路寬度增加，電阻減小。

（3）相同線路寬度，同種材料，厚度相同時印刷的電路，隨著彎折次數增加，電阻逐漸增加。在大于30°彎折角度下穩定性較好。

綜上所述，控制其他變量不變，印刷電路在印刷厚度為0.18mm，印刷線路寬度為1cm 時，導電效果最佳，且彎折后角度在30°、60°、90°時對電阻影響較小。本文總結得出的柔性印刷電路的最佳工藝，對企業的實際生產具有一定的價值，可為今后智能服裝的開發提供參考。