作者：王瑾 缪旭红
来源：《丝绸》2021年第03期
摘要： 智能可穿戴技术的快速发展，使得以织物为基底的柔性电路因其优异的柔性和透气性，受到广泛关注。文章综述了几种常用的织物柔性电路的制备方法，并指出这些方法在柔性、工艺、规模化生产等方面存在的问题;其次，结合智能纺织品的应用，总结了织物柔性电路在传感器、发光二极管和织物天线等领域的应用;最后，对织物柔性电路在智能可穿戴系统中存在的问题，提出织物柔性电路应具有趋同服用的性能、实现更为复杂的电路设计、保证稳定低功耗的电流传输及无缝集成等特性，为织物柔性电路发展提供方向。
关键词： 智能纺织品;柔性电路;导电纱线;导电油墨;针织 Abstract： With the rapid development of intelligent wearable technology， fabric-based flexible circuits have attracted wide attention because of their excellent flexibility and permeability. In this paper， several methods of fabric flexible circuits are reviewed， and the problems of these methods in flexibility， technology and large-scale production are pointed out. Combined with the application of intelligent textiles， the application of fabric flexible circuits in sensors， light-emitting diodes and fabric antennas is summarized. Finally， the problems of fabric flexible circuits in intelligent wearable syste
ms are discussed. It is suggested that fabric flexible circuits should have the properties of convergence， realize more complex circuit design， and ensure stability and low power. The characteristics of current transmission and seamless integration provide a direction for the development of fabric flexible circuits.
Key words： intelligent textiles; flexible circuit; conductive yarn; electrically conductive ink; knitting
隨着科技发展及人们对更舒适生活的向往，智能纺织品的需求逐年增长，尤其是在运动识别、健康监测等领域。智能纺织品的电子信息系统一般由电路、传感器、数据处理和电源等组成[1]。织物导电线路将各主要电子元件连接起来，是智能纺织品的重要组成部分[2]。传统的智能纺织品通常由较粗的电线将刚性材料或半导体与织物结合[3]，其笨重、易磨损且无法随织物变形等缺点不能满足人们生活多元化的需求，由此催生了一种轻便、柔软与人体皮肤贴合的柔性电路。柔性电路有将金属纳米颗粒、金属氧化物、导电聚合物[4]等导电材料与柔性衬底如纸张、塑料、硅胶等掺杂复合而成的电路，这种柔性电路通常具有较高的弹性和耐磨性，但透气性差;相比之下，以织物为基底的柔性电路具有更为理想的
柔性和透气性，几乎可以实现任意角度的弯曲、扭转、拉伸等变形，能够满足日常生活的使用要求。
本文详细介绍了几种常见的柔性电路的制备方法：导电纱线引入法、丝网印刷法和喷墨打印法。讨论了各种方法制备的织物柔性电路在导电性、可穿戴性、耐用性等方面的优劣，指出柔性电路制备过程中亟需解决的问题。同时分析织物柔性电路的应用领域，并对未来织物柔性电路的发展前景进行了展望。
1 柔性电路制备方法
1.1 导电纱线引入法
1.1.1 导电纱线
导电纱线引入法制备电路的一个重要步骤是到适宜织造的导电纱线，这些导电纱线应对人体及织物结构无影响。在织物中使用标准的导线是纺织电路的早期方法，导线是通过缝制或者刚性材料封装的方式固定在织物表面，这种方式导电性好、工艺简单，但严重降低织物穿戴的舒适性[5]。将导电纱线与传统织造工艺结合的方式形成柔性电路是目前织
物电路的主要研究方向之一，通常采用机织、针织、刺绣等方法，将导电纱线引入织物结构中形成导电线路。这种导电织物质量轻、透气性好，既具备普通织物的舒适性，又兼具优异的导电性[6]。导电纱线的选择是影响织物电路性能的重要因素，理想的纱线或织物应具有完全可调的导电性能，并将保持这些性能，同时具有可编织、可弯曲和耐磨损等功能[7]。
导电纱线引入法采用的导电纱线主要分为以下几种：1）导电金属丝，如金、银、铜、镍等，是由金属直接拉伸到较小的横截面形成[8]。金属丝具有优异的导电性但是抗弯刚度较大，编织困难。2）金属化纤维或纱线，主要由电镀、化学沉积、涂覆等方法制得，如镀银纱线、铜离子纤维。制备的导电纱线有接近原纱线的优良特性，但这种纱线在使用过程中导电层剥落、镀层氧化[9]等问题仍是亟待解决的难点。3）导电包覆纱，以导电金属丝为芯纱，外层包覆非导电纤维或纱线[10]。此法制得的导电纱线，由于金属丝位于芯部，可以很好地保护金属丝，在一定程度上降低纱线磨损并起到绝缘作用。4）导电混纺纱，通过导电纤维和非导电纤维混合纺纱形成导电纱[11]。混纺导电纱对纺纱工艺要求较高，带来制备困难、纱体内导电纤维分布不匀等问题。5）绝缘导电纱，对于某些织物结构电路，为了避免使用过程导电纱相互接触短路及保护导电纱线以减小磨损，在导电纱外层
涂敷绝缘聚合物膜，以此制备的电路可以节省最终电路封装程序。
1.1.2 机织法
机织物因其独特的织造方式，在机织物中集成导电线路的方式主要有2种：一种是将导电纱和非导电纱交织形成电路，如图1（a）所示。Li等[12]根据LED分布的位置在斜纹织物基底上设计导电线路，该机织物电路板具有多孔、柔性特性，应变可达到30%，可与柔性传感器或刚性电子元件连接。另一种方式是利用一维电子条的概念，以长丝和延伸的形式实现灵活的模块化电路。在机织物织造开闭口过程中，形成一个类似“口袋”的形状，将制作的电子条沿着纬纱方向引入“口袋”从而形成柔性电路。Komolafe等[13-14]在“口袋”嵌入了一种柔性电路板，该电路由柔性基板、金属线、电子元件等组成，这种方式制备的柔性电路可以随时拆除，洗涤非电路部分。第一种方式制备电路导电纱位于织物表面，在后续使用过程易磨损失效;第二种方式制备的电路可以随时拆卸而且电子条周围纱线可对电路起到一定的保护作用，但是由于电子条具有一定刚性，此法也在一定程度降低织物舒适性。
机织过程中经纱和纬纱都经历了显著的轴向张力，因为张力的存在，从而可以控制纱
线轴向曲率，满足更多种类纤维或纱线在机织加工过程中的可编织性。机织经纬向纱线交错可以形成稳定性织物结构，由此制备的电路确保电子元件能够与互连线正确对齐。此外，机织结构中三维角连锁结构的导电纱线允许沿着或穿过织物，能更容易地传输信号。
1.1.3 针织法
针织物具有很高的灵活性和穿戴舒适性，使其在体育、医学和其他领域的电子设备应用上具有较高的发展潜力。针织物电路板的工作原理是利用导电纱的线圈结构，使电流沿着线圈横列或纵行传输，如图1（b）所示。相较于机织物，因为复杂的线圈结构，针织柔性电路设计更加困难。在众多柔性电路应用中，如何实现三维可拉伸及稳定的电路对提高柔性电路可穿戴性具有重要意义[15]。李乔[16]制造了三维可拉伸针织柔性电路板，并证明了该电路板在多次三维冲头疲劳实验中仍具有较好的导电性。针织物因其线圈结构而不稳定，制备的柔性电路板易被拉伸或扭曲，Lou等[17]为此提供了一種解决方案，采用双包覆纱在带有提花设备的钩针机上设计针织图案，制得的柔性电路较稳定且具有多孔结构，透气性良好，该电路可与传感器等电子元件结合，形成可穿戴的远红外和健康监测电子纺织品。
针织物在电子纺织品中已经用于互连线和电子设备的开发。对用于人体运动和医疗的智能纺织品而言，为获得准确的生理信号监测，需要传感电路与皮肤贴身配置。这就要求设计的织物电路板应具有与人体皮肤相当的低模量及优异的弹性。针织物具有优越的弹性，是理想的柔性电路基板，但是针织结构中的导电纱线曲率较大，限制了导电纱线在材料和尺寸方面的选择。如何实现复杂的、灵活的针织柔性电路仍是人们需要探究的课题。
1.1.4 刺绣法
刺绣是在织物上集成电路的一种更简单的方法。刺绣法将紧密重叠的导电纱线缝合在织物基底上，形成各种导电图案。传统手工刺绣费时费力，近年来研究人员开发了电子刺绣工艺，通过计算机辅助设计可快速精确控制电路。Rehmi等[18]使用刺绣机将导电纱线在柔性基板上的金属化接触区刺绣，以产生导电连接。早期的刺绣电路通常与柔性非织物基板连接，在织物导电区集成各种电子元件。随着智能纺织品的发展，对导电纤维和纱线提出了更高的要求，直接将电子功能赋予纤维或纱线，减少刚性电子元件的使用。近年来，许多研究[19-20]已经采用物理或化学方法使纱线具有传感性能，将传感性能纱线与导电纱通过刺绣形成具有传感性能的电路是未来刺绣法制备织物电路的主流方向。
刺绣法无须借助额外设备，可直接在织物中形成任意形状的电路，但是导线穿过织物时会发生弯曲，因此要求导电纱线具有较高的强度和弹性，以免织造过程产生断裂。刺绣法制备电路成本较低、工艺简单、灵活度高，更容易实现复杂导电图案。因为刺绣属于织物后加工过程，导电线路可随时除去和修改。但是刺绣在织物表面的导电线路较硬挺，降低了织物整体的延伸性，不适宜贴身织物的电路设计，减小了柔性电路的应用范围。
1.2 丝网印刷
丝网印刷是通过刮刀对丝网表面的浆料进行移动刮压，使其透过丝网的图案区域渗透到基底材料表面（图2），从而实现图案的印刷[21]。丝网印刷技术制备柔性电路面临诸多挑战，许多研究已经致力于优化丝网印刷制备电路工艺，以获得导电性能较好的柔性电路。首先，织物表面的粗糙度和孔隙率使均匀导电层的印刷较为复杂，为此李克伟等[22]尝试了一种解决方案，采用PVA改性与PVC改性方式对柔性基底进行改性处理，在柔性基底表面形成一层很薄的改性物质层，然后进行丝网印刷，制备的导电织物方块电阻均小于10 Ω。其次，印刷的电路应满足一定机械性能，大多数的印刷是在低机械应力下进行的，印刷得到的柔性电路在拉伸过程中其电阻会发生变化。对于复杂电路，导线电阻变化将会
影响整个电路的正常工作，因此常选用弹性较低的机织物作为基底;印刷涂层是不透明的，掩盖了织物基底的颜和图案，急需寻透明的导电油墨或者通过一定美学设计，以满足柔性电路的实际应用[23]。最后，高温烧结是丝网印刷必不可少的步骤，烧结影响纺织品的性质，导致织物变形、手感硬化和变黄等问题，Wang等[24]开发了一种可以在低温下烧结并具有良好的导电性和黏结强度的导电油墨及加工方法。
丝网印刷技术制备导电线路工艺简单，已经用于加工装饰品，但每个印刷电子功能的油墨需要一个单独的丝网，印刷材料成本高、浪费大，限制了大面积柔性电路的制备。此外，制备的柔性电路板能否抵抗较大应变和机器洗涤的高速旋转，是否适宜大规模生产仍是需要解决的问题。
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