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1. 簡介
柔性和可拉伸電子產品的開發(fā)在很大程度上依賴于導電跡線的性能，這些跡線可以承受高變形，同時保持導電性[1，2]?？衫熳呔€是制造可穿戴電子產品傳感器和天線的關鍵組件[3]。可穿戴醫(yī)療電子產品的一個重要方面是能夠適應與身體運動相關的機械應變和變形，而不會降低電子設備的性能?；ミB（即導電跡線）是電子產品中的無源元件，與傳感器或集成電路等有源元件相比，更容易適應變形[4]。事實上，許多可拉伸電子產品的系統(tǒng)級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）來實現(xiàn)的[5-7]。在這種情況下，可拉伸互連和天線是僅有的兩個實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現(xiàn)。首先，即使導電材料本質上不是可拉伸的，也可以實現(xiàn)拉伸性。例如，金屬膜可以沉積在預拉伸的彈性體基材上，以實現(xiàn)手風琴般的“波浪狀”結構[8]。在金屬圖案中制作結構浮雕也允許拉伸性，例如蛇形-[5]、分形-[9]、網狀-[10]和線圈形[11]互連。這些例子不是印刷電子產品，但它們的概念可以很容易地應用于印刷以實現(xiàn)拉伸性。其次，可以開發(fā)具有內在可拉伸性、彈性和導電性的材料。嵌入或沉積在彈性基板上的納米線的滲透網絡可以是一個例子[12]。金屬前體可以用彈性主體材料打印，然后作為后處理進行還原以實現(xiàn)導電性[13，14]。然而，后處理通常涉及高固化溫度或腐蝕性化學品，這可能導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）通道就是一個很好的例子[15]。
提高導電材料的可印刷性一直是一個具有挑戰(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，該配方結合了銀片，氟橡膠和表面活性劑，以增強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復合油墨，但需要160°C的相當高的固化溫度[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電墨水，可以直接用筆書寫[20]。這種油墨可以保持與聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺的良好附著力，但需要多個書寫步驟和化學還原后處理[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總結了用于可拉伸互連的幾種值得注意的導電油墨的主要特性。用于可拉伸互連的可印刷導電材料的理想油墨將實現(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 | 差應變時的電導率值 % | 固化溫度 | 參考 |
| 銀-碳納米管復合材料，聚偏氟乙烯 | 滴鑄 | 5710 S cm−1—0% 應變 | 160 °C， 12 小時 | [19] |
| 熱軋 | 20 S 厘米−1—140% 應變 | |||
| 嵌入銀/鉑 | 絲網印刷 | 3012 S 厘米−1—0% 應變 | 室溫，24小時（干燥） | [14] |
| rGO 與聚偏氟乙烯混合 | 熱軋 | 322.8 秒 厘米−1—35% 應變 | 150 °C，90 分鐘 | |
| 銀片（91重量%），聚氨酯 | 可絲網印刷 | 3570 S cm−1—0% 應變 | 70 °C， 3 小時 | [24] |
| 1200 S cm−1—70% 應變 | 對 PET/PVC 的低附著力 | |||
| 銀片、MWNT、芐硫醇、乙醇 | 濕紡 | ∼6000 S 厘米−1—0% 應變 | 135 °C，45 分鐘 | [25] |
| ∼260 秒−1—70% 應變 | ||||
| 銀片、氟表面活性劑 | 絲網和模板 | 738 S cm−1—0% 應變 | 80 °C，30 分鐘 | [18] |
| MIBK， 氟橡膠 | 打印 | 400 S cm−1—70% 應變 | ||
| （羥丙基）甲基纖維素，含氟表面活性劑，AgNW，消泡劑MO | 絲網印刷 | 46 700 S 厘米−1—0% 應變 | 150 °C，30 分鐘 | [21] |
| 8002 S cm−1—70% 應變 | ||||
| 銀片，TEA，4-甲基-2-戊酮，氟橡膠（目前的研究） | 打印 | 849 S cm−1—0% 應變 | 室溫 | 我們的工作 |
| ∼100 S 厘米−1—110% 應變 |
在這里，我們開發(fā)了一種新的配方，以實現(xiàn)具有高導電性的可拉伸墨水。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，TEA促進了組分在甲基異丁酮（MIBK）助溶劑中的溶解，從而產生了均勻的溶液。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，該復合材料表現(xiàn)出8.49×10的高電導率值4T J−1無需任何后處理。此外，TEA對復合材料進行了塑化，使得印刷的跡線可以自由變形而不會失去導電性。復合材料本身不具有機械彈性，但可拉伸基材和復合材料的良好附著力相結合，使可拉伸痕跡可以彎曲、扭曲和拉伸高達*，而不會降低其電氣和機械性能。我們制造了具有三種不同幾何形狀的無線局域網（WLAN）天線：環(huán)形、貼片和領結。對三種不同天線幾何形狀的性能進行了仿真和測量，以應對原始幾何形狀和單軸應變條件。
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械耐久性和導電性的重要參數(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，以實現(xiàn)拉伸性和導電性。對于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的溶液的總重量。首先，氟橡膠在MIBK中溶解24小時。然后，加入TEA作為分散劑，并將混合物攪拌6-8小時。一旦混合物變得均勻，加入銀片并將混合物攪拌4小時以獲得性墨水。所有這些程序都是在室溫下進行的。天線（身體環(huán)，貼片和領結）使用3D噴射打印機（nScrypt桌面3Dn打印機）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。當需要干燥時，將樣品置于120°C的真空烘箱中24小時（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行可拉伸天線制造。
3.1. 油墨的機械耐久性
使用拉伸測試儀（Univert，Cellscale生物材料測試），我們研究了印刷跡線在多個拉伸釋放周期中的電阻變化。在一個周期中，我們測試了電阻的變化，直到跡線在應變值為 ∼500% 時最終失效（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，最高可達應變的∼150%，而增加的速度在進一步拉伸時迅速增長。印刷薄膜的操作可重復性（圖2（a）），以0.3毫米秒的十字頭速度將其拉伸至50%應變−1，然后以相同的速率釋放菌株（每個周期需要 50 秒）。該拉伸釋放循環(huán)重復1000次，并觀察到阻力的變化（圖2（c））。印刷的跡線在測試中是導電的，但相對于拉伸釋放周期，阻力逐漸增加。我們假設降解與跡線的局部塑性變形有關（例如某些局部點的少量厚度起伏）;確切的機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驗裝置的相應圖片。（b） 相對于應變的相對電阻值，直至最終失效，約為 500%。（c） 可拉伸痕量薄膜在1000個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）用于氟聚合物網絡的增塑劑，在印刷導電痕量狀態(tài)下賦予高拉伸性。
3.4. 在可伸縮天線中的應用
在這項工作中設計和制造了三種類型的可拉伸天線。身體上的可拉伸天線設計用于人體皮膚，而另外兩個則針對物聯(lián)網（IoT）的WLAN。
3.4.1. 機身可伸縮天線
在機體操作中，天線有一些設計考慮因素[34]。這是由于身體組織的相對介電常數(shù)大，導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一步復雜化[35，36]。我們試圖建立一個類似于人類手臂的一階近似模型，通過司法模擬來設計身體天線。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?？梢钥闯觯僭O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是半長軸。因此，A × B 是每個橢圓面積的 4/π 倍。手臂的長度也假設為 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，以研究設計天線的性能。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）機體可拉伸天線、（d）可拉伸貼片天線和（g）可拉伸領結天線的物理尺寸和仿真模型。（中圖）（b）體上、（e）貼片和（g）領結天線的原始和拉伸樣品的輸入反射系數(shù)（S11）的仿真和測量結果。（右圖）（c）機體、（f）貼片和（i）領結天線的輻射方向圖（E平面和H平面）的仿真和測量結果。
環(huán)形天線是貼體應用的之一，因為與其他天線設計相比，該設計的磁偶極子性能受周圍介質相對介電常數(shù)的影響相對較小[37]。人體由于其含水量高，具有非常高的相對介電常數(shù)。對于身體天線，設計了一個帶有四個圓圈的方形環(huán)形結構，工作頻率為3.5 GHz。四個圓圈的作用是通過增強導體路徑中的電流分布來提高增益和阻抗帶寬。設計的天線結構為16毫米×16毫米的正方形，每個圓的直徑為4毫米，線的厚度為1毫米。對于基材，使用1毫米厚的丙烯酸彈性體VHB膠帶4905（3M），相對介電常數(shù)為3.2，切線損失為0.03。
3.4.2. 無線局域網可伸縮天線
使用可拉伸材料和墨水，可以打印用于許多應用（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了該領域的發(fā)展[39-41]，并且追求最佳材料以獲得更好的性能仍在進行中。圖5（d）顯示了專為WLAN應用設計的可拉伸貼片天線。貼片設計是基本天線之一。在這里，接地層作為平行于天線平面的單獨層包括在內，而介電層則在兩層之間鋪設。貼片天線的工作頻率直接取決于貼片長度，因此拉伸貼片會改變其共振頻率。對于貼片天線，設計了兩段阻抗變壓器，使反射系數(shù)匹配到50 Ω。當貼片天線沿縱向（Y軸）拉伸時，其工作頻率發(fā)生變化。領結槽天線是一種寬帶單層天線。當領結天線被拉伸時，其阻抗增加。
S11在不同拉伸長度下的對數(shù)尺度仿真和測量結果分別顯示在圖5（b）、（e）和（h）中。S11 圖與頻率的關系圖顯示了從天線輸入端口反射回來的功率量。當天線接受的功率越多時，反射回來的功率就越少，因此輻射功率更高。在dB標度中，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。
機身天線設計為在原始長度下具有 3.5 GHz 的諧振頻率。圖5（b）中的藍色實線是體上天線在其原始長度下的仿真結果。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的測量值在圖5（b）中被描繪為帶圓圈的黑色實線，顯示了在相同頻率下大約98%的接受功率。在*拉伸長度的同時，使用圖5（b）中分別顯示為紅色虛線和帶三角形的綠色實心的仿真和測量來研究性能。兩者都在1.75 GHz時顯示出約99%的接受功率，這是原始諧振頻率的一半。預計通過將天線的長度增加其原始長度的兩倍，諧振頻率將減半[42]。
貼片和領結槽天線在S11方面具有相似的性能，分別如圖5（e）和（h）所示。貼片天線設計為在 5.5 GHz 下具有諧振。圖5（e）中的藍色實線和虛線綠色曲線說明了貼片天線的輸入反射系數(shù)（S11）在原始長度下的仿真和測量結果。兩條曲線都顯示貼片天線在 5.5 GHz 時的功率接受度超過 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方向上的貼片長度，因此通過增加貼片的長度，預計諧振頻率會降低。
在圖5（e）中，32%拉伸長度的輸入反射系數(shù)（S11）的模擬和測量分別以純紅色（帶圓圈）和破折號粉色（帶圓圈）表示。通過將補丁的長度比其原始長度增加32%，預計諧振頻率將降低23%，即4.1 GHz。在仿真和測量中都執(zhí)行了相同的結果。同樣，如果貼片比原始長度拉伸65%，則工作頻率降低40%，即3.3 GHz。圖5（e）中帶十字標記的黑色實線和帶三角形標記的棕色虛線表示輸入反射系數(shù)的仿真和測量結果。仿真顯示超過98%的可接受功率，而在測量中只有95%。領結槽天線設計為在其原始長度下以 5.3 GHz 的頻率運行。
圖5（h）中的藍色實線和虛線綠色曲線展示了領結槽天線原始長度下輸入反射系數(shù)（S11）的仿真和測量。兩條曲線都顯示天線在所需頻率下接受的功率超過99%。領結槽天線的諧振頻率還取決于其在 y 方向上的總長度。與體上天線和貼片天線類似，領結槽天線的諧振頻率與天線電長度的倒數(shù)成正比[43]。通過將槽的長度比其原始長度增加 42%，預計諧振頻率降低到 4 GHz，而拉伸到比原始長度多 110% 應將其降低到 2.5 GHz。圖5（h）中，領結槽天線的輸入反射系數(shù)（S11）為42%和拉伸率為110%的仿真和測量結果分別以帶圓形標記的純紅色、帶圓形標記的虛線粉紅色、帶十字標記的純黑色和帶三角形標記的破折號棕色顯示。輸入反射系數(shù)結果表明，所有三個天線的仿真和測量結果之間都非常一致。這些差異是由于實際中基板和導體厚度的變化，以及電導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. 結論
在這里，我們展示了一種用于高度可變形導電跡線的新型合成配方，其中TEA用作含氟聚合物和銀片復合材料的增容劑和增塑劑。彈性體基板上的印刷導電跡線顯示出電氣和機械性能的出色組合。我們討論了TEA在油墨溶液和印刷跡線中的作用。使用導電跡線，我們制造了一個3.2 GHz的體上環(huán)形天線，以及WLAN貼片和領結天線。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。這些結果表明，我們的新型墨水可以作為可穿戴電子和物聯(lián)網應用的導體材料。
