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從纖維到電路：精準光刻技術(shù)賦能透孔紡織電子器件

來源：上海冪方電子科技有限公司 更新時間：2025-04-22 08:15:13 閱讀量：144
導(dǎo)讀：研究背景隨著可穿戴電子的快速發(fā)展，紡織基柔性器件因其天然的三維多孔結(jié)構(gòu)在健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，但其面臨的
研究背景
隨著可穿戴電子的快速發(fā)展，紡織基柔性器件因其天然的三維多孔結(jié)構(gòu)在健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，但其面臨的核心挑戰(zhàn)在于如何在保持透氣性與舒適性的同時，實現(xiàn)高精度、高導(dǎo)電性和機械穩(wěn)定性的導(dǎo)電圖案。傳統(tǒng)技術(shù)如編織 / 刺繡存在線寬粗（0.1~1 mm）、難以集成復(fù)雜電路的問題；印刷技術(shù)雖可實現(xiàn)圖案化，但墨水擴散導(dǎo)致線寬 > 0.5 mm 且堵塞織物孔隙；平面化處理雖提升分辨率卻破壞織物多孔結(jié)構(gòu)。因此，開發(fā)一種能在紡織物內(nèi)部構(gòu)建高分辨率、高導(dǎo)電、透氣且穩(wěn)定的金屬圖案的技術(shù)成為行業(yè)關(guān)鍵需求。


研究成果
基于紡織品的可穿戴電子設(shè)備因其獨特的三維多孔結(jié)構(gòu)所固有的出色柔韌性和透氣性而弓起了廣泛的研究興趣。然而，如何在不影響佩戴舒適度的前提下，實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)健性的高導(dǎo)電性圖案，是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。在此，香港理工大學(xué)鄭子劍與南方科技大學(xué)林苑菁教授團隊開發(fā)了一種通用、穩(wěn)健的紡織品內(nèi)光刻策略，用于在多孔紡織品結(jié)構(gòu)上精確、均勻地繪制金屬圖案。制備的金屬圖案精度高達 100微米以下，并具有理想的機械穩(wěn)定性、耐洗性和透氣性。此外，這種滲透到紡織品支架內(nèi)部的可控涂層有助于顯著提高微型設(shè)備的性能，并通過紡織品的兩面實現(xiàn)電子集成。作為概念驗證，展示了一個用于多路復(fù)用汗液傳感的完全集成的紡織品內(nèi)系統(tǒng)。所提出的方法為構(gòu)建性能可靠、佩戴舒適的多功能紡織柔性電子器件提供了新的可能性。相關(guān)研究以“Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

創(chuàng)新點
1. 提出雙面 UV 曝光光刻與聚合物輔助金屬沉積（PAMD）結(jié)合的方法，實現(xiàn)了100 μm 線寬，突破傳統(tǒng)單面曝光導(dǎo)致的圖案不連續(xù)問題；利用 PAMD 在纖維表面形成金屬 / 聚合物復(fù)合界面，增強附著力并避免纖維粘結(jié)，保留織物透氣性。
2. 性能指標全面提升，具有高分辨率與，導(dǎo)電性線寬 200 μm 時電阻僅 22 Ω/cm，分辨率達行業(yè)領(lǐng)先水平（傳統(tǒng)印刷技術(shù) > 300 μm）；以及優(yōu)異機械穩(wěn)定性，10,000 次彎曲循環(huán)后電阻變化 < 2 倍，20 次洗滌后電阻增加 < 2 倍。
3. 多功能集成與應(yīng)用拓展，金屬圖案貫穿織物厚度，支持雙面器件構(gòu)建（如溫度監(jiān)測貼片），基于高精度電極開發(fā)的微超級電容器以及集成五合一傳感器的頭帶實現(xiàn)實時無線監(jiān)測。

圖文導(dǎo)讀
Fig. 1 | In-textile photolithography for conductive metal patterns in fabrics.
 
Fig. 2 | Characterization of well-defined and conductive metal patterns in textiles.
 
Fig. 3 | High-performance electronics enabled by robust and well-defined conductive metal patterns.
 
Fig. 4 | Fabrication and performance evaluation of the multiplexed biosensor array for sweat monitoring.
 
Fig. 5 | Design and on-body application of the integrated in-textile headband.

總結(jié)與展望
總之，作者提出了一種創(chuàng)新方法--織物內(nèi)光刻技術(shù)，以有效解決三維多孔紡織品導(dǎo)電圖案化的相關(guān)挑戰(zhàn)。紡織品內(nèi)光刻技術(shù)可實現(xiàn) 100um 的高圖案分辨率、高導(dǎo)電性、10,000 次的出色彎曲穩(wěn)定性和 20次的水洗穩(wěn)定性，并能很好地保持紡織品中導(dǎo)電金屬圖案的透氣性和透濕性。通過這種高精度的圖案設(shè)計方法，可以在多孔紡織品中實現(xiàn)具有足夠表面積的精細電極，從而有助于制造高性能和小型化的設(shè)備，以及與用于電路開發(fā)的商用芯片無縫集成因此，高性能微型超級電容器和具有原位報警功能的溫度傳感貼片等功能電子器件可以在織物中構(gòu)建，這極大地體現(xiàn)了在單件織物上構(gòu)建多層電路的前景。重要的是，作者利用織物內(nèi)光刻技術(shù)開發(fā)了用于無線汗液傳感的集成多路復(fù)用生物傳感頭帶，作為概念驗證演示。由于紡織品中定義明確的導(dǎo)電圖案具有出色的機械堅固性和透氣性，該頭帶可實現(xiàn)實時汗液收集和同時監(jiān)測多種汗液生物標記物，并具有理想的佩戴舒適性。所提出的在紡織品中制作高精度金屬圖案的創(chuàng)新方法，為可穿戴應(yīng)用(如無創(chuàng)健康監(jiān)測和人機界面)中的透氣性、高性能、多功能和高度集成的紡織電子產(chǎn)品的發(fā)展提供了啟示。

文獻鏈接
Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45287-y

*本文來源：作者團隊，感謝作者團隊對本公眾號的大力支持！如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除，如有冒犯之處敬請見諒!
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