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基于半液態金屬的壓力調控選擇性粘附打印技術

微流控 ? 來源:微流控 ? 2023-12-19 17:09 ? 次閱讀

靈活、輕便、高度可靠和耐用的可穿戴電子產品在健康監測、能量收集、人機交互和柔性顯示等領域具有廣泛的應用。為了適應長期與皮膚接觸以及各種復雜環境,可穿戴電子產品需要具備良好的防水和透氣的特性。智能可穿戴設備,如谷歌Jacquard夾克和Sensoria智能運動服等產品,已經徹底改變了我們與服裝互動的方式;然而,這些進步通常伴隨著較高的成本和技術,所以這些產品在服裝市場中的價格也相對昂貴,限制了可穿戴電子產品的實用性。

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近期,天津大學國瑞副研究員和黃顯教授團隊在Advanced Fiber Materials期刊上發表了題為“Pressure Regulated Printing of Semiliquid Metal on Electrospinning Film Enables Breathable and Waterproof Wearable Electronics”的研究成果,提出了“基于半液態金屬(SLM)的壓力調控選擇性粘附”技術,為制造這類設備提供了全新的思路。

首先,研究人員使用激光打印機在熱轉印紙上打印出各種電路圖案,如心電圖電極、LED陣列、溫度傳感器等;接著,將這些電路圖案通過熱壓的方式轉移到聚丙烯(PP)薄膜上,從而形成電路結構;然后,利用SLM技術有選擇性地涂覆液態金屬導線,制造導電路徑;最后,通過熱壓將兩層PP薄膜與中間的熱熔不織布(TPU)粘合在一起,形成多層結構的可穿戴設備,見圖1。相較于傳統的電子元件制造方法,SLM技術即節省了時間,又降低了成本,同時還提供了更大的自由度,使設備的設計更加靈活,不僅適用于小規模生產,還具有擴展到大規模生產的潛力,為可穿戴設備的未來帶來更多機遇。

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圖1可穿戴電子設備在PP薄膜上的制備和應用

防水可以提高可穿戴電子產品的耐用性,PP薄膜較低的表面能使其具備出色的防水性能。水滴在PP薄膜上呈高接觸角,證實其高度疏水性,可有效保護可穿戴電子設備在水下使用。由圖2可以看出,PP薄膜能夠承受較高的水壓,保持電路正常工作,即使長時間浸泡在水中也不受影響;此外,PP薄膜的透氣性良好,即使在水下也能維持一定的透氣性,使穿戴者的皮膚與周圍環境交換氣體,保證了舒適性和安全性??傊?,PP薄膜能夠確保可穿戴電子產品在水下環境中長期使用;可穿戴電子產品可以適應各種復雜情況,包括皮膚出汗、溫度變化大和反復清洗等。

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圖2SLM電路在PP薄膜上的耐水性和透氣性測試

通過選擇性粘附的打印方法,能夠在當前操作條件下制備最薄寬度為100 μm的SLM導線。實驗在PP薄膜上打印了長度為5 cm,寬度從100 μm到1 mm不等的SLM導線。圖3的測試結果表明,隨著墨粉軌跡寬度的增加,電阻從5.4 ?逐漸降至1.0 ?,且保持在可接受的范圍內。

為了表征可穿戴電子設備的靈活性,研究人員測試了SLM導體在彎曲和扭曲條件下的電性能,圖3的實驗結果表明,相對電阻僅略微增加,長期周期性測試的相對電阻變化很??;此外,SLM導體的氧化不影響電性能,熱穩定性良好。為了克服結構損壞問題,研究人員進一步研究了多層SLM電路的連接方法,通過鉆孔和熱壓熔化,成功制備了多層SLM電路,在彎曲和扭曲條件下其電性能穩定,并展示了使用熱轉印技術制備大面積SLM電路的過程??傊?,通過選擇性粘附打印方法制備的SLM電路適用于多層及大面積。

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圖3SLM導線的電性能

圖4為多功能可穿戴電子設備位于志愿者的胸部,用于檢測人體表面溫度和心電圖信號。觸摸傳感器電極1可通過LED陣列顯示不同溫度范圍,而觸摸傳感器電極2則顯示心率。溫度傳感器采用溫度敏感的復合屏幕,可以在不同溫度下測量電阻變化,保持長期穩定性。此外,可穿戴設備還配備了ECG電極,其阻抗低于商用電極,可清晰記錄ECG信號。設備還適用于水下和劇烈運動,為健康監測提供了更廣泛的應用。

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圖4可穿戴電子設備用于檢測各種體征

綜上所述,作者展示了一種基于半液態金屬(SLM)的壓力調控選擇性粘附的制造策略,這種方法簡單、快速、經濟,適合大規模生產可穿戴電子設備。SLM為可穿戴電路提供了更高的導電性(1.4 × 10?S/m)和更穩定的導電結構。采用SLM電路制備的可穿戴電子設備可用于監測人體表面溫度、心電圖信號以及人機交互,其多層結構和柔韌性適合長期佩戴。PP薄膜為設備提供了出色的透氣性(311.1 g/m2/h)和防水性,適用于各種日?;顒?,以及劇烈運動和水下使用。





審核編輯:劉清

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原文標題:透氣防水型可穿戴設備制造新思路:基于半液態金屬的壓力調控選擇性粘附打印技術

文章出處:【微信號:Micro-Fluidics,微信公眾號:微流控】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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