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

MEMS 2023-12-20 00:01

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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。

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。

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。總之，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。

圖2?SLM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小；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。總之，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。

圖3?SLM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。

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，適用于各種日常活動，以及劇烈運動和水下使用。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00343-y

延伸閱讀：

《柔性混合電子（FHE）技術及市場-2023版》

《可穿戴技術及市場-2023版》

《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》