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1. 簡介
柔性和可拉伸電子產品的開發在很大程度上依賴於導電跡線的效能╃◕◕，這些跡線可以承受高變形╃◕◕，同時保持導電性[1╃◕◕，2]▩·。可拉伸走線是製造可穿戴電子產品感測器和天線的關鍵元件[3]▩·。可穿戴醫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╃◕◕，而不會降低電子裝置的效能▩·。互連（即導電跡線）是電子產品中的無源元件╃◕◕，與感測器或積體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級整合都是透過組裝封裝在可拉伸基板中的宏觀積體電路晶片（毫米到釐米級）來實現的[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元件▩·。
印刷的可拉伸互連可以透過多種方式實現▩·。首先╃◕◕，即使導電材料本質上不是可拉伸的╃◕◕，也可以實現拉伸性▩·。例如╃◕◕，金屬膜可以沉積在預拉伸的彈性體基材上╃◕◕，以實現手風琴般的“波浪狀”結構[8]▩·。在金屬圖案中製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於印刷以實現拉伸性▩·。其次╃◕◕，可以開發具有內在可拉伸性◕·↟╃╃、彈性和導電性的材料▩·。嵌入或沉積在彈性基板上的奈米線的滲透網路可以是一個例子[12]▩·。金屬前體可以用彈性主體材料列印╃◕◕，然後作為後處理進行還原以實現導電性[13╃◕◕，14]▩·。然而╃◕◕，後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╃◕◕，然後封裝在彈性槽中╃◕◕，就像微流體通道一樣▩·。液態金屬填充聚二甲基矽氧烷（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性的研究課題▩·。例如╃◕◕，Someya等人引入了一種基於咪唑的離子液體╃◕◕，以實現由碳奈米管（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等人開發了一種帶有聚偏氟乙烯粘合劑的可印刷銀和CNT複合油墨╃◕◕，但需要160°C的相當高的固化溫度[19]▩·。Yang等人開發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醯亞胺的良好附著力╃◕◕，但需要多個書寫步驟和化學還原後處理[20]▩·。Pei等人開發了一種含有纖維素和含氟表面活性劑分子的水性銀奈米線墨水[21]▩·。表1總結了用於可拉伸互連的幾種值得注意的導電油墨的主要特性▩·。用於可拉伸互連的可印刷導電材料的理想油墨將實現所有理想的特性╃◕◕，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▩·。
| 元件 | 印刷方式 | 差應變時的電導率值 % | 固化溫度 | 參考 |
| 銀-碳奈米管複合材料╃◕◕，聚偏氟乙烯 | 滴鑄 | 5710 S cm−1—0% 應變 | 160 °C╃◕◕， 12 小時 | [19] |
| 熱軋 | 20 S 釐米−1—140% 應變 | |||
| 嵌入銀/鉑 | 絲網印刷 | 3012 S 釐米−1—0% 應變 | 室溫╃◕◕，24小時（乾燥） | [14] |
| rGO 與聚偏氟乙烯混合 | 熱軋 | 322.8 秒 釐米−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◕·↟╃╃、苄硫醇◕·↟╃╃、乙醇 | 溼紡 | ∼6000 S 釐米−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 | 列印 | 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 釐米−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） | 列印 | 849 S cm−1—0% 應變 | 室溫 | 我們的工作 |
| ∼100 S 釐米−1—110% 應變 |
在這裡╃◕◕，我們開發了一種新的配方╃◕◕，以實現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中的表面活性劑或塑膠製造中的增塑劑[22╃◕◕，23]╃◕◕，在我們的銀片和氟橡膠的油墨配方中▩·。在製造油墨時╃◕◕，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╃◕◕，並在彈性基材上很好地粘附▩·。在印刷和乾燥溶劑後╃◕◕，該複合材料表現出8.49×10的高電導率值4T J−1無需任何後處理▩·。此外╃◕◕，TEA對複合材料進行了塑化╃◕◕，使得印刷的跡線可以自由變形而不會失去導電性▩·。複合材料本身不具有機械彈性╃◕◕，但可拉伸基材和複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效能▩·。我們製造了具有三種不同幾何形狀的無線區域網（WLAN）天線₪│•▩☁：環形◕·↟╃╃、貼片和領結▩·。對三種不同天線幾何形狀的效能進行了模擬和測量╃◕◕，以應對原始幾何形狀和單軸應變條件▩·。
2. 材料和方法
2.2. 彈性油墨溶液的製備和印刷
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引數▩·。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╃◕◕，以實現拉伸性和導電性▩·。對於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▩·。這裡╃◕◕，“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▩·。然後╃◕◕，加入TEA作為分散劑╃◕◕，並將混合物攪拌6-8小時▩·。一旦混合物變得均勻╃◕◕，加入銀片並將混合物攪拌4小時以獲得性墨水▩·。所有這些程式都是在室溫下進行的▩·。天線（身體環╃◕◕，貼片和領結）使用3D噴射印表機（nScrypt桌面3Dn印表機）圖案化到彈性體基板（VHB-4905）上▩·。列印後╃◕◕，將天線圖在100°C下乾燥20分鐘以除去多餘的溶劑▩·。當需要乾燥時╃◕◕，將樣品置於120°C的真空烘箱中24小時（Symphony-VWR╃◕◕，Vacuubrand 2 C）▩·。製造過程的示意圖如圖1所示▩·。圖1.彈性油墨製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製造▩·。
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週期中的電阻變化▩·。在一個週期中╃◕◕，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））▩·。在這裡╃◕◕，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複性（圖2（a））╃◕◕，以0.3毫米秒的十字頭速度將其拉伸至50%應變−1╃◕◕，然後以相同的速率釋放菌株（每個週期需要 50 秒）▩·。該拉伸釋放迴圈重複1000次╃◕◕，並觀察到阻力的變化（圖2（c））▩·。印刷的跡線在測試中是導電的╃◕◕，但相對於拉伸釋放週期╃◕◕，阻力逐漸增加▩·。我們假設降解與跡線的區域性塑性變形有關（例如某些區域性點的少量厚度起伏）;確切的機制是未來研究的主題▩·。
圖2.（a） 單軸拉伸和釋放迴圈的示意圖以及我們實驗裝置的相應圖片▩·。（b） 相對於應變的相對電阻值╃◕◕，直至最終失效╃◕◕，約為 500%▩·。（c） 可拉伸痕量薄膜在1000個拉伸釋放週期中的阻力變化▩·。
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）在油墨溶液狀態下均勻分散在氟橡膠基體中;（2）用於氟聚合物網路的增塑劑╃◕◕，在印刷導電痕量狀態下賦予高拉伸性▩·。
3.4. 在可伸縮天線中的應用
在這項工作中設計和製造了三種類型的可拉伸天線▩·。身體上的可拉伸天線設計用於人體皮膚╃◕◕，而另外兩個則針對物聯網（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]▩·。這是由於身體組織的相對介電常數大╃◕◕，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複雜化[35╃◕◕，36]▩·。我們試圖建立一個類似於人類手臂的一階近似模型╃◕◕，透過司法模擬來設計身體天線▩·。表2顯示了我們用於使用身體組織和層的已知特徵來模擬人體手臂的引數▩·。手臂的幾何模型如圖5（a）所示▩·。可以看出╃◕◕，假設橫截面為橢圓╃◕◕，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▩·。這些值用於Ansys HFSS全波3D電磁模擬器軟體╃◕◕，以研究設計天線的效能▩·。表 2 中提到的引數分配給軟體中的每一層▩·。
表 2.模擬中使用的人體元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模擬模型▩·。（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係數（S11）的模擬和測量結果▩·。（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）的模擬和測量結果▩·。
環形天線是貼體應用的之一╃◕◕，因為與其他天線設計相比╃◕◕，該設計的磁偶極子效能受周圍介質相對介電常數的影響相對較小[37]▩·。人體由於其含水量高╃◕◕，具有非常高的相對介電常數▩·。對於身體天線╃◕◕，設計了一個帶有四個圓圈的方形環形結構╃◕◕，工作頻率為3.5 GHz▩·。四個圓圈的作用是透過增強導體路徑中的電流分佈來提高增益和阻抗頻寬▩·。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▩·。對於基材╃◕◕，使用1毫米厚的丙烯酸彈性體VHB膠帶4905（3M）╃◕◕，相對介電常數為3.2╃◕◕，切線損失為0.03▩·。
3.4.2. 無線區域網可伸縮天線
使用可拉伸材料和墨水╃◕◕，可以列印用於許多應用（如WLAN通道）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展[39-41]╃◕◕，並且追求最佳材料以獲得更好的效能仍在進行中▩·。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▩·。在這裡╃◕◕，接地層作為平行於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於貼片長度╃◕◕，因此拉伸貼片會改變其共振頻率▩·。對於貼片天線╃◕◕，設計了兩段阻抗變壓器╃◕◕，使反射係數匹配到50 Ω▩·。當貼片天線沿縱向（Y軸）拉伸時╃◕◕，其工作頻率發生變化▩·。領結槽天線是一種寬頻單層天線▩·。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尺度模擬和測量結果分別顯示在圖5（b）◕·↟╃╃、（e）和（h）中▩·。S11 圖與頻率的關係圖顯示了從天線輸入埠反射回來的功率量▩·。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▩·。天線的工作頻寬定義為反射係數低於−10 dB的頻率範圍╃◕◕，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▩·。透過拉伸這些天線╃◕◕，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模擬結果▩·。S11曲線的深度發生在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模擬和測量來研究效能▩·。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▩·。預計透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方面具有相似的效能╃◕◕，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係數（S11）在原始長度下的模擬和測量結果▩·。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%▩·。然後將貼片天線沿y方向拉伸32%和65%▩·。貼片天線的工作頻率取決於y方向上的貼片長度╃◕◕，因此透過增加貼片的長度╃◕◕，預計諧振頻率會降低▩·。
在圖5（e）中╃◕◕，32%拉伸長度的輸入反射係數（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▩·。透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▩·。在模擬和測量中都執行了相同的結果▩·。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係數的模擬和測量結果▩·。模擬顯示超過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 的頻率執行▩·。
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係數（S11）的模擬和測量▩·。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於其在 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成正比[43]▩·。透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係數（S11）為42%和拉伸率為110%的模擬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▩·。輸入反射係數結果表明╃◕◕，所有三個天線的模擬和測量結果之間都非常一致▩·。這些差異是由於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的增加╃◕◕，這些未包括在模擬中
4. 結論
在這裡╃◕◕，我們展示了一種用於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複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效能的出色組合▩·。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╃◕◕，我們製造了一個3.2 GHz的體上環形天線╃◕◕，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網應用的導體材料▩·。
