eng
Выпуск #6/2018
А.Исайкин, А.Смолин, В.Калязин
Эластичные печатные составы как базовый элемент электроники будущего
Эластичные печатные составы как базовый элемент электроники будущего
Просмотры: 2851
Рассмотрены проблемы разработки токопроводящих печатных составов для эластичных субстратов – ключевого элемента инновационной гибкой и растягиваемой электроники и основы создания "умной одежды". С точки зрения процесса печати эластичные материалы можно разделить на две группы: непроницаемые для печатного состава и текстильные полотна, имеющие пористую, проницаемую для краски структуру. Для проводящих дорожек на непроницаемых и невпитывающих материалах разработана двухфазная система растворителей и поверхностно-активного вещества, позволяющая создать внутри печатного слоя приповерхностную проводящую зону, обогащенную наночастицами серебра. При этом повышается проводимость без увеличения доли проводящего компонента и достигается хорошая эластичность печатной дорожки благодаря формированию слоя практически чистого эластомера. Для тканого текстиля разработана технология нанесения проводящих дорожек с использованием высокопроникающего растворителя и двухступенчатого режима сушки, что приводит к глубокой пропитке структурных элементов ткани без связывания и заполнения полостей. Полученные показатели поверхностного сопротивления дорожек сопоставимы с известными аналогами и превосходят их по механическим и эксплуатационным свойствам. Разработанные печатные составы позволяют создавать ЭМГ-электроды, RFID-метки и антенны, интегрированные непосредственно в элементы одежды.
УДК 655.3, ВАК 05.27.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.418.424
УДК 655.3, ВАК 05.27.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.418.424
Теги: elastomer flexible printing compositions stretchable electronics гибкие печатные составы растягиваемая электроника эластометр
В последние годы одним из перспективных направлений развития электроники считается создание гибких/растяжимых устройств с возможностью интеграции в элементы одежды. Такие устройства могут как прикрепляться к одежде, так и устанавливаться непосредственно на кожу человека, выполняя роль портативных дисплеев, датчиков контроля активности, различных устройств с автономным питанием. Носимые дисплеи могут разрабатываться в виде расширяемых и складных экранов для смартфонов, электронной одежды и скручиваемых или складных обоеподобных дисплеев. Носимые датчики могут играть важную роль в физическом, химическом, биологическом и медицинском мониторинге и контроле состояния человеческого тела, выполняемых с высокой эффективностью и минимальным дискомфортом.
Печатная электроника нацелена на минимизацию материальных и производственных затрат, позволяя существенно снизить стоимость изделий электронной техники, увеличить эффективность их производства, создавать гибкие приборы с улучшенными рабочими характеристиками, повышенными надежностью и экологической безопасностью. Это особенно важно для крупногабаритной электроники, такой как дисплеи [1] фотоэлектрические преобразователи [2] и датчики большой площади [3]. Подобные результаты могут быть достигнуты совместным применением новых функциональных красок и современных полиграфических платформ глубокой, флексографской и струйной печати, а также гравировки. Уже разработаны и активно внедряются различные типы краски со свойствами проводников, изоляторов и полупроводников на базе неорганических и/или органических материалов для печати транзисторов [4] и светодиодов [5].
Одним из основных направлений развития технологии печатных электронных устройств является создание электронных элементов, интегрированных непосредственно в одежду. Подобные электронные устройства привлекают значительное внимание и имеют огромный потенциал благодаря таким качествам, как интерактивность, мобильность, удобство [6].
В 2016 году сегмент умной одежды составлял около 1% рынка носимых устройств – в общей сложности было произведено 1,3 млн устройств. По прогнозу IDC Mobile Device Trackers [7], в ближайшие годы этот сегмент продемонстрирует рост в 9,4% до 22,3 млн изделий умной одежды к 2021 году. Исследователи рынка умной одежды из Tractica [8] предсказывают, что в 2022 году объем ее производства достигнет 26,9 млн единиц, а совокупный среднегодовой темп роста составит приблизительно 76,6% с 2016 по 2021 год. Согласно прогнозам, это самый быстрорастущий сегмент на всем рынке носимых устройств.
Основные требования к устройствам подобного рода – высокая гибкость/растяжимость, долговечность, биосовместимость, гипоаллергенность и малый вес. Исходя из этого, при создании компонентов и материалов носимых устройств крайне важно учитывать следующие ключевые моменты:
• использование нетоксичных, высокорастворимых, химически стабильных, низкотемпературных красок для высокого качества печати;
• высокое разрешение и однородность печати для повышения проводящих свойств и степени интеграции элементов;
• использование гибких/растягиваемых субстратов для электронных устройств, которые необходимо носить или интегрировать с телом человека;
• адаптация конструкции для предотвращения растрескивания и скольжения, что обеспечит высокую долговечность устройства.
Таким образом, управление процессом печати и правильный выбор материалов позволят изготовить высокопроизводительную износостойкую электронику [9].
В современной промышленности в целом, и в производстве одежды в частности, находит применение огромное число эластичных материалов. Все они обладают обширным спектром свойств, но с точки зрения процесса печати их можно разделить на две категории:
• плотные, непроницаемые (невпитывающие) материалы и композиты, например резина, латекс, брезент;
• полученные из отдельных нитей и волокон текстильные полотна, имеющие пористую, проницаемую для печатного состава структуру.
Соответственно, принципы, лежащие в основе создания краски для резины и текстиля, будут иметь кардинальные различия.
ПЕЧАТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ НЕПРОНИЦАЕМЫХ (НЕВПИТЫВАЮЩИХ) СУБСТРАТОВ
При разработке краски для резины и других непроницаемых субстратов мы руководствовались подходом, который хорошо зарекомендовал себя при создании технологии печати на гибких подложках. Основными компонентами такой краски являются проводящие наночастицы и полимерное связующее-адгезив. Главные требования к связующему – прочность, высокая адгезия к субстрату, близость механических свойств связующего и субстрата.
Для усовершенствования эластичных проводящих красок, в частности для повышения их механических и электропроводящих свойств, был применен принцип самоорганизации структуры проводящего слоя. Данный принцип основан на возможности образования в одностадийном процессе сложных упорядоченных структур за счет взаимодействия компонентов, имеющих сходные свойства. Подобные методы успешно применяются, например, при создании органических полупроводниковых каналов [10].
В нашем случае, при использовании двухфазной системы растворителей и поверхностно-активного вещества удалось достичь формирования внутри печатного слоя приповерхностной проводящей зоны, обогащенной наночастицами серебра. Таким образом, проводимость была заметно повышена, не прибегая к увеличению доли проводящего компонента. Другим положительным моментом является пластификация и повышение эластичности печатной дорожки за счет образования слоя практически чистого эластомера.
Результаты испытаний показали, что образцы разработанной нами растягиваемой пасты сравнимы с лучшими мировыми аналогами. Поверхностное сопротивление слоя толщиной 25 мкм составило: при растяжении 0% – 40–80 мОм/квадрат; при растяжении 50% – менее 300 мОм/квадрат. Эти параметры оставались неизменными после 300 циклов растяжения.
ПЕЧАТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ТЕКСТИЛЯ
Создание проводящих дорожек на тканом текстиле требует иного подхода, так как создание монолитного организованного слоя проводящих частиц затруднено из-за проницаемости и впитывающих свойств текстильных волокон. Кроме того, образованный эластомером монолитный печатный слой отличается по эластичным свойствам от пористой структуры текстиля, что приводит к растрескиванию проводящей структуры и резким скачкам сопротивления при механических деформациях. Еще одним затруднением является связывание отдельных волокон и нарушение их подвижности друг относительно друга, что приводит к частичной потере тканью естественной эластичности и изменению текстуры.
Распространенными способами создания проводящей структуры на ткани являются интеграция (вшивание и вплетение) металлических проводящих нитей в текстиль на стадии создания полотна [11]. Эти нити повышают жесткость и снижают эластичность материала, обеспечивая стабильные электрические характеристики при больших деформациях. Процесс производства таких тканей экологичен и совместим с обычным производственным оборудованием, используемым в текстильной промышленности. Однако данный подход может быть реализован только на стадии изготовления тканого полотна и, в отличие от печатных технологий, неприменим к готовым швейным изделиям.
При создании печатного состава для текстиля мы взяли за основу идею внедрения проводящих нитей в структуру ткани. Для реализации данного подхода была использована естественная проницаемость полотна ткани и способность волокон впитывать растворы и дисперсии твердых веществ. Основное отличие от печати на резине и других непроницаемых и невпитывающих материалах заключается в том, что в данном случае создается не монолитная проводящая дорожка, а отдельные проводящие слои на поверхности и внутри волокон за счет применения специального высокопроникающего растворителя и двухступенчатого режима просушки, что в сумме обеспечивает глубокую пропитку отдельных структурных элементов ткани без их связывания и заполнения полостей.
Данная технология обладает целым рядом преимуществ. Во-первых, она аналогична внедрению металлических проводящих нитей в плетеную структуру полотна, но при этом применима к готовым швейным изделиям и совместима с современными методами трафаретной печати и R2R-процессом. Во-вторых, за счет сохранения естественной тканой структуры текстиля, его механические свойства в зоне печати, в частности эластичность и растяжимость, снижаются лишь незначительно. В-третьих, отдельные нити в составе ткани имеют зигзагообразную форму, которая повторяется и сорбированным на них печатным слоем, поэтому большинство механических деформаций направлено под углом к оси волокон. Композитный печатный слой при этом испытывает значительно меньшую нагрузку и деформации, что снижает скачки сопротивления печатной дорожки в целом.
Отдельные нити, пропитанные проводящим композитом, обладают сравнительно низкой проводимостью, но в составе печатной дорожки обычно насчитывается от нескольких десятков до сотен таких нитей. При механических нагрузках, связанных с растяжением и кручением, нити удлиняются в разной степени, что приводит к усреднению деформации. В сумме это позволяет добиться стабильной проводимости, сопоставимой с результатами печати на гибких подложках.
На основе вышеизложенных подходов в нашей лаборатории была создана токопроводящая паста для печати на текстиле. Данный состав содержит 55% наночастиц серебра и имеет вязкость 55 Па·с. При печати на лайкре удалось добиться следующих значений поверхностного сопротивления слоя толщиной 25 мкм: при растяжении 0% – 70–77 мОм/квадрат; при растяжении 50% – менее 420 мОм/квадрат. По указанным показателям разработанная паста сопоставима с известными аналогами [12], но при этом превосходит их по механическим и эксплуатационным свойствам. Такой печатный состав позволяет создавать ЭМГ-электроды, RFID-метки и антенны, интегрированные непосредственно в элементы одежды.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Rogers J.A., Bao Z., Baldwin K., et al. Paper-like electronic displays: large-area rubber-stamped plastic sheets of electronics and microencapsulated electrophoretic inks. PNAS. 2001. Vol. 98. No. 9. P. 4835–4840.
2. Yu G., Gao J., Hummelen J.C., et al. Polymer photovoltaic cells: enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions. Science. 2011. Vol. 270. No. 5243. P. 1789–1791.
3. Cui W., Lu W., Zhang Y., et al. The formation of gold nanoparticles using hydroquinone as a reducing agent through a localized pH change upon addition of NaOH to a solution of HAuCl4. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2011. Vol. 370. No. 1–3. P. 35–41.
4. Fukuda K., Takeda Y., Yoshimura Y., et al. Fully-printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films. Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 4147.
5. White M.S., Kaltenbrunner M., Głowacki E.D., et al. Ultrathin, highly flexible and stretchable PLEDs. Nat. Photonics. 2013. Vol. 7. P. 811–816.
6. Ha M., Park J., Lee Y. et al. Triboelectric Generators and Sensors for Self-Powered Wearable Electronics. ACS Nano. 2015. Vol. 9. No. 4. P. 3421–3427.
7. Wristwear Dominates the Wearables Market While Clothing and Earwear Have Market-Beating Growth by 2021, According to IDC. Available at: https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS42371617 (accessed 20.08.2018).
8. Smart Clothing and Body Sensor Shipments to Reach 119 Million Units Annually by 2022. Available at: https://www.tractica.com/newsroom/press-releases/smart-clothing-and-body-sensor-shipments-to-rach-119-million-units-annually-by-2022 (accessed 20.08.2018).
9. Kim H., Onses M.S., Lim J.B., et al. High-resolution patterns of quantum dots formed by electrohydrodynamic jet printing for light-emitting diodes. Nano Lett. 2015. Vol. 15. No. 2. P. 969–973.
10. Ohe T., Kuribayashi M., Yasuda R. et al. Solution-processed organic thin-film transistors with vertical nanophase separation. Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93 (doi:10.1063/1.2966350).
11. Li Q., Tao X.M. Three-dimensionally deformable, highly stretchable, permeable, durable and washable fabric circuit boards. Proc. R. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 2014. Vol. 470. No. 2171 (doi:10.1098/rspa.2014.0472).
12. Kazani I., Hertleer C., Schwarz A. et al. Electrical conductive textiles obtained by screen printing. Fibres Text. East. Eur. 2012. Vol. 20. No. 1. P. 57–63.
Печатная электроника нацелена на минимизацию материальных и производственных затрат, позволяя существенно снизить стоимость изделий электронной техники, увеличить эффективность их производства, создавать гибкие приборы с улучшенными рабочими характеристиками, повышенными надежностью и экологической безопасностью. Это особенно важно для крупногабаритной электроники, такой как дисплеи [1] фотоэлектрические преобразователи [2] и датчики большой площади [3]. Подобные результаты могут быть достигнуты совместным применением новых функциональных красок и современных полиграфических платформ глубокой, флексографской и струйной печати, а также гравировки. Уже разработаны и активно внедряются различные типы краски со свойствами проводников, изоляторов и полупроводников на базе неорганических и/или органических материалов для печати транзисторов [4] и светодиодов [5].
Одним из основных направлений развития технологии печатных электронных устройств является создание электронных элементов, интегрированных непосредственно в одежду. Подобные электронные устройства привлекают значительное внимание и имеют огромный потенциал благодаря таким качествам, как интерактивность, мобильность, удобство [6].
В 2016 году сегмент умной одежды составлял около 1% рынка носимых устройств – в общей сложности было произведено 1,3 млн устройств. По прогнозу IDC Mobile Device Trackers [7], в ближайшие годы этот сегмент продемонстрирует рост в 9,4% до 22,3 млн изделий умной одежды к 2021 году. Исследователи рынка умной одежды из Tractica [8] предсказывают, что в 2022 году объем ее производства достигнет 26,9 млн единиц, а совокупный среднегодовой темп роста составит приблизительно 76,6% с 2016 по 2021 год. Согласно прогнозам, это самый быстрорастущий сегмент на всем рынке носимых устройств.
Основные требования к устройствам подобного рода – высокая гибкость/растяжимость, долговечность, биосовместимость, гипоаллергенность и малый вес. Исходя из этого, при создании компонентов и материалов носимых устройств крайне важно учитывать следующие ключевые моменты:
• использование нетоксичных, высокорастворимых, химически стабильных, низкотемпературных красок для высокого качества печати;
• высокое разрешение и однородность печати для повышения проводящих свойств и степени интеграции элементов;
• использование гибких/растягиваемых субстратов для электронных устройств, которые необходимо носить или интегрировать с телом человека;
• адаптация конструкции для предотвращения растрескивания и скольжения, что обеспечит высокую долговечность устройства.
Таким образом, управление процессом печати и правильный выбор материалов позволят изготовить высокопроизводительную износостойкую электронику [9].
В современной промышленности в целом, и в производстве одежды в частности, находит применение огромное число эластичных материалов. Все они обладают обширным спектром свойств, но с точки зрения процесса печати их можно разделить на две категории:
• плотные, непроницаемые (невпитывающие) материалы и композиты, например резина, латекс, брезент;
• полученные из отдельных нитей и волокон текстильные полотна, имеющие пористую, проницаемую для печатного состава структуру.
Соответственно, принципы, лежащие в основе создания краски для резины и текстиля, будут иметь кардинальные различия.
ПЕЧАТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ НЕПРОНИЦАЕМЫХ (НЕВПИТЫВАЮЩИХ) СУБСТРАТОВ
При разработке краски для резины и других непроницаемых субстратов мы руководствовались подходом, который хорошо зарекомендовал себя при создании технологии печати на гибких подложках. Основными компонентами такой краски являются проводящие наночастицы и полимерное связующее-адгезив. Главные требования к связующему – прочность, высокая адгезия к субстрату, близость механических свойств связующего и субстрата.
Для усовершенствования эластичных проводящих красок, в частности для повышения их механических и электропроводящих свойств, был применен принцип самоорганизации структуры проводящего слоя. Данный принцип основан на возможности образования в одностадийном процессе сложных упорядоченных структур за счет взаимодействия компонентов, имеющих сходные свойства. Подобные методы успешно применяются, например, при создании органических полупроводниковых каналов [10].
В нашем случае, при использовании двухфазной системы растворителей и поверхностно-активного вещества удалось достичь формирования внутри печатного слоя приповерхностной проводящей зоны, обогащенной наночастицами серебра. Таким образом, проводимость была заметно повышена, не прибегая к увеличению доли проводящего компонента. Другим положительным моментом является пластификация и повышение эластичности печатной дорожки за счет образования слоя практически чистого эластомера.
Результаты испытаний показали, что образцы разработанной нами растягиваемой пасты сравнимы с лучшими мировыми аналогами. Поверхностное сопротивление слоя толщиной 25 мкм составило: при растяжении 0% – 40–80 мОм/квадрат; при растяжении 50% – менее 300 мОм/квадрат. Эти параметры оставались неизменными после 300 циклов растяжения.
ПЕЧАТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ТЕКСТИЛЯ
Создание проводящих дорожек на тканом текстиле требует иного подхода, так как создание монолитного организованного слоя проводящих частиц затруднено из-за проницаемости и впитывающих свойств текстильных волокон. Кроме того, образованный эластомером монолитный печатный слой отличается по эластичным свойствам от пористой структуры текстиля, что приводит к растрескиванию проводящей структуры и резким скачкам сопротивления при механических деформациях. Еще одним затруднением является связывание отдельных волокон и нарушение их подвижности друг относительно друга, что приводит к частичной потере тканью естественной эластичности и изменению текстуры.
Распространенными способами создания проводящей структуры на ткани являются интеграция (вшивание и вплетение) металлических проводящих нитей в текстиль на стадии создания полотна [11]. Эти нити повышают жесткость и снижают эластичность материала, обеспечивая стабильные электрические характеристики при больших деформациях. Процесс производства таких тканей экологичен и совместим с обычным производственным оборудованием, используемым в текстильной промышленности. Однако данный подход может быть реализован только на стадии изготовления тканого полотна и, в отличие от печатных технологий, неприменим к готовым швейным изделиям.
При создании печатного состава для текстиля мы взяли за основу идею внедрения проводящих нитей в структуру ткани. Для реализации данного подхода была использована естественная проницаемость полотна ткани и способность волокон впитывать растворы и дисперсии твердых веществ. Основное отличие от печати на резине и других непроницаемых и невпитывающих материалах заключается в том, что в данном случае создается не монолитная проводящая дорожка, а отдельные проводящие слои на поверхности и внутри волокон за счет применения специального высокопроникающего растворителя и двухступенчатого режима просушки, что в сумме обеспечивает глубокую пропитку отдельных структурных элементов ткани без их связывания и заполнения полостей.
Данная технология обладает целым рядом преимуществ. Во-первых, она аналогична внедрению металлических проводящих нитей в плетеную структуру полотна, но при этом применима к готовым швейным изделиям и совместима с современными методами трафаретной печати и R2R-процессом. Во-вторых, за счет сохранения естественной тканой структуры текстиля, его механические свойства в зоне печати, в частности эластичность и растяжимость, снижаются лишь незначительно. В-третьих, отдельные нити в составе ткани имеют зигзагообразную форму, которая повторяется и сорбированным на них печатным слоем, поэтому большинство механических деформаций направлено под углом к оси волокон. Композитный печатный слой при этом испытывает значительно меньшую нагрузку и деформации, что снижает скачки сопротивления печатной дорожки в целом.
Отдельные нити, пропитанные проводящим композитом, обладают сравнительно низкой проводимостью, но в составе печатной дорожки обычно насчитывается от нескольких десятков до сотен таких нитей. При механических нагрузках, связанных с растяжением и кручением, нити удлиняются в разной степени, что приводит к усреднению деформации. В сумме это позволяет добиться стабильной проводимости, сопоставимой с результатами печати на гибких подложках.
На основе вышеизложенных подходов в нашей лаборатории была создана токопроводящая паста для печати на текстиле. Данный состав содержит 55% наночастиц серебра и имеет вязкость 55 Па·с. При печати на лайкре удалось добиться следующих значений поверхностного сопротивления слоя толщиной 25 мкм: при растяжении 0% – 70–77 мОм/квадрат; при растяжении 50% – менее 420 мОм/квадрат. По указанным показателям разработанная паста сопоставима с известными аналогами [12], но при этом превосходит их по механическим и эксплуатационным свойствам. Такой печатный состав позволяет создавать ЭМГ-электроды, RFID-метки и антенны, интегрированные непосредственно в элементы одежды.
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Rogers J.A., Bao Z., Baldwin K., et al. Paper-like electronic displays: large-area rubber-stamped plastic sheets of electronics and microencapsulated electrophoretic inks. PNAS. 2001. Vol. 98. No. 9. P. 4835–4840.
2. Yu G., Gao J., Hummelen J.C., et al. Polymer photovoltaic cells: enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions. Science. 2011. Vol. 270. No. 5243. P. 1789–1791.
3. Cui W., Lu W., Zhang Y., et al. The formation of gold nanoparticles using hydroquinone as a reducing agent through a localized pH change upon addition of NaOH to a solution of HAuCl4. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2011. Vol. 370. No. 1–3. P. 35–41.
4. Fukuda K., Takeda Y., Yoshimura Y., et al. Fully-printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films. Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 4147.
5. White M.S., Kaltenbrunner M., Głowacki E.D., et al. Ultrathin, highly flexible and stretchable PLEDs. Nat. Photonics. 2013. Vol. 7. P. 811–816.
6. Ha M., Park J., Lee Y. et al. Triboelectric Generators and Sensors for Self-Powered Wearable Electronics. ACS Nano. 2015. Vol. 9. No. 4. P. 3421–3427.
7. Wristwear Dominates the Wearables Market While Clothing and Earwear Have Market-Beating Growth by 2021, According to IDC. Available at: https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS42371617 (accessed 20.08.2018).
8. Smart Clothing and Body Sensor Shipments to Reach 119 Million Units Annually by 2022. Available at: https://www.tractica.com/newsroom/press-releases/smart-clothing-and-body-sensor-shipments-to-rach-119-million-units-annually-by-2022 (accessed 20.08.2018).
9. Kim H., Onses M.S., Lim J.B., et al. High-resolution patterns of quantum dots formed by electrohydrodynamic jet printing for light-emitting diodes. Nano Lett. 2015. Vol. 15. No. 2. P. 969–973.
10. Ohe T., Kuribayashi M., Yasuda R. et al. Solution-processed organic thin-film transistors with vertical nanophase separation. Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93 (doi:10.1063/1.2966350).
11. Li Q., Tao X.M. Three-dimensionally deformable, highly stretchable, permeable, durable and washable fabric circuit boards. Proc. R. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 2014. Vol. 470. No. 2171 (doi:10.1098/rspa.2014.0472).
12. Kazani I., Hertleer C., Schwarz A. et al. Electrical conductive textiles obtained by screen printing. Fibres Text. East. Eur. 2012. Vol. 20. No. 1. P. 57–63.
Отзывы читателей
