高精度的织物内光刻技术，实现高性能可穿戴器件
研究背景
可穿戴电子设备在无创监测生理信号和慢性生物标志物方面大有可为，可用于健身监测和日常保健。在过去二十年里，研究人员通过传统的纳米制造技术，在各种薄膜基底上快速开发出了柔性电子器件。然而，柔性薄膜电子器件的透气性和透湿性通常相对较差限制了佩戴的舒适性，尤其是在长期监测人体状态时。此外，对于传感器和超级电容器等表面积对器件性能起着重要作用的应用领域，薄膜材料的光滑表面显示出不足的活性位点。与薄膜相比，纺织品具有可调的三维多孔结构，可提供高透气性和透湿性、大表面积和坚固的机械柔软性，可承受弯曲、扭曲、剪切和拉伸。将传感器、能源模块、数据处理和传输单元等电子元件集成到纺织品中，可制造出可穿戴纺织电子产品。这些多功能可穿戴设备具有与人体和周围环境进行微妙、舒适互动的能力，尤其有利于实时医疗保健可穿戴设备。
要在纺织品中嵌入电子元件，主要需要在纺织品中开发高精度、高导电性的图案，并保持其透气性、柔软性和机械坚固性，这些图案可作为典型电子系统中电气互连、电极和器件的基本构件。迄今为止，导电图案要么是通过传统纺织技术(如编织、针织或刺绣)插入纺织品中，要么是通过各种印刷技术(如喷墨印刷、丝网印刷和模板印刷)将图案印制在织物表面。
在传统的纺织方法中，导电线(如银涂层尼龙线、不锈钢线、碳纳米管线)被集成到织物中从而在纺织品中实现线宽一般为0.1至1毫米的导电图案。虽然这种织物内图案设计方法可以保持织物的柔韧性和透气性，但由于其与标准电子制造工艺的兼容性较差，其制造工艺很难在织物中实现复杂的电路。在印刷方法中，用导电材料和粘合剂的混合物制备的导电油墨或浆料粘附在织物表面，形成导电图案，这种方法已被证明既方便又通用。然而，由于织物表面粗糙，油墨会沿着三维织物结构中的纤维扩散，因此这种织物上的图案绘制方法很难实现高导电性和坚固耐用的导电图案，且精确线宽小于 0.5 毫米。此外，大面积覆盖织物表面的导电浆料不仅会阻碍织物的透气性和透湿性，还会通过束缚柔软的纤维束而使织物变硬，从而可能导致裂缝,甚至在机械干扰下分层。为了提高图案化分辨率一些研究人员开发了先在粗糙的纺织品表面涂上环氧类平面化层，然后再对金属电极进行图案化的方法。虽然这种方法能有效提高分辨率，但平面化过程将多孔纺织品结构变成了致密的薄膜状基底，从而失去了纺织品的透气性和穿着舒适性。总之，目前最先进的纺织品图案化方法在同时提供高精度导电图案、出色的导电性和机械坚固性，并保留透气性和柔软性方面存在局限性。
研究成果
基于纺织品的可穿戴电子设备因其独特的三维多孔结构所固有的出色柔韧性和透气性而弓起了广泛的研究兴趣。然而，如何在不影响佩戴舒适度的前提下，实现高精度、高稳健性的高导电性图案，是目前面临的挑战之一。在此，香港理工大学郑子剑与南方科技大学林苑菁教授团队开发了一种通用、稳健的纺织品内光刻策略，用于在多孔纺织品结构上精确、均匀地绘制金属图案。制备的金属图案精度高达 100微米以下，并具有理想的机械稳定性、耐洗性和透气性。此外，这种渗透到纺织品支架内部的可控涂层有助于显著提高微型设备的性能，并通过纺织品的两面实现电子集成。作为概念验证，展示了一个用于多路复用汗液传感的完全集成的纺织品内系统。所提出的方法为构建性能可靠、佩戴舒适的多功能纺织柔性电子器件提供了新的可能性。相关研究以“Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics”为题发表在Nature Communications期刊上。
图文导读
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.
总结与展望
总之，作者提出了一种创新方法--织物内光刻技术，以有效解决三维多孔纺织品导电图案化的相关挑战。纺织品内光刻技术可实现 100um 的高图案分辨率、高导电性、10,000 次的出色弯曲稳定性和 20次的水洗稳定性，并能很好地保持纺织品中导电金属图案的透气性和透湿性。通过这种高精度的图案设计方法，可以在多孔纺织品中实现具有足够表面积的精细电极，从而有助于制造高性能和小型化的设备，以及与用于电路开发的商用芯片无缝集成因此，高性能微型超级电容器和具有原位报警功能的温度传感贴片等功能电子器件可以在织物中构建，这极大地体现了在单件织物上构建多层电路的前景。重要的是，作者利用织物内光刻技术开发了用于无线汗液传感的集成多路复用生物传感头带，作为概念验证演示。由于纺织品中定义明确的导电图案具有出色的机械坚固性和透气性，该头带可实现实时汗液收集和同时监测多种汗液生物标记物，并具有理想的佩戴舒适性。所提出的在纺织品中制作高精度金属图案的创新方法，为可穿戴应用(如无创健康监测和人机界面)中的透气性、高性能、多功能和高度集成的纺织电子产品的发展提供了启示。
文献链接：
Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45287-y
