最近，英国剑桥大学、中国、意大利的研究职员展开互助，利用传统的喷墨打印技能，以及廉价、安全、环境友好的石墨烯油墨，将可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上，为未来智能织物和可穿着电子设备的制造又带来了一种新的方案。
关键字
印刷电子、材料、柔性、可穿着
背景
传统的硅基集成电路制造技能非常繁芜且须要巨额投资，以是其制造工艺完备垄断在少数大公司手中，例如台积电、三星、英特尔、格罗方德、中芯国际。然而，随着半导体新材料技能发展，特殊是溶液化的有机和无机半导体材料的研发，使得利用传统印刷技能制造各种电子元器件变得可能。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点便是：不依赖于基底材料的导体或半导体性子，可以以薄膜形态，通过蒸发、旋涂或印刷的办法沉积到任何材料上。
印刷电子产品的最大上风便是：柔性化、低本钱、大面积、绿色环保，这些都与硅基微电子产品形成强烈比拟。印刷电子可以印刷任何可以油墨化的材料，制作在任何衬底材料上，因此印刷电子与其他如有机电子、塑料电子、纸电子、柔性电子、透明电子以及可穿着电子都有相通性。虽然，目前印刷制作的电子器件性能比不上硅基微电子器件，但是其本钱、大面积、柔性化等上风，使得这项技能仍旧可以运用于传统硅基微电子器件无法运用的广阔领域。这一技能有望形成一个新兴家当，勾引电子技能的变革。
对付印刷电子技能这个前沿科技领域，笔者之前一贯就非常关注，也先容过一些干系的创新成果，例如：
案例一：美国密歇根州立大学的科研职员研制出世界上首个完备由喷墨打印机制造的可伸缩的集成电路，例如研发团队成功制成了柔性材料、电路、有机发光二极管（OLED）。这项技能将有利于未来智能织物的廉价量产。
（图片来源： Kurt Stepnitz / 密歇根州立大学）
案例二：美国杜克大学首次完备通过喷墨打印的办法，通过纳米油墨制造出柔性的忆阻器存储设备，未来这项技能有望运用于柔性电子设备包括RFID、环境传感器等领域。
（图片来源：杜克大学）
我们要先容的创新技能与印刷电子所须要的导电油墨干系。导电油墨运用前景广阔，例如印刷柔性电子器件：射频识别（RFID）天线、晶体管、太阳能电池。为了知足物联网和柔性电子设备的发展，我们须要利用稳定、导电、无毒的器件，低本钱且高效地生产电子设备。
石墨烯，是一种非常范例的二维材料。从构造上来讲，石墨烯是由一层碳原子组成，具有蜂巢构造的单层薄片。由于其构造分外，石墨烯在导电、导热、强度、稳定性等方面的都具有精良的特性，也十分适宜作为导电油墨利用。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
我们先来回顾一下之前先容过的与石墨烯导电油墨干系的创新进展。
案例三：英国曼彻斯特大学研发出一种固态的柔性超级电容设备，它通过丝网印刷技能，采取石墨烯氧化物导电油墨，直接将该设备打印在纺织品上。由于油墨和纺织品衬底之间具有强大的交互浸染，这种印刷的电极具有卓越的机器稳定性。这项研究奥妙地将石墨烯技能运用于印刷电子设备，有效地促进了可穿着技能的发展。
（图片来源于：曼彻斯特大学）
案例四：欧盟石墨烯旗舰项目和英国剑桥大学石墨烯中央的科研职员一起开拓了一种新工艺，生产出高质量、高浓度、水基的石墨烯导电油墨。该工艺利用微流化法的超高剪切力，从石墨中剥离出石墨烯薄片，将原始的石墨材料100%转化为有用的导电油墨片，并且无需离心分离处理，节约了生产油墨的韶光。
（图片来源：James Macleod/剑桥大学工程系）
然而，除了石墨烯，其他二维材料也可用于制造导电油墨，我们再来看以下的案例。
案例五：爱尔兰都柏林大学圣三一学院的科研职员最近利用二维纳米材料，例如：石墨烯、氮化硼、二硒化钨纳米片制成的油墨，首次制造出了印刷而成的晶体管。这种低本钱、可量产的技能，可打印例如太阳能电池、LED等电子设备，运用于智能食品、药物标签、下一代纸币、电子护照等产品。
（图片来源：都柏林大学圣三一学院）
案例六：由芬兰阿尔托大学、英国剑桥大学、英国伦敦帝国理工学院和中国北京航空航天算夜学的研究职员组成的国际跨学科科研小组，开拓出一种由黑磷材料组成的油墨，可用于喷墨印刷光学电子器件。
（图片来源：剑桥大学）
创新
本日，我们再来理解一项最新的干系创新成果。最近，英国剑桥大学以及来自中国以及意大利的研究职员展开互助，利用传统的喷墨打印技能和廉价、安全、环境友好的石墨烯和其他二维材料制成的油墨，将可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上。这种集成电路穿着舒适，并经得起普通洗衣机达20次的洗涤。这种低本钱、可持续、可扩展的油墨通过标准化的处理技能进行制造。
（图片来源：Felice Torrisi）
这项研究为未来智能织物和可穿着电子设备的制造又带来了一种新的方案。干系研究成果揭橥于《自然通信》（Nature Communications）杂志。
这项研究受到了石墨烯旗舰项目、欧盟研究委员会的协同拨款、工程和物理科学研究委员会、The Newton Trust、中国国家自然科学基金委员会国际研究奖学金、中国科技部的资助。这项技能已经由剑桥企业（该大学的商业化机构）进行商业化。
技能
在对付印刷电子技能采取的石墨烯油墨的早期构想事情根本上，团队设计出低沸点油墨，可以直接印刷到聚酯织物上。此外，他们创造改变粗糙的织物，将改进印刷电子设备的性能。这项工艺用场广泛，使得研究职员不仅可以设计出单个晶体管，还可以设计出全印刷的集成电子电路，它将结合主动和被动组件。
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
目前，大多数的可穿着电子设备依赖于安装在塑料、橡胶或者织物上的刚性电子元件。在许多情形，这些元件与皮肤的兼容性有限，在洗濯时随意马虎破坏，而且由于它们不透气，以是穿着起来不舒适。
剑桥大学石墨烯中央的博士、论文的高等作者 Felice Torris 表示：
“用于印刷电子的其他油墨常日须要有毒的溶剂，且不适宜穿着，而我们的油墨廉价、安全、环境友好，可以通过在织物上大略地印刷不同的二维材料，合成制造出电子电路。”
论文的合著者米兰理工大学的教授 Roman Sordan 表示：
“数字化的织物印刷已有几十年历史，它可以将着色剂大略地印刷到织物上，但是我们成果显示了该技能首次用于在织物上印刷全体电子集成电路。只管我们展示的集成电路非常大略，但是我们的工艺是可扩展的，并且利用我们的技能开拓可穿着电子设备，在繁芜度和性能方面并没有根本性障碍。”
论文的第一作者、博士生 Tian Carey 表示：
“这种印刷的组件具有柔性、可洗、功耗低等特性，可以知足可穿着电子器件运用的基本需求。”
代价
这项研究为二维材料油墨带来了一系列商机，例如：个人康健技能、可穿着的能量采集和存储、军服、可穿着打算、时装。
Torrisi 表示：
“将纺织纤维转化为功能性的电子元器件，将带来一系列的全新运用，从医疗保健到物联网。有了纳米技能，我们的服装未来将集成这些基于织物的电子器件，例如显示器或者传感器，变得具有互动性。”
利用石墨烯和其他二维材料（GRM）的油墨制造出可以集成到面料和创新织物中的电子元器件和设备，将成为智能织物行业新技能进展的中央 。
参考资料
【1】http://www.cam.ac.uk/research/news/fully-integrated-circuits-printed-directly-onto-fabric
【2】Tian Carey, Stefania Cacovich, Giorgio Divitini, Jiesheng Ren, Aida Mansouri, Jong M. Kim, Chaoxia Wang, Caterina Ducati, Roman Sordan, Felice Torrisi. Fully inkjet-printed two-dimensional material field-effect heterojunctions for wearable and textile electronics. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01210-2
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