纸质电路：面向艺术项目的柔性美学电子技术

制作紧凑电路的传统方法使用印刷电路板，但这些刚性玻璃纤维板并不总是实用。当制作贺卡、绘画或绘图等艺术项目时，您需要一个柔性结构来承载电路。您可能会想到使用柔性 PCB，但这些构建更复杂，成本更高。因此，纸质电路更具优势，我们在下文详细探讨。

什么是纸质电路？

顾名思义，纸质电路是构建在一张纸上的功能性电子电路。该项目独特之处在于它将美学与功能性结合，利用传统美术技法创建纸质电路项目。

带纽扣电池的纸质电路

来源：Wikimedia Commons

如何制作纸质电路？

制作纸质电路需要以下四个步骤。

制作走线

走线是由铜组成的路径或线条，用于连接电子元件形成电路。纸质电路项目使用胶带、颜料或墨水来创建走线。

导电铜箔胶带走线

导电胶带是开发纸质电路时最容易获得的选择之一。它还允许焊接，这是墨水或颜料无法做到的。

纸质电路中使用的导电铜箔

来源：Wikimedia Commons

铜箔胶带因其低成本而最常用。您可以获得从薄至 5mm 到厚达 2 英寸的不同尺寸。

另一方面，织物胶带由铜、钴和镍组成，其主要优势是能承受弯曲/折叠而不断裂。

导电织物胶带

• 撕下胶带背胶，将其按压在您想要的纸张位置
• 在元件安装位置留出胶带间隙（避免在电路元件之间使用连续胶带）
• 拐角处使用整齐的折叠技巧或剪切并焊接胶带
• 使用铜箔胶带时，在弯曲引脚上焊接或贴透明胶带以固定到走线
• 对于织物胶带，涂抹导电胶水或用导电线材缝合接头

导电颜料走线

像普通绘画一样，导电颜料有助于构建艺术纸质电路项目。大多数人使用挤压瓶或画笔绘制走线，同时弯曲和旋转它们以连接电气元件。无论使用哪种胶带，您应按以下步骤应用：

墙面上的导电颜料

来源：Flickr

使用颜料的另一个优势是导电材料可将电气元件粘贴到走线上。然而，绘画可能弄脏且需要大量干燥时间。涂抹颜料需要以下说明：

• 先用记号笔或铅笔勾勒走线
• 用胶水将元件粘贴到纸上
• 小元件用镊子精准放置
• 沿走线和焊盘/引脚涂抹颜料
• 颜料干燥前测试

导电墨水走线

导电墨水走线通常作为预填充的电路笔出现，简化绘图。虽然墨水干燥时间较短，但固定元件更复杂。

导电墨水纸质电路

最常见的笔有 Circuit Scribe 和 AgIC Circuit Maker。应用时，使用以下说明：

• 用铅笔/模板勾勒电路。
• 如果用电脑设计电路，留出填充轮廓而非线条，因为墨水不易粘附在打印机碳粉上。
• 小心用电路笔描线。
• 为元件创建大焊盘/圆圈，元件间用连续线条连接。
• 使用导电胶水、电路贴纸或胶带将电子元件固定到墨水走线上。

选择元件

创建走线后，下一步是挑选电路所需的元件，此选择取决于走线类型。

通孔元件

带有长引脚的元件如 LED 灯、电阻、二极管等属于此类。

电路板上的多个通孔元件

来源：Wikimedia Commons

使用以下材料时，您可以弯曲引脚以创建更大表面积以连接走线：

• 织物胶带
• 铜箔胶带
• 电路颜料

表面贴装元件

使用 SMD 元件比较棘手，但其低轮廓结构使其非常适合平放在可爱贺卡等纸质表面上。

PCB 上的表面贴装元件

来源：Wikimedia Commons

您可以在以下材料上使用这些零件：

• 导电颜料
• 铜箔胶带
• 导电墨水

LilyPad 元件

LilyPad 元件因其低轮廓设计和大焊盘，非常适合纸质电路。

LilyPad 元件

来源：Wikimedia Commons

您可以将它们用于：

• 织物胶带
• 铜箔胶带

Chibitronics 电路贴纸

这些贴纸带有导电胶水，非常适合粘贴在纸上。

Chibitronics 电路贴纸

来源：Flickr

虽然它们相当昂贵，但您可以使用导电颜料、铜箔胶带或织物胶带贴纸。

Circuit Scribe 模块

Circuit Scribe 模块是磁性的，需要在纸面后放一张金属片，以临时连接走线和模块。

建立连接

创建走线并挑选元件后，下一步是连接它们。有五种方法。您可以：

焊接

仅适用于铜箔胶带，您可以在其上焊接电路贴纸、通孔、SMD 和 LilyPad 元件。

透明胶带

您可以用透明胶带将通孔或 SMD 元件固定到铜箔胶带上。

Z 轴胶带

Z 轴胶带是一种压敏双面胶带，适合用于具有大连接表面积的元件、铜箔胶带和大面积导电墨水。

导电颜料

导电颜料形成冷焊点，干燥后固定元件。您可以在非柔性表面上将其用于通孔和 SMD 元件。

导电胶水/环氧树脂

此选项昂贵，需要较长干燥时间，某些胶水需加热固化。但它适用于几乎所有元件和走线。包括：

• 导电墨水
• 铜箔胶带
• 通孔、SMD 和 LilyPad 元件

为项目供电

最后一步是使用纽扣电池为项目供电。棘手的部分是将电池连接到电路，创建电池座。或者，您可以使用电池座模块或带引脚的电池。

纽扣电池座

来源：Wikimedia Commons

纸质电路板研究进展

纸质电路板领域并未停滞。多年来，研究促成了透明纤维素纳米纸的出现，其功能类似于柔性 PCB 基板。

纳米纸源于等离子体金属化工艺的创造。该工艺将纸张转化为可焊接的电路板，并通过在纤维素基板上安装元件实现纸上存储打印。

纸质电路板的纸张特性

纸张多孔，可能导致导电墨水渗透并分段。还有烧结工艺导致纸张不稳定的问题。

然而，在研究团队在所有制造步骤中应用物理气相沉积后，所有这些问题都不复存在。

物理气相沉积 (PVD)

PVD 将材料从凝聚相转化为气相，反之亦然，在原子层面形成薄凝聚膜。

该过程使用气体等离子体或高温真空进行转换。然后利用压力差将蒸汽从低压源移动到纸上。最后一步是让蒸汽在纸上冷凝形成薄膜涂层。

物理气相沉积过程

来源：Wikimedia Commons

薄膜涂层通常是固体导电材料，如氧化铝，以创建具有优异电气性能的稳定可复现存储器件。

等离子体金属化

等离子体金属化也提供了有希望的结果，因为它使纸张能作为 PCB 发挥作用。它使用等离子体喷头向涂有银浆的基材提供含有粉末导电金属的高压喷雾。

金属涂覆基材后，热等离子体喷射将其熔化，结合两层以创建高导电基板。

纸质 PCB 未来可能引领新应用

即使纸质电路取得这些进展，研究仍在继续以增强这项技术并开发其大规模生产。

想象一下可能性。设想拥有可折叠、可修剪、3D 纸质电路用于医疗或军事用途。工业用途同样适用可降解 PCB。

显然，纸质 PCB 领域大有前景，进一步研究只会让它变得更好。如果您想了解更多关于这项技术的信息，请联系我们，获取专家团队的见解。