CN102280583A - 一种调控柔性电子器件介电层厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性电子器件制作领域，尤其是一种调控介电层或绝缘层厚度的方法。这种调控柔性电子器件介电层厚度的方法步骤是利用柔性衬底层同时作为介电层或绝缘层；通过对其表面直接或涂覆压印材料后通过压印或刻蚀的方法制作几何图形，形成凹槽，从而减少或增加介电层或绝缘层厚度；然后在几何图形的凹槽内填入具有导电特性的材料，并经过固化等后续工艺过程，获得高质量的柔性电子器件。这种柔性电子器件介电层或绝缘层的厚度和膜层平坦度都可以获得精确控制，可以方便实现大面积、性能均一稳定的柔性电子器件制作，完全避免了大面积介电层或绝缘层成膜质量对所制器件均一性的影响。

Description

一种调控柔性电子器件介电层厚度的方法
技术领域
本发明涉及柔性电子器件制作领域，尤其是一种调控介电层或绝缘层厚度的方法。
背景技术
随着社会科技的不断发展和进步，人们对柔性电子器件的需求不断扩大，相应的要求柔性电子器件中的基本元器件，如电阻、电容、二极管和三极管等，可以在柔性衬底材料上通过印刷的低成本方式方便获得。而介电层和绝缘层是作为这些元器件基本组成部分，其膜层的厚度以及膜层形貌直接对器件性能产生直接影响。现有技术中，介电层或绝缘层是需要在柔性衬底上重新制作的，涂覆面积较大导致厚度和精度都难以控制，不利于大规模生产。因此迫切需要开发一种适应大规模工业化生产的，使介电层和绝缘层厚度精确可控的柔性电子器件制造方法。
发明内容
为达到上述目的，获得厚度精确可控且均匀一致的介电或绝缘层，从而满足电子器件高质量和大规模生产的需求，本发明采用柔性衬底既作衬底又作介电层，通过调控其厚度达到满足器件要求的方法。
这种调控柔性电子器件介电层厚度的方法，包括如下步骤：
1、选取柔性衬底层；
2、在柔性衬底层上制作出几何图形凹槽；
3、在几何图形凹槽内填充导电材料；
4、通过固化技术将所述导电材料固定在柔性衬底层上，获得目标器件。
柔性衬底层材料包括但不仅限于聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
在柔性衬底层上制作出几何图形凹槽的方法为压印或刻蚀。
所述的步骤(2)还包括在柔性衬底层上涂覆压印材料，然后在已涂覆所述压印材料的柔性衬底层上压印出几何图形的凹槽。
其中，所述的压印材料包括但不仅限于丙烯酸酯类、环氧树脂类、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯材料中的一种。
几何图形凹槽内填入导电材料为PEDOT:PSS、微纳米量级的金、银、铜材料、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。这些导电材料具有电学特性，能根据元件需要调整比例形成所需的电阻值。
导电材料的填充方法是刮涂或气溶胶打印或喷墨打印。
固化技术为热固化或紫外固化。
本发明的有益效果表现在：提出了柔性电子器件中的柔性衬底同时兼有介电层或绝缘层的功能，通过压印或刻蚀方法制成几何图形凹槽的方法来精确控制这种介电层或绝缘层的厚度，制造所需性能的电阻、电容、电感、二极管和三极管等柔性电子器件。由于压印或刻蚀工艺获得凹槽深度精度和底部平坦度可以控制在十纳米的范围，因此柔性电子器件介电层或绝缘层的厚度和膜层平坦度都可以获得精确控制。此外，通过该工艺便于实现大面积、性能均一稳定的柔性电子器件制作，这是区别于现有在柔性衬底上需要重新制作介电层或绝缘层的器件制作工艺的创新点，完全避免了大面积介电层或绝缘层成膜质量对所制器件均一性的影响。
附图说明
图1为实施例1制作流程示意图。
图2为实施例2制作流程示意图。
图3为实施例3制作流程示意图。
图4为实施例4制作流程示意图。
图5为实施例5制作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图用具体实施例对本发明作详细说明。
实施例1
以有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)膜材作为柔性衬底层1材料为例。如图1所示，采用厚度为20μm的PMMA膜材作为柔性衬底层1，如图1(a)所示。然后通过双面热压印的方式，保持温度120℃、压强2MPa、维持时间20秒，在柔性衬底层1上下两面压印出位置对称的且深度和宽度均为5μm的凹槽21，如图1(b)所示。压印工艺可实施在柔性衬底层1的单面或双面，所压印或刻蚀出的几何图形可以是对称的或不对称的。形成的凹槽21的表面图案可以是矩形、梯形、三角形、圆形、椭圆形以及多边形在内的各种形状图案，根据电子器件具体要求实施相应操作，通过这种形成凹槽21的几何图形以改变柔性衬底的局部厚度。由于柔性衬底层1又兼作介电层或绝缘层，因此压印过程实际上是按实际器件调控其介电层或绝缘层厚度，但避免了大面积重新制作介电层或绝缘层工序所造成的繁琐。进一步的，由压印工艺获得的凹槽21深度精度和底部平坦度均可以控制在10nm的范围，因此柔性电子器件介电层或绝缘层的厚度和膜层平坦度都可以获得精确控制。本实施例只需一步压印工艺便可完成介电层厚度的调节，之后在上下凹槽21中分别填入具有电学特性的导电材料41，本实施例选用银材料，即银墨水。具体填充方法为：先在柔性衬底层1表面涂覆固含量为10％-40％的纳米银墨水，然后使用刮刀将凹槽21以外的银墨水刮出，刮刀角度以40°-80°为最佳，具体形态参见图1(c)。最后经过热固化工序，将银墨水烧结形成电极51，烧结温度60℃，时间1-10分钟，由公知电阻正负电极间距和元件性能关系，改变PMMA柔性衬底层1的厚度或凹槽21深度，由此可获得104-106Ω范围的电阻。如图1(d)所示，最终获得阻值不同的柔性电阻器件产品。
实施例2
以有机聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)膜材作为柔性衬底层6材料为例。参见图2，在厚度为20μm的PET柔性衬底层6上下两面分别涂覆压印材料31(见图2(a))。由于柔性衬底层6同时还作为介电层或绝缘层，因此涂覆的压印材料31应具有良好的绝缘性，且适用于后续的固化工艺。在本实施例中采用丙烯酸酯类作为压印材料31，涂覆厚度为6μm，然后双面压印出上下对称深度和宽度均为5μm的新凹槽22以贴合电子器件的实际要求，如图2(b)所示。压印完成后，利用气溶胶打印方式在凹槽22中填入固含量为40％的纳米银墨水作为具有电学特性的导电材料41，如图2(c)，经过150℃，5分钟的热烧结后形成银膜作为电极51，其形态参见图2(d)。由公知电容正负电极间距和元件性能关系，可以获得10-2-10-5F不同电容值的电容元件。
实施例3
以有机聚合物聚酰亚胺(Polyimides，PI)膜材作为柔性衬底层7材料为例。见图3，在厚度为20μm的PI柔性衬底层7上下两面分别涂覆压印材料32(见图3(a))，也可以根据元件制作的实际需要单面涂覆压印材料32。在本实施例中采用环氧树脂类作为压印材料32，涂覆厚度为6μm，然后双面压印出上下对称深度和宽度均为5μm的新凹槽23以贴合电子器件的实际要求，其形态见图3(b)。然后在两面或单面用O2反应离子刻蚀技术，在PI柔性衬底层7上直接刻蚀出凹槽23，刻蚀后的柔性衬底层7局部厚度为5μm。刻蚀后柔性衬底层7的形态参见图3(b)。具体刻蚀参数为：功率：100W；气压：25m Torr；O2：20sccm/min；CHF3：20sccm/min；时间：20min。利用喷墨打印方式在相应上下对称图形区域填入固含量为40％的纳米银墨水作为具有电学特性的导电材料41，如图3(c)，再经过150℃，5分钟的热烧结后形成银膜制作为电极51，其形态见图3(d)。由公知电容正负电极间距和元件性能关系，可以获得不同特性二极管元件。
另外，制作不同的电子元件中还可以采用聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯作为压印材料涂覆在柔性衬底中。
实施例4
以有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)膜材作为柔性衬底层1材料。如图4所示，采用厚度为20μm的PMMA膜材作为柔性衬底层1，如图4(a)所示。然后通过双面热压印的方式，保持温度120℃、压强2MPa、维持时间20秒，在柔性衬底层1上下两面压印出位置对称的且深度和宽度均为5μm的凹槽21，如图4(b)所示。在完成介电层厚度的调节后，在上下凹槽21中分别填入具有电学特性的导电材料42，即利用喷墨打印方式在相应上下对称图形区域填入PEDOT:PSS墨水(CLEVIOSTM P VP AI 4083)作为具有电学特性的导电材料42，如图4(c)，再经过120℃，45分钟的热烧结后形成两个电极52，其形态见图4(d)，则可以获得104-106Ω范围不同阻值的电阻元件。
实施例5
以有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)膜材作为柔性衬底层1材料。如图5所示，采用厚度为20μm的PMMA膜材作为柔性衬底层1，如图5(a)所示。然后通过双面热压印的方式，保持温度120℃、压强2MPa、维持时间20秒，在柔性衬底层1上下两面压印出位置不对称的且深度和宽度约为5μm的凹槽21，如图5(b)所示。在完成介电层厚度的调节后，在相应在上下凹槽21中分别填入具有电学特性的导电材料43、44、45如图5(c)所示，可以获得不同具有电学特性的的三极管元件。本实施例中使用固含量为10％微纳米量级的金墨水、固含量为15％微纳米量级的铜墨水和管径1nm、金属性含量35％的单壁碳纳米管分别作为导电材料43、44、45，用气溶胶打印方法填入凹槽21中，然后经过功率为300W、波长为365nm的UV灯固化5min分别形成不同用途的电极53、电极54和电极55，它们分别被用作栅、源和漏电极，并在源和漏电极间用气溶胶打印方法采用并五苯制作有源层，形成三极管元件。
通过这种将上述柔性衬底层兼作介电层或绝缘层的方式，其厚度通过直接或涂胶后再压印或刻蚀的方法降低或增加，然后填充不同的导电材料，简化了工艺，且提高了精度，可以大批量制成具有所需性能电子器件。
如上所述，以上本发明较佳的几个实施例。尽管所述实施例已经表示和描述了本发明，但并不表示对发明自身的限制，以上只是用于帮助理解本发明的方式及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式其应用范围上的改变之处，均应在本发明权利要求的覆盖范围内。

Claims (8)

1.一种调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、选取柔性衬底层；
(2)、在柔性衬底层上制作出几何图形凹槽；
(3)、在几何图形凹槽内填充导电材料；
(4)、通过固化技术将导电材料固定在柔性衬底层上，获得目标器件。
2.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述的柔性衬底材料包括但不仅限于聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：在柔性衬底层上制作出几何图形凹槽的方法为压印或刻蚀。
4.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述的步骤(2)还包括在柔性衬底层上涂覆压印材料，然后在已涂覆所述压印材料的柔性衬底层上压印出几何图形的凹槽。
5.根据权利要求4所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述的压印材料包括但不仅限于丙烯酸酯类、环氧树脂类、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯材料。
6.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述几何图形凹槽内填入导电材料为PEDOT:PSS、微纳米量级的金、银、铜材料、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述的导电材料填充方法是刮涂或气溶胶打印或喷墨打印。
8.根据权利要求1所述的调控柔性电子器件介电层厚度的方法，其特征在于：所述的固化技术为热固化或紫外固化。
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