CN105009226B - 具有母线的叉合电极的膜构造及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与母线共挤出的叉合电极膜，所述膜用于薄膜电子器件或其他器件。第一电极层位于所述膜的第一主表面和第二主表面之间，所述膜具有电连接所述第一电极层并与所述第一电极层集成在一起的第一母线。第二电极层位于所述膜的第一主表面和第二主表面之间，所述膜具有电连接所述第二电极层并与所述第二电极层集成在一起的第二母线。所述第一电极层与所述第二电极层相互叉合，并且绝缘层使所述第一母线和电极层与所述第二母线和电极层电隔离。所述电极膜包括具有竖直母线的多层膜和具有水平母线的多通道膜。

Description

具有母线的叉合电极的膜构造及其制备方法

背景技术

许多常见的电子器件可在柔性基板上以连续方式制成。基于膜的连续方法已被证实可以完整或部分制造电容器、电阻、薄膜电池、有机光伏器件(OPV)、有机发光二极管(OLED)及其他组件。然而，只有很少的连续技术可用于生产完全集成的多层电子膜，特别是具有许多层(例如，超过100多层)和电极的多层电子膜。另外，许多薄膜电子器件通过多个气相沉积和图案化步骤制备。因此，存在对于复杂电极及其制备方法的需求。

发明内容

符合本发明的多层叉合电极膜具有第一主表面、与第一主表面相背对的第二主表面、沿第一主表面和第二主表面延伸的面内方向以及在第一主表面和第二主表面之间延伸的z方向。沿面内方向的第一多个电极层位于第一主表面和第二主表面之间，沿z方向的第一母线电连接第一多个电极层并与第一多个电极层集成在一起。沿面内方向的第二多个电极层位于第一主表面和第二主表面之间，沿z方向的第二母线电连接第二多个电极层并与第二多个电极层集成在一起。第一多个电极层与第二多个电极层相互叉合，绝缘层使第一母线和第一多个电极层与第二母线和第二多个电极层电隔离。

符合本发明的多通道叉合电极膜具有第一主表面、与第一主表面相背对的第二主表面、沿第一主表面和第二主表面延伸的面内方向以及在第一主表面和第二主表面之间延伸的z方向。沿z方向的第一多个电极层位于第一主表面和第二主表面之间，沿面内方向的第一母线电连接第一多个电极层并与第一多个电极层集成在一起。沿z方向的第二多个电极层位于第一主表面和第二主表面之间，沿面内方向的第二母线电连接第二多个电极层并与第二多个电极层集成在一起。第一多个电极层与第二多个电极层相互叉合，绝缘层使第一母线和第一多个电极层与第二母线和第二多个电极层电隔离。

符合本发明的方法包括共挤出材料以形成多层叉合电极膜和多通道叉合电极膜。

附图说明

附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在这些附图中，

图1为具有内埋电极和竖直母线的多层叉合电极膜的剖视图；

图2为图1的膜的透视图；

图3为具有裸露电极和竖直母线的多层叉合电极膜的剖视图；

图4为具有水平母线的多通道叉合电极膜的剖视图；

图5为图4的膜的透视图；

图6为具有竖直母线的多层叉合电极膜在分离为独立电极膜之前的剖视图；

图7为用于制备具有母线的叉合电极膜的送料区块的前视图；

图8为图7的送料区块的前分解透视图；

图9为用于制备具有母线的叉合电极膜的系统的顶视框图；并且

图10为图9的系统的透视图。

具体实施方式

本发明的实施例包括多层(和多通道)可熔融加工的聚合物膜构造及其制备方法。熔融加工在薄膜电子器件领域中的优势包括两方面：显著减小单个电有源层的厚度并显著增大电极的表面积。多层形式的熔融加工可经由单个加工法提供，例如完全集成的电子膜。可用于薄膜电子器件的多层熔融加工的附加有益效果包括精确的界面控制、界面粘附力的控制、精确的厚度控制以及较高的横维均匀度和顺维均匀度。

这些技术及其组合可用于制备一系列具有交替电极层的结构。这些多层器件的共同特点是存在竖直电极片段和水平电极片段两者，其中，竖直片段与尺寸最短的膜轴线对齐，并且水平片段沿挤出膜的面内方向对齐，但相反的排列方式也可用于多通道电极膜。诸如多层挤出和多通道挤出的连续制造方法可以实现这些构造。

这些膜的另一个优势在于集成的面内电极与沿膜z方向的竖直连接电极之间形成连接。竖直母线使叉合电极结构稳定从而保持其电稳定性而不发生短路，并能够与面内电极实现稳健的连接，并提供了将器件结构的重复单元分割为单个电极膜的方法。用竖直母线稳定叉合电极也有助于防止边缘的电极间距发生变化并防止电路短路。这些膜的另一个优势在于它们可通过无需3D图案化、印刷或多个平版印刷步骤的工艺进行制备。这些电极膜的应用包括致动器、传感器和电容器等。

膜构造

图1-图6示出了多层叉合电极膜和多通道叉合电极膜的示例性构造。如图所示，这些膜具有第一主表面、与第一主表面相背对的第二主表面以及通常沿第一主表面和第二主表面方向的面内方向。对膜的描述以x方向、y方向和z方向为基准。x方向沿膜长度方向(或制备膜时沿顺维方向)，y方向沿膜宽度方向，z方向沿第一主表面和第二主表面之间的距离方向。

图1和图2分别为具有内埋电极和竖直母线的多层叉合电极膜10的剖视图和透视图。膜10包括与处在主表面之间沿膜的面内方向的电极层14相互叉合的电极层12。绝缘层16将电极层12与电极层14分隔开。沿z方向(例如膜10的边缘)的母线18在膜10的主表面之间的一个位置处电连接电极层12并与电极层12集成在一起。沿z方向(例如膜10的另一边缘)的母线20在膜10的主表面之间的另一个位置处电连接电极层14并与电极层14集成在一起。膜的主表面上可设置可选的表层15和17作为最外层。膜10具有内埋电极，在膜10中除了可选的表层15和17，绝缘层16还覆盖位于膜10主表面最外层上的电极层12和电极层14。表层是用于保护膜的层，并且其可以移除且不损坏膜的功能，例如，其作为电极的特性。表层15和17可由相同或不同的材料形成。如果使用电极膜之前不移除表层，则表层应当不导电。

图3为具有裸露电极和竖直母线多层叉合电极膜22的剖视图。膜22包括与处在主表面之间沿面内方向的电极层26相互叉合的电极层24。绝缘层28将电极层24与电极层26分隔开。沿z方向(例如膜22的边缘)的母线30在膜22的主表面之间的一个位置处电连接电极层24并与电极层24集成在一起。沿z方向(例如膜22的另一边缘)的母线32在膜22的主表面之间的另一个位置处电连接电极层26并与电极层26集成在一起。膜22具有裸露电极，其中绝缘层28并未包覆位于膜22主表面最外层上的电极层24和电极层26。

图4和图5分别为具有水平母线的多通道叉合电极膜34的剖视图和透视图。膜34包括与处在主表面之间沿z方向的电极层38相互叉合的电极层36。绝缘层40将电极层36与电极层38分隔开。沿面内方向的母线44电连接膜34的一个主表面上的电极层36并与电极层36集成在一起，沿面内方向的母线42电连接膜34的另一主表面上的电极层38并与电极层38集成在一起。

图6为具有竖直母线的多层叉合电极膜46在膜分离之前的剖视图。在该实例中，膜46包括三个部分。第一部分包括与在主表面之间沿面内方向的电极层50相互叉合的电极层48。绝缘层52将电极层48与电极层50分隔开。沿z方向的母线54电连接处在主表面之间的电极层48并与电极层48集成在一起，沿z方向的母线56电连接处在主表面之间的电极层50并与电极层50集成在一起。

第二部分包括与主表面之间沿面内方向的电极层60相互叉合的电极层58。绝缘层62将电极层58与电极层60分隔开。沿z方向的母线56电连接处在主表面之间的电极层58并与电极层58集成在一起，沿z方向的母线64电连接处在主表面之间的电极层60并与电极层60集成在一起。

第三部分包括与主表面之间沿面内方向的电极层68相互叉合的电极层66。绝缘层70将电极层66与电极层68分隔开。沿z方向的母线64电连接处在主表面之间的电极层66并与电极层66集成在一起，沿z方向的母线72电连接处在主表面之间的电极层68并与电极层68集成在一起。

膜46可沿共同母线56和64中的划线74和76切开而分离以由这三个部分制备三个独立的多层叉合电极膜。可使用例如更多或更少的部分在单个工艺中以制备所需多个未分离的电极膜。

在图1-图6所示的示例性膜中，电极层在一对一的基础上相互叉合，即相邻的电极层在第一母线与第二母线之间交替布置。可采用其他叉合类型，例如每两个电极层交替布置在第一母线与第二母线之间。叉合类型可基于例如所需的电极膜的性能或应用领域。可改变第一母线和第二母线之间叉合电极层的交搭数量，例如，增大或减小交搭数量以改变电极膜的性能。

母线与电极层集成在一起，即母线及相关的电极层为连续材料、一组材料或材料与添加剂的共混物。该特征结构意味着母线和电极可通过单个工艺方法形成，例如，或与形成电极膜后将母线施加于电极层的方法相比，需较少的加工步骤。

电极层所用的材料具有足够的电导率，使膜能够用作电极膜。绝缘层所用的材料能够使叉合电极层实现电隔离，以便电极膜根据需要或预期发挥作用。例如，绝缘层可用于防止叉合电极之间发生电路短路。绝缘层可采用例如单个连续的材料层，实现叉合电极层的电隔离。或者，绝缘层可为相同或不同材料接合在一起的多层，以实现叉合电极的电隔离。

膜的制备方法

叉合电极膜构造的制备可通过多层挤出、多通道挤出或这些方法的组合来实现。因此，用于制备膜的示例性材料可熔融加工，在许多情况下为热塑性塑料，在一些情况下为热塑性弹性体。

图7和图8分别为用于制备具有母线的叉合电极膜的送料区块80的前视图和分解透视图。送料区块80具有若干个单独的块，它们共同共挤出材料以制备叉合电极膜。块82挤出母线，块84挤出与母线集成在一起的电极层。块82和84具有挤出用于母线和电极层的材料的共同开口85。块86挤出母线，块88挤出与母线集成在一起的电极层。块86和块88具有挤出用于母线和电极层的材料的共同开口89。块90挤出介于叉合电极层之间并使叉合电极层电隔离的绝缘层，并且具有挤出用于绝缘层的材料的开口91。块92挤出可选的表层并具有挤出用于表层的材料的开口93。块94挤出另一个可选的表层并具有挤出用于其他表层的材料的开口95。这些块的材料可在制备电极膜作为集成式制品的工艺的至少一部分期间同时共挤出。

如图8所示，每个块均具有用于接收用于挤出的材料的端口。块82和84具有端口83。块86和88具有端口87。块90具有端口96。块92和94分别具有端口97和98。为了进行示意性的说明，每个块仅显示一个端口。块可具有多个端口，该多个端口由送料区块后面的管网供料用于提供用于挤出的材料。端口的数量和位置可进行选择，例如，从各个块提供均匀或所需数量的挤出材料。可使用相同或相似的构造在z方向上调整块82、86和90以提供更多或更少的电极和绝缘层。另外，可在y方向上调整块82、86和90以在电极层之间提供更多或更少的叠层或调整电极膜的宽度。

在使用中，这些块通常一起保持在框架中以在从块中共挤出材料期间帮助控制层的形成。利用一种或多种材料源向块的端口提供用于电极层、绝缘层和可选表层的材料。在加工条件下提供材料，为共挤出材料以形成所需的具有集成的母线的叉合电极膜做准备。尤其是，送料区块80可共挤出具有可选表层的多层叉合电极膜以制成具有如图1和图2所示示例性构造的膜。如果移除用于可选表层的块92和94，送料区块80还可用于共挤出具有图4和图5所示示例性构造的多通道叉合电极膜。

共挤出的加工条件可取决于导电层和绝缘层所用的材料。通常，选择挤出条件便于以连续稳定的方式充分馈送、熔融、混合和泵送材料流。在以下范围内选择最终熔融流温度：其避免在该温度范围的低温端下凝固、结晶或过高压降且避免在该温度范围的高温端下降解。

图9和图10分别为用于制备具有集成的母线的多个未分离叉合电极膜的系统100的块示意图的顶视图和透视图。系统100包括若干个送料区块102、104和106，分别用于共挤出熔融流而形成叉合电极膜110、112和114。材料供应源108为送料区块102、104和106提供共挤出膜所需的材料，并且模具117将各个熔融流(电极膜110、112和114)合并起来。由模具117制成的共挤出膜110、112和114共同形成未分离的膜116，其可缠绕在卷绕辊118上。送料区块102、104和106可以对应于送料区块80，并且可以在用于制备母线的块的z方向上接合在一起。通过在那些块中将送料区块组合起来，送料区块可共同共挤出多个多层叉合电极膜116，该膜在送料区块的接合处具有共同的集成的竖直母线。膜116的实例如图6的示例性膜构造所示，由三个送料区块80接合在一起制得。可将更多或更少的送料区块接合在一起以共挤出所需多个未分离的叉合电极膜。可选的表层可用于保护膜116，例如，因为其缠绕在卷绕辊118上。另外，系统100可以可选地包括一个或多个倍增器，其可分离熔融流并通过将分离的部分彼此堆叠而重新结合在一起。美国专利6,827,886公开了倍增器的实例，其全文以引用方式并入本文。

用于制备膜的材料

用于叉合电极膜的层制剂可包括向层提供常见机械、物理和化学特性的热塑性主体聚合物。例如，单个热塑性主体可与导电材料(例如，导电聚合物、导电纳米材料、包括银和铜的金属纳米材料、颗粒、薄片、线或晶须；金属氧化物颗粒、薄片或纳米粒子、纳米棒等；碳纳米粒子、可分散的石墨烯或者单壁或多壁碳纳米管)混合、共混或以其他方式结合以提供热塑性导体，并且这一相同或另一种热塑性主体可与高介电常数的纳米粒子(例如，钛酸钡)混合、共混或以其他方式结合以提供卓越的介电材料。在另一个实例中，热塑性弹性体(例如，硅氧烷聚乙二酰胺或其他TPE)可以与导电添加剂结合、混合或共混以得到柔性可挤出导电材料；或者可与高介电常数添加剂混合以得到柔性介电材料。可用于经由挤出法制备膜并也可为导电或介电添加剂的主体的材料包括ABS、丙烯酸、纤维素、COC、EVA、EVOH、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、PP、PE、PC、PEEK、PEI、PS、PVC、含氟聚合物(PTFE)、聚砜和SAN。

至少一种聚合物材料可为弹性体。具有弹性体特性的热塑性材料通常是指热塑性弹性体(TPE)。热塑性弹性体通常定义为表现出高弹性和低蠕变的材料，它们在环境温度下好似为共价交联的，而当被加热超过其软化点时可如同传统热塑性塑料一样加工并流动。TPE的Tg通常低于室温，并且通常低于0℃；然而，传统热塑性塑料的Tg通常高于室温，并且通常接近100℃。可用于导电电极层、不导电绝缘层或两者的热塑性弹性体材料可作为第一聚合物材料或聚合物材料的混合物或共混物中的一种，包括例如如下文所述的那些线性、放射状、星形和楔形块共聚物。此类聚合物材料的实例包括硅氧烷弹性体、丙烯酸类弹性体、聚氨酯、聚丁二烯、热塑性弹性体、聚丁二烯-丙烯腈共聚物、以商品名KRATON出售的诸如苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯的材料以及它们的组合。

聚合物材料中的至少一种可为热塑性塑料。热塑性聚合物材料的实例包括压敏粘合剂、含氟聚合物、含硅氧烷和丙烯酸部分的聚合物、聚酯、PEN、PET、聚丙烯和聚乙烯等等。含氟聚合物的实例包括均聚物(诸如聚偏(二)氟乙烯(PVDF))、共聚物(诸如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE))等等。

用于电极层的材料分为三类：本征型导电聚合物或其混合物、增容导体(例如，分散石墨烯)在聚合物中的分散体以及导电纳米粒子填充聚合物。

本征型导电聚合物的实例包括聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔以及它们的共聚物和物理混合物。在一些情况下，这些导电聚合物可为经过熔融加工的净物质，在其他情况下，则必须与传统热塑性塑料或热塑性弹性体材料共混以提供可挤出的组合物。可加入可选的颗粒或填料使聚合物材料和共混物具有更高的导电性。例如，热塑性主体可掺杂有导电材料(例如，分散石墨烯、膨胀石墨、碳纳米泡沫或单壁碳纳米管)以提供热塑性导体。

可利用聚合物材料的混合物或共混物形成不导电的绝缘层。可以将提高绝缘层介电常数的添加剂加入不导电层的聚合物材料中或与其混合。示例性添加剂包括BaTiO₃、锆钛酸铅(PZT)、PT(钛酸铅)和PT复合物，以及它们的组合；其他实例包括氧化锆、剥离粘土等等。

固体聚合物电解质(SPE)为可包含离子聚合物、离子液体、盐类、极性聚合物或非极性聚合物的混合物。根据本发明实施例的SPE中的一种或多种聚合物可为热塑性塑料。单独使用SPE或SPE与导电添加剂相结合通过将离子主体的电导率与电子添加剂的电导率相结合，可提高所得复合物的电导率。

美国专利8,067,094还公开了制备所用的材料，该专利全文以引用方式并入本文。

Claims (11)

1.一种多层叉合电极膜，其具有第一主表面、与所述第一主表面相背对的第二主表面、沿所述第一主表面和所述第二主表面延伸的面内方向以及在所述第一主表面和所述第二主表面之间延伸的z方向，所述膜包括：

处在所述第一主表面和所述第二主表面之间的沿所述面内方向的第一多个电极层；

电连接所述第一多个电极层并与所述第一多个电极层集成在一起的沿所述z方向的第一母线；

处在所述第一主表面和所述第二主表面之间的沿所述面内方向的第二多个电极层；

电连接所述第二多个电极层并与所述第二多个电极层集成在一起的沿所述z方向的第二母线；和

在所述第一多个电极层和所述第二多个电极层之间的多个绝缘层，所述多个绝缘层使所述第一母线和所述第一多个电极层与所述第二母线和所述第二多个电极层电隔离，

其中所述第一多个电极层与所述第二多个电极层相互叉合，

其中所述第一多个电极层、第一母线、第二多个电极层、第二母线以及多个绝缘层均包括可挤出材料。

2.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一多个电极层中的一个电极层包括位于所述第一主表面上的第一最外层，并且所述第二多个电极层中的一个电极层包括位于所述第二主表面上的第二最外层。

3.根据权利要求1所述的膜，其中所述多个绝缘层中的一个绝缘层包括位于所述第一主表面上的第一最外层，所述多个绝缘层中的另一个绝缘层包括位于所述第二主表面上的第二最外层。

4.根据权利要求1所述的膜，还包括位于所述第一主表面上的第一表层和位于所述第二主表面上的第二表层。

5.根据权利要求1所述的膜，其中所述第一多个电极层和所述第二多个电极层包含导电聚合物。

6.根据权利要求1所述的膜，其中所述多个绝缘层包含热塑性聚合物。

7.一种多通道叉合电极膜，其具有第一主表面、与所述第一主表面相背对的第二主表面、沿所述第一主表面和所述第二主表面延伸的面内方向以及在所述第一主表面和所述第二主表面之间延伸的z方向，所述膜包括：

处在所述第一主表面和所述第二主表面之间的沿所述z方向的第一多个电极层；

电连接所述第一多个电极层并与所述第一多个电极层集成在一起的沿所述面内方向的第一母线；

处在所述第一主表面和所述第二主表面之间的沿所述z方向的第二多个电极层；

电连接所述第二多个电极层并与所述第二多个电极层集成在一起的沿所述面内方向的第二母线；和

在所述第一多个电极层和所述第二多个电极层之间的多个绝缘层，所述多个绝缘层使所述第一母线和所述第一多个电极层与所述第二母线和所述第二多个电极层电隔离，

其中所述第一多个电极层与所述第二多个电极层相互叉合，

其中所述第一多个电极层、第一母线、第二多个电极层、第二母线以及多个绝缘层均包括可挤出材料。

8.根据权利要求7所述的膜，其中所述第一多个电极层和所述第二多个电极层包含导电聚合物。

9.根据权利要求7所述的膜，其中所述多个绝缘层包含热塑性聚合物。

10.一种制备多层叉合电极膜的方法，所述多层叉合电极膜具有第一主表面、与所述第一主表面相背对的第二主表面、沿所述第一主表面和所述第二主表面延伸的面内方向以及在所述第一主表面和所述第二主表面之间延伸的z方向，所述方法包括：

沿所述面内方向挤出第一多个电极层，并且沿所述z方向挤出电连接所述第一多个电极层并与所述第一多个电极层集成在一起的第一母线；

沿所述面内方向挤出第二多个电极层，并且沿所述z方向挤出电连接所述第二多个电极层并与所述第二多个电极层集成在一起的第二母线；以及

在所述第一多个电极层和所述第二多个电极层之间挤出多个绝缘层，所述多个绝缘层使所述第一母线和所述第一多个电极层与所述第二母线和所述第二多个电极层电隔离，

其中所述第一多个电极层与所述第二多个电极层相互叉合，

其中所述挤出步骤包括同时共挤出所述第一多个电极层、第一母线、第二多个电极层、第二母线以及多个绝缘层，以制备所述电极膜。

11.一种制备多通道叉合电极膜的方法，所述多通道叉合电极膜具有第一主表面、与所述第一主表面相背对的第二主表面、沿所述第一主表面和所述第二主表面延伸的面内方向以及在所述第一主表面和所述第二主表面之间延伸的z方向，所述方法包括：

沿所述z方向挤出第一多个电极层，并且沿所述面内方向挤出电连接所述第一多个电极层并与所述第一多个电极层集成在一起的第一母线；

沿所述z方向挤出第二多个电极层，并且沿所述面内方向挤出电连接所述第二多个电极层并与所述第二多个电极层集成在一起的第二母线；以及

在所述第一多个电极层和所述第二多个电极层之间挤出多个绝缘层，所述多个绝缘层使所述第一母线和所述第一多个电极层与所述第二母线和所述第二多个电极层电隔离，

其中所述第一多个电极层与所述第二多个电极层相互叉合，

其中所述挤出步骤包括同时共挤出所述第一多个电极层、第一母线、第二多个电极层、第二母线以及多个绝缘层，以制备所述电极膜。