CN105719730B - 一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构，包括至少两个交联导体单元，交联导体单元包括直线部和马蹄形弯曲部；直线部包括第一直线部和第二直线部；马蹄形弯曲部包括一个位于上方开口向下的第一弯曲部、两个位于下方开口向上的第二弯曲部和第三弯曲部；第一直线部一端通过第一过渡圆弧与第一弯曲部的一端连接，第一直线部的另一端通过第二过渡圆弧与第二弯曲部连接的一端连接；第二直线部一端通过第三过渡圆弧与第一弯曲部的另一端连接，第二直线部的另一端通过第四过渡圆弧与第三弯曲部的一端连接；依此组成的交联导体单元组合相对于第一直线部和第二直线部的几何中心呈中心对称。

Description

一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构

技术领域

本发明属于一种纳米复合柔性电子材料，涉及纳米复合柔性电子材料交联导体结构，特别涉及一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构。

技术背景

纳米复合柔性电子材料既拥有良好的电学性能，又具有传统电子材料所不具备的可伸展性，能够像橡胶棒一样拉伸，像绳子一样扭曲，像铅笔一样弯曲，因此，纳米复合柔性电子材料在许多方面逐渐凸显出其重要的作用。新的应用领域和应用条件对纳米复合柔性电子材料的可延展性的要求越来越高，比如：电子眼摄像机，皮肤感应器，柔性显示，柔性集成电路等。

纳米复合电子柔性材料可延展性主要受到两方面因素的影响。一方面是源于柔性基底，这主要是柔性基底的厚度以及弹性模量对纳米复合电子柔性材料可延展性的影响；另一方面是源于交联导体，这包括交联导体几何参数(比如：宽度、厚度)，交联导体的弹性模量和交联导体的结构布局等等。

因此，通过对纳米复合柔性电子材料中的各个方面的进行优化设计来提高纳米复合电子柔性材料可延展性，则成为了纳米复合柔性电子材料研究的一个热点。

迄今为止，国内外各科研团队在纳米复合柔性电子材料的优化设计方面做了大量的理论和实验研究，并且有了相当的研究成果。关于柔性基底优化方面，除了对不同的基底材料进行研究之外，还出现了具有波浪状表面柔性基底以及三维立体表面的柔性基底结构。在交联导体结构优化设计方面，除了对各个几何参数以及弹性模量进行优化，还有了蛇形结构、马蹄形结构等交联导体结构。马蹄形结构弯曲部分的可延展性大于蛇形结构弯曲部分的可延展性。然而，相比于马蹄形结构，蛇形结构的优势在于：其直线部分旋转可以产生一定的可延展性，而这部分可延展性是弯曲部分受拉之后所不能产生的。

本发明要解决的问题是：

在不减小纳米复合电子柔性材料填充因数的前提下，通过对马蹄形交联导体结构内嵌直线段实现结构优化设计，从而提高纳米复合电子柔性材料的可延展性。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种新结构装置。

本发明的一个目的在于，为了使纳米复合电子柔性材料能够满足各应用领域日益提升的要求，本发明提供一种内嵌直线段式马蹄形交联导体结构，以进一步提高纳米复合电子柔性材料的可延展性。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构，包括至少两个交联导体单元，所述交联导体单元包括直线部和马蹄形弯曲部；

所述直线部包括第一直线部和第二直线部；所述马蹄形弯曲部包括一个位于上方开口向下的第一弯曲部、两个位于下方开口向上的第二弯曲部和第三弯曲部；

所述第一直线部一端通过第一过渡圆弧与所述第一弯曲部的一端连接，所述第一直线部的另一端通过第二过渡圆弧与所述第二弯曲部的一端连接；所述第二直线部一端通过第三过渡圆弧与所述第一弯曲部的另一端连接，所述第二直线部的另一端通过第四过渡圆弧与所述第三弯曲部的一端连接；依此组成的交联导体单元组合相对于所述第一直线部和所述第二直线部的几何中心呈中心对称；

所述第一弯曲部分、第二弯曲部分和第三弯曲部的圆弧半径R₁均相等，其取值范围值为100μm～800μm；

所述第一弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角为θ，第二弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角以及第三弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角也为θ，且θ的取值为0°～55°；

所述第二弯曲部与第三弯曲部的圆心距均为l₁，其取值范围为114.72μm～1600μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧和第四过渡圆弧的半径R₂均相等，其取值范围为80μm～640μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧和第一直线部在竖直方向投影的距离之和为l₂，其取值范围为100μm～800μm；

所述交联导体单元的宽度为w，w的取值范围为10μm～70μm；

所述交联导体单元的厚度为t，t的取值范围为0.3μm～4μm；

所述交联导体单元采用材料的弹性模量为E_metal，E_metal的取值范围为75GPa～275GPa。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构，与现有技术相比具有这样的益效果：

本发明主要对纳米复合电子柔性材料中的交联导体几何结构进行了设计。内嵌直线段式马蹄形交联导体单元既包括马蹄形弯曲部，也包括连接马蹄形弯曲部的直线部。采用本发明中的结构，能够有效提高交联导体结构的可延展性，能够将该结构应用在更多的领域当中，市场应用范围更广，经济效益更好。

附图说明

图1为一个内嵌直线段式马蹄形交联导体单元结构构成，在图中用粗实线部分标示；

图2为ε_pre＝47％时，直线部分l₂＝100μm～800μm的单个交联导体单元变形情况；

图3为未受到预应变作用时，直线部分l₂＝100μm～800μm的单个交联导体单元在达到屈服应变时的应变分布状况；

图4在未受到预应变以及受到预应变情况下，单个内嵌直线段马蹄形交联导体单元的弹性延伸率。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构，如图1所示，它包括至少两个交联导体单元，所述交联导体单元包括直线部和马蹄形弯曲部；

所述直线部包括第一直线部和第二直线部；所述马蹄形弯曲部包括一个位于上方开口向下的第一弯曲部、两个位于下方开口向上的第二弯曲部和第三弯曲部；

所述第一直线部一端通过第一过渡圆弧与所述第一弯曲部的一端连接，所述第一直线部的另一端通过第二过渡圆弧与所述第二弯曲部的一端连接；所述第二直线部一端通过第三过渡圆弧与所述第一弯曲部的另一端连接，所述第二直线部的另一端通过第四过渡圆弧与所述第三弯曲部的一端连接；依此组成的交联导体单元组合相对于所述第一直线部和所述第二直线部的几何中心呈中心对称；

所述第一弯曲部分、第二弯曲部分和第三弯曲部的圆弧半径R₁均相等，其取值范围值为100μm～800μm；

所述第一弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角为θ，第二弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角以及第三弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角也为θ，且θ的取值为0°～55°；

所述第二弯曲部与第三弯曲部的圆心距均为l₁，其取值范围为114.72μm～1600μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧和第四过渡圆弧的半径R₂均相等，其取值范围为80μm～640μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧和第一直线部在竖直方向投影的距离之和为l₂，其取值范围为100μm～800μm；

所述交联导体单元的宽度为w，w的取值范围为10μm～70μm；

所述交联导体单元的厚度为t，t的取值范围为0.3μm～4μm；

所述交联导体单元采用材料的弹性模量为E_metal，E_metal的取值范围为75GPa～275GPa。

实施例一：在没有受到基底预应变的情况下：将直线部分l₂＝100～800μm的内嵌直线段式马蹄形交联导体分别转印到没有受到基底预应变的柔性基底上；对柔性基底-刚性膜系统进行拉伸，且交联导体中产生的最大应变不超过其金属材料的屈服应变。

该实施例所采用的模型由柔性基底和内嵌直线段式马蹄形交联导体两部分构成。其中内嵌直线段马蹄形交联导体采用模型参数：交联导体金属层厚度t_metal＝0.3μm、交联导体金属封闭层厚度t_PI1＝1.2μm、t_PI2＝1.2μm、马蹄形弯曲部半径R₁＝300μm、θ＝30°、交联导体宽度w_metal＝50μm、金属层弹性模量E_metal＝119GPa、相邻的两个第一弯曲部分的圆心距与相邻的两个第二弯曲部分的圆心l₁＝1039.2μm、圆弧过渡段和直线部在竖直方向的投影的距离之和l₂＝600μm；柔性基底采用模型参数：柔性基底长度l_substrate＝3mm、柔性基底宽度w_substrate＝3mm、柔性基底厚度t_substrate＝1mm、柔性基底弹性模量E_substrate＝60KPa。

经过研究发现，本发明中的结构与现有技术相比具有以下优点：

在柔性基底没有受到预应变的情况下，柔性基底-刚性膜系统发生拉伸之后，交联导体的弹性延伸率有了提高，并且直线部分l₂越长，弹性延伸率和总延伸率越大；当直线部l₂处于800μm时，该结构的延展性呈现最优状态。

实施例二：

在柔性基底受到预应变的情况下：对柔性基底施加47％基底预应变；将直线部分l₂＝100～800μm的内嵌直线段式马蹄形交联导体分别转印到柔性基底上；释放基底预应变；对柔性基底-刚性膜系统进行拉伸，且交联导体中产生的最大应变不超过其金属材料的屈服应变。

该实施例所采用的模型由柔性基底和内嵌直线段式马蹄形交联导体两部分构成。其中内嵌直线段马蹄形交联导体采用模型参数：交联导体金属层厚度t_metal＝0.3μm、交联导体金属封闭层厚度t_PI1＝1.2μm、t_PI2＝1.2μm、马蹄形弯曲部半径R₁＝300μm、θ＝30°、交联导体宽度w_metal＝50μm、金属层弹性模量E_metal＝119GPa、相邻的两个第一弯曲部分的圆心距与相邻的两个第二弯曲部分的圆心l₁＝1039.2μm、圆弧过渡段和直线部在竖直方向的投影的距离之和l₂＝600μm；柔性基底采用模型参数：柔性基底长度l_substrate＝3mm、柔性基底宽度w_substrate＝3mm、柔性基底厚度t_substrate＝1mm、柔性基底弹性模量E_substrate＝60KPa。

经过研究发现，本发明中的结构与现有技术相比具有以下优点：

在柔性基底受到最大预应变的情况下，柔性基底-刚性膜系统发生拉伸之后，交联导体的弹性延伸率有了提高，并且直线部分l₂越长，弹性延伸率和总延伸率越大。当直线部l₂处于800μm时，该结构的延展性呈现最优状态。

Claims (1)

1.一种内嵌直线段式马蹄形柔性电子器件交联导体结构，其特征在于：它包括至少两个交联导体单元，所述交联导体单元包括直线部和马蹄形弯曲部；

所述直线部包括第一直线部和第二直线部；所述马蹄形弯曲部包括一个位于上方开口向下的第一弯曲部、两个位于下方开口向上的第二弯曲部和第三弯曲部；

所述第一直线部一端通过第一过渡圆弧与所述第一弯曲部的一端连接，所述第一直线部的另一端通过第二过渡圆弧与所述第二弯曲部的一端连接；所述第二直线部一端通过第三过渡圆弧与所述第一弯曲部的另一端连接，所述第二直线部的另一端通过第四过渡圆弧与所述第三弯曲部的一端连接；依此组成的交联导体单元组合相对于所述第一直线部和所述第二直线部的几何中心呈中心对称；

所述第一弯曲部分、第二弯曲部分和第三弯曲部的圆弧半径R₁均相等，其取值范围值为100μm～800μm；

所述第一弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角为θ，第二弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角以及第三弯曲部分的圆弧圆心和端部之间的连线相对于水平线的夹角也为θ，且θ的取值为0°～55°；

所述第二弯曲部与第三弯曲部的圆心距均为l₁，其取值范围为114.72μm～1600μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧、第三过渡圆弧和第四过渡圆弧的半径R₂均相等，其取值范围为80μm～640μm；

所述第一过渡圆弧、第二过渡圆弧和第一直线部在竖直方向投影的距离之和为l₂，其取值范围为100μm～800μm；

所述交联导体单元的宽度为w，w的取值范围为10μm～70μm；

所述交联导体单元的厚度为t，t的取值范围为0.3μm～4μm；

所述交联导体单元采用材料的弹性模量为E_metal，E_metal的取值范围为75GPa～275GPa。