CN108064120A - 一种弹性电路或电极的制备方法以及制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弹性电路或电极的制备方法与制备装置。采用导电的模板电路或电极，利用连接泵与连接管，将细化为纳米至微米级的液态金属向上抽出至盛放该模板电路或电极的容器中，将外部电源、该模板电路或电极以及液态金属构成导电回路，在电压电流的作用下液态金属“吸附”在该模板电路或电极的表面，从而“复制”该电路或电极的图案；然后在其表面浸没液态的弹性材料，固化后剥离该弹性体，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌入在弹性体中的液态金属电路与电极。该方法简单易行，成本低，制备效率高，并且通过控制模板电路或电极的线宽可控制该弹性电路或电极的线控，线宽易控制。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种弹性电路或电极的制备方法以及制备装置，在柔性电子器件电路、柔性传感器等领域有广泛的应用前景。
背景技术
柔性电子可概括为将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(SkinPatches)等。柔性电子产品以其独特的柔性/延展性近年来受到越来越多的关注，尤其是在消费性电子产品和生物医疗方面的应用。
至今，柔性电子产品的设计和制造主要包括两种方法：1、类似纳米粒子或纳米线的导电体和弹性材料复合；2.在结构设计上使用各种各样的波浪形结构,如银纳米线与通过预拉伸的PDMS结合制备出弹性电极。虽然这两种方法制备出来的电极具有良好的弹性，但由于导电材料是固态的，拉伸时导电材料不能发生形变，从而限制了拉伸性能。
液态金属材料是一种在室温下为液态的导电材料，其不同于固态导电材料，在拉伸器件中液态金属可以在外力作用下发生形变，而本身导电性不会发生变化，因此近来已成为研究热点，例如镓及其与铟、锡、锌等合金，其在室温下可以作为导电金属墨水等。由于液态金属具有金属导电性和非常优异的流动性，因此在柔性电子器件中有良好的应用价值，例如液态金属可用于微电极、压力传感器、拉伸传感器等。目前，有多种方法可以制造液态金属电路或电极，例如，喷墨打印法、微流管注射法、模板沉积法、3D打印、直接书写、膜版印刷等方法，这些方法都有他们独特的优点，然而，这些方法制备的弹性电路或电极的线宽不易控制、过程复杂、实验设备要求高，并且不能实现快速制备，因此简单快速制备出线宽可控的可拉伸弹性电路或电极是本领域的技术攻关课题之一这。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种弹性电路或电极的制备方法，该方法简单易行，能够快速制备出线宽可控、可拉伸的弹性电路或电极。
为了实现上述技术目的，本发明人采用液态金属与弹性材料，将纳米或微米级的液态金属“吸附”在待制备电路或电极的图案模板表面，即复制具有该图案的电路或电极，然后在其表面固化弹性材料，最后通过剥离而转移该电路或电极，得到可拉伸的弹性电极或电路。
即，本发明的技术方案为：一种弹性电路或电极的制备方法，采用液态金属与弹性体，包括如下步骤：
(1)准备模板电路或电极
所述模板电路或电极是可导电的；所述模板电路或电极与衬底固定连接在一起，组成电路板或电极板；
(2)所述的液态金属粒径细化为纳米至微米级；
(3)复制模板电路或电极的图案
将所述电路板或电极板置于第一容器中，外部电源一端连接该电路板或电极板，另一端置于该第一容器中；使用连接管与连接泵，连接管一端插入经步骤(2)处理后的液态金属中，在连接泵的作用下将液态金属向上抽出后自连接管另一端注入所述第一容器中；开启电源，以液态金属微球作为电解质，外部电源、电路板或电极板以及液态金属构成导电回路，在电流作用下，纳米或微米级液态金属“吸附”在所述模板电路或电极表面；
(4)将液态的弹性体浸没经步骤(3)处理后的电路板或电极板表面，然后固化该弹性体，最后将该弹性体剥离所述电路板或电极板，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌在弹性体基底的电路或电极，该电路或电极由液态金属构成。
所述的液态金属材料是在室温下为液态的金属导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金等。
所述弹性体在外力作用下可以发生变形，包括但不限于硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE等中的一种或者几种。
所述的步骤(2)中，作为一种实现方式，利用超声法细化液态金属粒径在纳米至微米级范围。更优选地，超声频率大于20KHZ、超声温度大于-20℃。为了提高细化效果，作为进一步优选，将液态金属与溶剂充分混合后利用超声法细化液态金属粒径。
所述的步骤(3)中，作为优选，采用支撑装置支撑所述连接管，使其一端竖立在液态金属中。
金属液体细化为纳米或微米级之后，粒径较大的金属微粒易沉淀在金属液体底部，而粒径较小的金属微粒易处于金属液体上部，因此，所述的步骤(3)中，作为优选，在金属液体抽出的过程中，保持连接管与金属液体接触的一端始终与金属液面的上表面相接触，从而有利于粒径较小的金属微粒被抽出。
所述的步骤(3)中，作为优选，开启电源的同时，在第一容器中加入碱溶液或酸溶液，用以反应掉液态金属表面因氧化而形成的氧化层。为了提高该氧化层的去除效果，进一步优选，将适量碱溶液或酸溶液喷洒在液态金属中。所述适量是指碱溶液或酸溶液用以反应掉液态金属表面的氧化层，不宜喷洒过多。
所述的弹性体可以分为两种，第一种是在常温下为固态，加热熔融为液态；第二种是在常温下为液态，加热固化。当所述的弹性体属于第一种时，在步骤(4)中，首先将弹性体加热熔融为液态，然后将液态的弹性体浸没该吸附液态金属的电路板或电极板表面，再降温固化该弹性体。当所述的弹性体属于第二种时，将液态的弹性体浸没该吸附液态金属的电路板或电极板表面，然后加热固化该弹性体。
所述的步骤(4)中，作为优选，采用水浴固化该弹性体，即，将经步骤(3)处理后的电路板或电极板置于第三容器中；然后，在第三容器中加入液态的弹性体，使其浸没该吸附液态金属的电路板或电极板表面；最后，将该第三容器放入水浴中，使其中的弹性体固化。
在弹性体从所述电路板或电极板剥离的过程中，为了使“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属更易随之剥离，优选在步骤(4)中，待弹性体固化后，将所述电路板或电极板进行冷冻处理，然后将弹性体从所述电路板或电极板玻璃，以利于金属液体与模板电路与电极的分离。
综上所述，本发明采用液态金属与弹性材料制备弹性电路或电极，具有如下有益效果：
(1)所述的弹性电路或电极由弹性体构成的基底，以及由液态金属构成的电路与电极组成，其中由液态金属构成的电路与电极嵌在该弹性体构成的基底中，因此，电路与电极本身具有弹性可拉伸，基底也具有弹性可拉伸，实现了良好的弹性效果，并且性能稳定、拉伸应变大、拉伸后可恢复；
(2)采用导电的模板电路或电极，利用连接泵与连接管，将细化为纳米至微米级的液态金属向上抽出至盛放导电的模板电路或电极的第一容器中，将外部电源、该模板电路或电极以及液态金属构成导电回路，在电压电流的作用下液态金属“吸附”在该模板电路或电极的表面，从而“复制”该电路或电极的图案，形成由液态金属构成的电路与电极；然后在其表面浸没液态的弹性材料，固化后剥离该弹性体，不仅将弹性体整体性从模板电路板与电极板分离，而且将“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，使该液态金属构成的电路与电极整体转移，形成嵌入在弹性体中的电路与电极；
(3)该方法简单易行，成本低，制备效率高，并且通过控制模板电路或电极的线宽可控制该弹性电路或电极的线控，线宽易控制。
本发明还提供了一种实现上述弹性电路或电极的制备方法的制备装置，包括超声波清洗机、电源、惰性电极、金属电极、电路板或电极板、第一容器、第二容器、第三容器、连接泵以及连接管；
电路板放置在第一容器中，惰性电极一端连接电源正极，另一端置于第一容器中；金属电极一端连接电源负极，另一端连接电路板或电极板；
第二容器置于超声波清洗机中，第二容器中盛放液态金属，连接管与连接泵相连接，连接管一端插入液态金属中；
所述的电路板或电极板包括衬底，以及与衬底固定连接在一起的模板电路或电极，所述的模板电路或电极可导电；
工作状态时，开启超声波清洗机工作，第二容器中的液态金属在超声波作用下粒径细化为纳米至微米级电源；开启连接泵，在连接泵的作用下将液态金属向上抽出后自连接管另一端注入所述第一容器中；开启电源，液态金属以及电路板或电极板构成导电回路，同时在电压电流的作用下，液态金属“吸附”在该模板电路或电极的表面；然后，取出该电路板或电极板，清洗、干燥后置于第三容器中，将液态的弹性体浸没该电路板或电极板表面；最后，固化该弹性体，再将弹性体从电路板或电极板表面剥离，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌在弹性体基底的电路或电极，该电路或电极由液态金属构成。
作为优选，所述的制备装置还包括喷洒装置，用以在开启电源的同时，向第一容器中喷洒碱溶液或酸溶液，以反应掉液态金属表面因氧化而形成的氧化层。
作为优选，所述的制备装置还包括支撑装置，用以支撑连接管，使其一端竖立在液态金属中。
作为优选，在金属液体抽出的过程中，保持连接管与金属液体接触的一端始终与金属液面的上表面相接触。
作为优选，第一容器中盛放液态金属与溶剂，且液态金属完全浸于溶剂中，所述的溶剂可以是去离子水、乙醇、丙酮、苯或其他液体。
作为优选，所述的制备装置还包括水浴锅，将液态的弹性体浸没该电路板或电极板表面后，将第三容器置于水浴锅中，采用水浴固化使其中的弹性体固化。
附图说明
图1是本发明实施例1中弹性电路或电极制备过程中步骤(1)的装置连接示意图；
图2是本发明实施例1中弹性电路或电极制备过程中步骤(2)的装置示意图；
图3是本发明实施例1中弹性电路或电极制备过程中步骤(3)的装置示意图；
图4是本发明实施例1中弹性电路或电极制备过程中步骤(4)的装置示意图；
图5是本发明实施例1中弹性电路或电极制备过程中步骤(5)的装置示意图；
图6是本发明实施例1中制得的弹性电路或电极的结构示意图。
附图1-6中的附图标记为：1-电流源，2-惰性电极，3-金属电极，4-喷洒装置，5-第一容器，6-电路板或者电极板、7-连接管，8-连接泵，9-支架，10-第二容器，11-超声波清洗机，12-烘箱，13-第三容器，14-弹性液体，15-水浴锅，16-冰箱，12-弹性衬底，13-液态金属电路或电极。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，如图1-5所示，弹性电路或电极的制备装置包括超声波清洗机11、电流源1、电路板或电极板4、惰性电极2、金属电极3、第一容器5、第二容器10、第三容器13、连接泵8以及连接管7。
电路板或电极板4放置在第一容器5中。
第二容器10置于超声波清洗机11中，第二容器10中盛放0.4g液态金属与20ml去离子水，且液态金属完全浸于去离子水中，形成液态金属溶液。连接管7与连接泵8相连接，连接管7一端插入液态金属中，采用支架9支撑连接管7，使其竖立在液态金属中。
惰性电极2为铂电极，其一端连接电流源1的正极，另一端放置在第一容器5中；金属电极3为阴极电极，其一端连接电流源1的负极，另一端连接电路板或者电极板4。
电路板或电极板4是由衬底以及与衬底固定连接在一起的可导电的模板电路或电极组成，其制备方法如下：
利用化学腐蚀法在PCB板上制备模板电路或电极，具体为：通过热转印法将电路转印到PCB板上，使用盐酸与双氧水的混合溶液将没有被墨水覆盖住的部分腐蚀掉，然后放置在丙酮溶液中将电路上的墨洗掉，得到PCB板上的模板电路或电极，其线宽为0.2mm。
利用上述装置制备弹性电路或电极的方法如下：
(1)如图1所示，开启超声波清洗机11工作，选择超声功率为100％，超声温度20℃，第二容器中的液态金属在超声波作用下粒径细化为纳米至微米级电源；开启连接泵8，在连接泵8的作用下将液态金属向上抽出后自连接管7另一端注入第一容器5中；开启电源，将电压调节为3V，电源、液态金属以及电路板或电极板6构成导电回路，同时，喷洒装置4向第一容器5中的电路板或电极板6喷洒1M的氢氧化钠溶液，用以反应掉液态金属表面因氧化而形成的氧化层，在电压电流的作用下，液态金属“吸附”在该模板电路或电极的表面；
(2)如图2所示，将电路板或电极板6从第一容器5中取出，用去离子水和乙醇溶剂冲洗4次，放入烘箱12中烘干；
(3)如图3所示，将经步骤(3)处理后的电路板或电极板6放置在第三容器13中，将液态的弹性体14倒入第三容器13中，该弹性体14为PDMS，使液态的PDMS浸没电路板或电极板6的表面；
(4)如图4所示，将第三容器13放置在60℃的水浴锅15中，使液态的PDMS固化2h；
(5)如图5所示，将第三容器13从水浴锅15中取出后放置在-20℃的冰箱16中冷冻2h，然后将PDMS从或电极板6剥离，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌在PDMS弹性体衬底17的液态金属电路或电极18。
采用上述装置和方法可快速、精确制备出电阻小、拉伸应变大、性能稳定、线宽可调的可拉伸的弹性电路或电极。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应该理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种弹性电路或电极的制备方法，采用液态金属与弹性体，其特征是：包括如下步骤：
(1)准备模板电路或电极
所述模板电路或电极是可导电的；所述模板电路或电极与衬底固定连接在一起，组成电路板或电极板；
(2)所述的液态金属粒径细化为纳米至微米级；
(3)复制模板电路或电极的图案
将所述电路板或电极板置于第一容器中，外部电源一端连接该电路板或电极板，另一端置于该第一容器中；使用连接管与连接泵，连接管一端插入经步骤(2)处理后的液态金属微球溶液中，在连接泵的作用下将液态金属微球向上抽出后自连接管另一端注入所述第一容器中；开启电源，以液态金属微球溶液作为电解质，外部电源、电路板或电极板以及液态金属构成导电回路，在电流作用下，纳米或微米级液态金属“吸附”在所述模板电路或电极表面；
(4)将液态的弹性体浸没经步骤(3)处理后的电路板或电极板表面，然后固化该弹性体，最后将该弹性体剥离所述电路板或电极板，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌在弹性体基底的电路或电极，该电路或电极由液态金属构成。
2.如权利要求1所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：所述的液态金属包括汞、镓铟合金、镓铟锡合金，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓铟合金、镓铟锡合金；
作为优选，所述弹性体包括硅胶、聚二甲基硅氧烷、橡胶、水凝胶、聚氨酯、SEBS、POE中的一种或者几种。
3.如权利要求1所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：利用沉积法、微纳加工法或者化学腐蚀制备所述模板电路或电极。
4.如权利要求1所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：所述的步骤(2)中，利用超声法使液态金属粒径在纳米至微米级范围；
作为优选，超声频率大于20KHZ、超声温度大于-20℃。
5.如权利要求4所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：将液态金属与溶剂充分混合后利用超声法细化液态金属粒径。
6.如权利要求4所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：所述的步骤(3)中，在金属液体抽出的过程中，保持连接管与金属液体接触的一端始终与金属液面的上表面相接触。
7.如权利要求1所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：所述的步骤(3)中，开启电源的同时，在第一容器中加入碱溶液或酸溶液；
作为优选，开启电源的同时，在第一容器中喷洒碱溶液或酸溶液。
8.如权利要求1所述的弹性电路或电极的制备方法，其特征是：所述的步骤(4)中，采用水浴固化该弹性体，即，将经步骤(3)处理后的电路板或电极板置于第三容器中，然后在第三容器中加入液态的弹性体，使其浸没该吸附液态金属的电路板或电极板表面，最后将该第三容器放入水浴中，使弹性体固化；
作为优选，所述步骤(4)中，待弹性体固化后，将所述电路板或电极板进行冷冻处理，然后将该弹性体剥离所述电路板或电极板。
9.一种弹性电路或电极的制备装置，其特征是：包括超声波清洗机、电源、惰性电极、金属电极、电路板或电极板、第一容器、第二容器、第三容器、连接泵以及连接管；
电路板放置在第一容器中，惰性电极一端连接电源正极，另一端置于第一容器中；金属电极一端连接电源负极，另一端连接电路板或电极板；
第二容器置于超声波清洗机中，第二容器中盛放液态金属，连接管与连接泵相连接，连接管一端插入液态金属中；
所述的电路板或电极板包括衬底，以及与衬底固定连接在一起的模板电路或电极，所述的模板电路或电极可导电；
工作状态时，开启超声波清洗机工作，第二容器中的液态金属在超声波作用下粒径细化为纳米至微米级电源；开启连接泵，在连接泵的作用下将液态金属向上抽出后自连接管另一端注入所述第一容器中；开启电源，液态金属以及电路板或电极板构成导电回路，在电压电流的作用下，纳米至微米级的液态金属“吸附”在模板电路或电极的表面；然后，取出该电路板或电极板，清洗、干燥后置于第三容器中，将液态的弹性体浸没该电路板或电极板表面；最后，固化该弹性体，再将弹性体从电路板或电极板表面剥离，“吸附”在模板电路或电极表面的液态金属随之剥离，得到嵌在弹性体基底的电路或电极，该电路或电极由液态金属构成。
10.如权利要求10所述的弹性电路或电极的制备装置，其特征是：所述的制备装置还包括水浴锅，将液态的弹性体浸没该电路板或电极板表面后，将第三容器置于水浴锅中，采用水浴固化使其中的弹性体固化。
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