CN108400247A - 利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法 - Google Patents

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冯晶
银达
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Abstract

本发明公开了利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，属于可拉伸器件的制备技术领域，本发明利用具有周期性条纹图案的掩膜板，在弹性衬底上引入一组具有相同条纹图案的金属薄膜隔离层，形成包含粘合区(粘性的弹性衬底表面)和非粘合区(无粘性的金属薄膜表面)的复合弹性衬底。将此复合弹性衬底预拉伸到一定应变量，然后将超薄柔性有机光电器件集成至处于拉伸状态下的复合弹性衬底表面，并释放拉伸应力。由于超薄柔性有机光电器件无法与复合衬底表面上的条状非粘合区进行粘合，因此器件上的对应区域在拉伸应力释放后自然隆起，最终形成大面积的具有周期性规则褶皱的可拉伸器件。

Description

利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法
技术领域
本发明属于可拉伸器件的制备技术领域，具体涉及利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件，通过掩膜板在弹性衬底上引入周期性金属薄膜隔离层，以获得具有周期性规则褶皱的可拉伸器件。
背景技术
近年来，可拉伸电子和光电子器件作为最具潜力的新一代可穿戴类器件，发展极为迅速。这些可拉伸器件的研发已覆盖到发光器件、太阳能电池、超级电容器和传感器等多个方面。在各种制备可拉伸器件的方案中，利用超薄柔性器件形成可拉伸褶皱结构的方案吸引了众多研究者的关注，这是因为这种拉伸方案突破了材料和器件结构的限制，有效提高了可拉伸器件制备的灵活性。然而，基于此方案的现有技术大多只能引入无规褶皱，由此形成的可拉伸器件存在机械强度差、拉伸寿命短的问题。此外，个别方法也能够在可拉伸器件中引入规则褶皱，但也面临着加工效率低、成本高等弊端。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法。利用具有周期性条纹图案的掩膜板，在弹性衬底上引入一组具有相同条纹图案的金属薄膜隔离层，形成包含粘合区(粘性的弹性衬底表面)和非粘合区(无粘性的金属薄膜表面)的复合弹性衬底。将此复合弹性衬底预拉伸到一定应变量，然后将超薄柔性有机光电器件集成至处于拉伸状态下的复合弹性衬底表面，并释放拉伸应力。由于超薄柔性有机光电器件无法与复合衬底表面上的条状非粘合区进行粘合，因此器件上的对应区域在拉伸应力释放后自然隆起，最终形成大面积的具有周期性规则褶皱的可拉伸器件。
本发明通过如下技术方案实现：
一种利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，具体步骤如下：
(1)、利用掩膜板沉积金属薄膜隔离层；
首先，用3M塑料胶带在弹性衬底上限制出工作区，用掩膜板完全覆盖工作区并使二者无缝贴合；然后，将覆盖有掩膜板的弹性衬底置于真空蒸镀系统中，进行金属薄膜蒸镀，使得掩膜板的图案被复制至弹性衬底工作区；其中，掩膜板为具有周期性条纹图案的掩膜板；最后，将蒸镀完毕的弹性衬底取出，剥离弹性衬底上方的掩膜板，得到具有周期性金属条纹的弹性衬底；
(2)、制备具有规则褶皱的超薄柔性可拉伸有机光电器件；
首先，将步骤(1)得到的具有周期性金属条纹的弹性衬底沿其工作区短轴方向进行拉伸，并保持拉伸状态；然后，取超薄柔性有机光电器件粘贴至处于拉伸状态下的弹性衬底工作区，使器件的柔性衬底下表面与工作区完全贴合；并保证超薄柔性有机器件只与工作区中的粘合区进行粘合，而不与覆盖有条状金属隔离膜的非粘合区粘合；最后，释放弹性衬底上的拉伸应力，弹性衬底收缩并使得超薄柔性有机器件未与工作区粘合的部分随之发生弯曲，向上拱起并形成周期性褶皱，最终获得具有规则褶皱的超薄柔性可拉伸有机光电器件。
进一步地，步骤(1)所述弹性衬底为VHB 4905弹性胶带，表面具有粘性，衬底尺寸为5cm×4cm；所述的弹性衬底上的工作区尺寸为5cm×0.6cm；所述的掩膜板为具有周期性条纹微结构的镂空式不锈钢掩膜板，尺寸为5cm×3.5cm，其中微结构周期为400μm，镂空部分的宽度为300μm，间隔的条形金属带宽为100μm，掩膜板覆盖至工作区时二者的长轴相互平行；所述的金属薄膜隔离层为铝膜，厚度为20-50nm。
进一步地，步骤(2)所述的超薄柔性有机光电器件为有机电致发光器件、有机太阳能电池等；所述超薄柔性有机器件的尺寸为2cm×2cm，其柔性衬底为NOA63光刻胶薄膜，旋涂所用转速为8000-12000rpm，所用时间为60-100s，紫外曝光时间为3-5min，薄膜厚度为2.0-4.0μm。
进一步地，所述的弹性衬底的拉伸量为150-200％；所述的可拉伸有机光电器件的有效工作面积为4.5mm×1.5mm。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、利用掩膜板图形转移，能够便捷地在可拉伸器件上制备出大面积、高质量的规则褶皱，工艺简单且成本低，适合大规模工业化生产；
(2)、利用掩膜板图形转移技术制备具有规则褶皱的可拉伸器件，大大提高了可拉伸器件的机械强度，从而保证器件在循环拉伸中的具有较高的机械稳定性。
附图说明
图1为本发明的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法的流程示意图；
图2为本发明的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的扫描电镜照片；
其中图2(a)-(c)分别为器件拉伸度为0％、50％和100％所对应的扫描电镜照片；
图3为本发明的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的循环拉伸特性曲线；
其中，a的拉伸度范围为0-20％，b的拉伸度范围为0-60％.
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的超薄柔性有机电致发光可拉伸器件。
利用掩膜板图形转移能够直接在粘性弹性衬底上沉积周期性金属条纹隔离层，形成一系列条状的无粘性区域。如此，在与处于拉伸状态的器件的柔性衬底进行粘合时，由金属隔离层定义的条状非粘合区无法粘合，进而在拉伸应力释放后自然拱起，形成大量规则褶皱，实现了此类可拉伸器件的高效制备。
利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的超薄柔性有机电致发光可拉伸器件的方法，具体步骤如下：
(1)、利用掩膜板沉积金属薄膜隔离层：所用弹性衬底为VHB 4905弹性胶带，弹性衬底尺寸为5cm×4cm；所用掩膜板为具有周期性条纹微结构的镂空式不锈钢掩膜板，尺寸为5cm×3.5cm，其中微结构周期为400μm，镂空部分的宽度为300μm，间隔的条形金属带宽为100μm，所用蒸镀金属薄膜的材料为Al；首先，用3M塑料胶带在弹性衬底上限制出一块尺寸为5cm×0.6cm的矩形工作区，用掩膜板完全覆盖工作区并使二者无缝贴合；然后，将覆盖有掩膜板的弹性衬底置于真空蒸镀系统中，进行金属薄膜蒸镀，得到厚度为20nm的铝膜，将掩膜板的周期性条纹图案1:1复制至弹性衬底；最后，将蒸镀完毕的弹性衬底取出，剥离弹性衬底上方的掩膜板，在工作区得到具有周期性金属条纹的弹性衬底。
(2)、制备超薄柔性有机电致发光器件：所用器件衬底为硅片，尺寸为2cm×2cm，所用柔性衬底材料为NOA63光刻胶；首先，对硅片进行“清洗→烘干→表面疏水处理→再清洗→再烘干”的预处理，具体步骤为：先将硅片依次置于丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗30min，并用干燥箱烘1h待用；随后，利用OTS对硅片表面进行疏水修饰，在培养皿中心处滴0.6ml的OTS溶液，将清洁烘干的硅片置于OTS液滴旁，硅片中心与OTS液滴的距离为1.4cm，并将培养皿置于真空烘箱中在60℃下加热4h，取出硅片并自然冷却到室温；将修饰完毕的硅片再次置于丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗30min，并用干燥箱烘1h，完成预处理；然后，在预处理完毕的硅片表面旋涂一层光刻胶，并对其进行紫外曝光5min，得到光刻胶薄膜柔性衬底；随后，将衬底置于有机真空蒸镀膜仪中，待真空抽至5×10-4Pa，依次蒸镀阳极(Ag 80nm)→修饰层(MoO3 3nm)→空穴传输层(NPB 40nm)→有机发光层[Ir(BT)2(acac)掺杂的CBP，掺杂质量浓度为5％]→空穴阻挡层(TPBi 30nm)→复合阴极(Ca/Ag 3/18nm)各层材料，完成器件制备；最后，将蒸镀完毕的取出，剥离衬底上的光刻胶薄膜及制备在其表面的有机电致发光器件，得到超薄柔性有机电致发光器件。
(3)、制备具有规则褶皱的有机电致发光可拉伸器件：将步骤(1)得到的具有周期性金属条纹的弹性衬底沿其工作区短轴方向进行拉伸，拉伸量为200％，并保持拉伸状态；然后，将步骤(2)制备的超薄柔性有机电致发光器件粘贴至处于拉伸状态的弹性衬底工作区，使器件的柔性衬底下表面与工作区完全贴合；其中，超薄柔性有机电致发光器件实际只与工作区中的粘合区进行粘合，而不能与覆盖有条状金属隔离层的非粘合区粘合；最后，释放弹性衬底上的拉伸应力，弹性衬底收缩并使得超薄柔性有机电致发光器件未与工作区粘合的部分随之发生弯曲，向上拱起并形成周期性褶皱，最终获得具有规则褶皱的可拉伸有机电致发光器件。
由图1可知，利用掩膜板图形转移在弹性衬底上引入Al膜作为隔离层，能够对弹性衬底与超薄柔性器件的粘合过程进行有效操控，使得器件被Al膜隔离出的周期性条状区域在弹性收缩作用下形成大片规则褶皱。规则褶皱的引入则大大提高了超薄柔性有机电致发光可拉伸器件的机械强度。
由图2可知，利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的超薄柔性有机电致发光可拉伸器件具有良好的拉伸性能，其最大拉伸度为100％，且拉伸范围内时拱起褶皱的周期保持不变。
由图3可知，利用在不同拉伸度之间进行循环拉伸的方法测试了该器件的机械稳定性，器件的工作电压为5.5V。器件在0％-20％的拉伸度之间循环拉伸20000次后，亮度增大20％，效率增大7％。在0％-60％的拉伸度之间循环拉伸6000次，效率增大2％。从以上实验结果可以看出，在不同拉伸度下，经过多次循环拉伸测试，器件性能只发生微小变化，因此证明了具有规则褶皱结构的可拉伸有机电致发光器件具有良好的机械稳定性。

Claims (4)

1.利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、利用掩膜板沉积金属薄膜隔离层；
首先，用3M塑料胶带在弹性衬底上限制出工作区，用掩膜板完全覆盖工作区并使二者无缝贴合；然后，将覆盖有掩膜板的弹性衬底置于真空蒸镀系统中，进行金属薄膜蒸镀，使得掩膜板的图案被复制至弹性衬底工作区；其中，掩膜板为具有周期性条纹图案的掩膜板；最后，将蒸镀完毕的弹性衬底取出，剥离弹性衬底上方的掩膜板，得到具有周期性金属条纹的弹性衬底；
(2)、制备具有规则褶皱的超薄柔性可拉伸有机光电器件；
首先，将步骤(1)得到的具有周期性金属条纹的弹性衬底沿其工作区短轴方向进行拉伸，并保持拉伸状态；然后，取超薄柔性有机光电器件粘贴至处于拉伸状态下的弹性衬底工作区，使器件的柔性衬底下表面与工作区完全贴合；并保证超薄柔性有机器件只与工作区中的粘合区进行粘合，而不与覆盖有条状金属隔离膜的非粘合区粘合；最后，释放弹性衬底上的拉伸应力，弹性衬底收缩并使得超薄柔性有机器件未与工作区粘合的部分随之发生弯曲，向上拱起并形成周期性褶皱，最终获得具有规则褶皱的超薄柔性可拉伸有机光电器件。
2.如权利要求1所述的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，其特征在于，步骤(1)所述弹性衬底为VHB 4905弹性胶带，表面具有粘性，衬底尺寸为5cm×4cm；所述的弹性衬底上的工作区尺寸为5cm×0.6cm；所述的掩膜板为具有周期性条纹微结构的镂空式不锈钢掩膜板，尺寸为5cm×3.5cm，其中微结构周期为400μm，镂空部分的宽度为300μm，间隔的条形金属带宽为100μm，掩膜板覆盖至工作区时二者的长轴相互平行；所述的金属薄膜隔离层为铝膜，厚度为20-50nm。
3.如权利要求1所述的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，其特征在于，步骤(2)所述的超薄柔性有机光电器件为有机电致发光器件或有机太阳能电池；所述超薄柔性有机器件的尺寸为2cm×2cm，其柔性衬底为NOA63光刻胶薄膜，旋涂所用转速为8000-12000rpm，所用时间为60-100s，紫外曝光时间为3-5min，薄膜厚度为2.0-4.0μm。。
4.如权利要求1所述的利用掩膜板图形转移制备具有规则褶皱的可拉伸器件的方法，其特征在于，步骤(3)所述弹性衬底的拉伸量为150-200％；所述的可拉伸发光器件的有效工作面积为4.5mm×1.5mm。
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