CN109215889A - 一种利用磁场图案化液态金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用磁场图案化液态金属的方法，包括下述步骤：(1)将磁性颗粒均匀分散到液态金属中；(2)取步骤(1)所得混合液于基底上，在基底下方施加磁场，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集到液滴的底部；(3)磁场和基底作相对运动、带动磁性颗粒聚集体在基底上移动，在磁性颗粒拖拽力作用下，液态金属沿着磁颗粒运动轨迹铺展在基底上，形成图案化液态金属线路。本发明基于液态金属中磁性颗粒聚集体产生的拖拽力使液态金属按照相应的运动轨迹铺展在基底表面，可以在任意基底材料上实现，比如纸张、聚合物、玻璃；与现有方法相比，该方法无需将液态金属分散到有机溶剂中或者聚合物溶液中、也无需烧结，简单高效，且应用范围广。

Description

一种利用磁场图案化液态金属的方法
技术领域
本发明涉及一种液态金属图案化的方法，特别涉及一种利用磁场图案化液态金属的方法，属于柔性电子技术领域。
背景技术
柔性电子是将柔性导电材料及电子器件制作在柔性基底的新兴电子技术，以其独特的柔性、延展性在信息、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、薄膜太阳能电池板、可穿戴电子等。而传统的导电材料如金、银、铜具有较高的机械强度，不适于柔性电子器件的制作。
液态金属是指熔点在室温附近的金属及其合金材料，如金属镓(熔点为29.8摄氏度)以及镓与铟或者锡的合金。液态金属具有较高的流动性、柔性以及优异的导电性，是制作柔性电子线路的理想材料。但是由于液态金属具有较高的表面张力，因此不能像导电聚合物溶液那样直接印刷在基底上，形成图案化的导电线路。现有的液态金属图案化技术先将液态金属通过超声或者机械搅拌分散到有机溶剂中，然后将其印刷到基底表面，最后通过机械烧结恢复导电性，这种图案化液态金属的方法较为繁琐。因此急需一种简单高效的技术手段来实现液态金属的图案化。
发明内容
发明目的：针对现有技术中液态金属图案化方法复杂繁琐的问题，本发明提供一种利用磁场图案化液态金属的方法。
技术方案：本发明所述的一种利用磁场图案化液态金属的方法，包括下述步骤：
(1)将磁性颗粒均匀分散到液态金属中；
(2)取步骤(1)所得混合液于基底上，在基底下方施加磁场，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集到液滴的底部；
(3)磁场和基底作相对运动、带动磁性颗粒聚集体在基底上移动，在磁性颗粒拖拽力作用下，液态金属沿着磁颗粒运动轨迹铺展在基底上，形成图案化液态金属线路。
上述步骤(1)中，可通过机械搅拌或者震荡将磁性颗粒均匀分散到液态金属中。
其中，液态金属为熔点在50℃以下的金属或其合金。具体的，液态金属可为汞、汞合金、镓或镓合金。
磁性颗粒的材料为铁、钴、镍元素或其合金、或铁氧体等任意具有磁性的颗粒。磁性颗粒的粒径优选小于100μm，磁颗粒的粒径越小，在相同浓度下，与液态金属的接触面积越大，产生的拖拽力越大，有利于图案化；粒径过大时，产生的拖拽力较小，会影响液态金属的图案化。
较优的，磁性颗粒与液态金属的混合液中，磁性颗粒的浓度为0.01g/mL～1g/mL。步骤(2)和步骤(3)中施加的磁场可为电磁场或永磁磁场，磁场形式为恒定磁场或者交变磁场。通过改变磁性颗粒的浓度或磁场参数，可改变磁性颗粒聚集体的形状，进而改变液态金属线路的线宽；磁场的参数可包括磁场强度、磁场频率、强度梯度以及磁体的形状。
有益效果：与现有的液态金属图案化方法相比，本发明的优点在于：(1)本发明基于液态金属中磁性颗粒聚集体产生的拖拽力使液态金属按照相应的运动轨迹铺展在基底表面，可以在任意基底材料上实现，比如纸张、聚合物、玻璃；该方法无需将液态金属分散到有机溶剂中或者聚合物溶液中、也无需烧结，简单高效，且应用范围广；(2)本发明的方法基于磁场操控的非接触性质，可以在复杂形状的基底表面上进行图案化；(3)本发明的方法可以通过改变磁性颗粒的浓度或磁场参数改变液态金属线路的线宽，将其用与制备导电线路，具有线宽可调的特点。
附图说明
图1为本发明的利用磁场图案化液态金属的方法流程图；
图2为在柔性纸张上图案化的液态金属线路；
图3为在柔性PET薄膜上图案化的液态金属线路；
图4为在玻璃管内壁上图案化的液态金属线路；
图5为柔性聚乙烯管内壁曲面上图案化的液态金属线路；
图6为图案化的液态金属线宽与磁性颗粒浓度的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种利用磁场图案化液态金属的方法包括下述步骤：
(1)将磁性颗粒2均匀分散到液态金属1中；
具体的，可通过机械搅拌或者震荡将磁性颗粒2均匀分散到液态金属1中。
液态金属1为熔点在50℃以下的金属或其合金，如汞、汞合金、镓或镓合金。
磁性颗粒2的材料可为铁、钴、镍元素或其合金、或铁氧体等任意具有磁性的颗粒。磁性颗粒的粒径一般小于100μm。
将磁性颗粒2分散于液态金属1中得到两者的混合液，其中，磁性颗粒在混合液中的浓度为0.01g/mL～1g/mL。通过改变磁性颗粒的浓度，可改变液态金属线路的线宽。
(2)取步骤(1)所得混合液于基底3上，在基底3下方施加磁场，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集到液滴的底部；
磁场可为电磁场或永磁磁场，磁场形式为恒定磁场或者交变磁场，如可采用磁铁4在基底2下方施加磁场；通过改变磁场参数亦可改变液态金属线路的线宽，磁场的参数包括磁场强度、磁场频率、强度梯度以及磁体的形状。
(3)磁场和基底作相对运动、带动磁性颗粒聚集体在基底上移动，在磁性颗粒拖拽力作用下，液态金属沿着磁颗粒运动轨迹铺展在基底上，形成图案化液态金属线路。
实施例1
利用磁场在柔性纸张上图案化液态金属，步骤如下：
(1)取0.5mL液态金属镓铟锡合金(熔点13.2摄氏度，镓、铟、锡质量分数分别为68％、22％、10％)放入研钵中，加入0.1g镍粉(纯度99.99％，粒径为200nm)，搅拌10分钟形成液态金属和镍粉的混合液；
(2)取三滴20微升上述液态金属混合液于纸上，在纸张下方靠近液态金属处放置一块长20mm直径5mm的圆柱形铷铁硼永磁体，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集在液态金属液滴的底部。
(3)缓慢移动永磁体，在纸张上形成字母形状的液态金属线路，最后将多余的液态金属用注射器吸走。最终形成的图案化的液态金属如图2。
实施例2
利用磁场在柔性PET薄膜上图案化液态金属，步骤如下：
(1)取0.5mL液态金属镓锡合金(熔点：21摄氏度，镓、锡质量分数分别为91.7％、8.3％)放入研钵中，加入0.1g铁粉(纯度99.99％，粒径为5微米)，搅拌10分钟形成液态金属和铁粉的混合液。
(2)取20微升上述液态金属混合液置于PET膜上，在PET膜下方靠近液态金属处放置一块长30mm直径3mm的圆柱形铷铁硼永磁体，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集在液态金属液滴的底部。
(3)缓慢移动永磁体，在PET膜上形成图案化的液态金属线路，最后将多余的液态金属用注射器吸走。最终形成的图案化的液态金属如图3。
实施例3
利用磁场在玻璃管内壁曲面上图案化液态金属，步骤如下：
(1)取0.5mL液态金属镓铟锡合金(熔点13.2摄氏度，镓、铟、锡质量分数分别为68％、22％、10％)放入研钵中，加入0.1g镍粉(纯度99.99％，粒径25微米)，搅拌10分钟形成液态金属和镍粉的混合液。
(2)取40微升上述液态金属混合液置于玻璃管内，玻璃管内径6.5m外径8.3mm，并保持玻璃管水平放置，在管壁外侧靠近液态金属处放置一块长20mm直径5mm的圆柱形铷铁硼永磁体，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集在液态金属液滴的底部。
(3)通过旋转平移玻璃管，在管内壁上形成环形的液态金属线路，最后将多余的液态金属用注射器吸走。最终形成的图案化的液态金属如图4。
实施例4
利用磁场在柔性聚乙烯管内壁曲面上图案化液态金属，步骤如下：
(1)取0.5mL液态金属镓铟合金(熔点15.7摄氏度，镓、铟质量分数分别为75％、25％)放入研钵中，加入0.5g纳米镍粉(纯度99.99％，粒径1nm)，搅拌10分钟形成液态金属和镍粉的混合液。
(2)取5微升上述液态金属混合液置于聚乙烯管一侧，该管长10.5cm，内径0.86mm外径1.32mm，并保持玻璃管水平放置，在管壁外侧靠近液态金属处放置一块长20mm直径3mm的圆柱形铷铁硼永磁体，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集在液态金属液滴的底部。
(3)通过旋转平移聚乙烯管，在管内壁上形成螺旋形的液态金属线路，最后将多余的液态金属用注射器吸走。最终形成的图案化的液态金属如图5。该实施例说明利用磁场可以在较小的物理空间内图案化液态金属。
实施例5
利用磁场在柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上图案化液态金属，步骤如下：
(1)取0.5mL液态金属镓铟合金(熔点15.7摄氏度，镓、铟质量分数分别为75％、25％)放入研钵中，加入0.005g镍粉(纯度99.99％，粒径100微米)，搅拌10分钟形成液态金属和镍粉的混合液。
(2)取100微升上述液态金属混合液置于PDMS薄膜上(厚度500微米)，在PDMS底部靠近液态金属处放置一块直径3mm，长20mm电磁铁(工作电压24V)，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集在液态金属液滴的底部。
(3)缓慢移动电磁铁，在PDMS上形成图案化的液态金属线路，最后将多余的液态金属用注射器吸走。
实施例6
利用磁场在柔性PET薄膜上制备宽度可控的液态金属线路，步骤如下：
(1)制备镍粉浓度为分别为0.1、0.2、0.3、0.4g/mL的液态金属混合液。具体方法如下：在四个研钵中分别加入0.5mL液态金属镓铟锡合金(熔点13.2摄氏度，镓、铟、锡质量分数分别为68％、22％、10％)，然后将0.05g、0.1g、0.15g、0.2g镍粉(纯度99.99％，粒径25微米)分别加入到上述研钵中，搅拌10分钟形成液态金属和镍粉的混合液。
(2)依次取20微升上述含镍量不同的液态金属混合液于柔性PET膜上(厚度为100微米)，将圆柱形铷铁硼永磁体(长20mm直径5mm)放置于PET膜下方靠近液态金属处，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集到液滴的底部。
(3)缓慢移动永磁体，在PET膜上画出长30mm的液态金属线路，并测量线宽，线宽与磁颗粒浓度关系如图6，可以看到，改变磁性颗粒的浓度可以控制图案化液态金属的线宽。

Claims (8)

1.一种利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将磁性颗粒均匀分散到液态金属中；
(2)取步骤(1)所得混合液于基底上，在基底下方施加磁场，使分散于液态金属中的磁性颗粒聚集到液滴的底部；
(3)磁场和基底作相对运动、带动磁性颗粒聚集体在基底上移动，液态金属沿着磁颗粒运动轨迹铺展在基底上，形成图案化液态金属线路。
2.根据权利要求1所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，步骤(1)中，通过机械搅拌或者震荡将磁性颗粒均匀分散到液态金属中。
3.根据权利要求1或2所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述液态金属为熔点在50℃以下的金属或其合金。
4.根据权利要求3所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述液态金属为汞、汞合金、镓、或镓合金。
5.根据权利要求1所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述磁性颗粒材料为铁、钴、镍元素或其合金、或铁氧体。
6.根据权利要求1或5所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述磁性颗粒的粒径小于100μm。
7.根据权利要求1所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述磁性颗粒与液态金属的混合液中，磁性颗粒的浓度为0.01g/mL～1g/mL。
8.根据权利要求1所述的利用磁场图案化液态金属的方法，其特征在于，所述磁场为电磁场或永磁磁场，磁场形式为恒定磁场或者交变磁场。
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