CN109587966B - 液态金属电路的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种液态金属电路的制备方法，包括：在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，其中，基底材料上包括液态金属电路区域和非液态金属电路区域；在基底材料上喷涂或印刷液态金属材料，以在基底材料上的液态金属电路区域形成液态金属电路。本发明实施例实现了通过喷涂的方式直接在基底表面形成电路，且无需对液态金属进行改性处理，方便快捷；同时能够适应多种材料基底以及复杂的基底形状。相比于传统的掩模喷印，粘接胶转印以及液态金属改性等方式，拓展了液态金属电路的制作方法，且形成的电路具有更好的稳定性，能够避免液态金属的沾染，为液体金属电路的进一步发展起到了显著的推动作用。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电路技术领域，更具体地，涉及一种液态金属电路的制备方法。
背景技术
液态金属材料是熔点在室温范围内的无毒金属单质或合金，通常以镓元素及镓基合金组成，也包括铋基金属如铋铟锡或铋铟锡锌等。液态金属具有良好的流动性，高表面张力，高导电性，以及高导热性等。近年来的研究发现液态金属材料还可以在电场作用下产生形变等，同时还可以催化制氢反应，故而液态金属相关的工业发展也得以快速建立起来。
在各种液态金属相关的应用中，液态金属电路是液态金属工业发展中非常重要的一环，目前已经有多种液态金属电路的制作方法被提出，包括改善通过添加固体金属微粒从而增加液态金属的附着性，或者使用掩模、转印胶等。但目前已有的液态金属电路制备方法通常只能针对特定的基底材料，或者具有较高的制作成本，故而无法实现工业中的规模化生产，新的液态金属电路生产工艺亟待研发。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的液态金属电路的制备方法。
本发明实施例提供一种液态金属电路的制备方法，该方法包括：在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，其中，基底材料上包括液态金属电路区域和非液态金属电路区域；在基底材料上喷涂或印刷液态金属材料，以在基底材料上的液态金属电路区域形成液态金属电路。
本发明实施例提供的液态金属电路的制备方法，通过在非液态金属电路区域上制备超疏水层，实现了通过喷涂的方式直接在基底表面形成电路，且无需对液态金属进行改性处理，方便快捷；同时能够适应多种材料基底以及复杂的基底形状。相比于传统的掩模喷印，粘接胶转印以及液态金属改性等方式，拓展了液态金属电路的制作方法，且形成的电路具有更好的稳定性，能够避免液态金属的沾染，为液体金属电路的进一步发展起到了显著的推动作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的液态金属电路的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的用胶水涂写出所需电路形状的示意图；
图3为本发明实施例提供的将可去除的柔性掩模贴附在基底材料表面的第一示意图；
图4为本发明实施例提供的将可去除的柔性掩模贴附在基底材料表面的第二示意图；
图5为本发明实施例提供的向胶水涂写过的基底材料表面喷涂超疏水材料的示意图；
图6为本发明实施例提供的向贴附了可去除柔性掩膜的基底材料表面喷涂超疏水材料，并将可去除柔性掩膜去除的示意图；
图7为本发明实施例提供的经过附图6处理后的基底材料的表面喷涂液态金属材料的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
超疏水材料是一种能够通过浸泡，喷印或涂刷等使得基底材料表面具有超疏水特性的材料。超疏水特性能够抵抗水、油等材料的浸润，当水滴落在超疏水表面的时候，不会浸润或粘附，而是形成球形水滴，在外力如倾斜表面或风力等的作用下可以自由滚动或滑落。超疏水特性的基本原理类似于荷叶表面，其在微观上会形成凹凸不平的结构，凸起的尺度通常在几十至几百纳米之间，这种结构能够减少液体与基底材料的接触面积，从而避免浸润。利用这种特性，还能够使得水滴在滚动过程中带走基底材料表面的灰尘等，超疏水材料已经广泛应用于汽车、服装、建筑等领域。超疏水材料的生产需要考虑到表面微结构以及化学表面能两方面，常见的超疏水涂层包括氟硅烷，二氧化硅微颗粒，二氧化钛微颗粒或者氧化铝的微加工表面等。也可以通过材料表面的MEMS微加工技术形成微结构，从而产生疏水效果。
在研究中发现，超疏水材料不仅可以排斥水的附着，同样也可以排斥液态金属材料的附着，包括通过喷涂的方式形成的液态金属微液滴。而对于没有经过超疏水材料处理过的基底表面，液态金属可以通过喷涂的方式很容易地附着在基底表面。同时在超疏水材料的喷涂过程中，如果基底表面有底表面能物质如胶水等，则超疏水材料不会浸润，从而无法形成超疏水保护。利用超疏水材料能够排斥液态金属附着以及液态金属喷雾能够附着在绝大多数固体材料表面的性质。
基于此，本发明实施例提供一种液态金属电路的制备方法，该方法可以通过喷涂的方式直接在基底表面形成电路，且无需对液态金属进行改性处理，方便快捷，同时能够适应多种材料基底以及复杂的基底形状。参见图1，该方法包括：
101、在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，其中，基底材料上包括液态金属电路区域和非液态金属电路区域。
其中，基底材料上可被分为两个区域：液态金属电路区域和非液态金属电路区域。液态金属电路区域即为需要形成液态金属电路的区域或位置，而非液态金属电路区域即为不需要形成液态金属电路的区域或位置。制备超疏水层具体可以通过喷涂或印刷超疏水材料，待超疏水材料蒸发固化后，形成固体的超疏水层。
102、在基底材料上喷涂或印刷液态金属材料，以在基底材料上的液态金属电路区域形成液态金属电路。
具体地，在步骤101中制备获得超疏水层后，由于超疏水材料在喷涂到物体表面之后，会自组装形成表面微纳结构，类似于荷叶表面，能够使得水或者液态金属不与之浸润。因此，通过在基底材料的非液态金属电路区域上制备超疏水层能够防止液态金属材料粘附在非液态金属电路区域。因此，可直接在已经形成了超疏水层的基底材料上喷涂或印刷液态金属材料，由于液态金属材料并不会附着于超疏水层，因此，液态金属材料会在没有超疏水层的区域形成液态金属电路或图案，且由于超疏水层位于非液态金属电路区域，因此液态金属材料会在液态金属电路区域形成液态金属电路。
以下以一个实例对上述实施例进行说明：所用的基底材料为PET透明塑料片，所用的超疏水涂层为氟硅烷。使用压电喷头打印机，在PET透明塑料片上打印氟硅烷，其中没有打印氟硅烷的位置就是所需要的电路的形状，在打印完成后，向PET透明塑料片喷涂镓铟液态金属，在有氟硅烷超疏水层保护的位置，液态金属无法附着，液态金属会在没有氟硅烷覆盖的位置附着，并形成所需电路。
本发明实施例提供的液态金属电路的制备方法，通过在非液态金属电路区域上制备超疏水层，实现了通过喷涂的方式直接在基底表面形成电路，且无需对液态金属进行改性处理，方便快捷；同时能够适应多种材料基底以及复杂的基底形状。相比于传统的掩模喷印，粘接胶转印以及液态金属改性等方式，拓展了液态金属电路的制作方法，且形成的电路具有更好的稳定性，能够避免液态金属的沾染，为液体金属电路的进一步发展起到了显著的推动作用。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层的方法，包括但不限于：
步骤1、在液态金属电路区域上制备图层，图层对液态金属具有粘着性，且超疏水材料无法附着于图层上。
具体地，选择需要制作液态金属电路的基底材料，在基底材料上喷涂或印刷对液态金属有着良好粘着性的涂层，涂层所在位置是需要形成液态金属电路的区域。
步骤2、在基底材料上喷涂或印刷所述超疏水材料，以在非液态金属电路区域上形成超疏水层。
具体地，由于图层的表面能低，超疏水材料并不会附着到图层上。因此，在包含有图层的基底材料上喷涂或印刷超疏水材料，超疏水材料并不会附着于液态金属电路区域，而只会在非液态金属电路区域上形成超疏水层。超疏水材料可以通过手工喷涂的方式结合在基底材料上，也可以通过压电打印机通过电脑控制打印相应图形在基底材料上。
以下以一个实例对上述实施例进行说明：参见图2，在本实施例中，所用的基底材料1为陶瓷，所用的超疏水涂层为氟硅烷，使用的粘着性材料为PMA胶水。首先将PMA胶水2填充在笔中，手工或者使用机械臂，用填充了PMA胶水2的笔在基底材料1表面进行涂写，绘制出所需的液态金属电路的形状，然后用氟硅烷超疏水材料向陶瓷表面进行喷涂，在陶瓷表面，氟硅烷会形成均匀的一层超疏水薄膜。而在经过PMA胶水涂绘的位置，超疏水材料无法浸润，不能形成超疏水薄膜。在超疏水薄膜固化成形后，用喷枪将镓铟液态金属材料喷向陶瓷表面，液态金属会在有PMA胶水的地方附着，进而形成所需的电路形状，而在其他位置，由于超疏水涂层的存在，液态金属无法附着。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层的方法，包括但不限于：
步骤1、在液态金属电路区域上贴附掩模。
具体地，使用可去除的柔性掩模贴附在基底材料上，其中掩模所在位置是需要形成液态金属电路的区域。
步骤2、在基底材料上喷涂或印刷超疏水材料。
步骤3、在超疏水材料固化后去除掩模，以在非液态金属电路区域上形成超疏水层。
具体地，由于在喷涂或印刷超疏水材料时挡住了液态金属电路区域，因此，形成的超疏水层位于非液态金属电路区域。
以下以一个实例对上述实施例进行说明：参见图3至图7，在本实施例中，所用的基底材料1为玻璃，所用的超疏水材料4为氟硅烷，通过柔性掩模3来实现液态金属电路的制备，所用柔性掩模3为高分子可剥离材料。首先根据所需要的电路的形状，将柔性掩模3贴在玻璃基底表面，形成电路的形状，然后向基底喷涂氟硅烷超疏水涂层，等待20分钟使得氟硅烷涂层自然干燥并固化，然后用镊子剥除柔性掩模，暴露出没有经过氟硅烷超疏水涂层处理过的玻璃表面。进一步，用镓铟合金(镓75.5％，铟24.5％)液态金属5，使用气动喷雾笔，将液态金属5喷向玻璃基底表面，在没有超疏水涂层保护的地方，液态金属会附着在玻璃表面，有超疏水涂层保护的地方，液态金属无法附着，在气流的作用下被冲走，最终形成所需的电路图案的形状。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，提供一种在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层的方法，包括但不限于：通过微加工的方式在非液态金属电路区域上制备超疏水层。具体地，超疏水层可以通过MEMS微纳加工的方式，在固体表面形成起伏不平的微纳结构，从而产生超疏水效果通过利用微加工的方式还可以形成基于液态金属的集成电路结构，有望在未来的液态金属电子工业中得到广泛应用。
以下以一个实例对上述实施例进行说明：在本实施例中，所用的基底材料为纯硅片，所用的超疏水涂层为通过微加工实现的具有凹凸微结构的超疏水表面。首先根据所需微电路的形状，在纯硅片上使用MEMS工艺，选择性加工出凹凸不平的微结构，微结构的尺度在微米级，需要形成电路的地方不进行加工，保持硅片表面的光滑，其他不需要形成液态金属电路的地方都进行微加工。然后通过微溅射的方式，将镓铟锡三元液态金属合金喷向经过处理的硅片表面，在没有微结构的地方，液态金属附着并沉积，形成所需要的电路结构，在有微结构的地方，液态金属被疏水微结构排斥，无法附着，最终形成硅片上的液态金属电路。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在基底材料上的液态金属电路区域形成液态金属电路之后，还包括：在液态金属电路上放置元器件以形成功能电路。具体地，如果是需要形成功能电路就可以放置元器件，如果只是需要形成特定形状的涂层就不需要放置元器件。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，液态金属材料由低熔点镓基或铋基金属构成，熔点范围在-30℃到250℃之间；液态金属材料包括镓金属、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金和铋铟锡锌合金中的至少一种。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基底材料为塑料、玻璃、石头、木材、纸张、布料、碳纤维或PDMS。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基底材料为平面的基底或具有三维结构的基底。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，掩模是通过金属板激光切割、化学沉积、化学喷涂、激光照射或机加工打磨方式制作形成。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，去除掩模，包括：通过剥离、化学腐蚀或光学照射的方式去除掩模。
另外，应当说明的是，本发明实施例提供的方法除了适用于传统的液态金属柔性电路制作之外，还可以用于建筑领域以及光伏玻璃等领域中液态金属装饰及电路的生产，以及基于液态金属的芯片和集成电路工艺。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种液态金属电路的制备方法，其特征在于，包括：
在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，其中，所述基底材料上包括液态金属电路区域和所述非液态金属电路区域；
在所述基底材料上喷涂或印刷液态金属材料，以在所述基底材料上的所述液态金属电路区域形成液态金属电路；
其中，所述在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，包括：
在所述液态金属电路区域上制备涂层，所述涂层对液态金属具有粘着性，且超疏水材料无法附着于所述涂层上；
在所述基底材料上喷涂或印刷所述超疏水材料，以在所述非液态金属电路区域上形成所述超疏水层；
其中，所述涂层的材料为PMA胶水；
其中，所述超疏水材料为氟硅烷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基底材料上的非液态金属电路区域上制备超疏水层，包括：
通过微加工的方式在所述非液态金属电路区域上制备所述超疏水层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述基底材料上的液态金属电路区域形成液态金属电路之后，还包括：
在所述液态金属电路上放置元器件以形成功能电路。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态金属材料由低熔点镓基或铋基金属构成，熔点范围在-30℃到250℃之间；所述液态金属材料包括镓金属、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金和铋铟锡锌合金中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料为塑料、玻璃、石头、木材、纸张、布料、碳纤维或PDMS。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料为平面的基底或具有三维结构的基底。
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