CN111462942B - 基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法 - Google Patents

基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法。所述的制作方法包括：对柔性衬底进行加工处理以在所述柔性的衬底的表面形成裂纹结构，所述裂纹结构包括复数条取向一致的裂纹；至少在所述柔性衬底的裂纹结构上形成导电层。本发明的制作方法利用各种柔性衬底在不同处理方式下产生取向较为均匀裂纹的特点，经过表面修之后复合上导电材料，进而制备出具有可折叠特性的可拉伸电极，该电极还具有拉伸范围宽、电导能力高、稳定性优异等优点。

Description

基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种可拉伸电极，特别涉及一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法，属于微纳电子器件技术领域。
背景技术
可拉伸电子器件是将电子元件与生物学相结合的一个日益重要的领域，由于人类社会对可穿戴器件和生物可植入设备的需求不断增长。例如，检测电生理学信号，建立人机器连接，或者提供方便的治疗等。而可拉伸电极作为连接所有电子元件以形成可拉伸电子产品的必要基础，因此具有宽拉伸范围，高电导能力以及稳定性好的可拉伸电极的制备受到广泛关注。
可拉伸电极主要通过两种方式制备。其中一种方法是在柔性衬底上构筑可拉伸结构再复合刚性或者具备一定柔性的导电材料。这些可拉伸结构包括：“波浪形”几何形状，蛇形互连结构，或者渗流网络结构。另一个侧重于新型可拉伸导电纳米材料的制备，包括碳纳米管，石墨烯，导电聚合物及他们的复合材料和新材料。
现有的可拉伸电极多采用在柔性衬底上复合上导电材料，通常需要使用例如光刻等较为复杂的工艺过程，并且制备出来的电极的拉伸范围较小，稳定性较差或者电导率低。除此之外，某些可拉伸电极为了增大拉伸范围而牺牲电导能力，或者为了提高导电材料与衬底的黏附性而牺牲了拉伸范围。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极及其制作方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的制作方法，其包括：
对柔性衬底进行加工，以在所述柔性衬底的表面形成裂纹结构，所述裂纹结构包括复数条取向一致的裂纹；
至少在所述裂纹结构上形成导电层。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：采用物理处理和/或化学处理方式对柔性衬底进行加工，以形成所述的裂纹结构。
优选的，所述的裂纹为微米尺寸的裂纹。
优选的，所述裂纹的宽度为1-10μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述的化学处理方式包括化学腐蚀方式。
优选的，所述的化学腐蚀方式包括酸处理。
在一些较为具体的实施方案中，所述的物理处理方式包括氧等离子体处理。
优选的，所述氧等离子体处理的时间为1-50min，功率10-500W，压强为1-500Pa。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：对所述裂纹结构进行表面修饰改性处理。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：在真空条件下采用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷对所述裂纹结构进行表面修饰改性处理。
优选的，所述表面修饰改性处理时间5-300min。
优选的，所述(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的用量为1-50μL/m2。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：使所述柔性衬底处于拉伸状态，并在所述裂纹结构上形成所述导电层。
在一些较为具体的实施方案中，至少采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸镀法和液相法中的任意一种方式在所述裂纹结构的表面形成所述导电层。
优选的，所述导电层的材质包括导电金属或导电非金属。
优选的，所述导电金属包括金、银、铜中的任意一种，但不限于此。
优选的，导电金属可以是纳米尺度的金属线，例如银纳米线等。
优选的，所述导电非金属包括碳纳米管、石墨烯或导电聚合物。
优选的，所述的导电聚合物包括聚3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)、聚吡咯(PPy)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述柔性衬底的材质包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯一乙烯一丁烯一苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯一乙烯一丙烯一苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
本发明实施例还提供了由所述的制作方法制作形成的基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极。
在一些较为具体的实施方案中，所述基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的拉伸范围为0％-300％，电导率为0.1-107S/m。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
(1)本发明提供的基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的制作方法工艺简单、可控性好，通过利用各种柔性衬底在不同处理方式下产生取向较为均匀裂纹的特点，经过表面修饰之后复合导电材料并形成微米尺度的导电膜，即可制备出进而制备出折叠式可拉伸电极；
(2)本发明提供的折叠式可拉伸电极具有宽拉伸范围，高电导能力以及稳定性优异等优点。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中一种折叠式可拉伸电极的结构示意图；
图2是本发明实施例1制备形成的一种典型折叠式可拉伸电极样品在不同拉伸倍率(0％～180％)下的I-V曲线图；
图3是本发明实施例1制备形成的一种典型折叠式可拉伸电极样品在100％拉伸范围内10K次的循环稳定性测试图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明的如下实施例中所提供的折叠式可拉伸电极的一种典型结构可以参阅图1，其可以包括柔性衬底1以及形成在柔性衬底上的导电层2，柔性衬底的至少一侧表面上形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构11，导电层2至少覆盖在所述的裂纹结构11上；其中柔性衬底1可以经由PI胶带4固定在硅片3上。
实施例1
一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的制作方法，可以包括如下步骤：
选用聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)作为柔性衬底；
1)采用氧等离子体处理的方式对聚二甲基硅氧烷膜进行处理，以在聚二甲基硅氧烷膜的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；其中，氧等离子处理的时间为1-50min，功率10-500W，压强为1-500Pa；
2)接着采用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)在20-200℃、持续抽真空状态(0.01MPa以下)下对形成有裂纹结构的聚二甲基硅氧烷膜进行5-300min的表面修饰改性处理；(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的用量为1-50μL/m2；
3)最后在一定预拉伸状态下通过蒸镀法或者是液相反应等方式在聚二甲基硅氧烷膜上制作金膜作为导电层，其中金膜至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示。
4)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(0％～180％的拉伸倍率)下测试其导电性能，以及在100％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果分别如图2和图3所示。
实施例2
选用聚酰亚胺膜(PI)作为柔性衬底；
1)采用紫外处理的方式对聚酰亚胺膜进行处理，以在聚酰亚胺膜的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；其中紫外处理采用的波长为10-380nm，紫外处理的强度为10mW/cm2；
2)采用氧等离子体处理的方式(时间为1-50min，功率为10-500W，压强为1-500Pa)对形成有裂纹结构的聚酰亚胺膜进行表面亲水性处理；
3)在一定预拉伸状态下通过旋涂(在500-6000r/s旋涂速度下旋涂10-60s)方式在聚酰亚胺膜上制作聚3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)膜作为导电层，导电层至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示；其中聚3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐的用量为1-105μl/cm2；
4)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(倍率)下测试其导电性能，以及在100％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。
实施例3
选用聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(PET)作为柔性衬底；
1)将其转移至平铺的棉花上，并采用紫外处理的方式对聚对苯二甲酸乙二醇酯膜进行处理，以在聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；其中紫外处理采用的紫外光波长为185-254nm、紫外处理的强度为10mW/cm2；
2)无需对聚对苯二甲酸乙二醇酯膜表面做进一步处理，在一定预拉伸状态下通过蒸镀法或者是电子束蒸发等方式在聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上制作银作为导电层，导电层至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示；
3)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(倍率)下测试其导电性能，以及在100％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。
实施例4
选用脂肪族芳香族无规共聚酯膜作为柔性衬底；
1)采用化学腐蚀的方式对脂肪族芳香族无规共聚酯膜进行处理，以在脂肪族芳香族无规共聚酯膜的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；其中本实施例中的化学腐蚀采用在0.1-10mol/1硝酸中浸泡5-240min的方式；
2)采用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷在20-200℃、持续抽真空状态(0.01MPa以下)下对形成有裂纹结构的脂肪族芳香族无规共聚酯膜进行5-300min的表面修饰改性处理；(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的用量为1-50μL/m2；
3)在一定预拉伸状态下通过液相反应等方式在脂肪族芳香族无规共聚酯膜上制作银纳米线作为导电层，导电层至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示；
4)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(倍率)下测试其导电性能，以及在200％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。
实施例5
选用聚苯乙烯作为柔性衬底；
1)采用化学腐蚀的方式对聚苯乙烯进行处理，以在聚苯乙烯的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；其中本实施例中采用的化学腐蚀处理包括在0.1-10mol/1盐酸中氧化1-60min；
2)使用N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯，在30-100℃、持续抽真空状态(0.01MPa以下)下对形成有裂纹结构的聚苯乙烯进行5-300min的表面修饰改性处理；
3)在一定预拉伸状态下通过蒸镀法或者是液相反应等方式在聚苯乙烯上制作聚吡咯(PPy)膜作为导电层，导电层至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示；
4)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(倍率)下测试其导电性能，以及在300％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。
实施例6
选用苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物膜作为柔性衬底；
1)采用化学腐蚀的方式对苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物进行处理，以在苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物膜的单面或者双面表面形成由复数条取向较为一致的裂纹组成的裂纹结构；本实施例中采用的化学腐蚀处理包括在0.1-5mol/1硝酸中浸泡5-300min；
2)在一定预拉伸状态下通过电子束蒸发等方式在苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物上制作铜膜作为导电层，导电层至少覆盖所述裂纹结构，进而形成在拉伸或者收缩过程中导电膜(或称导电层)能够进行折叠或者伸张的可拉伸电极，其结构可以参阅图1所示；
3)对制作形成的折叠式可拉伸电极进行测试，包括：并在不同拉伸长度(倍率)下测试其导电性能，以及在300％拉伸范围内对其10K次循环稳定性进行测试，所获测试结果与实施例1中的结果基本一致。
本发明还采用诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯一乙烯一丁烯一苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯一乙烯一丙烯一苯乙烯型嵌段共聚物(SEPS)中的任意一种或两种以上的组合作为柔性衬底，并针对不同的衬底采用诸如物理处理方式和化学处理的方式在柔性衬底上制作形成由复数条取向一致的裂纹组成的裂纹结构，并对裂纹结构进行表面修饰改性处理或不处理，之后再柔性衬底上制作形成导电层，并使导电层至少覆盖裂纹结构，进而形成如图1中结构所示的可折叠式可拉伸电极，并对获得的可折叠式可拉伸电极进行性能测试，其测试结果与实施例1中的结果基本一致。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的制作方法，其特征在于包括：
采用物理处理和/或化学处理方式对柔性衬底进行加工，以在所述柔性衬底的表面形成裂纹结构，所述裂纹结构包括复数条取向一致的裂纹，其中，所述的化学处理方式包括化学腐蚀方式，所述的物理处理方式包括紫外处理和氧等离子体处理中的任意一种；
在真空条件下采用 (3-巯基丙基)三甲氧基硅烷，在20-100℃下对所述裂纹结构进行表面修饰改性处理，所述 (3-巯基丙基)三甲氧基硅烷的用量为1-50μL/m2；
使所述柔性衬底处于拉伸状态，并至少在所述裂纹结构上形成导电层。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述的裂纹为微米级尺寸的裂纹。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述裂纹的宽度为1-10μm。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述化学腐蚀方式包括酸处理。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述氧等离子体处理的时间为1-30min，功率10-500W，压强为1-500Pa。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述表面修饰改性处理的时间为5-300min。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：至少采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸镀法和液相法中的任意一种方式在所述裂纹结构的表面形成所述导电层。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述导电层的材质包括导电金属或导电非金属。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述导电金属包括金、银、铜中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述导电非金属包括碳纳米管、石墨烯或导电聚合物。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于：所述的导电聚合物包括聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚吡咯(PPy)中的任意一种或两种的组合。
12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述柔性衬底的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、脂肪族芳香族无规共聚酯、聚氨基甲酸酯、聚苯乙烯、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯一乙烯一丁烯一苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯一乙烯一丙烯一苯乙烯型嵌段共聚物中的任意一种或两种以上的组合。
13.由权利要求1-12中任一项所述的制作方法制作形成的基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极。
14.根据权利要求13所述的基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极，其特征在于：所述基于裂纹式柔性衬底的折叠式可拉伸电极的拉伸范围为0%-300%，电导率为0.1-107Sm-1。
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