CN204526424U - 基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置通过采取对射流主动控制方式，通过增设水平多方向的控制电场，使带电射流在交流电场、直流电场、重力场和机械动力的多场耦合复合作用下，实现控制射流在X-Y平面上任意一点的精确定位，从而制得所需的柔性可延展电路互联结构，而且本实用新型可连续喷印，可生成具备高延展性、高精度级的蜿蜒结构，尤其适用于柔性延展电路互联结构大面积的可靠制造。本实用新型能综合考虑静电喷印和静电纺丝的优缺点，通过采取技术手段，使原本难以精确定位沉积的静电纺丝技术在多耦合场的作用下具有可控性。本实用新型可广泛应用于电子制造领域中。

Description

基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置

技术领域

本实用新型涉及电子制造领域，尤其涉及一种基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置。

背景技术

柔性可延展电路由于其优异的抗弯和抗拉伸性能及其高效率、低成本制造等特点，具有广阔的应用前景，如电子皮肤、柔性可拉伸显示屏等。为了提高其延展和抗弯性能，柔性电路多采用蜿蜒的连接结构。

喷印技术（Ink-jet Printing）作为一种传统制造工艺，广泛应用于电子制造领域。传统的喷印技术主要分为连续式（Continuous）、和按需喷印式的（Drop-on-Demand）；但是由于这两种传统喷印工艺采用热压动力喷印或者压电动力喷印，喷印分辨率受到喷头直径影响极大，而实现更小喷头制造则需要极其复杂且昂贵的工艺，所以这两种喷印技术的喷印尺度在20μm-100μm，具有尺度限制，无法实现更高分辨率的喷印。

电液耦合喷印由于采用高压电场力作为喷印动力，喷印尺度不受喷头尺寸限制，可实现纳米级喷印，同时，电液耦合喷印可以喷印高分子材料、导电油墨等多种材料，近年来引起极大关注。

电液耦合喷印主要分为点喷式（又称静电喷印）和连续式（又称静电纺丝）。静电喷印可控性好，容易实现高精度图案化喷印，但是，由于喷印过程是不连续的，其喷印图案由离散化点构成，无法满足柔性电子印刷中对导线连续性的要求。静电纺丝可实现连续喷印，但是由于在喷印过程中射流会出现“鞭动”现象，难以实现精确的沉积定位和图案化。

为了实现电流体动力喷印电子器件，同时获得蜿蜒结构，现有技术已提出了一些解决方案，如采用预拉伸方法，先将柔性基底进行预拉伸，然后喷印连接结构，在预拉伸释放后，基板恢复自然状态，连接结构由于受到压力，屈曲成蜿蜒状，从而具有较好的抗拉伸性能。然而，该制造方法仍然存在诸多不足，如需要预拉伸工序，流程复杂，且其抗拉伸能力受预拉伸程度影响。

专利CN102162176A中提出了一种利用静电纺丝来制备微纳蜿蜒结构的方法，其通过将静电纺丝高分子溶液经由喷头进行喷射，并经过电场作用落在柔性基板上，利用射流的非线性不稳定鞭动，在空间形成螺旋状，根据射流速度，移动金属收集板，在基板上沉积形成波纹结构。然而进一步的研究表明，该方法仍然存在以下的缺陷或不足：带电射流在空中的运动是不稳定的，其轨迹呈现出强非线性性质，影响因素相当复杂，对环境和参数变量敏感，难以真正实现高精度的形貌控制，不能长期、稳定地获得特定蜿蜒结构。

传统静电纺丝装置，多采用恒定的直流电压，在喷头与收集版之间形成直流电场，喷射过程中，由于射流带同种电荷，导致产生相斥的库仑力，从而导致射流不稳定加剧，可控性降低；同时，由于带同种电荷，先沉积在基板上的纳米线（纳米丝）的电荷不能及时导走，其残余电荷将对射流产生排斥作用，影响沉积定位精度；再者，由于射流是在电场作用下产生定向运动，随着沉积厚度增加，基板导电率下降，喷头与基板之间的电场减弱，最终导致喷射停止。

综上所述，现有技术存在以下问题：

（1）传统喷印精度受到限制；

（2）静电喷印无法实现连续结构喷印，无法满足电子连接的要求；

（3） 静电纺丝可控性差，难以实现精确图案化喷印，且纺丝连续时间有限制；

（4）采用预拉伸后喷印，再进行释放复原，从而获得蜿蜒结构的工艺方法需要附加工序，过程复杂。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种能实现大面积蜿蜒结构，且能提高效率的一种基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置。

本实用新型所采用的技术方案是：

基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，包括控制器、信号发生器、电压放大器、打印喷头、原料供应装置、原料供应管、X-Y运动平台、打印基板和多个控制极板，所述控制器分别与信号发生器、原料供应装置和X-Y运动平台连接，所述信号发生器与电压放大器连接，所述电压放大器分别输出连接至打印喷头与多个控制极板，所述位于打印喷头下方的打印基板安装在X-Y运动平台上，所述设于打印基板周围的多个控制极板分别两两相对并垂直安装在X-Y运动平台上，所述原料供应装置通过原料供应管连接至打印喷头，所述打印基板与地连接。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述控制极板为导电极板，加载电压后可产生电场。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述打印基板采用导电材料或绝缘材料。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述信号发生器为函数信号发生器，与电压放大器结合后，可产生任意波形、幅值和频率的直流或交流电场。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置通过采用多对水平的控制极板产生水平多方向的控制电场，实现射流在X-Y平面上任意一点的精确定位，从而制得所需的柔性可延展电路互联结构。而且本实用新型采用函数信号发生器和电压放大器代替传统的高压直流电源，可以根据工艺需要，调整竖直方向上的电场类型和强度，从而克服射流带同种电荷的问题，控制喷印的稳定性和喷印产物的物理性能，同时提高沉积定位精度。本实用新型能综合考虑静电喷印和静电纺丝的优缺点，通过采取技术手段，使原本难以精确定位沉积的静电纺丝技术在多耦合场的作用下具有可控性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

图1是本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法的步骤流程图；

图2是本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法步骤B的步骤流程图；

图3是本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的结构示意图。

具体实施方式

参考图1，本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法，包括以下步骤：

A、向打印喷头4提供原料，使得原料充满打印喷头4；

B、控制打印喷头4向打印基板9喷射液滴并形成射流；

C、控制射流在水平电场作用下进行运动，使射流沉积在随水平X-Y运动平台8移动的打印基板9上，形成具有特定结构且具备微纳米直径的图案，由此制得所需的柔性可延展电路互联结构。

参考图2，作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法的进一步改进，所述步骤B包括：

B1、控制打印喷头4与打印基板9之间产生竖直方向电场；

B2、控制打印喷头4向位于打印喷头4下方且随水平X-Y运动平台8移动的打印基板9喷射液滴；

B3、所述液滴在竖直方向电场下发生定向移动形成泰勒锥，并突破表面张力后形成射流。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法的进一步改进，所述水平电场由多个控制极板6之间产生。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法的进一步改进，所述打印原料为液态物质，不局限于普通聚合物，可以是导电聚合物、导电墨水、导电银浆或其他液态材料，且不局限于是溶液，也可以是熔融态物质或其他液态物质。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷方法的进一步改进，所述打印基板9采用导电材料或绝缘材料。

参考图3，本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，包括控制器1、信号发生器2、电压放大器3、打印喷头4、原料供应装置5、原料供应管7、X-Y运动平台8、打印基板9和多个控制极板6，所述控制器1分别与信号发生器2、原料供应装置5和X-Y运动平台8连接，所述信号发生器2与电压放大器3连接，所述电压放大器3分别输出连接至打印喷头4与多个控制极板6，所述位于打印喷头4下方的打印基板9安装在X-Y运动平台8上，所述设于打印基板9周围的多个控制极板6分别两两相对并垂直安装在X-Y运动平台8上，所述原料供应装置5通过原料供应管7连接至打印喷头4，所述打印基板9与地连接。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述控制极板6为导电极板，加载电压后可产生电场，且可为多对，不局限于两个方向。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述打印基板9采用导电材料或绝缘材料。

作为所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置的进一步改进，所述信号发生器2为函数信号发生器，与电压放大器3结合后，可产生任意波形、幅值和频率的直流或交流电场。

本实用新型装置具体工作原理如下：

所述原料供应装置5通过原料供应导管7与打印喷头4相连，在控制器1作用下，向打印喷头4提供打印原料，打印喷头4与打印基板9之间有一定高度，控制器1与信号发生器2通过导线相连，信号发生器2与电压放大器3相连，电压放大器3有多路电压输出，分别与打印喷头4和多对控制极板6相连，控制器1控制信号发生器2产生特定电压信号，电压信号经过电压放大器3放大后，分别加载在打印喷头4和控制极板6上，控制打印喷头6和接地的打印基板9之间产生特定的电场，控制控制极板6产生特定的水平偏转电场，从而控制带电射流在空中的受力状态和运动轨迹，从而控制射流在打印基板9上的沉积位置，从而在打印基板9上产生特定图案。

本实用新型具体实施例1如下：

S11、配置重量百分比浓度为8％的聚氧化乙烯（PEO）溶液，在20℃下使用磁力搅拌器搅拌24小时，超声振动30分钟；

S12、将上述溶液注入原料供应装置5，原料供应装置5在控制器1作用下，向打印喷头4提供打印原料，打印基板9为导电基板，固定在X-Y运动平台8上，控制器1控制信号发生器2产生直流电压信号，经过电压放大器3放大成2KV直流高压，加载在打印喷头4形成竖直方向的直流高压电场，产生带电射流进行喷印，此时，若加载在X方向的控制极板6的偏转电压信号为0V，加载在Y方向的控制极板6的偏转电压信号为800V正弦交流电压，则射流在Y方向作受迫简谐运动，打印基板9固定在X-Y运动平台8上，以5mm/s的速度沿X方向运动，则在打印基板9上沉积出正弦状蜿蜒图案。

本实用新型具体实施例2如下：

S21、重量百分比浓度为7％的PEDOT:PSS导电溶液，在25℃下使用磁力搅拌器搅拌10小时，静止2小时；

S22、将上述溶液注入原料供应装置5，原料供应装置5在控制器1作用下，向打印喷头4提供打印原料，打印基板9为绝缘基板，固定在X-Y运动平台8上，控制器1控制信号发生器2产生偏置交流电压信号，经过电压放大器3放大成3KV偏置交流高压，加载在打印喷头4形成竖直方向的偏置交流高压电场，产生带电射流进行喷印，此时，若加载在Y方向的控制极板6的电压信号为0V，加载在X方向的控制极板6的电压信号为800V正弦交流电压，则射流在X方向作受迫简谐运动，打印基板9固定在X-Y运动平台8上，以5mm/s的速度沿Y方向运动，则在打印基板9上沉积出正弦状蜿蜒图案。

具体实施过程中，控制器1可更具需要实时控制各控制极板6的偏转电压和喷头电压，从而控制沉积位置。

从上述内容可知，本实用新型基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置通过采取对射流主动控制方式，通过增设水平多方向的控制电场，使带电射流在交流电场、直流电场、重力场和机械动力的多场耦合复合作用下，实现控制射流在X-Y平面上任意一点的精确定位，从而制得所需的柔性可延展电路互联结构，而且本实用新型可连续喷印，可生成具备高延展性、高精度级的蜿蜒结构，尤其适用于柔性延展电路互联结构大面积的可靠制造。本实用新型能综合考虑静电喷印和静电纺丝的优缺点，通过采取技术手段，使原本难以精确定位沉积的静电纺丝技术在多耦合场的作用下具有可控性。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，其特征在于：包括控制器（1）、信号发生器（2）、电压放大器（3）、打印喷头（4）、原料供应装置（5）、原料供应管（7）、X-Y运动平台（8）、打印基板（9）和多个控制极板（6），所述控制器（1）分别与信号发生器（2）、原料供应装置（5）和X-Y运动平台（8）连接，所述信号发生器（2）与电压放大器（3）连接，所述电压放大器（3）分别输出连接至打印喷头（4）与多个控制极板（6），所述位于打印喷头（4）下方的打印基板（9）安装在X-Y运动平台（8）上，所述设于打印基板（9）周围的多个控制极板（6）分别两两相对并垂直安装在X-Y运动平台（8）上，所述原料供应装置（5）通过原料供应管（7）连接至打印喷头（4），所述打印基板（9）与地连接。

2.根据权利要求1所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，其特征在于：所述控制极板（6）为导电极板，加载电压后可产生电场。

3.根据权利要求1所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，其特征在于：所述打印基板（9）采用导电材料或绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的基于电液耦合动力的柔性电路印刷装置，其特征在于：所述信号发生器（2）为函数信号发生器，与电压放大器（3）结合后，可产生任意波形、幅值和频率的直流或交流电场。