一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法

1.本发明属于电子电路加工领域，具体涉及一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法。


背景技术：

2.液态金属具有可变形的特性，但目前却很少用于柔性或可拉伸器件中作为电路电极，这是因为液态金属的表面张力太高，而难以在固态表面上铺展，从而难以进行大规模图案化，并且经过多次拉伸变形后，液态金属与基底粘附性变弱，造成电极或电路失效。
3.现有技术实现液态金属电极电路制备，大多采用圆珠笔直写法、喷墨打印法、微流控通道法、3d打印或掩膜版印刷等方法。但是上述方法(除掩膜版印刷外)普遍存在加工速度慢的问题，不易于规模化电极电路制备的缺陷。而掩膜版印刷方法不适合制备复杂电极电路，对掩膜版制备工艺要求较高的缺陷。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，尤其是提供一种基于液态金属的弹性电极电路的无掩膜的印刷方法。
5.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，包括以下步骤：
6.(1)获得图案化的弹性基底；
7.(2)用海绵滚轴吸取液体金属，其中，滚轴沿其周向包覆有海绵形成所述海绵滚轴，所述海绵的厚度为5mm-5cm，海绵的密度为18-45kg/cm3；
8.(3)用海绵滚轴涂刷所述弹性基底，得到液态金属弹性电极电路。
9.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，所述液态金属为ga、gain合金或gainsn合金。
10.液态金属表面张力极高，且表面容易形成氧化膜，难以规模化均匀吸附在固态表面。本发明采用海绵滚轴，海绵表面具备均匀的空隙，小的液态金属液滴可以吸附在空隙中，达到装填效果，可以打破原有氧化表面，细化液态金属颗粒。
11.本发明中，获得图案化的弹性基底可选择掩膜版印刷方法，或者激光刻蚀方法。其中，本领域技术人员可根据本领域的常规技术完成掩膜版印刷方法，本发明中不在赘述。
12.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，步骤(1)中，包括对弹性基底进行激光刻蚀的步骤。
13.通过对弹性基底非目标区域进行激光刻蚀，使得目标区域明显突出弹性基底表面，海绵滚轴优先接触突出的位置，且力度更大，印刷涂抹效果更好。
14.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，步骤(1)中，获得图案化的弹性基底包括以下步骤：
15.(1-1)准备弹性基底，并将弹性基底置于疏水基底上；
16.(1-2)对所述弹性基底进行激光刻蚀，激光的扫描速度为50mm-300mm/s，激光功率为10-100w，激光波长为10.6μm；即，将需要的图案进行软件绘制并导入激光雕刻机，使用激光对所需图案以外区域进行选择性扫描刻蚀，被扫描部分会被高功率激光烧蚀气化；
17.(1-3)清洗步骤(1-2)激光刻蚀后的弹性基底，得到图案化的弹性基底；
18.具体的，激光刻蚀完毕后，使用去离子水或酒精对基底表面进行清洗并烘干，去除残渣。此时，实验所需图案部分将明显高于其他区域，呈凸出状态，图案化弹性基底制备完成。
19.本发明针对性的选择弹性基底与海绵滚轴吸附的弹性金属进行配合提高界面粘附效果，保证多次拉伸形变后的良品率，首先，由于海绵滚轴表面吸附大量液态金属液滴，且液滴表面在空气中形成氧化层(例如，ga2o3)。大量氧化层的加入可以大大提高液态金属与固态介质表面的粘附性，且不影响导电性。在印刷过程中，氧化层率先接触固态界面表面，提升印刷效果，反复滚动印刷中，粘附在固态介质表面的液态金属重新形成氧化层，进一步增强界面结合力增强。
20.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，所述弹性基底为丙烯酸胶带、弹性水凝胶膜、pdms膜或ecoflex膜；和/或，所述疏水基底为parafilm膜、pet膜、ptfe膜或pi膜。
21.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，步骤(2)中，将液态金属盛装于硬质薄膜衬底上，用海绵滚轴辊压在所述液态金属上，液态金属均匀吸附在所述海绵的孔隙中。
22.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，所述硬质薄膜衬底选择的材质为pet、pvc或pi。
23.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，还包括对液态金属弹性电极电路进行封装的步骤。
24.根据本发明具体实施方式的一种基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，所述封装的方法为刮涂法或旋涂法；
25.优选的，封装选择的材料为pdms、ecoflex或tpu。
26.本发明的有益效果：
27.本发明提供了一种液态金属弹性电极电路无掩膜的印刷方法，采用海绵滚轴提取和装填液态金属液滴，可以实现大尺寸液态金属弹性电极电路的快速制备；并且，本发明通过激光刻蚀得到图案化的弹性基底，海绵滚轴涂装液态金属于弹性基底之上，起到界面粘附增强效果，从而保证多次拉伸形变后的良品率。
28.本发明所提供的方法制备成本低廉，容易操作。
附图说明
29.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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1显示本发明的印刷方法的流程示意图；其中(1)获得图案化的弹性基底；(2)用海绵滚轴吸取液体金属；(3)海绵滚轴涂刷所述弹性基底；
31.1-弹性基底；2-疏水基底；3-激光；4-硬质薄膜衬底；5-海绵滚轴；51-滚轴；52-海绵；53-液态金属；6-封装层；11-图案化弹性基底。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
33.本发明的一种基于液态金属的弹性电极或电路的无掩膜印刷方法包含三个主要流程，如图1所示，分别是弹性基底图案化激光刻蚀(图1-1)、海绵滚轴吸取液态金属液滴(图1-2)和液态金属弹性电极快速印刷涂覆(图1-3)。
34.首先，进行弹性基底图案化激光刻蚀流程，包含以下步骤：
35.步骤1：准备粘弹性基底(1)，可选材料为丙烯酸胶带、弹性水凝胶膜、pdms膜、ecoflex膜等。并将粘弹性基底置于疏水基底(2)上，可选择基底包括parafilm膜、pet、ptfe、pi等。
36.步骤2：将需要的图案进行软件绘制并导入激光雕刻机，使用激光(3)对所需图案以外区域进行选择性扫描刻蚀，被扫描部分会被高功率激光烧蚀气化，扫描速度50mm-300mm/s，激光功率10-100w，激光波长10.6μm。
37.步骤3：激光刻蚀完毕后，使用去离子水或酒精对基底表面进行清洗并烘干，去除残渣。此时，实验所需图案部分将明显高于其他区域，呈凸出状态，图案化弹性基底(11)制备完成。
38.接着，进行海绵滚轴吸取液态金属液滴流程，包含步骤4-6。
39.步骤4：准备硬质薄膜衬底(4)一张，可选择pet、pvc、pi等材料。吸取适量液态金属(53)滴在薄膜基底上，液态金属成分可选择ga、gain合金、gainsn合金等，成分比例不限。
40.步骤5：准备滚轴压轮(51)一个，在滚轴上包覆一层海绵(52)，厚度5mm-5cm，海绵密度选择18-45kg/cm3。
41.步骤6：将海绵滚轴在滴涂液态金属的薄膜基底上施加一定力度反复滚压，使得液态金属液滴均匀吸附在海绵滚轴表面的空隙中。
42.最后，进行液态金属弹性电极快速印刷涂覆，包含步骤7-8。
43.步骤7：将步骤6的吸附液态金属液滴的海绵滚轴(5)在已刻蚀基底上反复滚压，并施加一定力度。此时液态金属液滴均匀的吸附于已刻蚀基底上，完成液态金属弹性电极电路的图案化制备。
44.步骤8：对电极电路进行封装层(6)制备，封装材料可选择pdms、ecoflex、tpu等高弹性材料。封装方法可选择刮涂法或旋涂法。封装完成后，将衬底揭去，完成整个液态金属的弹性电极或电路的无掩膜印刷制备。
45.下面通过具体实施例对本发明的印刷方法进行阐述。
46.实施例1
47.本发明的基于液态金属的弹性电极电路的印刷方法，包括以下步骤：
48.(1)获得图案化的弹性基底；
49.(1-1)准备弹性基底，并将弹性基底置于疏水基底上，所述弹性基底为丙烯酸胶带，所述疏水基底为parafilm膜；
50.(1-2)对所述弹性基底进行激光刻蚀：
51.将需要的图案进行软件绘制并导入激光雕刻机，使用激光对所需图案以外区域进行选择性扫描刻蚀，被扫描部分会被高功率激光烧蚀气化，扫描速度50mmmm/s，激光功率10w，激光波长10.6μm；
52.(1-3)激光刻蚀完毕后，使用去离子水或酒精对基底表面进行清洗并烘干，去除残步骤，得到图案化的弹性基底；
53.(2)用海绵滚轴吸取液体金属，其中，
54.滚轴沿其周向包覆有海绵形成所述海绵滚轴，所述海绵的厚度为5mm，海绵的密度为18kg/cm3，
55.将液态金属ga盛装于硬质薄膜衬底(材质为pet、pvc或pi)上，用海绵滚轴辊压在所述液态金属上，液态金属吸附均匀吸附在海绵上；
56.将海绵滚轴在滴涂液态金属的硬质薄膜衬底上，以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n，反复滚压，使得液态金属液滴均匀吸附在海绵滚轴表面的空隙中；
57.(3)以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n，用海绵滚轴涂刷所述弹性基底，得到液态金属弹性电极电路；
58.(4)对电极电路进行封装，封装材料可选择pdms、ecoflex、tpu等高弹性材料。封装方法可选择刮涂法或旋涂法。封装完成后，将衬底揭去，完成整个液态金属的弹性电极或电路的无掩膜印刷制备。
59.实施例2
60.本发明的液态金属的弹性电极电路的印刷方法，包括以下步骤：
61.(1)获得图案化的弹性基底；
62.(1-1)准备弹性基底，并将弹性基底置于疏水基底上，所述弹性基底为弹性水凝胶膜，所述疏水基底为pet膜；
63.(1-2)对所述弹性基底进行激光刻蚀：
64.将需要的图案进行软件绘制并导入激光雕刻机，使用激光对所需图案以外区域进行选择性扫描刻蚀，被扫描部分会被高功率激光烧蚀气化，扫描速度150mm/s，激光功率50w，激光波长10.6μm；
65.(1-3)激光刻蚀完毕后，使用去离子水或酒精对基底表面进行清洗并烘干，去除残步骤，得到图案化的弹性基底；
66.(2)用海绵滚轴吸取液体金属，其中，
67.滚轴沿其周向包覆有海绵形成所述海绵滚轴，所述海绵的厚度为2cm，海绵的密度为20kg/cm3，
68.将液态金属ga、gain合金或gainsn合金盛装于硬质薄膜衬底(材质为pet、pvc或pi)上，将海绵滚轴在滴涂液态金属的硬质薄膜衬底上，以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n，反复滚压，使得液态金属液滴均匀吸附在海绵滚轴表面的空隙中；
69.(3)以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n，用海绵滚轴涂刷所述弹性基底，得到液态金属弹性电极电路；
70.(4)对电极电路进行封装，封装材料可选择pdms、ecoflex、tpu等高弹性材料。封装方法可选择刮涂法或旋涂法。封装完成后，将衬底揭去，完成整个液态金属的弹性电极或电路的无掩膜印刷制备。
71.实施例3
72.本发明的液态金属的弹性电极电路的印刷方法，包括以下步骤：
73.(1)获得图案化的弹性基底；
74.(1-1)准备弹性基底，并将弹性基底置于疏水基底上，所述弹性基底为pdms膜，所述疏水基底为ptfe膜。
75.(1-2)对所述弹性基底进行激光刻蚀：
76.将需要的图案进行软件绘制并导入激光雕刻机，使用激光对所需图案以外区域进行选择性扫描刻蚀，被扫描部分会被高功率激光烧蚀气化，扫描速度300mm/s，激光功率100w，激光波长10.6μm；
77.(1-3)激光刻蚀完毕后，使用去离子水或酒精对基底表面进行清洗并烘干，去除残步骤，得到图案化的弹性基底；
78.(2)用海绵滚轴吸取液体金属，其中，
79.滚轴沿其周向包覆有海绵形成所述海绵滚轴，所述海绵的厚度为5cm，海绵的密度为45kg/cm3，
80.将液态金属gainsn合金盛装于硬质薄膜衬底(材质为pet、pvc或pi)上，将海绵滚轴在滴涂液态金属的薄膜基底上，以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n反复滚压，使得液态金属液滴均匀吸附在海绵滚轴表面的空隙中；
81.(3)以力量施加角度30
°
到60
°
，力量范围1n到10n，用海绵滚轴涂刷所述弹性基底，得到液态金属弹性电极电路；
82.(4)对电极电路进行封装，封装材料可选择pdms、ecoflex、tpu等高弹性材料。封装方法可选择刮涂法或旋涂法。封装完成后，将衬底揭去，完成整个液态金属的弹性电极或电路的无掩膜印刷制备。
83.对比例1
84.相对于实施例1，弹性基底的材料选择丁苯橡胶，其他组分、配比、步骤与实施例1相同。
85.对比例2
86.相对于实施例1，滚轴外包括的材料选择厚度5mm的羊毛毡，其他组分、配比、步骤与实施例1相同。
87.对比例3
88.相对于实施例1，滚轴外包裹的海绵的参数为厚度1cm，密度5kg/cm3，其他步骤与实施例1相同。
89.对比例4
90.相对于实施例1，激光刻蚀的参数为扫描速度150mm/s，激光功率5w，激光波长10.6μm；，其他步骤与实施例1相同。
91.选择实施例1-3以及对比例1-4样品，根据如下方法进行测试，利用gainsn液态金属印刷10cm2目标基底，印刷力量2n，角度45度，反复滚涂10次。观察表面形貌与致密度；激光刻蚀弹性基底目标区域5cm*1cm，测试目标区域与非目标区域导电性；将目标区域拉伸-回缩500次后(拉伸最大应变200％)，测试目标区域导电性。
92.测试结果如表1所示：
93.表1印刷测试结果
[0094][0095][0096]
由表1可知，本发明实施例1-3的样品，10cm2大面积印刷后，表面致密，无缺失，5cm*1cm目标区域导通，非目标区域断路，达到电极电路图案化效果，500次循环拉伸后目标区域导电性良好，实验结果表明实施例1-3所选用实施条件可以很好的实现基于液态金属的弹性电极电路的无掩膜印刷效果。
[0097]
对比例1中，将弹性基底的材料选择丁苯橡胶后，10cm2大面积印刷后，表面有明显区域未被印刷，导致目标区域不导电，实验结果表明，丁苯橡胶基底无法实现液态金属的弹性电极电路的无掩膜印刷效果。
[0098]
对比例2中，将滚轴外包括的材料选择羊毛毡后，10cm2大面积印刷后，表面几乎全部区域未被印刷，导致目标区域不导电，实验结果表明，将滚轴外包裹的材料选择羊毛毡，无法实现液态金属的弹性电极电路的无掩膜印刷效果。
[0099]
对比例3中，将海绵的密度改变后，10cm2大面积印刷后，表面致密，无缺失，5cm*1cm目标区域导通，非目标区域导通，未达到电极电路图案化效果，实验结果表明，将滚轴外包裹的海绵的参数为厚度1cm，密度5kg/cm3，无法实现液态金属的弹性电极电路的无掩膜印刷效果。
[0100]
对比例4中，激光刻蚀的参数改变后，10cm2大面积印刷后，表面致密，无缺失，5cm*1cm目标区域导通，非目标区域导通，未达到电极电路图案化效果，实验结果表明，激光刻蚀的参数改变后，无法实现液态金属的弹性电极电路的无掩膜印刷效果。
[0101]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。