柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途技术

本发明专利技术提供了一种柔性可拉伸导电线路、其制备方法及用途。本发明专利技术还提供了包含上述柔性可拉伸电路的双面布线、多层板、柔性显示屏、柔性电子器件和/或传感器。本发明专利技术提供的制备柔性可拉伸导电线路的方法工艺简便、快速，普遍适用于各种基底材料，且液态金属用量少，不需要额外的外力，且图案不产生裂纹，线宽可控，且具有很高的分辨率，非常适于大规模生产。

Preparation and application of flexible stretchable conductive circuits and circuits

The invention provides a flexible stretchable conductive line, a preparation method and an application thereof. The invention also provides a double-sided wiring, a multilayer board, a flexible display screen, a flexible electronic device and/or a sensor comprising the flexible stretchable circuit. The method for preparing flexible and stretchable conductive circuit provided by the invention is simple and fast, and is generally applicable to various substrate materials, and the amount of liquid metal is small, no additional external force is needed, and the pattern does not produce cracks, the line width is controllable, and the method has high resolution, and is very suitable for large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途
本专利技术属于电子电路领域，具体地，本专利技术涉及一种柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途。
技术介绍
印刷电路(PCB)板技术自从被开发以来就一直统治着电路制造行业，印刷电路板几乎存在于世界上每一个角落的任何一件电子仪器中。然而，随着科技的不断发展，生物技术与电子技术结合越来越紧密，刚性的印刷电路板越来越不能满足柔性电路的需求，如可穿戴设备的开发，与组织工程相结合的电子器件等领域都急需柔性的且具有可拉伸性能的电路板的出现。实现柔性并不难，总的来说，任何物质只要足够薄，都能够具有良好的柔性，所以现在普遍采用高聚物薄膜如聚酰亚胺(PI)上镀上薄薄的一层铜层或者金层来实现电路板的柔性。然而，使得电路具有可拉伸性能却具有相当的挑战性，这是因为大部分材料，一旦拉伸，其电学性能剧烈下降甚至直接丧失。为了增强电路的拉伸性能，现在有两种主流的布线方法，第一种是设计电路的布线结构，即采用特殊的导线结构来抵消变形，如岛桥结构、波状结构和蛇纹结构。另外一种方法是采用具有良好拉伸性能的新材料作为互联线路，如液态金属以及纳米材料如石墨烯，碳纳米管等。采用特殊结构布线的电路制造工艺复杂，且最大拉伸变形有限，大概在150％左右。由于液态金属如铟镓合金具有良好的导电性和液态的性质，而且，铟镓合金无毒，所以，采用液态铟镓合金作为互联导线的电路具有相当好的拉伸性能，但是液态金属具有非常大的表面能，这使得液态金属在柔性基底上的图案化即在基底上布上液态金属的导线非常困难。虽然现有一些方法能如打印的方法、注射的方法、漏字板的方法和真空浇注的方法等，但是这些方法非常局限，存在着如液态金属用量大、线宽不能做小，图案的分辨率有限，不容易安装电子器件等等问题，总之，不能实现柔性可拉伸电路的大规模生产。为了解决液态金属巨大的表面能的问题，有研究者把液态金属置于分散溶剂中，制成液态金属的颗粒的悬浊液，以这种悬浊液为油墨进行喷墨打印来图案化液态金属。然而，图案化后的液态金属颗粒并不能导电，需要额外的外力施加在颗粒上才能够使得图案具有导电能力。这是因为液态铟镓合金的颗粒是由不导电的氧化镓的外壳和液态的铟镓合金的内核构成的，这种颗粒由于氧化膜的保护而不导电。当有存在一定的外力时，不导电的氧化镓外壳破裂，释放出导电的液态铟镓合金内核，无数颗粒释放的液态金属颗粒相互连接形成导电的通路。这种方法虽然能够巧妙地规避液态金属巨大的表面能，但是该方法得到的图案的线宽受到针尖孔径的限制，图案易产生裂纹影响电学性能，且额外施加的外力会对图案的结构造成影响，同样不适合精细图案的制备和规模化的生产。
技术实现思路
为了克服现有技术中的以上问题，本专利技术提供了一种柔性可拉伸导电线路的制备方法。该方法实质是一种简单方便且万能的液态金属图案化技术。即可在各种各样的基底上简单快速地实现液态金属的图案化。该制备方法简便、快速且液态金属用量少，不需要额外的外力，且图案不产生裂纹，线宽可控，具有很高的分辨率，适于大规模生产。按照该方法制备的线路具有极好的柔性和可拉伸性能，且适用于各种线宽的电路(线宽最小能到1微米)。并且铟镓这两种液态金属元素的化合物有多种本身也是常用的高性能半导体材料，所以该制备方法可以延伸到各种半导体的制备。在柔性电路、穿戴设备、电极制备、柔性拉伸屏幕以及机器人领域有着无可限量的前景。在阐述本
技术实现思路
之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“PDMS”是指：聚二甲基硅氧烷。术语“Smooth-on系列材料”是指：美国smooth-on公司开发并出售的一系列商用的硅胶、橡胶、树脂和聚氨酯等材料。如Smooth-onEcoflex系列、Smooth-onDragonSkin系列等。术语“Smooth-onEcoflex系列”是指：美国smooth-on公司开发并出售的一系列硅橡胶，包括Ecoflex0010、Ecoflex0020、Ecoflex0030、Ecoflex0050等。固化后超级柔软、强韧、弹性极佳，不收缩。术语“Smooth-onDragonSkin系列”是指：美国smooth-on公司开发并出售的一系列硅橡胶，包括DragonSkin10、DragonSkin20、DragonSkin30、DragonSkinFX。固化后柔软，且具有高拉伸性和恢复性。术语“PET”是指：聚对苯二甲酸乙二醇酯。术语“高分子”是指：相对分子质量高于10000的分子。术语“弹性体”是指：既具有柔性，又具有拉伸性能的柔软材料，如PDMS、Smooth-on系列材料等。术语“原始图案层”是指：利用液态金属颗粒在其上图案化的一层。术语“剥离层”是指：浇注在原始图案层的高分子固化后并能揭下的一层。术语“柔性”是指：材料具有弯折的性能。术语“弹性”是指：材料既具有拉伸性能，又具有弯折性能。具体地，为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术第一方面提供了一种柔性可拉伸导电线路，所述导电线路包括：弹性或柔性基底，在所述基底上由纳米级或微米级液态金属颗粒汇聚而成的互联导线，以及用于制备该导电线路的原始图案层和剥离层；所述原始图案层选自任何材料的表面，用于图案化液态金属颗粒；所述剥离层选自高分子溶液、优选为弹性体材料，用于使得图案导电。优选地，所述导电线路线宽为200微米以下，更优选为100、50、20、10微米以下，进一步优选为5微米以下，最优选为1微米以下。更优选地，所述液态金属选自以下一种或多种：镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡铅铟合金；和/或所述基底为原始图案层或剥离层，所述原始图案层选自任何材料，所述剥离层的材质选自以下一种或多种：聚二甲基硅氧烷、Smooth-on系列材料、橡胶、塑料膜、树脂、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺(PI)环氧树脂、聚苯乙烯、PET、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)和聚己内酯(PCL)。本专利技术第二方面提供了一种液态金属颗粒与高分子形成的复合物的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)在挥发性液体中将液态金属制备成纳米级或微米级的金属颗粒；(2)在原始图案层上将步骤(1)制得的金属颗粒绘制成图案，所述原始图案层选自任何材料的表面；(3)在所述图案上浇注高分子溶液，以形成剥离层；(4)剥离所述剥离层，优选地，根据所述原始图案层与所述剥离层之间的亲和力不同，所述液态金属全部或部分转移到剥离层；优选地，所述复合物为本专利技术第一方面所述的柔性可拉伸导电线路。更优选地，通过控制油墨的浓度(0.2g/ml-10g/ml)调节所述导电线路的厚度在1到50微米之间。优选地，所述挥发性液体选自以下一种或多种：乙醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、N-甲基吡咯烷酮、二元酸酯混合物(DBE溶剂)，二甲基甲酰胺、二丙酮醇、1，3-二甲基－咪唑啉酮、二甲基亚砜、二乙二醇单丁醚、二乙二醇乙酸酯、乙二醇碳酸酯、丙二醇碳酸酯、1,4-丁内酯。更优选地，所述挥发性液体中加入分散系，所述分散系选自以下一种或多种：包括乙二醇、丙三醇、矿物油、石蜡油和树脂；和/或所述高分子选自以下一种或多种：聚二甲基硅氧烷、Smooth-on系列材料、橡胶、塑料膜、树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺(PI)环氧树脂、聚苯乙烯、PET本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性可拉伸导电线路，其特征在于，该导电线路包括：弹性或柔性基底，在所述基底上由纳米级或微米级液态金属颗粒汇聚而成的互联导线，以及用于制备该导电线路的原始图案层和剥离层；所述原始图案层选自任何材料的表面，用于图案化液态金属颗粒；所述剥离层选自高分子溶液、优选为弹性体材料，用于使得图案导电；优选地，所述导电线路线宽为200微米以下，更优选为100、50、20、10微米以下，进一步优选为5微米以下，最优选为1微米以下。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可拉伸导电线路，其特征在于，该导电线路包括：弹性或柔性基底，在所述基底上由纳米级或微米级液态金属颗粒汇聚而成的互联导线，以及用于制备该导电线路的原始图案层和剥离层；所述原始图案层选自任何材料的表面，用于图案化液态金属颗粒；所述剥离层选自高分子溶液、优选为弹性体材料，用于使得图案导电；优选地，所述导电线路线宽为200微米以下，更优选为100、50、20、10微米以下，进一步优选为5微米以下，最优选为1微米以下。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液态金属选自以下一种或多种：镓、汞、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锌合金、铋锡铅铟镉组成的低熔点合金；和/或所述基底为原始图案层或剥离层，所述原始图案层选自任何材料，所述剥离层的材质选自以下一种或多种：聚二甲基硅氧烷、Smooth-on系列材料、橡胶、塑料膜、树脂、聚氨酯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、聚苯乙烯、PET、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物和聚乳酸-己内酯。3.一种制备液态金属颗粒与高分子形成的复合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)在挥发性液体中将液态金属制备成纳米级或微米级的金属颗粒；(2)在原始图案层上将步骤(1)制得的金属颗粒绘制成图案，所述原始图案层选自任何材料的表面；(3)在所述图案上浇注高分子溶液，以形成剥离层；(4)剥离所述剥离层，优选地，根据所述原始图案层与所述剥离层之间的亲和力不同，所述液态金属全部或部分转移到剥离层；优选地，所述复合物为权利要求1或2所述的柔性可拉伸导电线路；更优选地，通过控制油墨的浓度从而调节所述导电线路的厚度在1到50微米之间；进一步优选地，通过控制油墨的浓度从而调节所述导电线路的厚度在5到20微米之间。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述挥发性液体选自以下一种或多种：乙醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、N-甲基吡咯烷酮、二元酸酯混合物，二甲基甲酰胺、二丙酮醇、1，3-二甲基－咪唑啉酮、二甲基亚砜、二乙二醇单丁醚、二乙二醇乙酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋兴宇，唐立雪，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11