[发明专利]用于制造微柱阵列的系统和方法

说明书

一种用于制造微柱阵列(20)的系统和方法。载体(11)被提供有金属油墨(20i)层。高能量光源(14)经由载体(11)和光源之间的掩模(13)照射金属油墨(20i)。掩模被配成将微柱阵列的横截面照射图像转移到金属油墨(20i)上，从而导致金属油墨(20i)的图案化烧结，以便在金属油墨(20i)层中形成微柱阵列(20)的第一分段层(21)。另一层金属油墨(20i)被施加在微柱阵列(20)的第一分段层(21)的顶部之上，并经由掩模(13)被照射以在上面形成微柱阵列的第二分段层(21)。该过程被重复以实现高纵横比的微柱20p。

技术领域和背景

本公开涉及微柱阵列，以及用于制造微柱阵列的系统和方法。

在电力需求不断增长的世界中，3D电池是一个新兴的热门话题。沉积在三维(3D)微图案结构上的固态薄膜电池具有将高功率密度和高能量密度结合在一起的潜力。微结构的比表面积使得能够从电池中汲取高电流并且还允许快速充电。此外，密集堆积的微结构能够实现相对高的体积能量存储。柱状结构是优选的，因为与类似纵横比和尺寸的多孔或穿孔结构相比，容易获得柱状结构的整个表面。

针对电池电极应用，文献中提出了各种方法以在衬底上制造高纵横纳米线或纳米柱。例如参见专利文献US2009214956AA、WO11094642A1、US2007059584AA、US2006216603AA、US2012094192AA。这些结构要么由金属制成，要么由掺杂硅制成。例如，这些方法可包括在纳米多孔模板(例如，电化学蚀刻硅或阳极化铝)内沉积纳米线材料，以及随后溶解模板以便释放纳米线。产生的纳米线可具有范围从一百纳米到几微米的各种尺寸，以及范围从几微米到几百微米的各种高度。

不幸的是，涉及电沉积金属纳米线的技术通常不能产生具有足够高度(在数百微米范围内)的线，因为线可能易于倾倒。此外，纳米级的高纵横比结构比微米级结构每单位体积可容纳相对更少的电荷容量。此外，使用成型技术(例如，US2012183732A1)可能是不切实际的。此外，通过硅晶片中深反应离子蚀刻制造微柱在经济上可能是不可行的。实际上，为了提高成本有效性，期望在相对廉价的衬底(例如，金属箔)上以廉价的大面积工艺处理这些结构。

因此，仍然希望有提供经济上可行的高纵横比导电微柱结构的改进的系统、方法以及产品，例如用于3D电池和其他应用。

概述

本公开的第一方面提供了一种用于制造微柱阵列的系统。该系统包括诸如被配置成保持载体的平台之类的装置。沉积装置被配置成将金属油墨层提供在载体上。可例如向沉积装置提供适用于容纳金属油墨的供给。该系统包括或耦合被配置成提供能够烧结金属油墨的光的高能量光源。掩模可被设置在光源和载体之间。掩模包括被配置成根据微柱阵列的横截面图像对光进行图案化的掩模图案。光源和掩模被配置为使图案化的光照射到金属油墨层上，由此引起金属油墨的图案化烧结，从而在金属油墨中形成微柱阵列的分段层。控制器被布置并被编程以控制沉积装置、光源、以及平台，以通过以下来制造微柱阵列：重复地将另一层金属油墨提供到先前形成的微柱阵列的分段层上，以及将所述图案化的光提供到该另一层金属油墨上，以在先前形成的分段层上在金属油墨中形成该微柱阵列的另一分段层。

本公开的第二方面提供了一种用于制造微柱阵列的方法。该方法包括向载体提供金属油墨层。高能量光源经由载体和光源之间的掩模照射金属油墨层。掩模被配置成将微柱阵列的横截面照射图像转移到金属油墨上。这可能导致金属油墨的图案化烧结，以在金属油墨层中形成微柱阵列的第一分段层。另一层金属油墨可被施加在微柱阵列的第一分段层的顶部之上，并经由相同的掩模被照射以在上面形成微柱阵列的第二分段层。

本公开的第三方面提供了一种包括多个微柱的微柱阵列，其中所述微柱由包括熔融金属粒子的基质中的聚合粒子的烧结金属油墨的周期性层状结构形成。所述多个微柱可被设置在连接微柱的箔上，其中该箔由与微柱相同的烧结金属油墨形成。微柱可由可通过电镀获得的平滑外部金属层包裹。微柱阵列可例如形成作为电池的一部分的电极。