[发明专利]柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于电子电路领域，具体地，本发明涉及一种柔性可拉伸导电线路及电路的制备方法与用途。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术中的以上问题，本发明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。

在阐述本发明内容之前，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-on Ecoflex系列、Smooth-on Dragon Skin系列等。