CN108995395A - 电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法及设备，其包括机架，机架上设有承载平台；喷印模块；喷印平台；聚焦离子束设备固定装置，设置在喷印平台上端，且所述聚焦离子束设备固定装置包括底板，所述底板相邻两边分别设有用于夹持柔性基板的夹持机构和用于使得聚焦离子束可扫描柔性基板后侧的激光移动机构，通过夹持机构对柔性基板进行夹持，使柔性基板处于垂直状态，一端固定在夹持机构上，另一端呈现自由状态，聚焦离子束设备正对柔性基板背面，从柔性基板的自由端向固定端方向，聚焦离子束设备按照预先设定的路径进行局部刻蚀，利用离子注入和溅射，使喷印平面图案的柔性基板发生变形，形成不同形状的三维结构。

Description

电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法及设备
技术领域
本发明涉及电流体动力学喷印技术领域，尤其涉及一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备设备及方法。
背景技术
电流体动力学喷印技术是在基板和喷嘴之间施加电压，在诱导电场力作用下，喷印溶液中的电荷在液体表面聚集，电荷间的库仑力导致液体表面产生切向应力，在该切向应力的作用下，液体在喷嘴顶端形成锥形液面，通常称为泰勒锥，随着电场强度增加，当电场力克服液体表面张力时，在泰勒锥的顶端产生射流或液滴，能够喷印阵列图形、微图案和薄膜等图形。电流体动力学喷印技术是制造微纳米结构及器件的一种新型技术。
微纳米结构及器件一般是三维结构形状，例如柔性电子器件，为了提高其延展性，柔性电子器件以及电极之间互连线制备成波浪形、波纹管形、螺旋形等形状，以便提高柔性电子的延展率，主要采用转印技术进行制备三维结构器件，这种方法存在工艺复杂、制造成本高等问题。电流体动力学喷印技术具有设备简单、可使用材料广、无需掩模、直接成形、成本低、效率高等优点，尤其适用于聚合物和金属纳米颗粒等溶液材料的图案喷印，目前该技术主要用于喷印平面形状的图形，因此，限制了电流体动力学喷印技术在三维结构微纳米结构及器件制备中的应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有的电流体动力学喷印设备存在的缺点，提出一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法及设备。
为实现上述目的，本发明提供一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法，
1)将柔性基板平铺固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
2)将喷印溶液装入喷印***中，根据预喷印图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工艺参数；
3)通过电流体动力学喷印***移动喷印平台，并将喷印机构的喷嘴定位到柔性基板的喷印的起始位置，开始进行预喷印图案的喷印，同时喷印平台对喷印图案进行加热固化；
4)喷印结束，并且加热喷印图案处于半固化状态时，通过夹持机构夹持柔性基板的一端并向垂直方向移动，使柔性基板处于垂直状态，柔性基板一端由夹持机构固定，另一端处于自由状态；
5)根据预制备的三维结构形状，将柔性基板从固定端向自由端方向，分成若干段，根据预制备的三维结构形状要求，分成的若干个相等或不等的长度；
6)聚焦离子束设备固定装置在柔性基板平面内的水平方向和竖直方向两个方向移动，并且聚焦离子束设备对着柔性基板的背面；
7)根据预制备的三维结构形状，设置聚焦离子束设备的工艺参数，根据柔性基板分成若干段数设置聚焦离子束应力引入的刻蚀次数；
8)从柔性基板的自由端向固定端方向，聚焦离子束设备按照预先设定的路径，按照柔性基板分成若干段数的局部区域，分别进行局部刻蚀，使离子轰击基板表面时，离子注入和溅射同时发生，离子注入会引入张应力，溅射会引入压应力，局部刻蚀的顺序，根据预制备的三维结构形状，使喷印平面图案的柔性基板发生变形，形成不同形状的三维结构。
聚焦离子束设备的工艺参数包括聚焦离子束的注入剂量、聚焦离子束与喷印图案平面扫描倾斜的角度、聚焦离子束喷头与喷印图案平面的间距。
步骤8)中可按照柔性基板分段的顺序依次进行，也可按照任意顺序进行局部刻蚀。
一种基于上述电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法的设备，其包括机架，所述机架上设有承载平台；
喷印模块，所述喷印模块通过水平横梁设置在承载平台上方，且其设有用于喷印的喷印机构，用于喷印到柔性基板上形成喷印图案；
喷印平台，所述喷印平台可X向运动设置在承载平台上；
聚焦离子束设备固定装置，设置在喷印平台机构上端，且所述聚焦离子束设备固定装置包括设置在喷印平台上的底板，所述底板相邻两边分别设有用于夹持柔性基板的夹持机构和用于使得聚焦离子束可扫描柔性基板后侧的移动机构。
所述喷印模块包括固定底座以及沿垂直方向设置的喷印机构，所述喷印机构包括固定座、设置在固定座上可拆卸的注射器，在所述固定座的上端设置可沿垂直方向滑移的操作机构，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合。
所述夹持机构包括设置在底板一侧的第一导轨座、与第一导轨座构成滑移配合的第一滑块以及设置在第一滑块上的夹持组件，所述夹持组件可Z向运动设置在所述第一滑块上。
所述夹持组件包括沿Z轴方向设置在第一滑块上的移动轴、与移动轴构成滑移配合的移动夹具以及用于驱动移动夹具沿Z轴方向运动的丝杆传动机构。
所述移动机构包括设置在底板一侧的第二导轨座、与第二导轨座构成滑移配合的第二滑块以及设置在第二滑块上的聚焦离子束设备夹持组件，所述聚焦离子束设备夹持组件可Z向运动设置在所述第二滑块上。
所述聚焦离子束设备夹持组件包括沿Z轴方向设置在第二滑块上的滑移架、与滑移架构成滑移配合的夹持件以及用于驱动夹持件沿Z轴方向运动的丝杆传动机构。
所述底板与喷印平台之间设有加热板。
本发明的有益效果：通过电流体动力学喷印***喷印平面图案，利用加热板对喷印的平面图案进行加热半固化，然后通过夹持机构对柔性基板进行夹持，夹持机构夹持柔性基板Z向运动，使柔性基板处于垂直状态，一端固定在夹持机构上，另一端呈现自由状态，聚焦离子束设备正对柔性基板背面，从柔性基板的自由端向固定端方向，聚焦离子束设备按照预先设定的路径进行局部刻蚀，离子轰击基板表面时，离子注入和溅射同时发生，离子注入会引入张应力，溅射会引入压应力，使喷印平面图案的柔性基板发生变形，形成波浪形、波纹管形、螺旋形、折线形、曲线形等不同形状的三维结构。
附图说明
图1为本发明的逻辑示意图
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明的喷印模块的结构示意图。
图4为本发明的聚焦离子束设备照射机构的结构示意图。
图5为本发明的夹持机构的结构示意图。
图6为本发明的聚焦离子束设备照射机构的结构示意图。
具体实施方式
下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：
本发明提供一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法，
1)将柔性基板平铺固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
2)将喷印溶液装入喷印***中，根据预喷印图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工艺参数，包括喷嘴的直径、施加的电压、喷射高度、喷印溶液的流量、喷印运动平台的移动速度；
3)通过电流体动力学喷印***移动喷印平台，并将喷印机构的喷嘴定位到柔性基板的喷印的起始位置，开始进行预喷印图案的喷印，同时喷印平台对喷印图案进行加热固化；
4)喷印结束，并且加热喷印图案处于半固化状态时，通过夹持机构夹持柔性基板的一端并向垂直方向移动，使柔性基板处于垂直状态，柔性基板一端由夹持机构固定，另一端处于自由状态；
5)根据预制备的三维结构形状，将柔性基板从固定端向自由端方向，分成若干段，根据预制备的三维结构形状要求，分成的若干个相等或不等的长度；
6)聚焦离子束设备固定装置在柔性基板平面内的水平方向和竖直方向两个方向移动，并且聚焦离子束设备对着柔性基板的背面；
7)根据预制备的三维结构形状，设置聚焦离子束设备的工艺参数，聚焦离子束设备的工艺参数包括聚焦离子束的注入剂量、聚焦离子束与喷印图案平面扫描倾斜的角度、聚焦离子束喷头与喷印图案平面的间距，根据柔性基板分成若干段数设置聚焦离子束应力引入的刻蚀次数；
8)从柔性基板的自由端向固定端方向，聚焦离子束设备按照预先设定的路径，按照柔性基板分成若干段数的局部区域，分别进行局部刻蚀，使离子轰击基板表面时，离子注入和溅射同时发生，离子注入会引入张应力，溅射会引入压应力，局部刻蚀的顺序，根据预制备的三维结构形状，可按照柔性基板分段的顺序依次进行，也可按照任意顺序进行局部刻蚀，使喷印平面图案的柔性基板发生变形，形成波浪形、波纹管形、螺旋形、折线形、曲线形等不同形状的三维结构。
如图所示，本发明公开了一种基于上述电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法的设备，其包括机架，其包括机架1，所述机架1上设有承载平台；
喷印模块4，所述喷印模块通过水平横梁设置在承载平台上方，且其设有用于喷印的喷印机构，用于喷印到柔性基板上以进行图案打印，所述喷印模块通过Y轴滑道41设置在水平横梁上，而后再通过Z轴滑道42设置在Y轴滑道上，从而可对喷印机构的高度以及Y向距离进行调节；
喷印平台2，所述喷印平台可X向运动设置在承载平台上，聚焦离子束设备照射机构设置在喷印平台机构上，可实现X向的运动；
聚焦离子束设备照射机构3，设置在喷印平台上端，且所述聚焦离子束设备照射机构包括设置在喷印平台上的底板，所述底板相邻两边分别设有用于夹持基板的夹持机构31和用于使得聚焦离子束设备可扫描基板后侧的聚焦离子束设备移动机构32。
在底板33与喷印平台之间设置加热板34，该加热板设置在柔性基板下方，可对所喷印的图案进行固化。
所述喷印模块包括固定底座43以及沿垂直方向设置的喷印机构，所述喷印机构包括固定座45、设置在固定座上可拆卸的注射器44，在所述固定座的上端设置可沿垂直方向滑移的操作机构，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合，所述操作机构采用卡槽结构，且所述操作机构可滑移设置在固定底座上，柱塞部件嵌设在该卡槽结构内，并***作机构带动Z向运动。
在喷印机构的两侧分别设置照射灯和工业相机，两个通过角度可调的支架固定设置在固定底座的两侧，通过调节两个支架的角度，可以实现不同角度的照明和摄像的需求。
所述夹持机构31包括设置在底板一侧的第一导轨座311、与第一导轨座构成滑移配合的第一滑块312以及设置在第一滑块上的夹持组件，所述夹持组件可Z向运动设置在所述第一滑块上。所述夹持组件包括沿Z轴方向设置在第一滑块上的移动轴314、与移动轴构成滑移配合的移动夹具313以及用于驱动移动夹具沿Z轴方向运动的丝杆传动机构，移动夹具后端则是与移动轴构成滑移配合的滑移端，其前端延伸形成夹持部。
所述聚焦离子束设备移动机构包括设置在底板一侧的第二导轨座321、与第二导轨座321构成滑移配合的第二滑块322以及设置在第二滑块322上的聚焦离子束设备器夹持组件，所述聚焦离子束设备器夹持组件可Z向运动设置在所述第二滑块上。所述聚焦离子束设备夹持组件包括沿Z轴方向设置在第二滑块上的滑移架、与滑移架构成滑移配合的夹持件323以及用于驱动夹持件沿Z轴方向运动的丝杆传动机构，所述夹持件用于夹持聚焦离子束设备器5。
当聚焦离子束设备移动机构X向运动时，则夹持机构Y向运动，两者的运动方向垂直设置。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法，其特征在于：
1)将柔性基板平铺固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
2)将喷印溶液装入喷印***中，根据预喷印图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工艺参数；
3)通过电流体动力学喷印***移动喷印平台，并将喷印机构的喷嘴定位到柔性基板的喷印的起始位置，开始进行预喷印图案的喷印，同时喷印平台对喷印图案进行加热固化；
4)喷印结束，并且加热喷印图案处于半固化状态时，通过夹持机构夹持柔性基板的一端并向垂直方向移动，使柔性基板处于垂直状态，柔性基板一端由夹持机构固定，另一端处于自由状态；
5)根据预制备的三维结构形状，将柔性基板从固定端向自由端方向，分成若干段，根据预制备的三维结构形状要求，分成的若干个相等或不等的长度；
6)聚焦离子束设备固定装置在柔性基板平面内的水平方向和竖直方向两个方向移动，并且聚焦离子束设备对着柔性基板的背面；
7)根据预制备的三维结构形状，设置聚焦离子束设备的工艺参数，根据柔性基板分成若干段数设置聚焦离子束应力引入的刻蚀次数；
8)从柔性基板的自由端向固定端方向，聚焦离子束设备按照预先设定的路径，按照柔性基板分成若干段数的局部区域，分别进行局部刻蚀，使离子轰击基板表面时，离子注入和溅射同时发生，离子注入会引入张应力，溅射会引入压应力，局部刻蚀的顺序，根据预制备的三维结构形状，使喷印平面图案的柔性基板发生变形，形成不同形状的三维结构。
2.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法，其特征在于：聚焦离子束设备的工艺参数包括聚焦离子束的注入剂量、聚焦离子束与喷印图案平面扫描倾斜的角度、聚焦离子束喷头与喷印图案平面的间距。
3.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法，其特征在于：步骤8)中可按照柔性基板分段的顺序依次进行，也可按照任意顺序进行局部刻蚀。
4.一种基于权利要求1、2或3所述电流体动力学喷印图案三维柔性结构的制备方法的设备，其特征在于：其包括机架，所述机架上设有承载平台；
喷印模块，所述喷印模块通过水平横梁设置在承载平台上方，且其设有用于喷印的喷印机构，用于喷印到柔性基板上形成喷印图案；
喷印平台，所述喷印平台可X向运动设置在承载平台上；
聚焦离子束设备固定装置，设置在喷印平台上端，且所述聚焦离子束设备固定装置包括设置在喷印平台上的底板，所述底板相邻两边分别设有用于夹持柔性基板的夹持机构和用于使得聚焦离子束可扫描柔性基板后侧的移动机构。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述喷印模块包括固定底座以及沿垂直方向设置的喷印机构，所述喷印机构包括固定座、设置在固定座上可拆卸的注射器，在所述固定座的上端设置可沿垂直方向滑移的操作机构，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述夹持机构包括设置在底板一侧的第一导轨座、与第一导轨座构成滑移配合的第一滑块以及设置在第一滑块上的夹持组件，所述夹持组件可Z向运动设置在所述第一滑块上。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述夹持组件包括沿Z轴方向设置在第一滑块上的移动轴、与移动轴构成滑移配合的移动夹具以及用于驱动移动夹具沿Z轴方向运动的丝杆传动机构。
8.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所述移动机构包括设置在底板一侧的第二导轨座、与第二导轨座构成滑移配合的第二滑块以及设置在第二滑块上的聚焦离子束设备夹持组件，所述聚焦离子束设备夹持组件可Z向运动设置在所述第二滑块上。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：所述聚焦离子束设备夹持组件包括沿Z轴方向设置在第二滑块上的滑移架、与滑移架构成滑移配合的夹持件以及用于驱动夹持件沿Z轴方向运动的丝杆传动机构。
10.根据权利要求4或5或6或7或8或9所述的设备，其特征在于：所述底板与喷印平台之间设有加热板。
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