CN110385850B - 电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，涉及柔性电子电路图案制造技术领域，其步骤包括：A、将柔性基板平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；B、用电流体动力学喷印设备的喷射***向柔性基板上表面喷印无机/有机导电材料制成的喷印溶液；C、将柔性基板已喷印柔性电子电路图案的一面朝下，相反一面朝上，平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上，喷印均匀混合纳米级颗粒石墨烯粉末的熔融聚乳酸溶液；D、对柔性基板进行热处理，完成后取出自然冷却至室温；E、在喷印三维变形图案的喷印路径始末位置两端制作电极，将电源的正负极连接到所制作的电极上。本发明具有实现不同曲率变形的优点。

Description

电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法
技术领域
本发明涉及柔性电子电路图案制造技术领域，具体涉及电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法。
背景技术
柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术，包括柔性传感器、柔性电子显示器、柔性发光二极管、柔性太阳能电池、柔性射频器件等柔性电子器件，在信息、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景。目前，柔性电子器件大多为二维平面结构类型的器件，变形性较差，难以与三维物体的立体构造表面形状相贴合。为了实现柔性电子器件由平面结构向三维结构的转化，先将特定的平面曲线结构选择性地粘贴在一个拉伸状态的弹性基板上，然后松开基板，基底开始收缩，于是平面曲线就“站立起来”，形成波浪形、折纸形、三维螺旋形等三维结构的柔性电子。这种三维结构的柔性电子制造方法虽然比较简单，但是制造出来的柔性电子三维结构形状比较简单，并且柔性电子所产生的三维结构变形受到柔性/可延性基板形变的限制，无法根据三维物体不同曲率表面形状的需求产生其相应的变形，从而导致所产生变形的三维柔性电子器件不能与三维物体表面进行无缝贴合，在使用过程中柔性电子器件极易从三维物体表面脱落。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供一种实现不同曲率形状的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法。
本发明所采用的技术方案：电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其步骤包括：
A、将柔性基板平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
B、用电流体动力学喷印设备的喷射***向柔性基板的上表面喷印无机/有机导电材料制成的喷印溶液，完成喷印和固化所有的电路图案；
C、将柔性基板已喷印柔性电子电路图案的一面朝下，相反的一面朝上，平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上，喷印均匀混合纳米级颗粒石墨烯粉末的熔融聚乳酸溶液，完成三维变形图案的喷印；
D、对柔性基板进行热处理，完成后取出进行自然冷却至室温；
E、在喷印三维变形图案的喷印路径始末位置两端制作电极，将电源的正负极连接到所制作的电极上，通过调节电源电流或电压的大小，来改变温度高低，实现三维柔性电子电路图案的三维曲率在三维状态和平面状态之间的变化。
所述步骤A中柔性基板的材料为经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、纺织材料、纸片等柔性材料中的一种。
所述步骤B包括：
B1、将无机/有机导电材料制成的喷印溶液装入喷射***中；
B2、将预喷印的柔性电子电路图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印的柔性电子电路图案；
B3、根据预喷的印柔性电子电路图案，规划预喷印柔性电子电路图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印柔性电子电路图案路径的数据文件；
B4、根据预喷印柔性电子电路图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、溶液流量和喷印平台移动速度等工艺参数；
B5、根据步骤B3的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，将喷射***的喷头定位在预喷印柔性电子电路图案喷印路径的起始位置，以设定的工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着规划的喷印路径进行柔性电子电路图案喷印，同时喷印平台对已喷印的电路图案进行加热固化，直到完成喷印和固化所有的电路图案，将喷印平台移出喷印位置。
所述步骤C包括：
C1、将混合均匀的纳米级别颗粒的聚乳酸粉末和石墨烯粉末装入到通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***中；
C2、将预喷印能产生三维变形图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印能产生三维变形图案；
C3、根据预喷印能产生三维变形图案，规划预喷印能产生三维变形图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印能产生三维变形图案路径的数据文件；
C4、根据预喷印的能产生三维变形图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、气泵压力和喷印平台移动速度等工艺参数；
C5、根据步骤C3的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，并将通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***的喷头定位在预喷印能产生三维变形图案路径的起始位置，以设定的工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着喷印能产生三维变形图案路径进行三维变形图案喷印，直到完成所有的三维变形图案的喷印，将喷印平台移出喷印位置。
所述步骤C中石墨烯和聚乳酸的质量比为0.1%-1%。
所述步骤D中的热处理的温度为70℃，持续加热时间为15~20s。
所述步骤E中通过调节电源电流或电压的大小，提供的功率逐渐增加时，温度逐渐增加，三维柔性电子电路图案的三维曲率逐渐变化，由其初始的三维状态逐渐变化为平面状态；当关闭电源，随着温度的降低，柔性电子电路图案由平面状态逐渐变化到初始的三维状态。
本发明的有益效果是：
1、本技术方案采用一台电流体动力学喷印设备实现三维柔性电子电路图案的制造，工艺流程简单，实用性和经济性好，可以满足未来定制化电子产品结构和功能一体化制造的需要。
2、通过设计不同的能产生三维变形图案，实现任意形状的三维柔性电子电路图案的制备。
3、根据三维物体不同曲率表面形状的需求使柔性电子柔性基板产生相应的变形，所产生变形的三维柔性电子器件与三维物体表面可实现无缝贴合，在使用过程中柔性电子器件不易从三维物体表面脱落，具有更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明方法制备柔性电子电路图案。
图2为本发明方法制备能产生三维变形图案。
图3为本发明方法制备的三维柔性电子电路器件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：本发明采用双喷头的电流体动力学喷印方法制备三维柔性电子电路图案，本发明的制备方法是利用电流体动力学喷印技术分别将不同材料喷印在柔性基板的上下两个表面，其中在一个表面上用喷射***的喷头喷印无机/有机导电材料制成的喷印溶液制备柔性电子电路图案；通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***的喷头，在另一个表面上喷印均匀混合纳米级颗粒石墨烯粉末的熔融聚乳酸（PLA）溶液制备能产生三维变形图案。
本发明的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案方法包括以下步骤：
（1）电流体动力学喷印无机/有机导电材料制成的喷印溶液制备柔性电子电路图案，其实现过程如下：
1）将无机/有机导电材料制成的喷印溶液装入喷射***中；
2）把表面经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇( PVA )、聚酰亚胺 ( PI ) 、聚萘二甲酸乙二醇酯( PEN )、纺织材料、纸片等柔性材料中的一种材料，根据预制备的柔性电子规格要求，制成合适大小的二维平面作为柔性基板，平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
3）将预喷印的柔性电子电路图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印的柔性电子电路图案；
4）根据预喷印的柔性电子电路图案，规划预喷印柔性电子电路图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印柔性电子电路图案路径的数据文件；
5）根据预喷印柔性电子电路图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、溶液流量和喷印平台移动速度等工艺参数；
6）根据预喷印柔性电子电路图案路径的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，将装有无机/有机导电材料喷印溶液的喷射***的喷头定位在预喷印柔性电子电路图案喷印路径的起始位置，以设定的工作电压、喷射高度、溶液流量和喷印平台移动速度等工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着规划的预喷印柔性电子电路图案的喷印路径进行柔性电子电路图案喷印，同时喷印平台对已喷印的电路图案进行加热固化，直到完成喷印和固化所有的电路图案，将喷印平台移出喷印位置。
（2）电流体动力学喷印均匀混合纳米级颗粒石墨烯粉末的熔融聚乳酸（PLA）溶液制备能产生三维变形图案，其实现过程如下：
1）将柔性基板从喷印平台上取下来，并将已喷印柔性电子电路图案的一面朝下，相反的一面朝上，平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
2）将混合均匀的纳米级别颗粒的聚乳酸（PLA）粉末和石墨烯粉末装入到通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***中；
3）将预喷印能产生三维变形图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印能产生三维变形图案；
4）根据预喷印能产生三维变形图案，规划预喷印能产生三维变形图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印能产生三维变形图案路径的数据文件；
5）根据预喷印的能产生三维变形图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、气泵压力和喷印平台移动速度等工艺参数；
6）根据喷印的能产生三维变形图案路径的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，并将通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***的喷头定位在预喷印能产生三维变形图案路径的起始位置，以设定的工作电压、喷射高度、气泵压力和喷印平台移动速度等工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着喷印能产生三维变形图案路径进行三维变形图案喷印，直到完成所有的三维变形图案的喷印，将喷印平台移出喷印位置。
本实施例中的石墨烯和聚乳酸的质量比为0.1%-1%，该配比经过多次试验后得出。
（3）将已喷印三维变形图案的柔性基板从喷印平台上取下来，将其放入已预热温度为70℃的对流烘箱中进行热处理，持续加热15~20s，把它从烤箱中取出来，自然冷却到室温，二维平面柔性基板变形为所需要的三维形状，平面柔性电子电路图案由二维形状变形为三维柔性电子电路图案。
（4）在喷印三维变形图案的喷印路径始末位置两端制作电极，将电源的正负极连接到所制作的电极上，通过调节电源电流或电压的大小，提供的功率逐渐增加时，温度逐渐增加，三维柔性电子电路图案的三维曲率逐渐变化由其初始的三维状态逐渐变化为平面状态，当关闭电源，随着温度的降低，柔性电子电路图案由平面状态逐渐变化到初始的三维状态。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
（1）采用一台电流体动力学喷印设备实现三维柔性电子电路图案的制造，工艺流程简单，实用性和经济性好，可以满足未来定制化电子产品结构和功能一体化制造的需要。
（2）通过设计不同的能产生三维变形图案，实现任意形状的三维柔性电子电路图案的制备。
（3）根据三维物体不同曲率表面形状的需求使柔性电子柔性基板产生相应的变形，所产生变形的三维柔性电子器件与三维物体表面可实现无缝贴合，在使用过程中柔性电子器件不易从三维物体表面脱落，具有更高的可靠性。
各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (7)

1.电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，其步骤包括：
A、将柔性基板平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上；
B、用电流体动力学喷印设备的喷射***向柔性基板的上表面喷印无机/有机导电材料制成的喷印溶液，完成喷印和固化所有的电路图案；
C、将柔性基板已喷印柔性电子电路图案的一面朝下，相反的一面朝上，平铺并固定在电流体动力学喷印设备的喷印平台上，喷印均匀混合纳米级颗粒石墨烯粉末的熔融聚乳酸溶液，完成三维变形图案的喷印；
D、对柔性基板进行热处理，完成后取出并进行自然冷却至室温；
E、在喷印三维变形图案的喷印路径始末位置两端制作电极，将电源的正负极连接到所制作的电极上，通过调节电源电流或电压的大小，来改变温度高低，实现三维柔性电子电路图案的三维曲率在三维状态和平面状态之间的变化。
2.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，所述步骤A中柔性基板的材料为经过亲水处理的聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、纺织材料、纸片中的一种。
3.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1、将无机/有机导电材料制成的喷印溶液装入喷射***中；
B2、将预喷印的柔性电子电路图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印的柔性电子电路图案；
B3、根据预喷的印柔性电子电路图案，规划预喷印柔性电子电路图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印柔性电子电路图案路径的数据文件；
B4、根据预喷印柔性电子电路图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、溶液流量和喷印平台移动速度；
B5、根据步骤B3的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，将喷射***的喷头定位在预喷印柔性电子电路图案喷印路径的起始位置，以设定的工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着规划的喷印路径进行柔性电子电路图案喷印，同时喷印平台对已喷印的电路图案进行加热固化，直到完成喷印和固化所有的电路图案，将喷印平台移出喷印位置。
4.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，所述步骤C包括：
C1、将混合均匀的纳米级别颗粒的聚乳酸粉末和石墨烯粉末装入到通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***中；
C2、将预喷印能产生三维变形图案导入到电流体动力学喷印设备的控制***中或在电流体动力学喷印设备的控制***中绘制预喷印能产生三维变形图案；
C3、根据预喷印能产生三维变形图案，规划预喷印能产生三维变形图案的喷印路径，并将喷印路径生成预喷印能产生三维变形图案路径的数据文件；
C4、根据预喷印的能产生三维变形图案的宽度，设定电流体动力学喷印的工作电压、喷射高度、气泵压力和喷印平台移动速度；
C5、根据步骤C3的数据文件，通过电流体动力学喷印设备的控制***移动喷印平台，并将通过气泵施加压力的带有加热功能的喷射***的喷头定位在预喷印能产生三维变形图案路径的起始位置，以设定的工艺参数，在柔性基板的上表面，沿着喷印能产生三维变形图案路径进行三维变形图案喷印，直到完成所有的三维变形图案的喷印，将喷印平台移出喷印位置。
5.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，所述步骤C中石墨烯和聚乳酸的质量比为0.1%-1%。
6.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于，所述步骤D中的热处理的温度为70℃，持续加热时间为15~20s。
7.根据权利要求1所述的电流体动力学喷印任意三维柔性电子电路图案的方法，其特征在于：所述步骤E中通过调节电源电流或电压的大小，提供的功率逐渐增加时，温度逐渐增加，三维柔性电子电路图案的三维曲率逐渐变化由其初始的三维状态逐渐变化为平面状态；当关闭电源，随着温度的降低，柔性电子电路图案由平面状态逐渐变化到初始的三维状态。
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