一種柔性透明電路的製備方法與流程

2024-03-31 08:04:05

本發明屬於電路及電路板領域，具體涉及柔性透明電路的製備方法。

背景技術：

隨著可穿戴醫療設備和透明電子設備產業迅猛發展，柔性透明電路開始被越來越多的研究人員關注，柔性透明電路材料和方法的突破對以上兩個領域都具有重要的意義。目前，只有很少數關於柔性透明電路的報導，其中最為常用的材料是石墨烯。但是關於石墨烯形成的透明電路，具有以下的弱點：

1.石墨烯薄膜容易形成褶皺，尤其是大面積的石墨烯薄膜

2.石墨烯薄膜很難進行精確的質量控制，薄膜上容易產生破損

3.石墨烯薄膜很難進行大規模生產

4.最好的石墨烯薄膜方塊電阻在100歐姆左右，透明度僅達到90％

最近，有研究者應用表面圖案化的方法，用納米粒子構築柔性透明電路。但是這種方法工藝複雜，電路控制不精確，電路不能同時獲得良好的導電性、透明度和柔韌性，限制其應用。

中國專利cn101505575a公開了一種基於pdms生物可兼容性的柔性電路的製備方法，雖然該專利基材pdms是透明的，但是電路部分液態金屬錫銦鎵合金是非透明的，即形成的是基材透明而導電物質不透明的電路。同時，該柔性電路中導電部分是液態金屬，導電器件和導線與液態金屬接觸的地方容易發生液體洩漏，不能隨便插拔，否則會導致電路失效。由於柔性電路的導電部分是液態金屬，必須在帶有孔道的基材上覆蓋另外一片片材，使片材和基材共同形成一個完整的封閉孔道，這樣導電金屬液體才能保持在孔道中不流失，因此對於孔道的密封性要求很高，封閉不好，容易發生液態金屬的洩漏，造成短路。

技術實現要素：

為彌補現有技術空白，本發明提供一種柔性透明電路的製備方法，該方法製備的柔性透明電路不僅基材是透明的，電路導體部分也是透明的，實現了真正意義上的透明電路。該透明電路不僅導電性好，還具有優異的拉伸、彎折、扭曲性能。該透明電路對柔性透明電子設備的開發和可穿戴醫療設備的開發具有重要意義。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案。一種柔性透明電路的製備方法，包括如下步驟：

s1、製備電路模板；

s2、在電路模板上用柔性透明高分子材料製成帶有凹槽電路結構的固化透明載體；

s3、在固化透明載體的凹槽中塗布含有導電材料的溶液，待溶劑揮發後，導電材料存在於凹槽電路結構中，形成柔性透明電路清除凹槽外面的導電材料，形成透明柔性電路。

步驟s1中所製備的電路模板的形狀、大小、電路的長、寬、高可以根據實際需要自由進行設計。電路圖案不局限於直線型一種，可以根據需要進行設計，即電路可以是曲線型、折線型、方波型、波形、圓形、橢圓形、環形等各種形狀，或者是以上形狀的任意組合。電路中每條線路的長、寬、高都是可以根據需要進行變化。電路模板也不局限於平面一種，還可以是曲面的，或者是3d的。

作為優選，所述步驟s1在硬質光滑材料上通過光刻，加工，熱塑，電拋光，3d列印等任一種方法製備出具有突出表面結構的電路，得到電路模板；本發明中突出表面結構指電路圖案的高度是高於整體材料平面的，也就是電路模板上電路是凸出來的。本發明中硬質光滑材料可以是矽片、金屬、高分子材料中任一種，所述高分子材料可以是熱敏性高分子材料，如酚醛樹脂，也可以是硬性高分子材料，如聚四氟乙烯。

本發明所述步驟s2可以通過兩種方式來實現。

第一種方式：將組成柔性透明高分子材料的單體混合物或反應物的混合液澆注到電路模板的表面，待透明高分子材料進行固化反應後，將固化的透明材料從電路模板上剝離，得到具有凹槽電路結構的固化透明載體；

將柔性透明高分子材料單體混合物如聚二甲基矽氧烷的a液和b液，或反應物的混合液如製備矽水凝膠混合液，製備水凝膠的混合液，將上述混合物或混合液澆注到帶有電路的模板上，進行固化反應，柔性透明高分子材料最初是液態，通過反應最終為固態，並能一直保持固態形狀。上述柔性透明高分子材料不局限於已列舉的幾種材料還可以包括如聚乙烯醇水凝膠，殼聚糖水凝膠等材料。電路模板凸出的電路圖案，致使固化的柔性透明高分子上具有凹槽型電路圖案。有些高分子材料如聚乙烯醇水凝膠在固化前需要去除氣泡，最後透明高分子材料以透明固體形式存在。

第二種方式：應用3d列印技術，直接應用柔性透明高分子材料如pdms，矽水凝膠，殼聚糖水凝膠等進行3d列印，得到具有凹槽電路結構的固化透明載體。

步驟s3中，首先將導電材料分散於可揮發溶劑中，在固化透明載體的凹槽中塗布含有導電材料的溶液，並將塗於凹槽外的導電材料清理乾淨。待溶劑揮發後，導電材料均以固體形態存在於凹槽電路結構中，形成柔性透明電路；所述導電材料不局限於銀納米線，銅納米線，金納米線，導電水凝膠，碳納米管，石墨烯，納米金鍊或納米粒子中一種或一種以上。在固化透明載體的凹槽中塗布導電材料，可以採用直接塗布，噴塗，旋塗等任一種塗布形式。

電路形成後，為了保護凹槽內的導電材料，增加導電材料在透明基質上的穩定性和抗氧化性，可增加步驟s4：在柔性透明電路的表面上鋪展柔性透明高分子材料。將電路夾心於兩種透明材料中央，可以起到保護電路並防止氧化的作用。凹槽內的導電材料之間互相形成連接，導電材料在凹槽內分布均勻，使電路板具有良好的導電性。

上述方法中還可以包括步驟s5：將透明柔性電路與外界導通。所述導通是導電材料通過與電子器件或外界電源或能夠導電的導線的連接來實現。柔性電路與電子器件或電源的導通，是通過將電子器件的導電部分或導線與柔性透明電路凹槽內的導電物質連接形成迴路。電子器件或導線可以預埋或插入到柔性透明導電材料內部。

本發明另一個目的是請求保護一種多層柔性透明電路，按照本發明所述任一種方法製備至少兩個柔性透明電路，將其疊加在一起，通過導電材料貫穿，得到多層柔性透明電路。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明形成柔性電路具有高透明度，不僅電路的柔性高分子材料載體是透明的，而且導電材料也是透明的。具有優異的導電性，形成電路的導電物質為幹態，底部凹槽無需封閉，導電器件和導線可以隨時插入或拔出電路，導電物質不會流失而導致電路失效。本發明的柔性透明載體重量輕、均具有生物可兼容性的特點，在柔性透明載體上形成的透明電路可以方便貼附於人或動物的身體表面或植入體內，電路不會受動物或人的行動影響而停止工作。利用柔性基底的柔性，實現電路良好的拉伸、扭曲和彎折性能，插入導電器件和導線進行正反180度多次摺疊，仍保持優秀的耐彎折，拉伸和扭曲性能。電路根據需要進行設計和製備，精度可以達到微米或納米級別。

本發明製備過程簡單，重現性好，獲得的電路更加輕便。該方法製備電路有望應用於智能隱形眼鏡，可捲曲的透明電子設備，電子皮膚等眾多領域。

附圖說明

本發明附圖共四幅：

圖1是柔性透明電路製備流程圖；

以帶有光刻膠圖案的矽片模板作為電路模板，以銀納米線為導電材料，形成具有微結構的柔性透明電路製備方法流程圖。

圖2是本發明方法製備的導電材料經多次正反彎折後電阻變化曲線；

圖3是本發明製備的柔性透明電路在亮燈情況下的拉伸圖；

圖4是本發明製備的柔性透明電路的亮燈照片。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明的技術方案進一步的說明，但本發明不以任何形式受限於實施例內容。實施例中所述實驗方法如無特殊說明，均為常規方法，如無特殊說明，所述化學試劑和材料，均可從商業途徑獲得。下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。本發明所用的乙醇，為優級純。

實施例1

本發明所用的銀納米線(agnws)乙醇溶液，規格為：直徑30nm，長度100～200um，濃度20mg/ml，溶劑為無水乙醇。

(一)製備電路模板

利用光刻技術，用su-2050光刻膠在4英寸的矽片上刻出具有突出表面結構的電路，得到電路模板。

(二)製備pdms透明載體

將聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)的a液和b液按照10:1的比例混合均勻，倒入用光刻有電路圖形的矽片製成的模板上，放入真空乾燥器中將pdms中的氣泡抽乾淨，用時1小時左右，再放入80℃的烘箱中加熱固化1小時，得到帶有電路凹槽的固化透明pdms載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置agnws乙醇溶液0.3mg/ml。

b.吸取agnws溶液40ul滴於固化透明pdms載體表面，並於旋塗加速度300rpm，旋塗轉速3000rpm的條件下旋塗40s。

c.再重複步驟b兩次，將agnws乙醇溶液塗布於電路板凹槽中，等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉凹槽外多餘的agnws，得到柔性透明電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為3.21ω，透過率為92.48％的透明柔性電路。

實施例2

本發明所用的銅納米線(cunws)乙醇溶液，規格為：直徑20nm，長度80um，濃度20mg/ml，溶劑為無水乙醇。

(一)製備電路模板

利用光刻技術，用su-2050光刻膠在4英寸的矽片上刻出所需電路的模板。

(二)製備pdms透明載體

將聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)的a液和b液按照10:1的比例混合均勻，倒入用光刻有電路圖形的矽片製成的模板上，放入真空乾燥器中將pdms中的氣泡抽乾淨，用時1小時，再放入80℃的烘箱中加熱固化1小時，得到帶有電路凹槽的pdms透明載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置cunws乙醇溶液0.4mg/ml。

b.吸取cunws溶液60ul滴於pdms透明載體表面，並於旋塗加速度300rpm，旋塗轉速3000rpm的條件下旋塗40s。

c.再重複b中步驟兩次，等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉凹槽內cunws，得到透明柔性電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為5.62ω，透過率為93.17％的透明柔性電路。

實施例3

本發明所用的金納米線(aunws)乙醇溶液，規格為：直徑3nm，長度50um，濃度20mg/ml，溶劑為無水乙醇。

(一)製備電路模板

利用光刻技術，用su-2050光刻膠在4英寸的矽片上刻出所需電路的模板。

(二)製備pdms透明載體

將聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)的a液和b液按照10:1的比例混合均勻，倒入用光刻有電路圖形的矽片製成的模具上，放入真空乾燥器中將pdms中的氣泡抽乾淨，大概用時1小時，再放入80℃的烘箱中加熱固化1小時，得到帶有電路凹槽的pdms透明載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置aunws乙醇溶液0.5mg/ml。

b.吸取aunws溶液30ul滴於透明矽水凝膠晶片的凹槽裡，等乙醇溶液揮發後，再繼續塗兩次。

c.等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉凹槽外的aunws，得到透明柔性電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為2.38ω，透過率為95.02％的透明柔性電路。

實施例4

本發明所用的金納米線(aunws)乙醇溶液，規格為：直徑3nm，長度50um，濃度20mg/ml，溶劑為無水乙醇；

(一)製備電路模板

利用鋁合金金屬加工技術，在鋁合金上打磨出所需電路的具有突出表面結構的電路模板。

(二)製備矽水凝膠柔性透明載體

將引發劑偶氮二異丁腈(用量為總劑量的0.2wt％)和交聯劑n,n-亞甲基雙丙烯酸醯胺(用量為總劑量的1.0wt％)完全溶解於8:1:1質量比的甲基丙烯酸羥乙酯，n-乙烯基吡咯烷酮和γ-(甲基丙烯醯氧)丙基三甲氧基矽烷混合溶液中，磁力攪拌30分鐘，均勻混合各物質並過濾後，倒入鋁合金模板上，放入90℃真空烘箱中反應2小時，固化後脫模，得到帶有電路凹槽的矽水凝膠柔性透明載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置金納米線乙醇溶液0.5mg/ml。

b.吸取金納米線溶液30ul滴於透明矽水凝膠晶片的凹槽裡，等乙醇溶液揮發後，再繼續塗兩次。

c.等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉孔道外的金納米線，得到透明柔性電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為4.52ω，透過率為94.36％的透明柔性電路。

實施例5

本發明所用的碳納米管(cnts)為羥基化的單壁長納米管，規格為：直徑1.1nm，長度50um，溶劑為乙醇溶液。

(一)製備電路模板

利用打磨技術，在聚四氟乙烯上打磨出所需電路。

(二)製備聚乙烯醇(pva)水凝膠透明載體

稱取5克聚合度為1750±50的pva樣品，以蒸餾水為溶劑配置1g/ml的pva水溶液。將配置好的pva水溶液置於磨口燒瓶中，用恆溫水浴加熱至90℃，攪拌至完全溶解。在60℃靜置30分鐘，除去溶液中的氣泡。然後倒入到聚四氟乙烯的電路模板上，在-20℃冰箱中進行極速冷卻。15個小時後取出在室溫中解凍6小時。解凍後繼續放入-20℃冰箱中進行極速冷卻。15個小時後取出在室溫中解凍6小時。重複冷凍-解凍循環10次。得到硬度較高並具有凹槽電路結構的聚乙烯醇(pva)水凝膠透明載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置cnts的乙醇溶液0.5mg/ml。

b.吸取cnts的乙醇溶液30ul滴於聚乙烯醇水凝膠透明載體的凹槽裡，等乙醇溶液揮發後，再繼續塗兩次。

c.等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉凹槽外的多餘的cnts，得到透明柔性電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為24.52ω，透過率為80.36％的透明柔性電路。

實施例6

本發明所用的金納米鏈，規格為：直徑5nm，長度90um，濃度0.5mg/ml，溶劑為乙醇溶液。

(一)製備電路模板

利用熱塑技術，在酚醛樹脂上製得具有突出表面結構的電路。

(二)製備殼聚糖水凝膠透明載體

稱取1.2克殼聚糖於潔淨的燒杯中，加入40ml2％的醋酸溶液，攪拌溶解；加入16ml3％戊二醛，攪拌，55℃恆溫1h得黃色透明殼聚糖水凝膠溶液；將溶液倒入帶有電路的酚醛塑料的模板上，室溫下放置48小時。得到黃色透明的殼聚糖水凝膠載體。

(三)製備柔性透明電路

a.配置金納米鏈乙醇溶液1mg/ml。

b.吸取金納米鏈溶液30ul滴於透明矽水凝膠晶片的凹槽裡，等乙醇溶液揮發後，再繼續塗兩次。

c.等乙醇溶液完全揮發後，利用3m膠帶粘掉凹槽外多餘的金納米鏈，得到透明柔性電路板，利用手持式四探針電阻儀測其表面電阻，利用紫外分光光度計測其在550nm波長下的透過率。經測試得到電阻為7.52ω，透過率為93.21％的透明柔性電路。

對本發明製備的柔性透明電路進行性能測試。

如圖2所示以pdms為透明高分子材料，以銀納米線為導電材料，形成的具有直線型電路的材料的彎折實驗數據。該電路進行了正反180度的彎折，隨著彎折度數的增加，正反彎折後電路的電阻基本不變。經電路可以進行2500次的正反彎折，彎折後電阻略有增加，但是增加的量很小。

如圖3所示以pdms為透明高分子材料，以銀納米線為導電材料，形成的具有直線型電路的拉伸實驗。led燈亮說明電路的通暢性，led燈在沒有拉伸和拉伸伸長了近35％時，燈的亮度基本沒有改變，說明該電路的可拉伸性能良好。

如圖4所示以pdms為透明柔性材料的複雜電路板，在中心圓形線路中插入led燈，線路的寬度是200微米。說明本發明方法可以製備微米級別的柔性透明電路。