一种聚合物柔性薄膜的制备方法与流程

本发明涉及一种聚合物柔性薄膜的制备方法，具体涉及一种高精度聚合物柔性薄膜衬底的涂覆－超低温磨削复合制备方法，属于精密与超精密加工技术领域。

背景技术：

柔性电子技术是将有机或无机材料电子器件制作在柔性可延性塑料或薄金属基底上的新兴电子技术。随着柔性电子研究的进一步发展，柔性电子器件制备工艺的不断完善，未来相关柔性电子产品将会极大丰富并充斥市场，受到人们的热烈追捧，并将引起电子技术的革命，对人类的生活产生重大影响。

柔性电子技术已经在太阳能电池、电子皮肤、柔性显示和照明等领域已显现出极大的发展潜力。柔性显示和照明产品因其耐冲击、抗震、质量轻、体积小以及携带方便等优点逐渐成为新一代产品的代表。以有机电致发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)为例，因其具备自发光、无需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于柔性面板、使用温度范围广等优异特性，被应用到柔性照明和显示器件中，被认为是下一代的新兴照明显示应用技术。

聚合物柔性薄膜有着良好的物理和化学性能，相比硅基材料有着更好的生物兼容性、电绝缘性和热隔离性。常用的柔性薄膜材料有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇，聚碳酸酯等，根据实际需求其厚度需要控制在十几微米到几百微米的范围。在实际应用过程中，聚合物柔性薄膜不仅需要承受拉伸、卷曲等大变形，更需要为上层结构的加工提供平坦的表面，因此其全局厚度均一性和表面局部平整性对柔性电子器件的物理性能有着显著的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种聚合物柔性薄膜磨削复合制备工艺，以解决聚合物薄膜加工制备过程中面形以及表面粗糙度不理想的问题。本发明所述方法采用涂覆和超低温磨削复合加工聚合物，无需设计特殊模板，同时又适用于各种批量的生产和多品种、新产品的开发。

一种聚合物柔性薄膜的制备方法，所述方法为：

在超平滑衬底上涂覆聚合物并使其固化，得到聚合物薄膜；使聚合物薄膜发生玻璃化；对已玻璃化的聚合物薄膜的表面进行磨削处理，

其中，所述超平滑衬底的面形精度PV值为5μm～10μm，表面粗糙度小于5nm；所述聚合物为玻璃化温度低于-20℃的高分子聚合物。

上述技术方案中，优选将聚合物薄膜与液氮接触使聚合物薄膜发生玻璃化。

进一步地，在维持液氮与聚合物薄膜的表面相接触的情况下，对已玻璃化的聚合物薄膜的表面进行磨削处理。

上述技术方案中，进一步地，将进行磨削处理后的聚合物薄膜置于常温常压下，既得目标聚合物薄膜。

上述技术方案中，所述超平滑衬底为可进行抛光加工的衬底材料，经过加工之后使其面形和粗糙度均达到面形精度PV(Peak Value)值为5μm～10μm，表面粗糙度小于5nm，如硅衬底、玻璃衬底等。

上述技术方案中，所述的聚合物为热固性聚合物，常温下为液体状态，加热后可以固化，优选为聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)。

上述技术方案中，在将聚合物涂覆于衬底上时，可直接使用液态聚合物本身，也可使用聚合物溶于溶剂后形成的溶液等，其为本领域的现有技术，本领域的技术人员可使用现有技术公开的在衬底上制备聚合物薄膜的方法完成上述操作。

上述技方案中，优选所述在超平滑衬底上采用旋涂的方式在超平滑衬底上涂覆聚合物。

进一步地，优选利用匀胶机在超平滑衬底上旋涂聚合物，匀胶机转速为500r/min～9000r/min；所述固化的温度为30℃～95℃，固化时间至少1小时。

本发明所述聚合物柔性薄膜的制备方法优选对已玻璃化的聚合物薄膜的表面进行磨削处理，使聚合物薄膜表面的面形精度PV值小于1μm，表面粗糙度小于10nm。

本发明所述聚合物柔性薄膜的制备方法优选利用超精密数控磨床对表面已玻璃化的聚合物薄膜进行面形以及表面粗糙度加工处理。

进一步地，所述磨削可利用超精密铣设备配合不同目数的砂轮或者磨头，将玻璃化后的聚合物薄膜进行磨削加工，使其面形精度小于1μm，表面粗糙度小于10nm。

本发明所述聚合物柔性薄膜的制备方法优选所述聚合物薄膜表面发生玻璃化的步骤在下述玻璃化装置中进行：

所述玻璃化装置包括箱体，所述箱体内置容器，所述容器设有侧板和底板，所述底板与箱体的底板相固定；所述容器的侧板与箱体的侧板高度相同，用于支撑箱盖；所述箱盖由透明材料制得，且在箱盖的中心部位设有加工孔，该加工孔用于使磨削刀具加工时进入容器内进行加工；所述容器的底板中心部分固定载物台，载物台两个侧边通过螺纹连接部件固定压条。

进一步地，将其上附着聚合物薄膜的衬底用压条固定在载物台上，并用螺纹连接部件紧固；将液氮以0.5L/min的速度倒入容器中，直到聚合物薄膜被浸没为止，静置3～5分钟。

上述玻璃化装置既能够实现待加工样品在液氮中浸泡，从而玻璃化，也可以对待加工样品进行固定，避免由于超低温带来的影响。

本发明所述聚合物柔性薄膜的制备方法一个优选的技术方案为：

(1)使用超精密抛光机加工超平滑旋涂衬底，控制其面形精度PV值为5μm～10μm，表面粗糙度小于5nm；

(2)使用匀胶机在步骤(1)中制备的衬底上旋涂聚合物薄膜，并将其固化，固化的温度为30℃～95℃，固化时间至少1小时；

(3)使用玻璃化装置对聚合物薄膜进行“玻璃化”处理；

(4)利用超精密磨设备对玻璃化后的聚合物薄膜表面的面形以及表面粗糙度进行加工；

(5)恢复室温，得到目标面形精度和表面粗糙度的聚合物薄膜。

本发明的有益效果：本发明所述方法实现了高精度聚合物柔性薄膜的机械加工，提高了聚合物薄膜的精度，并且使用机械加工的方法，不依赖于模板的精度，提高了加工效率。与现有技术比较，本发明所述的复合制备高精度聚合物薄膜的方法具有以下优点：1、通过高精度旋涂基底的制备，保证具有高尺寸精度，高表面质量的旋涂基底，为聚合物薄膜的机械加工减小加工余量。2、本发明可以在超低温环境下，实现高效、精密的聚合物柔性薄膜材料复合制备，有效提高效率。

附图说明

图1是玻璃化装置的示意图；

图2是超低温磨削平台示意图；

图3是实施例一聚合物常温加工后表面高度特征，其中，图中横坐标为在X轴方向距离零点的距离，零点为旋涂得到的圆形聚合物薄膜的中心；

图4是实施例一聚合物原始表面与超低温磨削后表面高度特征对比，其中所测得的超低温磨削后表面高度是将磨削后的聚合物薄膜置于常温下测得的；

图5是实施例二聚合物原始表面与超低温磨削后表面高度特征对比，其中所测得的超低温磨削后表面高度是将磨削后的聚合物薄膜置于常温下测得的，

附图标记如下：1、箱盖，2、箱体，3、压条，4、螺纹连接部件，5、载物台，6、容器，7、电主轴，8、刀柄，9、液氮，10、力传感器，11、磨头，12、超精密机床，13、机架。

下述实施例中所用玻璃化装置与磨削装置，如图1和2所示，

所述玻璃化装置包括箱体2，所述箱体2内置容器6，所述容器6设有侧板和底板，所述底板与箱体的底板相固定；所述容器6的侧板与箱体的侧板高度相同，用于支撑箱盖1；所述箱盖1由透明材料制得，且在箱盖1的中心部位设有加工孔，该加工孔用于使磨削刀具加工时进入容器6内进行加工；所述容器6的底板中心部分固定载物台5，载物台5两个侧边通过螺纹连接部件4固定压条3。所述螺纹连接部件4为螺钉。

将玻璃化装置置于力传感器10上，力传感器10置于超精密机床12的机架13上，超精密机床12的磨头11固定在刀柄8上，刀柄连接电主轴7。磨头11探入容器6内对聚合物薄膜进行加工。

具体实施方式

实施例一

在OLED制备过程中，要求衬底平整以减小由于“不平”给器件显示带来影响，因此对全局膜厚均一性以及局部表面平整性要求很高，较为平整的衬底可以大大提高此器件的发光性能，通常使用的薄膜厚度为10～200μm的衬底薄膜，厚度均一性小于2μm。同时，有研究者提出，当薄膜的表面粗糙度(Ra)小于0.5nm时，会为后续0.5～1.0nm的金属层的溅射提供更好的衬底，可以提高OLED器件的色彩显示清晰度，更加有利于制备显示性能好且具有柔性性质的OLED器件。

用于制备该OLED的PDMS聚合物薄膜可以用所述旋涂-超低温磨削复合制备方法获得。

具体加工工艺步骤如下：

(1)获得超平滑的旋涂衬底，本实施案例中选择硅片作为衬底，采用抛光的方式对硅片进行精加工，使其面形精度PV值小于10μm，表面粗糙度Ra小于0.5nm，在旋涂前用超声清洗，得到干净平滑的旋涂衬底；

(2)将硅橡胶预聚物Sylgard 184与固化剂(Dow Corning，USA)以10:1的比例混合，并搅拌均匀，抽真空使其没有气泡，并使用匀胶机进行旋涂，旋涂厚度15μm，转速3000r/min，旋转120s，90℃烘箱中加热固化；

(3)取出固化后的聚合物薄膜，用平面度仪以及白光干涉仪测量其面形精度1μm以及表面粗糙度0.01μm；要求面形精度小于0.7μm，并与需求进行对比，并估计去除量为0.3μm。

(4)将附着有聚合物薄膜的衬底夹持在玻璃化装置的载物台5上，将液氮以0.5L/min的速度倒入容器6中，倾倒5min，直到薄膜材料被浸没为止，静置5分钟；

(5)待薄膜玻璃化之后，使用超精密磨头进行磨削加工，使薄膜的面形小于0.7μm，表面粗糙度小于10nm。恢复室温，得到目标面形精度和表面粗糙度的聚合物薄膜。

在液氮超低温环境下表面玻璃化的PDMS经过磨削后的面形特征，从图3、图4中可以看出，PV值降低到0.02μm，表面粗糙度Ra为0.008μm，此样品的表面质量优于旋涂法获得的薄膜表面。

实施例二

用于制备该太阳能薄膜电池的PMMA聚合物薄膜可以用所述旋涂-超低温磨削复合制备方法获得。

具体加工工艺步骤如下：

(1)获得超平滑的旋涂衬底，本实施案例中选择硅片作为衬底，采用抛光的方式对硅片进行精加工，使其面形精度PV值小于10μm，表面粗糙度Ra小于0.5nm，在旋涂前用超声清洗，得到干净平滑的旋涂衬底，与实施例一相同；

(2)将PMMA颗粒溶解于苯甲醚溶液中，制备PMMA含量为6％的PMMA溶液，并使用匀胶机进行旋涂，并搅拌均匀，并使用匀胶机进行旋涂，旋涂厚度30μm，转速1000r/min，旋转120s，90℃烘箱中加热固化；

(3)取出固化后的聚合物薄膜，用平面度仪以及白光干涉仪测量其面形精度3μm以及表面粗糙度0.01μm，要求面形精度小于1μm，并与需求进行对比，并估计去除量为2μm。

(4)将附着有聚合物薄膜的衬底夹持在玻璃化装置的载物台5上，将液氮以0.5L/min的速度倒入容器6中，倾倒5min，直到薄膜材料被浸没为止，静置5分钟；

(5)待薄膜玻璃化之后，使用超精密磨头进行磨削加工，使薄膜的面形精度小于0.7μm，表面粗糙度小于10nm。恢复室温，得到目标面形精度和表面粗糙度的聚合物薄膜。

在液氮超低温环境下表面玻璃化的PMMA经过磨削后的面形特征，从图5中可以看出，PV值降低到0.01μm，表面粗糙度Ra为0.005μm，此样品的表面质量优于旋涂法获得的薄膜表面。

实施例三

用于辅助医疗用品的聚氯乙烯(PVC)聚合物也可以用所述旋涂-超低温磨削复合制备方法获得。具体加工工艺步骤如下：

(1)获得超平滑的旋涂衬底，本实施案例中选择硅片作为衬底，采用抛光的方式对硅片进行精加工，使其面形精度PV值小于10μm，表面粗糙度Ra小于0.5nm，在旋涂前用超声清洗，得到干净平滑的旋涂衬底，与实施例一、二相同；

(2)将PVC颗粒溶解于环己酮或四氢呋喃中，制备PVC含量为15％的溶液，并使用匀胶机进行旋涂，并搅拌均匀，并使用匀胶机进行旋涂，旋涂厚度20μm，转速2000r/min，旋转100s，90℃烘箱中加热固化；

(3)取出固化后的聚合物薄膜，用平面度仪以及白光干涉仪测量其面形精度3.7μm以及表面粗糙度0.01μm，要求面形精度小于1μm，并与需求进行对比，并估计去除量为2.7μm。

(4)将附着有聚合物薄膜的衬底夹持在玻璃化装置的载物台5上，将液氮以0.5L/min的速度倒入容器6中，倾倒5min，直到薄膜材料被浸没为止，静置5分钟；

(5)待薄膜玻璃化之后，使用超精密磨头进行磨削加工，使薄膜的面形精度小于0.8μm，表面粗糙度小于10nm。恢复室温，得到目标面形精度和表面粗糙度的聚合物薄膜。

在液氮超低温环境下表面玻璃化的PVC经过磨削后的面形特征，PV值降低到0.3μm，表面粗糙度Ra为0.007μm，此样品的表面质量优于旋涂法获得的薄膜表面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。