一种耐疲劳性柔性电子器件的制备方法及产品与流程

本发明属于柔性电子器件技术领域，更具体地，涉及一种耐疲劳性柔性电子器件的制备方法及产品。

背景技术：

柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管oled、印刷rfid、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(skinpatches)等。与传统ic技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。

传统电子器件多为硬质材料，变形能力小，难以适应复杂环境且无法贴合人体皮肤实现拉伸扭转等形变，无法提供更好的人机交互体验。柔性电子器件可轻松应对各种复杂变形，以其独特的柔性和延展性在信息、能源、医疗、国防等众多领域有着广泛的应用前景。目前，可拉伸电极持续反复变形能力较差，是限制柔性电子器件发展的重要制约因素。由于多数柔性电子器件采用整体全包裹式封装方法，在封装后由于变形(弯曲、扭转、伸缩等)受到封装层的约束，一方面影响了整体的极限拉伸率，一方面降低了器件的重复变形次数。由于较差的疲劳性能，导致了大部分器件无法长久使用，造成了巨大的浪费

针对以上问题，有必要开发一种新的制作工艺，来提高柔性电子器件的拉伸性及疲劳性能。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耐疲劳性柔性电子器件的制备方法，其目的在于通过在封装时嵌入通道，提供柔性电极在拉伸时的可活动空间，减小封装层的约束，提高柔性电子器件的拉伸性及抗疲劳性能，使用寿命长。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种耐疲劳性柔性电子器件的制备方法，包含以下步骤：

s1：在辅助基底上刻画电极材料的形状结构，得到电极图案化薄膜结构；

s2：在所述电极图案化薄膜结构的周围构建电极材料可活动通道；

s3：在所述可活动通道内注入柔性材料，并将所述可活动通道的出入口包覆封装，得到耐疲劳性柔性电子器件。

进一步地，所述步骤s2采用溶解法或刻蚀法构建电极材料可活动通道。

进一步地，所述溶解法包括以下步骤：

a11:将置于辅助基底上的有机可溶薄膜和置于目标基底上的有机可溶薄膜刻画成与所述电极图案化薄膜结构相匹配的形状，得到有机可溶薄膜辅助基底和有机可溶薄膜目标基底；

a12:将所述电极图案化薄膜结构湿润并将其转印到所述有机可溶薄膜目标基底上；

a13:将所述有机可溶薄膜辅助基底与所述a12得到的产品相对压合，形成依次粘接的目标基底、有机可溶薄膜、电极图案化薄膜结构和有机可溶薄膜的四层结构；

a14:用柔性聚合物将所述步骤a13中得到的四层结构进行刮涂包覆，并加热固化，得到包覆有外壳的可活动通道结构；

a15：切除所述外壳的两端的余量，露出可活动通道结构的出入口；

a16：将a15得到的物品置于溶解液中，溶解所述有机可溶薄膜，得到可活动通道。

进一步地，所述溶解法包括以下步骤：

a11:将有机可溶薄膜置于辅助基底上并采用激光或者蚀刻的方法将所述有机可溶薄膜表面加工成预定的微结构，并将表面具有微结构的有机可溶薄膜转印到目标基底上，然后将表面具有微结构的有机可溶薄膜刻画成与所述电极图案化薄膜结构相匹配的形状，得到表面具有微结构的有机可溶薄膜目标基底；

a12:将所述电极图案化薄膜结构辅助基底湿润与所述表面具有微结构的有机可溶薄膜目标基底相对压合，将电极图案化薄膜结构转印到表面具有微结构的有机可溶薄膜目标基底上；

a13:将另一个有机可溶薄膜置于辅助基底上并采用激光或者蚀刻的方法将所述有机可溶薄膜表面加工成预定的微结构，并将表面具有微结构的有机可溶薄膜转印到辅助基底上，然后将表面具有微结构的有机可溶薄膜刻画成与所述电极图案化薄膜结构相匹配的形状，得到表面具有微结构的有机可溶薄膜辅助基底；

a14:将所述a12与所述a13得到的产品相对压合，形成依次粘接的目标基底、表面具有微结构的有机可溶薄膜、电极图案化薄膜结构和表面具有微结构的有机可溶薄膜的四层结构；

a15:用柔性聚合物将所述步骤a14中得到的四层结构进行刮涂包覆，并加热固化，得到包覆有外壳的可活动通道结构；

a16：切除所述外壳的两端的余量，露出可活动通道结构的出入口；

a17：将a16得到的物品置于溶解液中，溶解所述有机可溶薄膜，得到可活动通道。

进一步地，所述刻蚀法包括以下步骤：

b1：将所述置于辅助基底上的电极图案化薄膜结构湿润，并将电极图案化薄膜结构转印到目标基底上，得到电极图案化薄膜结构目标基底；

b2：采用激光、切割或者蚀刻在另一个目标基底上刻画凹槽，所述凹槽与所述电极图案化薄膜结构的形状相匹配；

b3：采用等离子技术对所述刻有凹槽的目标基底的表面进行等离子处理，然后与所述电极图案化薄膜结构目标基底进行压合，得到可活动通道。

进一步地，所述辅助基底与目标基底为硅胶，优选的，所述辅助基底和目标基底为聚二甲基硅氧烷单体或水凝胶；优选的，所述辅助基底和目标基底的厚度为150mm～200mm。

进一步地，所述电极材料的厚度为40mm～70mm；优选的，所述电极材料为铜箔。

进一步地，所述有机可溶薄膜为聚乙烯醇薄膜，所述聚乙烯醇薄膜采用质量分数为7％-20％聚乙烯醇水溶液烘干制得，优选的，所述聚乙烯醇薄膜的厚度为40mm～70mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种耐疲劳性柔性电子器件，其特征在于，包括柔性包覆层、设于柔性包覆层内部的可活动通道、填充在可活动通道中的柔性材料以及设于所述可活动通道内部的电极材料。

进一步的，所述可活动通道的上下壁为锯齿状结构，优选的，所述可活动通道的上下壁上还设有络型微柱。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明的制备方法，在电极图案化薄膜结构周围构建电极材料可活动通道，并在所述可活动通道内注入柔性材料，然后将所述可活动通道的出入口包覆封装，得到耐疲劳性柔性电子器件，该电子器件的可活动通道使导线在拉伸时具有较大的形变空间，减小了电极材料的应力集中，使得该电子器件整体的极限拉伸率和耐疲劳性能得以显著提升，同时该方法操作简便，制备工艺简单。

(2)本发明的制备方法，采用溶解法、激光切割、切割或光刻的方法获得可活动通道，可精确控制可活动通道的形状和大小，使得该可活动通道与电极材料的形状相匹配，从而使得电极材料在可活动通道中可实现一定比例的自由形变，可抵抗各种极端变形，并自适应外部变形，同时能够回复原来形状，从而增加柔性电子器件的使用寿命。

(3)本发明的制备方法，可活动通道结构采用聚乙烯醇薄膜构建，能够非常方便调整聚乙烯醇薄膜结构参数以适应不同形状尺寸的电极材料，同时，聚乙烯醇薄膜包裹在电极材料的外侧便于控制电极材料在可活动通道内的位置，减小电极材料在反复拉伸中受到的摩擦力。

(4)本发明的制备方法，可活动通道内注入有柔性材料，使得设于可活动通道内部的电极材料包裹在柔性材料中，减小电极材料在反复拉伸中受到的摩擦力，缓冲电极材料的运动冲击和变形，从而增加柔性电子器件的抗疲劳性能和使用寿命。

(5)本发明的制备方法，通过将所述可活动通道的出入口包覆封装使柔性电子器件具备防水、抗压、耐摩擦等性能，能够抵抗一定程度的外界机械损伤，增加了整体的使用寿命。

(6)本发明的制备方法，电极材料的厚度为40mm～70mm，电极材料采用铜箔，具有良好的导电性能和柔韧性，高柔性电子器件的拉伸性及抗疲劳性能，使用寿命长。

(7)本发明制备的耐疲劳性柔性电子器件，包括柔性包覆层、设于柔性包覆层内部的可活动通道、填充在可活动通道中的柔性材料以及设于所述可活动通道内部的电极材料，可活动通道使电极材料在拉伸时具有较大的形变空间，减小了电极材料的应力集中，使得该柔性电子器件整体的极限拉伸率和耐疲劳性能得以显著提升，增加柔性电子器件的使用寿命。

(8)本发明制备的耐疲劳性柔性电子器件，可活动通道的上下壁为锯齿状结构，能减小电极材料在反复拉伸中受到的摩擦力。

(9)本发明制备的耐疲劳性柔性电子器件，可活动通道的上下壁上还设有络型微柱，能缓冲电极材料的运动冲击和变形，从而增加柔性电子器件的抗疲劳性能和使用寿命。

附图说明

图1(a)-(j)是本发明实施例1制备具备耐疲劳性柔性电子器件的工艺流程图；

图2(a)-(g)是本发明实施例2制备具备耐疲劳性柔性电子器件的工艺流程图；

图3(a)-(k)是本发明实施例3制备具备耐疲劳性柔性电子器件的工艺流程图；

图4是本发明实施例1涉及的电极材料俯视图；

图5是本发明实施例1涉及的可活动通道俯视图；

图6是本发明实施例2涉及的可活动通道俯视图；

图7是本发明实施例2涉及的可活动通道俯视图；

图8是本发明实施例涉及的一种耐疲劳性柔性电子器件；

图9是本发明实施例涉及的可活动通道的上下壁为锯齿状结构的耐疲劳性柔性电子器件；

图10是本发明实施例涉及的可活动通道上下壁上设有络型微柱的耐疲劳性柔性电子器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种耐疲劳性柔性电子器件的制备方法，其包括如下步骤：包含以下步骤：

s1：在辅助基底上刻画电极材料的形状结构，得到电极图案化薄膜结构；

s2：采用溶解法或刻蚀法在所述电极图案化薄膜结构的周围构建电极材料可活动通道；

s3：在所述可活动通道内注入柔性材料，并将所述可活动通道的出入口包覆封装，得到耐疲劳性柔性电子器件。

实施例1

如图1、如4和图5所示，具体步骤如下：

将电极材料粘附在加热固化的辅助基底上，将有机可溶薄膜粘附在加热固化的目标基底上，利用激光、切割、光刻等技术均可对电极材料和有机可溶薄膜进行图案化以获得所需的电极形状和有机可溶薄膜形状，从而得到电极图案化薄膜结构辅助基底和有机可溶薄膜目标基底。其中，金属电极多设计为蜿蜒蛇形形状，而聚合物电极则多为直线型，所述有机可溶薄膜的形状与电极图案化薄膜结构的形状相匹配。

将置于辅助基底上的电极图案化薄膜结构湿润与有机可溶薄膜目标基底相对压合，将电极图案化薄膜结构粘结在有机可溶薄膜上，将另一个有机可溶薄膜目标基底压合在粘接有电极图案化薄膜结构的有机可溶薄膜目标基底上，由于电极图案化薄膜结构5上的水分会润湿有机可溶薄膜6，使其具有一定粘性，将电极图案化薄膜结构5接触并粘结在有机可溶薄膜6上，制作一个载有有机可溶薄膜7的辅助基底，同样借助转印技术，润湿辅助基底上的有机可溶薄膜7，由于有机可溶薄膜7上的水分，会润湿目标基底上有机可溶薄膜6，使其具有一定粘性，将载有有机可溶薄膜的辅助基底与载有有机可溶薄膜6和电极图案化薄膜结构5的目标基底相对压合，使目标基底4上形成有机可溶薄膜6/电极图案化薄膜结构5/有机可溶薄膜7的三层结构；在具有三层结构的目标基底之上，用柔性聚合物进行刮涂包覆封装，并对所述包覆封装后的目标基底进行加热固化，待所述包覆封装的目标基底加热至固化后，切除通道结构两端的余量。

待所述通道结构两端的余量切除后，将上述得到的产品置入水中待有机可溶薄膜解后，电极图案化薄膜结构5周围便形成可活动的通道，使用注射器进行加压，排除通道内残留的有机可溶薄膜溶液，得到可活动通道。在可活动通道内注入柔性材料，并将出入口包覆柔性聚合物进行封装。

上述电极图案化薄膜为铜箔，铜箔为9微米电解薄膜，有机可溶薄膜为10％质量分数的聚乙烯醇水溶液烘干成膜，厚度为50微米。辅助基底与目标基底及封装用柔性聚合物材料为硅胶，辅助基底与目标基底的厚度为150微米，封装层厚度为150微米；柔性材料为聚二甲基硅氧烷单体或水凝胶等，出入口包覆柔性聚合物为粘结硅胶。

实施例2

如图2、如6和图7所示，具体步骤如下：

通过控制形成辅助基底2和目标基底4柔性聚合物的加热固化时间，使其具有一定粘性，将电极材料1粘附在辅助基底2上。采用激光、切割或者蚀刻等方法将所述电极材料1加工成预定的电极图案化薄膜结构，如图6所示，获得电极图案化薄膜结构辅助基底。

构建可活动通道结构：借助转印技术，将电极图案化薄膜结构辅助基底与目标基底相对压合，由于电极图案化薄膜结构5与辅助基底2之间的粘性较小，可将电极图案化薄膜结构5转印在目标基底4上，得到具有电极图案化薄膜结构目标基底。借助光刻技术，固化与通道等尺寸及形状的光刻胶模型，再进行倒模得到具有凹槽的目标基底。

将具有凹槽的目标基底带有通道的一侧进行等离子表面处理，再与电极图案化薄膜结构目标基底相对压合并置于烘箱中加热半小时使电极图案化薄膜结构目标基底与有凹槽的目标基底紧密贴合，得到可活动通道，再将可活动通道两端口切开，使可活动通道口裸露。在可活动通道内注入柔性材料，并将出入口包覆柔性聚合物进行封口即得到最终成品。

上述电极图案化薄膜为9微米电解薄膜。辅助基底与目标基底及封装用柔性聚合物材料为硅胶，辅助基底与目标基底的厚度为150微米，封装层厚度为150微米。柔性材料为聚二甲基硅氧烷单体或水凝胶等，所述出入口包覆柔性聚合物为粘结硅胶。

实施例3

在辅助基底上刻画电极材料形状，得到电极图案化薄膜辅助基底；

构建电极材料可活动通道：将聚乙烯醇薄膜3置于辅助基底4上并采用激光或者蚀刻的方法将所述聚乙烯醇薄膜表面加工成预定的微结构，并将表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜11转印到目标基底上，并将表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜刻画成与所述电极材料相应的形状，得到表面具有微结构的聚乙烯醇图案化薄膜目标基底。

将另一个聚乙烯醇薄膜置于辅助基底上并采用激光或者蚀刻的方法将所述聚乙烯醇薄膜表面加工成预定的微结构，并将表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜12转印到辅助基底上，并将表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜刻画成与所述电极材料相应的形状，得到表面具有微结构的聚乙烯醇图案化薄膜辅助基底；将所述电极图案化薄膜辅助基底湿润与所述表面具有微结构的聚乙烯醇图案化薄膜目标基底相对压合，将电极薄膜转印到表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜上；将产物与表面具有微结构的聚乙烯醇图案化薄膜目标基底相对压合，形成依次粘接的目标基底、表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜、电极材料和表面具有微结构的聚乙烯醇薄膜的四层结构。

在四层结构上用柔性聚合物进行刮涂包覆封装，并对所述包覆封装后的目标基底进行加热固化，待所述包覆封装的目标基底加热至固化后，切除通道结构两端的余量。

待所述通道结构两端的余量切除后，将上述得到的产品置入水中待聚乙烯醇薄膜溶解后，图案化电极材料周围便形成可活动的通道8，使用注射器进行加压，排除通道内残留的聚乙烯醇溶液，得到可活动通道。在可活动通道内注入柔性材料9，并将出入口包覆柔性聚合物进行封装。在所述可活动通道内注入柔性材料，并将所述可活动通道的出入口包覆封装，得到耐疲劳性柔性电子器件。

上述电极材料为9微米铜箔电解薄膜，聚乙烯醇薄膜为10％质量分数的聚乙烯醇水溶液烘干成膜，厚度为50微米所述辅助基底与目标基底及封装用柔性聚合物材料为硅胶，所述辅助基底与目标基底的厚度为200微米，封装层厚度为250微米；所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷单体或水凝胶等，所述出入口包覆柔性聚合物为粘结硅胶。

优选的，上述电极材料为6mm-15mm的导电薄膜，聚乙烯醇薄膜(遇水可溶的有机高分子材料)为7％-20％质量分数的聚乙烯醇水溶液烘干成膜，厚度为40mm～70mm。所述辅助基底与目标基底及封装用柔性聚合物材料为硅胶，所述辅助基底与目标基底的厚度为150mm～200mm，封装层厚度为150mm～250m；所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷单体或水凝胶等，所述出入口包覆柔性聚合物为粘结硅胶。

一种耐疲劳性柔性电子器件，包括柔性包覆层、设于柔性包覆层内部的可活动通道、填充在可活动通道中的柔性材料以及设于所述可活动通道内部的电极材料。可活动通道内注入有柔性材料，使得设于可活动通道内部的电极材料包裹在柔性材料中，减小电极材料在反复拉伸中受到的摩擦力，缓冲电极材料的运动冲击和变形。

优选的，可活动通道的上下壁为锯齿状结构，能减小电极材料在反复拉伸中受到的摩擦力。

优选的，可活动通道的上下壁上还设有络型微柱，能缓冲电极材料的运动冲击和变形，从而增加柔性电子器件的抗疲劳性能和使用寿命。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。