一种制备电极的设备和方法与流程

本发明涉及可拉伸电极制备技术领域，具体涉及一种制备电极的设备和方法。

背景技术：

随着无人车、可穿戴设备、物联网、人机交互式、互联式电子的逐步推进，易于穿戴和生物兼容性的电气器件逐渐走进人们的视野。这将需要大量适应性更好的电子器件，为了能适应各种环境、各种表面，可拉伸器件的重要性将日益凸显。为了实现器件的可拉伸，就需要可拉伸的电极。

根据国内外研究者在可拉伸电子领域取得的工作，可以得出以下信息：在实验室层面，近几年关于可拉伸电子的研究已取得巨大进展，包括开发了多种可拉伸策略，例如，可拉伸材料、几何设计、工艺开发等，并能够使实验的结构与模拟仿真结果相吻合，将可拉伸电子的概念付诸现实。然而，目前，可拉伸电子主要的研究还集中在实验室，受到制程工艺的复杂性(需要结合光刻、转移、粘结、对准、封装等多个步骤)、重负拉伸的稳定性、导电性能较差等因素的限制。因此，目前，大批量生产可拉伸电极的研究还比较少，很难实现可拉伸电极的大批量生产。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是，提供一种制备电极的设备和方法，以实现可拉伸电极的大批量生产。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种制备电极的设备，包括：

卷对卷装置，用于对可拉伸基底进行拉伸；

涂布装置，用于在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。

可选地，所述卷对卷装置包括放卷装置、收卷装置以及设置在所述放卷装置与所述收卷装置之间的拉伸调节装置，所述放卷装置放出的可拉伸基底卷绕通过所述拉伸调节装置后收卷在所述收卷装置上，所述拉伸调节装置用于对卷绕在所述拉伸调节装置上的基底进行拉伸。

可选地，所述拉伸调节装置包括第一辊轴、第二辊轴和第三辊轴，所述放卷装置放出的基底依次卷绕通过第一辊轴、第二辊轴和第三辊轴后收卷在所述收卷装置上，所述第一辊轴或/和所述第三辊轴的转速可调节，调节所述第一辊轴或/和所述第三辊轴的转速使得所述第三辊轴的转速大于所述第一辊轴的转速，以对位于所述第一辊轴和所述第三辊轴之间的基底进行拉伸。

可选地，所述拉伸调节装置包括第一辊轴、第二辊轴和第三辊轴，所述放卷装置放出的基底依次卷绕通过第一辊轴、第二辊轴和第三辊轴后收卷在所述收卷装置上，所述第二辊轴的位置可调节，调节所述第二辊轴的位置使得所述第二辊轴远离所述第一辊轴和所述第三辊轴，以对位于所述第一辊轴和所述第三辊轴之间的基底进行拉伸。

可选地，所述设备还包括烘干装置，所述烘干装置用于对形成的电极层进行烘干。

可选地，所述电极层的结构为网状结构。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种制备电极的方法，包括：

采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸；

采用涂布装置在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。

可选地，在所述采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸之前，所述方法还包括：

对所述基底进行等离子体表面处理，或者，对所述基底进行偶联剂处理。

可选地，所述方法还包括：

对形成的电极层进行烘干处理。

可选地，烘干的温度为60℃～80℃。

本发明实施例提出的制备电极的设备，采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸，进而将卷对卷工艺应用于可拉伸电极的生产设备中，实现了可拉伸电极的线上生产；利用卷对卷工艺简便高效的特点，降低了可拉伸电极的制作成本，实现了可拉伸电极的大批量生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明第一实施例制备电极的设备的示意图；

图2为本发明第二实施例制备电极的设备的示意图；

图3为本发明第三实施例制备电极的方法的示意图。

附图标记说明：

100—放卷装置；101—第一辊轴；102—第二辊轴；

103—涂布装置；104—烘干装置；105—第三辊轴；

106—收卷装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

相关技术中，从可拉伸材料和结构的角度来说，获得电极的可拉伸性可以通过三种策略来实现：

(1)基底层面

这种方法应对的核心问题在于将电极的可拉伸性分解为局部的弯曲。将超薄的薄膜附着在预拉伸的基底上，如果薄膜和基底的抗张强度满足匹配的条件，那么释放基底后，将获得褶皱型表面结构，这种应力释放结构由于具有低的弹性模量而有助于增加器件的机械稳定性。

采用这种方法，可以考虑将电极形成在超薄的聚合物薄膜上，然后转移至具有粘性的弹性基底上。聚合物薄膜的厚度越薄，越有利于在应力条件下将拉伸力转化为弯曲形变。不过在形成褶皱的过程中，会产生使薄膜与基底相互分离的剪切力，因此，需要保证聚合物薄膜的厚度足够薄，且电极与弹性基底的粘结足够牢固。依据这种指导思想形成的电极，如将导电材料涂布在预拉伸的聚二甲基硅氧烷(pdms)弹性基底上，通过释放应力，使电极形成波浪状的褶皱结构，减小了直接作用于电极上的应力。

这种基底预拉伸策略的另一种典型结构是导电材料与弹性基底的复合体。通过将预先沉积在硅片上的agnws(纳米银线)与未固化的pdms共同成型的方法，制成agnws/pdms复合导电薄膜。由于agnws和pdms柔性基底层有不同的模量，高弹性的基底层拉伸释放时为了恢复形变而受到相反的作用力，而高模量的导电层形变能力小，只能以褶皱的形式释放剩余的应力。褶皱的出现使导体能承受更大的形变，当导体再次拉伸时，拉力会把褶皱拉平而不会将表面拉裂。通过这种方法获得的可拉伸导电薄膜，在进行了40次的拉伸后，电阻几乎不发生变化。

(2)像素层面：

“岛-桥”(rigid-island)结构的设计核心在于将应力集中到可拉伸单元上。这种设计的出发点在于，分为可拉伸部分和不可拉伸部分，将拉伸性赋予可拉伸的导线。可拉伸导线可以是弧形或者蛇形的弯曲金属带，通过导线的弯曲或者扭转形变来适应外部应力对导电膜整体造成的拉伸形变。同时，可拉伸导线也可以是弹性导体，当拉伸整个导电膜时，弹性导体直接承受外部拉力作用而产生拉伸形变。研究重点主要放在如何对导线进行几何定义和设计(如蛇形走线的波长、波形角度、厚度等)以增加拉伸性能，这种布线能够在数学上被严格的定义，并通过有限元法进行仿真，从而对实验设计进行指导；导线可以是共面的，也可以是非共面的；可以通过光刻的方式在预拉伸弹性基底上直接沉积出各种图形，也可以通过转移的方式，将导电单元转移至预拉伸的弹性基底上，形成非共面型的走线形式，这些设计策略近年来已经被广泛应用于电子皮肤，由于制程的复杂性，目前还是以实验室的研究为主。

(3)材料层面：

这是一种最接近于可拉伸电子概念的方案，要求基底、导线和功能材料在发生拉伸形变时继续保持各自的功能性，且在三者同时发生拉伸形变时，导电膜整体依然保持完整并正常工作，即所谓的本质可拉伸。如一种全可拉伸的发光器件，选择agnw-pua作为可拉伸的导电电极，并用高效率的发光材料作为发光层，最终得到的可拉伸聚合物发光器件最大拉伸强度为120％，最大亮度为2200cd/m2，最大电流效率为11.4cd/a，展示了可拉伸发光器件的可行性。

以上三种策略都是针对线下的，并不是一个线上生产可拉伸电极的方案，不能实现可拉伸电极的大批量生产。

为了实现可拉伸电极的大批量生产，本发明实施例提出了一种制备电极的设备，包括：卷对卷装置，用于对可拉伸基底进行拉伸；涂布装置，用于在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。

本发明实施例提出的制备电极的设备，采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸，进而将卷对卷工艺应用于可拉伸电极的生产设备中，实现了可拉伸电极的线上生产；利用卷对卷工艺简便高效的特点，降低了可拉伸电极的制作成本，实现了可拉伸电极的大批量生产。

下面将通过具体的实施例详细介绍本发明的技术内容。

第一实施例：

图1为本发明第一实施例制备电极的设备的示意图。制备电极的设备包括卷对卷装置和涂布装置103。卷对卷装置用于对可拉伸基底进行拉伸。涂布装置用于在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。从而，制备出基底上具有电极层的复合式电极，由于电极层是在基底处于拉伸状态下形成在基底上的，因此，制备出的复合式电极为可拉伸电极，该可拉伸电极包括可拉伸的基底以及形成在该基底上的电极层。在一个实施例中，导电油墨可以为纳米银溶液，基底可以为聚二甲基硅氧烷(pdms)弹性基底。

本发明实施例提出的制备电极的设备，采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸，进而将卷对卷工艺应用于可拉伸电极的生产设备中，实现了可拉伸电极的线上生产；利用卷对卷工艺简便高效的特点，降低了可拉伸电极的制作成本，实现了可拉伸电极的大批量生产。

如图1所示，卷对卷装置包括放卷装置100、收卷装置106以及设置在放卷装置100与收卷装置106之间的拉伸调节装置20。放卷装置100放出的可拉伸基底10卷绕通过所述拉伸调节装置20后收卷在所述收卷装置106上。拉伸调节装置20可以对卷绕在拉伸调节装置20上的基底进行拉伸。

如图1所示，涂布装置103设置在拉伸调节装置20的上方，从而，涂布装置可以在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。

在一个实施例中，拉伸调节装置20可以包括第一辊轴101、第二辊轴102和第三辊轴105。放卷装置100上卷绕有可拉伸性基底10，放卷装置100放出的可拉伸性基底10依次卷绕通过第一辊轴101、第二辊轴102和第三辊轴105后，收卷在收卷装置106上。通常，收卷装置106用于提供卷材即可拉伸性基底10前进的拉力，放卷装置100与收卷装置106配合控制基底10前进的速度。

如图1所示，涂布装置103设置在第二辊轴102上方，用于向卷绕在第二辊轴102上的拉伸后的基底10表面涂布导电油墨。容易理解的是，涂布装置103可以采用刮刀涂布、狭缝涂布和挤出涂布中的一种。

初始状态下，放卷装置100与收卷装置106之间的基底10处于自然状态。为了制备出可拉伸电极，涂布装置103要将导电油墨涂布在被拉伸的基底10上。涂布装置涂布的导电油墨可以为纳米银溶液。为了获得可拉伸电极，当涂布装置103向基底涂布导电油墨时，需要基底10处于涂布拉伸状态。在本实施例中，第一辊轴101、第二辊轴102和第三辊轴105配合来对卷绕在第二辊轴102上基底进行拉伸，以将卷绕在第二辊轴102上的基底拉伸到涂布拉伸状态，此时，卷绕在第二辊轴102上基底的张力保持在涂布张力。涂布张力为基底处于涂布拉伸状态时基底所具有的张力。涂布张力的大小可以根据可拉伸基底的性质确定。

容易理解的是，在卷对卷装置中，放卷装置100与第一辊轴101之间的基底的张力(即出卷张力)、第一辊轴101与第三辊轴105之间的基底的张力(即涂布张力)、第三辊轴105与收卷装置106之间的基底的张力(即收卷张力)，这三个张力通常是不相同的。因此，采用卷对卷装置可以对基底进行多段不同张力的拉伸，在出卷、涂布和收卷各个阶段基底的拉伸张力可以不同，在出卷和收卷或其它阶段控制正常大小张力使得基底稳定，在涂布阶段增大对基底的拉伸使得基底处于涂布拉伸状态，从而当基底恢复自然状态后，电极层会在基底上呈褶皱状，保证了电极层在拉伸后仍具有一定的导电性，保证了可拉伸电极的性能。

为了防止拉伸过程中出现打滑现象，需要增大第一辊轴101和第三辊轴105相对于基底的静摩擦力。在一个实施例中，第一辊轴101和第三辊轴105的表面均包覆高摩擦系数材料，或者使第一辊轴101和第三辊轴105表面均呈高摩擦结构，从而，可以增大第一辊轴101与基底之间的静摩擦力，以及增大第三辊轴105与基底之间的静摩擦力，避免第一辊轴101和第三辊轴105与基底之间打滑，使得第一辊轴101和第三辊轴105与基底10相对静止。同理，为了防止第二辊轴102与基底10之间打滑，第二辊轴102的表面也可以包覆高摩擦系数材料，或使第二辊轴102的表面呈高摩擦结构，以增大第二辊轴102与基底之间的静摩擦力。

在本实施例中，第一辊轴101的转速为ω1，第三辊轴105的转速为ω2。为了对位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸，在一个实施例中，第一辊轴或/和第三辊轴的转速可调节。

在一个实施例中，对第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸的过程可以包括：

s111：调节第一辊轴101或/和第三辊轴105的转速，使得ω2>ω1，此时，第三辊轴105的转速大于第一辊轴101的转速，卷绕在第二辊轴102上的基底10被拉伸，卷绕在第二辊轴102上的基底的张力增大。容易理解的是，可以增大第三辊轴105的转速，使得ω2>ω1，或者，减小第一辊轴101的转速，使得ω2>ω1，或者，同时调节第一辊轴101和第三辊轴105的转速，使得ω2>ω1。

s112：当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力增大到涂布张力时，缓慢调节第一辊轴101和/或第三辊轴105的转速，使得ω2＝ω1，以使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力。容易理解的是，可以减小第三辊轴105的转速，使得ω2＝ω1，或者，增大第一辊轴101的转速，使得ω2＝ω1，或者，同时调节第一辊轴101和第三辊轴105的转速，使得ω2＝ω1。

当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力时，位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底处于稳定的涂布拉伸状态，涂布装置103进行涂布，将导电油墨涂布在卷绕在第二辊轴102上的基底上。

涂布装置涂布电极层的速度可以由基底目标涂布宽度和厚度、基底的传送速度以及涂布装置的出墨量等因素决定，在一个实施例中，涂布装置涂布电极层的速度为0.2m/min～2m/min。

当停止涂布后，可以调节第一辊轴101和第三辊轴105的转速，使得ω2<ω1，此时，第三辊轴103的转速小于第一辊轴101的转速，基底收缩，使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力减小，恢复至自然拉伸状态。

为了增大电极层在基底上的牢固性，当基底通过第三辊轴105时，为了防止电极层粘附到第三辊轴105上，该设备还可以包括烘干装置104，如图1所示。烘干装置104设置在第二辊轴102的上方，且位于涂布装置103的制程后，位于第三辊轴105之前。涂布装置103用于烘干卷绕在第二辊轴102上的基底10上的电极层。烘干装置104对电极层烘干后，可以增大电极层在基底上的粘附性，防止电极层在基底恢复过程中脱落，同时，烘干装置104对电极层烘干后，还可以防止电极层在经过第三辊轴105过程中粘附在第三辊轴105上，避免了电极层的损伤，保证了复合电极的性能。

在一个实施例中，烘干装置的烘干温度为60℃～80℃。在具体实施中，可以根据导电油墨的浓度、基底的厚度以及涂布张力确定烘干温度。

在一个实施例中，形成在基底上的电极层为网状结构，这种结构的电极层在基底恢复常态时可以更好地变形褶皱而释放应力，同时，这种结构的电极层粘附基底紧密且电阻变化小，在复合电极拉伸过程中可以随着基底的拉伸而被拉伸，不会影响电极层的电气性能，保证了复合电极的可拉伸性能。

在一个实施例中，制备电极的设备还可以包括张力检测装置，张力检测装置用来检测卷绕在第二辊轴102上基底的张力。当张力检测装置检测到卷绕在第二辊轴102上基底的张力达到涂布张力时，拉伸调节装置20停止对基底的继续拉伸，使得卷绕在第二辊轴102上基底的张力保持在涂布张力。

第二实施例：

图2为本发明第二实施例制备电极的设备的示意图。与第一实施例不同的是，第一辊轴101和/或第三辊轴105的位置可调节。例如，第一辊轴101的位置可调节，通过调节第一辊轴101的位置可以增大基底10从放卷装置100至第二辊轴102之间的卷绕路径长度，从而，可以增大卷绕在第二辊轴102上的基底的张力。同理，第三辊轴105的位置可以调节，通过调节第三辊轴105可以增大基底10从第二辊轴102至收卷装置106之间的卷绕路径长度，从而，可以增大卷绕在第二辊轴102上的基底的张力。

在一个实施例中，第一辊轴101的位置可调节，因此，对第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸的过程可以包括：

调节第一辊轴101的位置，以使得所述放卷装置100与所述第二辊轴102之间的卷绕路径长度增大。在图2中，a位置为第一辊轴101的初始位置，a’为第一辊轴101在调节过程中的一个位置，当第一辊轴101由a位置调节到a’位置时，放卷装置100与第二辊轴102之间的卷绕路径长度增大，使得卷绕在放卷装置100与第二辊轴102之间的基底被拉伸，进而使得第一辊轴101与第二辊轴102之间的基底的张力增大，并使得卷绕在第二辊轴102上的基底10的张力增大。当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力增大到涂布张力时，停止调节第一辊轴101的位置，使得第一辊轴101保持在当前位置，以使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力，位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底处于稳定的涂布拉伸状态。

在另一个实施例中，第三辊轴105的位置可调节，因此，对第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸的过程可以包括：

调节第三辊轴105的位置，以使得第二辊轴102与收卷装置106之间的卷绕路径长度增大。如图2所示，b位置为第三辊轴105的初始位置，b’为第三辊轴105在调节过程中的一个位置，当第三辊轴105由b位置调节到b’位置时，第二辊轴102与收卷装置106之间的卷绕路径长度增大，使得卷绕在第二辊轴102与收卷装置106之间的基底被拉伸，进而使得第二辊轴102与第三辊轴105之间的基底的张力增大，并使得卷绕在第二辊轴102上的基底10的张力增大。当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力增大到涂布张力时，停止调节第三辊轴105的位置，使得第三辊轴105保持在当前位置，以使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力，位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底处于稳定的涂布拉伸状态。

在另一个实施例中，第二辊轴102的位置可调节，因此，对第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸的过程可以包括：

调节第二辊轴102的位置使得第二辊轴102远离第一辊轴101和第三辊轴105，以使得第一辊轴101和第三辊轴105之间的卷绕路径长度增大，对位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底进行拉伸。如图2所示，c位置为第二辊轴102的初始位置，第二辊轴102位于c位置时，第二辊轴102相对于第一辊轴101或第三辊轴105的高度为h1。c’为第二辊轴102在调节过程中的一个位置，当第二辊轴102由c位置调节到c’位置时，第二辊轴102相对于第一辊轴101或第三辊轴105的高度由h1增大到h2，使得第一辊轴101和第三辊轴105之间的卷绕路径长度增大，使得卷绕在第二辊轴102上的基底被拉伸，使得卷绕在第二辊轴102上的基底10的张力增大。当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力增大到涂布张力时，停止调节第二辊轴102的位置，使得第二辊轴102保持在当前位置，以使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力，位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底处于稳定的涂布拉伸状态。

容易理解的是，在另一个实施例中，还可以同时调节第一辊轴101、第二辊轴102和第三辊轴105中的任意两个的位置，或者，同时调节第一辊轴101、第二辊轴102和第三辊轴105的位置，以使得放卷装置100与收卷装置106之间的卷绕路径长度增大，使得卷绕在第二辊轴102上的基底10的张力增大，进而使得位于第一辊轴101和第三辊轴105之间的基底处于涂布拉伸状态。

当卷绕在第二辊轴102上的基底的张力保持在涂布张力时，涂布装置103进行涂布，将电极材料涂布在卷绕在第二辊轴102上的基底上。烘干装置104对涂布在基底10上的电极材料进行烘干。被烘干后的电极材料随着基底经过第三辊轴150后，基底恢复到正常拉伸状态，得到复合式可拉伸电极，可拉伸电极随着基底收卷在收卷装置106上。

当停止涂布后，可以调节拉伸调节装置20，使拉伸调节装置20回到初始状态，基底收缩，使得卷绕在第二辊轴102上的基底的张力减小，恢复至自然拉伸状态。

第三实施例：

基于上述实施例的发明构思，本发明实施例提出了一种制备电极的方法。图3为本发明第三实施例制备电极的方法的示意图，该制备电极的方法，可以包括：

采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸；

采用涂布装置在拉伸后的基底上涂布导电油墨以形成电极层。

本发明实施例提出的制备电极的方法，采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸，进而将卷对卷工艺应用于可拉伸电极的生产设备中，实现了可拉伸电极的线上生产；利用卷对卷工艺简便高效的特点，降低了可拉伸电极的制作成本，实现了可拉伸电极的大批量生产。

制备电极时采用的卷对卷装置可以为上述实施例中的任意一种卷对卷装置。

为了增大电极层与基底的粘附性，在采用卷对卷装置对可拉伸基底进行拉伸之前，所述方法还包括：对所述基底进行表面亲水处理。具体地，可以对基底进行等离子体表面处理，或者，对基底进行偶联剂处理，以改变基底表面的亲水能力，从而增强基底对导电油墨的粘附能力。

为了进一步增强基底对电极层的粘附能力，制备电极的方法还可以包括：对形成的电极层进行烘干处理。烘干的温度为60℃～80℃。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。