一种制备柔性电子的方法及柔性电子

技术领域

本发明涉及柔性电子，尤其涉及一种制备柔性电子的方法及柔性电子。

背景技术

镓基液态金属是目前唯一在室温同时具有金属导电性和流动性的材料，理论上基于液态金属所制备的柔性电子的变形能力只受弹性封装材料的限制，因此液态金属目前已广泛应用于柔性电子制造。

现阶段基于液态金属制备柔性电子的方法主要有：（1）光刻法：光刻法无法直接制备液态金属柔性电子，但可以通过光刻制备电路模板，结合后续的压印或选择性润湿等方法进行线路的构建；（2） 微通道注入法：微通道法主要利用液态金属的低粘度和流动性好的特点，首先利用光刻等方法在弹性体内部构建一定形态的微通道，然后使用注射器将液态金属注入微通道内，注入微通道所需压力与通道直径成反比；（3）增材制造法：增材制造法是指只在线路所需位置沉积液态金属的方法，喷墨打印是增材制造的一种，但由于液态金属比较大的表面张力难以直接通过传统打印方法进行打印；（4）减材法：减材法是指在液态金属薄膜中去除一部分材料并且只留下所需线路图案的方法，主要包括激光刻蚀和电化学氧化还原。

光刻法、增材制造法和减材法都无法在弹性体内部构件电路，因而所制备的液态金属柔性电子不具备大应变的能力。微通道注入法制备的柔性电子由于将液态金属封装在弹性体内部，因而能够承受较大应变，但该方法需要使用光刻工艺构建通道，导致工艺繁琐成本较高，并且在注射过程中容易在通道内注入空气，同时由于液态金属大的表面张力无法完整填充通道的直角，导致良品率低，限制其商业应用的推广。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于液态金属液-固转换特性制备柔性电子的方法及柔性电子。

本发明提供了一种基于液态金属液-固转换特性制备柔性电子的方法，包括以下步骤：

S1、使用负压法将液态的GaIn液态金属或液态的GaInSn液态金属灌入硅胶管内；

S2、将灌有液态金属的硅胶管在低温环境下进行保存，直到结晶凝固；

S3、将结晶凝固的液态金属从硅胶管中取出，得到金属丝；

S4、使用金属丝构建电路图案，得到目标电路；

S5、使用液态硅胶封装目标电路；

S6、待液态硅胶固化后，进行加热，使固态的金属丝熔化为液态，得到柔性电子。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，GaIn液态金属的重量百分比介于0～10%之间，GaInSn液态金属的In的重量百分比介于0～12%之间，GaInSn液态金属的Sn的重量百分比介于0～12%之间。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，将灌有液态金属的硅胶管在0℃～-196℃环境下，保存1～30分钟。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，在温度低于16.8℃的环境中将凝固态的液态金属从硅胶管中取出，取出方法包括直接将凝固态的液态金属从硅胶管内抽出，或者，使用刀具拆分硅胶管。

作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，在温度低于15℃的环境中弯折金属丝以构建所需的电路图案， 将金属丝两端加热至30℃～200℃，保持5 s～10s，使金属丝两端熔化1mm～5mm长度，然后将20mm～50mm长的铜导线一端插入熔化的液态金属，等待2 min～10min，直至凝固。

作为本发明的进一步改进，在步骤S5中，将目标电路置于固态硅胶层上方并使用对应的液态硅胶封装。

作为本发明的进一步改进，在步骤S6中，待硅胶固化后，将目标电路加热至30℃～200℃，保持1 min～5 min，使固态金属丝熔化为液态。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，使用注射器将液态的GaIn液态金属或液态的GaInSn液态金属灌入硅胶管内。

本发明还提供了一种柔性电子，采用如上述中任一项所述的制备柔性电子的方法制备得到。

本发明的有益效果是：通过上述方案，本发明利用液态金属大的过冷度并通过液-固转换方法，无需使用光刻等工艺在弹性体内构建微通道，并且液态金属电路通道不会存在微通道注射引入的气孔等缺陷，填充率较高；使用本发明制备的柔性电子，适应变形能力强，服役过程电性能稳定性高；本发明能够简化液态金属制备柔性电子的制造工艺，提高良品率，降低成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明目的在于利用液态金属较大的过冷度特性开发出通过液态金属液-固转换制备柔性电子的方法。将液态金属转换为固态，在固态条件下进行柔性电子的制造。该方法无需使用光刻等工艺进行微通道的构建即可将导电线路封装在弹性体内部。

一种基于液态金属液-固转换特性制备柔性电子的方法，具体过程如下：

1. 使用注射器抽取等负压法将GaIn (0～10%, wt%)或GaInSn(In: 0～12%, Sn: 0～12%, wt%)液态金属灌入直径0.05～20mm的硅胶管内。

2. 将灌有液态金属的硅胶管低温环境（0℃～-196℃）保存1～30分钟直到结晶凝固后取出；

3. 由于GaIn共晶第二相的熔化温度为16.8℃，因此需要在温度低于16.8℃的环境中将凝固态液态金属从硅胶管中取出；取出方法包括直接将凝固态的液态金属丝从硅胶管内抽出，或使用刀具拆分硅胶管；直接抽取法简便快捷，但当凝固态液态金属丝长度大于100mm时，由于在抽取过程中的摩擦力较大，会破坏金属丝的结构。因此当凝固态液态金属丝长度大于100mm时使用刀具拆解法，小于100mm时直接将金属丝从硅胶管内抽出。

4. 在温度低于15℃的环境中弯折液态金属丝以构建所需的电路图案， 30 ～200℃加热导线两端5～10s使其熔化1～5mm长度，然后将20～50mm长的铜导线一端插入熔化的液态金属，等待2～10min，直至凝固；

5. 将液态金属电路置于固态PDMS/Ecoflex等硅胶层上方并使用对应的液态硅胶封装；

6. 待硅胶固化后30～200℃温度加热柔性器件1～5 min，使固态金属丝熔化为液态。

本发明还提供了一种柔性电子（例如柔性电路、柔性器件等），采用如上述中任一项所述的制备柔性电子的方法制备得到。

本发明利用液态金属大的过冷度并通过液-固转换方法，该方法无需使用光刻等工艺在弹性体内构建微通道，并且液态金属电路通道不会存在微通道注射引入的气孔等缺陷，填充率大约可达100%。使用该方法制备的柔性电子适应变形能力强，服役过程电性能稳定性高。本发明能够简化液态金属制备柔性电子的制造工艺、提高良品率，降低成本。

本发明涉及一种基于液态金属液-固转换特性快速低成本制备柔性电子的方法，无需在弹性体内构建微通道便可将液态金属封装在弹性体内部。该方法在制备液态金属柔性导线、柔性传感器（压力、角度、应变等传感器）、柔性天线等具有较大的竞争优势，并可广泛应用于可穿戴电子设备、智能机器人、医疗器械等领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。