[发明专利]拉伸致导电的基于液态金属颗粒的导电油墨、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种拉伸致导电的基于液态金属颗粒的导电油墨，所述导电油墨包括：液态金属、高分子溶液，提供了该导电油墨的制备方法和应用。本发明的导电油墨制备简单，成本低廉，图案化容易，适用于各种基底材料，且液态金属本身具有优异的导电性、柔性以及拉伸性能，本发明的导电油墨没有毒性，对人体无害，可以于人体贴合而不造成不良反应，这为柔性可拉伸印刷电路板的大规模制造提供了条件，为可穿戴电子设备大规模制造和应用提供了条件，可用于各种力学传感器的开发和人工皮肤的开发。

技术领域

本发明属于电子材料领域，具体涉及一种拉伸致导电的基于液态金属颗粒的导电油墨，及其制备方法和应用。

背景技术

文字印刷术的出现大大推进了文字的记载和传播，将人类带入了文明的时代。随后，经过漫长的发展，印刷电路的出现又将人类带入了电子信息的时代。现在最常用的电路印刷手段是腐蚀电路板，但是该方法污染较大，而且制出来的电路板没有任何弹性，越来越难满足生物技术与电子技术之间结合的要求。为了满足电路板柔性和弹性的要求，研究人员利用金、银微纳米颗粒等导电性优越的金属颗粒结合弹性的高分子制成导电薄膜或者油墨，但是这些方法制备工艺复杂，原材料昂贵，导致成本过高，不适合规模化的生产。

液态金属如镓铟合金等在室温下为液态的金属有着良好的导电性、优越的柔性和拉伸性且对人体没有毒性，是制备弹性电路板的理想材料。但是液态金属具有非常大的表面能，由于液态金属难以润湿绝大多数材料，所以液态金属在基底上的直接印刷十分困难。虽然现在文献报道了一些液态金属图案化方法，如注射的方法、喷墨打印的方法、漏字板的方法和真空浇注的方法等，但是这些方法非常局限，存在着如只能制备连续的二维图案，液态金属用量大、线宽不能做小，图案的分辨率有限，不容易安装电子器件等等问题，总之，不能实现柔性可拉伸电路的大规模生产。为了解决液态金属巨大的表面能的问题，有研究人员把液态金属利用超声的方法分散于溶剂中，制成液态金属的颗粒的悬浊液，以这种悬浊液为油墨来图案化液态金属。然而，图案化后的液态金属颗粒并不能导电，这是因为液态镓铟合金的颗粒是由不导电的氧化镓的外壳和液态的镓铟合金的内核构成的，颗粒之间由于绝缘的氧化膜的隔绝而导致整体不导电。当有存在一定的外界扰动时，可以使得不导电的氧化镓外壳破裂，释放出导电的液态镓铟合金内核而形成导电的通路。现存的方法主要是在基底上沉积上一层液态金属颗粒，然后利用细棒或喷头等在人工或者机器的控制下按照预定的轨迹划破或者压破液态金属颗粒，从而形成一定的导电轨迹。这些方法效率低且液态金属的利用率很低，而且制备的电路十分不可靠，因为在以后的利用过程中，外力可能使得不需要导电的液态金属颗粒导电，导致短路等严重的后果。

近期文献报道的弹性电路制备方法大多使用银微结构颗粒的油墨。相比于银微结构颗粒的油墨，本发明的导电油墨只需拉伸不需要高温使得图案导电，这就使得一些不耐高温的高分子也能适用于本发明的油墨；本发明的导电油墨有着更高的拉伸性能、稳定性能和可重复性能；相比于有着微结构的银颗粒，本发明采用的液态金属颗粒具有更加低廉的价格，更加适合于规模化生产。

现有的使用液态金属颗粒制造柔性拉伸电路的方法，通常先在基底上喷涂上一层均匀的液态金属颗粒，该层由于氧化膜的隔绝而不导电。然后利用一根尖头在液态金属组成的膜上画出所需要的图案，尖头划过的轨迹能使得液态金属颗粒破裂而导电。该方法液态金属颗粒的使用率极低，大多数液态金属被浪费，生产效率低。且图案形成后，外界的扰动可能使得图案周围的液态金属颗粒破裂，从而使得不需要导电的地方导电，导致短路等严重后果。本发明提供的方法液态金属利用率高，几乎达到100％，且只需要对基底施加少量应变即可使得基底上的图案导电，生产效率高。且不会存在由于外力扰动而导致短路等问题。

为了克服以上问题，本发明人开发了一种基于液态金属颗粒的导电油墨，该油墨通过各种方法印刷在弹性的基底上后，施加一定的应变，能使得液态金属颗粒破裂，形成导电的通路。该油墨制造出来的电路具有极好的柔性和可拉伸性能，线宽可控，且具有很高的分辨率，非常适于大规模生产。

发明内容