[发明专利]用于高可拉伸的软电子器件的高传导性的可印刷油墨

说明书

本发明涉及用于高可拉伸的软电子器件的高传导性、可印刷的油墨、其制造方法以及生产高可拉伸的软电子器件的方法。

本发明涉及用于高可拉伸的软电子器件的高传导性的可印刷油墨、其制造方法以及生产高可拉伸的软电子器件的方法。

高传导性、可印刷且弹性的导体的开发使得诸如传感器、集成电路或天线的软电子组件的制造以及它们在生物电子学、可佩戴装置和软机器人中的应用成为可能。创建下一代软电子器件需要不同特征的油墨，包括机械柔韧性和可拉伸性、可根据应用需求调节的传导性、以及与现有技术(丝网印刷、点涂、狭缝模涂、喷涂)以及新兴的印刷和涂覆技术(诸如直写成型(direct ink writing)的增材制造)兼容的可印刷性。

现有的可拉伸的传导性油墨遭遇的主要挑战之一是电性质与机械性质之间的权衡，例如在传导性聚合物中添加增塑剂以确保良好的可拉伸性会劣化传导性，在柔性聚合物中嵌入高体积分数的传导性颗粒提供了高传导性却降低了可变形性。因此，高度需求开发高传导性还高可拉伸且可印刷的油墨，其能够实现大面积且高生产量生产、高印刷分辨率、容易加工和成本效益。

尽管已经提出了许多方法来生产传导性电子材料，但很少能够同时满足机械可拉伸性、电子传导性和可印刷性的要求。WO2018/006990描述了由传导性颗粒之间形成毛细管桥而产生的高传导性的可印刷糊料。然而，糊料在干燥和烧结之后是刚性的，并且与软基材不相容。

US 9,870,843 B2表明，当制备传导性聚合物复合材料颗粒时，毛细管力可用于降低颗粒消耗，因为由毛细管力驱动的颗粒自组装产生低逾渗阈值。另一篇报道表明，毛细管力可以增强银环氧粘合剂的导电性，即在低颗粒负载下实现高传导性(Sun,Hongye,Xinfeng Zhang,和Matthew MF Yuen,“Enhanced conductivity induced by attractivecapillary force in ternary conductive adhesive”,Composites Science andTechnology 137(2016):109-117)。然而，在这些出版物中没有解决可印刷性和可拉伸性。

Matsuhisa,N.等(“Printable elastic conductors by in situ formation ofsilver nanoparticles from silver flakes”,Nature materials,2017.16(8),pages834ff)描述了通过引入表面活性剂和原位生长纳米尺寸的传导性颗粒而在低银含量下实现高传导性和高可拉伸性的方法。在US9,460,824中，通过将沉积在基材上的银纳米颗粒退火而形成可拉伸且传导性的膜。然而，纳米材料在大规模生产中的使用受到材料和膜的复杂制备步骤限制。

Araki等报道了由银/聚氨酯复合材料制成的可拉伸性高达600％的高可拉伸配线(Araki,Teppei等，“Printable and stretchable conductive wirings comprisingsilver flakes and elastomers”,IEEE Electron Device Letters 32.10(2011):1424-1426)。然而，没有解决对应用至关重要的油墨的循环耐久性。

各种商业产品提供良好的传导性和柔韧性，即来自Engineered MaterialsSolutions,Inc的CI-1036可拉伸银油墨。尽管如此，它只能拉伸至100％。在2015年，DuPont发布了一系列的服装用可拉伸电子油墨，例如PE873和PE874银导体，其通过将银薄片悬浮在弹性体中来配制。这些产品在12体积％至15体积％的低银负载下表现出低电导率(～10^-2S/cm)。此外，没有指明这些油墨的可拉伸性。

因此，本发明的技术目的在于提供简单且经济的方法来生产在相应的用于应用于软电子器件的印刷和固化装置中提供高变形性和可拉伸性的高传导性且可印刷的油墨。油墨制造应与现有技术的单元操作兼容，并且应允许大规模生产。