多管芯电子直写式圆珠笔的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多管芯电子直写式圆珠笔，包括：笔架结构，用于承载装有液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨的多管式笔芯；笔芯，用于装载液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨，并使油墨能直写在基底上；其中，所述液态金属导电油墨用于印制或写出导体结构，所述半导体油墨用于印制或写出半导体结构，所述绝缘油墨用于封装导体结构或半导体结构。本发明提出的用于直写电路及电子器件的多管芯电子直写式圆珠笔，因引入了可印刷的液态金属导电油墨及配套的半导体油墨，使得电路以及电子器件能以一种像写字的方式直接制造出来。
【专利说明】多管芯电子直写式圆珠笔
【技术领域】
[0001]本发明涉及印刷电子制造工艺领域，特别涉及一种可将液态金属电路、半导体结构及器件直接写出并封装的多管芯电子直写式圆珠笔。
【背景技术】
[0002]印刷电子技术是基于印刷原理(添加技术)的电子制造技术，然而在过去的几十年中娃基微电子制造技术占据了电子制造领域的绝对主导地位。集成电路技术加工制造工艺主要包括氧化、光刻、扩散、外延、溅射、真空沉积等。近年来，该电路制造技术的弊端逐渐被认知，包括制造工艺复杂、高能耗、高污染、高成本、高洁净要求等。其主要原因在于传统集成电路制造技术是一种删减技术，其制造工艺需要消耗大量的原材料，水资源，能源等，并且部分加工工艺必须在洁净室内完成，这需要消耗大量的能源并会带来外部环境的污染。
[0003]如果集成电路乃至电子器件能采用添加技术以直接直写式的方式制作，则可望实现集成电路高度快捷的生产制造，大幅度改观电子制造及相关行业的现状，并进一步建成高效、低成本、绿色化的电路及器件生产模式。
[0004]为改变上述现状，研究人员提出了使用有机导电聚合物油墨来直接印刷。但这类材料的导电性相对较差，且溶液化和可印刷性存在一定问题；为获得更好的溶液化，研究者们继而通过在溶液中添加高导电性纳米颗粒来实现可印刷的导电油墨，但其仍旧有配制工艺复杂、电阻率相对较高、导线形成需要借助一定的化学反应实现、器件成型固化温度高等缺憾。实际的制造过程需要先印刷，再通过数百度的高温使这类油墨发生蒸发、化学反应乃至烧结，才能最后沉积下所需的导体部件，故整个工艺仍然相当复杂且基底特别是柔性基底易受到高温影响，从而限制了其在柔性电子领域的深入发展。最近，室温液态金属以其独特的导电及直写式特性而逐渐被科研人员所关注，并用于制作液态金属电子器件。然而，液态金属由于其自身表面张力过高，写出困难，目前仍旧缺乏快速，高效、便携式的液态金属印刷工艺。总之，到目前为止，国内外电子制造行业尚未建立起快速便携或打印机形式的可将集成电路或电子器件以直接直写式制造出来的设备及工艺。
[0005]为此，本发明引入一种滚动式油墨书写机构，提供采用金属流体、半导体油墨及绝缘油墨作为直写式油墨的多管芯电子直写式圆珠笔，特别引入导电的低熔点室温液态金属油墨，由此实现快捷直写式，并直接构建金属电路及液态金属电子器件。其可望发展成为一种常见的、低成本的、方便快速的电子直写或打印式工具。
【发明内容】
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]本发明的目的在于提供一种可将电路及电子器件直接写出或打印出来的多管芯电子直写式圆珠笔，以满足快速电子和个性化电子设计与制造，部分解决电路或电子器件制造程序复杂、材料及能源消耗大、环境污染相对较高等问题。
[0008](二)技术方案
[0009]为解决上述问题，本发明提供一种多管芯电子直写式圆珠笔，包括:笔架结构，用于承载装有液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨的多管式笔芯；笔芯，用于装载液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨，并使油墨能直写在基底上；其中，所述液态金属导电油墨用于印制或写出导体结构，所述半导体油墨用于印制或写出半导体结构，所述绝缘油墨用于封装导体结构或半导体结构。
[0010]优选地，所述笔架结构包括:笔壳，用于承载所述笔芯；笔芯按钮，用于选择所述笔芯并将其送入笔管口 ；笔芯弹簧，用于使选择的笔芯在所述笔芯按钮作用下上、下运动。
[0011]优选地，所述笔芯包括:笔芯壳，用于装载所述液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨；电热丝，用于使所述液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨保持液态；笔芯头，用于使圆珠保持原地滚动以带动所述液态金属导电油墨、半导体油墨及所述绝缘油墨写出到基底上；圆珠，用于在滚动作用下带出所述液态金属导电油墨、半导体油墨及所述绝缘油墨并使其直写在基底上。
[0012]优选地，所述圆珠的直径为1nm?5cm。
[0013]优选地，所述液态金属油墨包括低熔点液态金属或其合金、以及少量氧化物或磁性纳米颗粒添加物。
[0014]优选地，所述液态金属为以下材料中的至少一种或其任意组合:镓、镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、铋铅合金。
[0015]优选地，所述磁性纳米颗粒为以下材料中的至少一种或其任意组合:Fe、N1、Co、Gd、Fe304、CoFe204、ZnFe204、MnZnFe204。
[0016]优选地，所述半导体性油墨包括以下材料中的至少一种或其任意组合:红荧烯rubrene、并五苯pentacene、聚3_己基喔吩P3HT、聚3，3’- 二烧基连四喔吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯形聚合物BBL，以及在其内添加的半导体纳米颗粒。
[0017]优选地，所述半导体纳米颗粒为以下材料中的至少一种或其任意组合:硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、締化铅颗粒、娃化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、铺化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒、締化锌颗粒，所述半导体纳米颗粒的粒径为Inm?900nm。
[0018]优选地，所述绝缘油墨中含有的聚合物为以下材料中的至少一种或其任意组合:聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯苯酚、硅胶等。
[0019](三)有益效果
[0020]本发明提出的用于直写电路及电子器件的多管芯电子直写式圆珠笔，因引入了可印刷的液态金属导电油墨及配套的半导体油墨，使得电路以及电子器件能以一种像写字或打印的方式直接制造出来。其在常温或常规条件下甚至普通办公场所即可完成，其无高的环境要求，能源消耗及材料无效损耗低，既可直接手写，也可由电脑操控实现自动打印，由此可显著降低集成电路及电子器件制备工艺的复杂性和成本，大幅度提高其生产效率。使用该方法得到的集成电路及电子器件，可广泛用于快速电子工业制造、个性化电子设计 (DIY)、柔性电子功能器件等，甚至拥有重塑集成电路电子产业的巨大潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是根据本发明实施例的转动式多管芯电子直写式圆珠笔的结构示意图；
[0022]图2是根据本发明实施例的圆珠笔芯的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0024]如图1和图2所示，本发明实施例的多管芯电子直写式圆珠笔包括笔架结构和装载不同油墨的笔芯4。
[0025]其中，笔架结构包括:笔壳1、笔芯按钮2和笔芯弹簧3。
[0026]笔壳I用于包装及承载笔芯按钮2、笔芯弹簧3和笔芯4，笔壳I可用于承载构件及1-50枚填充有油墨的笔芯，图2中示出的笔壳I承载了构件及4枚笔芯4，分别装载有液态金属油墨、P型半导体油墨、N型半导体油墨及绝缘封装油墨。
[0027]置于不同笔芯内的液态金属导电油墨及半导体油墨，用于印制或写出导体或半导体结构；置于不同笔芯内的绝缘油墨用于封装导体或半导体结构。
[0028]优选地，笔外壳可为塑料或金属。
[0029]优选地，所述液态金属油墨为镓。
[0030]优选地,所述P型半导体性油墨为红突烯rubrene。
[0031]优选地，所述N型半导体性油墨为梯形聚合物BBL。
[0032]优选地，所述绝缘油墨为硅胶。
[0033]笔芯按钮2用于供使用者选择所需要的装载不同油墨(如:液态金属导体、P型/N型半导体油墨及绝缘油墨)的笔芯4并在笔芯弹簧3的作用下将选择好的笔芯送入笔口或从笔口收回笔芯4。
[0034]笔芯弹簧3，用于使笔芯在按钮作用下顺利上下运动。
[0035]笔芯4主要由笔芯壳41、电热丝42、笔芯头43和钢珠44组成。
[0036]笔芯壳41用于装载不同的导电油墨,如:液态金属油墨、半导体油墨及绝缘油墨。
[0037]电热丝42用于使液态金属油墨、半导体油墨及绝缘油墨保持液态。
[0038]其中，液态金属油墨，用于构成电路及电子器件；绝缘油墨，用于封装导体或半导体结构。
[0039]液态金属油墨包括低熔点液态金属及其合金、含少量氧化物或磁性纳米颗粒的液态金属导电油墨。
[0040]所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、铋铅合金。
[0041]所述磁性纳米颗粒为Fe、N1、Co、Gd、Fe304、CoFe2O4^ ZnFe2O4 或 MnZnFe204。
[0042]所述P型或N型半导体性油墨包括红突烯rubrene、并五苯pentacene、聚3_己基噻吩P3HT、聚3，3’- 二烷基连四噻吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯形聚合物BBL中的一种或多种及在其内添加的半导体纳米颗粒组成。
[0043]所述半导体纳米颗粒为粒径Inm?900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、締化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、締化铅颗粒、娃化续颗粒、氧化锡颗粒、氣化锡颗粒、硫化锡颗粒、砸化锡颗粒、締化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或締化锌颗粒。
[0044]所述绝缘型油墨中含有的聚合物为:聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂或聚乙烯苯酚、硅胶。
[0045]笔芯头43，用于固定钢珠44并使其能在直写式时保持原地滚动。
[0046]钢珠44，用于在滚动作用下顺利带出油墨同时施加一定压力使液态金属油墨能流利地直写式在基底上。
[0047]可选择的钢球直径在1nm?5cm范围，优选地，所述钢珠直径为0.5mm。
[0048]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种多管芯电子直写式圆珠笔,其特征在于,包括: 笔架结构，用于承载装有液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨的多管式笔芯； 笔芯，用于装载液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨，并使油墨能直写在基底上； 其中，所述液态金属导电油墨用于印制或写出导体结构，所述半导体油墨用于印制或写出半导体结构，所述绝缘油墨用于封装导体结构或半导体结构。
2.根据权利要求1所述的圆珠笔，其特征在于，所述笔架结构包括: 笔壳，用于承载所述笔芯； 笔芯按钮，用于选择所述笔芯并将其送入笔管口 ； 笔芯弹簧，用于使选择的笔芯在所述笔芯按钮作用下上、下运动。
3.根据权利要求1或2所述的圆珠笔，其特征在于，所述笔芯包括: 笔芯壳，用于装载所述液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨； 电热丝，用于使所述液态金属导电油墨、绝缘油墨及半导体油墨保持液态； 笔芯头，用于使圆珠保持原地滚动以带动所述液态金属导电油墨、半导体油墨及所述绝缘油墨与出到基底上； 圆珠，用于在滚动作用下带出所述液态金属导电油墨、半导体油墨及所述绝缘油墨并使其直写在基底上。
4.根据权利要求3所述的圆珠笔,其特征在于,所述圆珠的直径为1nm?5cm。
5.根据权利要求1或2所述的圆珠笔，其特征在于，所述液态金属油墨包括低熔点液态金属或其合金、以及少量氧化物或磁性纳米颗粒添加物。
6.根据权利要求5所述的圆珠笔，其特征在于:所述液态金属为以下材料中的至少一种或其任意组合:镓、镓铟合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓锡铅合金、铋铟锡合金、铋锡合金、铋铅合金。
7.根据权利要求5所述的圆珠笔，其特征在于:所述磁性纳米颗粒为以下材料中的至少一种或其任意组合:Fe、N1、Co、Gd、Fe3O4, CoFe2O4, ZnFe2O4, MnZnFe204。
8.根据权利要求1或2所述的圆珠笔，其特征在于，所述半导体性油墨包括以下材料中的至少一种或其任意组合:红突烯rubrene、并五苯pentacene、聚3_己基噻吩P3HT、聚3，3’-二烷基连四噻吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯形聚合物BBL，以及在其内添加的半导体纳米颗粒。
9.根据权利要求8所述的圆珠笔，其特征在于，所述半导体纳米颗粒为以下材料中的至少一种或其任意组合:硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、締化银颗粒、氧化締颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、铺化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒、碲化锌颗粒，所述半导体纳米颗粒的粒径为Inm ?900nmo
10.根据权利要求1或2所述的圆珠笔，其特征在于，所述绝缘油墨中含有的聚合物为以下材料中的至少一种或其任意组合:聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯苯酚、硅胶。
【文档编号】B41J2/005GK104425207SQ201310363332
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】郑义, 刘静 申请人:中国科学院理化技术研究所