一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及微纳制造领域，尤其涉及一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化材料及其制备方法。


背景技术：

2.柔性可穿戴电子在健康监测、运动监测、人机交互、人工智能、航空航天、通信、生物技术、医疗卫生、军事等领域具有广阔的应用前景。柔性可穿戴电子的核心设计思想之一是通过柔性衬底上图案化的金属结构实现性能调控(可拉伸、导电)，其金属结构尺寸和加工精度直接影响柔性可穿戴电子的性能和功能。柔性衬底上金属结构加工技术主要有：转印工艺、3d打印、激光刻蚀、丝网印刷、喷墨印刷等。转印工艺由于其工艺简单、成本低，而逐渐成为柔性衬底上金属结构加工的主流工艺。转印工艺是一种首先在硬质基底上利用光刻、剥离等技术加工出金属微纳结构，再将硬质衬底上的微纳结构转移到待加工柔性衬底上的技术，该技术可以实现柔性基底上金属结构的图案化，目前转印技术通常是牺牲层辅助和湿法刻蚀技术。这种技术通常借助牺牲层将金属图案转移到柔性受体上，再用湿法腐蚀工艺去除牺牲层，进而将金属结构转移到柔性衬底上。然而，这种转印工艺仍具有较大的局限性。主要体现在两个方面：第一，是金属与柔性衬底的机械性能不匹配，对于大面积金属的转移过程容易出现界面不兼容造成大变形情况下界面失稳等问题；第二，借助牺牲层辅助的转印工艺需要对牺牲层进行额外的湿化学方法蚀刻，对聚合物柔性基底造成溶解、破坏金属-衬底界面进而影响器件的性能。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案方法，通过精准调控感光油墨材料表面能及控制转移时的参数(剥离温度、剥离速度、等)改变界面结合能，实现感光油墨结构全干法转印。并利用离子束溅射等金属沉积工艺，在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构。该发明不仅解决了牺牲层辅助转印和湿法蚀刻带来的性能不匹配、界面失稳等问题，还通过实现感光油墨结构全干法转印原位制备金属图案，从而提高了大变形情况下金属结构的稳定性。
4.一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化材料，改性感光油墨按质量百分比组份包括：
5.感光油墨
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80-95％
6.溶剂
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5-20％
7.活性助剂
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0.5-2％
8.优选地，按质量百分比组份包括：
9.感光油墨
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85-90％
10.溶剂
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5-10％
11.活性助剂
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0.5-1％
12.优选地，所选感光油墨为市售的pr2000sa型抗蚀刻油墨。
13.优选地，所选溶剂包括2-氧基乙酸乙酯、丙酮、环己酮、二价酸酯、3-乙氧基丙酸乙酯、醋酸丁酯、乙酸丁酯、碳酸二甲酯、丙二醇甲醚醋酸酯的至少一种。
14.优选地，活性助剂包括十二烷基苯磺酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基酚、十二烷基醇硫酸胺的至少一种。
15.改性感光油墨的制备方法，方法包括：
16.称取一定比例的感光油墨置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入溶剂，以100-200r/min的转速搅拌10-30min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入活性助剂，搅拌速度为150-200r/min，搅拌时间为5-20min，得到均匀的混合溶液；
17.将上述步骤得到的均匀混合溶液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
18.优选地，方法包括：
19.称取一定比例的感光油墨置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入溶剂，以150-200r/min的转速搅拌15-25min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入活性助剂，搅拌速度为150-180r/min,搅拌时间为10-15min，得到均匀的混合溶液；
20.将上述步骤得到的均匀混合溶液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
21.改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化工艺的基本加工流程包括：
22.涂胶：采用静态旋涂方式，得到衬底上均匀、平整分布的改性感光油墨。
23.前烘：涂胶完成后，将衬底上改性感光油墨放到热板上以80℃的温度加热10min。
24.曝光：使用紫外光刻机接触式曝光4s。
25.剥离：用热释放胶带将曝光得到改性感光油墨从硅衬底上剥离。在显影之前剥离使得下一步显影后的结构更加清晰完整，不会把结构之外的改性感光油墨转印到柔性聚合物基底上。
26.显影：采用浸没式显影；将从硅衬底上剥离到热释放胶带上的改性感光油墨在显影液(1％氢氧化钠水溶液)中显影12s。
27.转印：将掩模图案转印到柔性基底上；将显影后得到的热释放胶带上的改性感光油墨掩膜图案在120℃的热板上近零应变、无损转移至柔性聚合物基底上；所述柔性聚合物基底指的是聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯弹性体等。
28.薄膜沉积：本工艺最终需要在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构，则需要沉积一层金属，使其结构具有导电性。具体操作：利用离子束溅射等金属沉积工艺在改性感光油墨掩膜图案上沉积一层金属(具体厚度随其具体要求)。
29.干法去胶：最后一步去胶得到高密度可延展金属导电结构，采用干法去胶。具体操作：用胶带将结构外的金属和改性感光油墨缓慢剥离，得到柔性聚合物基底上的高密度可延展金属导电结构。
30.与现有技术相比较，本发明主要解决了两个现存的技术问题：一是通过对感光油墨的改性可以解决材料机械性能不匹配，界面不兼容造成大变形情况下界面失稳等问题；二是通过上述的全干法转印工艺可以解决借助牺牲层辅助的转印工艺需要对牺牲层进行
额外的湿化学方法蚀刻，对聚合物柔性基底造成溶解、破坏界面粘附进而影响器件的稳定性的问题。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为工艺流程图。
33.图2为具体实施例1转印前的油墨掩膜图案。
34.图3为具体实施例1柔性基底上金属图案。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.具体实施例1
37.一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化方法。包括：
38.a.改性感光油墨按质量百分比组份包括：
39.感光油墨
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90％
40.2-氧基乙酸乙酯
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9.05％
41.十二烷基苯磺酸
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0.95％
42.所选感光油墨为市售的pr2000sa型抗蚀刻油墨。
43.改性感光油墨的制备方法，方法包括：
44.称取一定比例的感光油墨置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入2-氧基乙酸乙酯，以150r/min的转速搅拌15min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入十二烷基苯磺酸，搅拌速度为150r/min,搅拌时间为10min，得到均匀的混合溶液；将上述步骤得到的均匀混合溶液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
45.b.改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化工艺的基本加工流程包括：
46.涂胶：采用静态旋涂方式，得到衬底上均匀、平整分布的改性感光油墨。
47.前烘：涂胶完成后，将其放到热板上以80℃的温度加热10min。
48.曝光：使用紫外光刻机接触式曝光4s。
49.剥离：在显影之前剥离可以使得下一步显影后的结构更加清晰完整，不会把结构之外的改性感光油墨转印到柔性聚合物基底上。具体操作：用热释放胶带将曝光得到改性感光油墨从硅衬底上剥离。
50.显影：采用浸没式显影；将从硅衬底上剥离到热释放胶带上的改性感光油墨在显影液(1％氢氧化钠水溶液)中显影12s。
51.转印：将掩模图案转印到柔性基底上；将显影后得到的热释放胶带上的改性感光油墨掩膜图案在120℃的热板上近零应变、无损转移至柔性聚合物基底上(聚二甲基硅氧
烷)。
52.薄膜沉积：本工艺最终需要在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构，则需要沉积一层金属，使其结构具有导电性。具体操作：利用离子束溅射等金属沉积工艺在改性感光油墨掩膜图案上沉积一层金属(具体厚度随其具体要求)。
53.干法去胶：最后一步去胶得到高密度可延展金属导电结构，采用干法去胶。具体操作：用胶带将结构外的金属和改性感光油墨缓慢剥离，得到柔性聚合物基底上的高密度可延展金属导电结构。
54.具体实施例2
55.一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化方法。包括：
56.a.改性感光油墨按质量百分比组份包括：
57.感光油墨
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89.97％
58.丙酮
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9.21％
59.十二烷基苯磺酸
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0.82％
60.所选感光油墨为市售的pr2000sa型抗蚀刻油墨。
61.改性感光油墨的制备方法，方法包括：
62.称取一定比例的感光油墨置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入丙酮，以180r/min的转速搅拌20min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入十二烷基苯磺酸，搅拌速度为180r/min,搅拌时间为15min，得到均匀的混合溶液；将上述步骤得到的均匀混合溶液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
63.b.改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化工艺的基本加工流程包括：
64.涂胶：采用静态旋涂方式，得到衬底上均匀、平整分布的改性感光油墨。
65.前烘：涂胶完成后，将其放到热板上以80℃的温度加热10min。
66.曝光：使用紫外光刻机接触式曝光4s。
67.剥离：在显影之前剥离可以使得下一步显影后的结构更加清晰完整，不会把结构之外的改性感光油墨转印到柔性聚合物基底上。具体操作：用热释放胶带将曝光得到改性感光油墨从硅衬底上剥离。
68.显影：采用浸没式显影；将从硅衬底上剥离到热释放胶带上的改性感光油墨在显影液(1％氢氧化钠水溶液)中显影12s。
69.转印：将掩模图案转印到柔性基底上；将显影后得到的热释放胶带上的改性感光油墨掩膜图案在120℃的热板上近零应变、无损转移至柔性聚合物基底上(热塑性聚氨酯弹性体)。
70.薄膜沉积：本工艺最终需要在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构，则需要沉积一层金属，使其结构具有导电性。具体操作：利用离子束溅射等金属沉积工艺在改性感光油墨掩膜图案上沉积一层金属(具体厚度随其具体要求)。
71.干法去胶：最后一步去胶得到高密度可延展金属导电结构，采用干法去胶。具体操作：用胶带将结构外的金属和改性感光油墨缓慢剥离，得到柔性聚合物基底上的高密度可延展金属导电结构。
72.具体实施例3
73.一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化方法。包括：
74.a.改性感光油墨按质量百分比组份包括：
75.感光油墨
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89.93％
76.2-氧基乙酸乙酯
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9.27％
77.脂肪醇聚氧乙烯醚
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0.8％
78.所选感光油墨为市售的pr2000sa型抗蚀刻油墨。
79.改性感光油墨的制备方法，方法包括：
80.称取一定比例的pr-2000sa置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入2-氧基乙酸乙酯，以180r/min的转速搅拌25min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入脂肪醇聚氧乙烯醚，搅拌速度为180r/min,搅拌时间为15min，得到均匀的混合溶液；将上述步骤得到的均匀混合溶液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
81.b.改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化工艺的基本加工流程包括：
82.涂胶：采用静态旋涂方式，得到衬底上均匀、平整分布的改性感光油墨。
83.前烘：涂胶完成后，将其放到热板上以80℃的温度加热10min。
84.曝光：使用紫外光刻机接触式曝光4s。
85.剥离：在显影之前剥离可以使得下一步显影后的结构更加清晰完整，不会把结构之外的改性感光油墨转印到柔性聚合物基底上。具体操作：用热释放胶带将曝光得到改性感光油墨从硅衬底上剥离。
86.显影：采用浸没式显影；将从硅衬底上剥离到热释放胶带上的改性感光油墨在显影液(1％氢氧化钠水溶液)中显影12s。
87.转印：将掩模图案转印到柔性基底上；将显影后得到的热释放胶带上的改性感光油墨掩膜图案在120℃的热板上近零应变、无损转移至柔性聚合物基底上(热塑性聚氨酯弹性体)。
88.薄膜沉积：本工艺最终需要在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构，则需要沉积一层金属，使其结构具有导电性。具体操作：利用离子束溅射等金属沉积工艺在改性感光油墨掩膜图案上沉积一层金属(具体厚度随其具体要求)。
89.干法去胶：最后一步去胶得到高密度可延展金属导电结构，采用干法去胶。具体操作：用胶带将结构外的金属和改性感光油墨缓慢剥离，得到柔性聚合物基底上的高密度可延展金属导电结构。
90.具体实施例4
91.一种改性感光油墨辅助的大面积金属图案化方法。包括：
92.a.改性感光油墨按质量百分比组份包括：
93.感光油墨
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89.25％
94.环己酮
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9.77％
95.脂肪醇聚氧乙烯醚
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0.98％
96.所选感光油墨为市售的pr2000sa型抗蚀刻油墨。
97.改性感光油墨的制备方法，方法包括：
98.称取一定比例的pr-2000sa置于烧杯中后，沿烧杯边缘缓慢加入环己酮，以160r/min的转速搅拌25min，待溶液混合均匀后沿烧杯边缘再缓慢加入脂肪醇聚氧乙烯醚，搅拌速度为160r/min,搅拌时间为15min，得到均匀的混合溶液；将上述步骤得到的均匀混合溶
液进行抽气泡处理，于黑暗中静置即得到改性感光油墨。
99.b.改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化工艺的基本加工流程包括：
100.涂胶：采用静态旋涂方式，得到衬底上均匀、平整分布的改性感光油墨。
101.前烘：涂胶完成后，将其放到热板上以80℃的温度加热10min。
102.曝光：使用紫外光刻机接触式曝光4s。
103.剥离：在显影之前剥离可以使得下一步显影后的结构更加清晰完整，不会把结构之外的改性感光油墨转印到柔性聚合物基底上。具体操作：用热释放胶带将曝光得到改性感光油墨从硅衬底上剥离。
104.显影：采用浸没式显影；将从硅衬底上剥离到热释放胶带上的改性感光油墨在显影液(1％氢氧化钠水溶液)中显影12s。
105.转印：将掩模图案转印到柔性基底上；将显影后得到的热释放胶带上的改性感光油墨掩膜图案在120℃的热板上近零应变、无损转移至柔性聚合物基底上(热塑性聚氨酯弹性体)。
106.薄膜沉积：本工艺最终需要在柔性基底上加工出高密度可延展金属导电结构，则需要沉积一层金属，使其结构具有导电性。具体操作：利用离子束溅射等金属沉积工艺在改性感光油墨掩膜图案上沉积一层金属(具体厚度随其具体要求)。
107.干法去胶：最后一步去胶得到高密度可延展金属导电结构，采用干法去胶。具体操作：用胶带将结构外的金属和改性感光油墨缓慢剥离，得到柔性聚合物基底上的高密度可延展金属导电结构。
108.以具体实施例1为例：请参看图1图2和图3；图1为工艺流程示意图；
109.图2为具体实施例1转印前的油墨掩膜图案；图3为具体实施例1柔性基底上金属图案。从图中可以看到，用改性感光油墨的剥离及转印得到的掩膜图案精度非常高。此外，用改性感光油墨的剥离、转印及金属图案化得到的柔性基底上蛇形金属图案具有良好的拉伸和弯曲性能，在可穿戴电子设备、健康监测、运动监测等具有着巨大的应用前景；并且在具体实施例1-4制备方法中，金属直接在柔性衬底上原位制备，且转移过程中不接触任何溶剂。
110.本发明进行了详细的介绍，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
111.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。