一种新型柔性电极制作的探索

兰　！　！　里墨　壅些　：≥　◆徐安伯　摘要：随着电子技术的不断发展及柔性电子器件制备工艺的不断完善，人们对便携式、柔性可穿　戴电子设备需求逐渐增加，未来人们有望制造出适应性更强、更轻便、更经济的柔性电子产品，然而制　备性能良好的柔性电极是设计柔性电子设备的基础。因此，本文提出了设计和制作可弯折拉伸的柔性电　极的方法并对其电学性能进行了定量测试。利用柔性基材环氧树脂软胶对金属粉末有相容性的特点，在　其中添加银铜粉电功能填料，使柔性基材具有良好的导电性，制备出可弯折可拉伸的柔性电极。通过改　变柔性电极的拉伸长度和拉伸次数，测量柔性电极的电阻，证明其具有导电特性和可靠性。　关键词：柔性电极；环氧树脂；可弯折拉伸；导电性；可靠性　引言　随着新型柔性电子皮肤、可穿戴电子产品的高速发展，　人们对适应性更强、更轻便、更经济的可弯折拉伸柔性电子　产品的需求日益增大　，柔性电子技术以其巨大的性能优势　与快速的发展速度在世界范围内掀起一场技术革命。柔性电　子产品具有成本低、应用范围广等特点，尤其是在生物Ｔ程　学领域有极大地应用和发展前景　。　柔性电子产品应用在柔性电子显示屏，利用其轻薄、可　卷曲、可折叠、便携、不易碎等特点　，能够革命性地改变　电子产品的现有形态，让大量的潜在应用成为可能，对未来　的人机交互产生深远影响。柔性电子产品应用在柔性可穿戴　设备，柔性电子能够与可穿戴设备的体积小、便携性高、使　用灵活的设计理念完美结合　，当使用在可穿戴设备上，用　户互动时的亲和感以及柔性特质带来的耐用程度会有明显改　善从而提高监测生理参数的实时性和准确度　。作为柔性电　子产品设计的基础，柔性电极的制备成为关键的核心工艺。　因此，探究和制备一种在受到弯折和拉伸时能保持稳定电化　学性能的电极具有非常重要的意义。　一、柔性电极制备原理及过程　本文研究制作柔性电极的原理是通过导电功能填料与功　能性助剂充分混合后，均匀填充在柔性基材中，以柔性基材　为衬底，导电功能填料作为电极，利用柔性基材的可拉伸性　使整个电极具有拉伸性。利用环氧树脂软胶具有可拉伸性的　优点，所以使用环氧树脂软胶作为柔性基材，在其中添加银　铜粉的作为功能填料。　环氧树脂软胶内含有多种极性基团和活性很大的环氧　基，与金属填料具有良好的相容性，易于进行共聚、交联、　填充等改性，提高胶层的性能。易于与金属粉末混合，同时　环氧树脂软胶具有良好的流动性，固化后不会残留大量气泡，　能够形成较为平整的柔性基材。银铜粉属于复合金属粉末，　它可以改变单一金属粉的表面或者内部结构。银的电阻率在　金属材料中是最低的，也具有抗氧化能力，但是价格比较昂　贵。铜粉在生产生活中广泛应用，价格低廉，但是抗氧化能　力较差，长期暴露在空气下表面容易产生氧化膜，对其性能　会有很大影响。银铜粉是在铜粉表面镀银，兼得两者优点，　互补缺点。　柔性电极的制备流程是如图１所示，先将环氧树脂软胶　与银铜粉混合，并加入乙醇（Ｃ２Ｈ５０Ｈ）作为功能性助剂，　有助于银铜粉在环氧树脂软胶中悬浮。再将混合溶液放置于　烧杯中向混合溶液中加入环氧树脂固化剂，通过磁力搅拌器　搅拌加热，使乙醇彻底挥发，同时使导电功能材料混合更加　充分。最后将环氧树脂利用涂膜器制备成厚度为１ＭＭ的环　氧树脂薄膜，环氧树脂软胶固化，制备具有可弯折拉伸性的　柔性电极制备完成。　混合■　加　化■　制薹　图１电极制备流程　二、柔性电极测试及结果分析　柔性电极是具有可弯折拉伸的一类电极，其导电性能　和拉伸性能是决定柔性电极性能好坏的重要指标，其经过　多次拉伸后导电性能保持基本稳定是柔性电极可靠性的基　本标准。因此针对柔性电极的导电性、拉伸性和可靠性，　采用利用自行搭建的电阻测试平台对制备出的柔性电极进　行测试。　我们使用高精度万用表对柔性电极的电阻进行测量，进　行拉伸，其测量示意图如图２，测定柔性电极未变形时的原　始电阻、原始长度Ｌ、拉伸长度△Ｌ及拉伸后的电阻，进而　计算电阻变化率，绘制电阻变化率的曲线图，分析拉伸形变　比对电阻变化率的影响。　图２电极拉伸示意图　将柔性电极薄膜剪成２０ｍｍ＊１０ｍｍ矩形测试样品，按照　图２所示的方法测量样品电阻在未变形（拉伸量△Ｌ为０）　时的电阻值Ｒ，随后按照表１所示改变柔性电极的长度乙，　测量不同拉伸量　Ｌ时的电阻Ｒｘ（ｘ＝０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，ｌｏ）。　信息系统工程ｌ　２０１７．１１　２０　５３　ＳＹＳ　ＰＲＡＣＴＩＣＥ　系统实践　表１柔性电极的长度和拉伸量　电极长度　２０　２４　２６　２８　３０　３２　３６　４０　ｍｍ　拉伸量　０　２　｛　６　８　１０　１１　１４　１６　１８　２０　Ｌ　Ｈｕｎ　ＡＲ＝Ｒ一只　（１）　Ｒ　：竺　（２）　ＡＬ＝＝＝Ｌ一￡　（３）　ｒ，￡　厶一一　一　（４）　分别根据公式（１）和公式（２）计算电阻的变化值　屁　币¨电阻变化率Ｒ　；根据公式（３）和公式（４）计算电极托伸　长度的变化值４Ｌ和电檄的拉伸形变率Ｌ　吲　图３电极电阻与拉伸形变率关系曲线图　图４电阻变化率与拉仲形变率的关系曲线图　由同３和图４可以看出在拉伸形变率小于０．５时，随着　柔性电极拉伸形变率的增加，柔性电极的电阻和电阻变化率　很小，电学性能稳定；当超　有效形变率后（Ｌ　＞０．５），　柔性电极的电阻和电阻率随拉伸形变率呈儿何倍数增加，最　终失去电学特性～　为了更直接观察基于环氧树脂柔性电阻与电极拉伸长度　的关系．将尺寸为ｌＯｍｍ＊１５ｒｎｍ柔性电搬样品作为导线接入　５４　信息系统Ｔ程｝２０１７ｌＩ　２０　如同６所示的电路【｝１，　＿）ｆ火　合　，坷过改变电儆的十　ｆＩ｝１　长度，　电檄的托伸半分别为０，　ｌ０％，２０％，３０％，４（）　．　５０％时，小灯泡的放光情况如　７所示　观察『１ｆ知，　十　ｆ【｛Ｉ　率　断增加时，小灯泡发比强度小断变晴，　ｌ是增人粜　性电饭的扎仲率会增大柔性电橄的电阻，６－：Ｉ【ｌ源电Ｊ　一定时，　柔性电极的两端的分　增人，从ｌ　导敛小灯泡两端电　降低．　ＩＨ此灯泡发光强度不断减弱　Ｕ　Ｓ１　Ｌ１　柔性电儆　图５电路原理图与实际连接图　ｌ　ＪＩ＇　ｌ　ｉ　啷　鼻　、．＿Ｉ　～　纛　图６不同拉仲率对应的灯泡的发光情况　为了测试柔性电橄的可靠性，将粜性ｆ乜傲薄膜　成　２０ｍｍ＊１Ｏｍｍ矩形测酞样　，测锗样　ｎＩ　未变肜Ｉｆｌ『的电Ｉ５Ｉｌ【　定拉伸测试平台，没置托力为４０Ｎ、频率为５ｔｉｚ、｛　伸肜　变量为５０％　肩动测试平台，分刖测蛀柔性电徵｛皮测酞平　伸０、５０、１Ｏ０、ｌ５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、　５００次后的电阻尺　（ｙ：０，１，２，３，４，５，６，７。８，９，１Ｏ）．绘制　柔性电极电阻随　伸次数变化ｆ｝ｎ线　如Ｉ　７所，Ｊｊ　图７电阻与拉伸次数的关系曲线图