力传感器控制的导电加热元件制造技术

本文描述了用于在柔性基底上形成电阻加热器和力传感元件的方法，以及包括这些元件以提供力响应传导加热器的装置，例如车辆中的座椅加热器。该方法包括在印刷过程之前和/或期间在加热到30℃至90℃的柔性基底上印刷导电油墨，并固化该基底以在其上产生导电图案。导电油墨通常包括由至少一种金属络合物和溶剂以及任选的导电填充材料配制的无颗粒金属络合物组合物。合物组合物。合物组合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】力传感器控制的导电加热元件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求均在2020年1月30日提交的题为“基于织物的力传感器”的在先美国临时申请序列号62/967,858、题为“柔性导电加热元件”的美国临时申请序列号62/967,883和题为“力传感器控制的导电加热元件”的美国临时申请序列号62/968,007在35U.S.C.
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119(e)下的权益。


[0003]本公开总体上涉及导电油墨、在柔性基底上印刷导电油墨的方法、其上印刷有导电图案的柔性基底、以及柔性印刷电子器件，例如加热元件、力传感器和组合这些元件以提供传感器控制的导电加热元件的装置。

技术介绍

[0004]印刷电子技术是世界上发展最快的技术之一，其将复杂的电子功能集成到广泛的产品中。合适的油墨对于制造这些印刷电子器件是必不可少的，导电油墨被认为是用于各种电极的最重要的材料。通常，由导电金属纳米颗粒组成的导电油墨被用于使用一系列印刷系统和技术来印刷或涂覆基底，然后通过干燥或烧结以形成具有期望形状的金属迹线或金属线。虽然这些油墨为现有技术方法在基底如玻璃上提供导电路径的一些困难提供了解决方案，但是它们通常不适用于在固化油墨时采用的高烧结温度下可能熔化或变形的纺织品，和/或不适用于柔性基底，因为它们在弯曲或拉伸纺织品时经常表现出降低的电导率。
[0005]尽管如此，当前对柔性电子器件如电子纺织品(electronic textiles)或“电子纺织品(e
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textiles)”的兴趣已经导致了各种电子元件的发展。比如美国专利申请公开2018/0132310描述了通过在纺织品的编织中包含金属纳米线而形成的导电加热元件；美国专利No.7,132,630描述了在纺织品中包含导电聚苯胺纤维，以用施加的电压提供电阻加热。欧洲专利申请公开0302590描述了通过将吡咯或苯胺化合物的水溶液施加到织物上，由此吡咯或苯胺在织物组织中聚合而形成的导电织物提供了电阻加热器。
[0006]在现有技术中也描述了力电阻传感器，但是通常是坚硬的且不可拉伸的，这是与电子纺织品特别相关的限制。这样的元件已经被包括在鞋的底或内底中，以生成关于使用者步态、压力分布和/或内旋的数据。参见例如美国专利第6,155,120号和第6,516,545号，其描述了用于鞋内底的压阻压力传感器。传感器通过用导电碳黑颗粒材料浸渍网状织物的顶层和底层并将压阻材料置于其间而形成。还参见美国专利第5,408,873号，其公开了电绝缘的导电路径作为在电阻碳油墨的第一面和导电银油墨的第二面之间延伸的对齐的导电颗粒的列。
[0007]更具柔性的力传感器，例如美国专利第6,543,299号、美国专利第8,161,826号和美国专利第8,661,915号中公开的包括由被压阻材料覆盖的导电线芯的行和列形成的压力传感器阵列；以及美国专利第10,180,721号，其描述了一种在可压缩聚合物基底上由导电束的电极形成的基于织物的力传感器。
[0008]虽然这些解决方案中的某些提供了柔性电阻加热器和力传感器，但是每一个都描述了使用编织的导电材料束以在柔性基底中形成导电元件，或者使用当柔性基底经受法向应力(例如弯曲和拉伸)时表现不佳的导电油墨。因此，本领域仍然需要开发提供与纺织品为一体的柔性电子元件的油墨和方法。

技术实现思路

[0009]本文描述了导电油墨和将这些油墨印刷在柔性基底如纺织品上以形成柔性印刷电子器件的方法。因此，本公开涉及导电油墨、在柔性基底上印刷这些油墨以形成导电图案的方法、以及包括这些导电图案的柔性印刷电子器件，例如传感器、电极、迹线、天线、加热元件等。
[0010]导电油墨通常是包含至少一种金属络合物和溶剂的无颗粒溶液。导电油墨可以进一步包括另外的成分，例如导电填充材料。在沉积时，导电油墨保形地涂覆基底，特别是纺织品基底的纤维。固化后，导电油墨形成包含金属纳米颗粒的连续导电涂层。
[0011]无颗粒金属络合物组合物的至少一种金属络合物通常包含至少一种金属、至少一种第一配体和至少一种第二配体。示例性的金属包括银、金、铂和铜。示例性的第一配体包括胺和含硫化合物，示例性的第二配体包括羧酸、二羧酸和三羧酸。
[0012]导电填充材料可以包括导电聚合物、金属氧化物和碳基材料中的一种或多种。示例性的导电填充材料至少包括炭黑、石墨、聚吡咯(PPy)、聚[3,4
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乙烯基二氧噻吩](PEDOT)、聚乙炔、聚噻吩(PT)、石墨烯、聚亚苯基、碳纳米管(CNT)、聚苯胺(PANI)和聚亚苯基乙烯。当导电油墨中包含导电填料时，可以以金属络合物与导电填料的比率为50:50至99:1提供至少一种金属络合物和至少一种导电填料。
[0013]该溶剂可以是烃溶剂。或者，溶剂可以包含一种或多种极性质子溶剂，例如至少两种选自至少包括水、醇、胺、氨基醇、多元醇及其组合的组的极性质子溶剂，并且可以基本上不含烃溶剂。
[0014]金属络合物在25℃下在溶剂中的溶解度可以为至少50mg/ml，或至少250mg/ml，或至少500mg/ml，或至少1,000mg/ml，或至少1,500mg/ml，或至少2,000mg/ml。
[0015]印刷导电油墨的方法通常包括将导电油墨沉积在柔性基底上，并固化该基底以在其上产生导电图案。固化柔性基底可以通过将基底暴露于热和/或光来实现。例如，基底可以通过暴露于热，例如在低于250℃或低于200℃或低于150℃的温度下来固化。或者或另外，固化可包括照射纺织品基底，例如通过暴露于2至20个光脉冲，例如光子固化，或可以包括暴露于红外辐射。
[0016]一旦固化，基底上的导电图案可以具有低至5Ω/
□
、2Ω/
□
、1Ω/
□
或甚至更低的薄层电阻。基底上的导电图案可以具有至少1000S/m，例如至少5000S/m，或至少10000S/m、或至少50000S/m或至少100000S/m或者至少1000000Sm、或至少10000000S/m，甚至2x10
7 S/m的电导率。
[0017]在沉积过程之前和/或期间，可以将基底加热到30℃至90℃的温度，例如在沉积过程之前和/或期间加热到30℃至60℃或40℃至90℃。
[0018]在基底上的沉积可以通过柔性版印刷、凹版印刷、凹版胶印、圆网法印刷、气动气溶胶喷射印刷、超声波气溶胶喷射印刷、挤压印刷、狭缝印刷、微分散、直写印刷、喷墨印刷
或其组合。当导电油墨保持无颗粒时，其可以通过喷墨印刷来印刷，以产生表现出小于0.5mm，例如小于0.2mm，或者甚至小于0.1mm的渗墨的印刷图案。
[0019]印刷图案可以包括一层或多层导电油墨，例如至少2层、或至少4层、或至少6层或更多层导电油墨。
[0020]柔性基底可以包括聚合物、有机和合成纤维、塑料、皮革、金属、陶瓷、玻璃、硅、半导体和其他可以使用的固体。可以使用有机和无机基底。基底可以是纺织品，例如由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于形成印刷柔性电子元件的方法，所述方法包括：在柔性基底上沉积导电油墨以形成至少一个图案；固化至少一个图案中的导电油墨以形成至少一个导电图案；和任选地，用防护电介质涂层涂覆导电图案的至少一部分，其中所述电子元件形成力传感器、电阻加热器或力传感器控制的电阻加热器的中至少一部分。2.根据权利要求1所述的方法，其中通过在加热到30℃至90℃，例如40℃至80℃的温度的柔性基底上进行喷墨印刷来沉积导电油墨。3.根据权利要求1所述的方法，其中沉积导电油墨包括印刷两层或更多层。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电图案展现出小于0.5mm的油墨渗出和小于的电阻，例如小于0.2mm的油墨渗出和小于的电阻。5.根据权利要求1所述的方法，其中通过在低于200℃的温度下加热少于20分钟的时间、暴露于2
‑
20个脉冲的脉冲光、暴露于红外辐射或其任意组合来固化所述导电油墨以形成所述导电图案。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述柔性基底是用氧等离子体、电晕、防护涂层或其组合预处理的纺织品。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述柔性基底包括针织、机织或非织造织物，所述织物包括聚酯、聚酰胺、氨纶、尼龙、弹性纤维、棉、纤维素、丝、木材、羊毛、皮革或其混合物的纤维。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电油墨包括：无颗粒金属络合物组合物，所述金属络合物组合物包括：至少一种金属络合物，所述金属络合物包括：至少一种金属，至少一种第一配体，所述第一配体是所述金属的σ供体，并且在加热所述金属络合物时挥发，和至少一种第二配体，所述第二配体不同于所述第一配体，并且在加热金属络合物时挥发；以及溶剂，其中在25℃下测量的所述金属络合物在所述溶剂中的溶解度为至少250mg/ml，且其中所述至少一种金属、所述至少一种第一配体和所述至少一种第二配体以化学计量的量提供在所述导电油墨中。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电油墨在固化后在所述柔性基底上形成纳米颗粒以形成所述导电图案。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电油墨进一步包含至少一种导电填充材料，其中所述至少一种金属络合物和所述至少一种导电填充材料以金属络合物与导电填充材料的比率为50:50至99:1提供在所述导电油墨中。11.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电油墨的所述溶剂包括有机溶剂。12.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电油墨的所述溶剂包括一种或多种极性质子溶剂，其中所述一种或多种极性质子溶剂包括水、醇和胺中的一种或多种。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述导电油墨的所述溶剂包括醇或胺、二醇、导电填料增溶剂和水。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述导电填料增溶剂包括N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮。15.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一种导电填料包括导电聚合物、金属氧化物或碳基材料中的一种或多种。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述导电聚合物包括聚吡咯(PPy)、聚[3,4
‑
乙烯基二氧噻吩](PEDOT)、聚乙炔、聚噻吩(PT)、聚亚苯基、聚苯胺(PANI)或聚亚苯基乙烯中的一种或多种。17.根据权利要求15所述的方法，其中所述碳基材料包括石墨烯、炭黑、石墨或碳纳米管中的一种或多种。18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中所述导电油墨包括：10
‑
40重量％的导电填充材料和金属络合物，以金属络合物与导电填充材料的比率为50:50至99:1提供；2
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10重量％的醇或胺；2
‑
15重量％的二醇；10
‑
25重量％的导电填料增溶剂；和40
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70重量％的水。19.根据权利要求8所述的方法，其中所述导电油墨进一步包含0.1％至5％的选自粘合剂、表面活性剂、分散剂和染料中的一种或多种的添加剂。20.一种柔性电阻加热器，其包括：柔性基底，其上印刷有至少一个导电图案，并被配置为承载电流并产生热量，其中所述至少一个导电图案用导电油墨印刷在所述柔性基底上，并且包含大于90％的金属，且其中所述柔性基底是柔性纺织品或聚合物膜。21.根据权利要求20所述的电阻加热器，其进一步包括至少一条印刷有所述导电油墨的总线，所述至少一条总线电连接到所述至少一个导电图案并被配置为提供到加热器控制器和电源的连接。22.根据权利要求20所述的电阻加热器，其中所述柔性基底包括针织、机织或非织造织物，所述织物包括聚酯、聚酰胺、氨纶、尼龙、弹性纤维、棉、纤维素、丝、木材、羊毛、皮革或其混合物的纤维，并且其中所述聚合物膜包括聚酰亚胺膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚醚砜膜、聚醚醚酮膜、聚酰胺膜或聚酰胺酰亚胺膜。23.根据权利要求20至22中任一项所述的电阻加热器，其中当连接到5
‑
15伏电气系统时，所述至少一个导电图案被配置为具有1
‑
30欧姆的电阻；在
‑
40℃至60℃下产生10
‑
400瓦每平方米；承载至少400瓦每平方米的功率密度；和/或以约0.1
℃
/秒至约11
℃
/秒的速率加热。24.根据权利要求20所述的电阻加热器，其中所述导电油墨包括：无颗粒金属络合物组合物，所述金属络合物组合物包括：至少一种金属络合物，所述金属络合物包括：至少一种金属，
至少一种第一配体，所述第一配体是所述金属的σ供体，并且在加热所述金属络合物时挥发，和至少一种第二配体，所述第二配体不同于所述第一配体，并且在加热金属络合物时挥发；以及溶剂，其中在25℃下测量的所述金属络合物在所述溶剂中的溶解度为至少250mg/ml，其中所述至少一种金属、所述至少一种第一配体和所述至少一种第二配体以化学计量的量提供在所述导电油墨中，且其中所述导电油墨在固化后在所述柔性基底上形成纳米颗粒以形成所述导电图案。25.根据权利要求24所述的电阻加热器，其中所述导电油墨进一步包含至少一种导电填充材料，其中所述至少一种金属络合物和所述至少一种导电填充材料以金属络合物与导电填充材料的比率为50:50至99:1提供在所述导电油墨中。26.根据权利要求25所述的电阻加热器，其中所述导电油墨的所述溶剂包括醇或胺、二醇、导电填料增溶剂和水。27.根据权利要求26所述的电阻加热器，其中所述导电填料增溶剂包括N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮。28.根据权利要求25所述的电阻加热器，其中所述至少一种导电填充材料包括导电聚合物、金属氧化物或碳基材料中的一种或多种。29.根据权利要求28所述的电阻加热器，其中所述导电聚合物包括聚吡咯(PPy)、聚[3,4
‑
乙烯基二氧噻吩](PEDOT)、聚乙炔、聚噻吩(PT)、聚亚苯基、聚苯胺(PANI)或聚亚苯基乙烯中的一种或多种；并且其中碳基材料包括石墨烯、炭黑、石墨或碳纳米管中的一种或多种。30.根据权利要求28或29所述的电阻加热器，其中所述导电油墨包括：10
‑
40重量％的导电填充材料和金属络合物，以金属络合物与导电填充材料的比率为50:50至99:1提供；2
‑
10重量％的醇或胺；2
‑
15重量％的二醇；10
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25重量％的导电填料增溶剂；和40
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70重量％的水。31.一种柔性力传感器，其包括：电极层，所述电极层包括用导电油墨印刷在第一柔性基底上的至少一个电极；和第二柔性基底上的导电层，所述导电层通过具有间隔距离的间隙与所述电极层分隔开，其中所述柔性力传感器被配置成在垂直于力传感器的纵向范围的方向上压缩所述电极层和导电层时启动电信号。32.根据权利要求31所述的力传感器，其进一步包括连接到所述至少一个电极的控制电路、收发器和控制器，其中所述控制电路被配置为将电信号传送到收发器，并将记录的力或电阻变化传送到控制器。33.根据权利要求31所述的力传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：琴格多，
申请(专利权)人：液体X印刷金属有限公司，
类型：发明
国别省市：