[发明专利]一种三维纸基多功能电路的构建方法

说明书

本发明公开了一种三维纸基多功能电路的构建方法。该纸基多功能电路由传输板、隔离板和功能板三部分组成。制备过程包括以下步骤：设计三维纸基多功能电路的整体布局；固态蜡打印及熔蜡成型；生长金纳米粒子；二次固态蜡打印处理；折叠组装。以廉价、易折叠的纸基材作为基底材料构建的纸电路具有一定的柔性，可弯曲、易折叠，对环境友好。通过该方法制备的纸电路不仅具有优异的横向导电性能，而且克服了纸基纵向导电的难题，在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种三维纸基多功能电路，属于纸基电路的制备技术领域。

背景技术

近年来，电子产品向着轻量化、柔性化的方向发展，传统的刚性电路已经不能满足当前电子器件的需求。纸基材主要成分一般是惰性的纤维素，来源丰富、廉价易得，具有可再生、可循环利用、易处理、易生物降解等优点，便于使用和运输，是构建柔性电路的良好基底选择材料。纸基电路具有重量轻、可生物降解、能够折叠成三维电路，对于未来柔性电子器件的发展具有重要的意义。因此，开展与纸基电路相关的导电墨水、制备技术研究至关重要。

传统的制备纸基电路的方法主要包括打印、丝网印刷、旋涂、铅笔绘涂、导电基质转移等方法。通过以上方法制备的纸电路在分析检测、电子器件构建等领域已经得到了应用。然而，仍然面临着易脱落、成本高、电导率不理想或者操作复杂等问题。因此，急需发展一种操作简单、成本低廉的构建纸基柔性电路的方法。

发明内容

针对目前存在的问题，我们选择在纸基材中原位生长导电材料，通过二次固态蜡打印方法构建多功能区，并借助折纸技术，构筑三维纸基多功能电路。本发明提供了一种成本低廉、操作简单的三维纸基柔性电路构建方法。该技术避免了使用价格昂贵的模具和设备，为基于纸基材的柔性电子器件的扩展应用奠定了基础。

该三维纸基多功能电路的制备方法具有省时、省力、环境友好的特点，具体制备步骤如下：

1. 采用Photoshop CS6 或者 CorelDRAW X6或者Aillustrator CS6 软件设计三维纸基多功能电路的整体布局。如附图1所示，沿该纸基多功能电路的长边方向从左向右依次为传输板、隔离板和功能板。

2. 借助固态蜡打印机将步骤1设计的图案打印于A4尺寸的复印纸上。

3. 将步骤2得到的纸张置于加热板或者烘箱中，在60-120℃的环境中加热处理30-120秒，使得打印的蜡融化并在相应的区域浸透整个纸张的厚度，形成疏水墙；未打印蜡图案的区域呈现亲水特性；在传输板、隔离板和功能板上分别有2块、4块、6块亲水区域。

4. 量取100 mL去离子水于三口烧瓶中，加热至90℃后滴加1.0 mL质量分数为1%的HAuCl₄溶液，加热至96℃并保持1分钟；之后加入3.0 mL 质量分数为1%的柠檬酸钠溶液，继续搅拌反应15分钟；自然冷却至室温即可得到粒径为12-15 nm的金纳米粒子。

5. 取一定量的步骤4得到的金纳米粒子溶液滴加至步骤3得到的传输板、隔离板和功能板亲水区域，室温下干燥2小时后再重复滴加两次以固载更多金纳米粒子作为种子。

6. 用二次水对上述区域进行洗涤之后，滴加新鲜制备的生长液，该生长液中含有体积比为1:1的200 mM的盐酸羟胺和质量分数为1%的HAuCl₄溶液，反应2小时后重复滴加上述生长液2次。

7.在经过上述处理的纸芯片的亲水区域的背面滴加等量的金纳米粒子溶液并重复步骤5和步骤6，最终得到具有优异的横向导电性和良好纵向导电性的纸基金导电线和纸基金电极。根据所属功能的不同，功能板上的6块生长有金纳米粒子的亲水区域可以分为正方形外接电极a、长方形金导电线b、以及有圆形和矩形区域组合成的多功能电极c。