專利名稱：以組成改性的碳酸鋇粉末生產陶瓷/塑料電容器的微擠出多層化技術的制作方法
以組成改性的碳酸鋇粉末生產陶瓷/塑料電容器的微擠出
多層化技術背景電容器被長久地用來構建電路。具體而言，電容器一直被用在能量電路中以便使 DC電壓與AC電流去耦。在其他實例中，電容器一直被用在電子電路中，以便提供所希望的電路響應和功能。在更近期，已經提出將大型電容器用作能量儲存裝置。先前，單層式電容器、包括位于單一介電層的任一側上的電極，一直是通過絲網印刷工藝來形成的。這些工藝總體上包括通過掩膜來印刷一個層并且在增加第二層之前烘烤該層。雖然這些工藝對單層電容器而言可能是可接受的，但是絲網印刷對于多層式電容器而言是效率低下的。為了形成多層式電容器，絲網印刷技術將導致大量重復的烘烤步驟，每一步都涉及加熱、處理和冷卻的周期，這給生產過程增加了時間和花費。這樣，絲網印刷技術已經被證明對形成多層式電容器并且特別是電容性儲存裝置而言是不太令人希望的。附圖簡要說明通過參照這些附圖可以更好地理解本披露并且其多種特征和優(yōu)點將對本領域技術人員變得清晰。

圖1包括一種示例性的連續(xù)印刷裝置的圖示。圖2包括一個流程圖，展示了形成一個電容性儲存裝置的示例性方法。圖3、圖4和圖5包括一種電容性儲存裝置的多個示例性的層的圖示。圖6包括一個示例性的噴嘴構型的圖示。圖7包括一個示例性的沉積圖案的圖示。圖8包括一個示例性的分層式構造的截面圖示。圖9包括一個示例性的沉積式樣的圖示。圖10和圖11包括多個示例性噴嘴的圖示。在不同的圖中使用相同的參考標記表示類似或相同的事項。詳細說明在一個具體的實施方案中，將一組墨料沉積在多個圖案化的層上，以便形成一個電容性能量儲存裝置的一個部件。示例性的墨料包括導電微粒并且可以用于形成電極。另一種示例性的墨料包括介電陶瓷微粒和聚合物粉末、并且可以用于形成介電層。再一種示例性墨料包括聚合物粉末、并且可以沉積在圖案化的層之內的電極和介電層周圍。在另一個實施方案中，這些墨料可以各自從一個印刷頭以連續(xù)流進行沉積，以便形成該部件的多個元件。在一個示例性的實施方案中，連續(xù)的印刷設備，如層流印刷裝置，可以用于形成一個電容性儲存裝置的多個層。例如，圖1包括一種示例性印刷設備100的圖示。一個工件支撐物102支撐并固持一個工件104。工件104可以是一個多層式電容器的一部分或者可以是一種聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)膜、或者是一個多層式電容器工件可以在其上啟動的一種紙質支撐物。工件104可以通過夾具或銷釘、通過粘性膜、通過真空、以靜電方式、或通過其任何組合而被夾持在位。替代地，可以用聚四氟乙烯(PTFE)塑料來涂覆工件支撐物 102，并且可以將一個第一聚合物層(如聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET))直接印刷在工件支撐物102上。此外，印刷設備100包括一個印刷頭組件106和一個印刷頭支撐物108?？傮w而言，印刷頭組件106被配置為以連續(xù)流動(如層流)從一個噴嘴向工件104傳送墨料或懸浮液。與其他印刷技術不同，墨料不是以周期性的或分離的點或通過一個掩蔽的篩網而擠出、而是以連續(xù)流傳送的。在一個實例中，印刷頭組件106可以被配置為傳送墨料或懸浮液的單一流。在另一個實例中，印刷頭組件106可以被配置為以兩個或更多連續(xù)流來傳送墨料或懸浮液，如至少兩個、至少三個、至少四個、或者至少八個流。例如，印刷頭組件106可以包括一個或多個噴嘴，它們各自是可控制的以便以連續(xù)流(如層流)傳送墨料。在另一個實施方案中，印刷頭組件106可以被配置為傳送一種單一的墨料或懸浮液?？商娲兀∷㈩^組件106可以被配置為選擇性地傳送兩種或更多的墨料或懸浮液。例如，兩個或更多輸送管線可以將兩種或更多的墨料組合物提供到印刷頭組件106，并且印刷頭組件106可以被配置為選擇性地或可控制地將這些墨料組合物中的一種或多種傳送到工件104。在一個實例中，印刷頭組件106可以被配置為在相對工件104進行相對運動時， 同時地傳送兩種或多種墨料的流。在一個實例中，印刷設備100可以包括一個或多個容器110，這些容器通過一條或多條輸送管線112而流體地聯接到印刷頭組件106上。輸送管線112將來自容器110的一種或多種墨料或懸浮液提供給印刷頭組件106。在一個實施方案中，可以將多于一條的輸送管線112、多于一個的容器110、或其任何組合連接到印刷頭組件106上。可以對容器 110中的墨料、或者在這種印刷工藝的噴嘴附近的一個貯存器處提供墨料的超聲攪拌，以便保證這些微粒組分的完全分散。與有待分散以形成聚合物層的墨料相關的貯存器可以被保持在20psi到IOOpsi 的壓力以及20°C到50°C范圍內的溫度下。對于更大或更厚的聚合物層，貯存器壓力可以保持在 20psi 到 IOOpsi。對于與分散介電的粉末或層相關的貯存器而言，該貯存器可以保持在20psi到 IOOpsi的壓力、20°C到50°C的溫度下。與用于印刷導電層的噴嘴相關的貯存器可以保持在 IOpsi到70psi的壓力以及20°C到50°C的貯存器溫度下。任選地，印刷設備100可以包括至少一個能量源114。例如，該能量源114可以是一個輻射源，如紫外源、可見光源、紅外源、或其組合。具體而言，該輻射源可以是一個紅外熱源，如在約1. 2X1014HZ與1. &1013ΗΖ之間的頻率范圍內的電磁能量源。在另一個實例中， 能量源114可以是處于反射的漫射光的形式或者可以是激光源。在一個實例中，能量源114 引導能量116 (如紅外輻射)撞擊在工件104的至少一部分118上、在從印刷頭組件106中分散的墨料附近。在一個實例中，能量源114可以隨印刷頭組件106 —起移動，或者可以調整能量116的方向以跟隨印刷頭組件106或工件104的移動。具體而言，工件支撐物102或印刷頭組件106、或這兩者被配置為產生相對于彼此的運動，從而有效地改變將連續(xù)流沉積到工件104上的位置。其結果是，在工件104上印刷出了一個連續(xù)層120。取決于印刷頭組件106與工件104的相對運動，層120可以是直的、 彎曲的、或者包括銳角。在一個具體的實例中，工件支撐物102可以被配置為相對于由工件支撐物102所形成的平坦表面而言在χ或y方向中的一者或多者上移動。在另一個實例中，印刷頭組件106可以被配置為在χ或y方向中的一者或多者上移動。在又一個實例中， 工件支撐物102可以被配置為在一個第一方向上移動，如χ方向或y反向，并且印刷頭組件 106可以被配置為在一個第二方向上移動，如y方向或χ方向。工件支撐物102或印刷頭組件106之一或兩者可以被配置為在ζ方向上移動。在一個具體實例中，印刷頭組件106被連接到印刷系統(tǒng)100的一個靜止的不銹鋼上壓盤上?？梢詫⒍嘤谝粋€的印刷頭106連接到該上壓盤上。支撐物102相對于這個或這些印刷頭106移動。印刷頭組件的數目可以被設定為提供所希望的產品處理量，因為每個印刷頭組件與其他印刷頭組件同時地印刷多個單獨電容器的層。然而，印刷系統(tǒng)的尺寸是一個因素，于是分層的印刷頭組件的數目可能受到與制造空間限制相關的實際印刷系統(tǒng)尺寸的限制。印刷系統(tǒng)的下板或支撐物102受到印刷系統(tǒng)的xyz撬板控制，這樣使得這些噴嘴可以處于適當的位置上、在噴嘴和下板之間具有適當的高度、并且在分層化印刷過程中以適當的速度橫向移動。這些壓盤涂覆有Tef 1 on 氟烷樹脂或任何合適的脫模劑膜或 Mylar 的薄層(粘合到壓盤表面上的聚(對苯二甲酸乙二酯))。該印刷單元的控制器確保這些處理儲箱是處于指定的溫度和壓力下并且以上指出的過程參數是如在分層化過程中所指定的來完成。在印刷過程開始時，印刷單元自動地將已涂覆的或pet分層的不銹鋼壓盤傳輸到該單元中并且將其鎖定到適當的印刷位置。在印刷過程結束時，印刷單元自動地將帶有這些分層的電容器部件的不銹鋼壓盤傳輸到該單元之外、到一個傳輸單元上，這樣使得這些部件可以通過下一階段的制造而得到處理。分層的厚度、長度和寬度由擠出機隙縫來控制，并且其他過程參數可以改變以便滿足特定應用的規(guī)格。示例性的參數設定能力和對于這些參數的過程設定可以被用于獲得對所指明的層厚度進行成功的擠出。例如，所希望的層厚度可以通過改變貯存器溫度、改變墨料的粘度、調節(jié)擠出機的隙縫寬度、設定處理儲箱中的壓力、設定噴嘴距沉積壓盤表面的高度、設定噴嘴相對于沉積壓盤的速度、設定噴嘴隙縫的寬度和分層過程的長度以確立電容器的尺寸、改變層固化溫度和空氣速度、或其任何組合來進行控制。在一個具體的實施方案中，可以將連續(xù)流裝置與以下說明的墨料和懸浮液的實施方案結合使用，以便形成多層式電容器。例如，圖2包括一個流程圖，展示了形成一個電容性元件的示例性方法。如在202處所展示的，可以將一個工件放置在一個工件支撐物上。為了開始該多層式電容器的形成，這個工件可以包括一個聚合物膜或一種紙。替代地，該工件支撐物可以涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)塑料，并且可以將一個第一聚合物層(如聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET))直接印刷在工件支撐物上。例如，可以用包括以下所述量值的多種溶劑或聚合物粘合劑的墨料或懸浮液來印刷一個層，其中沒有導電的或介電的陶瓷材料。如在204處所展示的，可以在該工件上印刷一個第一電極層。這個第一電極層可以是一個陽極層或一個陰極層。具體而言，這個第一電極層可以是用包括導電微粒的墨料或懸浮液印刷的，該導電微粒是例如鋁、銅、鎳、錫或這些導電微粒的組合。例如，該墨料或懸浮液可以包括一種或多種溶劑、一種燒除式粘合劑、以及一種導電微粒。隨著墨料或懸浮液被沉積，該組合物可以形成一個導電層，這個層可以用作電極。在一個實例中，第一電極層可以具有在約Iym到約Ι μπι之間的厚度。具體而言，該墨料或懸浮液是以同時被固化的一個或多個連續(xù)流被傳送的。
任選地，可以印刷一個由包括溶劑和燒除式有機粘合劑以及介電聚合物微粒的一種墨料或懸浮液所形成的絕緣層，以便在該電極層的平面之內的至少三個側面上包圍第一電極層。替代地，可以印刷一個由包括溶劑和燒除式聚合物粘合劑以及介電玻璃微粒的一種墨料或懸浮液所形成的絕緣層，以便在電極層的平面之內包圍第一電極層。在一個具體的實施方案中，可以將電極層的材料與絕緣層材料的至少一部分同時地進行印刷。在此使用“同時地”來表明，這些事件可以在同一時間發(fā)生、可以在時間上重疊，或者一個事件可以在另一個事件正結束時開始。如在206處所展示的，可以在第一電極層之上印刷一個第一介電層。可以用包括一種介電微粒的墨料或懸浮液來印刷該第一介電層。例如，該墨料或懸浮液可以包括多種溶劑、一種燒除式粘合劑(例如基于纖維素的粘合劑)、以及一種介電微粒材料，其在沉積時形成一個介電材料層。該介電微粒材料可以包括介電陶瓷材料。在一個實例中，第一介電層可以具有在約Iym到約Ι μπι之間的厚度。具體而言，可以印刷該介電墨料的一個或多個連續(xù)流并使其同時固化以便形成該介電材料層。任選地，可以印刷一個由包括溶劑和燒除式有機粘合劑、沒有微粒填充劑但是具有介電聚合物微粒的一種墨料或懸浮液所形成的絕緣層，以便在介電層的平面之內的四個側面上包圍第一介電層。在一個實例中，可以將該介電材料層與該絕緣層的至少一部分同時地進行印刷。如在208處所展示的，可以在第一介電層之上印刷一個第二電極層。如第一電極層一樣，可以用包括一種導電微粒的墨料或懸浮液來印刷該第二電極層。例如，該第二電極層可以由類似于用來形成第一電極層的一種墨料或懸浮液來形成、或者可以由一種不同的墨料或懸浮液來形成。取決于第一電極層，第二電極層可以是一個陰極層或一個陽極層。 例如，當第一電極層是陽極層時，第二電極層可以是一個陰極層。第二電極層可以具有在約 Iym到約Ilym之間的厚度。在一個具體實施方案中，第二電極層可以相對于第一電極層是偏置的，以便允許分離的電連接，如在電容性元件的相反兩側上的、分離的電連接。任選地，可以印刷一個由包括溶劑和聚合物粘合劑、沒有陶瓷填充劑但是具有介電聚合物微粒的一種墨料或懸浮液所形成的絕緣層，以便在該電極層的平面之內的至少三個側面上包圍第二電極層。在一個實例中，可以將該電極層與絕緣層的至少一部分同時地進行印刷。進而，如在210處所展示的，可以在第二電極層之上印刷一個第二介電層?？梢杂冒ㄒ环N介電微粒的墨料或懸浮液來印刷該第二介電層。該第二介電層可以由類似于用來形成第一介電層的一種墨料或懸浮液來形成、或者可以由一種不同的墨料或懸浮液來形成。在一個實例中，該第二介電層可以具有在約Iym到約Ι μπι之間的厚度。任選地，可以印刷一個由包括溶劑和聚合物粘合劑、沒有微粒填充劑但是聚有介電聚合物微粒的一種墨料或懸浮液所形成的絕緣層，以便在該介電層的平面之內的四個側面上包圍該第二介電層。在一個實例中，可以將第二介電層與該絕緣層的至少一部分同時地進行印刷。為了形成一種多層式電容性元件，可以重復這個分層化過程。返回到204，可以在第二介電層之上印刷一個額外的電極層。在一個實施方案中，可以重復這個過程直到印刷出至少約500個層，并且優(yōu)選地印刷出至少約1000個層、如至少約2000個層。在一個示例性實施方案中，這些層是用一個流束印刷機來印刷的。隨著墨料被沉積，它可以被一個能量源加熱，如紅外能量源。在墨料接近工件時將其加熱可以蒸發(fā)一部分溶劑，從而在墨料接觸工件之前增大它的粘度。增大后的粘度可以減小墨料的蔓延和層厚度的變化。額外地，該能量源可以通過熱分解而從層中去除部分粘合劑。此外，該能量源可以燒結粘合劑的其他部分。在一個實施方案中，該能量源可以提供足夠的能量來燒結這個層，從而將層的密度提高至少約75%、優(yōu)選至少約85%、如至少約95%。特別地，該能量源所產生的熱不足以使永久的聚合物粘合劑或介電聚合物微粒降解。替代地，可以引導一種氣體如熱氣體越過這些沉積的層，以便蒸發(fā)溶劑并分解燒除式粘合劑。例如，這種氣體可以是干凈的干的空氣、氮氣、或稀有氣體。可以將這種氣體加熱到50°C到150°C的溫度。另外或替代地，可以將該電容性元件進行熱處理或在印刷了多個層之后、如在基本上所有的層都被印刷之后進一步進行熱處理，如在212處所展示的。具體而言，可以將該電容性元件進行熱等靜壓，如在至少80bar的壓力下，例如在80bar與120bar之間。溫度可以是至少約150°C、優(yōu)選至少約165°C，如在約165°C與約215°C之間、或者在約170°C與約 200°C之間。替代地，當該介電材料包括一種玻璃質涂層或當使用一種玻璃質的玻璃絕緣材料時，溫度可以是至少約400°C，如至少約500°C、至少約700°C或者甚至至少約900°C。此外，如在214處所展示的，可以切割該電容性元件，并如在216處展示的，可以將電連接施加到這些電極上。例如，如以上關于第一和第二電極層所描述的，當陰極與陽極偏置時，可以將一個單一的連接施加到該電容性元件的一個第一側面上以連接這些陰極，并且可以將一個單一的連接施加到該電容性元件的一個第二側面上以連接這些陽極。例如， 可以將第一和第二側面浸入一個熔融金屬浴中。替代地，可以用一種導電粘合劑建立多個電連接。任選地，可以將該多層式電容性元件極化，如在218處所展示的。例如，可以將該電容性元件加熱到至少約150°C、優(yōu)選至少約165°C，如在約165°C與約215°C之間、或者在約170°C與約200°C之間的溫度。此外，在加熱之后，在陽極與陰極之間施加至少2000V、如至少3000V或甚至至少3750V的一個電壓差。此外，可以將該多層式電容性元件包裝在一個電容性儲存裝置中，如在220處所展示的。例如，可以將多于一個電容性元件進行電聯接并且固定在一種單一的物理排列中以便形成一個電容性儲存裝置。具體而言，可以將若干電容性元件放置在一個殼體中，該殼體包括將這些電容性元件以并聯或串聯排列(或其組合)相聯接的電接觸部，以便形成電容性儲存裝置。 在一個示例性實施方案中，上述方法和印刷裝置可以被用于形成一種電容性儲存裝置的多個元件的圖案化的層。圖案化的層描述了在層內包括沉積材料的一種圖案的每個層的性質。將多個圖案化的層沉積在彼此的頂部，以便形成該電容性儲存裝置的多個電容性元件。例如，圖3、圖4和圖5包括一種多層式能量儲存裝置的多個相鄰層的圖示。如在此使用的，縱向的是指一個層的最長的正交尺度，橫向的是指第二長的正交尺度，而厚度是指第三長的正交尺度。例如，圖3包括一個示例性電極層的圖示(例如陽極層)，圖4包括一個示例性介電層的圖示，而圖5包括一個示例性的相反電極層的圖示(例如陰極層)。如在圖3中展示的，在該電極層內，一個電極302被一個絕緣部分304 (如一個介電聚合物部分)所包圍。替代地，可以用一種玻璃質的玻璃部分來替換該介電聚合物部分304。具體而言，電極302從該電極層的一個第一末端310延伸到一個位置306，這個位置與電極層的第二末端308是間隔開的。如所展示的，電極302形成了一種矩形形狀，它在三個側面上被絕緣部分304所包圍。這樣一個電極層可以用以下說明的噴嘴陣列的變體來形成。如在圖4處所展示的，一個介電層包括在四個側面上被一個絕緣部分414(如介電聚合物部分)包圍的一個介電陶瓷部分412。該介電陶瓷部分414可以沉積在下面的電極 302的一部分之上。此外，介電陶瓷部分412與這些層的邊緣308和310是間隔開的。替代地，可以用一種玻璃質的玻璃部分來替換該介電聚合物部分414。如上，這樣一種介電陶瓷層以及相關的介電陶瓷部分412和絕緣部分414可以用以下說明的噴嘴陣列的變體來印刷。如在圖5中進一步展示的，可以在一個層中印刷一個第二電極516并可以將其三個側面上由一個絕緣部分518(如介電聚合物部分)來包圍。與第一電極302不同，第二電極516可以接觸邊緣308并且可以與邊緣310間隔開。這樣，第二電極516是與從第一電極302偏置的。替代地，可以用玻璃質的玻璃部分來替換該介電聚合物部分518。在此同樣地，第二電極516和介電聚合物部分516可以用以下說明的噴嘴陣列的變體來形成。在圖3、圖4和圖5中展示的多層式電容器的構型可以用于制造能量儲存裝置的電容器。例如，這些圖案化的層可以用一個單一印刷頭來印刷。替代地，可以使用多于一個印刷頭。在圖6中展示了一個示例性的印刷頭。具體而言，這些圖案化的層可以使用連續(xù)流進行印刷，這些連續(xù)流是根據印刷頭相對支撐物的位置來啟動和停止。在圖7中展示了與印刷過程相關的分層作用、閥門打開和關閉的定時、電動機停止信號。所獲得的這些層的示例性截面視圖展示在圖8中。一旦沿圖7中指明的切割線進行切割，就可以通過在電容性元件上放置電容性端帽(如銅端帽)來形成電容性裝置。圖6包括一種示例性的噴嘴構型600的圖示。該噴嘴構型600被配置為隨著印刷頭在602處指示的方向上前后移動而印刷出電容性元件的多個層?？v向方向平行于方向 602，而橫向是指在平行于印刷頭的一個平面內的第二長的正交尺度。例如，噴嘴A可以被配置為分散一種墨料以形成一個聚合物層。噴嘴B可以被配置為分散一種墨料以形成一個導電層。噴嘴C可以被配置為分散一種墨料以形成一個聚合物層，而噴嘴D可以被配置為分散一種墨料以形成一個介電層。噴嘴E和F可以分散干凈的、干的氣體，如空氣、氮氣、或稀有氣體。在一個實例中，噴嘴A具有在1. 4密爾到4密爾范圍內的隙縫寬度。噴嘴C具有在4密爾到8密爾范圍內的隙縫寬度，而噴嘴D具有在4密爾到8密爾范圍內的隙縫寬度。 噴嘴B可以具有在1. 4密爾到4密爾范圍內的隙縫寬度。印刷頭的速度處于每秒10到20 英寸的范圍內。具體而言，噴嘴A和噴嘴C被配置為分散一種墨料以形成一個聚合物層。例如，噴嘴A可以分散一種墨料以便在一個電極的平坦末端處形成聚合物層。具體而言，噴嘴A可以被配置為分散足夠的墨料以形成一個與形成電極的導電層具有相等厚度的聚合物端帽。 例如，噴嘴A可以被配置為分散足夠的墨料以形成厚度在0. 5微米到3微米、如0. 5微米到 2微米、或0. 5微米到1. 5微米、或約1微米的厚度的一個聚合物層。雖然多個噴嘴C被配置為分散一種類似的墨料，但噴嘴C可以分散足夠的墨料以形成具有一個介電層和一個導電層兩者的厚度的一個聚合物層。例如，如果介電層是10微米且導電層是1微米，則噴嘴 C可以分散足夠的墨料以形成一個11微米的聚合物層。具體而言，噴嘴C可以被配置為分散墨料以形成在9到15微米范圍內的一個層，如在9到12微米范圍內、或甚至在10到12微米范圍內。在一個具體實例中，噴嘴A和C被配置為用于將一種樹脂粉末(例如聚(對苯二甲酸乙二酯)塑料(PET))在一種粘合劑溶液中分層化，這種溶液包括聚碳酸亞丙酯(粘合劑、以及丙酮(溶劑)的混合物或多種溶劑如六氟-2-丙醇或60/40的苯酚/四氯乙烯。在帶有這些溶劑中的任何一種的PET的情況下，可以改變這些材料的濃度水平，以便確立用于該分層化或印刷過程的適當粘度。噴嘴B被配置為分散一種墨料以形成作為電容性元件的電極是有用的一種導電層。例如，噴嘴B的操作可以被配置為分散墨料以形成多個具有的厚度在0. 5微米到3微米、如0. 5微米到2微米、或甚至0. 5微米到1. 5微米如約1微米的厚度的導電層。具體而言，噴嘴B可以用于一種含導電性微粒的墨料的分層化。這種墨料可以包括或不包括聚(亞丙基)碳酸酯的一種粘合劑溶液。在另一個實例中，在這兩種情況下均可以使用丙酮。這種墨料的粘度可以通過改變這些成分的濃度而確立。噴嘴D可以被配置為分散墨料以形成一個介電層。在一個實例中，這些噴嘴D可以被配置為分散足夠的墨料以形成具有在8到15微米范圍內的厚度的一個介電層，如在9 到12微米范圍內、或甚至在9到11微米范圍內，如約10微米。在一個具體的實例中，為了陶瓷粉末、例如在聚(對苯二甲酸乙二酯)基質中的組成改性過的鈦酸鋇粉末的分層化，將這些成分與聚(丙烯)碳酸酯和丙酮的一種粘合劑溶液或諸如六氟-2-丙醇或60/40的苯酚/四氯乙烯的多種溶劑相混合、并且用噴嘴D來分層。在帶有這些溶劑中的任何一種的PET的情況下，可以改變這四種材料或兩種材料的濃度水平，以便確立用于該分層化或印刷過程的適當粘度。具體而言，可以控制這些噴嘴以便與印刷頭的運動相結合地在特定時間和特定位置進行分散。當印刷頭在移動時，墨料分散的相關啟動可以造成形成具有所希望的厚度和組成的多個層。例如在圖7中展示的，當印刷頭在位置1與位置10之間移動時，這些噴嘴可以被打開或關閉，以便印刷一個導電性或電容性裝置的一系列層或一組層，例如在圖8中展示的。從在圖7中展示的位置1開始，噴嘴A可以在位置2被打開并在位置4被關閉，并且噴嘴B可以在位置4被打開并在位置8被關閉。控制印刷頭的電動機可以在位置9被關閉，并且印刷頭在位置10處停止。其結果是，形成了一個第一電極層802?？梢杂靡环N反向行程(pass)來形成介電層804以及聚合物層806和808。例如，從位置10開始反向進行， 噴嘴C和D可以在位置9被打開并在位置3被關閉，并且控制印刷頭的電動機在位置2打開且印刷頭在位置1處停止。用再一個從位置1開始的正向行程可以將一個后續(xù)電極層810沉積在介電層804 之上。噴嘴B可以在位置2開啟并在位置6關閉，并且電動機可以在位置9關閉且印刷頭在位置10處停止。這樣一種行程形成了與電極層802偏置開的一個電極層810的導電部分。一個額外的介電層812、導電層810的一部分、以及聚合物層814和816可以在從位置10開始的反向行程中形成。例如，噴嘴A可以在位置9打開并在位置7關閉，從而形成介電層810的一個聚合物部分。噴嘴C和D可以在位置9打開并在位置3關閉，從而形成一個介電層812以及聚合物層814和816的側面。在一個實例中，印刷頭的驅動器在位置2關閉，并且印刷頭在位置1處停止。在形成圖8所示的結構之前，可以用噴嘴A和C來形成全部的聚合物材料層(例如818、820和822)。例如，噴嘴A可以用于對一個聚合物層進行多遍分散，從而將其增加到與由噴嘴C分散的層相等的厚度。替代地，可以操縱流經噴嘴A和C的控制速率，這樣使得噴嘴A和C分散出一個具有均勻厚度的聚合物層?？梢远啻沃貜瓦@個形成多個交錯的介電層和導電層的過程，以便形成在電容性能量儲存裝置中有用的電容性元件。例如，可以將這個過程重復至少100次，如至少500次、 至少800次、或甚至至少1000次。雖然沒有在圖7中展示，但一個輥可以在印刷頭之后或之前橫向移動以減小層內的空隙。在一個實例中，這個輥在每個層沉積之后施加在該結構上。替代地，可以在沉積多于一個層、如每四個層之后施加這個輥。雖然圖7展示了一種四行程的用于沉積層方法，但在此可以設想包括更多或更少步驟的替代性方法。例如，如在圖9中展示的，第一行程可以包括在位置4打開并在位置8 關閉噴嘴B。對于每個正向行程，印刷頭在位置10處停止。在第二個行程中，在與第一行程相反的方向上，噴嘴C可以在位置9被打開并在位置3被關閉。對于每個反向行程，印刷頭在位置1處停止。在第三個行程中，噴嘴A在位置2被打開并在位置4被關閉。在第四個行程中，噴嘴D在位置9被打開并在位置3被關閉。在第五個行程中，噴嘴B在位置2被打開并在位置6被關閉。在第六個行程中，噴嘴A在位置9被打開并在位置7被關閉。在第七個行程中，噴嘴C在位置3被打開并在位置9被關閉。在第八個行程中，噴嘴D在位置9 被打開并在位置3被關閉。可以重復這個過程來形成額外的電容性元件。此外，可以在印刷這些電容性元件之前或之后印刷多個聚合物材料層。在一個具體實例中，圖10包括一個示例性噴嘴的圖示，這個噴嘴對分散墨水以形成聚合物層、導電層和介電層而言是有用的。例如，噴嘴1000包括一個溶液進入管1002和一個水平歧管1004?？梢孕纬梢粋€隙縫1006以便分散多個膜而形成這些層。歧管的兩端都可以是有帽的，從而造成墨料從隙縫1006中被分散。為了分散在蒸發(fā)溶劑方面有用的氣體，圖6中展示的噴嘴E和F可以使用如圖11 中所展示的一個氣體噴嘴。例如，氣體噴嘴1100包括一個氣體進入管1102，向一個歧管 1104送料。歧管1104的這些端帽可以被關閉。在歧管1104的一個底表面上可以提供多個出口孔1108。在一個實例中，這些出口孔具有在1/64英寸到1/8英寸范圍內的直徑。在一個具體實例中，從噴嘴1100分散的干凈的干氣體具有在50°C到150°C的范圍內的溫度。這些墨料各自包括一種溶劑和任選地一種粘合劑。在一個示例性實施方案中，這種溶劑可以是一種極性有機溶劑，例如包括醇，如丙醇或異丙醇；酮，如甲基乙基酮或丙酮；二醇，如乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、或二乙二醇；二醇醚，如二乙二醇單醚、乙二醇丁基醚、二乙二醇單丁基醚、二丙二醇單甲基醚、或乙二醇單乙基醚；丙三醇(甘油或1， 2，3_丙三醇)；酯；醛；或其任何組合。替代地，這種溶劑可以是一種非極性的有機溶劑，例如包括脂肪烴類如己烷或混合烷烴，或者芳香族烴類如苯或甲苯。在另一個示例性實施方案中，墨料可以包括多于一種溶劑。例如，該墨料可以包括一種第一溶劑和一種第二溶劑。該第一溶劑可以是具有在第一溫度范圍內的沸點的一種溶劑，而該第二溶劑可以是具有在第二溫度范圍(如高于第一溫度范圍的一個溫度范圍)內的沸點的一種溶劑。其結果是，在一個給定的溫度下，第一溶劑的蒸發(fā)速率可能高于第二溶劑的蒸發(fā)速率。相應地，該墨料的粘度可以隨著第一溶劑的蒸發(fā)而改變，同時提供所希望的流變能力。具體而言，第一溶劑和第二溶劑的蒸發(fā)溫度之差可以是至少約10°C，如至少約 25°C、至少約50°C、或甚至至少約75°C。在一個具體的實施方案中，第一溶劑可以具有不高于約140°C的沸點，而第二溶劑可以具有至少約170°C的沸點。在一個實例中，該粘合劑可以被配置為在沉積之后燒除。一種示例性的粘合劑包括基于纖維素的粘合劑?；诶w維素的粘合劑的實例包括甲基纖維素醚、乙基丙基纖維素醚、羥丙基纖維素醚、纖維素醋酸丁酸酯、硝化纖維、或其任何組合。在一個實例中，該聚合物材料具有不大于10微米的粒徑。例如，聚合物的粒徑可以不大于5微米，如不大于2微米、不大于1微米、或甚至不大于0. 5微米。具體而言，這個粒徑是不大于3微米、如不大于2微米。在一個實例中，這個粒徑可以是大于0. 01微米。此外，形成聚合物層的墨料和形成介電層的墨料可以包括一種可極化的聚合物。 一種示例性的聚合物包括聚酯，如聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)。替代地，在所提出的這些包含PET的墨料的每一種中都可以將PET替換為另一種聚合物。例如可以使用其他聚酯。 具體而言，可以使用具有足夠的電壓擊穿且為極性的聚合物材料。其他的聚合物替代品在表1中列出，該表格提供了介電電壓擊穿強度的信息。其他聚合物包括聚乙烯類，如聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、交聯聚乙烯(XLPE)、或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)； 其他聚烯烴類，如聚丙烯(PP)、雙軸取向的聚丙烯、聚丁烯(PB)、或聚異丁烯(PIB)；聚丙烯酸酯類，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、甲基丙烯酸羥乙基酯(HEMA)、 或聚丙烯酸鈉；聚苯乙烯類，如聚苯乙烯(PS)、高抗沖聚苯乙烯(HI PS)、擠出的聚苯乙烯 (XPS)、或膨脹的聚苯乙烯；聚酯類，如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)；聚砜類，如聚砜(PSU)、 聚芳基砜(PAS)、聚醚砜(PES)、或聚苯砜(PPS)；聚酰胺類，如聚酰胺(PA)、聚鄰苯二甲酰胺(PPA)、雙馬來酰亞胺(BMI)、或脲醛樹脂(UF)；聚氨酯類，如聚氨酯(PU)、或聚異氰脲酸酯(PIR)；氯聚合物類，如聚氯乙烯(PVC)、或偏二氯乙烯(PVDC)；(氯)氟聚合物；氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、或乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)；其他均聚物，如聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯酰胺(PAM)、或聚醚醚酮 (PEEK)；其他共聚物，如丙烯腈-丁二烯_苯乙烯(ABS)、或聚丁二烯-丙烯腈(PBAN)；或其任何組合。表1 對不同聚合物膜的擊穿強度數據。
權利要求
1.印刷機，包括 工作表面；以及置于該工作表面上方的印刷頭，該印刷頭和該工作表面可在相關聯的多個平行平面中相對移動，該印刷頭包括用于沉積聚合物墨料的第一噴嘴、用于沉積導電墨料的第二噴嘴、 以及用于沉積介電墨料的第三噴嘴。
2.如權利要求1所述的印刷機，其中該印刷頭進一步包括用于沉積該聚合物墨料的第四噴嘴。
3.如權利要求2所述的印刷機，其中該第四噴嘴被定位為鄰近該第三噴嘴來進行沉積。
4.如權利要求1所述的印刷機，其中該第一、第二和第三噴嘴是對齊的。
5.如權利要求1所述的印刷機，其中該第一、第二和第三噴嘴在相同的區(qū)域上進行印刷。
6.如權利要求1-5中任一項所述的印刷機，其中該第一噴嘴形成了具有1.4密爾到4 密爾寬度的第一隙縫。
7.如權利要求1-5中任一項所述的印刷機，其中該第二噴嘴形成了具有1.4密爾到4 密爾寬度的第二隙縫。
8.如權利要求1-5中任一項所述的印刷機，其中該第三噴嘴形成了具有4密爾到8密爾寬度的第三隙縫。
9.如權利要求1-5中任一項所述的印刷機，其中該第一、第二和第三噴嘴分配連續(xù)流。
10.如權利要求1-5中任一項所述的印刷機，進一步包括分別與該第一、第二和第三噴嘴相關聯的第一、第二和第三閥門，該第一、第二和第三閥門分別用于控制來自該第一、第二和第三噴嘴的分配作用。
11.一種形成電容元件的方法，該方法包括將來自印刷頭的第一噴嘴的導電墨料沉積在第一層中以形成電極；在該電極的縱向末端處將來自該印刷頭的第二噴嘴的聚合物墨料沉積在該第一層中；沉積來自該印刷頭的第三噴嘴的介電墨料以便在該電極之上的第二層中形成介電部件；并且在該介電部件的橫向側面上將來自該印刷頭的第四噴嘴的聚合物墨料沉積在該第二層中。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括將來自該印刷頭的第一噴嘴的該導電墨料沉積在第三層中以形成第二電極，該第二電極在縱向上與該電極偏置開；并且在與該電極縱向末端相對的該第二電極的第二縱向末端處，將來自該印刷頭的第二噴嘴的該聚合物墨料沉積在該第三層中。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括沉積來自該印刷頭的第三噴嘴的該介電墨料以便在該第二電極之上的第四層中形成第二介電部件；并且在該第二介電部件的橫向側面上將來自該印刷頭的第四噴嘴的該聚合物墨料沉積在該第四層中。
14.一種墨料，包括按重量計5%到30%的量的溶劑；以及按重量計40%到70%的量的聚合物微粒。
15.如權利要求14所述的墨料，進一步包括按重量計10%到20%的量的粘合劑。
16.如權利要求15所述的墨料，其中該粘合劑的量是按重量計10%到15%。
17.如權利要求15所述的墨料，其中該粘合劑是基于纖維素的粘合劑。
18.如權利要求14所述的墨料，其中該溶劑的量是按重量計5%到20%。
19.如權利要求18所述的墨料，其中該溶劑的量是按重量計5%到15%。
20.如權利要求14-19中任一項所述的墨料，其中該溶劑是選自下組，該組由以下各項組成醇、酮、二醇、二醇醚、甘油、酯、醛、及其任何組合。
21.如權利要求14-19中任一項所述的墨料，其中該溶劑選自下組，該組由以下各項組成脂肪烴、芳烴、或其任何組合。
22.如權利要求14-19中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒的量是按重量計50% 到 70%。
23.如權利要求22所述的墨料，其中該聚合物微粒的量是60%到70%。
24.如權利要求14-19中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒具有不大于2微米的粒徑。
25.如權利要求14-19中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒選自下組，該組由以下各項組成聚乙烯、其他聚烯烴、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚酯、聚砜、聚酰胺、聚氨酯、氯聚合物、(氯)氟聚合物、氟聚合物、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚醚醚酮 (PEEK)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丁二烯丙烯腈(PBAN)、及其任何組合。
26.—種墨料，包括按重量計5%到30%的量的溶劑； 按重量計5%到15%的量的聚合物微粒；以及按重量計60%到80%的量的介電微粒。
27.如權利要求沈所述的墨料，進一步包括按重量計10%到20%的量的粘合劑。
28.如權利要求27所述的墨料，其中該粘合劑是基于纖維素的粘合劑。
29.如權利要求沈所述的墨料，其中該溶劑的量是按重量計5%到20%。
30.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該溶劑選自下組，該組由以下各項組成醇、酮、二醇、二醇醚、甘油、酯、醛、及其任何組合。
31.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該溶劑選自下組，該組由以下各項組成脂肪烴、芳烴、或其任何組合。
32.如權利要求沈-四中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒的量是按重量計7%到 15%。
33.如權利要求32所述的墨料，其中該聚合物微粒的量是10%到15%。
34.如權利要求沈-四中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒具有不大于2微米的粒徑。
35.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該聚合物微粒選自下組，該組由以下各項組成聚乙烯、其他聚烯烴、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚酯、聚砜、聚酰胺、聚氨酯、氯聚合物、(氯)氟聚合物、氟聚合物、聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚醚醚酮 (PEEK)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丁二烯丙烯腈(PBAN)、及其任何組合。
36.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該介電微粒的量是按重量計65%到 80%。
37.如權利要求36所述的墨料，其中該介電微粒的量是按重量計70%到80%。
38.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該介電微粒是立方鈣鈦礦材料。
39.如權利要求沈-29中任一項所述的墨料，其中該介電微粒是組成改性過的鈦酸鋇。
40.一種墨料，包括按重量計5%到30%的量的溶劑；以及按重量計40%到80%的量的導電微粒。
41.如權利要求40所述的墨料，進一步包括按重量計10%到20%的量的粘合劑。
42.如權利要求41所述的墨料，其中該粘合劑是基于纖維素的粘合劑。
43.如權利要求40所述的墨料，其中該溶劑的量是按重量計5%到20%。
44.如權利要求40-43中任一項所述的墨料，其中該溶劑選自下組，該組由以下各項組成醇、酮、二醇、二醇醚、甘油、酯、醛、及其任何組合。
45.如權利要求40-43中任一項所述的墨料，其中該溶劑選自下組，該組由以下各項組成脂肪烴、芳烴、或其任何組合。
46.如權利要求40-43中任一項所述的墨料，其中該導電微粒的量是按重量計50%到 80%。
47.如權利要求46所述的墨料，其中該導電微粒的量是60%到80%。
48.如權利要求40-43中任一項所述的墨料，其中該導電微粒具有不大于2微米的粒徑。
49.如權利要求40-43中任一項所述的墨料，其中該導電微粒選自下組，該組由以下各項組成金屬、金屬合金、碳黑、石墨及其任何組合。
50.如權利要求49所述的墨料，其中該金屬選自下組，該組由以下各項組成鋁、銅、 鋅、錫、鎳、鈹、錳、鐵、鈦、及其任何組合。
全文摘要
一種印刷機包括一個工作表面和一個置于該工作表面上方的印刷頭。該印刷頭和工作表面是在相關聯的多個平面中相對地可移動的。該印刷頭包括用于沉積一種聚合物墨料的第一噴嘴、用于沉積導電墨料的第二噴嘴、以及用于沉積一種介電墨料的第三噴嘴。
文檔編號C09D11/02GK102448728SQ201080021947
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者R·D·威爾 申請人:埃斯托股份有限公司