CN101712823B

CN101712823B - 一组打印导电薄膜的墨水及其使用方法

Info

Publication number: CN101712823B
Application number: CN 200910201725
Authority: CN
Inventors: 李世洁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: CN101712823A

Abstract

本发明提供了一组打印导电薄膜的墨水及其使用方法，可用于制作电路的元器件、电路导线和射频电路的天线等。本发明采用喷射至少两种溶液，通过化学反应，在衬底上生成金属薄膜。这种化学反应后生成的金属薄膜具有良好的导电性，可以作为电路元器件、导线或者天线。本方法对衬底材料要求不高，生成的薄膜致密，附着力强，而且能够大大降低电路的制造成本。

Description

一组打印导电薄膜的墨水及其使用方法

技术领域

本发明专利涉及制作导电薄膜的墨水及其使用方法，可以用来制作电子元器件、导线和天线。

背景技术

印刷电子(Printed Electronics或Printable Electronics)用来描述将电子电路印制在一些常用的介质如纸、塑料或织物等上的技术。理想地，印刷电子技术采用一些通用的印刷方法，如丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷，和平板印刷等。印刷电子使一些无法用传统的电子电路实现的特殊应用成为可能，例如可弯曲的柔性显示器、智能标签、能播放动画的海报和主动服装(active clothing)。

印刷电子技术采用特殊的墨水来打印电子器件，其中导电墨水的研制，是最近的一个发展热点。导电墨水可以用来打印无源器件、导线或天线等。通过导电墨水在产品的包装盒上印制RFID天线，比传统的金属天线成本低、印制速度快、节省空间，并利于环保。导电油墨的导电填料已开始由传统的银粉材料变成由纳米银粉或纳米银粉和普通银粉的混合物，以及其他一些金属，以降低固含量和后处理温度，导电高分子和树脂混合以及导电高分子和金属复合等各种新型导电油墨也正在被诸多机构所研究。

在RFID标签的推广中，主要问题之一就是成本，RFID的天线的成本主要包括银和衬底材料的价格。为了相对于传统的条码具有竞争力，RFID标签的成本必须足够低。对于一个典型的应用(5cm*7cm)，银和衬底材料的总价格希望被控制到1个美分以下。

我们以最常用的导电墨水为例进行分析。典型的，导电墨水中的导电颗粒是银的纳米颗粒。导电墨水被喷溅在衬底上时，银纳米颗粒松散地堆积在一起，形成一种松散的结构。真正的黏合过程发生在打印出的结构被加热到一定的温度(与墨水的特性有关，典型地为120摄氏度或更高温度)后，在退火冷却的过程中，导电颗粒将逐渐融合为致密的结构，从而形成导电薄膜。这个过程被称为固化。

一般而言，固化的温度越高，生成的结构越致密，薄膜的电阻越小。但是烧结的温度会直接限制衬底材料的选择。普通的纸张是成本最低的衬底材料，只能承受110～150摄氏度的温度。如果需要更高的固化温度，需要选用其他耐高温的材料。目前RFID衬底材料中常用的一种树脂材料，PET(聚对苯二甲酸乙二酯，英文：Polyethyleneterephthalate)，价格就是普通纸张的大约50倍。降低成本的途径是减少银的含量和降低衬底的耐受温度。

目前主要采用的一个方法是降低银纳米颗粒的尺寸。由于尺寸的降低，生成的薄膜结构会更加致密，另外，烧结温度随着银纳米颗粒尺寸的降低而显著地降低，从而降低了对衬底的耐受温度的要求。上述的方法虽然降低了银的用量，但是需要制造更小尺寸的纳米颗粒，从而增加了制造的成本。

发明内容

本发明的目的在于改进现有的导电墨水配方，提供一种工艺简单、成本低的导电薄膜的制造方法。

本发明提供了一种解决方案，能够在低耐受温度的衬底上打印高导电性的薄膜。本发明的墨水由至少两种溶液组成，一种为金属化合物溶液，另外一种是还原剂。在印刷的过程中，从喷嘴中喷射出金属化合物溶液和还原剂溶液，形成导电性金属层。

适宜的金属化合物为银、铁、铝、铜、镍、钴的化合物金属盐溶液。通常情况下，导电墨水由两种溶液组成，但是某些情况下，一组完整的墨水包括至少两种的溶液，在某些情况下，可以添加其它的溶液以达到催化、或者其它特殊效果(如颜色)。

喷墨打印时，分别喷出的溶液在衬底附近相遇，并以混合状态附着在衬底表面上，或者金属化合物溶液和还原剂溶液以上下积层状态喷射在衬底表面上。这种方法薄膜形成的机制类似于化学喷镀。然而化学喷镀中使用的高压静电喷枪的雾化颗粒度约为25～45微米；而目前的喷墨打印机的喷嘴直径可以小于1个微米。随着墨头工艺的改进，墨头中喷嘴可以做得更加精细，墨滴体积可以做到很小，新型喷墨打印机(如佳能8200)采用了4微微升(p1)的超精细墨滴(1微微升＝1×10^-12升)，直径不足发丝(70微米)的六分之一。因此采用喷墨打印的方法，一方面能够按照设计的图案精密地打印出制定的形状，另一方面，能够生成更致密更均匀的金属薄膜。

喷墨打印有两种方式，第一种是分层打印不同的溶液，不同的溶液以层状附着在衬底表面，进行化学反应；第二种是同时喷射不同的溶液，不同溶液的液滴在衬底表面相遇，进行化学反应。

本发明提供的方法与常用的含有纳米导电颗粒的导电墨水相比较，有以下优点：

1.采用化学反应的方法生成导电薄膜，与金属纳米颗粒加热固化生成导电薄膜的方法比较，结构更加致密，导电性更高；

2.本方法的墨水制备方法简单，与常见的导电墨水相比较，不需要将金属制备成纳米颗粒，因此制备成本更低；

3.本方法不需要固化，只需要进行烘干以去除水分，因此降低了对衬底材料的要求。

2004年全球RFID标签市场规模达40亿美元，据专家预计，2010年全球RFID市场将达3000亿美元。尽管不同机构预测的结果可能存在差异.但都描绘出了RFID标签的应用前景。由此可见，本发明一旦付诸实施，将创造巨大的市场效益。

附图说明

(无)

具体实施方式

实施例1：在PET(聚对苯二甲酸乙二酯)衬底上打印银薄膜导电墨水由以下几种溶液组成：银氨溶液、甲醛溶液。其中，银氨溶液的成分如下：

硝酸银 60g

氨水 60ml

蒸馏水 1L

甲醛溶液的成分如下：

甲醛 65mL

蒸馏水 1L

存储银氨溶液的容器与喷墨打印机的一个喷头直接连接。存储甲醛溶液的容器与喷墨打印机的另外一个喷头连接。

在清洁后的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)衬底上，先用喷墨打印机打印银氨溶液在衬底上，然后按照同样的图案打印甲醛溶液，在底层的表面形成一层金属层。用去离子水洗涤衬底表面，以去除反应后生成物及未反应的溶液。用热风对衬底烘干。另外，可以在金属薄膜表面涂敷或者粘贴，以生成一层保护层、装饰层或具有其它功能的薄层。

实施例2：在玻璃上打印生成铜薄膜

导电墨水由以下几种溶液组成：铜盐溶液、甲醛溶液。其中，铜盐溶液的成分如下：

硫酸铜(CuSO₄·5H₂O) 16g

酒石酸钾钠(NaKC₄H₄O₆·4H₂O) 14g

氢氧化钠(NaOH) 14g

蒸馏水 1L

甲醛溶液的成份如下：

甲醛 15g

蒸馏水 1L

存储铜盐溶液的容器和存储甲醛溶液的容器与喷墨打印机的同一个喷头直接连接。

在清洁后的玻璃衬底上，喷墨打印机同时打印两种溶液在衬底上，在底层的表面形成一层金属层。用去离子水洗涤衬底表面，以去除反应后生成物及未反应的溶液，用热风对衬底烘干。另外，可以在金属薄膜表面涂敷或者粘贴，以生成一层保护层、装饰层或具有其它功能的薄层。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一组打印导电薄膜的墨水，其特征在于：该墨水由至少两种溶液组成，不同的溶液在制作过程中发生化学反应，在衬底上生成导电薄膜；所述的溶液中，其中至少一种溶液含有金属化合物，至少一种溶液含有还原剂；所述的金属化合物为银、铁、铝、铜、镍、钴的化合物；所述的还原剂为甲醛、乙醛、葡萄糖、果糖、酒石酸、丙酮、硫酸肼。

2.如权利要求1所述的墨水的使用方法，其特征在于：所述的使用方法为喷墨打印。

3.如权利要求2所述的使用方法，其特征在于：所述的溶液在喷墨打印的过程中，利用还原剂将金属化合物中的金属元素通过化学反应还原在衬底表面，形成金属薄膜。

4.如权利要求2所述的使用方法，其特征在于：所述的墨水的印刷方法为通过一个喷头上的不同喷嘴，分别喷出含有金属化合物的溶液、含有还原剂的溶液、以及其它溶液。

5.如权利要求2所述的使用方法，其特征在于：所述的墨水的印刷方法为通过位于不同喷头上的喷嘴，分别喷出含有金属化合物的溶液、含有还原剂的溶液、以及其它溶液。