CN102543303B - 一种图案化透明电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图案化透明电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将导电纳米材料分散液在上设有负图案掩膜的多孔滤膜上进行沉积处理获得附着在其上的图案化透明导电膜，该分散液的组成为：导电纳米材料为0.01wt％～5wt％、分散剂为0.1wt％～20wt％，余量为水，所述分散剂为表面活性剂、有机酸、高分子多糖和DNA大分子中的任意一种或多种组合；(2)移除所述掩膜，然后将所述多孔滤膜上的图案化透明导电膜转移贴附于透明基底上，再移除所述多孔滤膜，即可制备得图案化透明电极。该方法具有工序简便、成本低廉的特点，且该方法使原料的选择范围变大，同时所形成的图案能依据需要进行精确设计和调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种图案化透明电极的制备方法。
背景技术
图案化透明电极在显示、照明、触摸控制、太阳能电池等领域广泛应用。目前，透明电极的材料主要包括通过磁控溅射到玻璃或者其他透明基质上的ITO薄膜、导电高分子涂层、金属纳米线、金属纳米颗粒与高分子的复合物、碳纳米管薄膜等。根据透明电极材料的不同，目前图案化透明电极的制备方法主要有以下几种：1、目前工业化程度最高的方法是，通过光刻蚀的方式在ITO玻璃上刻蚀图案，然而其过程复杂，涉及的工序繁琐，生产的自动化程度低。2、在专利号为02128497，申请日为2002-9-15的中科院兰州化学物理研究所的专利文献中，通过母版的形式制备图案化透明电极，该方法是通过电聚合的手段在预先图案化的单晶硅基底上引入图案化电极，实现了导电聚合物薄膜在硅片上的图案化及图案化聚苯胺薄膜的制备。此法虽然没有ITO玻璃刻蚀的繁琐工序，但因该法采用电聚合来固化图案，基底只能为n型、p型单晶硅衬底或ITO玻璃，基底的选择也有限，不适合用于透明电极的图案化的制备。3、在申请号为200510077515.2，申请日为2003-04-24的美国希毕克斯影像有限公司的专利文献中，通过预先在透明基质上形成掩膜以遮挡电极材料，从而在无遮挡区域形成图案的方式制备获得图案化透明电极。该方法克服了图案的可控性问题，但是需要在每个透明基质上预先印刷图案，掩膜的去除及工序的简便性也受到很大的影响。4、在申请号为200410042100.7，申请日为2004-05-09的日本精工爱普生株式会社的专利文献以及申请号为200580021956.9，申请日为2005-05-09的美国艾考斯公司的专利文献中，通过导电材料本身的组装特性制备获得图案化透明导电薄膜。该方法具有工序简便、成本低廉的特点，但导电材料的选择有限，仅具有自组装特性的导电材料才能形成图案化电极，同时所形成的图案也缺乏可控性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种新的简便可控的图案化透明电极的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种图案化透明电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将导电纳米材料分散液在上设有负图案掩膜的多孔滤膜上进行沉积处理以获得附着在所述多孔滤膜上的图案化透明导电膜，所述导电纳米材料分散液的质量百分比组成为：导电纳米材料为0.01wt％～5wt％、分散剂为0.1wt％～20wt％，余量为水，所述分散剂为表面活性剂、有机酸、高分子多糖和DNA大分子中的任意一种或多种组合；
(2)移除位于所述图案化透明导电膜上方的掩膜，然后将多孔滤膜上的图案化透明导电膜转移贴附于透明基底上，再移除所述多孔滤膜即可制备得所需的图案化透明电极。
优选地，步骤(1)中所述的导电纳米材料分散液能够是碳纳米管分散液经离心后的上清液即碳纳米管单分散液，离心条件：离心速率1000rpm～10000rpm，时间10min～60min。
进一步优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或多种组合。
优选地，步骤(1)中所述导电纳米材料分散液能够是金属金、银、铜和铂中的任意一种或多种组合的纳米线，步骤(1)中所述的导电纳米材料分散液也能够是石墨烯和氧化石墨烯的任意一种或两种组合的单分散液。
优选地，步骤(2)中所述的多孔滤膜下方还设有能够过滤所述分散液中的水及分散剂的多孔砂芯平板。所述的多孔滤膜的孔径为20nm～1000nm，其材质为醋酸纤维素酯材质或尼龙聚酯材质。
优选地，步骤(2)中所述的透明基底为玻璃或PET、PC、PMMA、PSt的高分子透明薄膜。
步骤(2)具体为：采取真空抽滤或高压喷涂的方法使导电纳米材料分散液在覆盖有掩膜的多孔滤膜上沉积成导电膜，移除掩膜并将附着在多孔滤膜上的导电膜贴附于透明基底上，然后将多孔滤膜从透明基底上移除即得图案化透明电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)由于在本发明中是将导电纳米材料的分散液沉积到多孔滤膜的表面，通过在多孔滤膜的表面贴附一层图案化的掩膜的方式遮挡住以使分散液在指定的区域沉积成膜，从而保证成膜的可控化，并且采用掩膜制成图案化导电膜的制备方法也是操作非常简便的图案化方法。2)在多孔滤膜上对纳米分散液进行沉积可在形成图案的同时，有效去除分散液中的分散剂，得到均一的纳米材料薄膜，薄膜的稳定性、导电性及透光率都得到很大的提高。3)本发明所揭示的方法可用于碳纳米管、金属纳米线、金属纳米粒子、石墨烯和氧化石墨烯的图案化制备，有效拓宽了原材料的范围。按本发明制备的图案化透明电极在显示、照明、电容和电阻式触摸屏领域都有广泛的应用。一维、二维纳米材料都能够用该方法沉积成膜并图案化，
附图说明
图1为本发明的图案化透明电极的制备示意图；
图2为本发明的图案化透明电极。
1、多孔滤膜；2、掩膜3、多孔砂芯；4、分散液；5、纳米材料所形成的导电膜；6、透明基底7、图案化透明电极。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
如图1所示，选择孔径为200nm醋酸纤维素滤膜为作为多孔滤膜(1)，在该滤膜1的上方覆盖有掩膜2、下方设有多孔砂芯3，掩膜2上具有所需图案的负图案。首先取单壁碳纳米管粉体0.1mg加入至200ml的水中，并加入20g的表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)，然后经过超声波搅拌形成碳纳米管分散液，该分散液经速率为4000rpm，时间40min的高速离心后，取其上清液即所需的碳纳米管单分散液4，该单分散液的浓度为0.5wt％。取0.1ml碳纳米管单分散液并以去离子水稀释至10ml，将该碳纳米管单分散液4加入至多孔滤膜1中经多孔砂芯3抽滤至水份完全抽干。真空抽滤完成后，将掩膜2取下，直接将附着在多孔滤膜2上的碳纳米管膜5贴附于透明基底玻璃6上，然后再移除多孔滤膜2，即形成图案化透明电极7，如图2所示。
实施例2
石墨烯单分散液的制备：取层状石墨3g置于250ml三口瓶中，加入70ml的浓硫酸和1.6g的NaNO3。将三口瓶放入冰水浴中冷却至0℃，然后缓慢加入9.0g的高锰酸钾，保持混合物的温度不超过20℃。之后将混合物加热35℃搅拌并保温60min，随后在15分钟内逐滴加入140ml水冷却至室温后，再加入400ml水和3ml的H2O2混合搅拌均匀得到的混合物经孔径为200nm的PTEF多孔滤膜抽滤，所得的过滤物经去离子水洗涤3次后收集到的液体分散到200ml去离子水中即得到氧化石墨烯的分散液。取100ml上述分散液至250ml三口瓶中，加入1ml的水合肼和5g的SDS，将三口瓶置于超声水浴槽中超声处理120min，得到黑色的石墨烯分散液，将此分散液进一步经高速离心处理后，取上层清夜即得浓度约为0.05wt％的石墨烯单分散液。将此分散液通过空气喷枪(喷嘴直径1.2mm，喷嘴至多孔滤膜1的距离为250mm，空气压力0.29MPa)喷至多孔滤膜1上。然后将掩膜2取下，直接将附着在多孔滤膜2上石墨烯薄膜5贴附于PET透明基底6上并移除多孔滤膜2即制得图案化透明电极7。
溶液中分散材料的成膜方法有很多种，目前较为常用的有旋涂、浸渍拉膜(dip-coating)等涂布方法，还有诸如丝印、滚筒印刷、喷墨打印等成膜技术。这些方法对于有分散剂存在的分散体系往往会随着溶剂的挥发而造成分散剂的残留，严重影响了材料的使用性能。本发明采用真空抽滤或高压喷涂的方法，一方面可以在成膜的过程中有效去除分散剂，有效降低分散剂的残留，提高薄膜的导电性及透光率；同时膜的面积可以通过分散液过滤的量来精确控制，从而成为纳米材料分散体系的较好成膜方法。
本发明中使用的掩膜是通过激光切割、光刻胶酸刻蚀的方式，在铸钢薄板、铝片或硅片上预先加工成所需图案的负图案。在导电纳米材料过滤成膜的过程中，将此掩膜置于多孔滤膜上，随着过滤及喷涂的进行，掩膜上被遮挡的部分有效阻止了导电纳米材料的沉积，从而在滤膜上形成所需要的图案。将多孔滤膜上的图案化导电膜转移至透明基底如玻璃或者PET、PC、PMMA、PSt的高分子薄膜上，再移除多孔滤膜即可形成图案化透明电极。此过程参见图1的示意图。本发明为导电材料的图案化电极的制备提供了可控、简便、快捷的方法，可望在电阻式、电容式触摸屏电极、LED、太阳能电池电路制备领域取得广泛的应用。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的认识能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或者修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种图案化透明电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)以真空抽滤或高压喷涂方法将导电纳米材料分散液在上设有负图案掩膜的多孔滤膜上进行沉积处理以获得附着在所述多孔滤膜上的图案化透明导电膜，所述导电纳米材料分散液的质量百分比组成为：导电纳米材料为0.01wt％～5wt％、分散剂为0.1wt％～20wt％，余量为水，所述分散剂为表面活性剂、有机酸、高分子多糖和DNA大分子中的任意一种或多种组合；
(2)移除位于所述图案化透明导电膜上方的所述的掩膜，然后将所述多孔滤膜上的图案化透明导电膜转移贴附于透明基底上，再移除所述多孔滤膜即可制备得所需的图案化透明电极。
2.根据权利要求1所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的导电纳米材料分散液为碳纳米管分散液经离心后的上清液即碳纳米管单分散液，离心条件：离心速率1000rpm～10000rpm，时间10min～60min。
3.根据权利要求2所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的任意一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的导电纳米材料分散液为金属金、银、铜和铂中的任意一种或多种组合的纳米线。
5.根据权利要求1所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的导电纳米材料分散液为石墨烯和氧化石墨烯的任意一种或两种组合的单分散液。
6.根据权利要求1所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的多孔滤膜下方还设有能够过滤所述分散液中的水及分散剂的多孔砂芯平板。
7.根据权利要求1所述的图案化透明电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的多孔滤膜的孔径为20nm～1000nm。
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