CN103602964A

CN103602964A - 一种具有金属电极的石墨烯导电膜及其制备方法

Info

Publication number: CN103602964A
Application number: CN201310487969.1A
Authority: CN
Inventors: 彭鹏; 金虎; 武文鑫; 周振义
Original assignee: 2D CARBON (CHANGZHOU) TECH Co Ltd
Current assignee: 2D CARBON (CHANGZHOU) TECH Co Ltd
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明提供了一种在石墨烯导电膜上制备金属电极的方法，包括：1）在基底上提供石墨烯膜；2）通过电镀或化学镀在石墨烯膜的表面沉积金属层；以及3）在步骤2）之前将石墨烯膜图案化；或在步骤2）之后将石墨烯膜和金属层图案化。本发明还提供了由所述方法制备的具有金属电极的石墨烯导电膜。

Description

一种具有金属电极的石墨烯导电膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有金属电极的石墨烯导电膜及其制备方法，属于石墨烯材料应用领域及电容式触摸屏制备领域。

背景技术

触摸屏是一种可以实现人与计算机及其它设备之间交互的输入设备。触摸屏中一般设置有透明导电膜作为触摸感应单元，其作用是可以使光线透过，以及本身可作为导电电极层使用。作为透明导电膜，已在产业中应用的有ITO（氧化铟锡）膜层，其可采用PVD（物理气相沉积）法镀制，例如通过溅射镀膜的方式镀制。

虽然现有工艺制备的ITO膜的导电性和透明性能够基本满足部分电子产品的需求，但是ITO透明导电膜的应用仍具有如下局限性：

（1）ITO很脆易碎，应用时容易被磨损或者在弯曲时出现裂纹、脱落而影响使用寿命，尤其是以塑胶基片为基材时，此问题更加突出；

（2）ITO成膜后需要高温处理才能达到高导电性，当使用塑胶基片时，由于受处理温度限制，膜导电性和透明度均较低；

（3）受原材料、生产设备和工艺的影响，ITO膜的价格昂贵。另外，ITO的成膜工艺必须使用高质量的ITO靶材，而高质量ITO靶材生产技术主要控制在日本、美国、欧洲等国家。因此，寻找合适的ITO替代材料成为当前亟待解决的难题。

石墨烯是作为一种二维纳米材料，具有高达97.4%的透射率，且在可见光波段与波长无关，透射光谱几乎为平坦状态；而在透过率维持在95%范围内时，方块电阻仍可达到125Ω/□；同时，石墨烯的色调完全无色，因此能够在触摸屏上忠实地再现图像颜色。

因此，目前已将石墨烯导电膜代替ITO膜用于触摸屏等产品领域。其中，当使用石墨烯导电膜代替ITO膜时，需要在连接控制芯片部位的石墨烯导电膜上制备一层导电金属（例如Al、Ag等）作为电极与芯片连接。现有的工艺中，可通过金属真空镀膜或以导电浆料丝网印刷（又称“丝印”）来制备该金属电极。然而，真空镀膜工艺成本高、效率低，无法实现选择性沉积金属膜。并且，丝印工艺中需要进行高温烘烤，而这样的高温将降低PET（聚对苯二甲酸乙二酯）透过率，并会产生形变和黄变，以及影响石墨烯的方阻，同样无法实现选择性沉积金属膜。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种在石墨烯导电膜上制备金属电极的方法，包括：

1）在基底上提供石墨烯膜；

2）通过电镀或化学镀在石墨烯膜的表面沉积金属层；以及

3）在步骤2）之前将石墨烯膜图案化；或

在步骤2）之后将石墨烯膜和金属层图案化。

优选地，本发明方法中的基底是绝缘的，例如非金属基底，其可以选自PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PC（聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、玻璃或陶瓷基底。

本发明方法步骤1）中的石墨烯膜可以是厚度为约0.34nm至3.4nm的单层或多层石墨烯膜，其中石墨烯膜的总厚度可以为例如约0.34nm、0.68nm、1.02nm、1.36nm、1.7nm、2.04nm、2.38nm、2.72nm、3.06nm或3.4nm。

优选地，本发明方法步骤2）中通过电镀或化学镀沉积的金属可以选自任何导电金属中的一种或多种，例如选自金、银、铂、铑、钯、铜、铁、锡、锌、钴、镍、铬、镉、锑、铟、铋中的一种或多种。

对于金属电镀或化学镀的工艺没有特别限定，可以采用现有技术中任何已知的方法。

优选地，在石墨烯表面上需要沉积金属层的部分沉积金属层。更优选地，在石墨烯表面上不需要沉积金属层的部分不沉积金属层。对于石墨烯表面上不需要沉积金属层且需要保留石墨烯的部分，可以在电镀或化学镀之前（例如步骤2）之前）将该部分用保护层保护。然后，在需要时（例如在电镀后、化学镀后或图案化后）去除保护层。

所述保护层为电镀或化学镀无法沉积金属的膜层，例如可剥蓝胶层（又称可剥油墨层）或ＰＥＴ保护层（其中粘结层优选硅胶）。

施用保护层可采用任何已知的方法，例如通过涂覆、喷涂、贴覆等方式进行。

优选地，本发明方法的步骤3）中，通过激光光刻或刻蚀以将石墨烯膜或石墨烯膜和金属层图案化，优选激光光刻。其中，所述图案优选为电极图案。

在一个优选的实施方案中，本发明方法的步骤1）包括：

a）制备石墨烯膜；

b）将制得的石墨烯膜转移至基底上。

其中，步骤a）中可以使用现有的任何方法，例如化学气相沉积法（CVD）在例如生长材料上制备石墨烯膜。

向基底上转移石墨烯膜可通过热敏胶带、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或高聚物粘结剂进行，然后去除生长材料。去除生长材料可以使用例如腐蚀法或气泡剥离法。

本发明的另一个方面提供根据本发明方法制备的具有金属电极的石墨烯导电膜。其中，被光刻掉石墨烯的部位以及被保护层保护的部位不存在金属沉积，而光刻后留下石墨烯层的部位存在金属沉积。

本发明的制备金属电极的方法简化了电极制作工艺，其可以选择性地沉积金属层，直接形成电极。而且，该方法可以避免在制作工艺中使用高温烘烤，提高工艺的适用性。

相对于丝印金属浆料的工艺，本发明的方法减少了高温烘烤固化浆料的过程，从而可以减少或避免基底（如PET等）的形变和/或黄变等缺陷。

相对于真空镀膜工艺，本发明的方法可以选择性地沉积金属层，在激光光刻之后，被光刻掉石墨烯的部位裸露基底，而未被光刻的部位为石墨烯，表面材质不同。在电镀或化学镀的过程中可以实现选择性镀覆。即，被光刻掉石墨烯的部位以及被保护层保护的部位没有金属沉积，而光刻后留下石墨烯层的部位会有金属沉积，即可实现选择性地在相应部位沉积金属层。

附图说明

图1为实施例1步骤1）中将石墨烯转移到基底层上后得到的结构。

图2为实施例1步骤2）中光刻出所需要的电极图案后得到的结构.

图3为实施例1步骤3）中贴覆保护层后得到的结构。

图4为实施例1步骤4）中在暴露的石墨烯表面镀上镍层后得到的结构。

图5为实施例1步骤5）中制作完成后得到的结构。

图6为实施例2步骤1）中将石墨烯转移到基底层上后得到的结构。

图7为实施例2步骤2）中贴覆保护层后得到的结构。

图8为实施例2步骤3）中在暴露的石墨烯表面镀上镍层后得到的结构。

图9为实施例2步骤4）光刻出所需要的电极图案后得到的结构。

图10为实施例2步骤5）制作完成后得到的结构。

具体实施方式

下文结合实施例对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，然而所述实施例不应被解释为对本发明技术方案的限制。

其中，使用的设备包括：

使用管式CVD炉进行化学气相沉积；

使用波长为1064nm的激光器发射激光；

使用常规的滚轮覆膜机贴覆保护层；

使用直流电源和PP（聚丙烯）绝缘槽进行电镀；以及

使用PP绝缘槽进行化学镀。

实施例1

1）石墨烯在生长材料上的制备通过化学气相沉积法（CVD）进行，使用氩气和氮气作为保护气体，甲烷和氢气在1000℃下沉积而进行，沉积后在保护气体中降至室温，通过热敏胶带转移石墨烯至188μm的PET基底层上，通过腐蚀法去除生长材料，从而将石墨烯转移到基底层上，得到如图1的结构。

2）用1064nm，M^2<1.3单模红外激光器，在温度22～25℃，湿度25～65%RH条件下按以下工艺光刻出所需要的电极图案，得到如图2的结构。

焦点高度	能量	速度	频率	遍数
					23.815mm	7W	2500	200K	1

3）在不需要金属电极的部分贴覆保护层，保护层材质为PET，黏接层为硅胶，得到如图3的结构。

4）通过化学镀的方法在未保护部分镀覆一层金属电极。

使用的化学镀溶液配方及工艺为：

硫酸镍：33g/L

次亚磷酸钠：20g/L

苹果酸：18g/L

丁二酸：16g/L

温度：90℃～92℃

PH值：6-6.5

时间：5min，得到的镍层厚度1μm。

在暴露的石墨烯表面镀上镍层后得到如图4的结构。

5）除去保护层，在石墨烯导电薄膜上以金属镍做电极制作完成，得到如图5的结构。其中PET基底为188μm，石墨烯厚度为0.68nm（2层），金属镍厚度为1μm。

实施例2

1)石墨烯在生长材料上的制备通过化学气相沉积法（CVD）进行，使用氩气和氮气作为保护气体，甲烷和氢气在1000℃下沉积而进行，沉积后在保护气体中降至室温，通过PMMA粘结剂转移石墨烯至188μm的PET基底层上，通过气泡剥离法去除生长材料，将石墨烯转移到基底层上，得到如图6的结构。

2)在不需要金属电极的部分贴覆保护层，保护层材质为PET，黏接层为硅胶。得到如图7的结构。

3)通过电镀的方法在未保护部分镀覆一层金属电极。

使用的电镀溶液配方及工艺为：

硫酸镍：250g/L

氯化镍：40g/L

硼酸：40g/L

温度：55℃～65℃

电压：2V

电流：0.1～2A/dm²

阳极：99.9%镍板

时间：以1A/dm²镀5min，得到的镍层厚度为1μm。

在暴露的石墨烯表面镀上镍层后得到如图8的结构。

4)用1064nm，M^2<1.3单模红外激光器，在温度22～25℃，湿度25～65%RH的条件下按以下工艺光刻出所需要的电极图案，得到如图9的结构。

焦点高度	能量	速度	频率	遍数
					23.815mm	7W	2500	200K	1

5)除去保护层，在石墨烯导电薄膜上以金属镍做电极制作完成，得到如图10的结构。其中PET基材为188μm，石墨烯厚度为0.68nm（2层），金属镍厚度为1μm。

Claims

1.一种在石墨烯导电膜上制备金属电极的方法，包括：

1）在基底上提供石墨烯膜；

2）通过电镀或化学镀在石墨烯膜的表面沉积金属层；以及

3）在步骤2）之前将石墨烯膜图案化；或

在步骤2）之后将石墨烯膜和金属层图案化。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述基底是绝缘的，例如非金属基底，优选PET、PC、PMMA、玻璃或陶瓷基底。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在步骤2）中通过电镀或化学镀沉积的金属可以选自任何导电金属中的一种或多种，例如选自金、银、铂、铑、钯、铜、铁、锡、锌、钴、镍、铬、镉、锑、铟、铋中的一种或多种。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中在石墨烯表面上需要沉积金属层的部分沉积金属层。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中对于石墨烯表面上不需要沉积金属层的部分，在电镀或化学镀之前将该部分用保护层保护，所述保护层为电镀或化学镀无法沉积的膜层，例如可剥蓝胶层或PET保护层，其中所述PET保护层的粘结层优选硅胶。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其中在步骤3）中，通过激光光刻或刻蚀以将石墨烯膜或石墨烯膜和金属层图案化，优选激光光刻。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中步骤1）中的石墨烯膜可以是厚度为约0.34nm至3.4nm的单层或多层石墨烯膜，其中石墨烯膜的总厚度可以为约0.34nm、0.68nm、1.02nm、1.36nm、1.7nm、2.04nm、2.38nm、2.72nm、3.06nm或3.4nm。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其中步骤1）包括：

a）制备石墨烯膜；

b）将制得的石墨烯膜转移至基底上。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法制备的具有金属电极的石墨烯导电膜。

10.如权利要求9所述的石墨烯导电膜，其中被光刻掉石墨烯的部位以及被保护层保护的部位不存在金属沉积，而光刻后留下石墨烯层的部位存在金属沉积。