CN103824608A - 透明电极以及采用该透明电极的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透明电极以及采用该透明电极的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件，所述透明电极包括由高粘度导电性纳米油墨组合物构成的电极线，所述透明电极包含基材部和在所述基材部上以网格形状印刷多个电极线而构成的电极图案，所述电极线的线宽为0.1～15μm，纵横比为1:0.1～1:1，所述电极线可包括导电性纳米结构体以及分子量为50,000～1,000,000的高分子化合物。根据本发明的透明电极具有卓越的可见性、透明性、光学特性，而且具有优异的抗氧化性。

Description

透明电极以及采用该透明电极的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件

技术领域

本发明涉及一种包含由高粘度导电性纳米油墨组合物构成的电极线的透明电极以及采用该透明电极的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件，更为详细地涉及一种物理性质优异的透明电极以及采用该透明电极的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件，该透明电极以及触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件采用配合有导电性纳米结构体和高分子化合物的高粘度的导电性纳米油墨组合物，能够形成具有能够确保可见性、透明性以及光学特性的线宽以及高度的电极线，而且通过高分子化合物防止导电性纳米结构体的氧化。 

背景技术

不仅在以往的LCD或者PDP等显示装置，在最近快速增长的触摸面板、OLED柔性显示装置、有机太阳能电池等的工序中使用透明电极塑料制品或者透明电极玻璃。作为这些透明电极主要采用通过溅射方式制造的铟锡氧化物（ITO，Indium Tin Oxide）电极。这是因为铟锡氧化物（ITO）容易形成薄膜，透光特性优异，电阻较低。但它具有因主原料铟的价格上升导致的材料费的上升、市场的不稳定性以及枯竭预期；铟的扩散导致的元件劣化；在氢等离子体下的高还原性；以及在柔性基板上的如断裂等弯曲不稳定性等问题。尤其是，铟锡氧化物（ITO）透明薄膜在高温真空条件下通过溅射法制造，因此在需要连续工序的大面积的薄膜工序中产生很多问题。从而理解为，首先需要开发在用于柔性电子元件的塑料板上能够显示最佳物理性质的透明电极。就以往的铟锡氧化物（ITO）来讲，具有由于铟锡氧化物（ITO）电极和塑料基板的热膨胀系数之差而引起的在工序及驱动中产生基板变形的问题；及随着电极基板的弯曲产生的电极破坏引起的表面电阻的变化等问题。 

为了取代上述ITO电极，正在开发采用如导电性高分子或者碳纳米管（CNT）、石墨烯的有机材料的有机透明电极。但是有机透明电极为了具有充分的电阻，需要形成 厚膜，由此带来降低透明度的问题。 

另外，为了解决这些以往的透明电极具有的问题，有一种技术将导电性的电极液以栅格（grid）状印刷，由此用作透明电极。尤其是，将金属类的栅格印刷在塑料基板或者玻璃基板上，从而能够制作具有很低的电阻并具有高透明度的透明电极。为此，应用凹版胶印、喷墨印刷方法等。 

但是，当采用所述的印刷方法时，具有很难制作出小于10μm的栅格线宽的问题和由于栅格电极线的高度低（大约200nm），所以表面电阻高的问题。另外，透明电极需要具有优异的光学特性，但在形成为栅格电极的情况下，当这些栅格电极被适用于显示器、触摸板等上时，会导致栅格通过背光而被人观察的可见性问题和混浊（haze）等光学问题。此外，当采用上述印刷方法时，会导致金属直接被暴露在空气中而氧化的问题。 

于是，需要开发一种不仅对可见性、透明性、光学特性而且适于防止氧化的透明电极。 

发明内容

因此，本发明是为了解决如上所述的以往的问题而提出的，其目的是提供一种透明电极，该透明电极采用由导电性纳米结构体以及高分子化合物构成的高粘度导电性纳米油墨组合物形成电极线，从而以网格（mesh）状构图的电极图案，而且实现线宽为10μm以下、纵横比为1:0.1～1:1的电极线，从而不仅可见性优异，还能够同时提高透光度和电气特性。 

此外，本发明的目的为提供一种透明电极，该透明电极为了实现高粘度导电性纳米油墨组合物，包括天然高分子化合物或者合成高分子化合物中的至少一种，从而防止导电性纳米结构体的氧化。 

此外，本发明的目的为提供一种透明电极，该透明电极形成为电极线的间隔为50～500μm的网格结构，由此提高透光度，而且透明性优异。 

此外，本发明的目的为提供一种透明电极，该透明电极的电极线通过电流体动力学喷墨印刷方式印刷形成，导电性纳米结构体尤其是一维纳米结构体沿着与印刷方向相同的方向，即与图案相同的方向自动排列，从而能够形成所述的10μm以下的线宽。 

此外，本发明的目的为提供一种透明电极，该透明电极在基材部的绝缘层上涂敷 导电物质而形成，从而其导电度得到了提高，而且提供一种透明电极，该透明电极在印刷有电极图案的透明电极上涂敷有导电物质，从而降低了基材部的粗糙度，物理性质优异，导电度得到了提高。另外，本发明的目的为提供一种透明电极，该透明电极在基材部和电极图案上均形成由导电物质构成的涂敷层，从而电气特性和光学特性更为优异。 

最后，本发明的目的为提供一种触摸传感器、透明加热器或者电磁波阻断件，该触摸传感器、透明加热器或者电磁波阻断件采用所述的具有优异的物理性质的透明电极。 

为了达到所述目的，本发明的透明电极包括：基材部；以及电极图案，在所述基材部上以网格形状印刷多个电极线而构成，所述电极线的线宽为0.1～15μm，纵横比为1:0.1～1:1，所述电极线可由包含导电性纳米结构体及分子量为50,000～1,000,000的高分子化合物的高粘度导电性纳米油墨组合物构成。 

所述导电性纳米结构体的结构可为纳米粒子或者一维纳米结构体，所述一维纳米结构体可为纳米线、纳米棒、纳米管子（nano pipe）、纳米带或者纳米管（nano tube）结构中的至少一种。 

此外，所述导电性纳米结构体可为由选自金（Au）、银（Ag）、铝（Al）、镍（Ni）、锌（Zn）、铜（Cu）、硅（Si）或者钛（Ti）中的一种以上构成的纳米结构体、碳纳米管或其组合。 

所述高分子化合物可为天然高分子化合物或者合成高分子化合物中的至少一种。 

所述天然高分子化合物可为在壳聚糖（chitosan）、明胶（gelatin）、胶原（collagen）、弹性蛋白（elastin）、透明质酸（hyaluronic acid）、纤维素（cellulose）、丝蛋白（silk fibroin）、磷脂（phospholipids）或者纤维蛋白原（fibrinogen）中的至少一种，所述合成高分子化合物可为在PLGA（Poly（lactic-co-glycolic acid），聚（乳酸-乙醇酸））、PLA（Poly（lactic acid），聚乳酸）、PHBV（Poly（3-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate），聚羟基丁酸戊酯）、PDO（Polydioxanone，聚二氧六环酮）、PGA（Polyglycolic acid，聚乙醇酸）、PLCL（Poly（lactide-caprolactone），聚（丙交酯ε-己内酯））、PCL（Poly（e-caprolactone），聚（ε-己内酯））、PLLA（Poly-L-lactic acid，聚（L-乳酸））、PEUU（Poly（ether Urethane Urea），聚（醚聚氨酯脲））、醋酸纤维素（Cellulose acetate）、PEO（Polyethylene oxide，聚氧化乙烯）、EVOH（Poly（Ethylene Vinyl Alcohol），乙烯-乙烯醇共聚物）、PVA （Polyvinyl alcohol，聚乙烯醇）、PEG（Polyethylene glycol，聚乙二醇）或者PVP（Polyvinylpyrrolidone，聚乙烯吡咯烷酮）中的至少一种。 

本发明的一实施例的电极线可以50～500μm的间隔构图形成。 

所述导电性纳米油墨组合物可为通过所述高分子化合物涂敷所述导电性纳米结构体的形状。 

所述电极线可通过电流体动力学喷墨印刷方式被印刷在所述基材部上，所述一维纳米结构体可沿着与印刷方向相同的方向自动排列。 

此外，所述基材部可由碳纳米管、石墨烯或者PEDOT（聚（3,4-乙烯二氧噻吩））涂敷，在所述透明电极上可进一步包括涂敷层，所述涂敷层可包括碳纳米管、石墨烯或者PEDOT构成。 

为了达到所述另一个目的，本发明的所述透明电极可在触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件中采用。 

根据本发明，能够提供这样一种透明电极：由配合导电性纳米结构体和具有50,000～1,000,000分子量的高分子化合物而构成的高粘度导电性纳米油墨组合物构成电极线，并且由该电极线形成透明电极图案，从而能够实现薄线宽的电极线，由此能够保证可见性，而且提高电极线的高度，从而能够提高导电度。 

此外，能够提供这样一种透明电极：导电性纳米油墨组合物内的高分子化合物涂敷导电性纳米结构体，从而防止导电性纳米结构体的氧化，具有优异的物理性质。 

此外，能够提供这样一种透明电极：通过电流体动力学喷墨印刷方式印刷电极线，因此无需反复进行沉积和蚀刻工序，能够以简单的方法构图电极线，而且随着纳米结构体沿着与印刷方向相同的方向自动排列，形成有具有10μm以下薄线宽的电极线。 

此外，能够提供这样一种透明电极：随着在形成导电性纳米油墨组合物图案的基材部上涂敷有如碳纳米管、石墨烯或者PEDOT的导电性物质，从而使导电度更为优异，而且通过在形成导电性纳米油墨组合物图案的透明电极上涂敷导电性物质，从而能够实现最佳的效果。 

此外，能够提供通过采用所述透明电极，具有优异的可见性、透明性、光学特性以及导电度的触摸传感器、透明加热器以及电磁波阻断件。 

附图说明

图1为采用本发明的导电性纳米油墨组合物的电极图案的SEM照片（a）以及采用没有包含本发明的高分子化合物的导电性纳米油墨组合物的电极图案的SEM照片（b）。 

图2为由本发明的高分子化合物涂敷的导电性纳米结构体构成的电极线示意图。 

图3为表示根据构成本发明的透明电极的电极线的高分子化合物的涂敷厚度所带来的透光度的图表。 

图4为表示通过电流体动力学喷墨印刷方式喷射本发明的导电性纳米油墨组合物而进行构图的示意图以及表示以网格结构被构图的透明电极的示意图。 

图5为表示根据采用本发明的导电性纳米油墨组合物的透明电极的电极线间隔所带来的表面电阻及透光度的图表。 

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的包含由导电性纳米油墨组合物构成的电极线的透明电极的优选实施例进行详细的说明。通过以下实施例能够更加易于理解本发明，以下的实施例是为了例示本发明而提供的，并不是用来限定由所附的权利要求书所限定的保护范围。 

本发明的透明电极的特征在于，包括基材部及电极图案构成，其中电极图案由在所述基材部上以网格形状构图多个电极线而形成。网格结构可为普通的栅格结构——四边形形状，而且还可以根据透明电极的应用，不受形状的限制而形成为钻石、蜂窝形状等各种结构。 

当采用导电性纳米油墨组合物形成电极线时，能够保持规定的粘度——1,000～100,000cP而实现具有0.01～15μm线宽的电极线。在此，更加优选具有0.1～10μm的线宽，进一步优选具有0.5～5μm的线宽。当线宽超过15μm时，在外部通过视觉能够识别网格结构图案，从而降低可见性，显著降低透明电极的物理性质。 

此外，通过使用高粘度的导电性纳米油墨组合物，能够实现1:0.1～1:1范围内的纵横比（线宽:高度），而且更加优选实现1:0.1～0.5的纵横比，进一步优选实现1:0.15的纵横比。为了提高导电性，电极线的剖面积要大，随着实现所述范围内的纵横比， 剖面积增大，由此降低表面电阻值，从而能够提供导电性优异的透明电极。假设以往的电极线为10μm的线宽时，只能实现大约200nm高度的电极线，但在本发明中，通过导电性纳米油墨组合物对10μm的线宽，能够实现具有大约1.5μm高度的电极线，因此与以往相比电极线的高度高出大约750倍，从而剖面积变得很大，导电性也变得明显优异。 

本发明的导电性纳米油墨组合物为用在透明电极的电极线的组合物，能够实现前面说明的线宽和纵横比。该组合物为在电流体动力学喷墨印刷中使用的喷射溶液，包括导电性纳米结构体和高分子化合物构成。 

导电性纳米结构体的电气特性、机械特性和热特性优异，因此可作为导电性纳米油墨组合物的基本物质，而且该导电性纳米结构体优选为纳米粒子形状或者如纳米线、纳米棒、纳米管子、纳米带、纳米管的一维纳米结构体，而且可组合使用纳米粒子和所述的一维纳米结构体。 

此外，所述导电性纳米结构体优选由选自金（Au）、银（Ag）、铝（Al）、镍（Ni）、锌（Zn）、铜（Cu）、硅（Si）或者钛（Ti）中的一种以上构成的纳米结构体、碳纳米管或者其组合构成。尤其是，作为透明电极，最优选为容易进行自动排列的纳米线。对此在下面进行详细说明。 

高分子化合物用于调节导电性纳米油墨组合物的粘度以及光学特性，由于能够调节油墨组合物的粘度，因此当通过该高分子化合物进行构图时，不仅能够提高喷射性，还能够防止导电性纳米结构体的氧化，从而能够实现光学特性和物理性质优异的透明电极。 

如图1的（a）所示，导电性纳米油墨组合物为通过高分子化合物涂敷导电性纳米结构体的形状，因此金属成分的导电性纳米结构体不会暴露在空气中，从而能够防止氧化。 

从整个电极线来讲，如图2的示意图所示，形成在导电性纳米结构体上覆盖有高分子化合物覆膜的形状。此外，在如图2的示意图的结构下，从图3的图表可知，随着所述高分子化合物覆膜的厚度从100nm增加为300nm，透光度变得优异，但是，当覆膜厚度为400nm时，透光度反而下降。可见，当高分子化合物覆膜厚度变厚时，并不是无条件地降低透光度，而是到规定的厚度为止，透光度得到提高，而且导电性也保持原样。 

优选高分子化合物的分子量为50,000～1,000,000，进一步优选100,000～500,000。此外，不限制天然高分子化合物、合成高分子化合物的种类。若高分子化合物的分子量小于50,000，则当采用导电性纳米油墨组合物形成电极图案时，线宽变宽，能够在外部以肉眼识别，因此作为透明电极的可靠性下降，而且透明电极容易氧化。若分子量大于1,000,000，则在制造纳米油墨组合物时，通过溶剂溶解导电性纳米结构体受到限制，从而产生导电度显著下降的问题。 

在此作为优选的实施例，所述天然高分子化合物优选为壳聚糖（chitosan）、明胶（gelatin）、胶原（collagen）、弹性蛋白（elastin）、透明质酸（hyaluronic acid）、纤维素（cellulose）、丝蛋白（silk fibroin）、磷脂（phospholipids）或者纤维蛋白原（fibrinogen）中的至少一种，所述合成高分子化合物优选为PLGA（Poly（lactic-co-glycolic acid），聚（乳酸-乙醇酸））、PLA（Poly（lactic acid），聚乳酸）、PHBV（Poly（3-hydroxybutyrate-hydroxyvalerate），聚羟基丁酸戊酯）、PDO（Polydioxanone，聚二氧六环酮）、PGA（Polyglycolic acid，聚乙醇酸）、PLCL（Poly（lactide-caprolactone），聚（丙交酯ε-己内酯））、PCL（Poly（e-caprolactone），聚（ε-己内酯））、PLLA（Poly-L-lactic acid，聚（L-乳酸））、PEUU（Poly（ether Urethane Urea），聚（醚聚氨酯脲））、醋酸纤维素（Cellulose acetate）、PEO（Polyethylene oxide，聚氧化乙烯）、EVOH（Poly（Ethylene Vinyl Alcohol），乙烯-乙烯醇共聚物）、PVA（Polyvinyl alcohol，聚乙烯醇）、PEG（Polyethylene glycol，聚乙二醇）或者PVP（Polyvinylpyrrolidone，聚乙烯吡咯烷酮）中的至少一种。根据导电性纳米结构体的种类，可组合使用天然高分子化合物和合成高分子化合物。在本发明中，当由银纳米线作为导电性纳米结构体来使用而实现油墨组合物时，由PEG或者PEO作为高分子化合物来使用时，最为容易调节粘度。 

相对于100重量部的导电性纳米结构体，高分子化合物优选为0.05～15重量部，进一步优选为0.1～10重量部。若高分子化合物少于0.05重量部，则在采用电流体动力学喷墨印刷形成电极线时，由于喷射不稳定会导致多股射流的喷射，从而不能执行构图，而且产生电极线的断线现象，从而不能形成连续的电极图案；若超过15重量部，则显著降低电气特性。 

此外，本发明的导电性纳米油墨组合物优选具有电性泄漏介质（leaky dielectric）特性，导电性优选为10^-10s/m～10^-1s/m之间，进一步优选为10^-10s/m～10^-3s/m之间。即， 当具有导电性很低的苯和导电性高的水银之间的导电性时，能够提高作为电极线的物理性质。 

由这种导电性纳米油墨组合物构成的电极线优选以50～500μm的间隔构图的网格结构，进一步优选100～200μm。当电极线的间隔不在所述范围时，会影响透明性及导电度。 

如图2所示，由导电性纳米油墨组合物形成图案，在图2的下面示出的栅格形状的电极中，p表示电极线之间的间隔、w表示电极线的线宽，可采用该p、w，通过填充因子（Fill Factor,FF）来表示在二维平面上网格结构的电极能够阻断多少光线或者电磁波的进行方向。FF值如以下[数学式1]所示。 

$\mathrm{FF}=\frac{\left(\mathrm{pSw}\right)+\left[(p-w)\mathrm{Sw}\right]}{p^2}$ …[数学式1] 

当采用FF时，表面电阻（R_s,Ag grid）和透射度（T_Ag grid）可由以下[数学式2]、[数学式3]表示。这是采用银（Ag）形成网格结构的电极时的表面电阻和透射度的方程式。ρ_Ag grid表示银的电阻值，t_Ag grid表示栅格电极的厚度，ξ表示用于求表面电阻的常数，T_B表示基板的原透射度。 

$R_{s,\mathrm{Aggrid}}=\mathrm{\ξ}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Aggrid}}}{t_{\mathrm{Aggrid}}}\frac{1}{\mathrm{FF}}$ …[数学式2] 

T_Aggrid=T_BS(1-FF)…[数学式3] 

如在所述数学式2、3中表示，FF值越小，就越能制作透射度高且表面电阻小的优异性能的透明电极。从图3可知，间隔越小，透明度就越低，但同时表面电阻也变小，因此电气特性变得优异。 

如纳米线、纳米管的导电性纳米结构体，当不存在周边环境的刺激因素时，没有特殊方向而无序地排列，因此不易形成图案。对此，当如本发明实现导电性纳米油墨 组合物，并通过电流体动力学喷墨印刷构图电极线时，可通过形成电场来在喷嘴和基材部之间产生电场，以使导电性纳米结构体通过电位差而沿着与印刷方向相同的方向排列，并由此而使纳米物质在基材部上沿着与印刷方向相同的方向，即沿着构图方向最终排列，从而能够形成小于10μm的窄线宽的图案。当导电性纳米结构体为一维纳米结构体时，这种效果更加明显。 

在本发明的进一步优选的实施例中，优选在基材部上进一步包括涂敷层，或者在构图有电极线的基材部上进一步包括涂敷层。通过包括碳纳米管、石墨烯或者PEDOT形成涂敷层，从而强化基材部和电极线之间的粘合力，而且降低粗糙度，从而能够提供具有优异的物理性质及进一步提高的导电度的透明电极。 

在最为优选的实施例中，在所述基材部上由导电性物质即碳纳米管、石墨烯或者PEDOT形成涂敷层，在电极图案上也形成由导电性物质构成的涂敷层，通过该优选实施例，能够进一步提高导电性纳米油墨组合物的导电度。 

此外，本发明的触摸传感器、透明加热器或者电磁波阻断件优选采用所述网格形状的透明电极。本发明的透明电极可作为触摸传感器来应用，因此能够应用在显示装置等各种领域。此外，所述的透明电极能够应用在高楼或者住宅的玻璃、汽车玻璃、护目镜等透明的基材部上，可执行防雾、溶解凝结水、融化雪等的作用。此外，本发明的网格形状的透明电极可作为显示装置、智能手机、导弹、飞机等的电磁波阻断件来发挥作用。此外，当采用本发明的导电性纳米油墨组合物并通过电流体动力学喷墨印刷实现透明电极时，不需要进行沉积和蚀刻等工序，因此在三维表面上也能够容易地进行电极图案的构图，从而能够实现三维触摸传感器、三维透明加热器、三维电磁波阻断件。尤其是，能够在导弹、飞机等的表面上直接通过电流体动力学喷墨印刷来进行构图，从而形成电磁波阻断表面。 

本发明的权利范围并不限于上述实施例，在所附的权利要求述记载的范围内可实现为多种形式的实施例。在不脱离权利要求书所要求保护的本发明精神的范围内，本发明所属技术领域中具有一般知识的人均能变形的各种范围也应属于本发明的保护范围。 

Claims (15)

1.一种透明电极，包括：

基材部；以及

电极图案，在所述基材部上以网格形状印刷多个电极线而构成，

所述电极线的线宽为0.1～15μm，纵横比为1:0.1～1:1，

所述电极线由包含导电性纳米结构体及分子量为50,000～1,000,000的高分子化合物的高粘度导电性纳米油墨组合物构成。

2.根据权利要求1所述的透明电极，

所述导电性纳米结构体的结构为纳米粒子或者一维纳米结构体。

3.根据权利要求2所述的透明电极，

所述一维纳米结构体为纳米线、纳米棒、纳米管子、纳米带或者纳米管结构中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的透明电极，

所述导电性纳米结构体为由选自金、银、铝、镍、锌、铜、硅或者钛中的一种以上构成的纳米结构体、碳纳米管或其组合。

5.根据权利要求1所述的透明电极，

所述高分子化合物为天然高分子化合物或者合成高分子化合物中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的透明电极，

所述天然高分子化合物为在壳聚糖、明胶、胶原、弹性蛋白、透明质酸、纤维素、丝蛋白、磷脂或者纤维蛋白原中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的透明电极，

所述合成高分子化合物为在聚（乳酸-乙醇酸）、聚乳酸、聚羟基丁酸戊酸共聚酯、聚二氧六环酮、聚乙醇酸、聚（丙交酯ε-己内酯）、聚（ε-己内酯）、聚（L-乳酸）、聚（醚聚氨酯脲）、醋酸纤维素、聚氧化乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚乙二醇或者聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的透明电极，

所述电极线以50～500μm的间隔被构图。

9.根据权利要求1所述的透明电极，

所述导电性纳米油墨组合物为通过所述高分子化合物涂敷所述导电性纳米结构体的形状。

10.根据权利要求2所述的透明电极，

所述电极线通过电流体动力学喷墨印刷方式被印刷在所述基材部上，所述一维纳米结构体沿着与印刷方向相同的方向自动排列。

11.根据权利要求1所述的透明电极，

所述基材部被碳纳米管、石墨烯或者聚（3,4-乙烯二氧噻吩）涂敷。

12.根据权利要求1所述的透明电极，

在所述透明电极上进一步包括涂敷层，所述涂敷层包括碳纳米管、石墨烯或者聚（3,4-乙烯二氧噻吩）构成。

13.一种采用根据权利要求1所述的透明电极的触摸传感器。

14.一种采用根据权利要求1所述的透明电极的透明加热器。

15.一种采用根据权利要求1所述的透明电极的电磁波阻断件。

Images