CN104178721A - 室温下直接制作导电薄膜的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种室温下直接制作导电薄膜的装置，包括：喷雾装置、数控系统、液态金属墨水、空间方位可调的基底平台、基底、以及场效应控制功能部件，其中，所述基底平台用于支撑所述基底，所述基底用于支撑待成膜构件，所述数控系统用于控制所述喷雾装置、所述基底平台以及所述场效应控制功能部件工作，将室温下所述喷雾装置内的液态金属墨水雾化并以场效应可控方式喷射到所述待成膜构件表面上。本发明还提供了相应的室温下直接制作导电薄膜的方法。本发明提供的室温下直接制作导电薄膜的装置及方法，在常规条件下即可完成制备过程，降低了对环境的要求，进而显著简化了导电及透明导电薄膜制备工艺，提高其生产和应用效率。
Description
技术领域
本发明涉及导电薄膜技术领域，特别是涉及一种室温下直接制作导电薄膜的装置及方法。
背景技术
传统的印刷电路板和集成电路技术，通常耗能、耗水、耗材、工序复杂，且会造成环境污染。为此，近年来，直接以印刷方式实现薄膜电路引起世界各国高度重视。此类技术的关键在于印刷模式和电子油墨技术。发展至今，在印刷电子领域，几乎所有的方法均仍然不能达到一步成型，常常需要借助化学反应、高温退火等步骤实现导电薄膜的制造。然而，我们知道，越来越多的电子器件正朝着柔性化、超薄化的方向发展，而柔性基底一般耐高温性能差，受热容易变形，无法适应高温沉积或高温退火等传统方法。为此，寻找一种方便、快捷、适应力强、低成本的通用型导电薄膜制造方法迫在眉睫。
迄今，最常见的薄膜制备方法通常可分为化学方法和物理方法。薄膜制备的化学方法是以发生一定的化学反应为前提的，这种化学反应可以由热效应引起或者由离子的电致分离引起，沉积过程的控制较为复杂。物理沉积方法成膜的质量高，然而其一般对设备要求很高，且依赖于高真空度环境、高激发溅射能量，这使得薄膜制造的成本居高不下。而且，这些技术对于某些复杂的表面如墙体、建筑橱窗等户外并不适用，所以薄膜常常只能在实验室完成。总之，建立一种快速、低成本且有普遍适应能力的导电薄膜制造方法具有至关重要的意义。本发明旨在提供一种可在各种材料或结构表面直接成膜的导电薄膜快速成膜装置及方法。我们的研究发现，室温液态金属本身具有良好的导电性质，在常温下呈现出液态，但由于其自身存在的高表面张力，一般不易与基底形成良好黏附。不过，若能改变其涂覆状态，则可以巧妙地解决这一难题。为此，本发明首次引入液态金属喷雾成膜方式实现室温导电薄膜的制造。这样，通过设计适合的喷嘴、喷射压力后，并在一定场效应如电磁场、超声场等的激励作用下，可以均匀的覆盖到特定构件或快速运动（旋转或平动）的基底材料上。另一方面，这种非接触的常温喷雾方式对基底的选择提供了更多的优势灵活性，可轻易扩展到任意形状的三维普适材料表面的成膜上。而且，这种方法的应用并不仅限于此，在特定功能薄膜如透明导电薄膜方面也较为方便。此方面，常见的导电透明薄膜有铟锡氧化物（ITO）和ZnO:Al(ZAO)，ITO薄膜已经应用于显示器的透明电极和太阳能电池等光电子领域。为了实现有机柔性衬底的沉积，研究者正努力使透明导电薄膜的潜在用途扩大到可折叠液晶显示器、非晶硅太阳能电池等领域，使能耗降低、设备简化。目前，射频磁控溅射、脉冲激光法等均是沉积透明导电薄膜的方法。对于ZAO薄膜而言，室温沉积虽具有较高的透光率，但导电性差。然而这些基于高真空、高能量需求的加工制造方法将会导致最终用户使用成本过高，制约其大规模普及应用。与此不同的是，本发明提供的方法对设备要求不高，所述方法系以往未见诸于文献或专利，其将液态金属墨水通过场效应雾化到微米甚至纳米级液滴后，可以保证其液滴相连导通，其空隙又能有一定的透光性；与此同时，低熔点金属如Zn、Ga、In、Sn等在氧化后均具有一定的透光性，也是提高透光性的原因之一。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在室温下实现基于室温液态金属墨水的喷雾成膜法以便在各种基底表面上直接制作出导电薄膜，从而实现柔性电子的低能耗化、制备工艺简单化。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种室温下直接制作导电薄膜的装置，包括：喷雾装置、数控系统、液态金属墨水、空间方位可调的基底平台、基底、以及场效应控制功能部件，其中，所述基底平台用于支撑所述基底，所述基底用于支撑待成膜构件，所述数控系统用于控制所述喷雾装置、所述基底平台以及所述场效应控制功能部件工作，将室温下所述喷雾装置内的液态金属墨水雾化并以场效应可控方式喷射到所述待成膜构件表面上。
优选地，所述喷雾装置采用高压气流、电磁激荡或超声激励的雾化方式实现液态金属的雾化。
优选地，所述液态金属墨水为：由常温下呈液态的低熔点金属或合金制成，或添加有绝缘、导电或半导体纳米颗粒的低熔点金属或合金制成。
优选地，所述低熔点金属包括镓、铟、锡、锌、铋、钠、钾和汞中的至少一种；所述低熔点合金包括镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金、铜镓铟合金、铝镓铟合金和钠钾合金中的至少一种。
优选地，所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管、石墨烯；所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
优选地，所述数控系统为：可控制喷雾装置开度大小及脉冲频率以实现特定喷雾量和雾滴大小的计算机控制机构。
优选地，所述场效应控制功能部件包括用以控制雾化液态金属液滴粒径及运动速度的电磁场、超声场、微波场、静电场、激光场、以及电子束中的一种。
优选地，所述基底平台为空间方位可调的旋转平台、平动平台或两者组合的平台，用以控制所述待成膜构件与所述喷雾装置的喷嘴相对位置和相对运动速度。
优选地，所述旋转基底平台为：用于将所述待成膜构件基底通过机械方式固定或吸附在平台上，可调节旋转速度并借助离心作用在构件表面获得各种厚度的薄膜。
优选地，所述平动基底平台可在x轴、y轴、z轴三个方向上控制基底的运动。
优选地，所述旋转基底平台和所述平动基底平台组合的平台为：所述平动基底平台实现基底的定位，而所述旋转基底平台改善薄膜的表面粗糙度。
本发明还提供一种室温下直接制作导电薄膜的方法，包括：将待成膜构件固定于基底平台上的基底表面；将掩膜覆盖于所述待成膜构件的表面，并将所述待成膜构件的表面调整朝向喷雾装置的喷嘴；通过数控系统开启喷雾装置的喷嘴，使所述喷雾装置的腔内存贮的液态金属墨水雾化后喷射于所述待成膜构件的表面；去除所述掩膜，使沉积于所述待成膜构件表面的液态金属形成所述导电薄膜。
（三）有益效果
本发明提供的室温下直接制作导电薄膜的装置及方法，在常规条件下即可完成制备过程，降低了对环境的要求，进而显著简化了导电及透明导电薄膜制备工艺，提高其生产和应用效率。
附图说明
图1是本发明的室温下直接制作导电薄膜的装置的结构示意图；
其中，1、基底平台；2、基底；3、场效应控制功能模块；4、喷雾装置；5、数控系统；6、PC机；7、待成膜构件；8、液态金属墨水。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，本发明的一种室温下直接制作导电薄膜的喷雾成膜装置，包括：基底平台1、基底2、场效应控制功能模块3、待成膜构件、喷雾装置4和数控系统5以及PC机6、待成膜构件7、液态金属墨水8。基地平台托住并固定待成膜构件，场效应控制功能模块为雾化液滴提供电磁场环境、超声环境，喷雾装置位于基底平台的上方，数控系统控制喷雾装置，最后由PC机设置参数保存数据。所述喷雾装置采用高压气流、电磁激荡、超声激励等雾化原理实现液态金属的雾化。
喷雾的液态金属墨水8为常温下处于液态的低熔点金属及其合金，或由添加有绝缘、导电或半导体纳米颗粒的低熔点金属或合金制成。该低熔点金属包括镓、铟、锡、锌、铋、钠、钾和汞中的至少一种；所述低熔点合金包括镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金、铜镓铟合金、铝镓铟合金或钠钾合金中的至少一种。
其中，导电性纳米颗粒可为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管、石墨烯。所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
待成膜构件7包括柔性基底在内粗糙不一的材料，采用纸、聚烯烃、织物等廉价柔性基底材料及玻璃、金属、木板乃至墙壁等脆性基地材料制成；所述基底结构可以包括曲面、斜面等的复杂三维结构。
上述技术方案所提供的一种室温下直接制作导电薄膜的喷雾成膜装置。运用于制作导电薄膜及透明导电薄膜，在常规条件下即可完成其制备过程，降低了对环境的要求，进而显著简化了导电薄膜的制备工艺，提高其生产和应用效率，大大降低了成本。使用该方法得到的薄膜可在刚柔性基底、二维乃至三维上，为其提供了更广泛的应用。
本发明方法的实现过程和方式是这样的：选定待成膜的构件7，将其固定于本发明基底平台1上的基地2表面，将掩膜覆盖于构件7表面，并将待成膜的表面7调整朝向本发明装置喷雾装置4的喷嘴；与此同时，在喷雾装置4的腔内提前添加好液态金属墨水8，开启计算机6及数控系统5使之预热，视需要，可开启场效应控制功能部件3如超声振荡器、电子束发生器、激光器或电磁发生器，在喷雾腔内形成特定尺寸的金属墨水雾滴；之后，通过数控系统5开启喷雾装置4的喷嘴，于是，雾化后的金属液滴即喷射于待成膜构件7的表面，揭去掩膜厚，沉积于构件表面的液态金属即形成导电薄膜。视需要，基底平台1及基底2可旋转或平动，以形成特定厚度的液态金属薄膜；且通过控制喷雾量和图案，可形成透明度不同的导电薄膜。待成膜构件7表面可为各种形状如曲面、锥面、斜面、三角面等，由此可形成形式多样的导电薄膜。若需喷涂于建筑物表面如墙壁、玻璃等表面，可调整基底平台1方位，使之不干扰喷嘴的喷射方向，此时，直接借助控制系统5，调整喷嘴与对象即墙壁或玻璃的距离，并设置特定掩膜，于是，按如上喷射方式，同样可以直接形成导电薄膜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种室温下直接制作导电薄膜的装置，其特征在于，包括：喷雾装置、数控系统、液态金属墨水、空间方位可调的基底平台、基底、以及场效应控制功能部件，其中，
所述基底平台用于支撑所述基底，所述基底用于支撑待成膜构件，所述数控系统用于控制所述喷雾装置、所述基底平台以及所述场效应控制功能部件工作，将室温下所述喷雾装置内的液态金属墨水雾化并以场效应可控方式喷射到所述待成膜构件表面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷雾装置采用高压气流、电磁激荡或超声激励的雾化方式实现液态金属的雾化。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液态金属墨水为：由常温下呈液态的低熔点金属或合金制成，或添加有绝缘、导电或半导体纳米颗粒的低熔点金属或合金制成。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述低熔点金属包括镓、铟、锡、锌、铋、钠、钾和汞中的至少一种；所述低熔点合金包括镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金、铜镓铟合金、铝镓铟合金和钠钾合金中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管、石墨烯；所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数控系统为：可控制喷雾装置开度大小及脉冲频率以实现特定喷雾量和雾滴大小的计算机控制机构。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述场效应控制功能部件包括用以控制雾化液态金属液滴粒径及运动速度的电磁场、超声场、微波场、静电场、激光场、以及电子束中的一种。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基底平台为空间方位可调的旋转平台、平动平台或两者组合的平台，用以控制所述待成膜构件与所述喷雾装置的喷嘴相对位置和相对运动速度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述旋转基底平台为：用于将所述待成膜构件基底通过机械方式固定或吸附在平台上，可调节旋转速度并借助离心作用在构件表面获得各种厚度的薄膜。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述平动基底平台可在x轴、y轴、z轴三个方向上控制基底的运动。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述旋转基底平台和所述平动基底平台组合的平台为：所述平动基底平台实现基底的定位，而所述旋转基底平台改善薄膜的表面粗糙度。
12.一种室温下直接制作导电薄膜的方法，其特征在于，包括：
将待成膜构件固定于基底平台上的基底表面；
将掩膜覆盖于所述待成膜构件的表面，并将所述待成膜构件的表面调整朝向喷雾装置的喷嘴；
通过数控系统开启喷雾装置的喷嘴，使所述喷雾装置的腔内存贮的液态金属墨水雾化后喷射于所述待成膜构件的表面；
去除所述掩膜，使沉积于所述待成膜构件表面的液态金属形成所述导电薄膜。
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