CN104733974A - 用于熔合导电膜中的纳米线交叉点的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于熔合导电膜中的纳米线交叉点的方法以及制造装置的方法。根据本发明的一个或多个实施例，一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法包括：施加恒定电流经过导电膜，该导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点，或进行金属纳米线交叉点的超声波焊接。

Description

用于熔合导电膜中的纳米线交叉点的方法

技术领域

下面的描述总地涉及透明导电膜。

背景技术

透明导电薄膜已经被广泛地用于装置诸如液晶显示器(LCD)、有机发光器件(OLED)显示器、太阳能光伏、触摸屏或基于电致变色氧化物的膜诸如智能窗。在这些应用当中，铟锡氧化物(ITO)由于其高导电性和高光学透明性已经被广泛地用于形成透明导电薄膜。然而，ITO需要高的温度用于加工，并且ITO薄膜易破裂并易于在柔性基板上破裂。此外，为了降低薄层电阻，必须增加ITO膜的厚度，这反过来导致降低的光透射和增加的成本。

由金属纳米线形成的透明导电薄膜是ITO薄膜的替代物的最有前途的候选者之一。然而，金属纳米线具有沿纳米线的长度的优良的电导率，但是在两个或更多纳米线相互交叉的交叉点(junction)处具有高的接触电阻。

发明内容

根据本发明的一个或多个实施例的方面针对一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法，其中这样的膜可以被涂覆在基板上。由于金属纳米线交叉点的熔合，金属纳米线具有降低的接触电阻，并且导电膜具有优良的导电性。

额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并且部分地将从该描述变得明显，或者可以通过实施所给出的实施例而了解。

根据本发明的实施例，一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法包括施加恒定电流经过导电膜，该导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点。

恒定电流的施加可以通过一对彼此面对的电极进行。

恒定电流的施加可以通过电极的阵列进行。

导电膜可以涂覆在玻璃基板或塑性基板上。基板可以是刚性的、柔性的或可拉伸的。基板可以是光学透明的或不透明的。

施加恒定电流经过导电膜可以包括：施加恒定电流到导电膜的第一部分；使导电膜前进；以及施加恒定电流到导电膜的第二部分。

恒定电流的施加可以作为部分卷对卷(roll-to-roll)工艺进行。恒定电流可以在卷对卷工艺期间被连续地施加。卷的前进速度可以被改变以控制膜的处理时间。

根据本发明的实施例，一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法包括进行导电膜的超声波焊接，该导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点。

超声波焊接可以在约10至400kHz的频率进行，例如在20至40kHz的频率。

超声波焊接的进行可以通过超声波探头的阵列执行。

超声头阵列可以在进行超声波焊接期间与导电膜接触。

超声头阵列可以在进行超声波焊接期间通过气隙而与导电膜分离。

导电膜可以被涂覆在玻璃基板或塑性基板上。基板可以是刚性的、柔性的或可拉伸的。基板可以是光学透明的或不透明的。

进行导电膜的超声波焊接可以包括：对导电膜的第一部分进行超声波焊接；使导电膜前进；以及对导电膜的第二部分进行超声波焊接。

超声波焊接的进行可以作为部分卷对卷工艺而执行。超声波焊接可以在卷对卷工艺期间被连续地施加。卷的行进速度可以被改变以控制膜的处理时间。

根据本发明的实施例，一种制造装置的部分的方法包括施加恒定电流经过导电膜或者对导电膜进行超声波焊接，导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点，其中该装置是液晶显示器、有机发光器件、太阳能光伏、触摸屏或基于电致变色氧化物的膜。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其它的方面将变得明显并更易于理解，附图中：

图1是金属纳米线膜的扫描电子显微镜图像；

图2(a)是根据本发明实施例的对金属纳米线膜的恒定电流处理的示意图；

图2(b)是图2(a)的纳米线膜的导电路径的示意图；

图3(a)至3(b)是每个根据本发明实施例的金属纳米线膜的恒定电流处理的示意图；

图4(a)是根据本发明的实施例的在卷对卷工艺上施加的恒定电流处理的侧视图；

图4(b)至4(e)是根据本发明实施例的在卷对卷工艺上施加的恒定电流处理的示意图；

图4(f)至4(g)是每个根据本发明实施例的在卷对卷工艺上施加的恒定电流处理的示意图；

图5是根据本发明实施例的装置的示意性截面图；以及

图6是示出根据本发明实施例的用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法的流程图。

具体实施方式

现在将更详细地参照实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，所给出的实施例可以具有不同的形式，而不应当被解释为限于这里阐述的描述。因此，以下仅通过参照附附图描述实施例来说明本发明的多个方面。当描述本发明的实施例时，“可以”的使用指的是“本发明的一个或多个实施例”。诸如“至少一个”的表述当在一列元件之前时，修饰整列元件，而不修饰该列的个别元件。

由于本发明考虑到各种变化和许多实施例，所以特定实施例将在附图中示出并在书面描述中被更详细地描述。参照用于示出本发明的示例实施例的附图以便获得对本发明及其优点以及通过实施本发明实现的目的的充分的理解。

还将理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”表明所述特征或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征或部件的存在或添加。此外，将理解，当称第一元件“联接”或“连接”到第二元件时，它可以直接联接或连接到第二元件，或者可以存在居间元件。

在下文，将通过参照附图说明本发明的示例实施例来更详细地描述本发明。附图中相同的附图标记表示相同的元件。为了说明的方便，附图中部件的尺寸可以被夸大。换句话说，由于附图中的部件的尺寸和厚度为了说明的方便起见而被任意地示出，所以以下的实施例不限于此。

图1是金属纳米线膜的扫描电子显微镜图像，金属纳米线膜也在整个本公开中被称为导电膜。金属纳米线膜包括多个随机取向的金属纳米线101。当两个或更多金属纳米线彼此交叉时，形成金属纳米线交叉点102。每个金属纳米线101具有沿金属纳米线的长度的优良导电性。然而，由于在接触点处纳米线之间的不良接触、由于金属纳米线膜的形成工艺的残余非导电材料、或其它因素，金属纳米线交叉点102具有高的接触电阻。虽然增加纳米线浓度以及膜的后处理可以降低膜电阻，但是这也会导致降低膜透明性、增加霾度(haze)并暴露到升高的温度和压力。

银纳米线及其它适合的金属纳米线(诸如铜纳米线)可以用于形成纳米线导电膜。导电膜可以形成在任何适合的基板上。例如，导电膜可以被涂覆在玻璃基板或塑性基板上。基板可以是光学透明的或不透明的。例如，导电膜可以形成在聚合物基板诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上。其它适合的聚合物的基板本质上包括由聚二甲硅氧烷(PDMS或硅酮)制成的那些基板，其中基板可以是柔性的以及可拉伸的。此外，可以采用更刚性的基板诸如玻璃基板、金属箔基板或本领域技术人员公知的光电子器件的任何其它适合的基板。用于形成装置诸如液晶显示器、有机发光二极管、太阳能电池或其它装置的其它元件可以形成在该导电膜的顶部上。备选地，如果下面的层不受湿法工艺或用于形成且熔合纳米线交叉点的方法影响，则金属纳米线导电膜可以形成在所提及元件的顶部上。

包括金属纳米线的导电膜可以利用任何适合的方法形成。例如，导电膜可以利用溶液配制(solution formulation)工艺诸如旋涂工艺、迈耶棒(Meyerrod)工艺、狭缝模具涂覆工艺、凹版涂布工艺、胶印工艺、喷涂工艺或喷墨工艺形成。在利用溶液配制工艺的类似工艺中，通常小的有机或有机金属分子附着到悬浮在溶液中的纳米线上以减少或防止金属纳米线在溶液中凝聚。当包含金属纳米线的溶液利用例如旋涂工艺在基板上沉积为薄膜时，溶剂和小的有机或有机金属分子通过蒸发工艺被首先除去，蒸发工艺通常通过加热工艺来促进。金属纳米线的加热还用来使导电膜退火。然而，随后的能够显著地减少金属纳米线之间的接触电阻的烧结工艺通常需要150℃以上的温度，并可以在约200℃。当基板是聚合物材料和/或包括用于形成装置(诸如光电子器件)的其它元件时，加热工艺会对基板和/或该装置的其它元件造成损害。其它的备选方法需要将金属纳米线嵌入在导电聚合物膜中并且需要使用压力以迫使纳米线彼此紧密接触，这会使纳米线的形状扭曲并会损伤形成在基板上的其它元件。根据本发明的一个或多个实施例的方法没有这些缺点。

图2(a)是根据本发明实施例的对金属纳米线膜的恒定电流处理的示意图。参照图2(a)，一对电极(例如负电极204和正电极205)接触纳米线膜的表面。例如，该对电极可以接触相同的表面但是沿着纳米线膜的相反边缘。恒定电流通过该对电极被施加到纳米线膜。该恒定的线性电流密度可以是例如从0.01A/cm至1A/cm，在例如从10ms至10s的范围内的持续时间。

图2(b)是图2(a)的纳米线膜的导电路径的示意图。参照图2(b)，电流从接触正电极205的第一纳米线，经由在正电极205与负电极204之间的许多纳米线和许多交叉点202(由虚线表示)，流动到接触负电极204的最后的纳米线。根据示例实施例，在纳米线与纳米线交叉点处的高接触电阻引起在纳米线交叉点处的高的局部欧姆加热。因而，纳米线交叉点被加热到比金属纳米线膜的其余部分高的温度，在一个实施例中，纳米线交叉点的温度可以为基板的温度的2倍或更多倍。例如，跨过金属纳米线交叉点的局部温度可以达到200℃或更高，其足以让彼此交叉的两个纳米线烧结在一起，或至少部分地熔合在一起，但是该膜的其余部分并且特别是该基板中的温度可以保持在100℃以下。因此，金属纳米线的熔合可以在基板或电光装置的其它元件没有被损伤的温度极限内实现。

在欧姆加热中，功率根据公式1计算。

P＝I²R  公式1

在公式1中，P是从电能转变成热能的功率，I是电流，R是电阻。

在纳米线膜中，接触电阻可以是从纳米线的沿纳米线长度的电阻的大约2倍至纳米线的沿纳米线长度的电阻的约10000倍或更多倍。因此，当恒定电流经过纳米线膜时，纳米线交叉点的温度可以比纳米线的其余部分的温度高得多。也就是说，交叉点被加热直到使得纳米线软化并在它们彼此交叉的交叉点处熔合，而纳米线膜的其余部分保持在较低的温度。

金属纳米线膜可以利用恒定电流处理，直到实现期望的薄层电阻。例如，纳米线膜的薄层电阻可以在恒定电流被施加到纳米线膜时被连续地监控。一旦薄层电阻到达期望值，则电流能够被停止，透明导电薄膜的制造完成。

图3(a)至3(b)是对金属纳米线膜的恒定电流处理的示意图。参照图3(a)，在一个实施例中，一对电极307被用于接触纳米线膜310的两个相反的边缘以进行恒定电流处理。电极跨越纳米线膜310。

参照图3(b)，在另一实施例中，在处理纳米线膜期间采用两对或更多对电极。例如，多对电极可以在纳米线膜310的顶表面上形成为如图3(b)所示的一行或两行(例如，308、309)，并且恒定电流被施加在每对电极之间。在给定的一对电极之间的纳米线交叉点因此被熔合。电极对可以布置成一图案以均匀地覆盖纳米线膜的该表面的区域并可用于制造均匀的导电膜，例如具有遍及该膜的更均匀的电阻的导电膜。电极与导电膜物理接触，并因此电接触，而不是被焊接到该膜。通过在保持电极和膜表面之间的物理接触和电接触的同时在与电极行方向垂直的方向上移动金属纳米线膜，金属纳米线交叉点的熔合能够遍及整个膜而获得。

图4(a)是根据本发明的实施例的在卷对卷工艺上施加的恒定电流处理的侧视图；图4(b)至4(e)是根据本发明实施例的施加在卷对卷工艺上的恒定电流处理的示意图(俯视图)；图4(f)至4(g)是每个根据本发明实施例的施加在卷对卷工艺上的恒定电流处理的示意图(俯视图)。

参照图4(a)至4(g)，在一个或多个实施例中，纳米线薄膜在卷对卷软板(web)工艺中制造。纳米线膜411可以利用与基板兼容的适合的湿法沉积工艺以及随后的溶剂蒸发和固化工艺而沉积在软板(例如，柔性基板诸如由PET或PEN基板制成的那些)上。在该卷对卷工艺中的纳米线膜411及其基板以恒定的速度移动，该恒定速度通过其主动卷和随后的从动卷的角速度控制，其还设定该膜的适当的表面张力。这里，一对电极407或一行电极(例如，408、409、408'或409')可以沿交叉软板的方向(也就是，沿着与软板膜移动的方向垂直的方向)设置在纳米线膜411的表面的一部分上。在图4(a)-4(g)中，箭头表示软板膜移动的方向和卷412旋转的方向。恒定电流可以被施加到纳米线膜的该部分以熔合夹置在电极之间的金属纳米线交叉点。电极可以在膜的表面上滑动以接触纳米线膜的表面，从而当软板前进(例如，相对于电极移动)时，纳米线膜的不同区域可以被处理。在该实施例中，电极之间的距离、软板速度(因这两个因素处理的时长被限制)和施加的电流确定处理条件。在另一实施例中，如果该软板采用不连续的、批处理一样的工艺条件，则恒定电流驱动可以在软板前进时被断开，并在软板停止移动时开启以对该膜的不同区域进行处理。电流驱动可以保持在导通状态，并且当软板前进时电极可以与该表面物理地分离，当软板停止移动时电极可以移动以接触该表面。当软板前进时，电流驱动可以被断开并且电极保持与该表面电接触。此外，当软板前进时，电流驱动可以被断开并且电极从该表面移除。软板的前进允许纳米线膜中的不同区域中的纳米线膜的处理以及最终整个膜的处理。例如，如图4(c)所示，一对电极407接触纳米线膜411的第一部分，恒定电流通过该对电极407施加。在表面电阻达到设定值之后，或在设定量的时间之后，电流被停止并且软板前进使得导电膜的下一部分(例如，第二部分)接触该对电极，如图4(d)所示。然后，恒定电流处理对导电膜的该部分(例如，第二部分)进行，如图4(e)所示。在该工艺中，每对电极之间的电流强度可以被调整以优化金属纳米线交叉点熔合工艺。此外，额外行的电极(见图4(f)至4(g))可以被添加以减少获得期望的金属纳米线膜的薄层电阻所需的时间。通过其施加恒定电流的构成一对电极的两个电极可以被对称地布置在软板的表面上(见图4(f)，行408或409中的电极)，或不对称地布置在软板的表面上(见图4(g)，行408'或409'中的电极)。在另一实施例中，恒定电流可以在软板前进时被连续地施加在电极之间。另外，软板的速度可以被调整，从而实现金属纳米线交叉点的期望熔合。例如，当需要较长的处理时间时，卷的前进速度可以被调整得较慢。

根据本发明的另一实施例，可以采用超声波焊接来熔合纳米线交叉点。例如，可以应用低振幅声波振动诸如在约10至400kHz或20至40kHz的超声波振动来熔合纳米线交叉点。在一简化的环境中，超声波振动引起纳米线在交叉点处彼此摩擦。该摩擦在纳米线交叉点处产生热并且所产生的热熔合纳米线交叉点。根据示例实施例，例如，摩擦热可以加热纳米线至足够高的温度以从纳米线的表面除去那些非导电的附着物和有机金属分子并允许金属原子在两个交叉的纳米线的表面之间移动并且形成彼此的键。用于将金属纳米线熔合在一起所需的温度可以在纳米线的熔化温度以下，例如用于将金属纳米线熔合在一起所需的温度可以为金属纳米线的熔化温度的几分之一。

在一个实施例中，超声波发生器可以在超声波焊接工艺期间与纳米线膜直接接触。该接触将允许声能到该膜的有效传递并可以提高由于超声波焊接工艺引起的纳米线熔合的效率。当该区域中的期望的薄层电阻被实现时，超声波焊接可以移动到金属纳米线膜的不同区域。在一备选实施例中，超声波发生器可以不接触纳米线膜，即气隙可以存在于超声波发生器和纳米线膜之间，并且声波振动或声能通过气隙被传输到该膜。该实施例的期望特征在于其是非接触方法，存在对金属纳米线膜的减少或最小化的污染和干扰。气隙可以尽可能小，例如约1mm或更小，以减少由于气隙引起的声能损失。

在一个实施例中，超声头阵列可以应用在纳米线膜的表面上以制造具有更均一电导率的纳米线膜。

在另一实施例中，纳米线膜在类似于上面描述的恒定电流处理的卷对卷软板工艺中制造，超声波焊接在卷对卷工艺中被连续地进行。卷的前进速度被改变以控制导电膜的处理时间使得期望的薄层电阻能够被实现。例如，当需要较长的处理时间时，卷的前进速度可以被调整得较慢。在另一实施例中，软板采用不连续的、批处理一样的工艺条件。在纳米线膜形成在软板的一部分上之后，所形成的纳米线膜可以与超声头或超声头阵列接触或在其下面。然后超声波振动被施加到纳米线膜，一旦达到设定的时间或期望的薄层电阻，该处理就完成。然后纳米线膜前进并且纳米线膜的被处理的部分被传输到用于进一步处理诸如添加额外的功能元件或用于卷起的下一位置(station)。由于软板的前进，纳米线膜的新的部分与超声头接触或在其下面，超声波焊接在纳米线膜的该新的部分上进行。

图5是根据本发明实施例的装置的示意性截面图。该装置可以是液晶显示器、有机发光器件、太阳能光伏、触摸屏或节能建筑材料。该装置包括基板501、导电膜502和功能结构503。基板501可以是用于对应的装置的任何适合材料，诸如玻璃、聚合物材料等。导电膜502可以是根据本发明的一个或多个实施例的透明纳米线导电膜并用作该装置的透明电极。导电膜502可以沉积在第二基板上。此外，导电膜502可以沉积在功能结构503上或反之亦然。功能结构503可以是与基板501和导电膜502一起完成该装置的构造的结构。附加层可以形成在导电膜502或功能结构503上，诸如保护层、密封层等。

图6是示出根据本发明实施例的熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法的流程图。纳米线沉积在基板上以制造包括多个金属纳米线和金属纳米线交叉点的纳米线导电膜。金属纳米线交叉点被熔合。这里，金属纳米线交叉点可以利用恒定电流法或超声波焊接法熔合。纳米线导电膜的薄层电阻被测量。如果测量的电阻值是可接受的，则金属纳米线交叉点的熔合将被停止并且该导电膜准备完毕。如果测量的电阻值是不可接受的，则金属纳米线交叉点将通过恒定电流法或超声波焊接法被进一步熔合。

应当理解，这里描述的示例实施例应当仅以描述性的含义理解，而不是为了限制的目的。在每个实施例内的特征或方面的描述应该通常被认为可用于其它实施例中的其它类似特征或方面。

虽然已经参照附图描述了本发明的一个或多个实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而没有背离由权利要求书及其等同物限定的本发明的精神和范围。

本申请要求于2013年12月23日提交的美国临时专利申请No.61/920,402的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (19)

1.一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法，该方法包括：

施加恒定电流经过所述导电膜，所述导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述施加恒定电流通过一对彼此面对的电极进行。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述施加恒定电流通过电极的阵列进行。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在玻璃基板或塑料基板上。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在刚性基板、柔性基板或可拉伸基板上。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在光学透明基板或不透明基板上。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述施加恒定电流经过所述导电膜包括：

在所述导电膜的第一部分上施加所述恒定电流；

使所述导电膜前进；以及

在所述导电膜的第二部分上施加所述恒定电流。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述施加所述恒定电流被执行作为部分卷对卷工艺，并且所述卷的前进速度被改变以控制所述膜的处理时间。

9.一种用于熔合导电膜中的金属纳米线交叉点的方法，该方法包括：

进行所述导电膜的超声波焊接，所述导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述超声波焊接在10至400kHz的频率进行。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述进行所述超声波焊接是通过超声头阵列进行。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述超声头阵列在所述进行超声波焊接期间与所述导电膜接触。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述超声头阵列在所述进行超声波焊接期间通过气隙而与所述导电膜分离。

14.如权利要求9所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在玻璃基板或塑性基板上。

15.如权利要求9所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在刚性基板、柔性基板或可拉伸基板上。

16.如权利要求9所述的方法，其中所述导电膜被涂覆在光学透明基板或不透明基板上。

17.如权利要求9所述的方法，其中所述进行导电膜的超声波焊接包括：

对所述导电膜的第一部分进行所述超声波焊接；

使所述导电膜膜前进；以及

对所述导电膜的第二部分进行所述超声波焊接。

18.如权利要求9所述的方法，其中所述进行超声波焊接被执行作为卷对卷工艺的部分，并且所述卷的前进速度被改变以控制所述膜的处理时间。

19.一种制造装置的方法，包括：

施加恒定电流经过导电膜或者对所述导电膜应用超声波焊接，所述导电膜包括多个金属纳米线和多个金属纳米线交叉点，

其中该装置是液晶显示器、有机发光器件、太阳能光伏、触摸屏或基于电致变色氧化物的膜。