CN105474761A

CN105474761A - 形成导电轨道的复合物

Info

Publication number: CN105474761A
Application number: CN201480043389.6A
Authority: CN
Inventors: F·卡佩利
Original assignee: Te Luonike Co Ltd
Current assignee: Te Luonike Co Ltd; Tryonic Ltd
Priority date: 2013-08-03
Filing date: 2014-08-03
Publication date: 2016-04-06
Also published as: ITTV20130128A1; US20160230025A1; EP3028548A1; EP3028548B1; WO2015019266A1

Abstract

描述了在材料(20)内制造导电轨道或区域的方法。通过使用纤维素(22)或其衍生物作为材料和通过局部提高一部分材料的温度，可以以简单、经济和快速方式描迹轨道。

Description

形成导电轨道的复合物

本发明涉及例如要涂铺或喷涂在任何表面上的复合物，以获得用于携带电荷或电压或电流信号的导电线路或轨道。该复合物可改性以局部改变其电导率。

表面或设备的布线已知是非常昂贵和费力的操作。电缆的长度、它们的成本和重量通常是主导部分，有时达到阻碍工程开始的程度。

例如WO/2012/137048教导了如何因可极化分子而借助激光在复合物的体积内制造导电路径。但是，该复合物在此具有复杂化学式，且激光的使用不利地限制了应用领域。

这提出获得具有简单化学式并因此价廉和容易重现的上述类型的复合物的问题。

此外，不使用激光描迹轨道是方便的。

通过如所附权利要求书中的复合物和/或方法和/或用途解决至少一个问题，其中从属权利要求规定了有利的变体。

除非另行规定，下述百分比是相对于总量的重量百分比。

纤维素(C₆H₁₀O₅)和衍生自其的物质类别经证实是用于获得导电轨道的惊人好的材料。特别地，通过燃烧或加热一部分纤维素以使其碳化获得的电阻率差(降低)是有利的。

要指出，该纤维素在现有技术中最多用作金属导体周围的绝缘材料。

特别地，意外地发现，硝化纤维素(一种纤维素亚种)提供电阻率比该纤维素低的结果，因此提供质量更好的电通路。其也更容易喷涂和稀释，因此可以更好更容易地汽化。

硝化纤维素(或纤维素)通常在室温下具有绝缘体的电阻率。在使其达到大约220-230℃时，其碳化且其电阻率降低到半导体范围。利用更导电的轨道或区域的电阻的变化临时(adhoc)、从头(exnovo)或实时地制造例如导电通路，或管理由电压或电流表现出的逻辑状态。

优选为了局部提高纤维素或硝化纤维素的温度以使其碳化和描迹该轨道，使用激光，其产生适当和精确的描迹。但也可以使用其它加热/描迹方法，例如通过置于炉中或用热源燃烧(硝化)纤维素段，例如镀锡装置(tin-plater)的热杆。但是，燃烧以不好控制的方式进行，结果无法以高精确度再现，但对中等精确度而言是足够的。

例如，在实验室中在绝缘基底上涂铺硝化纤维素层，并在其上生成(关于如何生成，见下文)7cm长、0.9mm宽和大约7mμ深的轨道。硝化纤维素层为50μm厚且激光束在其上方行进。硝化纤维素轨道从几乎无限电阻率变成3500Ω的电阻。

有利地，对于相同结果，可以使用每种类型的硝化纤维素，例如单硝酸(mononitric)(C₂₄H₃₉(NO₂)₁₂O₂₀)、二硝酸(binitric)、三硝酸(trinitric)等，直到十二硝酸(dodecanitric)(C₂₄H₂₈(NO₂)₁₂O₂₀)。

为了改进电性能，向该材料中加入贵材料的粒子(例如银、铜、金、铂、铟、钨)。金具有高成本，并且除了银外，所有其它材料的性能较低。这些粒子的添加产生令人惊讶的结果。尽管它们本身是导电材料，但由于在各粒子周围不可避免地形成的绝缘氧化物层，仅在该材料中引入这些粒子不会造成总电导率提高。但是，如果粒度和/或它们的密度具有特定值，电导率实际上改进。用平均直径为5μm至17μm的粒子，特别是银粒子获得最佳结果，在9μm至11μm的直径下检测到电导率峰值。平均或最佳粒度或直径优选为11μm，例如粒子的组成等于：34％具有12-18μm的直径；50％具有11μm的直径；16％具有3-5μm的直径。

特别对于银粉或银粒子，3％至20％，更特别是5％至12％的重量百分比能够获得良好的电子性能。

理论上如下解释该效应：通过局部提高温度，氧化物层破碎且其碎片留在粒子的核附近。在各种暴露的核上，会形成足够大的电子云以与邻近的电子云电子连通，由此改进电导率。

优选通过刷涂、喷涂或冷拉伸将该复合物或材料施加到表面上。为了利于施加，向该混合物中加入溶剂，其充当稀释剂并在喷涂后蒸发。可以使用例如二氯甲烷或有机溶剂(例如四氯乙烯、丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、己烷)。

优选向该复合物中加入二醇，例如PEG(聚乙二醇)。提供良好结果的百分比是1-4％。

效果是在溶剂蒸发时使该复合物保持柔软或挠性，以在载体变形或存在例如温度波动时避免裂纹或损伤。也可以在固化或几乎固化时使该复合物层机械变形，以使例如其内的活动元件运动。

优选向该复合物中加入(食品或丙烯酸)染料；提供良好结果的百分比是大约2％。因此改进该复合物的激光吸收。激光可以穿过该复合物而不将其加热或燃烧，和/或不作用于由贵材料制成的粒子(见下文)。

还提出在材料内制造导电轨道或区域的方法。该方法享有已对该复合物描述的优点，反之亦然。该方法的特征在于下列步骤

使用纤维素或其衍生物作为材料；

局部提高一部分材料的温度。

作为该方法的任选步骤，独自或结合地：

-使用激光局部提高一部分材料的温度；

-使用硝化纤维素作为材料；

-在该材料中嵌入银或铜或金或铂或铟或钨粒子，其平均直径为5μm至17μm且相对于含有它们的材料的重量百分比为3％至20％；

-所述平均直径为10-11μm；

-将二醇，例如PEG(聚乙二醇)添加到该材料中；

-将溶剂，例如二乙醚添加到该材料中；

-将食品或丙烯酸染料添加到该材料中。

本发明的另一方面是纤维素或其衍生物作为通过提高一部分材料的局部温度而在其中制造导电区域或轨道的材料的用途。

上述用途具有许多特征，例如该材料是硝化纤维素。如本申请中要求保护或描述的方法或复合物的每一特征可以是用途权利要求的特征。

要指出，该材料中的上述升温可以仅用于将其碳化并提高其电导率。第一个效果因此是该材料的电导率提高。通过激光与分散在纤维素中的粒子的相互作用实现电阻率的进一步降低，见下文。因此，热和能量的局部供应也可作用于纤维素基质内的分散体上，并且由于此类分散体在纤维素内的事实，电阻率甚至更低。所述复合物也能以自动方式描迹轨道：当在该复合物的两个点施加电压时，在它们之间形成轨道。

参考附图从该复合物的优选实施方案的下列描述中更清楚看出本发明的优点，其中

图1显示平铺构造的层；

图2显示图1的复合物的放大图；

图3显示在特定构造中的图3的复合物；

图4显示图1的层中存在的粒子。

在通用载体表面10，例如壁、金属体、印刷电路板(PCB)或玻璃、聚乙酸酯或丙烯酸的层上，涂铺或喷涂复合物层20。

复合物20可以如下构成(按体积计)：

·16％的μm银粉(具有如上规定的粒度)

·40％胶棉(硝化纤维素在乙醇或乙醇/二乙醚混合物中的6％溶液)；

·40％稀释剂，其中该稀释剂由76％乙酸丁酯、12％乙醇、8％甲苯、4％乙基纤维素构成；

·2-4％PEG；

·2％(任选)添加剂敏化剂以优化激光照射，例如颜料红112，iupac名：2-萘甲酰胺，3-羟基-N-(2-甲基苯基)-4-[(2,4,5-三氯苯基)偶氮]。

最简单地，复合物20的另一配方可以是：

·97％至80％硝化纤维素；

·银粉或银粒子：3％至20％，或更好5％至12％，以获得良好电子性能。

先前实例中的硝化纤维素(以重量为单位)被认为可购得，并可含有构成所述溶剂的其它组分，例如98％至90％二乙醚+甲醇，或35％至70％二乙醚+65％至30％甲醇，和2％至10％半合成纤维素。例如，该硝化纤维素中的确切值是：硝化纤维素6％和乙醚+甲醇94％。但是，溶剂的百分比不重要。

对该复合物的各种组分的剂量引述的值是在实验上产生最佳结果的值，但各百分比有可能改变，例如±15％。

一般而言，通用配方随后可以是：

硝化纤维素:2％至10％；

银粉或银粒子(如上所述)：3％至20％，或更好5％至12％，以获得良好电子性能，

其余％：如上所述的溶剂。

该复合物的制造不需要特别小心，将组分放在一起并混合它们就足够了。例如，可以在喷枪的罐中例如通过磁体的搅动直接混合组分。或将硝化纤维素与PEG混合，加入溶剂，掺合并最后加入染料(任选)。

一旦铺设，复合物20在3-5分钟内干燥并硬化；或可以在大约80℃下烘烤5-6秒。

对于银粒子或粉末(或其它贵材料)，可以使用市售材料(例如由HeraeusPreciousMetalsGmbH&Co.KG公司提供)。

粒子直径可以为几μm至几十mμ，并在大约10-11μm的直径(以及平均直径)下获得最佳实验结果。10μm平均直径的实验情况具有下列粒度：34％在12-18μm；50％在11μm；16％在3-5μm＝平均直径11μm或7μm，包含这一范围内的所有值。

在喷涂复合物20后，分布银粒子，以形成相当均匀地在纤维素层22内的层30(图2)。银的重量不足以使其完全落到载体10上，因此其由于硝化纤维素的更大分子尺寸而浮在硝化纤维素上。如果该粒子具有小于5或6μm的直径，该复合物中的轨道开始失去电导率特征，或无法制造轨道。粒子不仅“浮”在(硝化)纤维素上(这阻碍其体积内的轨道)，而且即使制造表观单轨道样品，导电也不良，因为电子云小。但是，如果粒子太大，它们会在(硝化)纤维素产生网格之前下沉并且没有出现层30。换言之，令人惊讶地，必须以良好的精确度遵循使该复合物起效的粒度值范围。在实验中已尝试更大或更小的值，但尚未获得令人满意的结果。原因在于，当粒度太大时会沉淀在该复合物的底部，或当粒度太小时它们无法落到该复合物内。

在厚度50μm的复合物层20中，银层30位于距载体10大约35μm处，并且为大约7μm厚。

然后使激光L扫过。激光束以基本垂直于载体10的最大维度D的方向在复合物20中传送，并且其沿层20行进以制造轨道(方向F)。

激光L的焦距使其到达并作用于粒子层。其使粒子周围的氧化物层破碎并吹走。然后在银粒子40周围(图4)，形成电子云42，其平均起来成功地触及相邻粒子的电子云。即使粒子40被碳化硝化纤维素的μm级片段(平均2-3μm)隔开并因此仍比激光L经过前更导电，通过云42并联分流(shuntedinparallel)该片段，且层30的总电导率出乎意料地变得高得多。

加入大量粒子会降低性能，因为层30变得几乎均匀和无分界地扩散在(硝化)纤维素的体积中。

在实验室中，通过在不同塑料基底上沉积复合物20制备用于实施描迹的样品。通过喷涂在五个连续涂层中施加复合物20。

通常80％的溶剂通过蒸发离开，并留下50μm复合物(硝化纤维素+银+10％溶剂)。

沉积的复合物20的层的最终厚度为大约200μm。在较大的银粒度下，描迹4cm长，1mm宽和平均7μm厚的轨道。

聚乙烯膜:

轨道的电阻:2欧姆(介电值大于1GΩ)。

有机硅橡胶(用碳纤维增强):

在激光L经过后该轨道的电导率:2Ω(介电值大于1GΩ)。

该复合物优异粘合在载体上。

用碳纤维增强的环氧树脂(表氯醇+BFA):

在激光L经过后该轨道的电导率:2Ω(介电值大于1GΩ).

聚苯乙烯:

在激光L经过后该轨道的电导率:2Ω(介电值大于1GΩ).

用具有10μm直径(以及平均直径)的粒子40和/或用大约0.5的硝化纤维素与粒子40之间的空/满(empty/full)比实验得到最佳电导率。

作为激光L，使用具有27-28mm焦距的在480μm的激光。优选地，该激光的比功率为0.6W/mm*s且该激光以1mm/秒的速度移动(方向F)。

为了保护，可以在已描迹的复合物20上叠加保护层90，例如丙烯酸或聚乙烯醇(其也吸收复合物20在喷涂过程中捕获的任何残留水)。

为了制造多层叠加轨道，可以喷涂层20，在其中制造轨道，叠喷另一层20，在其中制造轨道，诸如此类。在层20和下一层之间，可以插入保护层90。

为了到达已描迹的轨道，可以例如用激光刺穿层20(图3)以在硝化纤维素中打开通道70直至到达粒子层30中的轨道。例如借助注射器或分配元件向通道70中浇注银或液体导电材料并在其中埋入导电接头74。该液体导电材料固化并将内部轨道永久连接到外部。

Claims

1.在材料(20)内制造导电轨道或区域的方法，其特征在于

-使用纤维素(22)或其衍生物作为材料；

-局部提高一部分材料的温度。

2.根据权利要求1的方法，其中激光(L)局部提高一部分材料的温度。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述材料是硝化纤维素。

4.根据前述权利要求中任一项的方法，其中在所述材料中嵌入银或铜或金或铂或铟或钨的粒子(40)，其平均直径为5μm至17μm且相对于含有它们的材料的重量百分比为3％至20％。

5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中将二醇、例如PEG(聚乙二醇)添加到所述材料中，和/或将溶剂、例如乙醚添加到所述材料中。

6.一种复合物(20)，其内形成导电轨道或区域，其特征在于按重量计包含

·纤维素(22)或其衍生物：2％至10％；

·银或铜或金或铂或铟或钨的粒子(40)，其平均直径为5μm至17μm，特别是5％至12％，且重量百分比为3％至20％；

·溶剂、例如二乙醚：剩余％。

7.根据权利要求6的复合物，其中所述衍生物是硝化纤维素。

8.根据权利要求6或7的复合物，其中所述平均直径为10-11μm。

9.根据前述权利要求中任一项的复合物，其包含二醇、例如PEG(聚乙二醇)，例如2-4％。

10.纤维素(22)或其衍生物的用途，作为通过局部提高一部分材料的温度而在其中形成导电轨道或区域的材料。