CN106611627A - 高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用。所述高质量碳纳米管透明导电膜包括透明衬底和设于透明衬底上的复合导电膜，所述复合导电膜主要由金属网格和碳纳米管复合形成。本发明的提供的高质量碳纳米管透明导电膜导电性能优异，表面电阻低，稳定性好，透光率高，雾度低，并可避免莫瑞干涉波纹，在电子、光电子领域有广泛应用前景，同时其制备工艺简单易实施，可控性高，成本低，良率高，利于大规模工业化生产。

Description

高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明特别涉及一种高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用，属于材料科学领域。
背景技术
随着触控面板大尺寸化、低价化的需求，以及氧化铟锡(ITO)薄膜不适用于可挠式显示器应用、导电性及透光率等本质问题不易克服等，触控面板厂正积极找新材料，希望取代占成本40％左右的ITO薄膜。在此背景下，金属网格、纳米银线、碳纳米管、石墨烯等替代材料兴起，受到各大触控厂商青睐。
碳纳米管导电膜在柔性、真彩色性、化学稳定性和成本等方面具有明显的优势，但因其自身结构所限，其导电性质却不及银纳米线。单壁碳纳米管依直径与旋度可分为金属性与半导体性，其导电性差异很大；且在碳纳米管网络中随机接触的金属性和半导体碳纳米管之间存在肖特基势垒，直接影响碳纳米管导电膜的电学性质。目前主要通过化学掺杂改善碳纳米管薄膜的导电性，但其稳定性较差且工艺复杂。因此如何有效降低碳纳米管薄膜表面电阻是限制其商业化的瓶颈问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高质量碳纳米管透明导电膜及其制备方法与应用。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
在一些实施方案中提供了一种高质量碳纳米管透明导电膜，其包括透明衬底和位于透明衬底上的复合导电膜，所述复合导电膜包括导电网格以及与所述导电网格电性结合的碳纳米管层。
在一些较为优选的实施方案之中，所述导电网格的厚度为0.02～20μm，网格间线距为5～1000μm。需要说明的是，此处所述的“厚度”是指所述导电网格中任一个有经线和/或纬线存在的区域的顶端与底端之间的距离。
在一些较为优选的实施方案之中，用以形成所述导电网格的经线和/或纬线的线宽为1～5μm。
进一步优选的，用以形成所述导电网格的经线和/或纬线的线宽＜2μm。
进一步的，所述导电网格的材料包括金属材料和/或半导体材料，所述金属材料可以包括但不限于金、银、铜、铝、镍、钛中的任一种或两种以上的组合，所述半导体材料包括半导体氧化物。
较为优选的，所述导电网格采用金属网格。
在一些较为优选的实施方案之中，所述碳纳米管层的厚度为2nm～2μm。
进一步的，所述碳纳米管包括单壁、双壁、多壁碳纳米管中的任一种或两种以上的组合。
进一步的，所述透明衬底可优选自但不限于PET衬底、PI衬底、PDMS衬底、PMMA衬底、PC衬底中的任一种或两种以上的组合。
本发明还提供了一种制备所述高质量碳纳米管透明导电膜的方法。
在一些实施例中，所述制备方法包括：在透明衬底上层叠设置导电网格和碳纳米管层形成复合导电膜，从而获得高质量碳纳米管透明导电膜。
在一些实施方案之中，可以在透明衬底上交替设置导电网格和碳纳米管层形成复合导电膜。
在一些实施方案之中，可以直接在所述衬底上制备形成碳纳米管层。
在一些实施方案之中，可以将成型碳纳米管薄膜转移到所述衬底上而形成碳纳米管层。
例如，可以采用化学气相沉积法在可挠性衬底上制备碳纳米管薄膜。
在一些实施例之中，所述碳纳米管层为由碳纳米管分散液制得的碳纳米管薄膜或经CVD干法制备的碳纳米管薄膜。
例如，也可以对碳纳米管分散液进行抽滤而获得碳纳米管薄膜，以及将所述碳纳米管薄膜转移到所述衬底上而形成碳纳米管层。
在一些实施方案之中，至少可以选用印刷、溅射、蒸镀、电化学沉积中的任一种方式所述衬底上形成所述导电网格。
例如，可以直接以金属油墨进行印刷形成所述金属网格。
或者，也可以在所述衬底上形成导电薄膜，再通过微加工而形成所述金属网格，所述微加工包括黄光蚀刻工艺。
在一些更为具体的实施案例之中，所述金属网格的制备工艺包括：
对于一些外观要求不高的应用，直接利用丝网印刷工艺，在衬底上丝印金属油墨形成导电网格结构；
或者利用纳米压印技术在衬底上形成图案化的金属网格结构；
或者，先在衬底上整面涂布或溅射金属薄膜，再透过黄光蚀刻制程，洗去多余成分而产生网格；
或者，先在衬底上整面涂布金属盐，例如溴化银，再利用化学还原方式形成金属膜，再透过黄光微影制程等洗去多余成分而产生网格。
本发明还提供了所述高质量碳纳米管透明导电膜的用途，例如在电子、光电子领域的应用。
例如，在一些实施例之中提供了一种装置，其包括所述的高质量碳纳米管透明导电膜。
本发明通过将碳纳米管膜与金属网格复合，可以利用金属网格有效提高电子在金属性和半导体性碳纳米管之间的迁移速度，进而大幅改善碳纳米管导电膜的导电性；优选的，通过使用更细的金属网格(＜2μm)，还可有效消除莫瑞干涉波纹；又及，利用碳纳米管桥接也可避免因过细金属线蚀刻导致的断裂金属线而引起的良率低下等问题，从而提高金属网格制程良率；此外，碳纳米管薄膜的存在也可有效降低复合膜的雾度及反射率。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1.提供的高质量碳纳米管透明导电膜导电性能优异，表面电阻低，稳定性好，透光率高，且雾度低，反射率低，在电子、光电子领域有广泛应用前景；
2.提供的高质量碳纳米管透明导电膜制备工艺简单易实施，可控性高，成本低，良率高，利于大规模工业化生产。
附图说明
图1为本发明一典型实施方案之中一种高质量碳纳米管透明导电膜的工作原理图；
图2为本发明一典型实施方案之中一种高质量碳纳米管透明导电膜的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要涉及一种高质量碳纳米管透明导电膜，其包括透明衬底和位于透明衬底上的复合导电膜，所述复合导电膜包括导电网格以及与所述导电网格电性结合的碳纳米管层。
请参阅图1，通过将碳纳米管层与导电网格，例如金属网格复合，可利用金属网格而大幅提高电子在金属性和半导体性碳纳米管之间的迁移速度，从而大幅改善碳纳米管导电膜的导电性，以及，高质量碳纳米管膜同时也可改善金属网格制程良率，并降低其雾度。
再请参阅图2所示是本发明一典型实施案例之中的一种高质量碳纳米管透明导电膜的结构示意图，其包括透明衬底和依次形成于透明衬底上的金属网格和碳纳米管层。
当然，在另外一些实施例之中，碳纳米管层也可设置于金属网格和透明衬底之间。
在其它的一些实施例之中，所述高质量碳纳米管透明导电膜可包括交替设置的多层金属网格和碳纳米管层。
如下将结合若干实施例对本发明的技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
a)在PET衬底上用PVD法镀铜；
b)通过黄光曝光显影，酸碱蚀刻制程，制成线宽2μm，网格尺寸400μm的金属网格，厚度约100nm；
c)用CVD法在金属可挠性衬底上生长单壁碳纳米管导电膜；
d)将金属可挠性衬底上的单壁碳纳米管导电膜经卷对卷形式转移至金属网格表面制得金属网格/碳纳米管复合导电膜；
e)获得高质量碳纳米管透明导电膜(简称复合导电膜)的表面方阻为60ohm/sq，透光率为90％，雾度0.6％。
实施例2
a)PET表面涂布光刻胶；
b)UV胶表面图案压印及固化；
c)纳米银印刷制成金属网格，制成线宽4μm，网格尺寸50μm的金属网格，厚度约220nm；
d)用CVD法在金属可挠性衬底上生长单壁碳纳米管导电膜；
e)将金属可挠性衬底上生长的单壁碳纳米管导电膜通过卷对卷形式转移至金属网格表面制得金属网格/碳纳米管复合导电膜；
f)获得复合导电膜的表面方阻为20ohm/sq，透光率88％雾度0.9％。
实施例3
a)在PET衬底上用磁控溅射法镀铜；
b)通过黄光曝光显影，酸碱刻蚀制程，制成线宽1μm，网格尺寸50μm的金属网格，厚度约150nm；
c)用1mg/mL的单壁碳纳米管分散液抽滤制得单壁碳纳米管导电膜转移至金属网格表面；
d)将复合导电膜放于80℃干燥3min，制得金属网格/碳纳米管复合导电膜；
e)获得复合导电膜的表面方阻为15ohm/sq，透光率89％,雾度0.7％。
实施例4
a)PET表面涂布光刻胶；
b)UV胶表面图案压印及固化；
c)纳米银印刷制成金属网格，制成线宽3μm，网格尺寸100μm的金属网格，厚度约220nm；
d)用1mg/ml的单壁碳纳米管分散液抽滤制得单壁碳纳米管导电膜转移至金属网格表面；
e)将复合导电膜放于80℃干燥3min，制得金属网格/碳纳米管复合导电膜；
f)获得复合导电膜的表面方阻为25ohm/sq，透光率87％,雾度0.9％。
需要说明的是，本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明的实施例。另外，前述实施例1-4中的各个工序，例如镀铜、光刻等微加工工序及干燥、卷对卷转移等其它辅助工序，若非特别说明，则均可采用本领域已知的任一种合适工艺操作和工艺条件，例如可参考CN102063951A、ZL201010533228.9、CN203299798U、CN103204492A、CN103031531A、CN102602118A、CN102110489B等。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于包括透明衬底和位于透明衬底上的复合导电膜，所述复合导电膜包括导电网格以及与所述导电网格电性结合的碳纳米管层。
2.根据权利要求1所述的高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于所述导电网格的厚度为0.02～20μm，网格间线距为5～1000μm。
3.根据权利要求1或2所述的高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于：
用以形成所述导电网格的经线和/或纬线的线宽为1～5μm；
优选的，用以形成所述导电网格的经线和/或纬线的线宽＜2μm。
4.根据权利要求1或2所述的高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于所述导电网格的材料包括金属材料和/或半导体材料，所述金属材料包括金、银、铜、铝、镍、钛中的任一种或两种以上的组合，所述半导体材料包括半导体氧化物。
5.根据权利要求1所述的高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于所述碳纳米管层的厚度为2nm～2μm，所述碳纳米管包括单壁、双壁、多壁碳纳米管中的任一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的高质量碳纳米管透明导电膜，其特征在于：所述透明衬底包括PET衬底、PI衬底、PDMS衬底、PMMA衬底、PC衬底中的任一种或两种以上的组合。
7.一种高质量碳纳米管透明导电膜的制备方法，其特征在于包括：在透明衬底上层叠设置导电网格和碳纳米管层形成复合导电膜，从而获得高质量碳纳米管透明导电膜。
8.根据权利要求7所述高质量碳纳米管透明导电膜的制备方法，其特征在于包括：直接在所述衬底上制备形成碳纳米管层；和/或，将成型碳纳米管薄膜转移到所述衬底上而形成碳纳米管层。
9.根据权利要求8所述高质量碳纳米管透明导电膜的制备方法，其特征在于包括：采用化学气相沉积法在可挠性衬底上制备碳纳米管薄膜，或者，对碳纳米管分散液进行抽滤而获得碳纳米管薄膜；以及，将所述碳纳米管薄膜转移到所述衬底上而形成碳纳米管层。
10.根据权利要求7所述高质量碳纳米管透明导电膜的制备方法，其特征在于包括：至少选用印刷、溅射、蒸镀、电化学沉积中的任一种方式所述衬底上形成所述导电网格。
11.根据权利要求7所述高质量碳纳米管透明导电膜的制备方法，其特征在于包括：
以金属油墨进行印刷形成所述金属网格；
或者，在所述衬底上形成导电薄膜，再通过微加工而形成所述金属网格，所述微加工包括黄光刻蚀工艺。
12.一种装置，其特征在于包括权利要求1-6中任一项所述的高质量碳纳米管透明导电膜。
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