CN108648854A - 一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构及其制备方法。所述纳米银线导电结构包括从下到上依次层叠的非透明基材、柔性附着层和导电层，所述导电层包括纳米银线层和表面覆盖层，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层；所述方法包括对非透明基材进行清洗；将树脂溶液涂布在所述非透明基材上并干燥，形成柔性附着层；将纳米银线溶液均匀涂布在所得结构上，然后干燥；在所得结构上涂布表面覆盖层溶液然后干燥，最终制成纳米银线导电结构。通过本技术方案，可以将纳米银线应用在非透明基材的穿戴设备上，使得非透明基材具有高导电性能、机械柔性、化学性能稳定的优点，并且具有良好的市场和经济前景。

Description

一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学导电领域，尤其涉及一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构，进一步地，涉及制备该结构的方法。

背景技术

以下陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

目前，利用纳米银线制备导电结构的情况比较普遍。在相关结构中通常选用透明基材来制作导电膜，用于与LCD或OLED等显视屏搭配使用。例如我们常用的智能手机就是触摸屏+LCD(OLED)的典型例子。其中触摸屏在表面，LCD(OLED)在触摸屏下面，人体的手指直接接触触摸屏来给手机传递命令，LCD(OLED)上面的图像发生变化，光线再经过触摸屏进入人眼，这样就是整个人机交互过程。所以这里的触摸屏必须是要透明的，透过率理论上越高越好，而一般的触摸屏的透过率要在88％以上。而且由于传递的信息是色彩图像之类的，这样对于基材不同地方的透过率一致性要求也很高，更进一步，对于涂上导电层之后的导电膜的透过率要求也很高。

但是，随着越来越多智能穿戴产品的面世，人们对智能穿戴产品的期待也逐步提高，所以为了满足人们的需求，开发更多更专业更个性的智能穿戴产品就成为现在各大公司开拓市场、抢占市场份额的不二选择。其中一部分的智能穿戴产品需要在柔性衣料上面加工，而这部分产品大部分的人机交换的功能基本是通过电信号传递的。那么为了满足此细分领域，具备导电性的布料就应运而生。而目前没有将纳米银线制备导电结构结合非透明基材进行应用的技术，由于非透明基材其适用场景与透明基材不同，因此结构制备和材质选用方面都会有很大不同。而这就成为了相关技术领域需要解决的技术问题之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明所实现的技术目的是：(1)提供一种用于穿戴设备，使得非透明基材应用环境中具有高导电性能、机械柔性、化学性能稳定的优点的纳米银线导电结构；(2)提供一种制备该结构的方法。

为达到上述第一个技术目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：

一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构，包括从下到上依次层叠的非透明基材、柔性附着层和导电层，所述导电层包括纳米银线层和表面覆盖层，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层。

为制得能应用于穿戴设备的纳米银线导电结构，发明人创新性地通过层叠非透明基材、柔性附着层和导电层得到所述纳米银线导电结构。所述非透明基材可选择的范围很多，如布料、针织物或棉花等，其表面很可能是不平整的，因此可在其表面涂覆柔性附着层。

需要说明的是，所述柔性附着层具有一定的柔韧性且于涂覆面的平行方向上的自由伸缩性能有限，以提高导电性能的稳定性。所述柔性附着层与所述基材有较优秀的结合力，且与所述纳米银线层也有较优秀的结合力。所述柔性附着层可通过喷涂，刮涂，旋涂或丝印等方式涂布在所述基材上。所述纳米银线层可通过刮涂、狭缝涂布，喷涂，旋涂等方式涂布在所述柔性附着层上，相较于其他应用领域，非透明基材的导电结构制作工艺更加简单，成本更低。

需要说明的是，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层，指的是纳米银线层与所述表面覆盖层至少部分融合在一起。例如在如下所述的一些优选的实施方式中，纳米银线层的厚度大于表面覆盖层，即两者部分融合。由于纳米银线层主要包含纳米银线，因此镶嵌的方式可以是各纳米银线插入所述表面覆盖层，形成全部或至少部分的镶嵌。所述表面覆盖层可通过刮涂，喷涂，旋涂，狭缝涂布或丝印等方式涂布在所述纳米银线层上。在一种实现方式中，基于所述纳米银线层为非致密层，故所述表面覆盖层在以较低粘度溶液涂布在所述纳米银线层上时，该溶液会浸润纳米银线层的空隙，最终使得所述纳米银线层镶嵌于与所述表面覆盖层。

需要说明的是，所述表面覆盖层的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯。该材质具有无色透明、耐酸、耐碱、耐腐蚀，耐UV老化，耐热形变，且柔韧性、机械性能优良，以及与纳米银线的良好兼容性。通过该材质，可以使得所述表面覆盖层具有耐酸、耐碱及耐醇，酮，酯等有机物的化学稳定性，所述表面覆盖层的表面硬度达到2H或以上，使得所得导电结构更为稳定。而且，使用聚甲基丙烯酸甲酯，相较于其他材料，制造成本较低，能够大大降低本方案的成本。除此之外，也可以使用聚酰亚胺、改性聚酰胺、聚萘二甲酸乙二醇酯等。

优选地，所述非透明基材的表面是平整或不平整的。

更优选地，所述非透明基材是布料或针织物或纸材料。。

优选地，所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％。

如上所述，所述表面覆盖层与所述纳米银线层是相互镶嵌的。表面覆盖层的作用有两方面，一方面使保护纳米银线，防氧化，防划伤等；另一方面，将纳米银线镶嵌于其内，因为表面覆盖层与柔性附着层有很好附着力，所以这样就变相地为提升了纳米银线与柔性附着层的附着力。

而之所以表面覆盖层的厚度是纳米银线层的厚度的80％～95％。因为表面覆盖层为绝缘物，而纳米银线导电膜在使用的时候需要在其上印刷导电浆料的线路，这样的话，如果表面覆盖层的厚度比纳米银线大，则所有的纳米银线不能与后续印刷的导电线路产生电连通，这样对于产品的使用产生极大的麻烦。所以表面覆盖层的厚度小于纳米银线层的厚度。

但是另一方面表面覆盖层的厚度不能比纳米银线层的厚度小太多，因为如果小太多的话，就不能有效保护其内的纳米银线。

因此，在一些优选的实施方式中，所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％。这是因为在这些实施方式中，通常需要方阻为20～80Ω/□的导电层，而相应地，纳米银线层的厚度大概在100～400nm之间，而根据发明人的经验以及实验数据，此时表面覆盖层在80～380nm的范围内导电效果最佳，因此当所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％时，是一种更优选的实施方案。

优选地，所述纳米银线层的厚度范围是20～10000nm。

需要说明的是，相较于基于透明基材的纳米银线导电结构需要考虑到纳米银线层的透光率而需要减小纳米银线层的厚度，从而不可避免地牺牲导电性能，本方案基于非透明基材的纳米银线导电结构则不需要关心透光率，因此为了更低的实现更低方阻，更好的导电性，本发明可以通过增加导电层的厚度来实现，由此可以提高纳米银线层的厚度范围至20～10000nm；更优选地，所述纳米银线层的厚度范围为50nm～10000nm，在此厚度范围内其实现效果更好。

优选地，所述纳米银线层含有若干根纳米银线，所述纳米银线层含有若干根纳米银线，所述纳米银线的直径范围是10～100nm；所述纳米银线的长度范围是10～1000μm。

更优选地，所述纳米银线的直径范围是50～100nm；所述纳米银线的长度范围是300～1000μm。

更优选地，所述柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％。

需要说明的是，为适用于不同的非透明基材的导电应用环境，如皮革、丝光棉、衬衫、床上用品等等，需要对纳米银线的直径和长度做一定限定，为符合上述应用需要，发明人将纳米银线的直径范围设置在10～100nm；所述纳米银线的长度范围设置在10～1000μm，可满足上述应用要求。

需要说明的是，目前市面上的纳米银线的直径大部分集中18～50nm左右，长度集中在20～300um左右。对于基于非透明基材的纳米银线导电结构，如纳米银线导电布料来说，由于布料的网格结构，即使已经涂上柔性附着层，布料面的表面平整度也不会很好，这时就需要的纳米银线的直径比较长，这样在形成导电层的时候导电能力更加优秀且稳定，而且在使用布料的时候，由于应力而产生的形变对于导电层的影响也不会很大，故对于导电布料来说纳米银线越长，越有优势。因此本方案优选限定了纳米银线的直径范围是10～100nm；所述纳米银线的长度范围是10～1000μm。在更优选的方案中，所述纳米银线的直径范围是50～100nm；所述纳米银线的长度范围是300～1000μm。在此范围内，上述实施效果会更好。

而在更进一步的范围中，由于为了避免柔性附着层过渡渗透布料而影响与皮肤接触的舒适度，因此需要对在上述范围内对柔性附着层的厚度做进一步的限定。发明人发现，当柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％时，即当纳米银线的直径范围是10～100nm，所述柔性附着层的厚度范围是5～50μm时，能够达到上述技术目的，从而在保证导电性能的情况下，进一步确保结构对于人体的舒适度，而这个与基于透明基材纳米银线导电结构是有很大区别的。

为达到上述第二个技术目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：

一种制备如上所述纳米银线导电结构的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：选取非透明基材，并对所述非透明基材进行清洗；

S2：将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上，然后进行干燥，形成柔性附着层；

S3：将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构上，然后对所得结构进行干燥；

S4：在S3所得结构上涂布表面覆盖层溶液，然后进行干燥，最终制成纳米银线导电结构。

优选地，对所述非透明基材进行清洗的方式是plasma清洗。

需要说明的是，Plasma清洗不仅能清洁基材表面的污垢，而且能提高基材的表面润湿能力，使得后续的涂层的涂布效果更佳

优选地，在S2中，将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上的方式，或在S3中，将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构的方式是喷涂或刮涂或旋涂或丝印。

需要说明的是，在上述制备过程中，由于针对的是不透明的基材，其使用场合就是只要不要求透明的地方都可以使用，只要导电性能满足要求。例如，线路板，导电布等，因此本方案除了可以应用在穿戴设备以外，还可以应用在这些领域。而这些领域的这些产品，只需要满足导电效果，而不需要关心光学效果。相应地，在制备的过程中，一方面在制作成导电层的时候工艺能够简化，而且还能提高良率，因为透明基材还需要特别注意非导电面划伤，压痕之类的外观缺陷，而对于非透明膜来说，这些都是没有影响的。另一方面，对于非透明基材在选择柔性附着层的时候，也可以选择非透明的物质，物料的可选择范围更大。最终的结果就是成本更容易控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的纳米银线导电结构，通过层叠非透明基材、柔性附着层和导电层得到，能用于能应用于穿戴设备等领域，工艺新颖，经济前景广阔；

2、本发明的纳米银线导电结构，所述纳米银线层里的纳米银线相互交错，形成网络结构；纳米银线之间已通过交接的结点来形成电通路，从而形成导电平面；而随着纳米银线层厚度的增加，导电平面的电通路节点也会增多，从而提高导电性能。

3、本发明的纳米银线导电结构，当柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％时，在保证导电性能的情况下，能够进一步确保结构对于人体的舒适度；

4、本发明的纳米银线导电结构的制备方法，相较于其他应用领域，非透明基材的导电结构制作工艺更加简单，成本更低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的纳米银线导电结构的一种优选实施方式的结构示意图；

其中，各附图标记为：1、布料；2、柔性附着层；3、导电层；31、纳米银线层；32、表面覆盖层。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

实施例1

本发明提供了一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构，如图1所示，其包括从下到上依次层叠的作为非透明基材的布料1、柔性附着层2和导电层3，所述导电层包括纳米银线层31和表面覆盖层32，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层。

以上是本发明的基础实施方式。通过本技术方案，可以制得能应用于穿戴设备的纳米银线导电结构。

在本实施例中，所示非透明基材选用了布料，在其他优选的实施方式中，所述非透明基材还可以是针织物或棉花等。

在本实施例中，所述非透明基材的表面是不平整的，在其他实施方式中，实施非透明基材也可以平整的，因此可在其表面涂覆柔性附着层。柔性附着层具有一定的柔韧性且于涂覆面的平行方向上的自由伸缩性能有限，以提高导电性能的稳定性。所述柔性附着层与所述基材有较优秀的结合力，且与所述纳米银线层也有较优秀的结合力。所述柔性附着层可通过喷涂，刮涂，旋涂或丝印等方式涂布在所述基材上。所述纳米银线层可通过刮涂、狭缝涂布，喷涂，旋涂等方式涂布在所述柔性附着层上，相较于其他应用领域，非透明基材的导电结构制作工艺更加简单，成本更低。

在本实施例中，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层，指的是纳米银线层与所述表面覆盖层至少部分融合在一起。更具体地，在如下所述的一些优选的实施方式中，纳米银线层的厚度大于表面覆盖层，即两者部分融合。由于纳米银线层主要包含纳米银线，因此镶嵌的方式可以是各纳米银线插入所述表面覆盖层，形成全部或至少部分的镶嵌。所述表面覆盖层可通过刮涂，喷涂，旋涂，狭缝涂布或丝印等方式涂布在所述纳米银线层上。在更具体的实现方式中，基于所述纳米银线层为非致密层，故所述表面覆盖层在以较低粘度溶液涂布在所述纳米银线层上时，该溶液会浸润纳米银线层的空隙，最终使得所述纳米银线层镶嵌于与所述表面覆盖层。

作为更具体的实施方式，所述表面覆盖层的材质可以是聚甲基丙烯酸甲酯。该材质具有无色透明、耐酸、耐碱、耐腐蚀，耐UV老化，耐热形变，且柔韧性、机械性能优良，以及与纳米银线的良好兼容性。通过该材质，可以使得所述表面覆盖层具有耐酸、耐碱及耐醇，酮，酯等有机物的化学稳定性，所述表面覆盖层的表面硬度达到2H或以上，使得所得导电结构更为稳定。而且，使用聚甲基丙烯酸甲酯，相较于其他材料，制造成本较低，能够大大降低本方案的成本。除此之外，也可以使用聚酰亚胺、改性聚酰胺、聚萘二甲酸乙二醇酯等。

作为更进一步优选的实施方式，所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％。所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％。而之所以表面覆盖层的厚度是纳米银线层的厚度的80％～95％。因为表面覆盖层为绝缘物，而纳米银线导电膜在使用的时候需要在其上印刷导电浆料的线路，这样的话，如果表面覆盖层的厚度比纳米银线大，则所有的纳米银线不能与后续印刷的导电线路产生电连通，这样对于产品的使用产生极大的麻烦。所以表面覆盖层的厚度小于纳米银线层的厚度。但是另一方面表面覆盖层的厚度不能比纳米银线层的厚度小太多，因为如果小太多的话，就不能有效保护其内的纳米银线。

例如，在一些具体的实验中可以对上述范围予以佐证：当导电膜的方阻为80Ω/□时，此时的纳米银线层的厚度为100nm，通过经验可知，表面覆盖层的厚度为80～90nm为最佳，则厚度为80％～90％。而当导电膜的方阻为10Ω/□时，此时的纳米银线层的厚度为1um左右，通过经验可知，此时的表面覆盖层的厚度为900nm～950nm为最佳，则厚度为90％～95％。因此，当表面覆盖层的厚度是纳米银线层的厚度的80％～95％时，即能够实现表面覆盖层对纳米银线的保护，又能够达到最佳的导电效果。

实施例2

本实施例是结合上述实施例1中的基础实施方式之上的一些实施方式的举例，以下实施方式可以结合基础实施方式单独实施，也可以与其他实施方式结合实施。

在一些实施方式中，所述纳米银线层的厚度范围是20～10000nm。相较于基于透明基材的纳米银线导电结构需要考虑到纳米银线层的透光率而需要减小纳米银线层的厚度，从而不可避免地牺牲导电性能，本方案基于非透明基材的纳米银线导电结构则不需要关心透光率，因此为了更低的实现更低方阻，更好的导电性，本发明可以通过增加导电层的厚度来实现，由此可以提高纳米银线层的厚度范围至20～10000nm；在一些更进一步的实施方式当中，所述纳米银线层的厚度范围为50nm～10000nm，在此厚度范围内其实现效果更好。

在一些实施方式中，所述纳米银线层含有若干根纳米银线，所述纳米银线层含有若干根纳米银线，所述纳米银线的直径范围是10～100nm；所述纳米银线的长度范围是10～1000μm。为适用于不同的非透明基材的导电应用环境，如皮革、丝光棉、衬衫、床上用品等等，需要对纳米银线的直径和长度做一定限定，为符合上述应用需要，发明人将纳米银线的直径范围设置在10～100nm；所述纳米银线的长度范围设置在10～1000μm，可满足上述应用要求。

在一些更进一步的实施方式当中，所述纳米银线的直径范围是50～100nm；所述纳米银线的长度范围是300～1000μm。目前市面上的纳米银线的直径大部分集中18～50nm左右，长度集中在20～300um左右。对于基于非透明基材的纳米银线导电结构，如纳米银线导电布料来说，由于布料的网格结构，即使已经涂上柔性附着层，布料面的表面平整度也不会很好，这时就需要的纳米银线的直径比较长，这样在形成导电层的时候导电能力更加优秀且稳定，而且在使用布料的时候，由于应力而产生的形变对于导电层的影响也不会很大，故对于导电布料来说纳米银线越长，越有优势。因此本方案优选限定了纳米银线的直径范围是10～100nm；所述纳米银线的长度范围是10～1000μm。在更优选的方案中，所述纳米银线的直径范围是50～100nm；所述纳米银线的长度范围是300～1000μm。在此范围内，上述实施效果会更好。

在一些更进一步的实施方式当中，所述柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％。由于为了避免柔性附着层过渡渗透布料而影响与皮肤接触的舒适度，因此需要对在上述范围内对柔性附着层的厚度做进一步的限定。发明人发现，当柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％时，即当纳米银线的直径范围是10～100nm，所述柔性附着层的厚度范围是5～50μm时，能够达到上述技术目的，从而在保证导电性能的情况下，进一步确保结构对于人体的舒适度，而这个与基于透明基材纳米银线导电结构是有很大区别的。

实施例3

本实施例提供了一种制备如上所述纳米银线导电结构的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：选取非透明基材，并对所述非透明基材进行清洗；

S2：将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上，然后进行干燥，形成柔性附着层；

S3：将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构上，然后对所得结构进行干燥；

S4：在S3所得结构上涂布表面覆盖层溶液，然后进行干燥，最终制成纳米银线导电结构。

在一些优选实施例中，对所述非透明基材进行清洗的方式是plasma清洗。Plasma清洗不仅能清洁基材表面的污垢，而且能提高基材的表面润湿能力，使得后续的涂层的涂布效果更佳。除此之外，在其他的一些优选实施方式当中，清洗方式还可以是红外清洗，O₃清洗等。

在一些优选实施例中，在S2中，将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上的方式，或在S3中，将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构的方式是喷涂或刮涂或旋涂或丝印。在上述制备过程中，由于针对的是不透明的基材，其使用场合就是只要不要求透明的地方都可以使用，只要导电性能满足要求。例如，线路板，导电布等，因此本方案除了可以应用在穿戴设备以外，还可以应用在这些领域。而这些领域的这些产品，只需要满足导电效果，而不需要关心光学效果。相应地，在制备的过程中，一方面在制作成导电层的时候工艺能够简化，而且还能提高良率，因为透明基材还需要特别注意非导电面划伤，压痕之类的外观缺陷，而对于非透明膜来说，这些都是没有影响的。另一方面，对于非透明基材在选择柔性附着层的时候，也可以选择非透明的物质，物料的可选择范围更大。最终的结果就是成本更容易控制。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于穿戴设备的纳米银线导电结构，其特征在于，包括从下到上依次层叠的非透明基材、柔性附着层和导电层，所述导电层包括纳米银线层和表面覆盖层，所述纳米银线层镶嵌于所述表面覆盖层。

2.如权利要求1所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述非透明基材的表面是平整或不平整的。

3.如权利要求2所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述非透明基材是布料或针织物或纸材料。

4.如权利要求1所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述表面覆盖层的厚度是所述纳米银线层的厚度的80％～95％。

5.如权利要求1所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述纳米银线层的厚度范围是20～10000nm。

6.如权利要求1所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述纳米银线层含有若干根纳米银线，所述纳米银线的直径范围是10～100nm；所述纳米银线的长度范围是10～1000μm。

7.如权利要求6所述的纳米银线导电结构，其特征在于，所述柔性附着层的厚度是所述纳米银线的直径的5％～20％。

8.一种制备如权利要求1-7任一项所述纳米银线导电结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：选取非透明基材，并对所述非透明基材进行清洗；

S2：将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上，然后进行干燥，形成柔性附着层；

S3：将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构上，然后对所得结构进行干燥；

S4：在S3所得结构上涂布表面覆盖层溶液，然后进行干燥，最终制成纳米银线导电结构。

9.如权利要求8所述的制备纳米银线导电结构的方法，其特征在于，对所述非透明基材进行清洗的方式是plasma清洗。

10.如权利要求8所述的制备纳米银线导电结构的方法，其特征在于，在S2中，将预先准备的树脂溶液涂布在所述非透明基材上的方式，或在S3中，将纳米银线溶液均匀涂布在S2所得结构的方式是喷涂或刮涂或旋涂或丝印。