CN109406586A - 碳纳米管传感器的制作方法及其用途 - Google Patents

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易新荣
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    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Abstract

本发明提供了一种碳纳米管传感器的制作方法及其用途，涉及触摸屏用碳纳米管传感器的制造领域，该碳纳米管传感器的制作方法，包括用等离子体刻蚀技术对设置于基材表面的碳纳米管层进行刻蚀，之后得到碳纳米管传感器，利用该制备方法缓解了碳纳米管传感器生产效率低和成本高的技术问题的技术问题，达到了提高生产效率和降低生产成本的技术效果。

Description

碳纳米管传感器的制作方法及其用途
技术领域
本发明涉及触摸屏用碳纳米管传感器的制造领域，尤其是涉及一种碳纳米管传感器的制作方法及其用途。
背景技术
随着现代多媒体信息技术的不断向前发展，以及娱乐、查询设备的不断增加，触摸屏的应用越来越广泛。而电容式触摸屏只需要触摸，而不需要压力就可以产生信号、在生产后只需要一次或者完全不需要屏幕校准、在光损失和系统功耗上较低、电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低等诸多优点。而碳纳米管作为新型材料中的一种，它在制作触摸屏方面同样具有无可替代的优势。对未来的碳纳米管与现有的ITO导电材料进行比较，碳纳米管具有优异的电学性能、高强度和柔韧性、稳定的化学性质以及对可见光和近红外光没有明显特征吸收等特性，还具有成本低、环境友好、资源丰富的优点，这些优势都将表明碳纳米管也终将成为替代传统ITO导电材料中的一种新型材料。
目前现有的碳纳米管电容式触摸屏包括基板、光学胶层和碳纳米管层，其中，光学胶层设置在基板与碳纳米管层之间，基板由PC材料制成，在碳纳米管层下表面上还设置有线路层，在线路层四周设置有电极层，电极层由碳纳米管材料喷涂而成，该电极层用以将该线路层引出，工作时，在该碳纳米管层内形成一个低电压交流电场，当用户手指触摸该碳纳米管电容式触摸屏表面时，手指与该碳纳米管层间会形成一个耦合电容，此刻会有一定量的电荷转移到人体，为了恢复电荷损失，电荷从该碳纳米管电容式触摸屏的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，由此能够推算出触摸点的位置。
上述碳纳米管层与线路层共同构成碳纳米管传感器，该碳纳米管传感器的传统制作方法是利用高能激光在碳纳米管层上刻出线路，该方法在制备复杂图案时时间较长、效率低，而且影响线路平整度、易烧坏基材和爆点，光刻中还会造成粉末，后期需清洗覆膜，造成人工、材料及设备成本高等问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种碳纳米管传感器的制作方法，以缓解碳纳米管传感器生产效率低和成本高的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种上述碳纳米管传感器的制作方法在制备双面布线结构的碳纳米管传感器中的用途。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种碳纳米管传感器的制作方法，包括用等离子体刻蚀技术对设置于基材表面的碳纳米管层进行刻蚀，之后得到碳纳米管传感器。
进一步的，先对基材进行老化处理，再进行等离子体刻蚀的过程。
进一步的，老化处理时的工艺条件为：温度120-140℃，时间20-40min；优选为温度122-138℃，时间22-38min；进一步优选为温度125-135℃，时间25-35min。
进一步的，根据预设图形对碳纳米管层进行覆膜和显影后再进行刻蚀，之后进行脱膜处理，得到碳纳米管传感器。
进一步的，覆膜时的温度为：110-130℃，贴合速度2-3m/min；优选为112-128℃，贴合速度2.2-2.8m/min；进一步优选为115-125℃，贴合速度2.4-2.6m/min。
进一步的，所述显影过程中采用的显影剂为碱性药液，显影剂的pH值为8-12。
进一步的，所述刻蚀的工艺条件：等离子体的射频为12-15MHz，射频功率＞1kW，气体流量0-200ml/min，刻蚀时间8-15min。
进一步的，所述脱膜过程中采用的脱膜剂为碱性药液，脱模剂的pH值为10-13，脱膜时的温度为45-70℃；
优选为：pH值为11-13，脱膜时的温度为47-68℃；
进一步优选为：pH值为12-13，脱膜时的温度为50-65℃。
进一步的，所述基材包括PET基材或环烯烃聚合物薄膜基材。
一种上述碳纳米管传感器的制作方法在制备双面布线结构的碳纳米管传感器中的用途。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中的碳纳米管传感器采用等离子体刻蚀技术在真空环境下对碳纳米管层进行刻蚀，相对于传统的激光光刻技术而言，等离子体刻蚀可同时对碳纳米管层进行大面积刻蚀，从而能够提高生产效率，并且该刻蚀方法在刻蚀过程中无粉末产生，无需清洗，进而降低了生产成本。同时，利用等离子体刻蚀技术刻蚀出的线路更平整，对基板无任何影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的碳纳米管传感器的原材叠构示意图；
图2为图1所示结构覆膜的叠构示意图；
图3为图2所示结构曝光、显影后的叠构示意图；
图4为图3所示结构刻蚀后的叠构示意图；
图5为图4所示结构脱膜后得到的碳纳米管传感器的叠构示意图。
图标：10-基材；20-碳纳米管层；30-PE保护膜；40-PET保护膜；50-干膜光阻。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种碳纳米管传感器的制作方法，包括用等离子体刻蚀技术对设置于基材表面的碳纳米管层进行刻蚀，之后得到碳纳米管传感器。
本发明中的碳纳米管传感器采用等离子体刻蚀技术在真空环境下对碳纳米管层进行刻蚀，相对于传统的激光光刻技术而言，等离子体刻蚀可同时对碳纳米管层进行大面积刻蚀，从而能够提高生产效率，并且该刻蚀方法在刻蚀过程中无粉末产生，无需清洗，进而降低了生产成本。同时，利用等离子体刻蚀技术刻蚀出的线路更平整，对基板无任何影响。
作为本发明优选的实施方式，先对基材进行老化处理，再进行等离子体刻蚀的过程。
对基材进行老化处理，再进行等离子体刻蚀，可防止刻蚀后进行后续高温烘烤工序时使基材发生热胀冷缩，导致刻蚀后得到的碳纳米管传感器出现线路断路的现象。另外，老化处理还可以将碳纳米管中的水分去除，防止短路。
作为本发明优选的实施方式，老化处理时的工艺条件为：温度120-140℃，时间20-40min；优选为温度122-138℃，时间22-38min；进一步优选为温度125-135℃，时间25-35min。
在上述优选的实施方式中，缩水老化处理时典型但非限制性的温度例如为120℃、125℃、130℃、135℃或140℃。
在上述优选的实施方式中，缩水老化处理时典型但非限制性的时间例如为20min、25min、30min、35min或40min。
作为本发明优选的实施方式，根据预设图形对碳纳米管层进行覆膜和显影后再进行刻蚀，之后进行脱膜处理，得到碳纳米管传感器。
作为本发明优选的实施方式，覆膜时的温度为：110-130℃，贴合速度2-3m/min。覆膜面为碳纳米管层的导电面。覆膜过程中所用光阻材料为干膜光阻，可以为正型干膜光阻材料，也可以为负型干膜光阻材料。
在上述优选的实施方式中，覆膜时典型但非限制性的温度例如为110℃、115℃、120℃、125℃或130℃。
在上述优选的实施方式中，覆膜时典型但非限制性的贴合时间例如为2m/min、2.5m/min或3m/min。
作为本发明优选的实施方式，所述显影过程中采用的显影剂为碱性药液，显影剂的pH值为8-12。将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光后再利用显影剂显影得到预设的图案，其中，显影剂优选为弱碱性药液，以防止显影剂对碳纳米管结构造成破坏。例如显影剂可以为Na2CO3RD-01(主要由Na2CO3、界面活性剂和消泡剂等组成)、DC-X01(主要由Na2CO3、界面活性剂、渗透剂和助剂等组成)。
作为本发明优选的实施方式，所述刻蚀的工艺条件：等离子体的射频为12-15MHz，射频功率＞1kW，气体流量0-200ml/min，刻蚀时间8-15min。将显影后载有碳纳米管层的原材放入等离子体蚀刻机对碳纳米管层进行刻蚀。
作为本发明优选的实施方式，所述脱膜过程中采用的脱膜剂为碱性药液，脱模剂的pH值为10-13，脱膜时的温度为45-70℃；优选为：pH值为11-13，脱膜时的温度为47-68℃；进一步优选为：pH值为12，脱膜时的温度为50-65℃。脱膜剂优选选用强碱性药液，利用强碱性药液进行脱膜处理，可以防止脱膜剂腐蚀碳纳米管。脱膜剂例如可以为SPR-300(主要由丁基二乙二醇Butyl Diethylene Glycol和水组成，其中Butyl Diethylene Glycol即BDG含量为67-73％)。
作为本发明优选的实施方式，所述基材包括PET基材或环烯烃聚合物薄膜(Cyclo-olefin polymer，简称COP)基材。
本发明的另一个方面提供了一种上述碳纳米管传感器的制作方法在制备双面布线结构的碳纳米管传感器中的用途，利用上述制备方法可以在同一基材上制备出双面布线的碳纳米管传感器。
下面将结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，如图1所示，本实施例使用的原材包括基材10、设置于基材10一面的碳纳米管层20、设置于碳纳米管层20表面的PE保护膜30和设置于基材10另一面的PET保护膜40，参照图2-图5，本实施例的制作方法包括以下步骤：
步骤a)：原材处理：将碳纳米管层20表面的PE保护膜30撕掉，然后将原材放入高温炉老化，温度设为130℃，时间为30min；
步骤b)：覆膜：将老化后的原材放入覆干膜机内进行覆膜操作，温度设为110℃，时速为2.2m/min，覆膜中所用的干膜光阻为正型干膜光阻，覆膜面为碳纳米管层的导电面，如图2所示；
步骤c)：显影：将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光，再用弱碱性药液的显影剂显影得到预设的图案，显影剂采用Na2CO3RD-01，其pH值为8，如图3所示；
步骤d)：蚀刻：将显影后的材料放入等离子蚀刻机，把没有被干膜光阻保护的碳纳米管蚀刻掉，刻蚀过程中等离子体的射频为12MHz，射频功率为1.2kW，气体流量50ml/min，蚀刻时间为10min，如图4所示；
步骤e)：脱膜：将等离子蚀刻后的材料放入脱膜剂中以去除干膜光阻，药液温度为50℃，之后得到碳纳米管传感器，结构如图5所示。
实施例2
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，本实施例中使用的原材与实施例1相同，制作方法包括以下步骤：
步骤a)：原材处理：将原材中的碳纳米管层表面的PE保护膜撕掉，放入高温炉老化，温度设为120℃，时间为40min；
步骤b)：覆膜：将老化后的原材放入覆干膜机内进行覆膜操作，温度设为120℃，时速为2.5m/min，覆膜中所用的干膜光阻为正型干膜光阻，覆膜面为碳纳米管层的导电面，如图2所示；
步骤c)：显影：将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光，再用弱碱性药液的显影剂显影得到预设的图案，显影剂采用DC-X01，其pH值为9，如图3所示；
步骤d)：蚀刻：将显影后的材料放入等离子蚀刻机，把没有被干膜光阻保护的碳纳米管蚀刻掉，刻蚀过程中等离子体的射频为13MHz，射频功率2kW，气体流量80ml/min，刻蚀时间12min，如图4所示；
步骤e)：脱膜：将等离子蚀刻后的材料放入脱膜剂中以去除干膜光阻，药液温度为68℃，之后得到碳纳米管传感器，结构如图5所示。
实施例3
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，本实施例中使用的原材与实施例1相同，制作方法包括以下步骤：
步骤a)：原材处理：将原材中的碳纳米管层表面的PE保护膜撕掉，放入高温炉老化，温度设为140℃，时间为20min；
步骤b)：覆膜：将老化后的原材放入覆干膜机内进行覆膜操作，温度设为130℃，时速为3m/min，覆膜中所用的干膜光阻为正型干膜光阻，覆膜面为碳纳米管层的导电面，如图2所示；
步骤c)：显影：将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光，再用弱碱性药液的显影剂显影得到预设的图案，显影剂采用DC-X01，其pH值为10，如图3所示；
步骤d)：蚀刻：将显影后的材料放入等离子蚀刻机，把没有被干膜光阻保护的碳纳米管蚀刻掉，刻蚀过程中等离子体的射频为14MHz，射频功率2.5kW，气体流量100ml/min，刻蚀时间15min，如图4所示；
步骤e)：脱膜：将等离子蚀刻后的材料放入脱膜剂中以去除干膜光阻，药液温度为68℃，之后得到碳纳米管传感器，结构如图5所示。
实施例4
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，本实施例中使用的原材与实施例1相同，制作方法包括以下步骤：
步骤a)：原材处理：将原材中的碳纳米管层表面的PE保护膜撕掉，放入高温炉老化，温度设为122℃，时间为28min；
步骤b)：覆膜：将老化后的原材放入覆干膜机内进行覆膜操作，温度设为115℃，时速为2.4m/min，覆膜中所用的干膜光阻为正型干膜光阻，覆膜面为碳纳米管层的导电面，如图2所示；
步骤c)：显影：将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光，再用弱碱性药液的显影剂显影得到预设的图案，显影剂采用Na2CO3RD-01，其pH值为11，如图3所示；
步骤d)：蚀刻：将显影后的材料放入等离子蚀刻机，把没有被干膜光阻保护的碳纳米管蚀刻掉，刻蚀过程中等离子体的射频为15MHz，射频功率1.5kW，气体流量150ml/min，刻蚀时间8min，如图4所示；
步骤e)：脱膜：将等离子蚀刻后的材料放入脱膜剂中以去除干膜光阻，药液温度为52℃，之后得到碳纳米管传感器，结构如图5所示。
实施例5
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，本实施例中使用的原材与实施例1相同，制作方法包括以下步骤：
步骤a)：原材处理：将原材中的碳纳米管层表面的PE保护膜撕掉，放入高温炉老化，温度设为135℃，时间为35min；
步骤b)：覆膜：将老化后的原材放入覆干膜机内进行覆膜操作，温度设为125℃，时速为3m/min，覆膜中所用的干膜光阻为正型干膜光阻，覆膜面为碳纳米管层的导电面，如图2所示；
步骤c)：显影：将覆膜后的碳纳米管层利用黄光曝光，再用弱碱性药液的显影剂显影得到预设的图案，显影剂采用Na2CO3RD-01pH值为12，如图3所示；
步骤d)：蚀刻：将显影后的材料放入等离子蚀刻机，把没有被干膜光阻保护的碳纳米管蚀刻掉，刻蚀过程中等离子体的射频为12MHz，射频功率3kW，气体流量200ml/min，刻蚀时间9min，如图4所示；
步骤e)：脱膜：将等离子蚀刻后的材料放入脱膜剂中以去除干膜光阻，药液温度为55℃，之后得到碳纳米管传感器，结构如图5所示。
对比例1
本实施例是一种碳纳米管传感器的制作方法，本实施例中使用的原材与实施例1相同，制作方法采用传统的激光刻蚀工艺制备碳纳米管传感器。
利用实施例1-5和对比例1提供的制备方法各制备100件碳纳米管传感器产品，记录加工时间，并观察产品外观，结果列于表1。
表1 观察记录结果
由表1可以看出，利用实施例1-5提供的制备方法可以显著提高产品的加工时间，与对比例1相比，加工100件产品由原来的13小时缩短至0.17小时，效率提高了76.5倍，而且加工后不需要清洗处理，进一步提高生产效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，包括用等离子体刻蚀技术对设置于基材表面的碳纳米管层进行刻蚀，之后得到碳纳米管传感器。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，先对基材进行老化处理，再进行等离子体刻蚀的过程。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，老化处理时的工艺条件为：温度120-140℃，时间20-40min；优选为温度122-138℃，时间22-38min；进一步优选为温度125-135℃，时间25-35min。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，根据预设图形对碳纳米管层进行覆膜和显影后再进行刻蚀，之后进行脱膜处理，得到碳纳米管传感器。
5.根据权利要求4所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，覆膜时的温度为：110-130℃，贴合速度2-3m/min；优选为112-128℃，贴合速度2.2-2.8m/min；进一步优选为115-125℃，贴合速度2.4-2.6m/min。
6.根据权利要求4所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，所述显影过程中采用的显影剂为碱性药液，显影剂的pH值为8-12。
7.根据权利要求4所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，所述刻蚀的工艺条件：等离子体的射频为12-15MHz，射频功率＞1kW，气体流量0-200ml/min，刻蚀时间8-15min。
8.根据权利要求4所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，所述脱膜过程中采用的脱膜剂为碱性药液，脱模剂的pH值为10-13，脱膜时的温度为45-70℃；
优选为：pH值为11-13，脱膜时的温度为47-68℃；
进一步优选为：pH值为12-13，脱膜时的温度为50-65℃。
9.根据权利要求1-8任一项所述的碳纳米管传感器的制作方法，其特征在于，所述基材包括PET基材或环烯烃聚合物薄膜基材。
10.一种权利要求1-9任一项所述的碳纳米管传感器的制作方法在制备双面布线结构的碳纳米管传感器中的用途。
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