CN109920604A - 一种可拉伸式导电薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可拉伸式导电薄膜的制造方法，包括以下几个步骤：步骤1、将多条金属纳米线交错地分散至一基板上；步骤2、涂布金属反应溶液于所述基板上；以及步骤3、进行还原反应，在所述些金属纳米线的交叠处形成多个纳米金属，以连接所述些金属纳米线形成纳米线网络。本发明在制备过程中仅需使用少量的金属纳米线，再经过纳米金属的修饰，即可得到具有优异导电性的导电薄膜，所述使用软性基板可制备更具可拉伸性的导电薄膜。

Description

一种可拉伸式导电薄膜的制备方法

技术领域

本发明关于一种导电薄膜的制备方法，尤指一种可拉伸式导电薄膜的制备方 法。

背景技术

近年来，由于电子产品多元化的需求以及应用，电子元件的逐渐由可挠式 朝向可拉伸式发展，可拉伸式的电子元件可承受弯曲、伸展、扭转等外力所导 致的型变，且同时保持良好的导电性能，以确保电子产品的可靠度以及使用寿 命。

此外，可穿戴式电子产品，如光电、或显示面板等电子产品，由于将电子 产品配戴于人体上，其产品需具有一定的可拉伸率，以方便配戴，且不易造成 配戴者的不适。

目前使用于制备可拉伸式导电薄膜的材料众多，如波浪状金属导电薄膜、 包覆金属的网状塑胶薄膜、石墨烯层与纳米碳管的复合材料、以及金属纳米线 等。而目前使用金属纳米线制备可拉伸式导电薄膜最具有发展潜力。

然而，使用金属纳米线所制备的导电薄膜经拉伸时，其导电度容易由于金 属纳米线的崩解，使得电阻上升而导致导电度的下降，而为了维持一定的导电 度，则需使用大量的金属纳米线，从而则提高了生产成本。

据此，目前急需一种新颖的可拉伸式导电薄膜的制备方法，以稳固导电薄 膜中金属纳米线的结构，使其不易因拉伸而造成电阻上升，且可维持相当高的 导电度，以提高产品的可靠度以及使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可拉伸式导电薄膜的制备方法，能 够制备结构稳固且导电性良好的可拉伸式导电薄膜。

本发明提供的一种可拉伸式导电薄膜的制备方法，包括以下几个步骤：步 骤1、将多条金属纳米线交错地分散至一基板上；步骤2、涂布金属反应溶液于 所述基板上；以及步骤3、进行还原反应，在所述些金属纳米线的交叠处形成多 个纳米金属，以连接所述些金属纳米线形成纳米线网络。

进一步优选的，所述步骤1包括：1A将所述些金属纳米线悬浮于溶剂中以 制备金属纳米线悬浮溶液；1B将所述些金属纳米线悬浮溶液涂布至所述基板上； 以及1C、移除所述溶剂。

进一步优选的，所述金属纳米线的长度为5～25μm；以及截面直径为 40～80nm。

进一步优选的，所述步骤2中，所述金属反应溶液包括至少一金属离子及 一还原溶液。

进一步优选的，所述金属纳米线是纳米金线、纳米银线、或其混合物。

进一步优选的，所述纳米金属是由金、银或其合金所组成。

进一步优选的，所述步骤3中，所述还原反应是于30～200℃的温度范围下 进行。

进一步优选的，所述步骤3中，所述还原反应进行1～30分钟。

进一步优选的，所述步骤3中，所述纳米金属形成于所述些金属纳米线的 表面上。

进一步优选的，还包括步骤4：提供软性薄膜于所述基板上且覆盖并贴合所 述纳米线网络，并自所述基板剥离所述软性薄膜，使得所述纳米线网络翻模转 印至所述软性薄膜的上。

有益效果：本发明提供的可拉伸式导电薄膜的制备方法只需要很少的金属 纳米线就可制备具有良好导电性的导电薄膜，可大幅降低制备成本，通过化学 还原方法，纳米金属可在甚至为30℃的低温下，即形成于金属纳米线的交叠处， 有效提高导电薄膜的稳固性，而纳米金属经拉伸时所产生的裂缝，则由金属纳 米线作电性连接的桥梁，金属纳米线以及纳米金属间的相互作用，使得导电薄 膜的伸长量可高达约160％时，亦保持约100欧姆/sq以下的片电阻值。

附图说明

图1a～图1e是可拉伸式导电薄膜的制备方法过程示意图；

图2a-图2d是将纳米金属还原至金属纳米线的过程示意图；

图3是实施例1的纳米网格示意图；

图4是实施例2的纳米网格示意图；

图5是实施例3的纳米网格示意图。

具体实施方式

具体而言，本发明所提供的可拉伸式导电薄膜的制备方法如下所述：请参 照图1a～图1e，首先将金属纳米线11交错地分散至基板12上，如图1b所示， 将反应溶液13涂布于基板12上，并覆盖并贴合金属纳米线11，升温至30～200℃ 使反应溶液13进行还原反应，并将纳米金属还原至金属纳米线11的交叠处。 其中，反应溶液13进行还原反应将纳米金属14还原至金属纳米线11的过程如 图2a～2c所示，图2a是金属纳米线11交错地分散至基板12的示意图，当涂布 反应溶液以覆盖并贴合所述些金属纳米线11并进行还原反应时，还原而得的纳 米金属14优先形成于金属纳米线11之间交错或相邻的交叠处A，举例而言，交 叠处A可如图2b所示，可为金属纳米线11彼此相邻或接触的两线状部，如(a) 所示；彼此相邻或接触的两端部，如(b)所示；或彼此相邻或接触的端部及线状 部，如(c)所示。还原反应后，可得到由金属纳米线11以及形成于金属纳米线 11交叠处A的纳米金属14所完成的纳米线网络15，其如图2c所示。或者，可 延长还原反应的时间，使得更多纳米金属14还原于金属纳米线11的表面上， 甚至覆盖金属纳米线11的表面，如此可额外形成于所述些金属纳米线的表面上 以部分包覆所述金属纳米线11，进而增加金属纳米线11的截面积以达到降低电 阻值的效果，如图2d所示。图1c是在基板12上形成的纳米线网络示意图，请 参照图1d，提供软性薄膜16于基板12上并覆盖且贴合纳米线网络15。接着， 剥离软性薄膜16，使得纳米线网络15经翻膜转印至软性薄膜16上，以形成如 图1e所示的可拉伸式导电基板100。

本发明中，翻模转印是指当软性薄膜设置于所述基板上且覆盖并贴合所述纳 米线网络后，接着将所述软性薄膜自所述基板上剥离时，将所述纳米线网络转 印至所述软性薄膜上，以形成具有所述纳米线网络设置于所述软性薄膜上的可 拉伸式导电薄膜。

实施例1

首先，将直径为60nm，长为10μm的纳米银线分散于异丙醇中，以制备 1mg/mL的纳米银线悬浮液。接着，制备金属反应溶液，将3.15g的二乙醇胺加 入1.85mL的纯水中，以制备第一溶液；再将0.017g～1.7g的硝酸银溶解于5mL 的纯水中，以制备第二溶液，将第一溶液与第二溶液以容积1：1混合以完成金 属反应溶液。

将80μL的纳米银线悬浮液滴上3公分×1公分的玻璃基板上，并利用旋转 涂布机以700rpm的转速涂布30秒，使用热板加热至80℃以进行热处理5分钟 以形成纳米银线薄膜。将200μL的金属反应溶液滴至上述所完成的纳米银线薄 膜上，并使用热板加热至100℃并维持10分钟，热处理后，使用纯水润洗完成 的纳米线网络以移除未反应的金属反应溶液，本实施例所完成的纳米线网络如 图3所示。

最后，涂布聚氨酯于所述纳米线网络上，并于室温下干燥10小时，将干燥 的薄膜从玻璃板上翻模转印纳米线网络剥离以完成拉伸式导电薄膜。

实施例2

本实施例的制备步骤以及使用的材料大致与实施例1相同，故在实施例1 中的任何叙述可合至此处的相同应用部分，且不再重复相同叙述。其中，除了 将金属反应溶液滴至所完成的纳米银线薄膜上时，使用热板加热至100℃并维持 5分钟的热处理程序外，其余步骤皆与实施例1相同。而本实施例所完成的纳米 线网络如图4所示。

实施例3

本实施例的制备步骤以及使用的材料大致与实施例1相同，故在实施例1中 的任何叙述可合至此处的相同应用部分，且不再重复相同叙述。其中，除了将 金属反应溶液滴至所完成的纳米银线薄膜上时，使用热板加热至100℃并维持 10分钟的热处理程序外，其余步骤皆与实施例1相同。而本实施例所完成的纳 米线网络如图5所示。

实施例4

本实施例的制备步骤以及使用的材料大致与实施例1相同，故在实施例1中 的任何叙述可合至此处的相同应用部分，且不再重复相同叙述。其中，除了将 金属反应溶液滴至所完成的纳米银线薄膜上时，使用热板加热至100℃并维持 20分钟的热处理程序外，其余步骤皆与实施例1相同。

实施例5

本实施例的制备步骤以及使用的材料大致与实施例1相同，故在实施例1中 的任何叙述可合至此处的相同应用部分，且不再重复相同叙述。其中，与实施 例不同的处在于所制备的纳米银线悬浮液的浓度为10mg/mL，以及将金属反应溶 液滴至所完成的纳米银线薄膜上时，使用热板加热至100℃并维持10分钟的热 处理程序。其余步骤皆与实施例1相同。

实施例6

本实施例的制备步骤以及使用的材料大致与实施例1相同，故在实施例1 中的任何叙述可合至此处的相同应用部分，且不再重复相同叙述。其中，与实 施例1不同的处在于使用胶带(3M)直接黏贴于完成的纳米线网络上， 接着所述胶带剥离并转印纳米线网络于所述胶带上，以完成拉伸式导电薄膜。

根据本发明的实施例，所述基板并无特别的限制，只要为可乘载金属纳米线 的硬性基板即可，如玻璃、陶瓷、硬性塑胶、硅晶圆等皆可使用。所述金属纳 米线的长度可为5～25μm，较佳可为5～15μm；所述金属纳米线的截面直径可为 40～80nm，较佳可为50～70nm。此外，所述金属纳米线可为纳米金线、纳米银线、 或纳米金线与纳米银线的混合物，而其中以纳米银线为较佳。金属纳米线悬浮 液的制备可将金属纳米线悬浮于溶剂中，所述溶剂可选自由甲醇、乙醇、异丙 醇、丙酮、水所组成的群组，然而本发明并不受限于此。

所述金属反应溶液可包括至少金属离子以及还原剂。其中，所述金属离子 可由金、或银的盐类所解离的金离子、或银离子或其混合物等，举例而言，可 由氯金酸(HAuCl4)提供所需的金离子；以及可由硝酸银(AgNO3)、银氨溶液 (Ag(NH3)2OH)提供所需的银离子。然而所述金属离子以银离子为较佳。此外， 所述还原剂可具备强还原力，以提供电子使上述的金属离子还原成金属原子， 其中，所述还原剂可为二乙醇胺、甲醛、乙醛、乙二醛、硼氢化钠、或本领域 的其他还原剂。所述金属反应溶液可包括错合剂、促进剂、安定剂、或缓冲剂 等的金属无电镀液。举例而言，所述金属反应溶液可为银镜反应溶液。

所述还原反应可进行1～60分钟，其中，较佳进行1～30分钟，更佳进行5～20 分钟。此外，所述还原反应可视还原剂种类，进行加热以进行还原反应，举例 而言，其加热的温度可于30～200℃的范围内。此外，形成于所述些金属纳米线 表面的所述些纳米金属形成于所述些金属纳米线的交叠处，具体而言，金属纳 米线以及另一金属纳米线之间可由纳米金属彼此连接，且其中，所述金属纳米 线以及另一金属纳米线可彼此接触或不接触，并由所述纳米金属作为连接材料 以稳固所述些金属纳米线的结构，从而形成纳米线网络。举例而言，所述交叠 处可为所述些金属纳米线间彼此相邻或接触的两端部；彼此相邻或接触的一端 部及一线状部；或彼此相邻或接触的两线状部。所述些纳米金属可由延长还原 反应时间而形成于所述些金属纳米线的表面上以部分包覆所述金属纳米线，使 得经所述纳米金属被覆的所述金属纳米线显露0～99％的表面积，而较佳显露 0～70％的表面积。

此外，本发明中，所述些纳米金属较佳可为多个金属纳米颗粒，或可为被 覆于所述些金属纳米线表面上的纳米金属层，且所述纳米金属选自由金、银、 及其合金所组成的群组，其中又以银为较佳。

再者，所述制备方法可更包括提供软性薄膜于所述基板上，且覆盖并贴合所 述纳米线网络，并自所述基板剥离所述软性薄膜，使得所述纳米线网络翻模转 印至所述软性薄膜上，以形成软性导电薄膜的步骤。其中，所述软性薄膜的种 类并不特别受限，为本领域中具有可拉伸特性的高分子材料皆可使用，然而， 较佳的软性薄膜材料可选自由聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二 甲酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、以及聚二甲 基硅氧烷(PDMS)、其共聚物、及其混合物所组成的群组，此外，所述软性薄膜 可更包括粘着层，以增加所述软性薄膜以及所述纳米线网络间的贴附性质。

设置所述软性薄膜于所述基板的方法可由涂布包括软性高分子材料的溶液于所述基板上，接着干燥以形成软性薄膜，而其中涂布的方法并无特别的限制，可 使用如喷涂法、辊涂法、旋转涂布法、狭缝涂布法、压缩涂布法、帘式涂布法、 模涂法、线棒涂布法、及刮刀涂布法，形成一层连续且覆盖住所述基板的高分 子溶液薄膜。所述软性薄膜可更包括粘着层以作为胶带，所述胶带可直接贴附 于所述基板上并覆盖且贴合所述纳米线网络，且可由所述粘着层将所述纳米线 网络转印于所述软性薄膜上。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以 申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、将多条金属纳米线交错地分散至一基板上；步骤2、涂布金属反应溶液于所述基板上；以及步骤3、进行还原反应，在所述些金属纳米线的交叠处形成多个纳米金属，以连接所述些金属纳米线形成纳米线网络。

2.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：1A、将所述些金属纳米线悬浮于溶剂中以制备金属纳米线悬浮溶液；1B、将所述些金属纳米线悬浮溶液涂布至所述基板上；以及1C、移除所述溶剂。

3.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属纳米线的长度为5～25μm；以及截面直径为40～80nm。

4.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述金属反应溶液包括至少一金属离子及一还原溶液。

5.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属纳米线是纳米金线、纳米银线、或其混合物。

6.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述纳米金属是由金、银或其合金所组成。

7.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述还原反应是于30～200℃的温度范围下进行。

8.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述还原反应进行1～30分钟。

9.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述纳米金属形成于所述些金属纳米线的表面上。

10.如权利要求1所述的可拉伸式导电薄膜的制备方法，其特征在于，还包括步骤4：提供软性薄膜于所述基板上且覆盖并贴合所述纳米线网络，并自所述基板剥离所述软性薄膜，使得所述纳米线网络翻模转印至所述软性薄膜的上。