CN110246607B - 一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于柔性电子薄膜技术领域，尤其涉及一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用。本发明首先通过卷对卷热压印工艺在柔性薄膜基材上制备矩形结构，再用纳米压印工艺在矩形结构顶部表面加工亚波长纳米结构层并使矩形结构变形成倒梯形，最后在倒置的棱台之间的间隙填充导电材料即可获得高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜。本发明采用卷对卷热压印方法制备矩形结构效率高、精度高、大面积一致性好；倒置的棱台可有效限制导电材料层的运动，弯折时仍可保持较高的结合强度；而亚波长纳米结构层可降低反射增加透射，改善透明导电薄膜的透光率，同时具有超疏水自清洁性能，便于导电材料填入倒梯形结构的间隙。

Description

一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于柔性电子薄膜技术领域，尤其涉及一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
本发明背景技术公开的信息仅仅旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着电子设备的发展，柔性电子设备越来越受到大家的重视。柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。
目前已报道的柔性透明导电薄膜存在难以批量化制备、透光率和结合强度差等问题。专利文献CN 108962433 A公开了一种金属有序网格的柔性透明导电薄膜的制备方法，包括静电纺丝溶液的制备、有机物纤维骨架薄膜的制备、磁控溅射金属纳米薄膜的制备、并使用旋涂仪将聚酰亚胺(PI)溶液旋涂在金属纳米薄膜表面，并通过梯度温度固化，最终原位转移后得到金属有序网格的柔性透明导电薄膜。专利文献CN 109065214 A公开了一种导电均匀银纳米线高附着力的柔性透明导电薄膜的制备方法，提出了采用涂覆-转移法制备柔性透明导电薄膜。然而，本发明人认为：采用涂覆法不仅难以制备大面积样品，而且银纳米线的均匀性也难以控制。
而柔性透明导电薄膜是柔性电子产品的核心组成部分，起到导通电路的作用，在实际使用过程中，需要其保持较高的透光率、较低的方阻，此外还需要与柔性基底保持较高的结合强度，以便多次弯曲折叠也不会引起导电材料层脱落。因此，本发明认为有必要探索在满足较低方阻的情况下，兼具高透光率、高结合强度的柔性透明导电薄膜。
发明内容
针对上述的现有技术中存在的问题，本发明旨在于提供一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用。本发明的方法不仅可大面积批量化制备透明导电薄膜，而且制备的透明导电薄膜同时具有高透光率、高结合强度。
本发明第一目的，提供一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜。
本发明第二目的，提供所述高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的制备方法。
本发明第三目的，提供所述高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，所述薄膜包括：柔性薄膜基材层、倒置的棱台、亚波长纳米结构层和导电材料层，其中，所述倒置的棱台设置在柔性薄膜基材层的表面上，所述亚波长纳米结构层设置在倒置的棱台的上表面上，所述导电材料层填充在倒置的棱台之间的空隙中。
作为进一步的技术方案，所述倒置的棱台的上表面包括：矩形、平行四边形、菱形、六边形或圆形中的任意一种或几种。
作为进一步的技术方案，所述亚波长纳米结构以阵列排列的方式分布在倒置的棱台的上表面上。
作为进一步的技术方案，所述亚波长纳米结构的形状包括：圆柱形、锥形、圆台形、棱柱形或棱台形中的任意一种或几种。
作为进一步的技术方案，所述的倒置的棱台为正四棱台，其顶面(上表面) 的边长为5μm-1000μm，底面边长为0.5μm-950μm，高度为0.5μm-700μm，正四棱台之间的间距为1μm-1000μm，且设置时顶面边长大于底面边长。
作为进一步的技术方案，所述亚波长纳米结构的底部特征尺寸为 1nm-400nm，高度为1nm-2000nm，间距为1nm-600nm。
作为进一步的技术方案，所述导电材料层的材质包括：纳米银颗粒、纳米金颗粒、纳米铜颗粒、纳米银线、纳米金线、纳米铜线、石墨烯、碳纳米管、导电高分子中的一种或多种的组合。
作为进一步的技术方案，所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质包括：聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)等中的任意一种。
其次，本发明公开所述高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)基于卷对卷热压印工艺，采用模具辊和压力辊配合，在柔性薄膜基材上热压印出棱台结构，压印完成后，将带有棱台结构的结构从柔性薄膜基材从模具中剥离；
(2)采用纳米压印工艺在所述棱台结构的上表面制备亚波长纳米结构层，在压力作用下棱台变形成倒置的棱台；
(3)然后在倒置的棱台之间的间隙中填充导电材料，即可获得高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜。
作为进一步的技术方案，所述卷对卷热压印工艺中，柔性薄膜基材的进给速度为0.1-30m/min，压力辊挤压力为5-80kgf。
最后，本发明公开所述高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜在电子设备中的应用；以及所述高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的制备方法在制备柔性电子材料中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明采用卷对卷热压印方法制备矩形结构，该方法效率高、精度高、大面积一致性好，能够有效克服现有的方法无法大面积批量化制备透明导电薄膜的问题。
(2)本发明提出的柔性透明薄膜的特点是：分布在柔性薄膜基材层表面的多个倒置的棱台之间的形成的空间具有梯形结构(上面的开口口径相对于底面较小)特点，这种结构能够有效锁紧导电材料，限制导电材料层的运动，使柔性透明薄膜在弯折时与导电材料层之间仍然保持优异的结合强度；而倒置的棱台顶面上的亚波长纳米结构层可以有效降低反射增加透射，改善透明导电薄膜的透光率，同时具有超疏水自清洁性能，便于导电材料填入倒梯形结构的间隙。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的剖视图。
图2为本发明实施例1中高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的俯视图。
图3为本发明实施例2中制备高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的工艺流程图。
附图中标记分别代表：110-柔性薄膜基材层；120-倒置的棱台；130-亚波长纳米结构层；140-导电材料层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，柔性透明导电薄膜在实际使用过程中，需要其保持较高的透光率、较低的方阻，此外还需要与柔性基底保持较高的结合强度，以便多次弯曲折叠也不会引起导电材料层脱落。因此，本发明提出一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜及其制备方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，所述薄膜包括：柔性薄膜基材层110、倒置的棱台(以正四棱台为例)120、亚波长纳米结构层130和导电材料层140，其中，所述倒置的棱台120设置在柔性薄膜基材层110的表面上，所述亚波长纳米结构层130位于倒置的棱台120的上表面上，所述导电材料层140填充在倒置的棱台120之间的空隙中。
实施例2
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为100μm、底面边长为60μm、高度为50μm、倒置的棱台120之间的间距10μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为圆柱形，其直径为100nm、高度为 400nm，且亚波长纳米结构之间的间距为5nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台 120的顶面上；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚碳酸酯；所述导电材料层的材质为纳米银颗粒。
实施例3
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面为平行四边形，其边长为500μm；底面边长为100 μm、高度为200μm、倒置的棱台120之间的间距50μm，且倒置的棱台120 呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为圆台形，其底面直径为200nm，顶面直径为300nm、高度为1000nm，且亚波长纳米结构之间的间距为20nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚丙烯；所述导电材料层的材质为纳米金颗粒。
实施例4
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120为圆台形，其顶面直径为700μm、底面直径为200μm、高度为400μm、倒置的棱台120之间的间距300μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为棱台形，其底部边长为500nm、高度为1000nm，且亚波长纳米结构之间的间距为50nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚对苯二甲酸乙二酯；所述导电材料层的材质为纳米银线。
实施例5
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为100μm、底面边长为60μm、高度为50μm、倒置的棱台120之间的间距10μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为圆柱形，其直径为300nm、高度为 300nm，且亚波长纳米结构之间的间距为20nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台 120的顶面；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚丙烯；所述导电材料层的材质为纳米铜线。
实施例6
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120为正六边形，其顶面边长为50μm、底面边长为20μm、高度为100μm、倒置的棱台120之间的间距700μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为三棱锥形，其底面边长为50nm、高度为500nm，且亚波长纳米结构之间的间距为30nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚氯乙烯；所述导电材料层的材质为碳纳米管。
实施例7
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为100μm、底面边长为80μm、高度为50μm、倒置的棱台120之间的间距10μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为圆台形，其顶面直径为200nm、底面直径为100nm、高度为1200nm，且亚波长纳米结构之间的间距为50nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚乙烯醇；所述导电材料层的材质为纳米铜颗粒。
实施例8
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为100μm、底面边长为60μm、高度为50μm、倒置的棱台120之间的间距10μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为棱柱形，其边长为100nm、高度为 500nm，且亚波长纳米结构之间的间距为20nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台 120的顶面上；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚甲基丙烯酸甲酯；所述导电材料层的材质为纳米金线。
实施例9
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为1000μm、底面边长为950μm、高度为700 μm、倒置的棱台120之间的间距1000μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为棱柱形，其边长为200nm、高度为2000nm，且亚波长纳米结构之间的间距为600nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面上；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚丙烯；所述导电材料层的材质为石墨烯。
实施例10
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例1，区别在于：所述倒置的棱台120的顶面边长为5μm、底面边长为0.5μm、高度为0.5μm、倒置的棱台120之间的间距1μm，且倒置的棱台120呈矩形阵列排布；所述亚波长纳米结构层130中亚波长纳米结构为棱柱形，其边长为1nm、高度为1nm，且亚波长纳米结构之间的间距为1nm，呈矩形阵列排布在倒置的棱台120的顶面上；所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质为聚碳酸酯；所述导电材料层的材质为石墨烯和碳纳米管按质量比为1：1的混合物。
实施例11
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例2，区别在于：未设置亚波长纳米结构层。
实施例12
一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，同实施例2，区别在于：所述倒置的棱台的顶面和底面的边长均为100μm，即倒置的棱台实际上变成了正四棱柱，这种正四棱柱之间的间隙不再具有限制导电材料层的运动的作用。
实施例13
实施例9所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)基于卷对卷热压印工艺，采用模具辊和压力辊配合，在柔性薄膜基材上热压印出棱台结构，热压印时柔性薄膜基材的进给速度为30m/min，压力辊挤压力为80kgf压印完成后，将带有棱台结构的结构从柔性薄膜基材从模具中剥离；
(2)采用纳米压印工艺在所述棱台结构的上表面制备亚波长纳米结构层，在压力作用下棱台变形成倒置的棱台；
(3)然后在倒置的棱台之间的间隙中填充导电材料，即可获得高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜。
对实施例2-12制备的柔性透明导电薄膜的透光率和导电材料与基材结合强度进行测试，结果如表1所示。
表1
实施例序号 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
透光率/％ 90 88 85 87 92 91 86 85 84 76 92
结合强度 非常强 非常强 非常强 非常强 非常强 强 非常强 非常强 强 非常强 弱
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述薄膜包括：柔性薄膜基材层、倒置的棱台、亚波长纳米结构层和导电材料层，其中：
所述倒置的棱台设置在柔性薄膜基材层的表面上；
所述亚波长纳米结构层设置在倒置的棱台的上表面上；
所述导电材料层填充在倒置的棱台之间的空隙中；
所述柔性薄膜基材层、倒置的棱台和亚波长纳米结构层为同种材料。
2.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述倒置的棱台的上表面包括：矩形、平行四边形、菱形、六边形或圆形中的任意一种或几种。
3.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述亚波长纳米结构以阵列排列的方式分布在倒置的棱台的上表面上。
4.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述亚波长纳米结构的形状包括：圆柱形、锥形、圆台形、棱柱形或棱台形中的任意一种或几种。
5.如权利要求2所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述的倒置的棱台为正四棱台，其顶面的边长为5μm-1000μm，底面边长为0.5μm-950μm，高度为0.5μm-700μm，正四棱台之间的间距为1μm-1000μm，且设置时顶面边长大于底面边长。
6.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述亚波长纳米结构的底部特征尺寸为1nm-400nm，高度为1nm-2000nm，间距为1nm-600nm。
7.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述导电材料层的材质包括：纳米银颗粒、纳米金颗粒、纳米铜颗粒、纳米银线、纳米金线、纳米铜线、石墨烯、碳纳米管、导电高分子中的一种或多种的组合。
8.如权利要求1所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜，其特征在于，所述柔性薄膜基材层和倒置的棱台的材质包括：聚碳酸酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇中的任意一种。
9.如权利要求1-8任一项所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)基于卷对卷热压印工艺，采用模具辊和压力辊配合，在柔性薄膜基材上热压印出棱台结构，压印完成后，将带有棱台结构的结构从柔性薄膜基材从模具中剥离；
(2)采用纳米压印工艺在所述棱台结构的上表面制备亚波长纳米结构层，在压力作用下棱台变形成倒置的棱台；
(3)然后在倒置的棱台之间的间隙中填充导电材料，即可获得高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述卷对卷热压印工艺中，柔性薄膜基材的进给速度为0.1-30m/min。
11.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述压力辊挤压力为5-80kgf。
12.如权利要求1-8任一项所述的高透光率高结合强度的柔性透明导电薄膜在电子设备中的应用和/或如权利要求9-11任一项所述的制备方法在制备柔性电子材料中的应用。
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