CN110774791A - 一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，包括如下步骤：1)制版，根据导线图案制作图案凹版，并将图案凹版贴附在凹版移印设备的凹版滚筒上；2)对位，将待印刷的工件与凹版移印设备的移印滚筒对齐，使导线图案能够准确印刷到待印刷的工件准确位置；3)印刷，利用凹版移印设备将纳米银线墨水印刷在待印刷的工件上形成纳米银线导线图案；4)热处理，利用烘箱与强光照射加热，完成对表面的纳米银线的熔焊，本发明省去蚀刻制程，不需要对多余纳米银线蚀刻去除，流程简单有效，成品率高；避免了纳米银线材料的大量浪费，材料使用量低；生产效率高，大幅降低生产成本。

Description

一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法

技术领域

本发明属于纳米银线导电膜的制作领域，更具体的说涉及一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法。

背景技术

随着电子器件向轻便化，小型化和柔性化不断发展，性能优越的传统透明导电材料锡氧化铟(ITO)越来越无法满足应用的需求。由于传统ITO透明导电膜缺乏延展性及阻抗过高,不适用于可折叠触摸屏及中大型触摸屏方面，而且铟单价高昂产出地又少。

随着5G通信与人工智能的发展，智能汽车内部采用显示屏以及触摸屏的地方越来越多，而且大多围绕在驾驶座周遭，采取曲面设计，以符合人体工学。由于玻璃弯折加工温度大于600℃，上面的元器件材料都受不了这个温度。玻璃必须事先弯折好，再进行其他功能性元器件的工艺制作。

在这些方面的应用,纳米金属线透明导电膜的延展性高、阻抗低，是最适合的。一般来说，金属纳米线的长度越长、直径越小，其透光度越高、电阻越小。纳米银线和纳米铜线都很有机会取代ITO，成为最佳透明导电膜材料。

纳米银线导电膜目前普遍采用：先用化学法生长出直径25-300纳米，长度为10-300um的纳米银线，再制作出纳米银线墨水。纳米线通常被称为一维材料，涂布成膜则可形成网状编织的二维结构。

在纳米银线导电膜实际应用中，单纯地制作出纳米银线导电膜是不能直接使用的，需要在纳米银线导电膜上刻画把多余部分去掉，只留下导线图案才能与相应的元件安装。

目前的做法是先将纳米银线墨水全面涂布在基板上，再利用激光干刻工艺，刻画制成具有导线图案的透明导电薄膜。但这种方法的生产效率低、成本高、精度差，导致目前纳米银线导电膜还没有广泛地使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种省去蚀刻制程，不需要对多余纳米银线蚀刻去除，流程简单有效，成品率高；避免了纳米银线材料的大量浪费，材料使用量低；生产效率高，大幅降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，包括如下步骤：

1)制版，根据导线图案制作图案凹版，并将图案凹版贴附在凹版移印设备的凹版滚筒上；

2)对位，将待印刷的工件与凹版移印设备的移印滚筒对齐，使导线图案能够准确印刷到待印刷的工件准确位置；

3)印刷，利用凹版移印设备将纳米银线墨水印刷在待印刷的工件上形成纳米银线导线图案；

4)热处理，先用100度烘箱，对印刷完的工件进行热固化1分钟；然后采用强光照射加热对纳米银线透导线图案表面加热2分钟以内，完成对表面的纳米银线的熔焊。

进一步的印刷多层纳米银线导线图案时，采用多台凹版移印设备，对所有凹版移印设备进行协同校准，然后每一台凹版移印设备按顺序重复步骤1)-4)。

进一步的在步骤1)中，通过黄光蚀刻制程工艺在平整的铜片上制作图案凹版，并在图案凹版表面镀铬。

进一步的步骤2)中为粗对位，在待印刷图案的精准度大于100um时，采用靠边对位对工件定位。

进一步的步骤2)中为精对位，在待印刷图案的精准度小于100um时，利用CCD摄像头与软件模拟行程对位法对工件定位。

进一步的精对位包括如下步骤，

2.1)初印，将校正样片采用靠边对位固定在移动平台上，而后由起点出发进行第一次印刷；

2.2)校准，移动平台回到起点位置，凹版移印设备的移印滚筒复位，CCD摄像头核对印刷定位标记与校正样片上的定位标记的位置差，根据位置差运用模拟算法重新定义移动平台的起点位置，通过X、Y、U轴校准移动平台；

2.3)重复校准，移动平台由步骤2.2)中重新定义的起点位置作为起点进行第二次印刷，通过CCD摄像头核对印刷定位标记与校正样片上的定位标记的位置差，若存在位置差则重复步骤2.2)直至无位置差，若无位置差，则校准完成，且此时移动平台所在的起点位置定义为零点位置；

2.4)CCD摄像头确位，将CCD摄像头移动至零点位置并使CCD摄像头虚拟定位标记、印刷定位标记和校正样片定位标记重合。

进一步的所述CCD摄像头设有两个；印刷定位标记和校正样片定位标记的数量分别有两个；印刷定位标记、校正样片定位标记、CCD摄像头一一对应，且分散对角分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：省去蚀刻制程，不需要对多余纳米银线蚀刻去除，流程简单有效，成品率高；避免了纳米银线材料的大量浪费，材料使用量低；生产效率高，因此大幅降低生产成本；

CCD+软件模拟行程对位法，可以将对位精度缩小到5um左右，图案的精准度5um左右，不只可以印刷纳米银线透明导电膜，还可以印刷绝缘层，可以直接以纯印刷方式印刷高精度多层薄膜图案，用低成本制作高精度触摸屏；

可以印刷在曲面玻璃上；

可以印刷在可折叠超薄玻璃上；

可以印刷在柔性基板上(PI,CPI,PC,PET,PMMA…)。

附图说明

图1为本发明中所采用的凹版移印设备的内部结构示意图；

图2为本发明中所采用的凹版移印设备的外部结构示意图；

图3为本发明中所采用的印刷装置的主视图；

图4为本发明中所采用的印刷装置的侧视图；

图5为本发明中所采用的印刷装置的俯视图；

图6为本发明中所采用的治具的俯视图。

附图标记：1、凹版移印设备；11、油墨仓；12、油墨滚筒；13、凹版滚筒；14、刮刀；15、清洁滚筒；16、移印滚筒；168、凸块；17、框架；18、定位气缸；2、治具；21、靠边挡板；22、推料气缸；3、移动平台；31、XY对位滑台；32、DD马达；51、底板；52、移动轨道；53、CCD摄像头；55、放料区域；56、卸料区域；4、卸料机器人；6、工件；61、十字标记。

具体实施方式

参照图1至图6对本发明的实施例做进一步说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实施例中所采用的凹版移印设备1如图1和图2所示，其包括框架17，框架17内具有依次接触的油墨滚筒12、凹版滚筒13、移印滚筒16和清洁滚筒15，在凹版滚筒13侧面设置有刮刀14，油墨滚筒12一部分浸没于油墨仓11内，在移印滚筒16下方具有可移动的治具2，待印刷工件6设置于治具2上，凹版移印设备1的具体结构还可参照专利号为201920381009.X；201920705690.9和201920705687.7的记载。

在本实施例中移印滚筒16的转轴一端设置有一凸块168，在凸块168的正上方设置一个定位气缸18，定位气缸18向下伸展，移印滚筒16转动使凸块168被定位气缸18的伸缩杆挡住，停止转动，此时移印滚筒16为初始位置。

如图6所示，本实施例中的治具2包括至少两个靠边挡板21，靠边挡板21之间的夹角根据工件6的边缘形状决定即可，通常采用为90°相互垂直，在靠边挡板21相对方向设置有推料气缸22，推料气缸22端部设置有推板，工件6放在治具2上，并通过推料气缸22使工件6的各个边接触靠边挡板21和推板，完成工件6的固定。

如图3-5所示，在本实施例中所采用的印刷装置包括底板51，底板51上设置有移动轨道52，移动轨道52上设置有移动平台3，移动平台3通常采用直线伺服电机在移动轨道52上移动，治具2固定于移动平台3上，移动轨道52的一端为放料区域55，另一端为卸料区域56，在放料区域55处设置有CCD摄像头53，凹版移印设备1位于放料区域55和卸料区域56之间处，凹版移印设备1可沿移动轨道52进行升降，以改变其与移动轨道52之间的距离，以调整适应不同厚度，此处可通过在凹版移印设备1与底板51之间设置液压缸来实现，在开始批量印刷时高度是固定不动的，所以这里凹版移印设备1在Z轴方向也可以是固定不动的，通过移动平台3的高度调整也是非常方便的，其中放料区域55也是移动平台3的起点位置。

本实施例中所采用的移动平台3如图3和图4所示，其具有XY对位滑台31，使得移动平台3上的治具2可沿X轴和Y轴进行移动调整，同时在XY对位滑台31上方或下方还具有U轴，其通过DD马达32旋转使得移动平台3上的治具2可以沿圆周进行转动调整。

一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，包括如下步骤：

1)制版，根据导线图案制作图案凹版，并将图案凹版贴附在凹版移印设备1的凹版滚筒13上；

2)对位，将待印刷的工件6与凹版移印设备1的移印滚筒16对齐，使导线图案能够准确印刷到待印刷的工件6准确位置；

3)印刷，利用凹版移印设备1将纳米银线墨水印刷在待印刷的工件6上形成纳米银线导线图案；

4)热处理，先用100度烘箱，对印刷完的工件6进行热固化1分钟；然后采用强光照射加热对纳米银线导线图案表面加热2分钟以内，完成对表面的纳米银线的熔焊。

本实施例以待印刷的工件6为曲面玻璃为例。

具体如下：首先根据待印刷导线图案的样式在平整的铜片上以曝光、显影、蚀刻等黄光蚀刻制程工艺形成高精密度的图案凹版，然后在表面镀铬作为保护层，贴附在凹版滚筒13上，完成制版工序。

此处需要说明的是在曲面玻璃上具有十字标记61或是其他一些符号(方形、圆形、或是特有的图案)来做为对位的基准，那么在制版过程中，同样在图案凹版上做相同的定位标记或符号，本实施例中以十字标记61为例。

2.1)初印：选择一待印刷曲面玻璃作为校正样片固定在治具2上，使移印滚筒16转动至初始位置，同时移动平台3载着治具2到达起点位置，而后启动整个设备，移动平台3沿着移动轨道52前进，同时凹版移印设备1的各个滚筒转动，且移动平台3的移动速度与移印滚筒16外表面的线速度相同，在墨水槽中油墨滚筒12将纳米银线墨水带起，均匀涂布在凹版滚筒13上，刮刀14将多余墨水刮回油墨仓11中，使墨水只在图案凹版中填满；凹版滚筒13再将墨水图案转移到移印滚筒16上，移印滚筒16的表面有一层硅胶外套筒，具有一定的变形量，可以将图案移印到下方的曲面玻璃上，清洁滚筒15可以将移印滚筒16上的残留墨水清除；

2.2)校准：印刷完成后凹版移印设备1升起，移动平台3回到起点位置，通过在上方的CCD摄像头53核对印刷的十字标记61(由移印滚筒16印刷在校正样片上的标记)与校正样片上的十字标记61的位置差，根据位置差运用模拟算法重新定义移动平台3的起点位置，通过X、Y、U轴校准移动平台3，完成第一次校准；

2.3)重复校准：而后移动平台3由步骤2.2)中重新定义的起点位置作为起点进行第二次印刷，印刷完成后再次通过CCD摄像头53核对印刷的十字标记61与校正样片上的十字标记61的位置差，若存在位置差则重复上述校准步骤直至无位置差，若无位置差，则校准完成，且此时移动平台3所在的起点位置定义为零点位置；

2.4)CCD摄像头53确位，将CCD摄像头53移动至零点位置并使CCD摄像头53虚拟定位标记、印刷的十字标记61和校正样片的十字标记61重合，其中CCD摄像头53可安装于机械手或其他现有技术的三轴移动装置上。

一般为了对位的精确度，我们至少设置2个CCD摄像头53，印刷的十字标记61和校正样片的十字标记61的数量分别与CCD摄像头53数量相同；印刷的十字标记61、校正样片的十字标记61、CCD摄像头53一一对应，且分散分布。一般我们都是设置2个CCD摄像头53，印刷的十字标记61设置在曲面玻璃的斜对角边缘位置。

通过上述步骤完成待印刷曲面玻璃与凹版移印设备1的对位过程，利用曲面玻璃及移印滚筒16印刷上的十字标记61或是其他一些符号(方形、圆形、或是特有的图案)来做为对位的基准，利用数学坐标转换公式计算出基板与移印滚筒16的相对偏差位置，再利用X、Y、U三轴马达来补偿相对应的偏差量，来达到高精度印刷，利用CCD摄像头53来做对位基准，可以使原来的印刷精度从100微米左右提高到5微米以内。

印刷：对位完成后即可开始正式的印刷，将待印刷的曲面玻璃固定在治具2上，此时CCD摄像头53所在位置为标准的零点位置，CCD摄像头53保持不动，通过X、Y、U三轴马达来补偿偏差量，使曲面玻璃上的标记与CCD摄像头53虚拟定位标记重合，重合后整个移动平台3即启动向卸料区域56移动，同时凹版移印设备1启动，移印滚筒16将纳米银线墨水印刷在曲面玻璃相对应的表面，此时印刷的位置即为需要的准确位置，而后将此曲面玻璃取下，移动平台3和移印滚筒16均复位即可重复此印刷步骤。

若印刷精度要求较低，则可直接采用纯机构对位，即直接将曲面玻璃固定在治具2上即可，无需对治具2进行微调。

将印刷完成的曲面玻璃取下采用强光照射加热对纳米银线透明导电膜导线图案加热，完成对纳米银线的熔焊。并除去了表层的粘结剂、包覆剂等不导电成分，赋予纳米银线透明导电膜优异的电性能和透明度。同时，在热处理过程中纳米银线之间能够融合在一起，进一步提升其导电性能和机械性能。

采用大功率强光照射加热技术实现膜层中纳米银线网格搭接处局部熔化而焊合，使用该技术可避免整体加热处理对柔性基材形成的破坏。

强光照射加热(有的地方也称作“辐照技术熔焊”)的原理是通过引发纳米银线表面离子共振以及在结点处产生高强度电场使结点熔融。结点处产生的热效应大大高于膜层的其他部分，可适用于不耐温的柔性基材。光源可选择普通光源或激光，普通光源有设备要求低、操作简单的优点，一般需要1-2分钟。激光则热效率更高且易控制输入功率，总体而言，强光照射的加热效率比传统的整体加热要高很多。使用大功率激光光源时，只要几秒甚至几十微秒就可以完成纳米熔焊。

在本实施例中纳米银线墨水的配方如下：以聚乙烯吡咯烷酮包裹纳米银线(纳米银线长度25μm、直径32nm)、异丙醇为溶剂，并添加微量硅酮表面能改性调节剂(BYK333)、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMAC)粘结剂，制备成导电纳米银线墨水；其中，表面能调节剂和粘结剂的加入是制备高质量、高分辨率图案化纳米银线透明导电膜的关键。

另外一种：(2016112455401一种纳米银线透明导电膜的生产工艺)纳米银线涂布液配置方法：将直径为10～100nm、长度≤200μm的纳米银线溶解在固体含量为0.5～10wt％、平均粒径为10～100nm的溶胶中，使得每1Kg纳米银线涂布液中含有银1～10g；纳米银线涂布液中固体含量为0.5～11wt％，粘度为1～25cps，纳米银线涂层涂布量为10～50mL/m2。

纳米银线表面有机物解离温度160-200℃，对于导电浆料可以不必完全分解纳米银线表面有机物，将他们充分解离就可。纳米银线表面迁移，重结晶可以在150-200℃左右发生，实现融合。

在纳米银线导线图案进行热处理之后，如果需要还可以通过凹版印刷的方式在其表面印刷上绝缘线路层。比如在制作触摸屏时，需要印刷多层纳米银线导线图案，并在中间印刷上绝缘线路层。

如需印刷多层纳米银线导线图案，在进行第一层印刷之前对每一台凹版移印设备1进行协同校准，然后每一台凹版移印设备1按顺序重复上述1-4步骤。每次印刷的凹版移印设备1均不是同一套，一套凹版移印设备1只能安装一个图案凹版，通过拆换图案凹版来实现多层印刷是不高效的，所有设备需要重新校准，极大影响精准度。

本实施例优选的在放料区域55和卸料区域56分别设置有放料机器人和卸料机器人4，以实现自动的放料和卸料，基本实现自动化提高生产效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制版，根据导线图案制作图案凹版，并将图案凹版贴附在凹版移印设备的凹版滚筒上；

2)对位，将待印刷的工件与凹版移印设备的移印滚筒对齐，使导线图案能够准确印刷到待印刷的工件准确位置；

3)印刷，利用凹版移印设备将纳米银线墨水印刷在待印刷的工件上形成纳米银线导线图案；

4)热处理，先用100度烘箱，对印刷完的工件进行热固化1分钟；

然后采用强光照射加热对纳米银线导线图案表面加热2分钟以内，完成对表面的纳米银线的熔焊。

2.根据权利要求1所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：印刷多层纳米银线导线图案时，采用多台凹版移印设备，对所有凹版移印设备进行协同校准，然后每一台凹版移印设备按顺序重复步骤1)-4)。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：在步骤1)中，通过黄光蚀刻制程工艺在平整的铜片上制作图案凹版，并在图案凹版表面镀铬。

4.根据权利要求1所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：步骤2)中为粗对位，在待印刷图案的精准度大于100um时，采用靠边对位对工件定位。

5.根据权利要求1所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：步骤2)中为精对位，在待印刷图案的精准度小于100um时，利用CCD摄像头与软件模拟行程对位法对工件定位。

6.根据权利要求5所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：精对位包括如下步骤，

2.1)初印，将校正样片采用靠边对位固定在移动平台上，而后由起点出发进行第一次印刷；

2.2)校准，移动平台回到起点位置，凹版移印设备的移印滚筒复位，CCD摄像头核对印刷定位标记与校正样片上的定位标记的位置差，根据位置差运用模拟算法重新定义移动平台的起点位置，通过X、Y、U轴校准移动平台；

2.3)重复校准，移动平台由步骤2.2)中重新定义的起点位置作为起点进行第二次印刷，通过CCD摄像头核对印刷定位标记与校正样片上的定位标记的位置差，若存在位置差则重复步骤2.2)直至无位置差，若无位置差，则校准完成，且此时移动平台所在的起点位置定义为零点位置；

2.4)CCD摄像头确位，将CCD摄像头移动至零点位置并使CCD摄像头虚拟定位标记、印刷定位标记和校正样片定位标记重合。

7.根据权利要求5或6所述的凹版移印法制作纳米银线透明导电膜导线图案的方法，其特征在于：所述CCD摄像头设有两个；印刷定位标记和校正样片定位标记的数量分别有两个；印刷定位标记、校正样片定位标记、CCD摄像头一一对应，且分散对角分布。

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