TWI622668B - 形成一圖形化導電薄膜之方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種形成一圖形化導電薄膜之方法，包含以下步驟：於一基板上塗佈一水溶性遮罩；將分散於一非水溶性溶劑之一奈米碳材均勻被覆於該基板及該水溶性遮罩上；利用一水性清洗劑將該基板上之該水溶性遮罩移除，以使該奈米碳材形成一圖形；及利用該奈米碳材之一導電性，電鍍一金屬材料於該奈米碳材上以形成一金屬層，以形成該圖形化導電薄膜。

Description

形成一圖形化導電薄膜之方法

本發明係關於一種形成一圖形化導電薄膜之方法，特別是關於利用奈米碳材形成一圖形化導電薄膜之方法。

隨著具有人機介面功能的各項穿戴裝置逐漸被開發出來且進入市場，傳統氧化铟锡(ITO)製做透明導電薄膜因為在受到衝撞及彎曲時會裂開並降低導電性能，因此產品的應用上受到限制。因此包括金屬網格(Metal Mesh)、銀奈米絲(Silver Nanowires)、奈米碳管(Carbon Nanotube)、石墨烯(Graphene)等材料，均被拿來開發當做取代ITO之透明導電材料。 請參考圖1，目前習知普遍之一種金屬網格圖形化導電薄膜製作方法，先在PET基板上進行表面改質（步驟101），利用物理法或化學法使PET基板表面金屬化，形成一層金屬薄膜（步驟102），再經過光阻塗佈（步驟103）、曝光顯影（步驟104）、精密蝕刻（步驟105）等步驟，以形成小於10 μm之極細線路，最後再經線路黑化處理（步驟106）降低反光性。此法可製做出面電阻小於50 ohm之線路，然其缺點則是產生反光與摩爾紋(moiré effect)。另外，當線路寬度小於5 μm時，製程上也容易造成線路斷線的風險。 請參考圖2，目前習知普遍之奈米銀絲圖形化導電薄膜製作方法，先進行奈米銀絲溶液調配（步驟201），再使用奈米銀絲溶液以滾輪塗佈或旋轉塗佈方式，將奈米銀絲塗佈於PET基板上（步驟202），爾後以雷射蝕刻方式將奈米銀絲加熱氧化，以形成導電線路（步驟203），最後再被覆保護層（步驟204）。此方法可製作出面電阻小於50 ohm之線路，然其缺點則是如何控制銀絲塗佈的均勻性，避免產生斷線風險。另外，此方法具有氧化問題、金屬反光問題，及需經雷射沿線路逐一掃描方能形成線路，相當耗時。 請參考圖3，目前習知之普遍奈米碳管圖形化導電薄膜製作方式，其利用奈米碳管本身之導電性及優良的機械性強度，製作導電薄膜。因奈米碳管等奈米性碳材易彼此吸引而不易分散，須先將其分散，故先進行奈米碳管溶液調配（步驟301），再將分散於水性溶液之奈米碳管以噴塗、滾塗或旋塗方式塗佈於基板上（步驟302），經由酸洗步驟去除奈米碳管表面之分散助劑，以增加導電性（步驟303），爾後經雷射雕刻步驟來形成導電線路（步驟304），最後再被覆保護層（步驟305）。此方法可製做出面電阻小於500 ohm之線路，然其缺點則是電阻偏高，並且需經雷射沿線路逐一掃描方能形成線路相當耗時之問題。 請參考圖4，目前習知之普遍石墨烯線路製作方式，先利用CVD法生長石墨烯於銅箔上（步驟401），經轉印製程將石墨烯轉移到PET膜上（步驟402），再經雷射雕刻步驟形成導電線路（步驟403），最後再被覆保護層（步驟404）。此方法可製做出面電阻小於500 ohm之線路，然其缺點則是電阻偏高、生產機台價格昂貴，並且需經雷射沿線路逐一掃描方能形成線路，相當耗時。

本發明之目的在於提供一種形成一圖形化導電薄膜之方法，其可大面積快速製作透明導電基板，並且具有步驟簡易及成本低廉之特點。 本發明之形成一圖形化導電薄膜之方法，包含以下步驟：於一基板上塗佈一水溶性遮罩；將分散於一非水溶性溶劑之一奈米碳材均勻被覆於該基板及該水溶性遮罩上；利用一水性清洗劑將該基板上之該水溶性遮罩移除，以使該奈米碳材形成一圖形；及利用該奈米碳材之一導電性，電鍍一金屬材料於該奈米碳材上以形成一金屬層，以形成該圖形化導電薄膜。

請參考圖5A至5D，本發明第一較佳實施例係關於在一塑膠基板50上形成一圖形化導電薄膜56之方法，其詳述如後。具有本發明圖形化導電薄膜56之基板50為一種可撓性透明導電基板，可應用於各種透明導電基板，例如手機平板電腦及穿戴裝置上具有觸控功能之導電基板及導電PET膜。其中，最常使用之塑膠基板50係一聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）基板。 首先請參考圖5A，步驟501係於基板50上塗佈一水溶性遮罩52。於步驟501中，可以凹板滾輪塗佈、凸板滾輪塗佈、網板印刷、噴塗或奈米轉印等方式，塗佈形成所欲之各種圖案之水溶性遮罩52於基板50上（圖5A之最右側僅顯示例示之兩種圖案）。其中，水溶性遮罩52所形成之立體圖案通常為許多或長或短的線條的組成，水溶性遮罩52較佳具有一長度介於0.01~1,000 μm、一寬度介於0.01~1,000 μm、一高度介於0.01~1,000 μm，遮罩圖案之一線寬介於0.01~1,000 μm（換言之，遮罩圖案可以只有一條線，亦可為多條線）及一線間距(pitch)可介於0.01~1,000 μm。水溶性遮罩52可由一水溶性樹脂所形成，而水溶性樹脂可為水性壓克力、水性聚氨脂、水性聚烯醇、或水性纖維素樹脂。 請參考圖5B，接下來於步驟502中將先行以一與基板50具低反應性之非水溶性溶劑將非水溶性之一奈米碳材53分散之奈米碳材53之溶液均勻被覆於基板50及水溶性遮罩52上。其中，奈米碳材53可包含奈米碳管、奈米碳球、石墨烯、奈米碳纖維或其組合。步驟502可以浸塗、噴塗或旋塗，均勻被覆分散於非水溶性溶劑之奈米碳材53於基板50及水溶性遮罩52上。上述非水溶性溶劑為對基板50不產生溶解現象、不會溶解破壞水溶性遮罩52且不與奈米碳材53表面官能基發生反應之非水溶性溶劑，例如低碳醇類。特定而言，非水溶性溶劑係選自乙酸乙酯、乙酸丁酯、正丁醇及異戊醇、及其組合所成之一群組。 於步驟502後，較佳係執行步驟503，使基板50及水溶性遮罩52上之奈米碳材53溶液中之溶劑揮發或蒸發，以移除與基板50具低反應性之非水溶性溶劑。步驟503可以加熱或其他乾燥方式移除非水溶性溶劑及其他有機雜質。 請參考圖5C，於步驟503後，於步驟504中以一與基板50具高反應性之有機溶劑、電漿或其組合處理被覆於基板50上之奈米碳材53，以使奈米碳材53與基板50產生一聚合反應，以緊密接合奈米碳材53與基板50。此聚合反應包括由與基板50或奈米碳材53具高反應性之有機溶劑，因受溫度或觸媒(如水氣、金屬離子等)催化進行聚合反應；或由電漿設備誘發有機溶劑、奈米碳材、基板產生表面解離或分子離子化現象，進而發生聚合反應。其中，上述有機溶劑係選自下列之一：醇類、酮類、醚類、酯類、碳烴類、芳香族類、矽烷、金屬烷類、及前述任二者或二者以上之組合。 接下來，於步驟505中利用一水性清洗劑將基板50上之水溶性遮罩52移除，在原本沒有遮罩52之位置處，奈米碳材53形成一圖形54。基板50表面上之圖形54即形成為立體多孔性奈米碳材沉積線路。其中，於步驟505中可利用一滾刷、超音波或一高壓沖洗設備，以將基板50上之水溶性遮罩52移除。水性清洗劑可包含純水、酸性水或鹼性水。 於步驟505後，可進一步執行步驟506，以加熱乾燥奈米碳材53及基板50，以去除水性清洗劑。較佳地，步驟506可以30~150℃之熱風乾燥奈米碳材53及基板50。 請參考圖5D，接下來於步驟507中利用奈米碳材53之一導電性，電鍍一金屬材料55於形成圖形54之奈米碳材53上以形成一金屬層，以使奈米碳材53及金屬層形成圖形化導電薄膜56。其中，金屬層之一厚度通常介於1 nm~2,000 nm，且金屬材料55包含金、銀、銅、鐵、鋁、鎳、鈦、錫、鈀、銠、鉻、鋅或其組合。 請參考圖6A至6E，本發明第二較佳實施例係在一玻璃基板或一陶瓷基板等非塑膠類基板60上形成一圖形化導電薄膜66之方法，其詳述如後。具有本發明圖形化導電薄膜66之基板60可應用於各種非塑膠類透明導電基板，例如手機平板電腦及穿戴裝置上具有觸控功能之導電基板。 請參考圖6A，其揭示步驟601，即塗佈一塑膠層61於基板60上。第二實施例與應用在塑膠基板50之第一實施例之方法不同之處在於，在將水溶性遮罩62塗佈於基板60上之步驟602之前，需先執行步驟601之塗佈一塑膠層61於基板60上。其中，塑膠層61之一厚度通常介於0.01~50 μm，且塑膠層61可為一高透明性之光學樹脂層，較佳地可為一光學壓克力層。 請參考圖6B，接下來步驟602係於基板60上塗佈一水溶性遮罩62。因為此時基板60上已經塗佈塑膠層61，第二實施例之水溶性遮罩62與第一實施例之水溶性遮罩52不同，係塗佈於基板60上之塑膠層61上。於步驟602中，可以凹板滾輪塗佈、凸板滾輪塗佈、網板印刷、噴塗或奈米轉印等方式，塗佈水溶性遮罩62於基板60上，以形成所欲之遮罩圖案。其中，水溶性遮罩62所形成之圖案，通常為許多線條組成，水溶性遮罩62較佳具有一長度介於0.01~1,000 μm、一寬度介於0.01~1,000 μm及一高度介於0.01~1,000 μm、遮罩圖案之一線寬介於0.01~1,000 μm（換言之，可以僅有一條線或是多條線）及一線間距(pitch)介於0.01~1,000 μm。水溶性遮罩62可由一水溶性樹脂所形成，而水溶性樹脂可為水性壓克力、水性聚氨脂、水性聚烯醇、或水性纖維素樹脂。 請參考圖6C，接下來係步驟603，將已經先行以一非水溶性溶劑將一奈米碳材63分散之奈米碳材63的溶液均勻被覆於基板60及水溶性遮罩62上。其中，奈米碳材63包含奈米碳管、奈米碳球、石墨烯、奈米碳纖維或其組合。步驟603可採用浸塗、噴塗或旋塗，以均勻被覆分散於非水溶性溶劑之奈米碳材63於基板60及水溶性遮罩62上。 於步驟603後，較佳係執行步驟604，使基板60上之塑膠層61及水溶性遮罩62上之奈米碳材63溶液中之溶劑蒸發或揮發，以移除與基板60具低反應性之非水溶性溶劑。步驟604可以加熱或吹乾之方式移除非水溶性溶劑及其他有機雜質。上述非水溶性溶劑為對基板60不產生溶解現象、不會溶解破壞水溶性遮罩62且不與奈米碳材63表面官能基發生反應之非水溶性溶劑，例如低碳醇類。特定而言，非水溶性溶劑係選自乙醇、乙二醇、異丙醇、正丁醇、異戊醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯、及其組合所成之一群組。 請參考圖6D，於步驟604後，於步驟605中以一與基板60具溶解性或高反應性之有機溶劑、電漿或其組合對被覆於基板60之塑膠層61上之奈米碳材63進行處理，以使奈米碳材63與基板60之塑膠層61產生一聚合反應，以緊密接合奈米碳材63與基板60之塑膠層61。其中，上述有機溶劑係選自下列之一：酮類(如丙酮、丁酮、戊酮、N-甲基吡咯烷酮、異佛爾酮等)、醚類(如乙醚、乙二醇丁醚、二異丙醚、四氫呋喃等)、酯類(如乙酸戊酯等)、碳烴類(如氯仿、四氯乙烷、四氯化碳等)、芳香族類(如苯、甲苯、二甲苯、苯酚、硝基苯等)、矽烷(如矽氧烷)、金屬醇鹽類(如鈦、鋁、鐵、鋯、矽等金屬醇鹽)、及前述任二者或二者以上之組合。 接下來，於步驟606中利用一水性清洗劑將基板60上之水溶性遮罩62移除，以使奈米碳材63在原本遮罩未覆蓋處形成一圖形64。基板60表面上之圖形64形成為立體多孔性奈米碳材沉積線路。其中，於步驟606中可利用一滾刷、超音波或一高壓沖洗設備，以將基板60上之水溶性遮罩62移除。水性清洗劑可包含純水、酸性水或鹼性水。 於步驟606後，可進一步執行步驟607，以加熱或吹乾等方式乾燥奈米碳材63及基板60，以去除水性清洗劑。較佳地，步驟607可以30~150℃之熱風乾燥奈米碳材63及基板60。 請參考圖6E，接下來於步驟608中利用奈米碳材63之一導電性，電鍍一金屬材料65於形成圖形64之奈米碳材63上以形成一金屬層，以使奈米碳材63及金屬層形成圖形化導電薄膜66。其中，金屬層之一厚度通常介於1 nm~2,000 nm，且金屬材料65包含金、銀、銅、鐵、鋁、鎳、鈦、錫、鈀、銠、鉻、鋅或其組合。 使用本發明方法所形成之圖形化導電薄膜56、66具有與純金屬材料相同之觸控導電效果，並且藉由奈米碳材53、63之良好機械強度特性，在基板與導電薄膜形變或錯位等狀況，奈米碳材分子具有不易斷裂而仍能維持接觸導電的優點，故可應用於各種極端場合，例如會受到衝撞或需要彎曲基板50、60之應用。此外，相較於習知方法，使用本發明方法可以大面積快速製作透明導電基板，並且具有步驟簡易及成本低廉之特點，因此有利於將奈米碳材53、63所形成之圖形化導電薄膜56、66快速推廣應用在各種產品中，進而促使終端產品設計更具多元化的優勢。

101～106‧‧‧步驟
201～204‧‧‧步驟
301～305‧‧‧步驟
401～404‧‧‧步驟
501～507‧‧‧步驟
50‧‧‧基板
52‧‧‧水溶性遮罩
53‧‧‧奈米碳材
54‧‧‧圖形
55‧‧‧金屬材料
56‧‧‧圖形化導電薄膜
601～608‧‧‧步驟
60‧‧‧基板
61‧‧‧塑膠層
62‧‧‧水溶性遮罩
63‧‧‧奈米碳材
64‧‧‧圖形
65‧‧‧金屬材料
66‧‧‧圖形化導電薄膜

圖1係習知之金屬網格圖形化導電薄膜製作方法之步驟示意圖； 圖2係習知之奈米銀絲圖形化導電薄膜製作方法之步驟示意圖； 圖3係習知之奈米碳管圖形化導電薄膜製作方法之步驟示意圖； 圖4係習知之石墨烯圖形化導電薄膜製作方法之步驟示意圖； 圖5A至5D係本發明方法之第一較佳實施例之步驟示意圖；及 圖6A至6E係本發明方法之第二較佳實施例之步驟示意圖。

Claims (24)

1. 一種形成一圖形化導電薄膜之方法，包含以下步驟：(a)於一基板上塗，其中該基板係一塑膠基板、一玻璃基板或一陶瓷基板佈一水溶性遮罩；(b)將分散於一非水溶性溶劑之一奈米碳材均勻被覆於該基板及該水溶性遮罩上；(c)利用一水性清洗劑將該基板上之該水溶性遮罩移除，以使該奈米碳材形成一圖形；及(d)利用該奈米碳材之一導電性，電鍍一金屬材料於該奈米碳材上以形成一金屬層，以形成該圖形化導電薄膜。
2. 如請求項1所述之方法，於步驟(b)後與步驟(c)前包含以下步驟：(c-0)以一有機溶劑、電漿或其組合處理被覆於該基板上之該奈米碳材，以使該奈米碳材與該基板產生一聚合反應，以緊密接合該奈米碳材與該基板。
3. 如請求項2所述之方法，於步驟(b)後與步驟(c-0)前包含以下步驟：(b-1)乾燥以移除該非水溶性溶劑。
4. 如請求項3所述之方法，該步驟(b-1)加熱乾燥以移除該非水溶性溶劑及有機雜質。
5. 如請求項2所述之方法，於步驟(c)後與步驟(d)前包含以下步驟：(c-1)加熱乾燥該奈米碳材及該基板，以去除該水性清洗劑。
6. 如請求項5所述之方法，其中步驟(c-1)係以30~150℃之熱風乾燥該奈米碳材及該基板。
7. 如請求項2所述之方法，於步驟(a)前更包含以下步驟：(a-0)塗佈一塑膠層於該基板上；其中於步驟(a)中，該水溶性遮罩塗佈該基板上之該塑膠層上。
8. 如請求項7所述之方法，其中該塑膠層係一高透明性之光學樹脂層。
9. 如請求項8所述之方法，其中該塑膠層係一光學壓克力層。
10. 如請求項7所述之方法，其中該塑膠層之一厚度介於0.01~50μm。
11. 如請求項2所述之方法，其中步驟(a)係以凹板滾輪塗佈、凸板滾輪塗佈、網板印刷、噴塗或奈米轉印，塗佈該水溶性遮罩於該基板上。
12. 如請求項2所述之方法，其中該水溶性遮罩形成一遮罩圖案，該水溶性遮罩具有一長度介於0.01~1,000μm、一寬度介於0.01~1,000μm及一高度介於0.01~1,000μm，該遮罩圖案之一線寬介於0.01~1,000μm及一線間距介於0.01~1,000μm。
13. 如請求項2所述之方法，其中該水溶性遮罩係由一水溶性樹脂所形成。
14. 如請求項13所述之方法，其中該水溶性樹脂為水性壓克力、水性聚氨脂、水性聚烯醇、或水性纖維素樹脂。
15. 如請求項2所述之方法，其中於驟(b)係以係浸塗、噴塗或旋塗，均勻被覆分散於該非水溶性溶劑之該奈米碳材於該基板及該水溶性遮罩上。
16. 如請求項2所述之方法，其中該奈米碳材係選自奈米碳管、奈米碳球、石墨烯、奈米碳纖維及其組合所成之一群組。
17. 如請求項2所述之方法，其中步驟(c)利用一滾刷、超音波或一高壓沖洗設備，以將該基板上之該水溶性遮罩移除。
18. 如請求項2所述之方法，其中該水性清洗劑包含純水、酸性水或鹼性水。
19. 如請求項2所述之方法，其中該金屬層之一厚度介於1nm~2,000nm。
20. 如請求項2所述之方法，其中該金屬材料係選自金、銀、銅、鐵、 鋁、鎳、鈦、錫、鈀、銠、鉻、鋅或其組合所成之一群組。
21. 如請求項1所述之方法，其中該塑膠基板係一聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)基板。
22. 如請求項2所述之方法，其中於步驟(c-0)中該有機溶劑為與該基板具溶解性或反應性之有機溶劑，其係選自酮類、醚類、乙酸戊酯、碳烴類、芳香族類、矽烷、金屬醇鹽類、及其組合所成之一群組。
23. 如請求項2所述之方法，其中於步驟(b)中該非水溶性溶劑為對該基板不產生溶解現象、不會溶解破壞該水溶性遮罩且不與該奈米碳材之表面官能基發生反應之非水溶性溶劑。
24. 如請求項23所述之方法，其中該非水溶性溶劑係選自乙醇、乙二醇、異丙醇、正丁醇、異戊醇、乙酸乙酯、乙酸丁酯及其組合所成之一群組。