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一种纳米导电墨的室温烧结方法

阅读:1055发布:2020-06-24

专利汇可以提供一种纳米导电墨的室温烧结方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种纳米 铜 导电墨 水 的室温 烧结 方法,属于导电墨水技术领域。其包括以下步骤:a、用印刷机或涂膜机等将墨水印制或涂覆在柔性 薄膜 基材上;b、将步骤a的膜浸泡于0.1-100v% 有机酸 的醇溶液中0.1-30min,再用 溶剂 清洗2-4遍,吹干;c、重复a和b步骤进行重复印制或涂覆,达到所需印制层厚度;d、将步骤c的膜浸泡于一定浓度的还原剂溶液中0.05-60min,再用水清洗2-4遍,吹干。本发明方法,适用于廉价的纳米铜墨水,实现室温空气中的烧结,所制得铜膜的 电阻 率 低,可用于多种热敏及柔性基材上,工艺简单,适合于规模化生产。,下面是一种纳米导电墨的室温烧结方法专利的具体信息内容。

1.一种纳米导电墨的室温烧结方法,其特征在于,包括下述步骤:
1)将纳米铜分散在溶剂中,配制成固含量为5~80w%的溶液,放入超声清洗器中超声
2h,获得导电墨水;
2)将步骤1)制得的导电墨水印制或涂覆于柔性薄膜基材上,形成图形或涂层;
3)将步骤2)制得的薄膜浸泡于0.1-100v%有机酸的醇类溶剂溶液中0-30min,使纳米铜表面的疏水性稳定剂充分脱除,并使印制或涂覆的图形表面由疏水性变为亲水性;再用醇类溶剂,清洗2~4遍,吹干;
4)重复步骤2)和3),达到所需的印制层厚度;
5)将步骤4)所得薄膜浸泡于0.1~40w%的还原剂水溶液中0.05-60min,再用水清洗2~4遍,吹干。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中所述纳米铜包括直径小于100nm的纳米颗粒和纳米线,其表面被部分化。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中所述溶液的固含量为5~80w%。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1)中所述溶剂包括亲水性溶剂和疏水性溶剂。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述亲水性溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇;所述疏水性溶剂包括己烷、辛烷、甲苯
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中所述浸泡时间为0-30min。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)中所述有机酸包括甲酸、乙酸、柠檬酸;所述醇类溶剂包括甲醇、乙醇,异丙醇。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中有机酸在溶液中的体积分数为
0.1~100v%。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(5)中所述还原剂为氢化钠、水合肼或甲
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(5)中还原剂在水溶液中的质量分数为0.1-40w%。

说明书全文

一种纳米导电墨的室温烧结方法

技术领域

[0001] 本发明涉及导电墨水技术领域,特别涉及纳米铜导电墨水的室温烧结方法。

背景技术

[0002] 近年来,金属纳米材料作为电子功能材料具有易于灵活连接,便于实现低温烧结、化学性质活泼等特点,逐渐成为微电子领域的研究热点。传统蚀刻法不仅材料浪费严重、制备过程复杂,还存在成本高、环境污染严重等问题。而印刷电子技术则把印刷工艺和电子技术很好地结合在一起,具有广阔的应用前景。该技术的核心就在于功能墨水的制备和应用。其中,导电墨水是功能墨水的重要类别,受到广泛的关注。
[0003] 在众多的导电组分中,金属的导电性能最为优异。其中,是最广泛应用于导电墨水的材料,然而作为贵金属应用于印刷电路显然是不经济的。而铜的导电性能与银接近并且价格低,是一种理想的替代材料。但是,纳米铜的抗稳定性差,严重阻碍了铜导电墨水的应用。同时,由于纳米材料表面的稳定剂会阻止颗粒之间形成导电通路,因此需要对印制图案进行后续的烧结处理。受限纳米铜的氧化敏感性,传统的加热烧结往往需要在高温条件下辅以还原性气氛或还原剂,防止氧化的发生。这种烧结方法不仅能耗大,操作复杂,而且由于较高的加热温度限制了基材的选择。特别是热敏性基材,比如纸张、塑料、织物等操作温度均低于150℃。因此,研究者致于开发新型的烧结方式,包括微波烧结、激光烧结、红外烧结和等离子烧结等。通过局部快速加热的方式减小对基材的破坏。但其对基材的保护有限,并且需要昂贵的设备支持。
[0004] 因此,低温下实现空气中的烧结仍然是纳米铜墨水的一大难点。有文献报道了利用纳米银材料的自团聚效应实现室温烧结的方法,极大地简化了工艺,可以适用于更多的基材。但现有的文献和专利都没有真正实现纳米铜墨水的室温烧结。为数不多的尝试(J MATER CHEM C,2017,5),也没有得到理想的导电性。本发明将填补这一空白,通过简单的化学烧结,获得高导电性能的铜膜。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术的不足,提供一种室温烧结纳米铜导电墨水的方法。该方法采用有机酸溶液脱除颗粒表面的稳定剂,使颗粒初步连接,再应用还原性溶液将颗粒表面的氧化物还原为单质,实现颗粒间的焊接,解决颗粒的氧化问题与传统高温烧结带来的弊端。所述方法包括以下步骤:
[0006] 1)将纳米铜分散在溶剂中,配制成固含量为5~80w%的溶液,放入超声清洗器中超声2h,获得导电墨水;
[0007] 2)将步骤1)制得的导电墨水使用印刷机或涂膜机印制或涂覆于柔性薄膜基材上,形成图形或涂层;
[0008] 3)将步骤2)制得的薄膜浸泡于0.1-100v%有机酸的醇类溶剂溶液中0.1-30min,使纳米铜表面的疏水性稳定剂充分脱除,并使印制或涂覆的图形表面由疏水性变为亲水性。再用醇类溶剂,清洗2~4遍,吹干;
[0009] 4)重复步骤2)和3),达到所需的印制层厚度;
[0010] 5)将步骤4)所得薄膜浸泡于0.1~40w%的还原剂水溶液中0.05-60min,再用水清洗2~4遍,吹干。
[0011] 使用四探针测试仪测定膜的电阻,使用扫描电子显微镜(SEM)测定膜厚度,计算得出膜的电阻率
[0012] 进一步,步骤1)中所述纳米铜包括直径小于100nm的纳米颗粒和纳米线,其表面被部分氧化。
[0013] 进一步,步骤1)中所述溶液的固含量为5~80w%。
[0014] 进一步,步骤1)中所述溶剂包括亲水性溶剂和疏水性溶剂。
[0015] 进一步,所述亲水性溶剂包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇;所述疏水性溶剂包括己烷、辛烷、甲苯
[0016] 进一步,步骤(3)中所述浸泡时间为0.1-30min。
[0017] 进一步,步骤3)中所述有机酸包括甲酸、乙酸、柠檬酸;所述醇类溶剂包括甲醇、乙醇,异丙醇。
[0018] 进一步,步骤(3)中有机酸在溶液中的体积分数为0.1~100v%。
[0019] 进一步,步骤(5)中所述还原剂为氢化钠、水合肼或甲
[0020] 进一步,步骤(5)中还原剂在水溶液中的质量分数为0.1-40w%。
[0021] 本发明的有益效果是:(1)适用于廉价的纳米铜墨水(2)实现室温空气中的烧结(3)可用于热敏性的柔性基材(4)工艺简单,适合于规模化生产。附图说明
[0022] 图1是实施例1的电阻率变化图。
[0023] 图2是实施例2的电阻率变化图。
[0024] 图3是实施例3的电阻率变化图。

具体实施方式

[0025] 以下结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0026] 实施例1:
[0027] (1)将直径11nm铜纳米颗粒(按I&ECR,2018,57方法制备)分散在正辛烷中,配制成固含量为30w%的墨水,放入超声清洗器中超声2h,获得深红色墨水。
[0028] (2)取适量墨水于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上,用制备器进行涂膜。
[0029] (3)将步骤(2)制得的膜浸泡于10v%甲酸的乙醇溶液中20s,利用甲酸将颗粒表面的油胺充分脱除,使得膜表面由疏水性变为亲水性。再用乙醇清洗3遍,吹干。
[0030] (4)重复(2)和(3)步骤进行3次涂膜;
[0031] (5)将步骤(4)的膜浸泡于3w%NaBH4水溶液中0.08-3min,再用水清洗3遍,吹干。
[0032] 由四探针测试仪测定膜的方块电阻,SEM测得膜厚度,计算得出膜的电阻率如图1所示。随着NaBH4溶液浸泡时间的延长,电阻率逐渐降低,只需30s即可低至20.88μΩ.cm。进一步延长时间,电阻率没有明显的变化,说明该烧结条件只需30s的浸泡即可烧结完全。
[0033] 实施例2:
[0034] (1)将直径11nm铜纳米颗粒(按I&ECR,2018,57方法制备)分散在正辛烷中,配制成固含量为30w%的墨水,放入超声清洗器中超声2h,获得深红色墨水。
[0035] (2)取适量墨水于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上,用制备器进行涂膜。
[0036] (3)将步骤(2)制得的膜浸泡于10v%甲酸的甲醇溶液中20s,利用甲酸将颗粒表面的油胺充分脱除,使得膜表面由疏水性变为亲水性。再用甲醇清洗3遍,吹干。
[0037] (4)重复(2)和(3)步骤进行3次涂膜;
[0038] (5)将步骤(4)的膜浸泡于0.75w%NaBH4溶液中1-9min,再用水清洗3遍,吹干。
[0039] 由四探针测试仪测定膜的方块电阻,SEM测得膜厚度,计算得出膜的电阻率如图2所示。当0.75w%NaBH4溶液的浸泡时间达到7min即可烧结完全,电阻率为17.35μΩ.cm。
[0040] 实施例3:
[0041] 1)将直径11nm铜纳米颗粒(按I&ECR,2018,57方法制备)分散在正辛烷中,配制成固含量为30w%的墨水,放入超声清洗器中超声2h,获得深红色墨水。
[0042] 2)取适量墨水于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上,用制备器进行涂膜。
[0043] 3)将步骤2)制得的膜浸泡于10v%乙酸的甲醇溶液中20s,利用甲酸将颗粒表面的油胺充分脱除,使得膜表面由疏水性变为亲水性。再用甲醇清洗3遍,吹干。
[0044] 4)重复2)和3)步骤进行3次涂膜;
[0045] 5)将步骤4)的膜浸泡于0.75w%NaBH4溶液中4-30min,再用水清洗3遍,吹干。
[0046] 由四探针测试仪测定膜的方块电阻,SEM测得膜厚度,计算得出膜的电阻率如图3所示。采用醋酸醇溶液为第一步的烧结试剂,效果较差,0.75w%NaBH4溶液浸泡30min才能将电阻率降低到80.29μΩ.cm。
[0047] 上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然,本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例,熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化,但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
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