[发明专利]一组打印导电薄膜的墨水及其使用方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及制作导电薄膜的墨水及其使用方法，可以用来制 作电子元器件、导线和天线。

背景技术

印刷电子(Printed Electronics或Printable Electronics)用来描述 将电子电路印制在一些常用的介质如纸、塑料或织物等上的技术。理 想地，印刷电子技术采用一些通用的印刷方法，如丝网印刷、凸版印 刷、凹版印刷，和平板印刷等。印刷电子使一些无法用传统的电子电 路实现的特殊应用成为可能，例如可弯曲的柔性显示器、智能标签、 能播放动画的海报和主动服装(active clothing)。

印刷电子技术采用特殊的墨水来打印电子器件，其中导电墨水的 研制，是最近的一个发展热点。导电墨水可以用来打印无源器件、导 线或天线等。通过导电墨水在产品的包装盒上印制RFID天线，比传 统的金属天线成本低、印制速度快、节省空间，并利于环保。导电油 墨的导电填料已开始由传统的银粉材料变成由纳米银粉或纳米银粉 和普通银粉的混合物，以及其他一些金属，以降低固含量和后处理温 度，导电高分子和树脂混合以及导电高分子和金属复合等各种新型导 电油墨也正在被诸多机构所研究。

在RFID标签的推广中，主要问题之一就是成本，RFID的天线 的成本主要包括银和衬底材料的价格。为了相对于传统的条码具有竞 争力，RFID标签的成本必须足够低。对于一个典型的应用 (5cm*7cm)，银和衬底材料的总价格希望被控制到1个美分以下。

我们以最常用的导电墨水为例进行分析。典型的，导电墨水中的 导电颗粒是银的纳米颗粒。导电墨水被喷溅在衬底上时，银纳米颗粒 松散地堆积在一起，形成一种松散的结构。真正的黏合过程发生在打 印出的结构被加热到一定的温度(与墨水的特性有关，典型地为120 摄氏度或更高温度)后，在退火冷却的过程中，导电颗粒将逐渐融合 为致密的结构，从而形成导电薄膜。这个过程被称为固化。

一般而言，固化的温度越高，生成的结构越致密，薄膜的电阻越 小。但是烧结的温度会直接限制衬底材料的选择。普通的纸张是成本 最低的衬底材料，只能承受110～150摄氏度的温度。如果需要更高的 固化温度，需要选用其他耐高温的材料。目前RFID衬底材料中常用 的一种树脂材料，PET(聚对苯二甲酸乙二酯，英文：Polyethylene terephthalate)，价格就是普通纸张的大约50倍。降低成本的途径是减 少银的含量和降低衬底的耐受温度。

目前主要采用的一个方法是降低银纳米颗粒的尺寸。由于尺寸的 降低，生成的薄膜结构会更加致密，另外，烧结温度随着银纳米颗粒 尺寸的降低而显著地降低，从而降低了对衬底的耐受温度的要求。上 述的方法虽然降低了银的用量，但是需要制造更小尺寸的纳米颗粒， 从而增加了制造的成本。

发明内容

本发明的目的在于改进现有的导电墨水配方，提供一种工艺简 单、成本低的导电薄膜的制造方法。

本发明提供了一种解决方案，能够在低耐受温度的衬底上打印高 导电性的薄膜。本发明的墨水由至少两种溶液组成，一种为金属化合 物溶液，另外一种是还原剂。在印刷的过程中，从喷嘴中喷射出金属 化合物溶液和还原剂溶液，形成导电性金属层。

适宜的金属化合物为银、铁、铝、铜、镍、钴的化合物金属盐溶 液。通常情况下，导电墨水由两种溶液组成，但是某些情况下，一组 完整的墨水包括至少两种的溶液，在某些情况下，可以添加其它的溶 液以达到催化、或者其它特殊效果(如颜色)。

喷墨打印时，分别喷出的溶液在衬底附近相遇，并以混合状态附 着在衬底表面上，或者金属化合物溶液和还原剂溶液以上下积层状态 喷射在衬底表面上。这种方法薄膜形成的机制类似于化学喷镀。然而 化学喷镀中使用的高压静电喷枪的雾化颗粒度约为25～45微米；而目 前的喷墨打印机的喷嘴直径可以小于1个微米。随着墨头工艺的改 进，墨头中喷嘴可以做得更加精细，墨滴体积可以做到很小，新型喷 墨打印机(如佳能8200)采用了4微微升(p1)的超精细墨滴(1微 微升＝1×10^-12升)，直径不足发丝(70微米)的六分之一。因此采 用喷墨打印的方法，一方面能够按照设计的图案精密地打印出制定的 形状，另一方面，能够生成更致密更均匀的金属薄膜。