專利名稱：一種納米銀導(dǎo)電墨水及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電墨水，具體涉及一種可用于噴墨印刷柔性電子電路的納米銀導(dǎo)電墨水及其制備方法。
背景技術(shù)：
柔性電子，又稱印刷電子或有機(jī)電子，是將有機(jī)/無機(jī)電子器件沉積在柔性襯底如紙、塑料或織物等基底上形成電路的技術(shù)。由于柔性電子性能與傳統(tǒng)微電子相當(dāng)，且具有便攜式、透明、輕質(zhì)、伸展/彎曲以及易于快速大面積打印等特點，使一些無法用傳統(tǒng)的電子電路實現(xiàn)的特殊應(yīng)用成為可能，例如可彎曲的柔性顯示器、電子紙、大面積傳感器陣列、智能標(biāo)簽、薄膜太陽電池等。柔性電子制造的關(guān)鍵就是圖案化導(dǎo)電電路的制造，而柔性電子理想的圖案化工藝應(yīng)滿足低成本、大面積、批量化工藝、低溫、“加”式、非接觸式、可實時調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化、易于多層套準(zhǔn)等要求。而目前常見的圖案化技術(shù)如光刻、蔭罩、微接觸印刷、以及噴墨印刷等技術(shù)中，只有噴墨印刷技術(shù)能很好滿足這些要求。此外，在計算機(jī)輔助 控制條件下，噴墨打印技術(shù)更易實現(xiàn)圖形在介觀和微觀級別上的設(shè)計與實施，可實現(xiàn)精確、定量、定位沉積，保證導(dǎo)電圖案的成像精度。而且噴墨打印技術(shù)的工藝相對簡單，不需要特別苛刻的環(huán)境要求，制作成本較低，減少對環(huán)境的污染和原材料的浪費(fèi)。利用噴墨打印技術(shù)制備導(dǎo)電電路的工藝中，關(guān)鍵技術(shù)之一是制備適合噴墨打印的導(dǎo)電墨水。適用于嗔墨打印的導(dǎo)電墨水的性能指標(biāo)王要包括(1)可嗔性表現(xiàn)為墨水的顆粒尺寸、粘度和表面張力三個指標(biāo)。一般而言，顆粒尺寸應(yīng)小于I μ m，粘度為5 35cP，表面張力為l(T50mN/m。對于不同品牌壓電式打印機(jī)，墨水的這幾個指標(biāo)也稍有不同。(2)可靠性不阻塞噴頭；墨水組分間以及墨水與噴頭組件間有相容性；有貯存穩(wěn)定性。(3)印刷圖案質(zhì)量打印品質(zhì)好；在打印介質(zhì)上有著一定干燥速度、粘附性等。(4)安全性要求導(dǎo)電墨水盡量能使用綠色溶劑，具有無毒性，不易燃、無氣味。常見導(dǎo)電墨水可分為有機(jī)聚合物導(dǎo)電墨水和金屬導(dǎo)電墨水，但一般有機(jī)聚合物導(dǎo)電墨水比金屬導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電率低三或四個數(shù)量級，而且價格昂貴，不大適用于普通大面積導(dǎo)電電路的制備。金屬導(dǎo)電墨水常見的有金導(dǎo)電墨水、銀導(dǎo)電墨水和銅導(dǎo)電墨水等幾種。但由于銀具有價格比金低廉許多，而化學(xué)性質(zhì)比銅穩(wěn)定等特點，綜合考慮導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電性能、生產(chǎn)成本時，銀導(dǎo)電墨水具有較高的性價比。利用噴墨打印技術(shù)制備導(dǎo)電電路的另一個關(guān)鍵技術(shù)是導(dǎo)電墨水噴墨打印出電路圖案后的燒結(jié)過程的控制。一般來說，燒結(jié)溫度越高，電路圖案的電阻率越低，即導(dǎo)電性越好。在現(xiàn)有技術(shù)中，提高燒結(jié)溫度可以得到較好的導(dǎo)電性，但是大部分的柔性襯底都無法承受200°C以上的溫度，因此，現(xiàn)有的柔性電子在柔性襯底的選擇上受到限制。如2012年3月28日公開的中國發(fā)明專利申請公布說明書CN102391716A公開了一種柔印納米銀導(dǎo)電墨水及其制備方法，當(dāng)其燒結(jié)溫度低于200°C時，其具有極高的方塊電阻(>1000 Ι Ω/口)，進(jìn)而限制了該墨水在需要較低溫度燒結(jié)的柔性襯底上的應(yīng)用，同時該墨水的制備采用甲苯等為溶劑，在實際生產(chǎn)中具有毒性和異樣氣味，不符合綠色墨水的要求；2010年8月18日公開的中國發(fā)明專利申請公布說明書CN101805538A公開了可低溫?zé)Y(jié)的導(dǎo)電墨水，當(dāng)燒結(jié)溫度在130°C時，其得到的銀導(dǎo)線的電阻率為100 μ Ω ·_，約為塊體銀的電阻率的60多倍，較高的電阻率同樣限制了其在柔性襯底上制備銀導(dǎo)電電路的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低溫?zé)Y(jié)功能好的納米銀導(dǎo)電墨水及其制備方法。該納米銀導(dǎo)電墨水不含有毒溶劑，制備過程綠色環(huán)保，可在較低的燒結(jié)溫度下得到導(dǎo)電性能較好的導(dǎo)電電路，應(yīng)用時柔性襯底的選擇范圍大。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于，其重量百分比組成包括
表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒5 50%，
墨水溶劑40 85%，
表面張力調(diào)節(jié)劑O. 03^1%,
增粘劑O. 3 5%，
分散劑廣18%。優(yōu)選地，所述的銀顆粒的粒徑小于60nm。優(yōu)選地，所述的有機(jī)保護(hù)劑選自聚谷氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、月旨肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一種或兩種。優(yōu)選地，所述的墨水溶劑選自去離子水、無水乙醇、乙二醇中的一種或兩種。優(yōu)選地，所述的表面張力調(diào)節(jié)劑選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯酰胺中的一種或兩種。優(yōu)選地，所述的增粘劑選自松油醇、尼龍酸甲酯中的一種。優(yōu)選地，所述的分散劑選自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚氨酯、明膠、阿拉伯樹膠中的一種或兩種。所述的納米銀導(dǎo)電墨水的制備方法，包括以下步驟
1)在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒、表面張力調(diào)節(jié)劑、增粘齊U，得到混合溶液；
2)將混合溶液進(jìn)行攪拌廣4小時，攪拌過程中再添加分散劑；
3)將混合溶液超聲振蕩2(Γ60分鐘；
4)利用孔徑范圍為20(T500nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，即得到納米銀導(dǎo)電墨水。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的納米銀導(dǎo)電墨水不含有毒溶劑，穩(wěn)定性能好，在空氣環(huán)境中放置6個月，不會發(fā)生明顯沉聚現(xiàn)象；該墨水制備過程綠色環(huán)保，在較低的燒結(jié)溫度(8(T15(TC )下即可得到導(dǎo)電性能較好的導(dǎo)電電路，如在80°C的燒結(jié)溫度下，銀導(dǎo)電膜層的電阻率達(dá)到19. 5μ Ω -Cm0這不僅克服了現(xiàn)有導(dǎo)電墨水噴墨成型后的燒結(jié)溫度相對較高的問題，同時擴(kuò)大了噴墨印刷柔性電子電路中的導(dǎo)電墨水應(yīng)用的柔性襯底的選擇范圍。


圖I為利用本發(fā)明實施例I中納米銀導(dǎo)電墨水制備的線寬Ipt的銀導(dǎo)電線路的掃描電鏡圖；圖2為本發(fā)明實施例I中表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的納米銀顆粒的差熱-熱重分析圖； 圖3為本發(fā)明實施例I中表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的納米銀顆粒的透射電鏡 圖4為本發(fā)明實施例2中表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的納米銀顆粒的粒徑分析圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實施例I
在由40 g去離子水和5 g乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚谷氨酸的納米銀顆粒9g、聚乙烯吡咯烷酮O. 04g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然后將得到的溶液進(jìn)行攪拌I小時，攪拌的同時添加10 g聚乙二醇；再進(jìn)行超聲振蕩25分鐘；再利用460 nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，最后得到的溶液即為納米銀導(dǎo)電墨水。將上述制得的納米銀導(dǎo)電墨水應(yīng)用到普通壓電打印機(jī)，按照電腦上預(yù)制的電路圖 案，在照片紙上噴墨打印出銀導(dǎo)電膜層，并在100°C下干燥I h，利用四探針測試法結(jié)合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導(dǎo)電膜層的電阻率為17. 5μ Ω cm。同時利用該納米銀導(dǎo)電墨水，制備線寬Ipt的銀導(dǎo)電線路，其掃描電鏡圖如圖I所示。本實施例中表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的納米銀顆粒的差熱-熱重分析圖如圖2所示，其透射電鏡圖如圖3所示。實施例2
在由80g去離子水和15g乙二醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚丙烯酸的納米銀顆粒18g、十二烷基磺酸鈉O. 09g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然后將得到的溶液進(jìn)行攪拌2小時，攪拌的同時添加5g聚氨酯；再進(jìn)行超聲振蕩30分鐘；再利用360nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，最后得到的溶液即為納米銀導(dǎo)電墨水。本實施例中表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的納米銀顆粒的粒徑分析圖如圖4所示。將上述制得的納米銀導(dǎo)電墨水應(yīng)用到普通壓電打印機(jī)，按照電腦上預(yù)制的電路圖案，在照片紙上噴墨打印出銀導(dǎo)電膜層，并在125°C下干燥lh，利用四探針測試法結(jié)合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導(dǎo)電膜層的電阻率為16. 0μ Ω · cm。實施例3
在由30g去離子水和5g無水乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著脂肪醇聚氧乙烯醚的納米銀顆粒6g、聚乙烯吡咯烷酮O. 02g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然后將得到的溶液進(jìn)行攪拌3小時，攪拌的同時添加7g聚乙烯醇；再進(jìn)行超聲振蕩20分鐘；再利用250nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，最后得到的溶液即為納米銀導(dǎo)電墨水。將上述制得的納米銀導(dǎo)電墨水應(yīng)用到普通壓電打印機(jī)，按照電腦上預(yù)制的電路圖案，在照片紙上噴墨打印出銀導(dǎo)電膜層，并在80°C下干燥lh，利用四探針測試法結(jié)合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導(dǎo)電膜層的電阻率為19. 5μ Ω · cm。實施例4
在由40g去離子水和3g乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚氧丙烯的納米銀顆粒6g、聚丙烯酰胺O. 03g、尼龍酸甲酯O. 5g，得到混合溶液；然后將得到的溶液進(jìn)行攪拌I. 5小時，攪拌的同時添加5g明膠；再進(jìn)行超聲振蕩30分鐘；再利用480nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，最后得到的溶液即為納米銀導(dǎo)電墨水。將上述制得的納米銀導(dǎo)電墨水應(yīng)用到普通壓電打印機(jī)，按照電腦上預(yù)制的電路圖案，在照片紙上噴墨打印出銀導(dǎo)電膜層，并在150°C下干燥lh，利用四探針測試法結(jié)合掃描 電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導(dǎo)電膜層的電阻率為15. Ομ Ω · cm。
權(quán)利要求
1.一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于，其重量百分比組成包括 表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒5 50%， 墨水溶劑40 85%， 表面張力調(diào)節(jié)劑O. 03^1%, 增粘劑O. 3 5%， 分散劑I 18%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的銀顆粒的粒徑小于 60nmo
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的有機(jī)保護(hù)劑選自聚谷氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一種或兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的墨水溶劑選自去離子水、無水乙醇、乙二醇中的一種或兩種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的表面張力調(diào)節(jié)劑選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯酰胺中的一種或兩種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的增粘劑選自松油醇、尼龍酸甲酯中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種納米銀導(dǎo)電墨水，其特征在于所述的分散劑選自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚氨酯、明膠、阿拉伯樹膠中的一種或兩種。
8.一種制備權(quán)利要求I或2所述的納米銀導(dǎo)電墨水的方法，其特征在于包括以下步驟 1)在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒、表面張力調(diào)節(jié)劑、增粘齊U，得到混合溶液； 2)將混合溶液進(jìn)行攪拌廣4小時，攪拌過程中再添加分散劑； 3)將混合溶液超聲振蕩2(Γ60分鐘； 4)利用20(T500nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，即得到納米銀導(dǎo)電墨水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米銀導(dǎo)電墨水，其重量百分比組成包括表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒5~50%，墨水溶劑40~85%，表面張力調(diào)節(jié)劑0.03~1%，增粘劑 0.3~5%，分散劑1~18%。其制備方法為在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機(jī)保護(hù)劑的銀顆粒、表面張力調(diào)節(jié)劑、增粘劑，得到混合溶液；將混合溶液進(jìn)行攪拌1~4小時，攪拌過程中再添加分散劑；將混合溶液超聲振蕩20~60分鐘；利用200~500nm的有機(jī)濾膜進(jìn)行過濾，即得到納米銀導(dǎo)電墨水。本發(fā)明的納米銀導(dǎo)電墨水不含有毒溶劑，制備過程綠色環(huán)保，可在較低的燒結(jié)溫度下得到導(dǎo)電性能較好的導(dǎo)電電路，應(yīng)用時柔性襯底的選擇范圍大。
文檔編號C09D11/02GK102827509SQ201210285630
公開日2012年12月19日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者沈文鋒, 黃琦金, 宋偉杰 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所