本發(fā)明是有關(guān)一種用于無(wú)線天線的導(dǎo)電墨水組合物及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)電性可被顯著提升，并大幅降低成本。

背景技術(shù)：

用于印刷過(guò)程，例如網(wǎng)版印刷及噴墨印刷的導(dǎo)電墨水太過(guò)昂貴，以致印刷過(guò)程中的利用率無(wú)法優(yōu)于金屬蝕刻過(guò)程，故造成高成本及有毒的污染。

金屬，像是銀，鎳和銅為導(dǎo)電的材料，這也是為何導(dǎo)電性墨水的價(jià)格仍然居高不下的關(guān)鍵原因。因此，如何減少金屬量并維持其電組仍是主要的議題。

另一方面，金屬的高燒溫度經(jīng)常會(huì)限制基板的應(yīng)用及選擇。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，具天線的無(wú)線設(shè)備扮演著重要的角色。在裝置中的傳統(tǒng)天線通過(guò)蝕刻過(guò)程，由銅或鋁制成。但這個(gè)過(guò)程不僅價(jià)格昂貴，而且還會(huì)產(chǎn)生許多高污染的廢棄物。此外，蝕刻過(guò)程也會(huì)限制基板的選擇。因此，印刷過(guò)程，如網(wǎng)版印刷及噴墨印刷是最近的焦點(diǎn)。

雖然印刷過(guò)程可節(jié)省成本且具環(huán)保優(yōu)點(diǎn)。但在印刷過(guò)程中，導(dǎo)電墨水非常昂貴，可能具較差的穩(wěn)定性或有限的壽命時(shí)間。在導(dǎo)電墨水中的導(dǎo)電材料由金屬制成，例如，銀，鎳，銅等。但與碳類(lèi)材質(zhì)相比，金屬導(dǎo)電均具有高價(jià)格及潛在氧化的問(wèn)題。

美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,763,187揭示一奈米碳管(布基球，且石墨烯也可被交替使用)可用以作為被分開(kāi)的銀材料之間間隙的橋梁。該增強(qiáng)奈米碳管中的銀墨水表現(xiàn)出更佳的機(jī)械，電氣和熱性能。在該專(zhuān)利中，銀的含量為2～95重量％。

美國(guó)專(zhuān)利號(hào)8,709,187揭示一種用于射頻識(shí)別的水性銀墨。片電阻可以低到120毫歐姆/平方(～24毫歐姆/方/密耳)，通過(guò)它的讀取 范圍為至少3米。碳，傳統(tǒng)上為炭黑及石墨，也可以作為導(dǎo)電材料。其銀含量為約50到70wt％的組合物，而樹(shù)脂為約4至10wt％。

此外，中國(guó)公開(kāi)號(hào)103436099揭示一種低成本的銀/碳墨水用于網(wǎng)版印刷。該墨水包括55至72wt％的碳/銀組成物及10至25wt％的導(dǎo)電樹(shù)脂。其涂層在130至150度進(jìn)行干燥。所述方式可節(jié)省30％的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是提供一種用于無(wú)線天線的導(dǎo)電墨水組成物及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其可降低銀的含量，但仍可保持較高的導(dǎo)電性。

為達(dá)到上述目的，由本發(fā)明所提供的一種用于無(wú)線天線的導(dǎo)電墨水組成物及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，包含：

該碳粉作為導(dǎo)電“捕捉籠”的碳粉，其包含石墨烯、天然石墨、片狀碳黑(例如KS6)、球狀石墨任一種或一種以上的組合；

至少占總固體重量比為0.01～0.1wt％的分散劑；

至少一載體的溶劑，且其占該導(dǎo)電墨水組成物30～75wt％；其中

該銀薄片及/或銀粉占該導(dǎo)電墨水組成物10～60wt％；

該碳粉占該導(dǎo)電墨水組成物中總固體重量比5～20wt％，該碳粉的厚度為1至10000奈米(nm)，粒徑為0.1～100微米(um)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明利用較佳實(shí)施例可更詳細(xì)地被解釋如下：

圖1a是依據(jù)本發(fā)明的無(wú)粘著劑導(dǎo)電碳“捕捉籠”示意圖；

圖1b是依據(jù)本發(fā)明導(dǎo)電碳“捕捉籠”捕捉在碳薄片中金屬粒子的示意圖；

圖2a是商業(yè)用銀墨涂層的光學(xué)顯微鏡顯示圖像；

圖2b是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑銀/碳墨水顯示出石墨碳薄片捕獲的銀顆粒，且被填充在空隙中的光學(xué)顯微鏡顯示圖像；

圖3a是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑銀/碳墨水涂層被壓縮以前的光學(xué)顯微鏡顯示圖像；

圖3b是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑銀/碳墨水涂層被壓縮以后的光學(xué)顯微鏡顯示圖像；

圖4a是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本1的銀墨水顯示圖；

圖4b是依據(jù)本發(fā)明具粘著劑樣本2的銀墨水顯示圖；

圖4c是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本3的銀/碳墨水(A)顯示圖；

圖4d是依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本4的銀/碳墨水(B)顯示圖；

圖5是依據(jù)本發(fā)明該樣本1至樣本4的電阻效能比較表；

圖6是依據(jù)本發(fā)明該樣本1至樣本4的壓縮效力比較表；

圖7是依據(jù)本發(fā)明具45wt％銀含量的無(wú)粘著劑銀/碳墨水的比較表；

圖8是依據(jù)本發(fā)明射頻識(shí)別的讀取范圍顯示表，其中至少4米的范圍可被讀取，其顯示我們的墨水可被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)版印制的天線。

具體實(shí)施方式

依據(jù)本發(fā)明一種用于無(wú)線天線的導(dǎo)電墨水組合物及導(dǎo)電“捕捉籠”可降低其銀含量，但仍可保持高導(dǎo)電性。

在前述墨水的歷史中具有兩種主要的方法：1.調(diào)整導(dǎo)電材料，例如添加補(bǔ)充金屬，碳，或表面處理銀；2更換具導(dǎo)電聚合物的隔離粘著劑。

碳可以用于導(dǎo)電連接，例如，碳材料，像是石墨烯，碳奈米管，石墨等，可添加作為輔助導(dǎo)電材料或作為銀顆粒之間的導(dǎo)電橋梁。

針對(duì)上述內(nèi)容，我們提出的碳奈米片不僅可作為導(dǎo)電“捕捉籠”，也可作為捕捉籠矩陣，用以捕捉導(dǎo)電粒子。

如圖1a所示，碳薄片將建立一多孔混合物，作為本發(fā)明的導(dǎo)電碳“捕捉籠”。另一方面，壓縮更被進(jìn)一步應(yīng)用作為封閉多孔空間，藉以形成密致的導(dǎo)電薄片。如圖1b所示，金屬粉末被導(dǎo)電碳“捕捉籠”困住并相互鏈結(jié)，而非如絕緣體類(lèi)型的粘著劑情況。此捕捉籠的籠門(mén)被封閉，用以?shī)A持金屬顆粒，而無(wú)需使用經(jīng)壓縮后的任何粘著劑。此方式無(wú)需使用絕緣類(lèi)型的粘著劑，且可增加墨水導(dǎo)電性。在 本發(fā)明中的碳薄片不僅是導(dǎo)電材料，而且可作為高效率捕捉籠，用以捕捉金屬顆粒。

石墨碳薄片的粘著力來(lái)自于介面之間的范德華力。由于范德華力的反-正比距離，其密合力可通過(guò)該涂層的壓縮達(dá)成，而無(wú)需使用粘著劑。

如圖2a所示，其為該商業(yè)用銀墨的光學(xué)顯微鏡顯示圖，該銀墨具有許多空隙。因此，顆粒與粘著劑之間的燒結(jié)無(wú)法避免，藉以確保金屬連接及墨水的附著力。另一方面，如圖2b所示，其為本發(fā)明的銀/碳墨水光學(xué)顯微鏡顯示圖，其中，在銀之間的空隙完全被石墨碳薄片填補(bǔ)。憑借其粘著力，碳薄片不僅可抓住銀顆粒，也可作為一種有效的粘著劑。

如前述內(nèi)容，壓縮，縮減石墨碳薄片及其它介面之間的距離，可以大幅提高黏合性。當(dāng)在墨水組成物中的銀含量較低時(shí)，這樣的觀念更切合實(shí)際。然而，壓縮也有助于銀與銀介面中的連接，而不管碳是否存在，因?yàn)殂y為一種韌性金屬，故可節(jié)省在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的墨水。

導(dǎo)電石墨烯捕捉籠的觀念更可進(jìn)一步在光學(xué)顯微鏡顯示圖像中被確定。從沉積和壓縮涂層的光學(xué)顯微鏡顯示圖，如圖3a和圖3b所示，這些介面的接觸可以被觀察出來(lái)。如棄置的銀/碳涂層顯示出一多孔及不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其經(jīng)輾壓后成為更致密的薄膜。因此，多孔碳奈米片混合物被作為導(dǎo)電“捕捉籠”，用以在輾壓后捕捉銀顆粒，而無(wú)需任何粘著劑連接。因此，在顆粒及被顯示表面之間的壓縮涂層具有高導(dǎo)電性及良好的附著力。

該銀薄片及/或銀粉的粒徑為10奈米至100微米。該碳粉為導(dǎo)電“捕捉籠”，且包含石墨烯、天然石墨、片狀碳黑(例如KS6)、球狀石墨其中的任一種或一種以上的組合，該碳粉的厚度為1至10000奈米(nm)，粒徑為0.1～100微米(um)。該銀薄片及/或銀粉占該導(dǎo)電墨水組成物10～60wt％；該碳粉占該導(dǎo)電墨水組成物中總固體重量 比5～20wt％。

分散劑亦包含在該導(dǎo)電墨水組成物中。該分散劑可為離子型分散劑或非離子型分散劑，該離子型分散劑包含P-123，Tween 20，Xanthan gum，Carboxymethyl Cellulose(CMC)，Triton X-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji 30其中的任一種或一種以上的組合，其中該非離子型分散劑包含Poly(sodium 4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethyl ammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammonium bromide(HTAB)，Sodium taurodeoxycholate hydrate(SDS)，1-Pyrenebutyric acid(PBA)其中的任一種或一種以上的組合。該分散劑占總固體重量比為0.01～0.1％(wt％)。

該導(dǎo)電墨水組成物的溶劑可為一或數(shù)個(gè)載體。該載體可為純水，有機(jī)或是非有機(jī)溶劑。該適用的載體包括：Methyl-2-pyrrolidone(NMP)，IPA(Isopropyl alcohol)，ethanol，glycerol，ethylene glycol，butanol，propanol，Propylene glycol monomethyl ether(PGME)，Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA)，苯，甲苯其中的任一種。該溶劑占導(dǎo)電墨水組成物30至75％(wt％)。

熱干燥法為該導(dǎo)電墨水的主要干燥方法。其加熱溫度范圍為30至300℃，溫度越高則加熱時(shí)間越短。在干燥步驟后，天線會(huì)被進(jìn)一步輾壓，以便提高無(wú)線天線的導(dǎo)電線密度。該輾壓比例為天線圖案原始厚度的0.5～99％。

在附著力試驗(yàn)中，我們固定的銀含量在非常低的水平(占總組成物的15wt％)，并分別添加固定量(約30wt％)的導(dǎo)電碳和粘著劑，用于粘著力及電阻的比較。純銀墨水亦被比較。然而，銀的含量必須增加至45wt％的純銀，才可獲得能夠被接受的涂層。

圖4a依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本1的銀墨水顯示圖；圖4b依據(jù)本發(fā)明具粘著劑樣本2的銀墨水顯示圖；圖4c依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本3的銀/碳墨水(A)顯示圖；圖4d依據(jù)本發(fā)明無(wú)粘著劑樣本4的銀/碳墨水 (B)顯示圖，其中，在樣本3及樣本4中的碳配方組成物不同。

經(jīng)擦拭后，人們可以發(fā)現(xiàn)，銀與碳具有優(yōu)異的附著力可媲美粘著劑。然而，純銀導(dǎo)電墨水的導(dǎo)線幾乎全軍覆沒(méi)。

參見(jiàn)圖5，在電阻性能中，不具粘著劑的銀墨水顯示相對(duì)低的電阻，因?yàn)殂y的含量高出三倍(45wt％對(duì)15wt％)。

具粘著劑的銀墨水顯示非常高的性能，因?yàn)檎持鴦榻^緣體，且該導(dǎo)電銀太少而無(wú)法作為粘著劑中的導(dǎo)電通道。

此外，無(wú)粘著劑的銀/石墨碳具有良好的導(dǎo)電性。這顯示本發(fā)明的墨水組成物具有高競(jìng)爭(zhēng)力的電阻，粘著性，與價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

參見(jiàn)圖6，在電阻上的壓縮效果觀察中，該壓縮能夠大幅減少電阻最多可達(dá)到小于具碳成分的銀及純銀的效果。

碳組成物亦被發(fā)現(xiàn)可影響電阻。

值得注意的是，當(dāng)具有占總墨水組成物15wt％的銀時(shí)，墨水的電阻可以降低至1.5歐姆/平方/密耳。這表示，通過(guò)調(diào)整組成物在相對(duì)低的銀含量時(shí)，可獲得低成本效益及電阻彈性。

如圖7所示，我們其中一種無(wú)粘合劑的銀/碳墨水的銀含量為45wt％(與已用的純銀墨水相同)，且該電阻幾乎是相同的。這顯現(xiàn)出碳奈米薄片可以顯著提高附著力，但不影響電阻。

而后，無(wú)粘著劑的銀/碳墨水可通過(guò)網(wǎng)版印刷，被印刷至具不同天線圖案的紙張上。如圖8所示，該天線可讀取范圍被顯示于列表中，其中，在至少4米的距離內(nèi)該天線可以被讀取，這表示我們的墨水可廣泛被應(yīng)用于網(wǎng)版印刷的天線。