[发明专利]丝网印刷纳米银导电墨水及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种丝网印刷纳米银导电墨水及其制备方法，属于电子印刷材料技术。

背景技术

在传统的电子及微电子行业，多采用光刻蚀的方式制备导电线路和电子元器件，其制备工艺复杂，同时在制备过程中产生了大量的化学污染以及原料浪费，这与电子行业当前对于生产效率的要求，以及社会所倡导的环境友好式生产方式不相符合。相比之下，现代印刷技术例如喷墨、胶印、凹印、静电印刷和丝网印刷等则是一种高效、环保、低成本的生产方式。导电油墨尤其是导电墨水的发展使得采用印刷的方式制备各种导电线路及电子元器件成为一种可能，这就是“印刷电子”，并已经在包括薄膜晶体管电路、显示器、互连线、光伏电池、传感器和连动器等方面获得应用。

纳米金属导电墨水是含有可在基材上形成导电线路的纳米金属粒子的一类墨水的总称。其原料易得、工艺简单，而且所形成的线路导电性高，现在倍受瞩目，是目前导电墨水发展的重点和方向。纳米金属粒子比重较大，且比表面能高，易于聚结，必需采用适当的方式提高其在导电墨水中的分散稳定性。保护剂可以与金属纳米颗粒相互作用并包覆在其表面，从而抑制粒子的成核、生长，并阻止粒子的团聚和沉降，常常被用来提高纳米金属颗粒的分散稳定性。扩散剂既可与纳米金属粒子表面相互作用，又能与溶剂相互作用，有助于降低纳米金属粒子的界面能，因此也可用于提高纳米金属颗粒的分散稳定性。但是，这些保护剂和扩散剂同时会影响电子在打印涂层中金属纳米粒子间的传输，因此必须有一个后处理过程例如热处理来促进粒子烧结，提高涂层的导电性。而较高的后处理温度限制了金属纳米颗粒悬浮液的应用范围。众所周知，当今电子及微电子行业对于柔性显示器件的需求日益增加，而柔性显示器件的支撑基材多为一些透明高分子薄膜，如PET、PEN等，这类高分子薄膜的耐受温度多低于200℃，因此如何在较低的后处理温度下得到导电性能优良的导电涂层成为众多研究者关注的重点之一。另一方面，由于纳米金属导电涂层的组成相对单一，导电涂层与各种基材的附着力强度较弱，容易在后续的加工、运输过程中及使用中出现脱落或摩擦损坏，难以保证其导电性能的稳定性。因此，如何降低纳米金属导电涂层后处理温度以及提高涂层附着力是纳米金属悬浮液导电墨水面临的两大难题。

为了降低涂层后处理温度，研究者们探讨了墨水组成、纳米金属粒径、后处理条件对导电涂层热处理过程中微观结构与导电性的影响，尝试改变保护剂结构并减弱其与纳米金属粒子的相互作用，实现保护剂在较低温度下的脱吸附与分解，从而降低导电涂层后处理温度。Kim等在文章Highly conductive ink jet printed films of nanosilver particles for printable electronics(Electrochemical and solid-state letters，2005，8(11)：J30～J33)中报道了一种以聚乙烯基吡咯烷酮为保护剂的纳米银导电墨水，其热处理温度为200℃。Nguyen等在文章Nitrocellulose-stabilized sliver nanoparticles as low conversion temperature precursors useful for inkjet printed electronics(Journal of materials chemistry，2007，17：1725～1730)中以硝化纤维为保护剂制备了一种纳米银导电墨水，其热处理温度为190℃。Volkman等在文章Ink-jetted silver/copper conductors for printed RFID applications(Materials research society symposium proceedings，2004，814：151～156)报道了一种烷基硫醇为保护剂的纳米银导电墨水其热处理温度为200℃。Li等(Journal ofthe American chemical society，2005，127：3266～3267)报道了一种以烷基胺为保护剂的纳米银导电墨水，其热处理温度为140℃。但是，减弱保护剂与纳米金属颗粒作用力，往往又会影响纳米金属颗粒的粒径，同时降低纳米金属颗粒的分散稳定性。此外，烷基硫醇、烷基胺等小分子保护剂在热处理过程中发生分解，因此所制备的涂层附着力很差。