使用金属丝来制备导电薄膜的方法以及导电薄膜

摘要

一种制造导电薄膜的方法以及由此方法制得的导电薄膜。所述方法包括：通过使用超声波的切割步骤以及使用酸的化学反应步骤中的至少一个步骤对碳纳米管进行预处理；将所述碳纳米管分散在溶剂中；将金属丝与所述碳纳米管的分散溶液混合；以及通过在基底上涂覆混合的生成物以形成电极层。因此，能够容易地制得具有高透光度和高导电率的导电薄膜。

权利要求

1.一种制备导电薄膜的方法，该方法包括：通过使用超声波的切割步骤以及使用酸的化学反应步骤中的至少一个步骤对碳纳米管进行预处理；

将所述碳纳米管分散在溶剂中；

将金属丝与所述碳纳米管的分散溶液混合；以及通过在基底上涂覆混合的生成物以形成电极层；

其中，该方法还包括向所述溶剂中添加离子化的液体材料，并且所述离子化的液体材料包括1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑和1-甲基-3-甲基咪唑中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳纳米管包括以下组中的至少一种：通过使用超声波的切割步骤制得的第一组；和通过使用酸的化学反应步骤制得的具有亲水性的第二组。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂包括二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、乙醇、水和氯苯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括通过使多种不同的材料相互反应来合成所述金属丝。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述合成的步骤包括：用于加热乙二醇溶液的加热步骤；

用于向化学反应的溶液中添加反应物的加料步骤；以及用于通过对所述溶液进行离心分离而生成金属丝的生成步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属丝的直径为1-2000纳米。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属丝的长度为1-100μm。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属丝含有金、银、铜和铂中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括向所述溶剂中添加导电聚合物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述导电聚合物包括聚3，4-乙撑二氧噻吩、多吡咯和聚苯胺中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括对所述基底的表面进行化学处理的表面处理过程，以使该表面具有亲水性或疏水性。

说明书

使用金属丝来制备导电薄膜的方法以及导电薄膜

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制备具有导电率和透光度的导电薄膜的方法，以及由该方法制得的导电薄膜。

背景技术

[0002] 导电薄膜是一种功能性的光学薄膜，广泛地应用在家电设备、工业设备和办公设备等中。

[0003] 现今，具有透光特性的透明导电薄膜被广泛地应用在具有低透明性和低电阻的设备中，例如，太阳能电池和各种显示设备(PDP、LCD和OLED)。作为透明的导电薄膜，通常使用氧化铟锡(ITO)。

[0004] 然而，ITO具有以下缺点：

[0005] 第一，ITO价格昂贵，并且对甚至较小的外部冲击力或应力的耐受性较低。

[0006] 第二，ITO具有较弱的机械稳定性(当被弯曲或折叠时)。

[0007] 第三，ITO的电学性质容易通过由于ITO的热膨胀系数与基底的热膨胀系数之间的差异而产生的热变形而发生改变。

[0008] 为了解决这些问题，提出了一种简单的用于制备导电薄膜的方法。

发明内容

[0009] 因此，本发明的目的在于提供一种能够制备导电薄膜的与常规方法不同的制备导电薄膜的方法，以及由该方法制得的导电薄膜。

[0010] 本发明的另一个目的在于提供一种具有增强的耐久性的导电薄膜。

[0011] 为了实现在此具体广泛描述的这些和其它的优点以及根据本发明的目的，提供一种制备导电薄膜的方法，该方法包括：通过使用超声波的切割步骤以及使用酸的化学反应步骤中的至少一个步骤对碳纳米管进行预处理；将所述碳纳米管分散在溶剂中；将金属丝与碳纳米管分散溶液混合；以及通过在基底(substrate)上涂覆混合的生成物以形成电极层。

[0012] 根据本发明的另一方面，所述溶剂可以包括二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、乙醇、水和氯苯中的至少一种。所述金属丝可以含有金、银、铜和铂中的至少一种。

[0013] 根据本发明的另一方面，所述制备导电薄膜的方法还可以包括通过使多种不同的材料相互反应来合成金属丝。所述金属丝的直径可以为1-2000纳米。所述金属丝的长度可以为1-100μm。所述合成的步骤可以包括：用于加热乙二醇溶液的加热步骤；用于向化学反应溶液中添加反应物的加料步骤；以及用于通过离心分离所述溶液而生成金属丝的生成步骤。

[0014] 根据本发明的另一方面，所述制备导电薄膜的方法还可以包括向所述溶剂中添加导电聚合物。所述导电聚合物可以包括聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、多吡咯和聚苯胺中的至少一种。

[0015] 根据本发明的另一方面，所述制备导电薄膜的方法还可以包括向所述溶剂中添加离子化的液体材料。所述离子化的液体材料可以包括1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑和1-甲基-3-甲基咪唑中的至少一种。

[0016] 根据本发明的另一方面，所述制备导电薄膜的方法还可以包括对所述基底的表面进行化学处理的表面处理过程，以使该表面具有亲水性或疏水性。

[0017] 根据本发明的另一种实施方式，所述制备导电薄膜的方法还可以包括：通过多种化合物间的化学反应来合成金属丝；将所述金属丝和碳纳米管分散在溶剂中；以及通过在透明基底上涂覆分散溶液而在所述透明基底的表面形成电极层。

[0018] 为了实现在此具体广泛描述的这些和其它的优点以及根据本发明的目的，还提供了一种导电薄膜，该导电薄膜包括：透明基底、电极层和金属丝，其中，所述电极层是通过在所述基底的表面涂覆碳纳米管而形成的；所述金属丝被设置在所述电极层上以与所述碳纳米管混合；并且所述碳纳米管可以由单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes)、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种形成。

[0019] 通过本发明说明书在下文的详细描述并结合附图，本发明的前述和其它的目的、特点、方面和优点更加显而易见。

附图说明

[0020] 附图用于对本发明进行进一步的说明，作为说明书的一部分与说明书一起来说明本发明的实施方式，并用于解释本发明的原理。附图包括：

[0021] 图1为根据本发明第一种实施方式的导电薄膜的示意图；

[0022] 图2为显示了根据本发明的第一种实施方式的制备导电薄膜的方法的流程图；

[0023] 图3为显示了合成将与所述导电薄膜混合的金属丝的方法的流程图；

[0024] 图4为沿着图1的IV-IV线的截面图；

[0025] 图5A和5B为图1中导电薄膜的放大图，显示了由扫描电子显微镜(SEM)所拍摄的导电薄膜；以及

[0026] 图6A和6B分别为显示了图2方法制备的导电薄膜的表面电阻和透光度的曲线图。

具体实施方式

[0027] 参考附图对本发明进行更详细的说明。

[0028] 在下文中，将参考附图对根据本发明的制备导电薄膜的方法以及由该方法制得的导电薄膜进行更详细的说明。

[0029] 不同的实施方式中的相同或相似的部分将使用相同或相似的标记数，并省略了对它们的详细说明。除非另有说明，本发明说明书的单数表达可以包括多个的意思。

[0030] 图1为本发明第一种实施方式的导电薄膜的示意图。

[0031] 关于图1，导电薄膜100包括基底110，碳纳米管121和金属丝122。

[0032] 所述基底110由透光材料制成，碳纳米管121和金属丝122彼此混合，在所述基底110的一侧表面上形成电极层120。

[0033] 所述金属丝122为丝状，用于维持导电薄膜100的光透射程度(下文称作“透光度”)。此外，所述金属丝122用于增强电极层120的导电率。

[0034] 图2为显示了根据本发明的第一种实施方式的制备导电薄膜的方法，图3为显示了合成将与导电薄膜混合的金属丝的方法的流程图。

[0035] 首先，对导电薄膜100的碳纳米管121进行预处理(S100)，以增强其与溶剂的亲和力。所述预处理(S100)是通过使用超声波的切割步骤(S110)以及使用酸的化学反应步骤(S120)中的至少一个步骤进行的。

[0036] 所述碳纳米管可以包括以下组中的至少一种：使用超声波的切割步骤(S110)制得的第一组；使用酸的化学反应步骤(S120)制得的具有亲水性的第二组。所述第一组和第二组可以彼此不同。然而，本发明并不限制于此。所述第一组通过化学反应可以被处理成具有亲水性，所述第二组可以被超声波切割。

[0037] 下面将对使用超声波对碳纳米管进行处理的过程进行说明。

[0038] 首先，将约400mg碳纳米管以1mg/1ml的体积比分散在约400ml的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中。然后，使用超声波设备对分散溶液进行超声波处理。所述超声波设备设置成棒型设备(corn-shaped one)，输出功率为约330W。以8000rpm的速率将切割后的碳纳米管进行离心分离约20分钟。最后，通过干燥设备将所述分散溶液干燥。更具体地，通过用于处理有机溶剂的冷冻干燥器蒸发二甲基甲酰胺(DMF)，从而收集到碳纳米管。

[0039] 经过切割步骤(S110)的碳纳米管的长度较短，显示出了增强的分散能力。

[0040] 在使用酸的化学反应步骤(S120)中，所述碳纳米管与酸进行化学反应从而具有亲水性。

[0041] 使用酸的化学反应步骤(S120)可以作为制备经过酸处理而具有亲水性表面的碳纳米管的步骤。

[0042] 在下文中将对使用酸的化学反应步骤(S120)进行解释。将约400mg的碳纳米管浸入在H2SO4和HNO3的以3∶1比例的混合溶液中。然后，用水对经酸处理的碳纳米管进行约1小时的中和。

[0043] 然后，通过聚四氟乙烯(PTFE)膜对经中和的溶液进行过滤，然后再中和直至pH为7。然后，收集保留在膜滤纸上的碳纳米管，用冷冻干燥器干燥。

[0044] 经过酸处理的碳纳米管的至少末端部分或侧表面具有化学反应基团“-COOH”。由于这个化学反应基团，所述碳纳米管在溶剂中具有增强的分散性。

[0045] 制备导电薄膜的方法可以包括合成金属丝的步骤(S200)。在该合成步骤(S200)中，所述金属丝是通过多个不同材料彼此之间的反应来合成的。

[0046] 下文中，将参考附图3对所述合成步骤(S200)进行解释。

[0047] 所述金属丝可以含有金、银、铜和铂中的至少一种。所述金属丝可以合成为具有1-2000纳米的直径。并且，所述金属丝可以合成为具有1-100μm的长度。

[0048] 在合成步骤(S200)中，所述金属丝是通过多个化合物彼此之间的化学反应来合成的。为了合成金属丝，将乙二醇(EG)溶液加热(S210)。例如，在烧瓶中添加约5ml的乙二醇溶液，然后在约180℃温度下热处理约30分钟。

[0049] 随后，将反应物加到溶液中以进行化学反应(S220)。例如，将含有1M AgNO3的乙二醇在约10秒钟内迅速加入到所述溶液中。然后，在约5分钟内将含有聚乙烯吡咯烷酮和Na2S的乙二醇加入到所述溶液中。在氩(Ar)保护气氛下处理混合有反应物的溶液约20分钟，以维持所述化学反应。然后，将所述溶液离心分离，从而生成金属丝(S230)。例如，使用丙酮对所述溶液进行洗涤，并以约4000rpm的转速离心分离约30分钟。然后，除去含有乙二醇的上层液体，并收集金属丝粉末。

[0050] 还是关于图2，制备导电薄膜的方法包括：用于在溶剂中分散碳纳米管的分散步骤(S300)；以及用于混合金属丝与碳纳米管分散溶液液的混合步骤(S400)。

[0051] 所述溶剂可以包括二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、乙醇、水和氯苯中的至少一种。

[0052] 例如，将3mg的经预处理的第一组或第二组碳纳米管加入到二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，然后分散在水罐型超声波设备中至少3小时。然后，合成的金属丝以与碳纳米管混合的状态分散在溶剂中。所述金属丝可以以1-200％的量与碳纳米管混合。然后，使用水罐型超声波设备对所述溶剂进行超声波处理约1小时，从而制备得到金属丝与碳纳米管彼此混合的分散溶液。

[0053] 所述分散步骤(S300)和混合步骤(S400)可以不受时间顺序的限制来进行。例如，可以首先将碳纳米管与金属丝彼此混合，再将混合物分散在溶剂中。

[0054] 最后，将金属丝与碳纳米管彼此混合的分散溶液涂覆在所述基底上，从而形成电极层(S500)。所述电极层可以在所述基底的表面形成，并且在碳纳米管和金属丝彼此混合时还具有导电性。

[0055] 所述基底是由透明材料形成的。更具体地，所述基底可以由玻璃、石英和合成树脂中的至少一种形成。

[0056] 关于涂覆的方法，可以使用旋转涂覆(spin coating)、化学蒸汽沉积(CVD)、电化学沉积(electrochemical deposition)、电泳沉积(electrophoreticdeposition)、溅射法(sputtering)、喷雾涂覆(spray coating)、浸渍涂覆(dip-coating)、真空过滤(vacuum filtration)、喷枪法(airbrushing)和刮刀法(doctor blade)中的一种方法。

[0057] 例如，可以通过在玻璃基底上滴加定量的碳纳米管与金属丝混合在一起的分散溶液来形成所述电极层，然后，以约1500rpm的转速旋转涂覆所述分散溶液约40秒。

[0058] 所述制备导电薄膜的方法可以包括：对所述基底的表面进行化学处理以使其具有亲水性或疏水性(S600)。例如，可以使用Piranha溶液对所述基底进行清洗以使其具有亲水性。

[0059] 下面将对化学处理步骤(S600)进行解释。首先，将切割成约1.5x1.5cm2的玻璃基底浸渍到H2SO4和H2O2以7∶3的比例混合的溶液中，清洗约30分钟。然后，使用水再次对该玻璃基底进行清洗。最后，在烘箱内约70℃下对所述玻璃基底进行干燥。通过这些处理，可以使所述玻璃基底具有亲水性。

[0060] 所述制备导电薄膜的方法可以包括至少一个以下步骤：将导电聚合物加入到溶剂中；将离子化的液体材料加入到溶剂中。所述导电聚合物可以包括聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、多吡咯和聚苯胺中的至少一种。所述导电聚合物可以用作分散碳纳米管时的粘合剂(binder)。所述离子化的液体材料可以包括1-丁基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑和1-甲基-3-甲基咪唑中的至少一种。最终，所述碳纳米管和所述金属丝可以分别具有增强的分散性。

[0061] 下面将参考图4和5对由前述方法制备的导电薄膜进行解释。图4是沿着图1中的IV-IV线的截面图，图5A和5B是图1中导电薄膜的放大图，显示了由扫描电子显微镜(SEM)拍摄的导电薄膜。

[0062] 透光性的基底110是由透射性材料形成的。当涂覆碳纳米管121时形成的电极层120在基底110的一侧表面上形成。在电极层120上，设置金属丝122以使其与碳纳米管
121混合。所述碳纳米管121可以包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种。

[0063] 参考图4，金属丝122的直径可以为1-2000nm，比碳纳米管121的直径要大。通过扫描电子显微镜(SEM)对图5中显示的金属丝进行分析。由于碳纳米管的微小直径使所述导电薄膜100具有透光性，并且金属丝122使所述导电薄膜100能够维持透光度。并且，金属丝122使所述导电膜100具有增强的导电性。由于碳纳米管121具有高强度、高硬度和高化学稳定性，导电薄膜100可以具有增强的耐久性。

[0064] 图6A和6B分别为显示了由图2中的方法制备的导电薄膜的表面电阻和透光度的曲线图。

[0065] 图6A为显示了导电薄膜的表面电阻的曲线图，所述表面电阻是由四末端电阻检测设备检测的。图6B是显示了导电薄膜透光度的曲线图，所述透光度是通过紫外线检测的。SWNT/PEDOT表示制备的不具有金属丝的导电薄膜，SWNT/PEDOT/金属丝表示使用金属丝制得的导电薄膜。参考图6A，具有金属丝的导电薄膜在甚至较低涂覆次数的情况下也具有较低的表面电阻。参考图6B，根据涂覆的次数，具有金属丝的导电薄膜的透光度几乎没有变化，因为丝状的金属被加入到导电薄膜中。

[0066] 本发明中，可以以简单的方式通过将碳纳米管与金属丝彼此混合而形成导电薄膜。因此，所述导电薄膜可以具有更均一的导电性。

[0067] 此外，由于具有金属丝，本发明的导电薄膜可以减少表面电阻而维持透光度。这可以使所述导电薄膜具有增强的耐久性。

[0068] 仅示例性地给出了前述实施方式和优点，但并不应该将它们看作对本发明的限制。本发明的教导能够容易地应用于其它类型的设备中。本发明的说明书目的在于说明，而不是为了限制权利要求的范围。本领域技术人员能够作出多种替换、修改和改变。在此描述的示例性的实施方式的特征、结构、方法和其它特性可以以多种方式结合，以获得另外的和/或替换性的示例性实施方式。

[0069] 在不背离本发明特性的情况下，可以使本发明的特点以多种形式具体化，应该理解的是，除非另有说明，上文描述的实施方式不受前述说明书的任何细节的限制，其范围如所附的权利要求所示，因此，落入到权利要求的范围和边界范围的以及等同于权利要求的范围和边界范围的内容均在所附权利要求范围之内。