一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法转让专利
申请号 : CN202011640019.4
文献号 : CN112768141B
文献日 : 2021-12-28
发明人 : 陈小明 , 王硕 , 邵金友 , 王春江 , 张洁 , 李祥明 , 田洪淼
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:具体步骤如下:
第一步:将洁净衬底(3)置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,在洁净衬底(3)上打印具有沟槽结构(1)的可溶性光敏树脂模具(2);
第二步:使用医用刮刀将导电浆料刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构(1)中,填满沟槽,然后将其置于60‑80℃烘台上加热5‑15分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步:将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
1‑3%的NaOH溶液中,浸泡1.5‑2.5h,溶解可溶性光敏树脂模具(2),得到裸露在洁净衬底(3)表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于60‑80℃的烘台上加热5‑15分钟烘干导电网络(4);
第四步:将第三步中得到的具有导电网络(4)的洁净衬底(3)置于匀胶机上旋涂3‑5ml柔性透明聚合物(5),旋涂参数为低速600‑700rad/min,10‑12s,高速1000‑1200rad/min,
30‑40s,然后置于真空干燥箱中抽真空10‑15分钟,使导电网络(4)完全嵌入在柔性透明聚合物(5)中,再置于75‑85℃的真空干燥箱中加热1‑2h固化柔性透明聚合物(5);
第五步:将第四步中得到的固化的柔性透明聚合物(5)从洁净衬底(3)上揭下,其中导电网络(4)完全嵌入在柔性透明聚合物(5)中,伴随柔性透明聚合物(5)一起从洁净衬底(3)上揭下,形成了柔性透明导电薄膜(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:所述的第一步中洁净衬底(3)为刚性洁净衬底,包括硅片。
3.根据权利要求1所述的一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:所述的第一步中沟槽结构(1)的形状结构通过用于微立体光刻技术的模型自由设计构建。
4.根据权利要求1所述的一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:所述的第二步中用于刮涂的导电浆料包括碳纳米管溶液、石墨烯溶液、导电银浆或液态金属。
5.根据权利要求1所述的一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:所述的第四步中柔性透明聚合物(5)为能通过交联反应从液态固化为固态,且固化后具有透明、柔性性质的聚合物,包括聚二甲基硅氧烷。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,其特征在于:具体步骤如下:
第一步,选用硅片作为洁净衬底(3),将硅片置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,根据微立体光刻技术的模型设计构建方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构(1)为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具(2),打印沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
第二步,以10wt%的碳纳米管溶液为导电浆料,在可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中刮涂10wt%的碳纳米管溶液,具体步骤为使用医用刮刀将10wt%的碳纳米管溶液刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于60℃的烘台上加热10分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步,将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
1%的NaOH溶液中,浸泡2.5h溶解可溶性光敏树脂模具,得到裸露在硅片表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于60℃的烘台上加热15分钟烘干导电网络(4);
第四步,柔性透明聚合物(5)采用聚二甲基硅氧烷,将第三步所得具有导电网络(4)的硅片置于匀胶机上旋涂聚二甲基硅氧烷,具体为:将聚二甲基硅氧烷本体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后,取3ml浇筑在具有导电网络(4)的硅片上,用匀胶机旋涂,旋涂参数为低速600rad/min,12s,高速1000rad/min,40s,置于真空干燥箱中抽真空10min,使导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,再将其置于75℃烘箱中加热2h,使聚二甲基硅氧烷固化;
第五步,将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上揭下,其中导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,会伴随聚二甲基硅氧烷一起从硅片上揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜(6)。
7.一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,具体步骤如下:第一步,选用硅片作为洁净衬底(3),将硅片置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,根据微立体光刻技术的模型设计构建方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构(1)为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具(2),打印沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
第二步,以7wt%的碳纳米管溶液为导电浆料,在可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中刮涂7wt%的碳纳米管溶液,具体步骤为:使用医用刮刀将7wt%的碳纳米管溶液刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于65℃的烘台上加热15分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步,将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
1.5%的NaOH溶液中,浸泡2.5h溶解可溶性光敏树脂模具,得到裸露在硅片表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于65℃的烘台上加热15分钟烘干导电网络(4);
第四步,柔性透明聚合物(5)采用聚二甲基硅氧烷,将第三步所得具有导电网络(4)的硅片置于匀胶机上旋涂聚二甲基硅氧烷,具体为:将聚二甲基硅氧烷本体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取3.5ml浇筑在具有导电网络(4)的硅片上,用匀胶机旋涂,旋涂参数为低速600rad/min,12s,高速1000rad/min,40s,置于真空干燥箱中抽真空10min,使导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,再将其置于80℃烘箱中加热1.5h,使聚二甲基硅氧烷固化;
第五步,将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上揭下,其中导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,会伴随聚二甲基硅氧烷一起从硅片上揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜(6)。
8.一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,具体步骤如下:第一步,选用硅片作为洁净衬底(3),将硅片置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,根据微立体光刻技术的模型设计构建方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构(1)为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具(2),打印沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
第二步,以5wt%的石墨烯溶液为导电浆料,在可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中刮涂5wt%的石墨烯溶液,具体步骤为使用医用刮刀将5wt%的石墨烯溶液刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于70℃的烘台上加热10分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步,将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
2%的NaOH溶液中,浸泡2h溶解可溶性光敏树脂模具,得到裸露在硅片表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于70℃的烘台上加热10分钟烘干导电网络(4);
第四步,柔性透明聚合物(5)采用聚二甲基硅氧烷,将第三步所得具有导电网络(4)的硅片置于匀胶机上旋涂聚二甲基硅氧烷,具体为:将聚二甲基硅氧烷本体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取4ml浇筑在具有导电网络(4)的硅片上,用匀胶机旋涂,旋涂参数为低速650rad/min,11s,高速1100rad/min,35s,置于真空干燥箱中抽真空10min,使导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,再将其置于80℃烘箱中加热1.5h,使聚二甲基硅氧烷固化;
第五步,将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上揭下,其中导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,会伴随聚二甲基硅氧烷一起从硅片上揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜(6)。
9.一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,具体步骤如下:第一步,选用硅片作为洁净衬底(3),将硅片置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,根据微立体光刻技术的模型设计构建方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构(1)为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具(2),打印沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
第二步,以导电银浆为导电浆料,在可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中刮涂导电银浆,具体步骤为使用医用刮刀将导电银浆刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于75℃的烘台上加热10分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步,将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
2.5%的NaOH溶液中,浸泡1.5h溶解可溶性光敏树脂模具,得到裸露在硅片表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于75℃的烘台上加热10分钟烘干导电网络(4);
第四步,柔性透明聚合物(5)采用聚二甲基硅氧烷,将第三步所得具有导电网络(4)的硅片置于匀胶机上旋涂聚二甲基硅氧烷,具体为:将聚二甲基硅氧烷本体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取4.5ml浇筑在具有导电网络(4)的硅片上,用匀胶机旋涂,旋涂参数为低速650rad/min,11s,高速1100rad/min,35s,置于真空干燥箱中抽真空15min,使导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,再将其置于80℃烘箱中加热1.5h,使聚二甲基硅氧烷固化;
第五步,将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上揭下,其中导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,会伴随聚二甲基硅氧烷一起从硅片上揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜(6)。
10.一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法,具体步骤如下:第一步,选用硅片作为洁净衬底(3),将硅片置于微立体光刻3D打印系统的打印平台上并固定,然后用可溶性光敏树脂作为3D打印材料,根据微立体光刻技术的模型设计构建方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构(1)为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具(2),打印沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
第二步,以液态金属为导电浆料,液态金属采用镓合金液态金属,在可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中刮涂镓合金液态金属,具体步骤为使用医用刮刀将镓合金液态金属刮入可溶性光敏树脂模具(2)的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于80℃的烘台上加热5分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具(2)中的导电网络(4);
第三步,将第二步中内部形成了导电网络(4)的可溶性光敏树脂模具(2)置于质量浓度
3%的NaOH溶液中,浸泡1.5h溶解可溶性光敏树脂模具,得到裸露在硅片表面的导电网络(4),用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于80℃的烘台上加热5分钟烘干导电网络(4);
第四步,柔性透明聚合物5采用聚二甲基硅氧烷,将第三步所得具有导电网络(4)的硅片置于匀胶机上旋涂聚二甲基硅氧烷,具体为:将聚二甲基硅氧烷本体:固化剂按质量比为
10:1比例混合均匀后取5ml浇筑在具有导电网络(4)的硅片上,用匀胶机旋涂,旋涂参数为低速700rad/min,10s,高速1200rad/min,30s,置于真空干燥箱中抽真空15min,使导电网络(4)完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,再将其置于85℃烘箱中加热1h,使聚二甲基硅氧烷固化;
第五步,将固化的聚二甲基硅氧烷从硅片上揭下,其中导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷中,会伴随聚二甲基硅氧烷一起从硅片上揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜(6)。
说明书 :
一种基于微立体光刻技术制备柔性透明导电薄膜的方法
技术领域
背景技术
柔性导电膜主要是基于金属材料与柔性基底的金属型导电薄膜,应用最广泛的是ITO透明
导电薄膜,但是该材料比较脆,且制备温度较高;此外因为膜中含有金属In,是一种稀有金
属,既稀缺、价格昂贵成本高,又有毒,会污染环境。因此探索新型无毒的材料和简单的工
艺,制造绿色环保、成本低廉、性能良好的柔性透明导电薄膜具有重要意义。
化学沉积技术主要包括化学气相沉积、溶胶凝胶、喷雾热解以及分子束外延等。过去制备
ITO薄膜使用最多的为磁控溅射镀膜法,考虑到ITO薄膜的上述缺点,近年来一些研究通过
将纳米级导电材料,如石墨烯、碳纳米管、银纳米颗粒等材料溶解在溶剂中形成导电浆料,
通过打印或印刷的方式沉积在柔性透明衬底上,实现柔性透明导电薄膜的制备。这种方法
的缺陷是会受打印和印刷工艺制约,存在分辨率较低或者导电浆料不能用于打印的情况。
因此最近的一些研究通过压印技术在柔性基底上制备沟槽结构,或者通过光刻得到模板后
翻模得到沟槽结构后,然后将导电浆料填充到沟槽结构中或者通过蒸镀、溅射金属等方法
制备得到柔性透明导电薄膜。而这种方法存在成本高、光刻工艺复杂,受光刻掩模版或压印
模具的制作限制,不能实现大规模、大面积制造等问题,并且每次更改柔性透明导电膜内部
导电通路结构,都要重新制作掩模版或者压印模具,成本高且周期长。
发明内容
题,任意导电浆料都可适用,且可以设计三维形状结构的导电网络,具有成本低廉、工艺简
单、适用性广、可大规模、大面积制造的优点。
2;
敏树脂模具2中的导电网络4;
导电网络4,用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于60‑80℃的烘台上加热5‑15分钟
烘干导电网络4;
40s,然后置于真空干燥箱中抽真空10‑15分钟,使导电网络4完全嵌入在柔性透明聚合物5
中,再置于75‑85℃的真空干燥箱中加热1‑2h固化柔性透明聚合物5;
形成了柔性透明导电薄膜6。
构的导电网络,提供了通过不同的结构设计构建三维形状结构的导电网络提高导电薄膜性
能的方法,适用性广。
附图说明
具体实施方式
方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构1为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具2,打印
沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm,正视图如图2所示,俯视图如图3所示;
米管(CNT)溶液刮入可溶性光敏树脂模具2的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于60℃的
烘台上加热10分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具2中的导电网络4,如图
4所示;
用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于60℃的烘台上加热15分钟烘干导电网络4,如
图5所示;
体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后,取3ml浇筑在具有导电网络4的硅片上,用匀胶
机旋涂,旋涂参数为低速600rad/min,12s,高速1000rad/min,40s,置于真空干燥箱中抽真
空10min,使导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,再将其置于75℃烘箱中加热
2h,使聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化,如图6所示;
了柔性透明导电薄膜6,如图7所示。
方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构1为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具2,打印
沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
(CNT)溶液刮入可溶性光敏树脂模具2的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于65℃的烘台
上加热15分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具2中的导电网络4;
4,用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于65℃的烘台上加热15分钟烘干导电网络4;
体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取3.5ml浇筑在具有导电网络4的硅片上,用匀
胶机旋涂,旋涂参数为低速600rad/min,12s,高速1000rad/min,40s,置于真空干燥箱中抽
真空10min,使导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,再将其置于80℃烘箱中加
热1.5h,使聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化;
了柔性透明导电薄膜6。
方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构1为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具2,打印
沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
敏树脂模具2的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于70℃的烘台上加热10分钟,固化导电
浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具2中的导电网络4;
去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于70℃的烘台上加热10分钟烘干导电网络4;
体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取4ml浇筑在具有导电网络4的硅片上,用匀胶
机旋涂,旋涂参数为低速650rad/min,11s,高速1100rad/min,35s,置于真空干燥箱中抽真
空10min,使导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,再将其置于80℃烘箱中加热
1.5h,使聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化;
了柔性透明导电薄膜6。
方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构1为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具2,打印
沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
沟槽,然后将其置于75℃的烘台上加热10分钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂
模具2中的导电网络4;
4,用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于75℃的烘台上加热10分钟烘干导电网络4;
体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取4.5ml浇筑在具有导电网络4的硅片上,用匀
胶机旋涂,旋涂参数为低速650rad/min,11s,高速1100rad/min,35s,置于真空干燥箱中抽
真空15min,使导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,再将其置于80℃烘箱中加
热1.5h,使聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化;
了柔性透明导电薄膜6。
方格网络结构,并在硅片上打印沟槽结构1为方格网络结构的可溶性光敏树脂模具2,打印
沟槽线宽为10μm,间距为90μm,深度为15μm;
刮入可溶性光敏树脂模具2的沟槽结构中,填满沟槽,然后将其置于80℃的烘台上加热5分
钟,固化导电浆料,形成嵌入在可溶性光敏树脂模具2中的导电网络4;
用去离子水轻轻冲洗残余的NaOH溶液后,置于80℃的烘台上加热5分钟烘干导电网络4;
体:固化剂按质量比为10:1比例混合均匀后取5ml浇筑在具有导电网络4的硅片上,用匀胶
机旋涂,旋涂参数为低速700rad/min,10s,高速1200rad/min,30s,置于真空干燥箱中抽真
空15min,使导电网络4完全嵌入在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,再将其置于85℃烘箱中加热
1h,使聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化;
了柔性透明导电薄膜6。
模具中的导电网络;将可溶性光敏树脂模具溶解以去除模具,得到裸露在洁净衬底表面的
导电网络;在具有导电网络的洁净衬底上旋涂柔性透明聚合物,然后抽真空保证导电网络
良好地嵌入在柔性透明聚合物中,固化柔性透明聚合物;将固化好的柔性透明聚合物从洁
净衬底上揭下,嵌入在柔性透明聚合物中导电网络伴随柔性透明聚合物一起从洁净衬底上
揭下,从而形成了柔性透明导电薄膜。