用于可书写的快速电子器件原型的水基导电油墨制造技术

技术编号:19256810 阅读:34 留言:0更新日期:2018-10-26 22:44
本申请公开了组合物及其制备方法,用于利用微米尺寸的银颗粒、水、食用增稠剂、水基溶剂、水基树脂和表面活性剂制备得到低成本、环境友好且高度安全的导电油墨。导电油墨可以经由各种类型的书写设备,如中性笔、圆珠笔等写在各种基底上,如纸、塑料、金属等,以形成导电迹线。作为本申请的附加特征,该组合物包含可擦除的导电油墨,其在施用后立即快速固化并能够导电。该组合物在教育方面具有多种应用,能够帮助学生更好地理解电子器件的工作原理,甚至能够协助学生方便地设计他们自己的电子器件。

Water-based conductive ink for handwritten fast electronic device prototypes

The present application discloses compositions and their preparation methods for preparing low-cost, environmentally friendly and highly safe conductive inks using micron-sized silver particles, water, food thickeners, water-based solvents, water-based resins and surfactants. Conductive ink can be written on a variety of substrates, such as paper, plastic, metal, etc. through various types of writing equipment, such as neutral pen, ballpoint pen, to form a conductive trace. As an additional feature of the present application, the composition comprises erasable conductive inks which are quickly cured after application and capable of conducting electricity. The composition has a variety of applications in education, can help students better understand the working principle of electronic devices, and even can help students easily design their own electronic devices.

【技术实现步骤摘要】
用于可书写的快速电子器件原型的水基导电油墨
本申请涉及用于柔性基底上的水基金属油墨组合物和印刷电子器件。
技术介绍
印刷电子技术是当今世界上发展最快的技术之一。该技术为各行各业(例如消费品、医疗保健、航空航天、电子、媒体和交通)提供了更多的可能性,其不仅用于改进现有电子产品和电子器件,也使得电子器件能够被应用于前所未有的领域。具体而言,该技术是利用传统印刷工艺在各种基底上制造电子器件的方法,其中的印刷过程一般只需要使用能够在材料表面印制图案的普通印刷设备,这些印刷设备可以实现例如丝网印刷、柔性版印刷、凹版印刷、胶版印刷或喷墨印刷等工艺。相比传统技术,印刷电子技术具有低成本、大面积、和柔性化的优势,从而成为极具吸引力的替代工艺。现代电子技术中,具有精密结构的高导电材料应用广泛,例如用于制造太阳能电池电极、柔性显示器、射频识别标签、天线等。印刷电子技术有助于促进使用广泛、成本低廉和性能一般的电子产品在诸多方面的应用,例如用于制备柔性显示器、智能标签、装饰和动画海报、以及运动服装等对性能需求不高的产品。印刷电子器件的制造可以采用几乎任何的工业印刷方法。与传统印刷工艺相似,印刷电子工艺也可采用油墨彼此层叠的方法。因此,印刷工艺和油墨材料的协调发展是该领域的核心研究工作。因其低成本且能够为便携式、轻便性和一次性装置提供实现平台等优势,柔性基底材料成为近期研究的焦点。上述装置所需要的导电电极,迄今为止主要通过丝网印刷、溅射涂布、喷墨印刷和喷枪喷涂等方法沉积而成。然而,这些沉积方法均需要使用油墨,但是现有油墨的固化方法复杂,而且在印刷后不能立即导电,这些都不利于制作快速原型。使用柔性基底为印刷电子器件提供了许多优势。柔性基底不仅来源广泛、便携性更好,而且它们重量轻、可生物降解、可以被卷起或折叠成三维(3D)构型。最近,在柔性基底上制造了包括热变色显示器、一次性射频识别(RFID)标签和纤维素基电池的功能电子组件。因柔性基底材料的种类广泛(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、纸质基底等),其可被开发用于实现特定的设备架构。使用在环境条件下书写后能够立即导电的油墨可以灵活地创造各种设备,从而使得充分开发柔性印刷电子产品的潜能成为可能。在现有技术中,已知有多种技术能够生产可以在多种基底上书写的导电油墨,特别是银基导电油墨。但是,这些油墨面临诸多技术问题。首先,油墨或浆料通常需要印刷设备形成图案,并且需要在高温下固化以形成具有适当导电性的印刷迹线。因此,这类油墨不适合用于生产具有可书写功能和笔类外形的产品,从而不适和用于快速原型和教育玩具行业。其次,这种油墨的干燥/固化过程需时较长,并且油墨在印刷后不会立即导电。第三,这类油墨中多数含有纳米颗粒,而纳米颗粒需要较高的固化温度,这很大程度上对于产品造成了限制并降低了大规模的可用性。最后,现有技术中存在的导电油墨在印刷之后所形成的导电迹线很难再进行更改,这对于电子工程师制作快速原型多有不便。
技术实现思路
本部分介绍了用于生产导电油墨的组合物及其制备方法、和在多种基底上形成导电迹线的方法。然而,本部分并不旨在公开该专利技术创造的核心特征,也不旨在确定、限制或限定该专利技术创造的范围。本申请涉及用于印刷电子
的低成本的水基导电油墨,其包含微米尺寸的导电金属颗粒,并能够在多种基底上形成金属迹线。本申请公开了一种水基导电油墨,其具有至少微米尺寸的颗粒,能够在书写后立即形成导电迹线,其间只需要经过短暂的干燥时间或不需要进行干燥。该水基导电油墨在合适的溶剂和粘合剂中制备,从而使得该油墨可以通过中性笔流畅地书写。并且,该油墨的可擦除性可以进行从无到有的调整。根据本申请的一个方面,公开了用于制备导电油墨的组合物的特征,所述组合物包含:溶剂;不含任何纳米颗粒的导电颗粒,其中所述导电颗粒还包含一种或多种金属;食用增稠剂;表面活性剂;占组合物重量30%至60%的水;和任选的分散剂,所述分散剂包含水基树脂,所述水基树脂的量大于或等于所述组合物重量的1%并且小于所述组合物重量的5%。根据本申请的另一方面,公开了用于制备导电油墨的组合物,其中所述导电颗粒包含银、铜、金、碳或任何其他导电金属合金颗粒中的一种或多种,以及其中所述导电颗粒的尺寸在1微米至15微米的范围内,并且以所述组合物重量的15%至50%的量另外添加。根据本申请的一个方面,公开了导电迹线的形成方法,其中所述导电迹线通过以下步骤形成:在书写设备中提供水基导电油墨,所述油墨包含溶剂、包含一种或多种金属的导电颗粒、食用增稠剂、表面活性剂、组合物重量的30%至60%的水、以及任选地包含分散剂,该分散剂包含大于或等于组合物重量的1%且小于组合物重量的5%的水基树脂;在包含一个或多个基底的表面上方移动所述书写设备;并在室温下干燥所述油墨不超过30秒的时间,从而在表面上形成导电迹线。根据本申请的另一方面,公开了导电迹线,其中取决于不同的基底,由书写设备书写的所述导电迹线的电阻率在0.5Ω·cm至30Ω·cm的范围内,并且取决于不同的基底,所述导电迹线可以负载至少6A的电流。根据本申请的又一个方面,公开了导电迹线,其中通过调整所述水基树脂的量可以将导电迹线从可擦除转换为不可擦除。根据本申请的一个方面,公开了用于形成导电迹线的方法,所述方法包含在书写设备中提供水基导电油墨的第一步骤,所述油墨包含溶剂、包含一种或多种金属的导电颗粒,所述导电颗粒的尺寸在1微米至15微米的范围内并且其含量为所述油墨组合物重量的15%至50%、表面活性剂、和所述组合物重量的30%至60%的水、食用增稠剂和任选地分散剂,该分散剂包含大于或等于组合物重量的1%且小于组合物重量的5%的水基树脂;在包含一个或多个基底的表面上方移动所述书写设备的第二步骤;以及,在室温下干燥所述油墨不超过30秒的时间,从而形成导电迹线的第三步骤,其中,所述油墨在表面上书写完成后,所形成的导电迹线立即可以导电,高温固化不再是导电的必要条件。根据本申请的另一方面,公开了形成导电迹线的方法,其中所述基底包括但不限于复印纸、相纸、PET、柔性印刷电路(FPC)、块状塑料(bulkplastic)或金属基底。附图说明参照附图给出了详细描述。图1A示出了根据本申请的一个实施方式,导电银油墨填充于中性笔或任何其他可以在各种基底上平滑书写的设备。图1B示出了根据本申请的一个实施方式,写在基底上的渗透导电迹线。图1C示出了根据本申请的一个实施方式,在光学显微镜下观察到的纸基底上的导电迹线。图1D示出了根据本申请的一个实施方式,纸基底上的导电迹线的扫描电子显微镜图像。附图仅出于说明的目的描绘了本申请的实施方式。本领域技术人员根据以下描述将容易认识到,在不脱离本文所描述的公开内容的原理的情况下,可以采用本文示出的步骤的替代实施方式。具体实施方式当结合附图阅读时可更好地理解本申请实施方式的详细描述。为了描述本申请,在本文中示出了本申请的示例性结构;然而,本申请不限于本文和附图中公开的具体设计。现在将详细讨论示出了其所有特征的本申请的一些实施方式。词语“包含(comprising)”、“具有”、“含有(containing)”和“包括(including)”及其其他形式旨在在意思上是等同的并且是开放式的,因为本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于导电油墨的组合物,包含:溶剂;不含任何纳米颗粒的导电颗粒,其中,所述导电颗粒包含一种或多种金属;食用增稠剂;表面活性剂;以及占所述组合物重量的30%至60%的水;其中,所述组合物任选地包含分散剂,所述分散剂包含水基树脂,所述水基树脂的量大于或等于所述组合物重量的1%并且小于所述组合物重量的5%。

【技术特征摘要】
2017.04.03 US 62/601,802;2018.02.22 US 15/901,9161.一种用于导电油墨的组合物,包含:溶剂;不含任何纳米颗粒的导电颗粒,其中,所述导电颗粒包含一种或多种金属;食用增稠剂;表面活性剂;以及占所述组合物重量的30%至60%的水;其中,所述组合物任选地包含分散剂,所述分散剂包含水基树脂,所述水基树脂的量大于或等于所述组合物重量的1%并且小于所述组合物重量的5%。2.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述导电颗粒包含选自由银、铜、金、碳和任何其他导电金属合金颗粒所组成的组中的一种或多种颗粒。3.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述导电颗粒的尺寸在1微米至15微米的范围内,并且所述导电颗粒以所述组合物重量的15%至50%的量添加。4.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述溶剂是水基的且无毒的,并且其中,所述溶剂包含选自乙二醇、二乙二醇和三乙二醇中的一者的二醇;或选自2-丙醇和甲氧基丙醇中的一者的丙醇;或选自乙二醇单甲醚、三乙二醇单甲醚和丙二醇单甲醚中的一者的醚;或选自乙酸甲酯、乙酸乙酯和乙酸丁酯中的一者的乙酸酯;或其任何组合。5.根据权利要求4所述的组合物,其中,所述溶剂的量小于所述组合物的重量的30%。6.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述食用增稠剂是水基的,并且其中,所述食用增稠剂包含生物胶、海藻酸钠和纤维素中的一种或多种,其中,所述生物胶包含选自由瓜尔豆胶、黄单胞菌多糖和角叉菜胶所组成的组的一种或多种;并且其中,所述纤维素包含选自由羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)和羧甲基纤维素所组成的组中的一种或多种,并且其中,所述增稠剂起增稠剂、促粘剂和触变剂的作用,并且其中,所述增稠剂的量处于低于所述组合物的重量的1%至低于所述组合物的重量的5%的范围内。7.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述分散剂包含水基的、促进粘合的树脂,其中,所述分散剂包含一种或多种选自包含聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、醛酮树脂、聚丙烯酸(PAA)、丙烯酸树脂(AA)、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇(PVA)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的组中的化合物,并且其中,调节所述组合物中的所述树脂的量以使得所述导电油墨能够擦除或不能够擦除。8.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述表面活性剂包含一种或多种选自由月桂基磺基琥珀酸单酯二钠(DLS)、月桂醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸酯二钠(MES)、椰油基单乙醇酰胺磺基琥珀酸酯二钠(DCMS)、十二烷基硫酸钠(SDS)或月桂基硫酸钠(SLS)和脂肪酸钾皂(SFP)所组成的组中的化合物,其中,所述表面活性剂的量小于所述组合物的重量的5%。9.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述组合...

【专利技术属性】
技术研发人员:王悦辰徐涛傅丽
申请(专利权)人:纳米及先进材料研发院有限公司
类型:发明
国别省市:中国香港,81

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