还原低温基底上的薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了还原低温基底上的薄膜的方法，具体地涉及在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括：将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述薄膜导电。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为200980150327.4、申请日为2009年3月25日、发明名称为“还原低温基底上的薄膜的方法”的专利申请的分案申请。本申请是2007年5月24日提交的名为“金属纳米材料复合物的电用途、镀覆用途和催化用途(Electrical,Plating and Catalytic Uses of Metal Nanomaterial Composition)”的美国系列号No.11/720,171的部分继续申请案，其经此引用并入本文。相关申请本申请与2008年10月17日提交的名为“使低温基底上的薄膜高速反应的方法和装置(Method and Apparatus for Reacting Thin Films on Low Temperature Substrates at High Speeds)”的美国系列号No.61/196,531相关，其经此引用并入本文。
概括而言，本专利技术涉及固化法，特别涉及还原低温基底上的薄膜的方法。
技术介绍
制造电子电路的一种方法是用金属油墨将电导体印刷到基底上，然后加热该基底以将金属油墨粒子烧结，从而形成导电轨迹。通常，适于导电的大多数印刷金属需要加热至非常高的温度，这通常在它们熔点的数百摄氏度内，以便烧结和变得导电。用于制造印刷电子部件中导电轨迹的两种最常用的元素是银和铜。银具有胜过铜的两个优点，因为银可以在空气中加热但氧化程度很低，且其r>氧化物(电导率比较低)在相对较低的温度分解。在制造导电轨迹时，与其高成本相比，这两个品质以及银是导电性最强的金属这一事实通常更受重视。因此，即使铜的电导率为银的大约90％，且按质量计其通常便宜50至100倍，但银油墨仍然占据印刷电子部件市场的主流，因为制造和加工铜油墨以避免氧化的额外成本通常高于材料成本的差异。现有技术中公知的是，一些金属氧化物如果具有正还原电位，则可以在升高的温度被氢或烃还原。例如，可以首先通过将含氧化铜的矿石与木炭混合并同时施热来提取铜。在还原剂存在下加热氧化铜粒子或甚至纯氧化铜时，氧化铜粒子可烧结而形成导体。在通过印刷铜粒子来制造薄膜导体时，如果在惰性或还原气氛中将粒子加热至它们的烧结温度，可以形成导电性非常强的轨迹。由于铜的熔点接近1,085℃，因此烧结所需的温度决定了只能使用高温基底，例如玻璃或陶瓷。这种高温要求阻碍了廉价基底(例如纸或塑料)的使用。或者，如果在低温基底上沉积铜粒子薄膜，可以将其加热至接近基底分解温度，然后置于还原气氛中，但根据薄膜厚度和温度，该低温将固化所需的时间量从数秒显著增加至数分钟或甚至数小时。在低温下，烧结非常有限，因此薄膜电阻率变高。此外，对惰性或还原气氛的需要也显著提高了加工成本。因此，需要提供一种改进的方法，以在环境气氛中迅速还原低温基底上的金属氧化物。
技术实现思路
根据本专利技术的一个优选实施方案，先将可还原的金属化合物和还原剂分散在液体(例如水)中。然后将该分散体以薄膜形式沉积在基底上。然后使所述薄膜与所述基底一起暴露于脉冲电磁发射，以使所述可还原的金属化合物与所述还原剂进行化学反应，从而使所述薄膜变导电。在下列详细书面描述中可看出本专利技术的所有特征和优点。附图说明在结合附图阅读时，参照示例性实施方案的下列详述很好地理解本发明本身及其优选使用模式、进一步目的和优点，其中：图1是根据本专利技术一个优选实施方案的固化低温基底上的薄膜的方法的流程图；且图2是根据本专利技术的一个优选实施方案的固化装置的图。具体实施方式对本专利技术而言，固化是指热加工，其包括还原低温基底上的薄膜内所含的金属化合物。薄膜是指小于100微米厚的涂层。低温基底的实例包括纸、塑料或聚合物。本专利技术是提供活化能以利用强脉冲光进行薄膜中的还原-氧化反应的方法。氧化还原反应可以是通过有机化合物还原金属氧化物，并可以在低温基底上进行。现在参照附图且特别参照图1，其中描绘了根据本专利技术一个优选实施方案的将低温基底上的薄膜固化的方法的流程图。在方框100中开始，如方框110中所示，使用各种普通分散剂，例如聚乙烯基吡咯烷酮或聚苯乙烯-丙烯酸酯共聚物，将非导电金属氧化物分散在液体(例如水)中。该分散体还包括至少一种还原剂。该还原剂可以是多种化合物，包括醇、醛、羧酸和炭黑。还原剂优选包括甘油、抗坏血酸、1,2-己二醇和戊二酸。其它添加剂可包括用于表面润湿的各种表面活性剂、润湿剂、助溶剂和粘合剂树脂。所述分散体可包括导电粒子，例如银、铜或金。该分散体还可含有部分氧化的金属粒子。非导电的金属氧化物可以是表I中所列的任何金属氧化物。表I然后如方框120中所示将分散体以薄膜形式沉积在低温基底上。该低温基底可以是聚合物(聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯，等)、纸等。可以通过任何普通印刷技术，包括喷墨、凹版印刷、苯胺印刷、辊涂、丝网印刷等，将分散体沉积在低温基底上。或者，可以使用干沉积法，例如静电印刷术，将非导电金属氧化物和还原剂以薄膜形式沉积在低温基底上。然后如方框130中所示，使所述薄膜与低温基底一起暴露于脉冲电磁发射，以引发低温基底上的非导电金属氧化物与还原剂之间的氧化还原反应。脉冲电磁源可以是能够传送小于20ms脉冲长度的激光器、闪光灯、定向等离子弧灯、微波或射频感应加热器。另一实施方案是在使薄膜传送经过辐射源时使用电子束或强弧光灯将热沉积到薄膜中，以引发氧化还原反应。就电子束和弧光灯源而言，活动基底和静态源的组合具有为薄膜提供脉冲加热的作用。电磁源应具有大于500W/cm2的发射。由于所述暴露，在氧化还原反应后使该薄膜导电。优选地，如下所述，在使用自动化固化装置将所述低温基底传送经过光源的同时使所述薄膜固化。现在参照图2，其中显示了根据本专利技术一个优选实施方案的用于固化低温基底上的薄膜的固化装置的图。如图所示，固化装置200包括传送系统210、选通脉冲头220、继电器架230、和卷到卷给料系统240。固化装置200能够使位于低温基底203上的薄膜202固化，该低温基底203位于以相对高速传送经过选通脉冲头220的网幅上。传送系统210可优选地以2至1000英尺/分钟的速度运行，以移动基底203。优选地，固化装置200可适应以6英寸为增幅的任何宽度的幅宽。可通过现有技术(例如丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、激光印刷、静电印刷、本文档来自技高网...

【技术保护点】
在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括：将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述薄膜导电。

【技术特征摘要】
2008.10.17 US 61/196,5311.在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括：
将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和
使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首
先与所述金属氧化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后
烧结所述金属粒子，从而使所述薄膜导电。
2.权利要求1的方法，其中所述基底是纸。
3.权利要求1的方法，其中所述基底是PET。
4.权利要求1的方法，其中所述基底是聚合物。
5.权利要求1的方法，其中所述首先的氧化还原反应和所述随后的烧
结在所述单脉冲电磁发射中进行。
6.权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射是由激光器、闪光灯、
定向等离子弧灯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·S·波普，K·A·施罗德，I·M·罗森，
申请(专利权)人：NCC纳诺责任有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US