电子器件和形成电子器件的方法技术

本发明专利技术提供一种电子器件和形成电子器件的方法。所述电子器件包括含有至少一个表面的基板、以及印刷到所述表面的至少一部分上的一层或多层导电性油墨，其中，所述导电性油墨包含官能化的石墨烯片和至少一种粘合剂，所述官能化的石墨烯片由充分剥离的石墨单片组成，并且所述官能化的石墨烯片具有至少100:1的碳氧摩尔比。

【技术实现步骤摘要】
本申请是原申请的申请日为2009年1月9日、申请号为200980109737.4、专利技术名称为《印刷电子设备》的中国专利申请的分案申请。该专利技术是使用国家科学基金会(NationalScienceFoundation)授予的批准号为CMS-0609049和美国国家航空航天局(NASA)授予的批准号为NCC1-02037的政府资助完成的。政府在本专利技术中享有确定的权益。
本专利技术涉及印刷电子器件及它们的制造方法。
技术介绍
印刷电子设备(printedelectronics)在大量的应用中日益发现其用途，包括便携电子设备、标牌(signage)、照明设备、产品识别设备、软包装电子器件(packagingflexibleelectronicsdevices)(例如可以被辊轧或弯曲的电子器件)、光伏器件(photovoltaicdevice)、医疗和诊断设备、天线(包括射频识别(RFID)天线)、显示器(displays)、传感器、薄膜电池、电极以及其它大量的用途。相比于由其它方法(包括减数法(subtractivemethod))制造的电子设备，印刷电子设备具有多种优点。印刷可以比标准的减数法(包括蚀刻)更快，并且产生更少的废物，以及包括相比在这些方法中使用更少的危险化学物质。所得到的电子设备可以更容易地用于柔性器件，例如被设计为在使用过程中被辊轧、扭曲、弯曲或经受其它变形的显示器。通常采用导电性的金属基油墨，通过在基板上印刷电子电路或其它元件或器件来制造印刷电子设备。所述的油墨通常包括银颗粒、偶尔地铜颗粒、其它金属颗粒和/或传导性聚合物。但是，单独的传导性聚合物一般导电性不足。而且，所得到的印刷金属电路通常导电性不足以在大多数应用中有效，所述的应用包括在器件中的应用，在使用过程中所述的电路在所述的器件中由于弯曲和/或伸展而被经常地施加压力。因而，为了获得希望的导电率水平，必须经常在升高的温度下对所述的印刷基板加热以烧结所述的传导性金属颗粒。烧结过程中使用的温度常常限制了可以被选择用于所述电子设备制备的基板。例如，在很多应用中，虽然希望使用价廉的材料例如纸、聚烯烃(例如聚丙烯)等作为用于印刷电子设备的基板，但所述的烧结温度通常要求太高以至于不能使用纸。而且，银是昂贵的，以及其它非贵金属暴露于环境时可能形成氧化物，这使得所述的材料对于所述的应用传导性不足。此外，使用金属基的油墨会增加所得到的器件的重量，并且前面所提到的烧结过程会给制造过程增加一个以上额外的步骤、时间以及复杂性。因而，希望获得使用油墨的印刷电子器件，所述的油墨不含有昂贵的贵金属、重量较轻，不需要烧结来使导电性充足，因而其可以在包括纸和聚烯烃(例如聚乙烯)的更广泛种类的基板材料上使用。US7097788公开了一种提高包括油墨中的定向颗粒的油墨的导电性的方法。US7163734公开了一种单元和用于使有机聚合物导电层形成图案的方法，所述的导电层适合作为电子或半导体器件中的电子电路单元。US2006/0124922公开了一种用于形成用于有机半导体晶体管电极(electrode)的导电性油墨。WO2004/006635公开了一种使用导电性油墨进行印刷的方法。WO2006/108165公开了一种传导性油墨，其含有微细的金属颗粒、聚合物基、溶剂和装有传导性填料的纳米管(nanotube)。WO2006/137666公开了一种具有天线辐射器(antennaradiator)的天线，通过在基板上印刷导电性油墨形成所述的天线辐射器。WO2007/053621公开了一种电流体力学印刷和制造的方法。
技术实现思路
本文公开和权利要求所要求的是一种印刷电子器件，其包括含有至少一个表面的基板，其中，已将导电油墨层施用到部分表面，并且其中，所述的油墨包括官能化的石墨烯片(graphenesheet)和至少一种粘合剂。本文进一步公开和权利要求所要求的是用于形成所述印刷电子器件的方法。附图说明图1是导电性线路的光学显微镜图像，所述的线路由包括被埋入聚环氧乙烷的官能化的石墨烯片的油墨进行印刷。具体实施方式作为本文所使用的术语，“导电性油墨”包含悬浮和/或溶解在液体中以及糊状的导电性材料，和含有很少或不含液体的实质上为固体形式的材料。导电性油墨可以是自由流动的、粘性的、固体的、粉末的等等。术语“油墨”用于指如下形式的油墨，其适合应用于基板，以及在任何后应用处理(例如蒸发、交联、固化等)之前和之后应用于基板之后的材料。本专利技术的印刷电子器件(electronicdevice)(本文也称作“印刷电子设备(printedelectronics)”)可以是完整的器件、器件的零件或子元件、电子元件等的形式。它们包括基板，在所述基板的至少一个表面上已施用导电性油墨层，所述的油墨包含高比表面积的官能化的石墨烯片和至少一种粘合剂。通过将所述的油墨以包含被设计为实现需要的电子器件的导电性通路的图案，施用到基板上来制备所述的印刷电子设备。所述的通路可以是固体、主要为固体、以液体或凝胶形式等。所述的油墨还任选地可以包括除粘合剂之外的载体。当所述的油墨被施用到基板上时，可以将全部或部分的载体移除以形成导电性通路。将所述的油墨施用到所述的基板后，可以将所述的粘合剂固化或交联。由将所述的油墨施用到所述的基板上而形成的印刷电子器件任选地可以进行烧结或另外的固化，这可以导致传导性颗粒之间直接粘结的形成，并因而增加了传导途径的数量。在本专利技术的一个实施方式中，由所述的油墨形成的器件的全部或部分不进行烧结和/或另外的固化。可以采用任何适宜的方法将所述的油墨施用到所述的基板以制备所述的印刷电子器件，所述的方法包括但不限于借助于笔(pen)或其它类似的装置通过注射、喷涂、电喷雾沉积(electrospraydeposition)、喷墨印刷、旋涂、热传递(包括激光转印)法、丝网印刷(screenprinting)、转轮丝网印刷(rotaryscreenprinting)、凹版印刷、毛细印刷(capillaryprinting)、平板印刷(offsetprinting)、电流体力学(electrohydrodynamicEHD)印刷(WO2007/053621描述了其中的一个方法，将其引入本文作为参考)、柔性版印刷(flexographicprinting)、移印(padprinting)、冲压、静电印刷、微接触印刷(microcontactprinting)、蘸笔纳米光刻(dippennanolithography)、激光印刷等。基板可以是任何适宜的材料，其包括例如聚合物(包括热塑性和热固性聚合物)；纸浆产品，例如纸和纸板(包括涂覆和未涂覆的材料)；合成纸；织物(fabric)(包括布)和纺织品(textile)；金属；木头；玻璃和其它矿产品；硅和其它半导体；陶瓷；由多种材料制成的薄片制品(laminate)；等。聚合物的示例包括：聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯等)；聚酰亚胺；聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、液晶聚酯等)；聚酰胺(包括聚对苯二甲酰胺)；芳香族聚酰胺(例如凯夫拉尔和诺梅克斯)；氟化聚合物(例如氟化乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯等)；聚醚酰亚胺；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子器件，包括：含有至少一个表面的基板；印刷到所述表面的至少一部分上的一层或多层导电性油墨，其中，所述导电性油墨包含官能化的石墨烯片和至少一种粘合剂，其中，所述官能化的石墨烯片由充分剥离的石墨单片组成，并且其中，所述官能化的石墨烯片具有至少100:1的碳氧摩尔比。

【技术特征摘要】
2008.02.05 US 61/026,2731.一种电子器件，包括：含有至少一个表面的基板；印刷到所述表面的至少一部分上的一层或多层导电性油墨，其中，所述导电性油墨包含官能化的石墨烯片和至少一种粘合剂，其中，所述官能化的石墨烯片由充分剥离的石墨单片组成，并且其中，所述官能化的石墨烯片具有至少100:1的碳氧摩尔比。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述基板包括纸、纸板、聚烯烃，聚酰亚胺。3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述导电性油墨还包括至少一种分散剂。4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述粘合剂是聚环氧乙烷、聚环氧丙烷和环氧乙烷/环氧丙烷共聚物中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述导电性油墨还包括至少一种金属组分。6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述金属包括银和/或铜。7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述导电性油墨还包括至少一种导电性聚合物。8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述导电性油墨还包括除所述官能化石墨烯片之外的至少一种含碳材料。9.根据权利要求1所述的器件，还包括选自由处理器、存储芯片、电池、电阻器、二极管、电容器和晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·M·克雷恩，约翰·S·莱托，伊尔汉·A·阿克萨伊，西贝尔·科尔库特，凯瑟琳·S·基杨，陈传华，罗伯特·K·普鲁德霍姆，
申请(专利权)人：普林斯顿大学理事会，沃尔贝克材料有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US