嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极及制备方法和应用。包括支撑层、光刻胶层、保护膜，光刻胶层位于支撑基底和保护膜之间，光刻胶层紧挨保护膜具有网格结构，网格结构由凹槽形成，凹槽面对保护膜的一端开口，内侧壁设置金属镀层，金属镀层的内侧包覆聚合物结构、凹槽的开口端为金属种子层，金属种子层紧挨保护膜。制备方法为：利用电场驱动熔融喷射沉积微纳3D的方法打印网格结构，沉积金属种子层，聚合物网格结构转移到支撑衬底上，电铸沉积金属镀层，涂覆光刻胶、支撑层，揭除支撑基底，贴覆保护膜。得到高分辨率、大高宽比、耐弯折、具有高光电性能的嵌入式柔性网格透明电极。

【技术实现步骤摘要】
嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极及制备方法和应用
本专利技术属于金属材料制备
，具体涉及嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极及制备方法和应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。随着二十一世纪的到来，科学技术得到迅猛发展，电子产品逐渐向智能化方向转变，而在实现智能化的过程中，各种电子元件如液晶显示屏、有机发光二极管、电致变色装置、智能窗、太阳能光伏器件等起着举足轻重的地位，人们对电子产品的需求也持续增加，因此作用于电子产品上的透明电极扮演着不可缺少的角色。透明电极(TransparentElectrodes)一方面能够传输载流子，另一方面能够允许可见光通过，是光电领域中不可或缺的重要电极材料。近年来随着柔性光电子产业的快速发展和崛起，柔性透明电极作为柔性光电子器件的关键元件，其需求正呈现出爆炸性增长。目前，氧化铟锡(In2O3:Sn，即ITO)是最常用的透明电极材料，但是，铟是锌矿的副产品，而且铟元素在地壳中的储量十分有限，并且氧化铟锡电极具有表面粗糙度大的缺点，会造成OLED器件存在高电流泄露问题。此外，柔性器件的出现对透明电极提出了可折叠、质轻、可穿戴等新要求，传统的氧化物薄膜具有脆性、易断裂的缺点，不适合下一代柔性电子应用。因此，国内外越来越多的研究者把精力集中在寻找新型的透明电极材料上。近年来，替代传统ITO的新型透明导电薄膜材料层出不穷，如导电聚合物、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线和金属网格等。导电聚合物是一种共轭聚合物，既有聚合物的优点，如耐腐蚀性、高透光性、可塑性等，也有金属的高导电性的优点。虽然导电聚合物具有上述优点，但也存在一些问题，如聚乙炔在空气中容易被氧化并迅速降解。碳纳米管具有很高的载流子能力，是最先应用于透明电极的碳纳米材料，但由于制备和处理工艺复杂，且结点位置接触电阻高，使得碳纳米管透明导电膜导电性差；为了获得更好的导电性往往需要牺牲光透过率来实现。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积排列而形成的二维六边形晶格结构，具有良好的导电性能。但是现己使用的石墨烯都是通过化学气相沉积法、溶液法和还原氧化石墨烯法等制得，工艺成本高，不适合大规模生产，而且也存在导电性和透过率相互制约的问题，即如要获得高导电性的石墨烯透明导电膜，需要牺牲透过率，因此应用于导电性和透过率要求高的柔性电子器件上受到限制。金属纳米线(例如，AgNWs)由于其简单和高收益的制备过程和低电阻率(1.67μΩ/cm)适合作为透明电极。但是金属纳米线仍然存在许多问题，例如：表面粗糙度大、机械性能差、与基材粘附性差、雾度大、结阻大等。金属网格透明电极通常是运用光刻等工艺制得。这种方法虽然可获得光电性能好的透明导电膜，但是刻蚀过程不能实现高深宽比、机械性能差、且刻蚀工艺污染严重、成本高。综上所述，现有技术存在:①ITO具有脆性、易断裂、储量少、铟元素有毒，并且电极表面粗糙度大，会造成OLED器件存在高电流泄露等问题；②导电聚合物稳定性差、导电性差；③碳纳米管与石墨烯制备和处理工艺复杂，节点电阻大，存在导电性和透过率相互制约的问题；④金属纳米线雾度大、粗糙度大、节点电阻大；⑤金属网格机械性能差、粘附力差、表面粗糙度大，且制备工艺复杂昂贵等问题。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极及制备方法和应用。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，包括支撑层、光刻胶层、保护膜，光刻胶层位于支撑基底和保护膜之间，光刻胶层紧挨保护膜具有网格结构，网格结构由凹槽形成，凹槽面对保护膜的一端开口，内侧壁设置金属镀层，金属镀层的内侧包覆聚合物结构、凹槽的开口端为金属种子层，金属种子层紧挨保护膜。网格结构的凹槽设置为壳核的结构，相比于现有的电极结构，解决了面电阻大、脆性的问题，使电极具有更好的柔软性，并且有助于提高导电性。电极具有有方阻小，耐弯折的优点。在金属壳的一端设置金属种子层，作用为对聚合物结构导电化处理，以便后续电镀的顺利进行。保护膜覆盖在聚合物/金属网格露出的一端起到保护电极的作用，支撑层具有支撑整个电极结构的作用。在本专利技术的一些实施方式中，保护膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯等。在本专利技术的一些实施方式中，支撑层的厚度为100μm～300μm。在本专利技术的一些实施方式中，保护膜的厚度为0.01-0.03mm。在本专利技术的一些实施方式中，支撑层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯等。在本专利技术的一些实施方式中，网格结构的周期50～200μm，打印层数为10～20层。在本专利技术的一些实施方式中，电极的线宽为4-8μm，高宽比为3-6:1；优选的，电极的线宽为5-8μm，高宽比为4-5:1。电极的网格结构线宽比较细，具有高分辨率，大高宽比、大面积的优势。在本专利技术的一些实施方式中，聚合物结构的材质为聚己内酯(PCL)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)等中的一种或多种。在本专利技术的一些实施方式中，金属种子层的形状与聚合物结构相贴合，金属种子层的厚度为200～500nm。金属种子层具有纳米厚度，且具有导电性。在本专利技术的一些实施方式中，金属种子层的材质为金、铂、银、铜、镍等。在本专利技术的一些实施方式中，金属镀层的材质为铜、镍等。金属种子层和金属镀层的材质是可变的，可以根据不同金属的性能进行选择。在本专利技术的一些实施方式中，光刻胶层的厚度为30～50μm。在本专利技术的一些实施方式中，光刻胶的材质为光敏树脂、三乙二醇二乙烯基醚(DVE-3)与阳离子光引发剂中的一种或多种的混合；优选为脂肪族环氧树脂UVR6110、三乙二醇二乙烯基醚(DVE-3)与二苯基-(4-苯基硫)苯基锍六氟磷酸盐(UV6992)以6-7:3:0.5-0.7的比例混合。第二方面，上述嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极的制备方法，具体步骤为：1)利用电场驱动熔融喷射沉积微纳3D的方法，在打印基底上打印得到聚合物网格结构，打印基底上覆有水溶性薄膜；2)利用物理气相沉积或化学镀的方法，在聚合物结构的顶部表面镀上金属种子层；3)将打印基底脱除得到聚合物网格结构，将聚合物网格结构放置在支撑基底上固定，脱除水溶性薄膜；4)在支撑基底上的聚合物结构的表面电铸沉积金属镀层；5)在支撑基底上涂布光刻胶层、支撑层，光刻胶填充聚合物网格结构，光固化后，揭除支撑基底，然后在光刻胶层的表面贴覆保护膜。步骤2)物理气相沉积的方法还可以利用化学镀的方法，具体为：先对聚合物结构进行敏化和活化处理，然后运用化学镀进行导电化处理。采用电场驱动熔融喷射沉积微纳3D打印能够在打印基底上高精度打印大高宽比微细聚合物有序网格结构，能够实现高透光率；采用物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：包括支撑层、光刻胶层、保护膜，光刻胶层位于支撑基底和保护膜之间，光刻胶层紧挨保护膜具有网格结构，网格结构由凹槽形成，凹槽面对保护膜的一端开口，内侧壁设置金属镀层，金属镀层的内侧包覆聚合物结构、凹槽的开口端为金属种子层，金属种子层紧挨保护膜。/n

【技术特征摘要】
1.嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：包括支撑层、光刻胶层、保护膜，光刻胶层位于支撑基底和保护膜之间，光刻胶层紧挨保护膜具有网格结构，网格结构由凹槽形成，凹槽面对保护膜的一端开口，内侧壁设置金属镀层，金属镀层的内侧包覆聚合物结构、凹槽的开口端为金属种子层，金属种子层紧挨保护膜。


2.如权利要求1所述的嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：保护膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯；
或，支撑层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚氨酯等。


3.如权利要求1所述的嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：支撑层的厚度为100μm～300μm；
或，保护膜的厚度为0.01-0.03mm。


4.如权利要求3所述的嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：网格结构的周期50～200μm，打印层数为10～20层；
或，电极的线宽为4-8μm，高宽比为3-6:1；优选的，电极的线宽为5-8μm，高宽比为4-5:1。


5.如权利要求1所述的嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极，其特征在于：聚合物结构的材质为聚己内酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸中的一种或多种；
或，金属种子层的形状与聚合物结构相贴合，金属种子层的厚度为200～500nm；
或，金属种子层的材质为金、铂、银、铜、镍；
或，金属镀层的材质为铜、镍；
或，光刻胶层的厚度为30～50μm；
或，光刻胶的材质为光敏树脂、三乙二醇二乙烯基醚与阳离子光引发剂中的一种或多种的混合。


6.权利要求1-5任一所述的嵌入式聚合物/金属网格柔性透明电极的制备方法，其特征在于：具体步骤为：
1)利用电场驱动熔融喷射沉积微纳3D的方法，在打印基底上打印得到聚合物网格结构，打印基底上覆有水溶性薄膜；
2)利用物理气相沉积或化学镀的方法，在聚合物结构的顶部表面镀上金属种子层；
3)将打印基底脱除得到聚合物网格结构，将聚合物网格结构放置在支撑基底上固定，脱除水溶性薄膜；
4)在支撑基底...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓阳，张厚超，兰红波，李红珂，李政豪，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37