石墨烯油墨及石墨烯線路的制作方法
【專利摘要】一種石墨烯油墨及石墨烯線路的制作方法，該石墨烯油墨包含：分散溶液、高分子黏結(jié)劑以及多個(gè)石墨烯片，分散溶液的表面張力為35mJ/m2與55mJ/m2之間，高分子黏結(jié)劑溶解于分散溶液中，與該分散溶液共同形成膠態(tài)溶液，石墨烯片分散于膠態(tài)溶液中，且懸浮濃度為0.1～5wt％，而石墨烯油墨的黏度小于100cp，且其表面電位大于30mV或小于-30mV，在制備石墨烯油墨后，接著經(jīng)過遮蔽步驟、油墨噴涂步驟、固化步驟以及移除步驟，將石墨烯油墨圖案化地形成在絕緣基板的表面上，形成石墨烯線路，使得石墨烯具體的產(chǎn)品化。
【專利說明】石墨烯油墨及石墨烯線路的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種石墨稀油墨，以及利用該石墨稀油墨制作線路的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)電油墨目前廣泛應(yīng)用于噴涂式電子組件或電子線路上，美國專利案US7834295 即揭露一種印刷式點(diǎn)火器的裝置，該案使用一導(dǎo)電材料與黏結(jié)劑制備一導(dǎo)電油墨，再利用 噴涂的方式制作該裝置。美國專利案US7097788則揭露一種制備導(dǎo)電油墨的方法，該方法 通過研磨的方式形成異向性的導(dǎo)電粒子，再加入溶劑中制備成導(dǎo)電墨水，且不需要經(jīng)過高 溫硬化的步驟即可形成電子組件，該導(dǎo)電墨水可應(yīng)用于電化學(xué)傳感器。
[0003] 單層石墨，又稱為石墨烯（graphene)，是一種由單層碳原子以石墨鍵（sp2)緊密 堆積成二維蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)，因此僅有一個(gè)碳原子的厚度，石墨鍵為共價(jià)鍵與金屬鍵的 復(fù)合鍵，可說是絕緣體與導(dǎo)電體的天作之合。2004年英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim與 Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式，證實(shí)可得到單層的石墨烯，并獲得 2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
[0004] 石墨烯是目前世界上最薄也是最堅(jiān)硬的材料，導(dǎo)熱系數(shù)高于納米碳管與金剛石， 常溫下其電子遷移率亦比納米碳管或硅晶體高，電阻率比銅或銀更低，為目前世界上電阻 率最小的材料。將石墨烯應(yīng)用于導(dǎo)電油墨，預(yù)期將更進(jìn)一步提升導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性，拓展應(yīng) 用范圍。美國專利案US20100000441即揭露一種由石墨烯組成的導(dǎo)電油墨，該石墨烯占整 體導(dǎo)電油墨的體積的〇. 001%以上。
[0005] 然而，由于石墨烯的先天納米結(jié)構(gòu)，其堆積密度遠(yuǎn)小于0. 01g/cm3,亦即體積龐大， 且容易因凡德瓦爾力產(chǎn)生大量團(tuán)聚，即便具有非常優(yōu)異的各項(xiàng)物理特性，對于量產(chǎn)乃至于 工業(yè)應(yīng)用而言，都是非常棘手的難題，不僅難以發(fā)揮其特性，甚至造成衍生產(chǎn)品的負(fù)面效 果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的是提供一種石墨稀油墨，該石墨稀油墨包含：分散溶液、商 分子黏結(jié)劑，以及多個(gè)石墨烯片，分散溶液至少包含一溶劑，且該分散溶劑的表面張力為 35mJ/m2與55mJ/m2之間，占該石墨烯油墨的99wt%以上，該高分子黏結(jié)劑溶解于該分散 溶液中，而與該分散溶液共同形成一膠態(tài)溶液，該高分子黏結(jié)劑占該石墨烯油墨的〇. 01? 0. 5wt %，該石墨烯片分散于該膠態(tài)溶液中，而石墨烯片懸浮濃度占該石墨烯油墨的0. 1? 5wt%，其中該石墨烯油墨的黏度小于IOOcp,且其表面電位大于30mV或小于_30mV。
[0007] 本發(fā)明的另一目的是提供一種石墨烯線路的制作方法，該方法包含：石墨烯油墨 制備步驟、遮蔽步驟、油墨噴涂步驟、固化步驟以及移除步驟。石墨烯油墨制備步驟是制備 前述的石墨烯油墨。遮蔽步驟是在一絕緣基板上，形成一圖案化光阻層，或是設(shè)置一圖案化 屏蔽。油墨噴涂步驟是在絕緣基板上噴涂石墨稀油墨，而使得石墨稀油墨形成在未被該圖 案化光阻層或該圖案化屏蔽遮蔽的絕緣基板的表面上。固化步驟是加熱該石墨烯油墨，使 得石墨烯油墨中的揮發(fā)性液體充分揮發(fā)，而使得石墨烯油墨固化。移除步驟是以化學(xué)方式 移除該圖案化光阻層或是以機(jī)械力方式移除圖案化屏蔽，而使得該絕緣基板的表面留下由 石墨烯油墨固化所形成的石墨烯線路，其中該絕緣基板可以為傳統(tǒng)印刷電路基板所使用的 PET基板、BT基板、玻璃纖維基板，或是玻璃、膠帶等，而能夠制成電路板、導(dǎo)電玻璃、導(dǎo)電膠 帶等多種產(chǎn)品。
[0008] 利用石墨稀商導(dǎo)電、熱的特性，先將石墨稀制作為油墨狀，從而易于噴涂于廣品的 表面，配合圖案化的方式來形成線路，或是導(dǎo)電薄膜，而使得石墨烯具體的產(chǎn)品化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明石墨烯線路的制作方法的流程圖。
[0010] 其中，附圖標(biāo)記說明如下：
[0011] Sl石墨烯線路的制作方法
[0012] SlO石墨稀油墨制備步驟
[0013] S20遮蔽步驟
[0014] S30油墨噴涂步驟
[0015] S40固化步驟
[0016] S50移除步驟

【具體實(shí)施方式】
[0017] 以下配合圖式及組件符號對本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說明，以使熟悉本領(lǐng)域 的技術(shù)人員在研讀本說明書后能據(jù)以實(shí)施。
[0018] 本發(fā)明所提供的石墨稀油墨，包含：一分散溶液、一商分子黏結(jié)劑、以及多個(gè)石墨 烯片，該分散溶液占該石墨烯油墨的99wt%以上，且至少包含一溶劑，使得該分散溶劑的表 面張力為35mJ/m2與55mJ/m2之間；該高分子黏結(jié)劑溶解于該分散溶液中，共同形成一膠態(tài) 溶液，該商分子黏結(jié)劑占該石墨烯油墨的〇. 01?〇. 5wt% ;該石墨烯片充分分散于該膠態(tài) 溶液中，石墨稀片懸浮濃度大約占該石墨稀油墨的〇. 1?5wt%，其中該石墨稀油墨的黏度 小于lOOcp，且其表面電位大于30mV或小于-30mV。
[0019] 該分散溶液至少包含一溶劑，進(jìn)一步包含一調(diào)整劑，該溶劑為水、有機(jī)溶劑及離子 溶液，而該調(diào)整劑為一表面活性劑及/或一分散劑，該調(diào)整劑逐步地加入該溶劑中，調(diào)整表 面張力在35?55mJ/m2,而得到該分散溶液，其中該調(diào)整劑包含有機(jī)酸、醇類、醛類、酯類、 胺類、無機(jī)堿、無機(jī)鹽類的至少其中之一。
[0020] 該石墨烯片呈片狀，厚度為1?IOnm,平面橫向尺寸為Ium?IOum,該石墨烯片的 平面橫向尺寸與厚度的比值大于1〇〇〇,且比表面積大于400m2/g，且該石墨烯與該膠態(tài)溶 液的接觸角為45度與80度之間。
[0021] 該高分子黏結(jié)劑至少包含一熱塑性樹脂、熱固性樹脂、纖維素或?qū)щ姼叻肿拥娜?一者或其組合，其中該導(dǎo)電高分子包含一聚噻吩（polythiophene)結(jié)構(gòu)及聚陽離子高分 子（polycationic polymer)結(jié)構(gòu)的至少其中之一。更明確地，該導(dǎo)電黏結(jié)劑選自聚（3, 4_ 亞乙二氧基噻吩）（poly (3,4-ethylenedioxythiophene，PED0T)、聚（3,4_ 亞乙二氧基噻 吩）_ 聚苯乙烯石黃酸（poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonic acid, PEDOT:PSS)、聚苯胺（polyaniline)、聚批咯（polypyrrole)的至少其中之一。
[0022] 該聚噻吩（polythiophene)結(jié)構(gòu)的化學(xué)式為：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種石墨烯油墨，其特征在于，包含： 一分散溶液，至少包含一溶劑，使得該分散溶劑的表面張力為35mJ/m2與55mJ/m2之間， 占該石墨稀油墨的99wt %以上； 一高分子黏結(jié)劑，溶解于該分散溶液中，而與該分散溶液共同形成一膠態(tài)溶液，該高分 子黏結(jié)劑占該石墨稀油墨的0. 01?0. 5wt % ;以及 多個(gè)石墨烯片，充分分散于該膠態(tài)溶液中，石墨烯片懸浮濃度占該石墨烯油墨的0. 1 至 5wt %， 其中，該石墨烯油墨的黏度小于l〇〇cp，且其表面電位大于30mV或小于-30mV。
2. 如權(quán)利要求1所述的石墨烯油墨，其特征在于，該分散溶液進(jìn)一步包含一調(diào)整劑，該 溶劑為水、有機(jī)溶劑及離子溶液的至少其中之一，而該調(diào)整劑為一表面活性劑及/或一分 散劑，用以調(diào)整表面張力。
3. 如權(quán)利要求2所述的石墨烯油墨，其特征在于，該調(diào)整劑包含有機(jī)酸、醇類、醛類、酯 類、胺類、無機(jī)堿、無機(jī)鹽類的至少其中之一。
4. 如權(quán)利要求1所述的石墨烯油墨，其特征在于，該石墨烯片呈片狀，厚度為1? 10nm，平面橫向尺寸為lum?lOum，該石墨烯片的平面橫向尺寸與厚度的比值大于1000,且 比表面積大于400m 2/g，且該石墨烯與該膠態(tài)溶液的接觸角為45度與80度之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的石墨烯油墨，其特征在于，該高分子黏結(jié)劑包含一熱塑性樹脂、 一熱固性樹脂、一纖維素或一導(dǎo)電高分子的至少其中之一。
6. 如權(quán)利要求5所述的石墨烯油墨，其特征在于，該導(dǎo)電高分子包含一聚噻吩 (polythiophene)結(jié)構(gòu)及聚陽離子高分子（polycationic polymer)結(jié)構(gòu)的至少其中之一， 該聚噻吩（polythiophene)結(jié)構(gòu)的化學(xué)式為：
其中，A為碳數(shù)為1-4的燒基自由基（alkylene radical)，或可取代1-4個(gè)碳的燒基自 由基， 該聚陽離子高分子（polycationic polymer)結(jié)構(gòu)的化學(xué)式為：
其中，R1、R2、R3、R4為C「C4的烷基，R 5、R6為飽和或非飽和的亞烷基（alkylene)、芳香 亞燒基（aryl alkylene)或亞二甲苯基（xylylene)。
7. 如權(quán)利要求1所述的石墨烯油墨，其特征在于，進(jìn)一步包含多個(gè)導(dǎo)電粒子或多個(gè)導(dǎo) 熱粒子，該導(dǎo)電或?qū)崃Ｗ拥牧叫∮谑┑钠矫娉叽?，該?dǎo)電或?qū)崃Ｗ訛槎鄠€(gè)金屬 粒子、多個(gè)陶瓷粒子或多個(gè)納米碳管。
8. 如權(quán)利要求7所述的石墨烯油墨，其特征在于，該金屬粒子選自金、銀、銅、鎳、鐵、 鈦、鋯及鋁的至少其中之一。
9. 一種石墨烯線路的制作方法，其特征在于，包含： 一石墨烯油墨制備步驟，制備一石墨烯油墨，該石墨烯油墨包含：一分散溶液、一高分 子黏結(jié)劑、以及多個(gè)石墨烯片，該分散溶劑的表面張力為35mJ/m2與55mJ/m2之間，該高分子 黏結(jié)劑溶解于該分散溶液中，而與該分散溶液共同形成一膠態(tài)溶液，該石墨烯片充分分散 于該膠態(tài)溶液中，石墨烯片懸浮濃度大于〇. lg/L，該高分子黏結(jié)劑占該膠態(tài)溶液的比例小 于10wt%，而使得該石墨烯油墨的黏度為100cp，且其表面電位大于30mV或小于-30mV ; 一遮蔽步驟，在一絕緣基板上形成一圖案化光阻層，或是設(shè)置一圖案化屏蔽； 一油墨嗔涂步驟，在該絕緣基板上嗔涂該石墨稀油墨，而使得該石墨稀油墨形成在未 被該圖案化光阻層或該圖案化屏蔽遮蔽的該絕緣基板的表面上； 一固化步驟，加熱該石墨烯油墨，使得該石墨烯油墨中的揮發(fā)性液體充分揮發(fā)，而使得 該石墨稀油墨固化；以及 一移除步驟，移除該圖案化光阻層或是以機(jī)械力方式移除圖案化屏蔽，而使得該絕緣 基板表面留下由該石墨烯油墨固化所形成的一石墨烯線路。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該絕緣基板為一 PET基板、一 BT基板、一玻 璃纖維基板、一玻璃、一膠帶的其中之一。
【文檔編號】H05K3/12GK104292984SQ201310352522
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月16日
【發(fā)明者】吳以舜, 謝承佑, 鄭叡駿, 彭晟書 申請人:安炬科技股份有限公司