用于无线天线的导电墨水组成物及导电结构的制作方法

本发明是有关一种用于无线天线的导电墨水组合物及导电结构，其导电性可被显著提升，并大幅降低成本。

背景技术：

用于印刷过程，例如网版印刷及喷墨印刷的导电墨水太过昂贵，以致印刷过程中的利用率无法优于金属蚀刻过程，故造成高成本及有毒的污染。

金属，像是银，镍和铜为导电的材料，这也是为何导电性墨水的价格仍然居高不下的关键原因。因此，如何减少金属量并维持其电组仍是主要的议题。

另一方面，金属的高烧温度经常会限制基板的应用及选择。

随着物联网时代的来临，具天线的无线设备扮演着重要的角色。在装置中的传统天线通过蚀刻过程，由铜或铝制成。但这个过程不仅价格昂贵，而且还会产生许多高污染的废弃物。此外，蚀刻过程也会限制基板的选择。因此，印刷过程，如网版印刷及喷墨印刷是最近的焦点。

虽然印刷过程可节省成本且具环保优点。但在印刷过程中，导电墨水非常昂贵，可能具较差的稳定性或有限的寿命时间。在导电墨水中的导电材料由金属制成，例如，银，镍，铜等。但与碳类材质相比，金属导电均具有高价格及潜在氧化的问题。

美国专利号7,763,187揭示一奈米碳管(布基球，且石墨烯也可被交替使用)可用以作为被分开的银材料之间间隙的桥梁。该增强奈米碳管中的银墨水表现出更佳的机械，电气和热性能。在该专利中，银的含量为2～95重量％。

美国专利号8,709,187揭示一种用于射频识别的水性银墨。片电阻可以低到120毫欧姆/平方(～24毫欧姆/方/密耳)，通过它的读取 范围为至少3米。碳，传统上为炭黑及石墨，也可以作为导电材料。其银含量为约50到70wt％的组合物，而树脂为约4至10wt％。

此外，中国公开号103436099揭示一种低成本的银/碳墨水用于网版印刷。该墨水包括55至72wt％的碳/银组成物及10至25wt％的导电树脂。其涂层在130至150度进行干燥。所述方式可节省30％的成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种用于无线天线的导电墨水组成物及导电结构，其可降低银的含量，但仍可保持较高的导电性。

为达到上述目的，由本发明所提供的一种用于无线天线的导电墨水组成物及导电结构，包含：

该碳粉作为导电“捕捉笼”的碳粉，其包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑(例如KS6)、球状石墨任一种或一种以上的组合；

至少占总固体重量比为0.01～0.1wt％的分散剂；

至少一载体的溶剂，且其占该导电墨水组成物30～75wt％；其中

该银薄片及/或银粉占该导电墨水组成物10～60wt％；

该碳粉占该导电墨水组成物中总固体重量比5～20wt％，该碳粉的厚度为1至10000奈米(nm)，粒径为0.1～100微米(um)。

附图说明

本发明利用较佳实施例可更详细地被解释如下：

图1a是依据本发明的无粘着剂导电碳“捕捉笼”示意图；

图1b是依据本发明导电碳“捕捉笼”捕捉在碳薄片中金属粒子的示意图；

图2a是商业用银墨涂层的光学显微镜显示图像；

图2b是依据本发明无粘着剂银/碳墨水显示出石墨碳薄片捕获的银颗粒，且被填充在空隙中的光学显微镜显示图像；

图3a是依据本发明无粘着剂银/碳墨水涂层被压缩以前的光学显微镜显示图像；

图3b是依据本发明无粘着剂银/碳墨水涂层被压缩以后的光学显微镜显示图像；

图4a是依据本发明无粘着剂样本1的银墨水显示图；

图4b是依据本发明具粘着剂样本2的银墨水显示图；

图4c是依据本发明无粘着剂样本3的银/碳墨水(A)显示图；

图4d是依据本发明无粘着剂样本4的银/碳墨水(B)显示图；

图5是依据本发明该样本1至样本4的电阻效能比较表；

图6是依据本发明该样本1至样本4的压缩效力比较表；

图7是依据本发明具45wt％银含量的无粘着剂银/碳墨水的比较表；

图8是依据本发明射频识别的读取范围显示表，其中至少4米的范围可被读取，其显示我们的墨水可被广泛应用在网版印制的天线。

具体实施方式

依据本发明一种用于无线天线的导电墨水组合物及导电“捕捉笼”可降低其银含量，但仍可保持高导电性。

在前述墨水的历史中具有两种主要的方法：1.调整导电材料，例如添加补充金属，碳，或表面处理银；2更换具导电聚合物的隔离粘着剂。

碳可以用于导电连接，例如，碳材料，像是石墨烯，碳奈米管，石墨等，可添加作为辅助导电材料或作为银颗粒之间的导电桥梁。

针对上述内容，我们提出的碳奈米片不仅可作为导电“捕捉笼”，也可作为捕捉笼矩阵，用以捕捉导电粒子。

如图1a所示，碳薄片将建立一多孔混合物，作为本发明的导电碳“捕捉笼”。另一方面，压缩更被进一步应用作为封闭多孔空间，藉以形成密致的导电薄片。如图1b所示，金属粉末被导电碳“捕捉笼”困住并相互链结，而非如绝缘体类型的粘着剂情况。此捕捉笼的笼门被封闭，用以夹持金属颗粒，而无需使用经压缩后的任何粘着剂。此方式无需使用绝缘类型的粘着剂，且可增加墨水导电性。在 本发明中的碳薄片不仅是导电材料，而且可作为高效率捕捉笼，用以捕捉金属颗粒。

石墨碳薄片的粘着力来自于介面之间的范德华力。由于范德华力的反-正比距离，其密合力可通过该涂层的压缩达成，而无需使用粘着剂。

如图2a所示，其为该商业用银墨的光学显微镜显示图，该银墨具有许多空隙。因此，颗粒与粘着剂之间的烧结无法避免，藉以确保金属连接及墨水的附着力。另一方面，如图2b所示，其为本发明的银/碳墨水光学显微镜显示图，其中，在银之间的空隙完全被石墨碳薄片填补。凭借其粘着力，碳薄片不仅可抓住银颗粒，也可作为一种有效的粘着剂。

如前述内容，压缩，缩减石墨碳薄片及其它介面之间的距离，可以大幅提高黏合性。当在墨水组成物中的银含量较低时，这样的观念更切合实际。然而，压缩也有助于银与银介面中的连接，而不管碳是否存在，因为银为一种韧性金属，故可节省在高温烧结过程中的墨水。

导电石墨烯捕捉笼的观念更可进一步在光学显微镜显示图像中被确定。从沉积和压缩涂层的光学显微镜显示图，如图3a和图3b所示，这些介面的接触可以被观察出来。如弃置的银/碳涂层显示出一多孔及不规则的结构，其经辗压后成为更致密的薄膜。因此，多孔碳奈米片混合物被作为导电“捕捉笼”，用以在辗压后捕捉银颗粒，而无需任何粘着剂连接。因此，在颗粒及被显示表面之间的压缩涂层具有高导电性及良好的附着力。

该银薄片及/或银粉的粒径为10奈米至100微米。该碳粉为导电“捕捉笼”，且包含石墨烯、天然石墨、片状碳黑(例如KS6)、球状石墨其中的任一种或一种以上的组合，该碳粉的厚度为1至10000奈米(nm)，粒径为0.1～100微米(um)。该银薄片及/或银粉占该导电墨水组成物10～60wt％；该碳粉占该导电墨水组成物中总固体重量 比5～20wt％。

分散剂亦包含在该导电墨水组成物中。该分散剂可为离子型分散剂或非离子型分散剂，该离子型分散剂包含P-123，Tween 20，Xanthan gum，Carboxymethyl Cellulose(CMC)，Triton X-100，Polyvinylpyrrolidone(PVP)，Brji 30其中的任一种或一种以上的组合，其中该非离子型分散剂包含Poly(sodium 4-styrenesulfonate)(PSS)，3-[(3-Cholamidopropyl)dimethyl ammonio]-1-propanesufonate(CHAPS)，Hexadecyltrimethylammonium bromide(HTAB)，Sodium taurodeoxycholate hydrate(SDS)，1-Pyrenebutyric acid(PBA)其中的任一种或一种以上的组合。该分散剂占总固体重量比为0.01～0.1％(wt％)。

该导电墨水组成物的溶剂可为一或数个载体。该载体可为纯水，有机或是非有机溶剂。该适用的载体包括：Methyl-2-pyrrolidone(NMP)，IPA(Isopropyl alcohol)，ethanol，glycerol，ethylene glycol，butanol，propanol，Propylene glycol monomethyl ether(PGME)，Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA)，苯，甲苯其中的任一种。该溶剂占导电墨水组成物30至75％(wt％)。

热干燥法为该导电墨水的主要干燥方法。其加热温度范围为30至300℃，温度越高则加热时间越短。在干燥步骤后，天线会被进一步辗压，以便提高无线天线的导电线密度。该辗压比例为天线图案原始厚度的0.5～99％。

在附着力试验中，我们固定的银含量在非常低的水平(占总组成物的15wt％)，并分别添加固定量(约30wt％)的导电碳和粘着剂，用于粘着力及电阻的比较。纯银墨水亦被比较。然而，银的含量必须增加至45wt％的纯银，才可获得能够被接受的涂层。

图4a依据本发明无粘着剂样本1的银墨水显示图；图4b依据本发明具粘着剂样本2的银墨水显示图；图4c依据本发明无粘着剂样本3的银/碳墨水(A)显示图；图4d依据本发明无粘着剂样本4的银/碳墨水 (B)显示图，其中，在样本3及样本4中的碳配方组成物不同。

经擦拭后，人们可以发现，银与碳具有优异的附着力可媲美粘着剂。然而，纯银导电墨水的导线几乎全军覆没。

参见图5，在电阻性能中，不具粘着剂的银墨水显示相对低的电阻，因为银的含量高出三倍(45wt％对15wt％)。

具粘着剂的银墨水显示非常高的性能，因为粘着剂为绝缘体，且该导电银太少而无法作为粘着剂中的导电通道。

此外，无粘着剂的银/石墨碳具有良好的导电性。这显示本发明的墨水组成物具有高竞争力的电阻，粘着性，与价格优势。

参见图6，在电阻上的压缩效果观察中，该压缩能够大幅减少电阻最多可达到小于具碳成分的银及纯银的效果。

碳组成物亦被发现可影响电阻。

值得注意的是，当具有占总墨水组成物15wt％的银时，墨水的电阻可以降低至1.5欧姆/平方/密耳。这表示，通过调整组成物在相对低的银含量时，可获得低成本效益及电阻弹性。

如图7所示，我们其中一种无粘合剂的银/碳墨水的银含量为45wt％(与已用的纯银墨水相同)，且该电阻几乎是相同的。这显现出碳奈米薄片可以显著提高附着力，但不影响电阻。

而后，无粘着剂的银/碳墨水可通过网版印刷，被印刷至具不同天线图案的纸张上。如图8所示，该天线可读取范围被显示于列表中，其中，在至少4米的距离内该天线可以被读取，这表示我们的墨水可广泛被应用于网版印刷的天线。