利用3D打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法与流程

本发明涉及一种利用3d打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法。

背景技术

柔性透明电磁屏蔽膜适用于抗电磁干扰，并且有透过率要求的所有窗口，可以有效阻断各种电磁波的辐射，防止信息泄露，保证信息安全，保障设备的稳定可靠使用，在许多领域具有非常广泛的应用，典型的应用领域包括：(1)电磁干扰和信息泄露方面：通讯、医疗、电子信息领域中各类精密仪器仪表的显示窗口，保密室玻璃门窗、屏蔽机柜等窗口屏蔽；(2)国防军工产品emc的需要：军用加固显示器、电子方舱、通讯电子设备等的视窗屏蔽方面；(3)电磁辐射防护领域：各种显示器、手机、台灯、微波炉及医院、实验室大型仪器设备及其他对人体有辐射的各类电子仪器设备，减少电磁波通过透明体进入室内，减少电磁辐射对人体的伤害；(4)激光探测系统光学整流罩的透光屏蔽；(5)除此之外，还能用于柔性透明显示、手机触摸屏、电子纸等。

现有柔性透明电磁屏蔽膜主要包括有以下几种，(1)柔性透明导电ito膜，其价格昂贵，且屏蔽效果欠佳，因此应用上受到很大限制；(2)ito/ag/ito多层透明导电膜系，该导电膜尽管解决了屏蔽效果，但成本极高；(3)tio2/nicr/ag/nicr/tio2多层膜系，存在tio2膜沉积速度慢，nicr过渡层影响透光率等缺陷。金属网栅技术可将透明柔性膜材料做成一种具有周期、线宽等结构参数的金属栅网状微细结构，其结构参数可以根据使用环境和要求进行调节。金属网栅周期远小于电磁波长，同时又远大于红外/可见光波长，故可以屏蔽电磁波而透过可见及红外光学波段。基于金属网栅的柔性透明电磁屏蔽膜显示了更好的应用前景。

与硬质基材透明电磁屏蔽体(诸如透明电磁屏蔽玻璃)相比，柔性透明电磁屏蔽膜使用的基材的是柔性透明薄膜材料(诸如pet、pc、pen等)，通常硬质基材透明电磁屏蔽体的制造技术，在用于柔性透明电磁屏蔽膜的制造方面面临很大的挑战和不足。例如，现有的光刻、纳米压印、喷墨打印、电喷印等在实现超细线宽、大高宽比金属网栅结构方面都面临很大的挑战和不足。此外，无论采用哪一种技术，制造金属网栅所使用的纳米金属浆料都要经过烧结才能具备较好的导电性能，由于高分子柔性基材耐热能力普遍较差，因此在烧结纳米金属浆料时柔性基材易受热损坏，并且纳米金属在烧结时也存在极易氧化的难题。

因此，现有的技术在制造柔性透明电磁屏蔽膜时都存在不足，目前还难以制造出高透光率(超细线宽)、强电磁屏蔽效率(大高宽比)的高性能柔性透明电磁屏蔽膜。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种利用3d打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法，本发明利用单电势电场驱动喷射3d打印技术，以可低温烧结(低于150℃)的无颗粒纳米银浆为打印材料，以喷金玻璃针头(针尖内径1-100μm)作为喷嘴，并结合泰勒锥的缩径效应，可制作超细线宽(小于1μm)的金属网栅，超细线宽的网栅可确保高透光率；利用电场驱动喷射3d打印技术中的自对正效应，实现多层金属网栅线的精确堆积，从而制作出具有大高宽比的多层金属网栅结构(大于2)，大高宽比的多层金属网栅结构可确保较高电磁屏蔽效率。对制作好金属网栅的基材，采用可以抽真空或通入惰性气体氛围的真空干燥箱进行烧结处理，使无颗粒型纳米银浆转化和还原成导电纳米银，避免纳米金属烧结时存在的易氧化难题，金属网栅的线宽和周期可以任意设置，满足强电磁屏蔽的性能要求。因此，本发明能够实现超细、大高宽比多层金属网栅结构的制造，确保同时具有高透光率和高电磁屏蔽效率，还能通过调节网栅周期来屏蔽不同波段的电磁波，最小周期可达50μm，适应性和柔性较好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用3d打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法，包括以下步骤：

对柔性透明膜类基材进行降低表面能的清洗并烘干预处理；

将预处理后的柔性透明膜类基材贴合并夹紧固定在硬质基板上，并利用基于单电势的电场驱动喷射沉积3d打印工艺和设备，以喷金玻璃针头作为喷嘴，采用可低温烧结的无颗粒纳米银浆作为打印材料，在预处理后的基材表面按设定路径进行多层金属网栅的打印制作，得到所需打印高度；

将制作好金属网栅的基材进行在抽真空或通入惰性气体氛围的真空干燥箱中进行干燥或烧结，并根据使用的打印材料，设定相应的温度和时间，通过烧结后处理使无颗粒纳米银浆转化和还原成导电纳米银，完成金属网栅的导电化处理。

进一步的，进行基材预处理步骤依次为：去离子水超声清洗、异丙醇清洗、异辛烷清洗，再利用十七氟癸基三氯硅烷与异辛烷组合溶液浸泡设定时间，依次进行异辛烷清洗、异丙醇清洗和去离子水清洗并烘干。

进一步的，所述柔性透明膜类基材为透明的高分子薄膜材料，如pet、pc或pen。

进一步的，利用膜类基材所具有的静电吸附特性，将其贴合在硬质基板上，并夹紧固定，以硬质基板为支撑使其保持平整状态。

进一步的，制造金属网栅时采用了单电势的电场驱动喷射3d打印技术，无需接地的导电基底作为对电极，使用各种绝缘柔性透明膜类材料作为打印基材。

进一步的，优先选择喷金玻璃针头作为喷嘴，喷金玻璃针头的针尖内径可小至1μm，结合泰勒锥的缩径效应，可以制作线宽小于1μm的金属网栅。

进一步的，电场驱动3d打印设备通过改变的工艺参数来调整所制作金属网栅的周期与线宽，并利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应(自对正)，多层堆积改变线的高宽比。上述设计能够制作出具有超细线宽和大高宽比的金属网栅。

上述的工艺参数包括电压、喷嘴与基材高度、占空比、频率、工作台移动速度或/和背压等。

进一步的，制作金属网栅使用的打印材料优先选择可以低温烧结的无颗粒纳米银浆，通过烧结后处理使无颗粒纳米银浆转化和还原成导电纳米银，也可以包括其它银浆、纳米银墨水、液态金属、导电银胶或者不需烧结的导电聚合物溶液作为打印材料。

当然，上述导电聚合物溶液可以替换为其他物质，只需保证其与基体粘附较好的导电液态材料。

进一步的，金属网栅的周期设定由所屏蔽电磁波的波长所决定，金属网栅设置不同的周期能屏蔽不同波长的电磁波。

进一步的，利用真空干燥箱烧结或干燥所打印的多层金属网栅，可以进行抽真空，也可以通入惰性气体，构造真空氛围。

进一步的，作为另一种方案，将电场驱动喷射3d打印设备置于充满惰性气体的环境里，每打印完成一层，利用激光或光子等原位烧结技术实现每打印完一层直接进行原位烧结。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明结合单电势电场驱动喷射3d打印、玻璃针尖处形成泰勒锥的缩径效应、自聚焦(自对正)效应、无颗粒纳米银浆等技术的优势，实现了在柔性透明膜类基材上进行超细线宽和大高宽比金属网栅结构的高效、低成本制造，解决了金属网栅结构电磁屏蔽膜高效、低成本规模化制造的难题，其具有的显著优势：

(1)解决了柔性透明薄膜基材在制作金属网栅时，无法高温烧结的问题。

(2)打印的金属网栅与基材黏附性好，避免传统加工方法易于脱模的问题。

(3)能够同时实现超细线宽、大高宽比金属网栅结构的制造，所制造的金属网栅结构电磁屏蔽膜同时具有高透光率和高性能电磁屏蔽性能(优良的电磁屏蔽效率、超强的宽波段电磁屏蔽性能)。

(4)制造成本低、工艺简单。

(5)能够高效率生产大尺寸柔性透明电磁屏蔽膜。

(6)对于不同金属网栅图案(线宽、周期、高宽比参数的调整)，仅仅通过调整打印工艺和打印材料，就能实现不同性能电磁屏蔽膜制造，工艺适应性好，柔性好。能够满足不同要求电磁屏蔽膜制造需求。

(7)工艺可扩展性好、应用范围广泛：本发明制造高性能金属网栅结构电磁屏蔽膜，可以广泛的应用于军事领域、通信行业、汽车电子、医疗等行业，尤其是特别适用于高度透光性的可视窗应用，如军工机密机房电磁屏蔽、移动通信设备、雷达显示器、各类显示屏视窗(pdp、lcd、crt)、电台、精密仪器仪表等的电子产品和电子设备的电磁屏蔽，除此之外，还能用于柔性透明显示、手机触摸屏、电子纸、等领域，具有非常广泛的用途和前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是电场驱动喷射沉积3d打印设备工作原理示意图。

图2是本发明实施实例中制作柔性透明电磁屏蔽膜流程图。

图3是实施例1中膜类基材预处理流程图。

其中：1为高压电源模块，2为x-y向运动平台，3为硬质基板，4为喷头，5为供料模块，6为背压调节模块，7为z向运动平台，8为打印平台。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种实现方法，具体包括(1)采用单电势的电场驱动喷射3d打印技术作为金属网栅制造工艺，以喷金玻璃针头作为喷嘴，利用电场驱动技术中泰勒锥的“缩径”效应，实现超细线宽金属网栅的制作，同时利用电场力的拉力能够实现各种粘度材料的打印(纳米金属含量高，导电性强。电磁屏蔽效率高)。能够用于pet、pc、pen等各种柔性高分子透明膜材料类基材的图形化(本工艺是单电势，仅要求喷嘴导电，而且在绝缘基材上打印稳定性高)；(2)优先采用可低温烧结(低于150℃)的无颗粒纳米银浆作为打印材料，也可以是其它能低温烧结的纳米银浆、纳米银墨水、液态金属、导电银胶或者不需烧结的导电聚合物溶液作为打印材料；(3)通过预处理降低基材的表面能，使多层堆积的金属网栅线不易在膜基材表面扩散摊开；(4)利用pet、pc、pen等基材所具有的静电吸附特性，将其贴合并夹紧固定在硬质基板(如玻璃、硅片等)上，以硬质基板为支撑使其保持平整状态；(5)通过调整电场驱动3d打印设备工艺参数(电源电压、电源占空比、电源频率、喷头背压、针尖与基材距离等)，精确调控网栅结构的线宽和周期，既能制作超细线宽的高透光率金属网栅，又能屏蔽不同波长的电磁波；(6)利用单电势的电场驱动喷射3d打印技术的自聚焦(自对正)效应和逐层堆积原理，实现超细线宽(可小于1μm)多层堆积制造(尤其是在堆积过程中能保证打印的精度)，能够实现在柔性透明膜类基材上超细、大高宽比多层金属网栅结构的制造，同时确保高透光率和高电磁屏蔽效率的要求。

利用3d打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法，包括具体工艺步骤：

步骤一：基材预处理。对柔性透明膜类基材进行降低表面能的预处理，依次包括：去离子水超声清洗、异丙醇清洗、异辛烷清洗、十七氟癸基三氯硅烷+异辛烷溶液浸泡15分钟、异辛烷清洗、异丙醇清洗、去离子水清洗并烘干。

步骤二：3d打印金属网栅。将预处理后的柔性透明膜类基材贴合并夹紧固定在硬质基板上，并利用电场驱动喷射沉积3d打印设备，以喷金玻璃针头作为喷嘴，在预处理后的基材表面按设定路径进行金属网栅的打印制作。首先在基材上打印第一层金属网栅，然后利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应，打印第二层，重复以上操作，逐层堆积，得到所需打印高度。

步骤三：金属网栅烧结后处理。将制作好金属网栅的基材放入真空干燥箱，抽真空或通入惰性气体，形成惰性气体氛围，并根据使用的打印材料，设定温度和时间进行烧结，通过烧结后处理使无颗粒纳米银浆转化和还原成导电纳米银，完成导电化处理。

步骤一中的柔性透明膜类基材可以是pet、pc、pen等各种透明的高分子薄膜材料。

步骤二中，利用pet、pen等膜类基材所具有的静电吸附特性，将其贴合在硬质基板(如玻璃、硅片等)上，以硬质基板为支撑使其保持平整状态。

步骤二中，制造金属网栅时采用了单电势的电场驱动喷射3d打印技术，以喷金玻璃针头作为喷嘴，无需接地的导电基底作为对电极，因此可以使用各种绝缘柔性透明膜类材料作为打印基材。

步骤二中，电场驱动3d打印设备可通过改变的工艺参数(电压、喷嘴与基材高度、占空比、频率、工作台移动速度、背压等)来调整所制作金属网栅的周期、线宽，并利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应，多层堆积改变线的高宽比，从而制作出具有超细线宽和大高宽比的金属网栅。

步骤二中，制作金属网栅使用的打印材料优先选择能在能较低温度(低于150摄氏度左右)烧结的无颗粒纳米银浆，也可以是其它纳米银墨水、液态金属、导电银胶或者不需烧结的导电聚合物溶液等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为打印材料。

步骤二中，金属网栅的周期设定由所屏蔽电磁波的波长所决定，金属网栅设置不同的周期能屏蔽不同波长的电磁波。

步骤三中，利用真空干燥箱烧结或干燥所打印的多层金属网栅时，可以抽真空，也可以通入惰性气体，形成惰性气体氛围。

步骤三中，也可以将电场驱动喷射3d打印设备置于充满惰性气体的环境里，每打印完成一层，利用激光、光子等原位烧结技术实现每打印完一层直接进行原位烧结。

实施例1

本实施例以100x100mm的pet为基材，以可低温烧结的无颗粒型纳米银浆(含银量超过20％)为打印材料，硬质基板3为玻璃，以喷金玻璃针头作为喷嘴，利用电场驱动喷射沉积3d打印设备制作周期为200微米，线宽2微米，高宽比1：1的金属网栅，电场驱动3d打印设备工作原理如图1所示，制造流程如图2所示，具体步骤包括：

步骤一：基材预处理。按照图3流程，对pet薄膜基材进行预处理，依次包括：去离子水超声清洗、异丙醇清洗、异辛烷清洗、十七氟癸基三氯硅烷+异辛烷溶液浸泡15分钟、异辛烷清洗、异丙醇清洗、去离子水清洗并烘干。

步骤二：3d打印金属网栅。将预处理后的pet薄膜基材贴合并夹紧固定在硬质基板3上，利用图1所示电场驱动喷射沉积3d打印设备，按设定路径进行金属网栅的打印制作。首先在基材上打印第一层金属网栅，然后利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应，打印第二层，重复以上操作，逐层堆积，得到所需打印高度。

步骤三：金属网栅烧结后处理。将制作好网栅的pet基材放入真空干燥箱，并通入氦气氛围，设定烧结温度为110℃，烧结时间为30分钟，使无颗粒型纳米银浆转化和还原成导电纳米银，进而得到导电性能良好的金属网栅。

实施例2

本实施例以200x200mm的pen为基材，以导电银胶为打印材料，硬质基板3为玻璃，利用电场驱动喷射沉积3d打印设备制作周期为150微米，线宽5微米，高宽比2：1的金属网栅，电场驱动3d打印设备工作原理如图1所示，制造流程如图2所示，具体步骤包括：

步骤一：基材预处理。按照图3流程，对pen基材进行预处理，依次包括：去离子水超声清洗、异丙醇清洗、异辛烷清洗、十七氟癸基三氯硅烷+异辛烷溶液浸泡15分钟、异辛烷清洗、异丙醇清洗、去离子水清洗并烘干。

步骤二：3d打印金属网栅。将预处理后的pen薄膜基材贴合并夹紧固定在硬质基板3上，利用图1所示电场驱动喷射沉积3d打印设备，按设定路径进行金属网栅的打印制作。首先在基材上打印第一层金属网栅，然后利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应，打印第二层，重复以上操作，逐层堆积，得到所需打印高度。

步骤三：金属网栅烧结后处理。将制作好网栅的pen基材放入真空干燥箱，并通入氮气氛围，设定干燥温度为50℃，干燥时间为60分钟，进而得到导电性能良好的金属网栅。

实施例3

本实施例以150x150mm的pet为基材，以可低温烧结的纳米导电银浆为打印材料，硬质基板3为玻璃，利用电场驱动喷射沉积3d打印设备制作周期为250微米，线宽7微米，高宽比1：1的金属网栅，电场驱动3d打印设备工作原理如图1所示，制造流程如图2所示，具体步骤包括：

步骤一：基材预处理。按照图3流程，对pet薄膜基材进行预处理，依次包括：去离子水超声清洗、异丙醇清洗、异辛烷清洗、十七氟癸基三氯硅烷+异辛烷溶液浸泡15分钟、异辛烷清洗、异丙醇清洗、去离子水清洗并烘干。

步骤二：3d打印金属网栅。将预处理后的pet薄膜基材贴合并夹紧固定在硬质基板3上，利用图1所示电场驱动喷射沉积3d打印设备，按设定路径进行金属网栅的打印制作。首先在基材上打印第一层金属网栅，然后利用电场驱动喷射3d打印的自聚焦效应，打印第二层，重复以上操作，逐层堆积，得到所需打印高度。

步骤三：金属网栅烧结后处理。将制作好网栅的pet基材放入真空干燥箱，并通入氦气氛围，设定烧结温度为135℃，烧结时间为40分钟，通过烧结去除纳米导电银浆的有机成分(溶剂、分散剂、稳定剂等)，完成金属网栅导电化处理。

本实施例提供一种利用3d打印制造柔性透明电磁屏蔽膜方法，采用单电势的电场驱动喷射3d打印技术，以喷金玻璃针头作为喷嘴，以各种可以低温烧结的纳米银浆、纳米银墨水、液态金属、导电银胶或者不需烧结的导电聚合物溶液作为打印材料，在pet、pen、pc等各种柔性高分子透明膜类基材的表面上打印高精度(超细线宽)和大高宽比金属网栅，制造柔性透明电磁屏蔽膜。所制造的金属网栅结构具有线宽和周期可精确调控、线宽超细、网栅需要的大高宽比结构易于通过多层堆积实现和调控、金属网栅结构与柔性薄膜基材黏附性强等独特的优点。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。