还原低温基底上的薄膜的方法
还原低温基底上的薄膜的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为200980150327. 4、申请日为2009年3月25日、发明名称为"还 原低温基底上的薄膜的方法"的专利申请的分案申请。
[0002] 本申请是2007年5月24日提交的名为"金属纳米材料复合物的电用途、镀覆 用途和催化用途（Electrical, Plating and Catalytic Uses of Metal Nanomaterial Composition)"的美国系列号No. 11/720, 171的部分继续申请案，其经此引用并入本文。
[0003] 相关申请
[0004] 本申请与2008年10月17日提交的名为"使低温基底上的薄膜高速反应的方法和 装置（Method and Apparatus for Reacting Thin Films on Low Temperature Substrates at High Speeds)"的美国系列号No. 61/196, 531相关，其经此引用并入本文。
技术领域
[0005] 概括而言，本发明涉及固化法，特别涉及还原低温基底上的薄膜的方法。
【背景技术】
[0006] 制造电子电路的一种方法是用金属油墨将电导体印刷到基底上，然后加热该基底 以将金属油墨粒子烧结，从而形成导电轨迹。通常，适于导电的大多数印刷金属需要加热至 非常高的温度，这通常在它们熔点的数百摄氏度内，以便烧结和变得导电。
[0007] 用于制造印刷电子部件中导电轨迹的两种最常用的元素是银和铜。银具有胜过铜 的两个优点，因为银可以在空气中加热但氧化程度很低，且其氧化物（电导率比较低）在相 对较低的温度分解。在制造导电轨迹时，与其高成本相比，这两个品质以及银是导电性最强 的金属这一事实通常更受重视。因此，即使铜的电导率为银的大约90%，且按质量计其通常 便宜50至100倍，但银油墨仍然占据印刷电子部件市场的主流，因为制造和加工铜油墨以 避免氧化的额外成本通常高于材料成本的差异。
[0008] 现有技术中公知的是，一些金属氧化物如果具有正还原电位，则可以在升高的温 度被氢或烃还原。例如，可以首先通过将含氧化铜的矿石与木炭混合并同时施热来提取铜。 在还原剂存在下加热氧化铜粒子或甚至纯氧化铜时，氧化铜粒子可烧结而形成导体。
[0009] 在通过印刷铜粒子来制造薄膜导体时，如果在惰性或还原气氛中将粒子加热至它 们的烧结温度，可以形成导电性非常强的轨迹。由于铜的熔点接近1，085°c，因此烧结所需 的温度决定了只能使用高温基底，例如玻璃或陶瓷。这种高温要求阻碍了廉价基底（例如 纸或塑料）的使用。
[0010] 或者，如果在低温基底上沉积铜粒子薄膜，可以将其加热至接近基底分解温度，然 后置于还原气氛中，但根据薄膜厚度和温度，该低温将固化所需的时间量从数秒显著增加 至数分钟或甚至数小时。在低温下，烧结非常有限，因此薄膜电阻率变高。此外，对惰性或 还原气氛的需要也显著提高了加工成本。因此，需要提供一种改进的方法，以在环境气氛中 迅速还原低温基底上的金属氧化物。
【发明内容】
toon] 根据本发明的一个优选实施方案，先将可还原的金属化合物和还原剂分散在液体 (例如水）中。然后将该分散体以薄膜形式沉积在基底上。然后使所述薄膜与所述基底一 起暴露于脉冲电磁发射，以使所述可还原的金属化合物与所述还原剂进行化学反应，从而 使所述薄膜变导电。
[0012] 在下列详细书面描述中可看出本发明的所有特征和优点。
【附图说明】
[0013] 在结合附图阅读时，参照示例性实施方案的下列详述很好地理解本发明本身及其 优选使用模式、进一步目的和优点，其中：
[0014] 图1是根据本发明一个优选实施方案的固化低温基底上的薄膜的方法的流程图； 且
[0015] 图2是根据本发明的一个优选实施方案的固化装置的图。
【具体实施方式】
[0016] 对本发明而言，固化是指热加工，其包括还原低温基底上的薄膜内所含的金属化 合物。薄膜是指小于100微米厚的涂层。低温基底的实例包括纸、塑料或聚合物。
[0017] 本发明是提供活化能以利用强脉冲光进行薄膜中的还原-氧化反应的方法。氧化 还原反应可以是通过有机化合物还原金属氧化物，并可以在低温基底上进行。
[0018] 现在参照附图且特别参照图1，其中描绘了根据本发明一个优选实施方案的将低 温基底上的薄膜固化的方法的流程图。在方框100中开始，如方框110中所示，使用各种普 通分散剂，例如聚乙烯基吡咯烷酮或聚苯乙烯-丙烯酸酯共聚物，将非导电金属氧化物分 散在液体（例如水）中。该分散体还包括至少一种还原剂。该还原剂可以是多种化合物， 包括醇、醛、羧酸和炭黑。还原剂优选包括甘油、抗坏血酸、1,2-己二醇和戊二酸。其它添加 剂可包括用于表面润湿的各种表面活性剂、润湿剂、助溶剂和粘合剂树脂。所述分散体可包 括导电粒子，例如银、铜或金。该分散体还可含有部分氧化的金属粒子。非导电的金属氧化 物可以是表1中所列的任何金属氧化物。
[0019] 表1
[0020] MoO2, MoO3 钼氧化物 WO2, WO3 钨氧化物
[0021]
[0022] 然后如方框120中所示将分散体以薄膜形式沉积在低温基底上。该低温基底可以 是聚合物（聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙 烯、聚氯乙烯，等）、纸等。可以通过任何普通印刷技术，包括喷墨、凹版印刷、苯胺印刷、辊 涂、丝网印刷等，将分散体沉积在低温基底上。或者，可以使用干沉积法，例如静电印刷术， 将非导电金属氧化物和还原剂以薄膜形式沉积在低温基底上。
[0023] 然后如方框130中所示，使所述薄膜与低温基底一起暴露于脉冲电磁发射，以引 发低温基底上的非导电金属氧化物与还原剂之间的氧化还原反应。脉冲电磁源可以是能够 传送小于20ms脉冲长度的激光器、闪光灯、定向等离子弧灯、微波或射频感应加热器。另一 实施方案是在使薄膜传送经过辐射源时使用电子束或强弧光灯将热沉积到薄膜中，以引发 氧化还原反应。就电子束和弧光灯源而言，活动基底和静态源的组合具有为薄膜提供脉冲 加热的作用。电磁源应具有大于500W/cm 2的发射。由于所述暴露，在氧化还原反应后使该 薄膜导电。
[0024] 优选地，如下所述，在使用自动化固化装置将所述低温基底传送经过光源的同时 使所述薄膜固化。
[0025] 现在参照图2,其中显示了根据本发明一个优选实施方案的用于固化低温基底上 的薄膜的固化装置的图。如图所示，固化装置200包括传送系统210、选通脉冲头220、继电 器架230、和卷到卷给料系统240。固化装置200能够使位于低温基底203上的薄膜202固 化，该低温基底203位于以相对高速传送经过选通脉冲头220的网幅上。传送系统210可 优选地以2至1000英尺/分钟的速度运行，以移动基底203。优选地，固化装置200可适应 以6英寸为增幅的任何宽度的幅宽。可通过现有技术（例如丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、 激光印刷、静电印刷、压印、上漆、蘸水笔（dip-pen)、注射器、喷枪、苯胺印刷、CVD、PECVD、蒸 发、溅射等）之一或组合，在基底203上添加薄膜202。可以与固化法联机进行薄膜202沉 积到基底203上。
[0026] 选通脉冲头220 (其优选是水冷的）包括用于固化位于基底203上的薄膜202的 高强度脉冲氙闪光灯221。脉冲氙闪光灯221可提供具有不同强度、脉冲长度和脉冲重复 频率的脉冲。例如，脉冲氙闪光灯221可以以最多IkHz的脉冲重复速率提供具有3"X6" 宽的足迹的10 μ s至IOms脉冲。来自脉冲氙闪光灯221的发射的光谱范围为200纳米至 2, 500纳米。通过将石英灯换成铈掺杂的石英灯，可以调节光谱，以除去低于350纳米的大 多数发射。也可以将石英灯换成蓝宝石灯，以发出大约140纳米至大约4, 500纳米的发射。 也可以添加滤光器以除去光谱的其它部分。闪光灯221也 可以是水冷壁闪光灯，其有时被 称作定向等离子弧（DPA)灯。
[0027] 继电器架230包括可调节电源、传送控制模件和选通脉冲控制模件。所述可调节 电源可产生能量最多为4千焦/脉冲的脉冲。可调节电源与脉冲氙闪光灯221相连，并可 以通过控制经过脉冲氙闪光灯221的电流量来改变来自脉冲氙闪光灯221的发射强度。
[0028] 可调节电源控制脉冲氙闪光灯221的发射强度。对来自脉冲氙闪光灯221的发射 的功率、脉冲持续时间和脉冲重复频率进行电子调节，并与幅速度同步，以根据薄膜202和 基底203的光学、热和几何性质在不破坏基底203的情况下实现薄膜202的最佳固化。
[0029] 在固化操作过程中，传送系统210使基底203以及薄膜202移动。传送系统210 使薄膜202在选通脉冲头220下方移动，其中通过来自脉冲氙闪光灯221的快速脉冲使薄 膜202固化。来自脉冲氙闪光灯221的发射的功率、持续时间和重复速率由选通脉冲控制 模件控制，基底203移动经过选通脉冲头220的速度由传送控制模件决定。
[0030] 使用传感器250 (其可以是机械、电或光学传感器）感测传送系统210的速度。例 如，可以通过检测来自轴编码器的信号来感测传送带系统210的传送带速度，其中轴编码 器连向与活动传送带接触的轮。而脉冲重复速率可以与传送带系统210的传送带速度同 步。选通脉冲速率f的同步由下式给出：
[0031] f = 0· 2*s*o/w
[0032] 其中 s =幅速度[ft/min]
[0033] 〇 =重叠因子
[0034] W=固化头宽度[in]
[0035] 重叠因子是基底在任一位置接收的选通脉冲的平均数。例如，在幅速度为200ft/ min、重叠因子为5和固化头宽度为2. 75英寸时，选通脉冲速率为72. 7Hz。
[0036] 当闪光灯221脉冲时，薄膜202被瞬时加热，以提供用于氧化还原反应的活化能。 当快速脉冲列与活动基底203结合时，可以在任意大的面积上获得均匀固化，因为薄膜202 的各区段可以暴露在多脉冲下，这与连续固化系统（例如炉）近似。
[0037] 不同于现有技术一一其中在固化之前引入还原剂或助熔剂以从金属粒子中除去 氧化物，本发明的方法将还原剂与要通过强脉冲光还原的氧化物一起直接置于薄膜中。该 方法可以在空气中进行，因为短的反应时间消除了对惰性或还原环境的要求。基本上，将薄 膜短暂加热至足够高的温度，以使还原剂和氧化物反应，但反应时间足够短，以防止与空气 的显著化学反应。
[0038] 由于强脉冲光，金属氧化物被薄膜中的还原剂还原，产生金属薄膜。尽管来自脉冲 光源的每单位面积的辐射功率非常高（~2KW/cm 2)，但脉冲持续时间如此短，以致在基底 103上沉积很少的能量（~2J/cm2)。因此，基底103未被破坏。因此，本发明的方法使得 高温氧化还原反应可以在不耐热基底（例如塑料或纸）上发生。该方法发生得如此快，以 致金属在空气中的氧化非常低，因此不需要惰性或还原气氛。除还原金属氧化物外，强脉冲 光具有在不破坏基底的情况下烧结金属粒子以形成高导电轨迹的额外益处。每次光脉冲看 起来既造成还原又造成烧结。
[0039] 作为另一实施方案，还原剂是具有负还原电位的金属，例如铝、镁或锂。这可以使 没有正还原电位的材料还原。该还原性金属可以是微粒或薄膜形式。
[0040] 作为另一实施方案，通过在表面上沉积反应薄膜并使该薄膜暴露在强脉冲光下以 使该薄膜与该表面反应，进行清洁或与表面反应的方法。简言之，加热至非常高温度的相对 无害的化学品具有与在室温下相对危险的化学品类似的化学活性。用途包括清洁剂、表面 处理等。由于相对无害的试剂仅在高温下非常活性，这意味着可以使用较安全的和可能较 环保的清洁剂代替较危险的材料。这种试剂的储存更安全，而且这种试剂在使用后的处置 成本更低、更环保。
[0041] 下一段阐述在本发明方法的过程中在薄膜中发生的情况。薄膜的典型厚度为1 微米，基底的典型厚度为150微米（6密尔）。氧化铜/有机还原剂基薄膜上的优选脉冲为 330V，脉冲长度为1，000微秒。这一设置相当于I. 7J/cm2的辐射曝露量或I. 7KW/cm2的平 均辐射功率。假设界面处的天然对流损失，忽略辐射损失、溶剂蒸发吸收的能量、薄膜界面 处的PET熔融吸收的能量和由氧化还原反应释放的能量，进行该系统的热模拟。假设来自 图1的固化装置在脉冲前处在室温（25°C )，在Ims脉冲结束时计算出的薄膜的峰值温度为 大约1，040°C。整个薄膜/基底在25ms内恢复至低于PET的公开分解温度150°C。这种加 热在对基底无表观破坏的情况下进行。但是，不同于设定在PET的公开分解温度下的典型 对流炉，明显较高的峰值温度提供了足以发生氧化还原反应的活化能。由于氧化还原反应 在短于25ms的时间范围内肯定完成，时间不足以使铜被空气还原。因此，发生氧化还原反 应而不发生铜的氧化。因此，产生高导电的铜薄膜。此外，考虑到薄膜达到的温度，光脉冲 还使所得铜粒子烧结。该烧结具有提高薄膜的电导率和稳定性的作用。
[0042] 本发明的方法的一个优点在于，该还原可以非常快地完成，这使其与高速印刷和 幅操作技术相容。因此，可以在廉价的低温基底（例如纸、塑料或聚合物）上进行高温加工。 本发明的方法的另一优点在于，可以在周围环境（例如空气）中进行还原。本发明的方法 的又一优点在于，可以在明显低于银的成本下在基底上沉积铜、氧化的铜或甚至氧化铜，并 固化至与印刷银相当的电阻率。更具体地，铜在空气中加热时氧化。本发明能够使铜粒子 在空气中固化产生高导电薄膜，而不用考虑它们的氧化程度。
[0043] 如上所述，本发明提供了迅速还原低温基底上的薄膜的方法。
[0044] 实施例
[0045] 实施例1-抗坏血酸还原剂
[0046] 在20毫升管瓶中混合3.0克< 50nm氧化铜（II)、3· 6克去离子水、0· 15克PVP κ-30、0· 3 克乙二醇、0· 04 克Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 02 克 Dynoi? 604、0· 02 克ΒγΚ? -020 和0. 66克抗坏血酸，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌 60分钟。
[0047] 使用#5Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MeHnex、* ST505PET片 上。
[0048] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0049] 实施例2-乙二醇/甘油还原剂
[0050] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoArc?氧化铜、5. 7克去离子水、0· 10克PVP κ-30、0· 6 克乙二醇、〇· 03 克Tergitol? τμν-6、ο· Oi 克 Dynol? 604 和 〇· 32 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0051] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MeHneX^ ST505 PET 片上。
[0052] 在空气环境中用850微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0053] 实施例3-乙二醇/甘油还原剂
[0054] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoAre?氧化铜、5.4克去离子水、ο. 1〇克PVP K-30、〇· 6 克乙二醇、〇· 03 克 Tergitol? tmn-6、o. οι 克 Dynolife 6〇4 和 〇. 67 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0055] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MelineX? ST505 PET 片上。
[005 6] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子3以24英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0057] 实施例4-乙二醇/甘油还原剂
[0058] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoArc?氧化铜、4.9克去离子水、〇· 10克PVP κ-30、0. 5 克乙二醇、〇. 03 克 Tergitol? TMN-6、0.01 克Dynol? 604 和 1. 32 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0059] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]VIelinexfe ST505 PET 片上。
[0060] 在空气环境中用750V的脉冲长度为2, 300的单脉冲固化该样品。薄膜颜色从深 褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为4. ΙΩ/sq。
[0061] 实施例5-葡萄糖还原剂
[0062] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoArci^ft化铜、5. 3克去呙子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克Tergitol? TMN-6、0.01 克Dynol? 604 和 〇. 79 克葡萄糖，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0063] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。单独地，使用#5Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Epson Photo Paper 片上。
[0064] 在空气环境中用400微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品3 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0065] 实施例6-葡萄糖还原剂
[0066] 在20毫升管瓶中混合L 75克ISanoArc?.氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-3〇、ο. 6 克乙二醇、〇. 〇2 克 Tergitol? tmn-6、o. Oi 克Dynol? 604 和 1. 59 克葡萄糖，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0067] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0068] 在空气环境中用500微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。薄 膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为2. 2 Ω/sq。
[0069] 实施例7-己二醇还原剂
[0070] 在20毫升管瓶中混合1. 5克NanoAre?氧化铜、7. 5克去离子水、〇. 〇8克PVP κ-30、(λ 8 克乙二醇、0· 03 克Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 02 克Dynol? 604 和 0· 47 克 1，2-己二 醇，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0071] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0072] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0073] 实施例8-戊二酸还原剂
[0074] 在20毫升管瓶中混合1.5克< 50nm氧化铜（II)、6. 8克去离子水、0.08克PVP 1(-30、0.8克乙二醇、0.03克丁6叹红0丨@了1^-6、0.02克〇丫11〇[email protected] 604和0.47克戊二酸，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0075] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]yielinex.订5〇5 PET 片上。
[0076] 在空气环境中用1，200微秒脉冲长度和重叠因子3以25英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为2. 7 Ω/Sq。
[0077] 实施例9-聚丙烯酰胺还原剂
[0078] 在20毫升管瓶中混合1. 75克iNanoAix?氣化铜、5. 3克去离子水、0. 09克PVP κ-30、0· 6 克乙二醇、0· 02 克 Tergitol? TMN-6、0.01 克 Dynol? 604 和 L 25 克聚丙烯酰 胺，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0079] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MelilieV* ST505 PET 片上。
[0080] 在空气环境中用800微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0081] 实施例10-季戊四醇还原剂
[0082] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoArc?,氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克Tergitol? TMN-6、0.0 i 克 Dynol? 604 和 〇. 90 克季戊四醇， 由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0083] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]VIeHnex^ ST5〇5 PET 片上。
[0084] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0085] 实施例11-琥珀酸还原剂
[0086] 在20毫升管瓶中混合1. 75克ISjanoAre?.氧化铜、5. 3克去离子水、0. 09克PVP Κ-30、0· 6 克乙二醇、〇· 02 克 Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 01 克Dynol? 604 和 0· 71 克琥珀酸（钠 盐），由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0087] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0088] 在空气环境中用700微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0089] 实施例12-碳还原剂
[0090] 在20毫升管瓶中混合1. 75克NanoArc?氣化铜、5. 3克去离子水、〇. 09克PVP κ-30、(λ 6 克乙二醇、〇· 02 克Tergitol? ΤΜΝ-6、(λ Oi 克Dynol? 604 和 〇· 32 克炭黑，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0091] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0092] 在空气环境中用500微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品四 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0093] 实施例13-尿酸还原剂
[0094] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoAre?.氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克 Tergitol? TMN-6、0.0 i 克Dynol? 604 和 〇. 89 克尿酸，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0095] 使用#5 Meyer棒通 过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0096] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品四 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0097] 实施例14-用甘油还原剂的喷墨印刷
[0098] 首先研磨52. 5克NanoAlX?.氧化铜、2. 6克PVP K-30和294. 9克去离子水的混 合物，由此制造氧化铜分散体。所得平均粒度为115纳米。通过混合8. 4克研磨的氧化铜 分散体、1. 〇克甘油、〇. 5克乙二醇、〇. 04克Triton? X-100和0. 03克BYK?-020,制造 喷墨印刷油墨。
[0099] 使用桌面喷墨印刷机将所述喷墨印刷油墨印刷到Pictorico牌PET上。
[0100] 在空气环境中用300微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。薄 膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为ΙΩ/sq。
[0101] 实施例15-含抗坏血酸和甘油还原剂的铜粉
[0102] 在7. 57克去离子水中混合2. 5克Mitsui铜粉、0. 04克;BYK? -〇2〇、〇. 04克 Tergitol? TMN-6、0. 25 克 PVP K-30、0. 89 克甘油、0. 45 克乙二醇、0. 76 克抗坏血酸，由此 制造铜分散体。
[0103] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Pictorico牌PET片 上。
[0104] 在空气环境中用1，〇〇〇微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为40mQ/ Sq。 假设薄膜完全致密，其为1. 3微米厚，因此其体积电导率为5. 2micr〇 Ω-cm，或为纯铜体积 电阻率的3倍。
[0105] 实施例16-用抗坏血酸还原剂的喷墨印刷
[0106] 首先研磨52. 5克NanoArc?.氧化铜、2.6克PVP K-30和294. 9克去离子水的混 合物，由此制造氧化铜分散体。所得平均粒度为115纳米。通过混合8. 4克研磨的氧化铜 分散体、1. 〇克甘油、〇. 5克乙二醇、〇. 04克Triton? X-100和〇.03克：BYK? _020,制造 第一喷墨印刷油墨。通过在42. 5克去离子水中混合〇. 1克Βγκ? _020、0. 2克TfitOn? X-100、10. 0克抗坏血酸、3. 0克乙二醇、4. 5克甘油，制造第二喷墨印刷油墨。
[0107] 使用喷墨印刷机将这两种喷墨印刷油墨相继印刷到Pictorico牌PET上。
[0108] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子1以24英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。估计该薄膜为0. 3微米厚，并具有 140m Ω/sq的薄层电阻，表明其体积电导率为4. ImicroQ-cm或为纯铜体积电阻率的2. 4 倍。
[0109] 所有上述实施例相同地制备，并在含空气环境的炉中在150°C放置30分钟。在所 有情况下，没有该薄膜转化或导电的直观迹象。更高的炉温不可行，因为PET的最高工作温 度为150°C。在使用更高温基底，例如Kaptan或玻璃时，甚至在高达800°C的温度下也没有 观察到转化。
[0110] 实施例17-含抗坏血酸还原剂的硫酸铜
[0111] 用去离子水中的20重量％ CuSO4. 5H20制造第一溶液。通过在42. 5克去离子水中 混合 〇· 1 克BYK?.-020、〇· 2 克Triton? X-100、10. 〇 克抗坏血酸、3. 〇 克乙二醇、4. 5 克 甘油，制造第二溶液。
[0112] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将第一溶液沉积在普通复印纸上。此后 使用#5棒通过下引（drawdown)沉积第二溶液。
[0113] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品 三遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。在低 放大显微镜下，观察到铜涂布该纸的纤维。
[0114] 实施例18-铝还原剂
[0115] 在6.0克去离子水中用0.29克Valimet-H2铝粉、0.77克来自Sigma-Aldrich的 < 5微米氧化铜（II)、0· 11克PVP K-30制造分散体。
[0116] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Pictorico牌PET片 上。
[0117] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子2以28英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜从深褐色变成铜色。
[0118] 另一方面，将所有上述实施例中制成的相同薄膜在含空气气氛的炉中在150°C放 置30分钟。选择150°C，因为其是PET的最高工作温度。没有观察到转化且薄膜无一具有 可测的电阻（大于400ΜΩ/square)。
[0119] 尽管已经参照优选实施方案特别显示和描述了本发明，但本领域技术人员会理解 的是，可以在不偏离本发明的实质和保护范围的情况下在其中作出形式和细节的各种改 变。
【主权项】
1. 在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括： 将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和 使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧 化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述 薄膜导电。2. 权利要求1的方法，其中所述基底是纸。3. 权利要求1的方法，其中所述基底是PET。4. 权利要求1的方法，其中所述基底是聚合物。5. 权利要求1的方法，其中所述首先的氧化还原反应和所述随后的烧结在所述单脉冲 电磁发射中进行。6. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射是由激光器、闪光灯、定向等离子弧 灯、微波、射频感应加热器、电子束和弧光灯的任一种产生的。7. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是铝。8. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是镁。9. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是锂。10. 权利要求1的方法，其中所述金属氧化物选自由钼氧化物、钨氧化物、铼氧化物、铁 氧化物、钌氧化物、锇氧化物、钴氧化物、铑氧化物、铱氧化物、镍氧化物、钯氧化物、铂氧化 物、铜氧化物、银氧化物、金氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铟氧化物、锗氧化物、锡氧化物、铅 氧化物、锑氧化物和铋氧化物组成的组。11. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射的辐射功率为约2KW/cm2。12. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射具有小于20ms的脉冲长度。
【专利摘要】本发明公开了还原低温基底上的薄膜的方法，具体地涉及在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括：将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述薄膜导电。
【IPC分类】C23C18/31
【公开号】CN104894538
【申请号】CN201510329127
【发明人】D·S·波普, K·A·施罗德, I·M·罗森
【申请人】Ncc纳诺责任有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2009年3月25日
【公告号】CA2740618A1, CA2740786A1, CA2910493A1, CN102217429A, CN102217429B, CN102245804A, CN103796425A, EP2347032A1, EP2347638A1, US20100098874, US20110262657, WO2010044904A1, WO2010045639A1
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为200980150327. 4、申请日为2009年3月25日、发明名称为"还 原低温基底上的薄膜的方法"的专利申请的分案申请。
[0002] 本申请是2007年5月24日提交的名为"金属纳米材料复合物的电用途、镀覆 用途和催化用途（Electrical, Plating and Catalytic Uses of Metal Nanomaterial Composition)"的美国系列号No. 11/720, 171的部分继续申请案，其经此引用并入本文。
[0003] 相关申请
[0004] 本申请与2008年10月17日提交的名为"使低温基底上的薄膜高速反应的方法和 装置（Method and Apparatus for Reacting Thin Films on Low Temperature Substrates at High Speeds)"的美国系列号No. 61/196, 531相关，其经此引用并入本文。
技术领域
[0005] 概括而言，本发明涉及固化法，特别涉及还原低温基底上的薄膜的方法。
【背景技术】
[0006] 制造电子电路的一种方法是用金属油墨将电导体印刷到基底上，然后加热该基底 以将金属油墨粒子烧结，从而形成导电轨迹。通常，适于导电的大多数印刷金属需要加热至 非常高的温度，这通常在它们熔点的数百摄氏度内，以便烧结和变得导电。
[0007] 用于制造印刷电子部件中导电轨迹的两种最常用的元素是银和铜。银具有胜过铜 的两个优点，因为银可以在空气中加热但氧化程度很低，且其氧化物（电导率比较低）在相 对较低的温度分解。在制造导电轨迹时，与其高成本相比，这两个品质以及银是导电性最强 的金属这一事实通常更受重视。因此，即使铜的电导率为银的大约90%，且按质量计其通常 便宜50至100倍，但银油墨仍然占据印刷电子部件市场的主流，因为制造和加工铜油墨以 避免氧化的额外成本通常高于材料成本的差异。
[0008] 现有技术中公知的是，一些金属氧化物如果具有正还原电位，则可以在升高的温 度被氢或烃还原。例如，可以首先通过将含氧化铜的矿石与木炭混合并同时施热来提取铜。 在还原剂存在下加热氧化铜粒子或甚至纯氧化铜时，氧化铜粒子可烧结而形成导体。
[0009] 在通过印刷铜粒子来制造薄膜导体时，如果在惰性或还原气氛中将粒子加热至它 们的烧结温度，可以形成导电性非常强的轨迹。由于铜的熔点接近1，085°c，因此烧结所需 的温度决定了只能使用高温基底，例如玻璃或陶瓷。这种高温要求阻碍了廉价基底（例如 纸或塑料）的使用。
[0010] 或者，如果在低温基底上沉积铜粒子薄膜，可以将其加热至接近基底分解温度，然 后置于还原气氛中，但根据薄膜厚度和温度，该低温将固化所需的时间量从数秒显著增加 至数分钟或甚至数小时。在低温下，烧结非常有限，因此薄膜电阻率变高。此外，对惰性或 还原气氛的需要也显著提高了加工成本。因此，需要提供一种改进的方法，以在环境气氛中 迅速还原低温基底上的金属氧化物。
【发明内容】
toon] 根据本发明的一个优选实施方案，先将可还原的金属化合物和还原剂分散在液体 (例如水）中。然后将该分散体以薄膜形式沉积在基底上。然后使所述薄膜与所述基底一 起暴露于脉冲电磁发射，以使所述可还原的金属化合物与所述还原剂进行化学反应，从而 使所述薄膜变导电。
[0012] 在下列详细书面描述中可看出本发明的所有特征和优点。
【附图说明】
[0013] 在结合附图阅读时，参照示例性实施方案的下列详述很好地理解本发明本身及其 优选使用模式、进一步目的和优点，其中：
[0014] 图1是根据本发明一个优选实施方案的固化低温基底上的薄膜的方法的流程图； 且
[0015] 图2是根据本发明的一个优选实施方案的固化装置的图。
【具体实施方式】
[0016] 对本发明而言，固化是指热加工，其包括还原低温基底上的薄膜内所含的金属化 合物。薄膜是指小于100微米厚的涂层。低温基底的实例包括纸、塑料或聚合物。
[0017] 本发明是提供活化能以利用强脉冲光进行薄膜中的还原-氧化反应的方法。氧化 还原反应可以是通过有机化合物还原金属氧化物，并可以在低温基底上进行。
[0018] 现在参照附图且特别参照图1，其中描绘了根据本发明一个优选实施方案的将低 温基底上的薄膜固化的方法的流程图。在方框100中开始，如方框110中所示，使用各种普 通分散剂，例如聚乙烯基吡咯烷酮或聚苯乙烯-丙烯酸酯共聚物，将非导电金属氧化物分 散在液体（例如水）中。该分散体还包括至少一种还原剂。该还原剂可以是多种化合物， 包括醇、醛、羧酸和炭黑。还原剂优选包括甘油、抗坏血酸、1,2-己二醇和戊二酸。其它添加 剂可包括用于表面润湿的各种表面活性剂、润湿剂、助溶剂和粘合剂树脂。所述分散体可包 括导电粒子，例如银、铜或金。该分散体还可含有部分氧化的金属粒子。非导电的金属氧化 物可以是表1中所列的任何金属氧化物。
[0019] 表1
[0020] MoO2, MoO3 钼氧化物 WO2, WO3 钨氧化物
[0021]
[0022] 然后如方框120中所示将分散体以薄膜形式沉积在低温基底上。该低温基底可以 是聚合物（聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙 烯、聚氯乙烯，等）、纸等。可以通过任何普通印刷技术，包括喷墨、凹版印刷、苯胺印刷、辊 涂、丝网印刷等，将分散体沉积在低温基底上。或者，可以使用干沉积法，例如静电印刷术， 将非导电金属氧化物和还原剂以薄膜形式沉积在低温基底上。
[0023] 然后如方框130中所示，使所述薄膜与低温基底一起暴露于脉冲电磁发射，以引 发低温基底上的非导电金属氧化物与还原剂之间的氧化还原反应。脉冲电磁源可以是能够 传送小于20ms脉冲长度的激光器、闪光灯、定向等离子弧灯、微波或射频感应加热器。另一 实施方案是在使薄膜传送经过辐射源时使用电子束或强弧光灯将热沉积到薄膜中，以引发 氧化还原反应。就电子束和弧光灯源而言，活动基底和静态源的组合具有为薄膜提供脉冲 加热的作用。电磁源应具有大于500W/cm 2的发射。由于所述暴露，在氧化还原反应后使该 薄膜导电。
[0024] 优选地，如下所述，在使用自动化固化装置将所述低温基底传送经过光源的同时 使所述薄膜固化。
[0025] 现在参照图2,其中显示了根据本发明一个优选实施方案的用于固化低温基底上 的薄膜的固化装置的图。如图所示，固化装置200包括传送系统210、选通脉冲头220、继电 器架230、和卷到卷给料系统240。固化装置200能够使位于低温基底203上的薄膜202固 化，该低温基底203位于以相对高速传送经过选通脉冲头220的网幅上。传送系统210可 优选地以2至1000英尺/分钟的速度运行，以移动基底203。优选地，固化装置200可适应 以6英寸为增幅的任何宽度的幅宽。可通过现有技术（例如丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、 激光印刷、静电印刷、压印、上漆、蘸水笔（dip-pen)、注射器、喷枪、苯胺印刷、CVD、PECVD、蒸 发、溅射等）之一或组合，在基底203上添加薄膜202。可以与固化法联机进行薄膜202沉 积到基底203上。
[0026] 选通脉冲头220 (其优选是水冷的）包括用于固化位于基底203上的薄膜202的 高强度脉冲氙闪光灯221。脉冲氙闪光灯221可提供具有不同强度、脉冲长度和脉冲重复 频率的脉冲。例如，脉冲氙闪光灯221可以以最多IkHz的脉冲重复速率提供具有3"X6" 宽的足迹的10 μ s至IOms脉冲。来自脉冲氙闪光灯221的发射的光谱范围为200纳米至 2, 500纳米。通过将石英灯换成铈掺杂的石英灯，可以调节光谱，以除去低于350纳米的大 多数发射。也可以将石英灯换成蓝宝石灯，以发出大约140纳米至大约4, 500纳米的发射。 也可以添加滤光器以除去光谱的其它部分。闪光灯221也 可以是水冷壁闪光灯，其有时被 称作定向等离子弧（DPA)灯。
[0027] 继电器架230包括可调节电源、传送控制模件和选通脉冲控制模件。所述可调节 电源可产生能量最多为4千焦/脉冲的脉冲。可调节电源与脉冲氙闪光灯221相连，并可 以通过控制经过脉冲氙闪光灯221的电流量来改变来自脉冲氙闪光灯221的发射强度。
[0028] 可调节电源控制脉冲氙闪光灯221的发射强度。对来自脉冲氙闪光灯221的发射 的功率、脉冲持续时间和脉冲重复频率进行电子调节，并与幅速度同步，以根据薄膜202和 基底203的光学、热和几何性质在不破坏基底203的情况下实现薄膜202的最佳固化。
[0029] 在固化操作过程中，传送系统210使基底203以及薄膜202移动。传送系统210 使薄膜202在选通脉冲头220下方移动，其中通过来自脉冲氙闪光灯221的快速脉冲使薄 膜202固化。来自脉冲氙闪光灯221的发射的功率、持续时间和重复速率由选通脉冲控制 模件控制，基底203移动经过选通脉冲头220的速度由传送控制模件决定。
[0030] 使用传感器250 (其可以是机械、电或光学传感器）感测传送系统210的速度。例 如，可以通过检测来自轴编码器的信号来感测传送带系统210的传送带速度，其中轴编码 器连向与活动传送带接触的轮。而脉冲重复速率可以与传送带系统210的传送带速度同 步。选通脉冲速率f的同步由下式给出：
[0031] f = 0· 2*s*o/w
[0032] 其中 s =幅速度[ft/min]
[0033] 〇 =重叠因子
[0034] W=固化头宽度[in]
[0035] 重叠因子是基底在任一位置接收的选通脉冲的平均数。例如，在幅速度为200ft/ min、重叠因子为5和固化头宽度为2. 75英寸时，选通脉冲速率为72. 7Hz。
[0036] 当闪光灯221脉冲时，薄膜202被瞬时加热，以提供用于氧化还原反应的活化能。 当快速脉冲列与活动基底203结合时，可以在任意大的面积上获得均匀固化，因为薄膜202 的各区段可以暴露在多脉冲下，这与连续固化系统（例如炉）近似。
[0037] 不同于现有技术一一其中在固化之前引入还原剂或助熔剂以从金属粒子中除去 氧化物，本发明的方法将还原剂与要通过强脉冲光还原的氧化物一起直接置于薄膜中。该 方法可以在空气中进行，因为短的反应时间消除了对惰性或还原环境的要求。基本上，将薄 膜短暂加热至足够高的温度，以使还原剂和氧化物反应，但反应时间足够短，以防止与空气 的显著化学反应。
[0038] 由于强脉冲光，金属氧化物被薄膜中的还原剂还原，产生金属薄膜。尽管来自脉冲 光源的每单位面积的辐射功率非常高（~2KW/cm 2)，但脉冲持续时间如此短，以致在基底 103上沉积很少的能量（~2J/cm2)。因此，基底103未被破坏。因此，本发明的方法使得 高温氧化还原反应可以在不耐热基底（例如塑料或纸）上发生。该方法发生得如此快，以 致金属在空气中的氧化非常低，因此不需要惰性或还原气氛。除还原金属氧化物外，强脉冲 光具有在不破坏基底的情况下烧结金属粒子以形成高导电轨迹的额外益处。每次光脉冲看 起来既造成还原又造成烧结。
[0039] 作为另一实施方案，还原剂是具有负还原电位的金属，例如铝、镁或锂。这可以使 没有正还原电位的材料还原。该还原性金属可以是微粒或薄膜形式。
[0040] 作为另一实施方案，通过在表面上沉积反应薄膜并使该薄膜暴露在强脉冲光下以 使该薄膜与该表面反应，进行清洁或与表面反应的方法。简言之，加热至非常高温度的相对 无害的化学品具有与在室温下相对危险的化学品类似的化学活性。用途包括清洁剂、表面 处理等。由于相对无害的试剂仅在高温下非常活性，这意味着可以使用较安全的和可能较 环保的清洁剂代替较危险的材料。这种试剂的储存更安全，而且这种试剂在使用后的处置 成本更低、更环保。
[0041] 下一段阐述在本发明方法的过程中在薄膜中发生的情况。薄膜的典型厚度为1 微米，基底的典型厚度为150微米（6密尔）。氧化铜/有机还原剂基薄膜上的优选脉冲为 330V，脉冲长度为1，000微秒。这一设置相当于I. 7J/cm2的辐射曝露量或I. 7KW/cm2的平 均辐射功率。假设界面处的天然对流损失，忽略辐射损失、溶剂蒸发吸收的能量、薄膜界面 处的PET熔融吸收的能量和由氧化还原反应释放的能量，进行该系统的热模拟。假设来自 图1的固化装置在脉冲前处在室温（25°C )，在Ims脉冲结束时计算出的薄膜的峰值温度为 大约1，040°C。整个薄膜/基底在25ms内恢复至低于PET的公开分解温度150°C。这种加 热在对基底无表观破坏的情况下进行。但是，不同于设定在PET的公开分解温度下的典型 对流炉，明显较高的峰值温度提供了足以发生氧化还原反应的活化能。由于氧化还原反应 在短于25ms的时间范围内肯定完成，时间不足以使铜被空气还原。因此，发生氧化还原反 应而不发生铜的氧化。因此，产生高导电的铜薄膜。此外，考虑到薄膜达到的温度，光脉冲 还使所得铜粒子烧结。该烧结具有提高薄膜的电导率和稳定性的作用。
[0042] 本发明的方法的一个优点在于，该还原可以非常快地完成，这使其与高速印刷和 幅操作技术相容。因此，可以在廉价的低温基底（例如纸、塑料或聚合物）上进行高温加工。 本发明的方法的另一优点在于，可以在周围环境（例如空气）中进行还原。本发明的方法 的又一优点在于，可以在明显低于银的成本下在基底上沉积铜、氧化的铜或甚至氧化铜，并 固化至与印刷银相当的电阻率。更具体地，铜在空气中加热时氧化。本发明能够使铜粒子 在空气中固化产生高导电薄膜，而不用考虑它们的氧化程度。
[0043] 如上所述，本发明提供了迅速还原低温基底上的薄膜的方法。
[0044] 实施例
[0045] 实施例1-抗坏血酸还原剂
[0046] 在20毫升管瓶中混合3.0克< 50nm氧化铜（II)、3· 6克去离子水、0· 15克PVP κ-30、0· 3 克乙二醇、0· 04 克Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 02 克 Dynoi? 604、0· 02 克ΒγΚ? -020 和0. 66克抗坏血酸，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌 60分钟。
[0047] 使用#5Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MeHnex、* ST505PET片 上。
[0048] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0049] 实施例2-乙二醇/甘油还原剂
[0050] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoArc?氧化铜、5. 7克去离子水、0· 10克PVP κ-30、0· 6 克乙二醇、〇· 03 克Tergitol? τμν-6、ο· Oi 克 Dynol? 604 和 〇· 32 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0051] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MeHneX^ ST505 PET 片上。
[0052] 在空气环境中用850微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0053] 实施例3-乙二醇/甘油还原剂
[0054] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoAre?氧化铜、5.4克去离子水、ο. 1〇克PVP K-30、〇· 6 克乙二醇、〇· 03 克 Tergitol? tmn-6、o. οι 克 Dynolife 6〇4 和 〇. 67 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0055] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MelineX? ST505 PET 片上。
[005 6] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子3以24英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0057] 实施例4-乙二醇/甘油还原剂
[0058] 在20毫升管瓶中混合2. 〇克NanoArc?氧化铜、4.9克去离子水、〇· 10克PVP κ-30、0. 5 克乙二醇、〇. 03 克 Tergitol? TMN-6、0.01 克Dynol? 604 和 1. 32 克甘油，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0059] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]VIelinexfe ST505 PET 片上。
[0060] 在空气环境中用750V的脉冲长度为2, 300的单脉冲固化该样品。薄膜颜色从深 褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为4. ΙΩ/sq。
[0061] 实施例5-葡萄糖还原剂
[0062] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoArci^ft化铜、5. 3克去呙子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克Tergitol? TMN-6、0.01 克Dynol? 604 和 〇. 79 克葡萄糖，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0063] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。单独地，使用#5Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Epson Photo Paper 片上。
[0064] 在空气环境中用400微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品3 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0065] 实施例6-葡萄糖还原剂
[0066] 在20毫升管瓶中混合L 75克ISanoArc?.氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-3〇、ο. 6 克乙二醇、〇. 〇2 克 Tergitol? tmn-6、o. Oi 克Dynol? 604 和 1. 59 克葡萄糖，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0067] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0068] 在空气环境中用500微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。薄 膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为2. 2 Ω/sq。
[0069] 实施例7-己二醇还原剂
[0070] 在20毫升管瓶中混合1. 5克NanoAre?氧化铜、7. 5克去离子水、〇. 〇8克PVP κ-30、(λ 8 克乙二醇、0· 03 克Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 02 克Dynol? 604 和 0· 47 克 1，2-己二 醇，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0071] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0072] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0073] 实施例8-戊二酸还原剂
[0074] 在20毫升管瓶中混合1.5克< 50nm氧化铜（II)、6. 8克去离子水、0.08克PVP 1(-30、0.8克乙二醇、0.03克丁6叹红0丨@了1^-6、0.02克〇丫11〇[email protected] 604和0.47克戊二酸，由 此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0075] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]yielinex.订5〇5 PET 片上。
[0076] 在空气环境中用1，200微秒脉冲长度和重叠因子3以25英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为2. 7 Ω/Sq。
[0077] 实施例9-聚丙烯酰胺还原剂
[0078] 在20毫升管瓶中混合1. 75克iNanoAix?氣化铜、5. 3克去离子水、0. 09克PVP κ-30、0· 6 克乙二醇、0· 02 克 Tergitol? TMN-6、0.01 克 Dynol? 604 和 L 25 克聚丙烯酰 胺，由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0079] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到MelilieV* ST505 PET 片上。
[0080] 在空气环境中用800微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0081] 实施例10-季戊四醇还原剂
[0082] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoArc?,氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克Tergitol? TMN-6、0.0 i 克 Dynol? 604 和 〇. 90 克季戊四醇， 由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0083] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到]VIeHnex^ ST5〇5 PET 片上。
[0084] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0085] 实施例11-琥珀酸还原剂
[0086] 在20毫升管瓶中混合1. 75克ISjanoAre?.氧化铜、5. 3克去离子水、0. 09克PVP Κ-30、0· 6 克乙二醇、〇· 02 克 Tergitol? ΤΜΝ-6、0· 01 克Dynol? 604 和 0· 71 克琥珀酸（钠 盐），由此制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0087] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0088] 在空气环境中用700微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品。尽 管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0089] 实施例12-碳还原剂
[0090] 在20毫升管瓶中混合1. 75克NanoArc?氣化铜、5. 3克去离子水、〇. 09克PVP κ-30、(λ 6 克乙二醇、〇· 02 克Tergitol? ΤΜΝ-6、(λ Oi 克Dynol? 604 和 〇· 32 克炭黑，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0091] 使用#5 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0092] 在空气环境中用500微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品四 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0093] 实施例13-尿酸还原剂
[0094] 在20毫升管瓶中混合L 75克NanoAre?.氧化铜、5. 3克去离子水、0· 09克PVP κ-30、0.6 克乙二醇、〇. 02 克 Tergitol? TMN-6、0.0 i 克Dynol? 604 和 〇. 89 克尿酸，由此 制造氧化铜分散体。加入5克氧化锆研磨介质，并将该管瓶搅拌60分钟。
[0095] 使用#5 Meyer棒通 过下引（drawdown)将该分散体施用到Melinex? ST505 PET 片上。
[0096] 在空气环境中用600微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品四 遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。
[0097] 实施例14-用甘油还原剂的喷墨印刷
[0098] 首先研磨52. 5克NanoAlX?.氧化铜、2. 6克PVP K-30和294. 9克去离子水的混 合物，由此制造氧化铜分散体。所得平均粒度为115纳米。通过混合8. 4克研磨的氧化铜 分散体、1. 〇克甘油、〇. 5克乙二醇、〇. 04克Triton? X-100和0. 03克BYK?-020,制造 喷墨印刷油墨。
[0099] 使用桌面喷墨印刷机将所述喷墨印刷油墨印刷到Pictorico牌PET上。
[0100] 在空气环境中用300微秒脉冲长度和重叠因子2以24英尺/分钟固化该样品。薄 膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为ΙΩ/sq。
[0101] 实施例15-含抗坏血酸和甘油还原剂的铜粉
[0102] 在7. 57克去离子水中混合2. 5克Mitsui铜粉、0. 04克;BYK? -〇2〇、〇. 04克 Tergitol? TMN-6、0. 25 克 PVP K-30、0. 89 克甘油、0. 45 克乙二醇、0. 76 克抗坏血酸，由此 制造铜分散体。
[0103] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Pictorico牌PET片 上。
[0104] 在空气环境中用1，〇〇〇微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。该薄膜的薄层电阻为40mQ/ Sq。 假设薄膜完全致密，其为1. 3微米厚，因此其体积电导率为5. 2micr〇 Ω-cm，或为纯铜体积 电阻率的3倍。
[0105] 实施例16-用抗坏血酸还原剂的喷墨印刷
[0106] 首先研磨52. 5克NanoArc?.氧化铜、2.6克PVP K-30和294. 9克去离子水的混 合物，由此制造氧化铜分散体。所得平均粒度为115纳米。通过混合8. 4克研磨的氧化铜 分散体、1. 〇克甘油、〇. 5克乙二醇、〇. 04克Triton? X-100和〇.03克：BYK? _020,制造 第一喷墨印刷油墨。通过在42. 5克去离子水中混合〇. 1克Βγκ? _020、0. 2克TfitOn? X-100、10. 0克抗坏血酸、3. 0克乙二醇、4. 5克甘油，制造第二喷墨印刷油墨。
[0107] 使用喷墨印刷机将这两种喷墨印刷油墨相继印刷到Pictorico牌PET上。
[0108] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子1以24英尺/分钟固化该样品。 薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。估计该薄膜为0. 3微米厚，并具有 140m Ω/sq的薄层电阻，表明其体积电导率为4. ImicroQ-cm或为纯铜体积电阻率的2. 4 倍。
[0109] 所有上述实施例相同地制备，并在含空气环境的炉中在150°C放置30分钟。在所 有情况下，没有该薄膜转化或导电的直观迹象。更高的炉温不可行，因为PET的最高工作温 度为150°C。在使用更高温基底，例如Kaptan或玻璃时，甚至在高达800°C的温度下也没有 观察到转化。
[0110] 实施例17-含抗坏血酸还原剂的硫酸铜
[0111] 用去离子水中的20重量％ CuSO4. 5H20制造第一溶液。通过在42. 5克去离子水中 混合 〇· 1 克BYK?.-020、〇· 2 克Triton? X-100、10. 〇 克抗坏血酸、3. 〇 克乙二醇、4. 5 克 甘油，制造第二溶液。
[0112] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将第一溶液沉积在普通复印纸上。此后 使用#5棒通过下引（drawdown)沉积第二溶液。
[0113] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子4以24英尺/分钟固化该样品 三遍。尽管该薄膜不导电，但薄膜颜色从深褐色变成铜色，表明氧化铜显著转化成铜。在低 放大显微镜下，观察到铜涂布该纸的纤维。
[0114] 实施例18-铝还原剂
[0115] 在6.0克去离子水中用0.29克Valimet-H2铝粉、0.77克来自Sigma-Aldrich的 < 5微米氧化铜（II)、0· 11克PVP K-30制造分散体。
[0116] 使用#10 Meyer棒通过下引（drawdown)将该分散体施用到Pictorico牌PET片 上。
[0117] 在空气环境中用1，000微秒脉冲长度和重叠因子2以28英尺/分钟固化该样品。 尽管该薄膜不导电，但薄膜从深褐色变成铜色。
[0118] 另一方面，将所有上述实施例中制成的相同薄膜在含空气气氛的炉中在150°C放 置30分钟。选择150°C，因为其是PET的最高工作温度。没有观察到转化且薄膜无一具有 可测的电阻（大于400ΜΩ/square)。
[0119] 尽管已经参照优选实施方案特别显示和描述了本发明，但本领域技术人员会理解 的是，可以在不偏离本发明的实质和保护范围的情况下在其中作出形式和细节的各种改 变。
【主权项】
1. 在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括： 将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和 使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧 化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述 薄膜导电。2. 权利要求1的方法，其中所述基底是纸。3. 权利要求1的方法，其中所述基底是PET。4. 权利要求1的方法，其中所述基底是聚合物。5. 权利要求1的方法，其中所述首先的氧化还原反应和所述随后的烧结在所述单脉冲 电磁发射中进行。6. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射是由激光器、闪光灯、定向等离子弧 灯、微波、射频感应加热器、电子束和弧光灯的任一种产生的。7. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是铝。8. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是镁。9. 权利要求1的方法，其中所述还原剂是锂。10. 权利要求1的方法，其中所述金属氧化物选自由钼氧化物、钨氧化物、铼氧化物、铁 氧化物、钌氧化物、锇氧化物、钴氧化物、铑氧化物、铱氧化物、镍氧化物、钯氧化物、铂氧化 物、铜氧化物、银氧化物、金氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铟氧化物、锗氧化物、锡氧化物、铅 氧化物、锑氧化物和铋氧化物组成的组。11. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射的辐射功率为约2KW/cm2。12. 权利要求1的方法，其中所述单脉冲电磁发射具有小于20ms的脉冲长度。
【专利摘要】本发明公开了还原低温基底上的薄膜的方法，具体地涉及在基底上制造导电薄膜的方法，所述方法包括：将还原剂和金属氧化物沉积在薄膜上；和使所述薄膜在环境气氛中暴露于单脉冲电磁发射，以使所述还原剂首先与所述金属氧化物通过氧化还原反应进行化学反应形成金属粒子，随后烧结所述金属粒子，从而使所述薄膜导电。
【IPC分类】C23C18/31
【公开号】CN104894538
【申请号】CN201510329127
【发明人】D·S·波普, K·A·施罗德, I·M·罗森
【申请人】Ncc纳诺责任有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2009年3月25日
【公告号】CA2740618A1, CA2740786A1, CA2910493A1, CN102217429A, CN102217429B, CN102245804A, CN103796425A, EP2347032A1, EP2347638A1, US20100098874, US20110262657, WO2010044904A1, WO2010045639A1
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