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低温高导纳米银导电油墨及其在柔印RFID天线中的应用

王振国  
【摘要】:为了让导电油墨在更广泛的基材上使用,进一步扩大印刷电子的应用,要求导电油墨在低温下具有较高的导电性。丝网印刷由于受墨层厚度和印刷速度的限制,使得射频识别(RFID)天线的成本进一步降低十分困难,柔版印刷的方式具有更快的印刷速度,且墨层厚度较薄,有望进一步降低成本。本论文围绕低温高导纳米银导电油墨及其在柔印RFID天线中的应用开展工作,主要包括低温高导纳米银导电油墨的制备及其性能的研究、不同的后处理条件对纳米银涂层的导电性和形貌的影响、纳米银导电油墨在柔印RFID天线中的应用三部分的内容。本文以AgNO_3为前驱体,水合肼为还原剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为保护剂,采用液相还原的方法制备银纳米颗粒导电油墨。通过改变AgNO_3的投入量分别制备了48±12 nm、76±33 nm、158±65 nm和176±85 nm四种不同粒径分布的纳米银颗粒(Ag NPs)。研究结果发现:随着投入AgNO_3量的增加,制备的Ag NPs的平均粒径也随之增大。通过改变PVP的投入量分别制备了181±87 nm、158±65 nm、110±41 nm和81±35 nm四种不同粒径分布的Ag NPs。研究结果发现:随着投入PVP量的增加,制备的Ag NPs的平均粒径随之减小。通过研究纯化、浓缩处理次数对PVP含量的影响,发现处理4次后纳米银颗粒表面的PVP的含量基本保持不变。本文系统深入研究了纳米银颗粒的粒径与PVP含量、纳米银涂层烧结形貌以及涂层导电性的关系。研究结果发现:随Ag NPs平均粒径的增大,PVP含量降低,纳米银涂层中颗粒发生熔融的温度随之降低。在60℃-140℃范围内,在同一温度下纳米银涂层的导电性随Ag NPs的平均粒径的增大(48-176 nm)先升高,S3(158 nm)取得最高,然后降低。我们并成功开发了一种低温导电性能优异的导电油墨,120℃10 min电阻率为5.1μ?·cm,为文献报道同种热处理方式中最低,这样可以极大地拓宽印刷电子的应用范围。通过研究PVP相对分子质量不同和导电性差异较大的四种纳米银导电油墨在60-240℃范围内涂层电阻率和形貌的变化规律及相互关系,发现在60-240℃范围内导电油墨的电阻率随温度变化都经历了四个阶段,大范围快速下降——平缓——小范围大幅下降——平缓。通过研究了热台和烘箱这两种不同的热处理方式对纳米银涂层形貌和导电性的影响,发现在60-150℃范围内用热台处理的纳米银涂层的电阻率要低于用烘箱处理,相应涂层颗粒的熔融度更高,尤其在低温(60-90℃)时热台的优势更加明显。通过分别研究印刷压力、印刷速度和油墨粘度对RFID天线性能的影响,研究结果表明:选用粘度为1100 cp的纳米银颗粒导电油墨、50的印刷间隙的压力和20 m/min的印刷速度印刷RFID天线的性能最优,此时RFID天线的回路电阻值为270?,线条宽度为864μm,墨层厚度为1.81μm,墨层平整性较好,在PET上的附着力很好为5B,弯曲、弯折、硬度和耐醇性等性能都符合应用的要求。


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