纳米压印开启柔性透明导电薄膜新大门

胡旭伟

作为印刷电子器件必不可少的主要材料，透明导电薄膜（TCF）受到了国内外的广泛关注，发展十分迅速。透明导电薄膜是一种兼具导电性和高透光率的薄膜，其主要用作光电器件如发光二极管（LED）、触摸屏、等离子电视的透明电磁屏蔽膜、电子纸显示器、染料敏化太阳能电池阳极等的窗口材料。

其中，触摸屏长期以来一直采用氧化铟锡（ITO）作为透明导电薄膜，制作成本较高，约占触摸屏总成本的40%，成为触摸屏普及的最大障碍。ITO成本过高与两方面因素有关：一是ITO一般由In2O3和SnO2组成，二者质量比为9∶1，其中，铟元素含量较高，且为稀有金属，价格较为昂贵；二是ITO的制作工艺以磁控溅射为主，使用的相关设备昂贵，效率较低。此外，由于ITO具有脆性，所以应用时必须有玻璃作为保护层，以保护内部的导体及感应器不受损。而玻璃保护层的加入，不仅增加了ITO生产工艺的难度（必须在真空环境下），也限制了触摸屏向柔性化发展。因此，寻找新型材料代替ITO，探索新的制备工艺，在降低生产成本的同时，促进透明导电薄膜向柔性化发展成为当下的研究热点。为此，纳米压印技术应运而生。利用纳米压印技术制成的透明导电薄膜（以下简称“纳米压印TCF”），也由此凭借面积大，制备工艺简单、环保，成本低，柔韧性强等优势而备受关注。

纳米压印TCF制作原理

纳米压印是指将母模或模板压入载有保形材料（一般为光刻胶）的基材上，保形材料将按照模板凸起的形状发生变形，通过紫外曝光或者热处理的方法使保形材料固化，移除母模或模板后，就可以得到与模板高低位置相反的图形信息。通过在图形信息表面刮涂纳米导电油墨，使凹槽填充导电油墨，经过热固化后即可得到透明导电薄膜。

纳米压印技术不仅可以复制XY方向上的图形，还可以在Z方向上压出台阶和轮廓线的结构。应用纳米压印技术制作的导电线路的精度在几纳米至几微米之间（线宽5微米以下，人眼就会辨认不出来，看到的导电线路为透明），能满足目前市面上各种应用场合对导电线路精度的要求。

纳米导电油墨是纳米压印TCF的关键材料

纳米压印TCF的关键材料是纳米导电油墨。纳米导电油墨是将高固含量（最高可达80%）的纳米导电颗粒分散在溶剂、树脂连结料和助剂中，形成稳定均匀的分散体系。

纳米导电油墨在应用时具有以下几方面的优势：纳米颗粒的尺寸小，固化温度可以降低到100℃甚至更低，能满足低温烧结获得高导电性的要求，扩大了基材的选择范围；通过印刷或涂布可以制作出精细的导电线路，满足轻薄化、透明化的要求；采用韧性树脂作为连结料，使得导电线路具有很高的柔韧性。基于以上原因，纳米导电油墨得到了广泛的应用尝试，正在导电薄膜行业引领技术革新。

纳米压印技术对纳米导电油墨的基本要求有以下几点。

（1）高固含量，固含量直接影响导电线路的导电性能。透明导电薄膜上的导电线路精细（最低可达几个微米），只有导电油墨具有很高的导电性，才能满足要求。银含量高的导电油墨还可以减少凹槽填充油墨的次数。

（2）较高的表面张力与较慢的干燥速度，与导电油墨所用溶剂的类型关系密切。导电油墨的表面张力较低，会使擦拭导电薄膜空白部分的导电油墨产生困难，残余的导电油墨会使导电薄膜的透光率急劇下降。导电油墨的干燥速度过快，则会使导电油墨在擦拭之前就已经干燥了，造成空白部分残余油墨严重和油墨结块。

（3）高柔韧性与高附着力，与导电油墨采用的树脂类型有关。若导电油墨成膜后脆性高，透明导电薄膜卷曲时会发生膜层断裂，影响导电性能。若导电油墨附着力低，擦拭过程会发生线路脱落的情况。导电油墨要实现高韧性与高附着力，最主要的途径是加入合适的连结料树脂。值得注意的是，加入的树脂不能超过临界值，否则导电油墨的导电性会大大降低。

纳米压印技术的研究进展

表1中为纳米压印TCF与其他同类产品的比较，从中可以看出，纳米压印TCF在性能上等同或优于其他同类产品，并在工艺上具有独特优势。目前，这项技术已经引起国内外的广泛研究，在我国就有专门的院所和公司对其进行研究，因此具有广阔的市场前景。

苏州大学袁晓峰先利用精密光掩膜板压印得到了2.5微米线宽的薄膜，然后通过银浆刮涂技术得到了表面电阻为3Ω/sq的金属网格导电薄膜，其在可见光波段的透光率为73%，平均雾度为8%，光学性质与网格的设计、银浆刮涂与擦拭等有关。

2010年，苏大维格光电科技股份有限公司的“一种透明导电膜及其制作方法”（Patterned tranparent conductive film， P-TCF）获国家高品质micro-metal-mesh透明导电薄膜发明专利授权。利用纳米压印技术和纳米银导电油墨制作P-TCF，解决了金属网格线宽窄和表面电阻低不兼容的难题，其2微米的线宽是当前所有metal mesh中最小的，完全看不到网格线。P-TCF具有表面电阻小于10Ω/sq、透光率达85%、成本低、柔性可挠曲等优点，完全符合大尺寸触摸屏的性能要求，甚至能够支持100英寸触控屏的使用。通过大量实验，苏大维格光电科技股份有限公司已经解决了生产P-TCF面临的相关工艺设备方面的难题，建立了卷对卷生产线，实现了大尺寸透明导电膜的批量化生产。

苏州纳格光电科技有限公司申请了关于图形化的柔性透明导电薄膜及其制法的专利，其采用可见光透光率达90%以上的热塑性聚合物、热固性聚合物或紫外光固化聚合物在PET基材上进行压印，得到沟槽宽度为0.5～10微米的正方形、六边形、三角形或圆形等基本单元的组合，使用纳米银或纳米铜墨水刮涂干燥后，得到了表面电阻小于10Ω/sq、透光率大于80%的柔性透明导电薄膜。

随着触摸屏市场的飞速发展，柔性透明导电薄膜的需求量越来越大，为纳米压印技术提供了极好的发展机遇。据NanoMarket2010年公布的报告预测，仅平板显示、薄膜太阳能电池与有机发光显示等高端应用对透明导电薄膜的需求到2017年将达到5亿平方米；透明导电薄膜市场将由2010年的24亿美元增长到2017年的76亿美元。相信未来通过多方产业的共同努力，柔性透明导电薄膜最终会替代ITO薄膜，届时，印刷电子技术的发展一定会再上一个新台阶。