奈米金屬導體材料技術

 

刊登日期:2011/5/6
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奈米金屬粉體發展至今已有五、六十年的歷史,但直到1990 年代,隨著電子產品微小化的發展及高功能性材料的需求,國內外不管是系統或材料廠商,無不積極開發奈米金屬粉體材料。全球資通訊(Information & Communications Technology;ICT)產品除輕、薄、短、小等需求外,具有「可撓曲及節能省碳」特性則為本世紀非常重要的訴求議題,因為不論是材料或製程都須符合環保法規、製作簡易、設計自由度高及製程整合佳等特點,才能融入個人化、移動載具與居住空間等資訊電子產品設計規範。

奈米金屬導體油墨技術
導電材料於軟性電子的應用相當廣泛,依用途可分為電極及連接電路;依型態可分為透光及非透光;依製程不同可分為乾式沉積及濕式塗佈或印刷技術;依電阻性可從數千Ω/ 到數個Ω/ ;依材料可分為金屬、氧化物及導電高分子。而軟性電子產業需求之導電材料有以下兩大類:1採用傳統乾式沉積法製作之導電薄膜,再輔以圖案化技術(如Photo Lithography)製作需要電極或線路圖案,而此部分以透明無機導電氧化物為主(例如ITO 、IZO 、AZO 、ZnO),將其製作於塑膠基材上(例如PET 、PEN 或PC),依此法製作之導電層具有較高的導電度,但缺點為生產成本高、導電度調控能力低及後續應用成本高,未來應用將以大量生產之顯示器、顯示看板及照明元件等產業為主。

奈米金屬材料合成技術
奈米金屬材料合成技術大致可分為Bottom Up 及Top Down 。Bottom Up 是利用化學的方法,由原子級金屬前驅物以化學反應的操控而得到奈米級金屬粉體,並且可由保護劑的結構設計,得到自組裝排列結構或奈米線/ 棒;而Top Down 是以物理的方法將固體粒子細微化。此兩種技術各有其優缺點,需視其適用的材質和品質,或粒子大小形狀來決定使用何種技術。茲就各公司或學術機構的發展現況,簡介如下。
1. 瑞士聯邦理工學院ETHZ
ETHZ 發表以Reducing Flame 合成技術製備Core/Shell 結構奈米銅金屬粒子,奈米銅周圍以Graphene 保護,導致奈米銅金屬可於室溫下空氣中使用。
4. 工研院材化所
材化所利用同步(In-situ)化學還原技術合成奈米金屬粉體,包含合成奈米金、銀和銅等技術(圖三為奈米金屬銅粉體大小之TEM 圖),可控制其大小範圍分別為3~10 nm 和8~50 nm ,以確保該金屬粉體可於低溫製程下加工形成連續導體材料。此奈米金屬合成技術的主要特色為設計合成不同結構之保護劑(具有孤對電子元素或低溫自裂解性),以同步化學還原法合成具有粒徑均勻、儲存穩定、抗氧化及低溫化等特性之奈米金屬粉體材料,經過燒結製程後,可獲得良好之導電特性(電阻率<10 µΩ-cm)。此具低溫自裂解性保護劑與傳統製程所使用的高分子Polyvinyl Pyrrolidone(PVP)相比,合成系統不需經過繁瑣的清洗過程,即可獲得較佳之導電特性。


圖三、奈米金屬粒子之TEM 圖

奈米金屬粉體材料用於旋轉塗佈和Roll-to-Roll 等製程技術
奈米金屬粉體材料的應用面很廣泛,以下將針對其於電子產品的應用加以說明。隨著電子產品微小化的發展,基板高密度化、層板數的提升,以及通孔數的增加成為必然的結果。
1. 旋轉塗佈製程技術
芬蘭的VTT 公司將奈米銀墨水以旋轉塗佈的方式在基板上成膜,再利用電子束掃描技術燒結奈米銀粒子,可圖案畫出導電線路。當掃描速度由µs 增加至ms ,導電性可由4 個數量級提升至5 個數量級,最佳導電性為3.7 × 107 S/cm ,相較於以120°C 加熱20 分鐘燒結方式,提高了約100 倍的導電性。

2. Roll-to-Roll 製程技術
軟性電子產品是使用連續式印製技術,將電子元件製作於塑膠基板上,其具有可彎曲及耐摔特性,將創造矽晶片與玻璃面板無法提供之未來應用需求。日本研究機構AIST 開發Pressure-annealing製程技術,以網印方式製作出導電線路,其製作流程如圖七所示。


圖六、利用電子束燒結金屬粉體製作線路設備示意圖

奈米金屬粉體材料應用
有機印刷式電子於2005 年開始萌芽,2010 年後,其應用將呈現大幅成長,而印刷式電子(Printed Electronics)技術主要應用領域分別為有機太陽電池、有機記憶體(Organic Memory)、可印式RFID 標籤、可撓式顯示器、可撓式電池、感測元件 (Sensors)及整合上述元組件開發不同智慧型模組(Smart Module)應用……
以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:邱國展、黃思博 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌293期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9336


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