СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СЕТЧАТЫХ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ И ОПТИЧЕСКИ НЕПРОЗРАЧНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2018 года по МПК B82B1/00 B82Y40/00 H01L21/32 

Описание патента на изобретение RU2667341C2

Способ создания электропроводящих сетчатых оптически прозрачных и оптически непрозрачных структур. Изобретение относится к технологии создания сетчатых электропроводящих структур с помощью электрических полей.

Сетчатая паутиноподобная микро- и наноструктура получается с помощью динамического или статического электроспиннинга (фиг. 1). Производится электростатическое вытяжение нити раствора полимера 1 из капели раствора полимера 2 постоянным или пульсирующим электрическим полем (создаваемым разностью потенциалов, приложенной к металлической фильере 3 и поддерживающей рамке 4) и ее ускорением этим полем в сторону поддерживающей сетчатой рамки 4, распад на множество филаментов 5, на рамке формируется полимерная структура 6, имеющая паутиноподобный сетчатый вид (фиг. 2а, фиг. 2б, фиг. 2в), отвердевающая путем испарения растворителя из раствора полимера по пути к рамке и на ней самой, с последующей металлизацией структуры с применением термоэвапорации металла в вакууме, магнетронного напыления металла (или иного способа нанесения металлического покрытия), переносом структуры на конечную подложку, опциональным удалением ячеистой рамки и опциональным удалением полимерного шаблона методом растворения его в подходящем растворителе.

Под полимерным шаблоном понимается сформированная полимерная сетчатая структура с поддерживающей рамкой или без нее.

Под свойством "проводимость" подразумевается электрическая проводимость.

Так же возможно науглероживание полимера, к примеру, можно получить сетчатую полимерную структуру из полиакрилонитрила и провести процесс его превращения в углеродные филаменты, что дает возможность использовать получаемый материал для создание микро- наноразмерных металл-композитных структур (путем металлизации углеродной сетчатой структуры с одной или всех сторон) или прямое использование углеродной сетчатой структуры, например, для создания прочных воздушных фильтров, проводящих покрытий (таких, где не предъявляются высокие требования к электропроводности) и для прочих применений.

Под динамическим электроспиннингом (см. фиг. 3) понимается процесс электростатического вытяжения нитей полимера 1 из капель раствора полимера 2 постоянным или пульсирующим электрическим полем и ее ускорением этим полем, создаваемым разностью потенциалов, приложенной к металлической фильере и поддерживающей рамке 4 (выполненной из проводящего материала или непроводящего материала с проводящим покрытием или слоем), в сторону сетчатой рамки 4, при этом капли раствора полимера 2 формируются на одной или нескольких фильерах 3, пребывающих в движении по произвольным или заранее заданным траекториям и опционально изменяемым во времени электрическим напряжением процесса.

Под статическим электроспиннингом понимается аналогичный процесс, но фильеры в количестве от одной до множества штук являются неподвижными.

Металлизация полимерного шаблона при этом может проводиться как с одной, так и с двух сторон. Металлизация (см. фиг. 4) с одной стороны образует металлический слой 7 и оставляет открытый полимер 8 с другой. При этом под металлизацией с двух сторон понимается в том числе полная металлизация, так как при сращивании металлического покрытия по бокам даст как результат металлическую трубку с полимером внутри (см. фиг. 5).

Металлизация возможна любым удобным способом, который не будет разрушать полимерную структуру - гальваническими методами, термоэвапорацией металла на подложку в вакууме, магнетронным напылением, электронно-лучевым испарением металлов с последующим осаждением на подложку, химическим осаждением на поверхность и так далее. В случае использования магнетронного распыления, возможно получение не только металлического, но металл-оксидного покрытия на полимерном шаблоне, например, из оксида титана IV (TiO2), что позволит получить полупроводниковое электропроводящее покрытие.

Известна работа (Н. Wu, D. Kong, Z. Ruan. Nature nanotechnology. 10.1038/NNANO.2013.84), которая выбрана в качестве ближайшего аналога, в ней раскрывается схожий механизм получения одного из вариантов покрытия. Полимерный шаблон в данном случае получается подвешенным и уязвимым к провисанию, особенно во время металлизации, электроспиннинг осуществляется обычным способом за достаточно долгое время, после металлизации шаблон переносят на подложку и растворяют полимерный шаблон полностью. Недостатком здесь является ограничение размеров несколькими дюймами, низкая прочность переносимой структуры, сложное управление процессом создания шаблона и большие временные затраты, что является существенными препятствиями для создания, например, больших оптически прозрачных экранов от СВЧ электромагнитного излучения.

Известен патент (RU 2574249), в котором похожая структура получается с использованием шаблона, полученного путем естественного растрескивания поверхности, покрытой химическим веществом, свойствами которого обусловливается данное растрескивание и получается "ажурная" структура шаблона. Недостаток данного метода состоит в том, что таким образом получается шаблон по типу трафарета, который не позволяет выделить, например, сами полимерные волокна до металлизации и не позволяет достичь большого разнообразия выполнения микро- наноструктуры как по форме, так и по своему составу. К тому же при изготовлении больших СВЧ-экранов применение данной технологии нецелесообразно, так как зачастую необходимо быстро и удобно разместить проводящую сетку между двумя слоями размягченного разогретого стекла. Так же данный способ не позволяет эффективно науглероживать полимерные нити, например, из полиакрилонитрила. К недостатку можно так же отнести использование достаточно широкого спектра химических веществ в процессе создания проводящего покрытия.

Способ позволяет управлять процессом получения проводящего покрытия и варьировать конечный результат.

Варьирование конечного результата состоит в возможности задания формы структуры, ее разреженности на плоскости, характере соединения отдельных микро- нанопроволок, электрической проводимости, толщины как самого покрытия, так и составляющих его элементов.

Здесь и далее под "создаваемыми покрытиями" имеются в виду структуры из металлизированного полимера, металлические сетчатые структуры без полимера, сетчатые структуры из науглероженных волокон с металлизацией и без.

Оптическая прозрачность создаваемых покрытий обусловливается наличием между проводящими микро- нанопроволоками сквозных окон, средний размер которых стремится к приблизительно одному значению, при этом строгой регулярной структуры нет, так как есть некоторый разброс в форме и размерах. Подобные покрытия обладают хорошими механическими свойствами, что позволяет многократно сгибать и сминать изделия с нанесенным покрытием с сохранением электрической проводимости.

В качестве примера (см. фиг. 6): возможно получение проводящего покрытия на подложке 9, микро- наноструктура которого имеет вид случайным образом соединенных металлических микро- нанопроволок в сечении имеющих вид "желобов" 10; возможно получение проводящего покрытия, где полимерный шаблон не удаляется (см. фиг. 7), получаемая проводящая структура является очень удобной для размещения на подложке наплавлением или частичным растворением данного полимерного шаблона при сохранении металлического напыления с одной стороны, что позволяет отказаться от использования оптически прозрачных клеев; возможно получение проводящего покрытия, где полимерный шаблон металлизирован с двух сторон, образуя, таким образом, металлические микро- нанотрубки с полимерным наполнением, что позволяет достичь повышенных в сравнении с односторонней металлизацией прочностных характеристик получаемого покрытия, но в ущерб пластичности и высокой устойчивости проводящего покрытия к сильным изгибам подложки.

Варьирование скорости движения фильер, их количества, длительности процесса и электрического напряжения позволяет управлять технологическим процессом в широких пределах.

Так же динамический электроспиннинг можно применить для создания полимерной микро- наноструктуры из полиакрилонитрила, превращением которого по аналогии с синтезом углеродных волокон сначала в активной окислительной среде (стадия стабилизации), а затем в инертной среде (науглероживание, карбонизация), получаются соединенные между собой углеродные филаменты, что позволяет получить как проводящее покрытие, так и один из компонентов для изготовления композитных материалов. Для создания полимерного шаблона, возможно использовать любой другой прекурсор углеродных волокон, например, поливиниловый спирт.

Для создания металл-углеродной композиционной структуры возможен предварительный перевод полимерного шаблона в углеродную структуру (в чистый углерод), с последующей металлизации любым удобным способом. Предварительная полная металлизация не желательна, так как затруднит выход газообразных продуктов карбонизации (науглероживания).

Изобретение позволяет использовать в качестве материала для изготовления шаблона полимер со взвешенными в нем микро- наночастицами электрически проводящего вещества, например, наночастиц серебра или электропроводящих оксидов металлов, позволяющего, таким образом, использовать достоинства золь-гель метода получения проводящих структур с целью повысить электрические и прочностные свойства структуры.

Важным компонентом является рамка, в случае получения малых размеров полимерного шаблона (например, квадрат с диагональю 3-5 дюйма) достаточно применения простой однооконной рамки из любого электропроводящего материала или содержащей проводящий слой (это необходимо для возможности осуществления самого процесса электроспиннинга), но в случае создания больших шаблонов (с диагональю или диаметром более нескольких дюймов) принципиально важным является применение многооконной ячеистой рамки.

Возможно выполнение рамки из углеродных волокон, обеспечивающих надежное механическое удерживание сетчатой структуры, а также электрический разряд данной структуры на рамку, что делает возможным эффективное осаждение сетчатой структуры в процессе электроспиннинга.

Возможно выполнение рамки из материала, как могущего растворяться в растворителе, который так же способен растворять материал полимерного шаблона, так и растворимого в растворителе, в котором не растворяется материал получаемого полимерного шаблона. Это позволяет получить полимерный шаблон для последующей металлизации, науглероживания или комбинации металлизации и науглероживания без его провисаний, отходов от рамки, с удобным способом его размещения на подложке благодаря распределению массы полимерного шаблона на большей площади рамки.

В случае металлизации с последующим удалением полимерного шаблона после размещения на подложке - удаляется полимерный шаблон, с целью оставить металлическое сетчатое микро- нанопокрытие, а также возможно удалить рамку, если она была сделана из растворимого проводящего материала (например, полимер со взвешенными наночастицами серебра или оксида титана).

Можно оставить полимерный шаблон с металлическим покрытием, что позволит разместить проводящее покрытие на подложке и использовать оставшийся полимерный шаблон для увеличения прочности покрытия и для реализации возможности прикрепления проводящего покрытия к подложке наплавлением или частичным растворением полимера самого шаблона на подложку, например, парами растворителя. Важно учитывать, что при металлизации поддерживающая рамка так же будет покрыта слоем металла с одного бока, поэтому необходимо учитывать толщину нитей поддерживающей рамки.

Изобретение делает возможным создание композитной микро- наноструктуры, состоящей, к примеру, из металлизированных с одной или двух сторон науглероженных полиакрилонитрильных волокон, при этом, необходимо перевести полиакрилонитрил в углеродное состояние до металлизации, так как большинство предпочтительных металлов имеют температуры плавления ниже, чем температура процесса науглероживания на стадии с инертной атмосферой.

Внедрение наночастиц в раствор полимера, например, оксида титана, элементарной меди, или серебра, за счет самоориентации частиц и объединения их в электропроводящие цепи, позволяет получить комплексную электрическую проводимость как за счет металлического покрытия, так и за счет частиц, что может представлять из себя совмещение данного способа с золь-гель методом получения проводящих покрытий.

Нанесение металла с двух сторон на полимерный шаблон позволяет получить металлические трубки с полимером внутри, что может увеличить дополнительную механическую прочность проводящему покрытию, а также увеличить электрическую проводимость покрытия, однако это приведет к увеличению толщины проводящего покрытия на подложке и невозможности его закрепления на ней наплавлением или частичным растворением полимера.

Вытяжение нити раствора полимера из капли электрическим полем может быть осуществлено как с помощью постоянного электрического тока, так и пульсирующего, причем в случае пульсирующего электрического поля получаются более короткие нитевые фрагменты в полимерном шаблоне и более хаотическая структура.

С целью повышения производительности, а также увеличения размера получаемого полимерного шаблона, целесообразно использовать несколько фильер.

Похожие патенты RU2667341C2

название год авторы номер документа
СЕТЧАТАЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ, И СПОСОБ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ 2013
  • Хартов Станислав Викторович
  • Симунин Михаил Максимович
  • Воронин Антон Сергеевич
  • Карпова Дарина Валерьевна
  • Шиверский Алексей Валерьевич
  • Фадеев Юрий Владимирович
RU2574249C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ СЕТЧАТЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР И СТРУКТУРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2013
  • Хартов Станислав Викторович
  • Симунин Михаил Максимович
  • Воронин Антон Сергеевич
  • Карпова Дарина Валерьевна
  • Шиверский Алексей Валерьевич
  • Фадеев Юрий Владимирович
RU2593463C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ РИСУНКОВ С УПОРЯДОЧЕННОЙ СТРУКТУРОЙ СО СВЕРХРАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 2021
  • Аверин Игорь Александрович
  • Пронин Игорь Александрович
  • Карманов Андрей Андреевич
  • Алимова Елена Александровна
  • Якушова Надежда Дмитриевна
RU2757323C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ РИСУНКОВ С КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ СО СВЕРХРАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 2017
  • Аверин Игорь Александрович
  • Бобков Антон Алексеевич
  • Карманов Андрей Андреевич
  • Мошников Вячеслав Алексеевич
  • Пронин Игорь Александрович
  • Якушова Надежда Дмитриевна
RU2655651C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЛИТОГРАФИЧЕСКИХ РИСУНКОВ С ФРАКТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ СО СВЕРХРАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 2016
  • Аверин Игорь Александрович
  • Игошина Светлана Евгеньевна
  • Карманов Андрей Андреевич
  • Максимов Александр Иванович
  • Мошников Вячеслав Алексеевич
  • Пронин Игорь Александрович
  • Якушова Надежда Дмитриевна
RU2624983C1
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЕ КОМПОЗИТНОЕ ВОЛОКНО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 2022
  • Москалюк Ольга Андреевна
  • Кириченко Сергей Олегович
  • Юдин Владимир Евгеньевич
  • Цобкалло Екатерина Сергеевна
  • Погребняков Павел Викторович
  • Голдаев Алексей Николаевич
RU2790823C1
СПОСОБ И ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РЕПЛИКАЦИИ ШАБЛОНОВ В ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛАХ 2002
  • Меллер Патрик
  • Фреденберг Микаэль
  • Вивен-Нильссон Петер
RU2296820C2
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ 1998
  • Каль Хельмут
  • Тибуртиус Бернд
  • Вегенер Хельмут
RU2199556C2
СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ВОЛОКОН И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НИТЕЙ 2016
  • Толмачев Александр
  • Толмачева Елена
  • Царьков Алексей Николаевич
  • Ситников Владимир Петрович
  • Погребняков Павел
RU2723118C2
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЕ ФОРМОВАННОЕ ИЗДЕЛИЕ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ 2017
  • Хайнеманн, Клаус
  • Бауэр, Ральф-Уве
  • Вельцель, Томас
  • Шрёднер, Марио
  • Шуберт, Франк
  • Риде, Сабина
RU2709631C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 667 341 C2

Реферат патента 2018 года СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ СЕТЧАТЫХ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ И ОПТИЧЕСКИ НЕПРОЗРАЧНЫХ СТРУКТУР

Использование: для создания структур с помощью электрических полей. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит получение сетчатой электропроводящей микро- и наноструктуры, оптически прозрачной благодаря наличию стремящихся к приблизительно среднему значению сквозных окон, разделяющих металлические микро- и наноразмерные проволоки, получаемой путем переноса металлизированного полимерного шаблона на подложку с последующим удалением полимера, при этом для формирования полимерного шаблона для последующей металлизации используется электростатическое вытяжение нити из капли раствора полимера и ее ускорение в сторону электропроводящей рамки (процесс электроспиннинга), являющейся однооконной или многооконной ячеистой конструкцией, с последующим формированием на ней полимерного шаблона, его дальнейшей металлизацией путем напыления металлического или металлоксидного слоя, переносом на подложку с опциональным удалением полимерного шаблона и рамки и получением в результате электропроводящего покрытия на подложке. Техническим результатом является обеспечение возможности создания электропроводящих структур. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула изобретения RU 2 667 341 C2

1. Способ получения сетчатой электропроводящей микро- и наноструктуры, оптически прозрачной благодаря наличию стремящихся к приблизительно среднему значению сквозных окон, разделяющих металлические микро- и наноразмерные проволоки, получаемой путем переноса металлизированного полимерного шаблона на подложку с последующим удалением полимера, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона для последующей металлизации используется электростатическое вытяжение нити из капли раствора полимера и ее ускорение в сторону электропроводящей рамки (процесс электроспиннинга), являющейся однооконной или многооконной ячеистой конструкцией, с последующим формированием на ней полимерного шаблона, его дальнейшей металлизацией путем напыления металлического или металл-оксидного слоя, переносом на подложку с опциональным удалением полимерного шаблона и рамки и получением в результате электропроводящего покрытия на подложке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую, многооконную, структуру, на которой создается полимерный шаблон, выполнена из растворимого в том же растворителе, что и полимерный шаблон, материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую, многооконную, структуру, на которой создается полимерный шаблон, выполнена из растворимого материала, растворитель для которого не способен взаимодействовать с наносимыми на рамку полимерными нитями, формирующими полимерный шаблон, и растворять их.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимера для создания полимерного шаблона используется прекурсор углеродных волокон.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что полимерный шаблон до металлизации переводится в практически чистый углерод.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что данный науглероженный шаблон может быть металлизирован с одной стороны или с двух сторон, то есть полностью.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в полимере для полимерного шаблона присутствуют взвешенные наночастицы.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что нанесение металла осуществляется с двух сторон полимерного шаблона с получением в итоге металлических трубчатых микро- и нанопроволок с сохранением полимерной сердцевины со взвешенными наночастицами.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона используется вытяжение нити из капли раствора полимера электрическим полем, созданным постоянным или пульсирующим электрическим током.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нанесения полимерной структуры на рамку может применяться произвольное количество фильер, от одной до множества.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что для формирования полимерного шаблона с целью создания более равномерной структуры фильеры во время получения полимерного шаблона находятся в движении по произвольным, заранее заданным траекториям.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рамка, имеющая простую, однооконную, или ячеистую структуру, выполнена из углеродных филаментов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2667341C2

СЕТЧАТАЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРА, В ЧАСТНОСТИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ, И СПОСОБ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ 2013
  • Хартов Станислав Викторович
  • Симунин Михаил Максимович
  • Воронин Антон Сергеевич
  • Карпова Дарина Валерьевна
  • Шиверский Алексей Валерьевич
  • Фадеев Юрий Владимирович
RU2574249C2
JP 2015043283 A, 05.03.2015
US 20160319463 A1, 03.11.2016
US 20140090871 A1, 03.04.2014
US 20140103297 A1, 17.04.2014.

RU 2 667 341 C2

Авторы

Мезенин Евгений Игоревич

Даты

2018-09-18Публикация

2016-11-15Подача