導電金屬油墨的產業應用範圍相當廣泛,舉凡軟性電子、印刷電路板、太陽能電池、3D列印、穿戴式裝置,以及智慧紡織等產業,導電金屬油墨皆扮演著關鍵的角色。它是將奈米金屬粒子均勻分散於溶劑中,由於奈米金屬粒子能在低溫條件下相互熔融形成連續導體,因此在應用上可猶如傳統墨水一般,藉由網印或噴墨等方法直接塗佈在軟性基板上,將金屬油墨印製成線路圖騰,再藉由燒結程序,便可形成複雜精密的導電線路。

目前市場上的導電油墨係以銀油墨為主。由於銀的成本相當高,因此如何以其他金屬來取代銀,將是降低導電油墨及其應用產品之成本的關鍵因數。銅油墨在未來最具有取代銀油墨的潛力,因為銅的導電性及導熱性皆與銀相差不遠,但銅卻比銀便宜相當多。不過由於銅在空氣中極易被氧化,因此迄今尚無商品化之銅油墨。

核能研究所已研發出具有良好抗氧化特性之低成本導電銅油墨,製程簡單快速可量產,經網印或噴墨等程序所製作的線路圖騰,皆具有良好導電性與附著力。

有別於國際期刊上大多使用聯胺等高危險性化學藥品或繁雜的製程或需在真空環境下合成,目前本所已研發出在一般大氣環境下,完全使用安全無毒之溶液,且具有低汙染、低成本與耗費時間少(< 1hr)的簡易製程,即可合成出具有優良抗氧化性的奈米銅粒子。此奈米銅粒子可在一般大氣環境室溫下置放超過半年而無明顯氧化現象。

此奈米銅粒子經過適當的溶劑以及黏合劑調配而成的導電銅油墨,可經由網印、噴墨,或噴塗等方式直接應用於各式軟性電子產品上,其電阻率可達10-5 Ω-cm以下,且不會隨著時間增加而上升。此外,亦可配置成高濃稠性之導電銅漿,以取代目前矽晶太陽電池電極所使用之昂貴銀漿,進而大幅降低太陽電池的生產成本。

圖一、利用本所開發之導電銅油墨所製作之各式應用端實品

圖一、利用本所開發之導電銅油墨所製作之各式應用端實品

目前國際上有日本AIST和Napra公司共同合作開發奈米銅粒子及銅漿,並將它應用於太陽電池,他們所發展之銅漿的主要特色是添加低熔點之合金,並藉由低溫燒結過程來包覆奈米銅粒子,以增加導電性與防止銅氧化。表一為本所開發銅漿與日本AIST和Napra公司開發銅漿之特性比較表。

圖二、利用本所開發之導電銅油墨在軟性PI基板上所製作之精密線路

二、利用本所開發之導電銅油墨在軟性PI基板上所製作之精密線路

圖三、本所開發銅漿與日本AIST開發銅漿之特性比較表

圖三、本所開發銅漿與日本AIST開發銅漿之特性比較表

本所抗氧化銅粉及銅油墨之研發成果除在2015年台北國際發明展中,獲經濟部智財局於上千件作品中篩選14件作為展前記者會之發表作品外,亦榮獲2015年德國紐倫堡國際發明展(世界三大發明展之一)金牌獎之殊榮。由於抗氧化導電銅油墨之商機無限,目前已有國內多家相關業者,包括上、中、下游之材料開發端以及產品應用端等大廠,已陸續來本所洽談合作事宜。

圖四、經濟部智慧財產局洪副局長淑敏於2015年台北國際發明展展前記者會聽取本所導電銅油墨研發成果

圖四、經濟部智慧財產局洪副局長淑敏於2015年台北國際發明展展前記者會聽取本所導電銅油墨研發成果

展望未來,本所將針對商業化關鍵技術更積極投入研究,並整合國內上中下游相關業者,進行產品測試與驗證,以協助國內軟性電子、印刷電路板,以及太陽能電池等產業開啟新商機,為台灣在全球不景氣的逆境中找到勝出的關鍵。