丝网印刷铝掺杂纳米氧化锌薄膜光学特性研究

学号 2011301760029密级 武汉大学本科毕业论文丝网印刷铝掺杂纳米氧化锌薄膜光学特性研究 院（系）名 称：印刷与包装系专 业 名 称 ： 印刷工程学 生 姓 名 ： 毕彤彤指 导 教 师 ： 周奕华 副教授二一五年五月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜具有良好的导电性和光学透过性，并且其原料来源氧化锌矿资源十分丰富。随着印刷电子技术的发展，透明导电薄膜在科研、军事、人民生活等各个领域都有了较为广泛的应用。本文主要采用丝网印刷的方法，室温下在衬底材料普通玻璃板上制备铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜。通过改变印刷压力的大小和叠印层数的不同，研究对薄膜电阻率、光学透过性、色彩显示特性的影响。分别在印刷压力为0.35、0.4、0.45、0.5MPa的大小下以及叠印层数分别为1、2、3、4、5、6、7的情况下研究各项特性的变化情况。实验数据表明：随着印刷压力的增大，透明导电薄膜的电阻率和光学透过率有增大的趋势。随着叠印层数的增加，透明导电薄膜的电阻率和光学透过率有下降的趋势。其中电阻率可达到0.552l02 cm，透光率可达77%。而色彩显示特性各项数值变化趋势较为平缓，其中红色光的色差值在0至1.0之间，绿色光的色差值在0至1.5之间，蓝色光的色差值在0.5至3.5之间，白色光的色差值在0至2.0之间。所有色差测量值基本上都在3.0以下，在人眼的观察下会有轻量的差别，但不影响正常的色彩显示。关键词：丝网印刷；纳米氧化锌；透明导电薄膜；光电特性ABSTRACTThe Zinc Oxide transparent conductive thin films doped with aluminum has good electrical conductivity and optical transmission properties. As the sources of raw materials, zinc oxide resources are very rich. With the development of printed electronics technology, transparent conductive films have been more widely used in various fields of scientific research, military, daily lives. This paper mainly describes a method of preparing the Zinc Oxide transparent conductive thin films doped with aluminum. And this method is worked by screen printing, on the substrate material of ordinary glass, at room temperature. By changing the different printing pressure and trapping layers, studying on the effect of film resistivity, optical transmission properties and color display characteristics. Studying on the changes of all the characteristics under the different printing pressure, such as: 0.35, 0 .45, 0.4, 0.5MPa. Studying on the changes of all the characteristics under the different trapping layers, such as: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Experimental data show that: with the increasing of printing pressure, the resistivity and optical transmittance of transparent conductive thin films tend to increase; with the increase of the number of l trapping layers, the resistivity and optical transmittance of transparent conductive thin films tend to decrease. Resistivity can be reached 0.552 l02 cm, light transmission rate can be reached 77%. The value of the color display characteristic tends to be similar. The color difference of red light is between 0-1.0. The color difference of green light is between 0-1.5. The color difference of blue light is between 0.5-3.5. The color difference of white light is between 0-2.0. All the value of color difference is under 3.0. The feeling of difference between colors is light. The transparent conductive thin films can display the normal color effectively.Keywords: Screen printing; The Zinc oxide; Transparent conductive thin film; Electro-optical characteristics目 录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外的研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2国内研究现状21.3 主要应用领域21.3.1平板显示器21.3.2太阳能电池21.3.3气敏传感器21.4 研究内容31.4.1研究目标31.4.2研究的主要内容32 铝掺杂纳米氧化锌的结构与制备42.1 铝掺杂纳米氧化锌的微观结构与性能42.1.1铝掺杂纳米氧化锌的导电性与结构42.1.2 铝掺杂纳米氧化锌的透光性42.2 铝掺杂纳米氧化锌的主要制备方法42.2.1溶胶凝胶法52.2.2微乳液法52.2.3直接沉淀法52.2.4溶剂热反应法52.2.5喷雾热分解法52.2.6真空磁控溅射53 铝掺杂氧化锌薄膜制备与光电特性63.1 实验研究内容63.1.1制备方法选择63.1.2实验方案63.2 丝网印刷油墨的制备63.2.1实验所用试剂63.2.2实验仪器73.2.3实验原料及配比73.2.4油墨制备实验工艺73.3 不同印刷压力对薄膜光电性能影响83.3.1实验过程83.3.2实验结果及分析83.4 不同叠印层数对薄膜光电性能影响103.4.1实验过程103.4.2实验结果及分析113.5 本章小结134 铝掺杂氧化锌薄膜的色彩显示特性144.1 实验研究内容144.1.1导电薄膜的色彩显示144.1.2 导电薄膜的显色色差144.1.3 实验方案154.2 薄膜对红色色块（R）的色彩显示性能154.2.1实验过程154.2.2实验结果及分析164.3 薄膜对绿色色块（G）的色彩显示性能194.3.1实验过程194.3.2实验结果及分析204.4 薄膜对蓝色色块（B）的色彩显示性能234.4.1实验过程234.4.2实验结果及分析234.5 薄膜对白色色块（R+G+B）的色彩还原性能264.5.1实验过程264.5.2实验结果及分析274.6 本章小结305 总结与展望31参考文献32致 谢341 绪论1.1研究背景及意义印刷电子技术1从本质上讲是一种电子制造技术，因为其采用印刷的方式，能够更为高效的利用原材料进行生产制造而被人们越来越重视。在过去的几十年里，硅基半导体微电子技术曾是电子制造技术的主流。而近几年随着硅基集成电路制造技术不断成熟，技术需要巨大的资金支持成了制约一些中小型企业发展的重要因素。目前，全世界电子电路的生产制造被几家少数的大公司或集团所垄断2。为了实现电子元器件生产制造工艺的普及，在过去的多年时间里，许多科研院所机构都对有机与无机溶液态的材料进行了研究。鉴于传统的印刷工艺可以将溶液态的有机或者无机材料通过叠印的方式堆积在基材上，形成一层类似油墨铺展在承印物上的薄膜3，而基材的种类和性质也拥有比较宽泛的选择。如果此时叠印的溶液态材料为导体或者半导体，那么此时承印物上面叠印成的就是一个个小小的电子元器件。因此，通过传统印刷方式来实现各种电子元器件生产制造的技术成了竞相研究的热点4。电子电路制造领域里出现了一项新兴的技术，即印刷电子(Printed electronics也称印制电子)。透明导电薄膜是一种基于可见光具有高透过率的薄膜，并且导电性较好的性能也使它极具优越性。 研究比较热门的透明导电薄膜有以下几种：ITO（纳米氧化铟锡薄膜）、AZO(铝掺杂纳米氧化锌薄膜)等5。由于人们对透明导电薄膜的研究日益深入，对其应用范围也不断拓展。目前纳米氧化铟锡6薄膜在工业生产中的应用已经日益成熟，而随着科学技术的飞速发展，铝掺杂纳米氧化锌薄膜在工业上的应用成了人们竞相关注的焦点。由于印刷电子技术的发展，采用印刷电子技术实现其生产制造也成了电子电路制造行业的发展趋势，为了更好的提高该薄膜应用的广泛性，提高其光电性能并逐步实现工业化生产，研究纳米氧化锌导电薄膜的制备和光学特性研究具有重要意义。1.2国内外的研究现状1.2.1国外研究现状早在1980年，对铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜的研究在国外就逐渐开始了。对于铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜的晶粒散射作用研究，国外也有很多重要的发现。国外的一些研究认为当外界环境为较低的温度时，其晶粒结构中的散射作用主要以晶界散射为主。但是当外界环境温度较高时，结构的散射机制就会发生改变，转变成为主要是电离杂质散射作用7为主。1.2.2国内研究现状我国对于纳米氧化锌透明导电薄膜的研究比较晚，但是由于近几年随着国内外关于氧化锌透明导电薄膜的研究越来越深入，我国的一些科研院所和专家学者也对其有了高度的重视。纳米氧化锌的研究也被列入了我国 “863”计划和“攀登”计划等，其发展趋势为逐年上升的态势。国内关于纳米氧化锌透明导电薄膜的研究报道也越来越多8，对于铝掺杂的情况的研究也日益发展。其中，采用液相化学法9，以无机锌盐为制备原料，通过改进超临界流体干燥法，制备出了纳米级氧化锌。通过直接沉淀法10的方式，将得到的碱式碳酸锌利用微波焙烧，进而制备出纳米氧化锌，有较好的均匀性和分散性。1.3主要应用领域本世纪随着各种先进的电子电路制造技术被应用于电子信息工业生产制造中去，透明导电薄膜11给人们的生活带来了极大的快捷和便利。这些薄膜不仅服务于人们的日常生活，其在航空航天、军事国防、节能环保等领域都有着特别显著的影响。1.3.1平板显示器随着科学技术的日新月异，更加环保并且节约能源的铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜未来可能会渐渐取代纳米氧化铟锡薄膜在平板显示器中应用的重要位置，该薄膜的全面应用与平板显示器中也是一种必然的趋势。1.3.2太阳能电池铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜可以作为一种透明电极应用在太阳能电池上12，其相对于纳米氧化铟锡薄膜有着性能上的很大提高，对于提高太阳能转化为电能的转化率以及实现环保节能有着极大的促进作用。1.3.3气敏传感器铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜可以制作成为对于特定气氛中的一些物质会产生相应的变化13，导致电阻率等薄膜光电特性的改变。利用这一原理，可以将薄膜制作成为气敏传感器用来进行大气等环境监测和防污染等领域中去。1.4研究内容1.4.1研究目标本课题以通过实验制备的铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜为研究对象，基于溶胶凝胶法制备和丝网印刷工艺控制（工艺参数包括印刷压力、叠印层数），研究铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜的导电性、光学透过率以及色彩显示特性。1.4.2研究的主要内容1、通过溶胶凝胶法制备多组铝掺杂纳米氧化锌凝胶，并通过丝网印刷的方式制备多组薄膜。每一组在其他条件相同的情况下设置一组变量条件，比如印刷压力以及叠印层数等等。2、通过仪器等检测手段针对薄膜的厚度、透光率、导电性、光学色差等性能进行分析并绘制曲线。3、通过对薄膜性能的检测结合数据，分析变量参数对薄膜光电特性的影响，结合光电学理论来研究实验品的性能差异，研究不同参数对薄膜的总体特性影响。2铝掺杂纳米氧化锌的结构与制备2.1铝掺杂纳米氧化锌的微观结构与性能2.1.1铝掺杂纳米氧化锌的导电性与结构纳米氧化锌薄膜是一种半导体材料，如图2-1，其结构为六方纤锌矿结构14。在每个氧化锌单元的结构中，四个氧原子呈现出四面体的结构。整个铝掺杂过程其实就是铝离子对锌离子的取代过程。在铝离子取代锌离子之后，由于铝离子带有3个正电荷，锌离子带有2个正电荷，因此每取代一个锌离子，都会增加一个正电荷。由于电荷数量的增多，整个铝掺杂后的纳米氧化锌微粒其自由电子的数量也会增多，导致了载流子的浓度升高，最终在铝杂质的作用下薄膜的导电性得到了提高。图 2-1 氧化锌的原子结构模型2.1.2 铝掺杂纳米氧化锌的透光性通过铝掺杂后的纳米氧化锌属于直接带隙半导体，这种导体的本征电子能够将那些高于这种导体的禁带宽度的高能光子冲击时的能量吸收而发生跃迁，逐步到达高的能级状态，然而当高能光子的被吸收的时候，就会发生这个波段的光被吸收的情况。相反，如果光子的禁带宽度较低，那么它就能够直接透过这种薄膜，而这个波段的光也就透过薄膜而不会被吸收，这样才会有良好的透光性。因此，在铝杂质的作用下，薄膜的禁带宽度会有所变化，因此薄膜的透光效果也必将会随着铝杂质含量的不同而发生改变15。2.2铝掺杂纳米氧化锌的主要制备方法2.2.1溶胶凝胶法是各种组分在溶液状态下混合后，以分子、离子或者原子的状态发生一系列化学反应，在溶剂中形成混合液，通过烘干等方式获得稳定的凝胶状纳米微粒。实验操作比较简单，实验条件便捷易行。2.2.2微乳液法这种方法是通过将两种液体在表面活性剂作用下形成的乳液进一步进行处理从而得到相应的纳米级微粒16。整个实验的制备过程简单易行，虽然能源消耗较小，但是在生产过程中有这较高的成本，并且制备完成后会有有机物剩余，后续处理过程较为繁琐。2.2.3直接沉淀法通过把沉淀剂加入到盐溶液中，促使纳米微粒发生聚沉，再把沉淀物过滤、干燥等一系列处理之后得到纳米微粒的前驱体。然后将前驱体通过热分解等处理方法，制备成纳米微粒。选择不同的沉淀剂以及其他条件不同，制备出来的纳米微粒的粒径大小会有所不同。2.2.4溶剂热反应法溶剂热反应法是把水溶液或者其他的溶剂作为基本的反应环境物质17，在特别制造的反应装置中，外界施加高温高压的条件进行合成反应。最后通过一系列处理可以得到相应的纳米微粒。2.2.5喷雾热分解法喷雾热分解法将原始材料的盐溶液进行混合，然后通过喷雾的方式将混合液涂布在衬底材料上，利用热效应使溶液中的成分分解发生反应并最终变成薄膜状态。这种方法可以有效是制备出大面积的透明导电薄膜，生产条件和设备都比较简单。2.2.6真空磁控溅射真空磁控溅射是一种将靶材材料的原子、离子或者分子等形态的成分从材料表面射出，然后溅射在目标衬底材料上形成所需要的薄膜状态18。而靶材成分射出也是需要通过电磁场等高能量粒子去激发靶材，从而保证薄膜良好的成膜效果。3 铝掺杂氧化锌薄膜制备与光电特性3.1实验研究内容3.1.1制备方法选择相对于纯的氧化锌材料而言，铝掺杂纳米氧化锌材料在可见光波段的光学透过率也有了极大的提高。铝掺杂纳米氧化锌不仅有着较好的电学性能，还同时拥有良好的光学性能。由于锌作为一种工业上的常见金属，原料的广泛性也有利于其大规模生产制造。由于取材便利，成本相对而言低廉很多。通过文献19总结出合成铝掺杂纳米氧化锌的主要方法有：溶胶凝胶法、微乳液合成法、化学气相合成法、水热法等。但众多的方法各都有其局限性和不便利的地方。其中化学气相合成法需要很高的温度来保证合成的顺利进行，一般实验室很难实现。微乳液合成法在成膜时需要高温煅烧，一般的实验室也很难满足这样的条件。而溶胶凝胶法20在溶液状态下合成，所需要的实验条件简易，容易实现。并且合成的铝掺杂纳米氧化锌可以方便的形成凝胶状，有利于后期油墨的制备和丝网印刷。除此之外这种方法形成的溶胶均匀性比较好，并且内部的化学组成也很均匀，在衬底上成膜后所需要的煅烧温度相比较其他几种方法而言是比较低的。因此，本次实验通过改进方案实现铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜的制备，并对其光电性能进行研究。3.1.2实验方案本次实验所使用的铝掺杂氧化锌纳米粉体是通过溶胶凝胶法已经自制好的铝含量为1%的粉末。在通过查阅文献和参考一些实验的基础上，将铝掺杂纳米氧化锌粉体作为印制薄膜的主要原料，使用普通的玻璃板作为印刷的衬底材料。1、通过改变丝网印刷的印刷压力印制实地图形，制备不同AZO透明导电薄膜，并对其进行光电特性进行研究分析。2、通过改变丝网印刷的叠印层数印制实地图形，制备不同AZO透明导电薄膜，并对其进行光电特性进行研究分析。3.2丝网印刷油墨的制备3.2.1实验所用试剂本实验所用材料以及相关参数如表3-1：表 3-1 实验所用材料以及相关参数材料名称分子式纯度规格生产厂家乙酸锌Zn(Ac)22H2O分析纯国药集团化学试剂有限公司硝酸铝Al(NO3)39H2O分析纯国药集团化学试剂有限公司乙二醇甲醚CH3OCH2CH2OH分析纯国药集团化学试剂有限公司乙醇胺HO(CH2)2NH2分析纯国药集团化学试剂有限公司丙烯酸树脂自制AZO纳米粉体自制3.2.2实验仪器本实验所用仪器以及相关参数如表3-2：表 3-2实验所用仪器以及相关参数仪器型号生产厂家天平ME204E梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司磁力搅拌器DF-101S郑州世纪双科实验仪器有限公司真空干燥箱DZF-6020上海新苗医疗器械制造有限公司马弗炉SG-XL1100中国科学院上海光学精密机械研究所丝网印刷机联合工程实业有限公司超声清洗器KQ300-DE昆山市超声仪器有限公司3.2.3实验原料及配比丝网印刷油墨的实验原料及配比见表3-3：表 3-3 丝网印刷油墨的实验原料及配比AZO含量（%）乙二醇甲醚(ml）乙醇胺(ml)乙酸锌(g)硝酸铝（g）75200932.9250.5683.2.4油墨制备实验工艺铝掺杂纳米氧化锌油墨制备实验工艺流程如下：1、在室温条件下使用电子天平称量二水乙酸锌32.925g，用量筒量取200mL乙二醇甲醚溶液放入烧杯中；2、将称量好的二水乙酸锌溶解于乙二醇甲醚溶液中，在60的水浴温度条件下使用磁力搅拌器搅拌 1 小时；3、用量筒量取9mL的乙醇胺，将其加入2中溶液中，继续搅拌0.5小时；4、用电子天平称量硝酸铝0.568g，将其加入3中溶液中，搅拌1 小时；5、用电子天平称量铝掺杂纳米氧化锌粉体150g，加入4中溶液中，搅拌1 小时；6、在室温条件下静置超过 24 小时；7、将静置好的混合液放置于恒温烘箱中，温度调节到170，加热蒸发5h，得到铝掺杂纳米氧化锌油墨的凝胶；8、在凝胶中加入15%的树脂，得到含有铝掺杂纳米氧化锌油墨。3.3不同印刷压力对薄膜光电性能影响3.3.1实验过程实验过程为：1、开启印刷机，将丝网印版固定稳当；2、将衬底材料普通玻璃固定在网版印刷机的平台上；3、按下下降按钮，使印版下降至衬底材料普通玻璃板表面，调整玻璃板位置，确保印刷的图形能够处于玻璃板上较为合适的位置上；4、安装好刮墨刀，拧紧两边的固定螺丝，确保刮墨刀固定稳当；5、将配置好的AZO油墨均匀放置于丝网印刷机的储墨位置；6、设置印刷压力旋钮，印刷压力大小依次分别设置为0.35、0.4、0.45、0.5；7、设置好印刷压力后，按下刮墨刀移动控制按钮，使刮刀匀速通过印版，将印版上面的印刷图形均匀地转印在衬底材料普通玻璃板上；8、完成印刷后，按下印版上移控制按钮，取出衬底材料普通玻璃板，将其放入170烘箱中，对刚印好还处于湿润状态的样品干燥10min，然后放入马弗炉内在500的温度条件下，退火处理1小时，从而制得掺杂后薄膜；9、试样经过热处理之后，在马弗炉中自然冷却到室温后拿出，对所制备的薄膜进行光电性质的测试。3.3.2实验结果及分析为了便于测量和提高印制图形的印刷质量，本实验采用的是印刷实地图形来进行测试并研究。印刷图形的图形规格为：实地图形，边长为35mm*35mm。将对该图形进行电阻率、透光率的测定，结果如下：1、表3-4为不同印刷压力的导电薄膜的电阻率表 3-4 不同印刷压力的导电薄膜的电阻率印刷压力0.350.40.450.5电阻率（cm）0.916l021.156l021.284l021.307l022、图3-1不同印刷压力与电阻率的关系图图 3-1 不同印刷压力与电阻率的关系图在一定印刷压力下，印刷压力越大，承印物上墨膜厚度越薄。而墨膜厚度直接决定了薄膜的厚度。由以上数据可以分析得到，印刷压力越大电阻率越高，薄膜的导电性越差。其原因是随着印刷压力的增大，薄膜的厚度变得越来越薄，在薄膜的印刷层与衬底材料的界面上，电子会发生漫反射作用，而这种漫反射作用会导致薄膜的电阻率升，高导电性下降。相反，薄膜比较厚的时候，电子在这两个界面间发生的漫反射作用所占的比例就会降低，从而薄膜的电阻率也将会降低，导电性增强。3、通过光学透过率测试仪测试了不同印刷压力下的透明导电薄膜的透光率，测试结果如表3-5不同印刷压力的导电薄膜的透光率。表 3-5 不同印刷压力的导电薄膜的透光率印刷压力0.350.40.450.5透光率（%）677175774、图3-2印刷压力与导电薄膜的透光率的关系图图 3-2 印刷压力与导电薄膜的透光率的关系图透光率的取值是通过仪器在印刷图形的三个不同地方进行测试，测出三组数值之后取平均值而计算得出的。同样的根据印刷压力与薄膜厚度的关系，我们通过测试的数据分析发现随着印刷压力的逐渐增大，薄膜的透光率逐渐增大，但是增大的程度不明显，趋势较为缓慢。因为当印刷压力较大是，薄膜的厚度较薄，其薄膜的印刷层和衬底材料普通玻璃板层对光的散射、反射以及吸收作用会减弱，可见光的通过率也就大大增强，透光率变高。相反，当印刷压力较小时，衬底材料普通玻璃板上的透明导电薄膜膜厚比较大，各个界面对光的散射、反射和吸收作用相应的增强，可见光的通过率就对应的降低，因此透光率较小21。但是由于此透明导电薄膜厚度较薄，在不同印刷压力下其膜厚变化较小，因此其透光率的变化趋势也是在一个较小的范围，因此可以发现印刷压力对薄膜的透光特性影响较小。3.4不同叠印层数对薄膜光电性能影响3.4.1实验过程实验过程为：1、开启印刷机，将丝网印版固定稳当；2、将衬底材料普通玻璃固定在网版印刷机的平台上；3、按下下降按钮，使印版下降至衬底材料普通玻璃板表面，调整玻璃板位置，确保印刷的图形能够处于玻璃板上较为合适的位置上；4、安装好刮墨刀，拧紧两边的固定螺丝，确保刮墨刀固定稳当；5、将配置好的AZO油墨均匀放置于丝网印刷机的储墨位置；6、设置印刷压力旋钮，印刷压力大小设置为0.4；7、按下刮墨刀移动控制按钮，使刮刀匀速通过印版，根据预先设置的叠印层数的不同，重复上面部分操作实现对应叠印层数的图形的印制；9、完成印刷后，按下印版上移控制按钮，取出玻璃板，放入170烘箱中，对刚印好还处于湿润状态的样品干燥10min，然后放入马弗炉内在500的温度条件下，退火处理1小时，从而制得铝掺杂的氧化锌薄膜；10、试样经过热处理之后，在马弗炉中自然冷却到室温后拿出，对所制备的薄膜进行光电性质的测试。3.4.2实验结果及分析1、表3-6为不同叠印层数的导电薄膜的电阻率表 3-6 不同叠印层数的导电薄膜的电阻叠印层数1层2层3层4层5层6层7层电阻率（cm）1.156l020.806l020.653l020.614l020.586l020.564l020.552l022、图3-3为不同叠印层数与导电薄膜的电阻率的关系图图 3-3 不同叠印层数与导电薄膜的电阻率的关系图根据印刷的工艺与原理，叠印层数越多则相应的油墨层厚度越厚，同样的通过丝网印刷机印制的薄膜的厚度就越厚。由图表及数据分析可以发现随着叠印层数增加透明导电薄膜的电阻率逐渐降低，导电性增强。并且当薄膜的叠印层数在3层以上时，导电率随叠印层数增加而降低的趋势逐渐放缓，导电性变化不明显。叠印层数直接影响着透明导电薄膜的厚度，和印刷压力与导电率的关系相同，都是薄膜厚度对导电率的影响关系。叠印层数增加时，薄膜的厚度增加，同样的因为电子在各个界面上的漫反射作用所占比例降低，因此薄膜的导电性增强，电阻率降低。但是随着叠印层数增加，厚度达到一定程度时，导电电子的平均运动距离会增大，当远远大于样品厚度时，导电性的变化就不再明显，因此薄膜的电阻率的变化趋势也逐渐放缓。所以可以看出，叠印层数并不是越多越好，适当的叠印层数在保证薄膜足够薄时也能够有较好的导电性能。3、通过光学透过率测试仪测试了不同叠印层数的导电薄膜的透光率，测试结果见表3-7。表 3-7 不同退叠印层数的导电薄膜的透光率叠印层数1层2层3层4层5层6层7层透光率（%）716559473427234、图3-4不同叠印层数与导电薄膜的透光率的关系图图 3-4 不同叠印层数与导电薄膜的透光率的关系图表3-7的数据是通过光学透过率测试仪测试得出的3组透光率的数值，然后计算取平均值而得出的。由以上图表及数据分析可知，随着薄膜的叠印层数的不断增加，薄膜的透光率逐渐降低，在3层以上时透光率就逐渐的降低至50%以上，此时已经不具有良好的光学特性，不能满足正常的导电薄膜的功能实现。分析其原因是随着叠印层数的增加，薄膜的厚度也不断增加，并且叠印层数越多，印刷图形表面越不光滑，表面的粗糙程度增大，导致光通过薄膜和衬底材料时的反射、散射、吸收作用加强，因此薄膜的透光率有下降的趋势。但是，随着薄膜厚度增加到一定程度时，厚度会使印刷过程中所产生的印刷压力比预先设置的印刷压力偏大，因此会导致后面叠印上的薄膜的厚度变薄，所以随着叠印层数的增加，薄膜厚度增加的趋势是逐渐放缓的，透光率降低的趋势也是逐渐放缓的。为了保证透明导电薄膜有着良好的光学透光率，叠印的层数应该越少越好。3.5本章小结本章实验通过借鉴溶胶凝胶法制备铝掺杂纳米氧化锌粉体的原理与工艺，选用已经制备好的含铝量为1%的铝掺杂纳米氧化锌粉体作为主要原料。根据参考文献和先前的实验参考，本实验选用了铝掺杂纳米氧化锌粉体含量为75%。通过改变印刷压力和叠印层数，制备含有不同变量的薄膜，并通过光学透过率测试仪、万用表等测量薄膜的光电特性。在改变不同印刷压力下，通过测试薄膜的电阻率和光学透过率，发现随着印刷压力的增大，薄膜的电阻率有增大的趋势，光学透过率有增大的趋势。在改变不同叠印层数的条件下，通过测试透明导电薄膜的电阻率和光学透过率，发现随着叠印层数的增加薄膜的电阻率有下降的趋势，光学透过率也有下降的趋势。通过分析可以发现，无论是印刷压力还是叠印层数都是与薄膜的厚度相关的。印刷压力越大，所得到的厚度越薄；印刷压力越小，厚度越厚。叠印层数越多，所得到的厚度越厚；叠印层数越少，厚度越薄。因此，两个变量都是以薄膜的厚度的改变来影响透明导电薄膜的电阻率和光学透过率的。另外在实验中当增加叠印层数，相同变量的条件下，薄膜厚度的增加的趋势是减缓的。这与丝网印刷机的印刷特性有关，当厚度增大到一定程度时，因为透明导电薄膜本身是一层很薄的导电膜，在印刷时成膜厚度的均一性势必会受到外界条件影响，即印刷的透明导电薄膜的厚度变薄。此外，我们也发现印刷压力对透明导电薄膜的电阻率和光学透过率影响较小，相比较而言叠印层数对其电阻率和光学透过率影响则较大。所以在接下来的实验中进一步研究薄膜的光电特性时或者未来生产制造时，建议尽量减少薄膜的叠印层数，或者用较大的印刷压力进行薄膜叠印，保证薄膜的厚度不要过厚影响其光电特性。4 铝掺杂氧化锌薄膜的色彩显示特性4.1实验研究内容4.1.1导电薄膜的色彩显示颜色视觉的形成是受我们的感觉神经以及外界环境所影响的的，尤其是人的大脑所产生的一系列条件反射与非条件反射，包括人的记忆、联想对比等等。因此，如果为了保证颜色观察者能够正常且高质量的观察到薄膜的色彩显示效果，发光源、产生颜色的物体、眼睛以及观察者正常的大脑反应这四个环节也是必须能够保证正常进行的。由于本章实验中的透明导电薄膜并没有发光或带有颜色的特性，本章实验便利用彩色显示器作为光源以及产生颜色的基本物体，通过覆盖铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜来测试导电薄膜的色彩显示性能。而透明导电薄膜的色彩显示是与显示器的色彩显示有着类似的原理，都是基于色光混合原理。色光混合是指把两种或者两种以上的色光混合在一起之后形成的其他色光的过程。通常情况下，将红色、绿色、蓝色这三种色光进行不同比例的混合后，几乎能够得到自然界中所有的颜色。因此如果能够准确的测试出红绿蓝三种色光通过铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜后与未通过的差别，那么就可以客观的评价该透明导电薄膜对色彩的显示性能的高低了。4.1.2 导电薄膜的显色色差为了客观有效的评价透明导电薄膜的色彩显示性能的好坏，就需要一个能够评价红绿蓝三种色光通过铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜后与未通过的差别的标准，而这个标准就是CIE标准色度学系统。本章实验则采用了CIE1976L*a*b*均匀颜色空间来客观的表示出透明导电薄膜的显色色差。在CIE1976L*a*b*均匀颜色空间系统中，我们用Eab表示两种颜色的差别，而色差也是判断颜色再现及显示性能好坏的一个重要标准。Eab的计算公式为：E（L*a*b*）=(L*)2+(a*)2+(b*)21/2（CIEL*a*b*标准色差单位）；由于在软件测试系统中，为了更好的表示色差的性质和便于分析，系统自动将CIE1976L*a*b*均匀颜色空间转换成了极坐标空间，用L*H*C*表示。其中：L*为心理计量色度；C*=(a*)2+(b*)21/2，表示颜色的饱和度；H*=arctg(b*/a*)，表示颜色的色相角；其色差E（L*H*C*）计算公式为：E（L*H*C*）=(L*)2+(H*)2+(C*)21/2（CIE标准色差单位）；为了更为客观的表现色差与真实情况下颜色差别之间的关系，用下表4-1色差程度的鉴定表可以大致的表达色差数值所反映的颜色差别。表 4-1 色差程度的鉴定表色差程度的鉴别E（L*a*b*）微量0-0.5轻量0.5-1.5能感觉到1.5-3.0明显3.0-6.0很大6.0-12.0非常大12.0以上4.1.3 实验方案本章实验以第三章实验中经过丝网印刷在衬底材料上的实地图形作为测量材料，以显示器的标准红色、绿色、蓝色、白色色块作为光源，使用爱色丽i1测试仪对标准色彩、样品色彩以及玻璃板进行测量，得出色差及相应的L*、a*、b*值，并进行分析评价。1、设置标准色块为红色（R=255，G=0，B=0），改变不同印刷压力和叠印层数的透明导电薄膜以及玻璃板，分别对其色差及相应的L*、a*、b*值进行测量。2、设置标准色块为绿色（R=0，G=255，B=0），改变不同印刷压力和叠印层数的透明导电薄膜以及玻璃板，分别对其色差及相应的L*、a*、b*值进行测量。3、设置标准色块为蓝色（R=0，G=0，B=255），改变不同印刷压力和叠印层数的透明导电薄膜以及玻璃板，分别对其色差及相应的L*、a*、b*值进行测量。4、设置标准色块为白色（R=255，G=255，B=255），改变不同印刷压力和叠印层数的透明导电薄膜以及玻璃板，分别对其色差及相应的L*、a*、b*值进行测量。4.2薄膜基于红色色块（R）的色彩显示性能4.2.1实验过程实验过程为：1、打开Measure Tool软件，选择spot measurement测量项目，用来测量纯色色块相应的L*、a*、b*值以及标准纯色色块和样品颜色之间的色差；2、画图软件，打开颜色选项，设置颜色为红色纯色即：R=255，G=0，B=0；3、调整红色色块位置，确保在测量的范围内；4、将测试仪放在标准的色块上，进行校准确保测量的准确性；5、将测试仪放在标准白点上进行校准，校准完成后，将测试仪正确的放在纯色红色色块的中心区域准备测量；6、选择Color Space为Lab，选择reference选项，点击Start测量标准色块的L*a*b*值；7、选择Sample选项，将铝掺杂纳米氧化锌透明导电薄膜覆盖在纯色红色色块上，将测试仪放在导电薄膜上，点击Start，测量样品色块的L*a*b*值；8、更换不同的导电薄膜，记录测量所得的数值，每个导电薄膜选取三个不同的区域测量三次，并取平均值；9、测量衬底材料玻璃板的的各项数值，计算去除误差后的薄膜测量值。4.2.2实验结果及分析经过测量纯色红色色块（R=255，G=0，B=0）的标准L*a*b*值为L*=44.5，a*=60.9，b*=45.8；玻璃材料的各项值为L*=38.7，a*=57.4，b*=45.8，E（L*a*b*）=3.9， L=3.5， C=2.5，H=1.0。1、表4-3为不同印刷压力大小的情况下，透过透明导电薄膜所得红色光去除误差后的各项值。表 4-3 不同印刷压力下的样品红色色块测量值L*a*b*E（L*a*b*） L CH0.5印刷压力39.258.246.00.10.30.50.8 39.058.145.90.50.10.30.8 39.358.345.50.10.40.30.3 平均值39.258.245.80.20.30.40.6 0.45印刷压力39.358.346.30.10.40.81.0 39.558.245.40.00.60.20.3 39.458.145.20.20.50.10.2 平均值39.458.245.60.10.50.30.5 0.4印刷压力40.3 58.7 45.5 0.81.30.60.1 40.1 58.9 46.1 0.91.21.10.4 40.1 58.8 46.0 0.81.21.00.5 平均值40.2 58.8 45.9 0.81.20.90.3 0.35印刷压力39.5 58.5 46.7 0.00.61.11.2 39.7 58.6 45.7 0.40.80.60.2 39.6 58.7 46.4 0.30.71.10.8 平均值39.6 58.6 46.3 0.20.70.90.7 印刷压力L*a*b*E（L*a*b*） L CH0.539.258.245.80.20.30.40.6 0.4539.458.245.60.10.50.30.5 0.440.258.845.90.81.20.90.3 0.3539.658.646.30.20.70.90.7 2、图4-1为不同印刷压力大小的情况下，透过透明导电薄膜所得红色的L*a*b*值、色差值以及L*、C*、H*值的变化规律折线图。图 4-1 不同印刷压力下的各项数值变化趋势通过上图4-1和表4-3可以发现，在不同印刷压力的情况下，透过透明导电薄膜所测得红色光去除误差后的L*a*b*值、色差值以及L*、C*、H*值没有很明显的变化，其变化趋势是趋于平缓的。因此在不同印刷压力的情况下，薄膜对于红光的色彩显示性能没有很大影响。通过分析色差值可以看出，色差值的平均值维持在0-1.0之间，色差数值的情况还是比较乐观的，人眼所观察的颜色差别感觉比较轻量，色彩显示性能还是比较好的，但是还需要通过改变油墨配方等方法进一步提高。3、表4-4为在0.4的印刷压力下不同叠印层数的情况下，透过透明导电薄膜所得红色光去除误差后的各项值。表 4-4 不同叠印层数下的样品红色色块测量值L*a*b*E（L*a*b*） L CH叠印层数239.4 58.3 45.7 0.10.50.40.6 39.4 58.1 45.9 0.20.50.40.8 39.4 58.3 46.2 0.10.50.70.9 平均值39.4 58.2 45.9 0.10.50.50.8 叠印层数3 40.2 59.0 45.9 1.01.31.10.2 40.2 59.0 46.4 0.91.31.40.7 40.1 58.9 46.3 0.81.21.20.6 平均值40.2 59.0 46.2 0.91.31.20.5 叠印层数440.0 58.7 46.3 0.61.11.10.7 40.0 58.8 45.5 0.71.10.60.0 40.0 58.7 46.2 0.61.01.00.6 平均值40.0 58.7 46.0 0.61.10.90.4 叠印层数540.1 58.9 46.0 0.91.21.10.4 40.1 58.9 45.8 0.91.21.00.2 40.1 58.8 45.9 0.81.21.00.3 平均值40.1 58.9 45.9 0.91.21.00.3 叠印层数640.0 58.8 45.8 0.71.00.80.3 39.9 58.8 46.3 0.61.01.20.7 39.9 58.7 46.0 0.61.00.90.5 平均值39.9 58.8 46.0 0.61.01.00.5 叠印层数739.7 58.5 46.7 0.20.81.21.1 39.5 58.7 47.3 0.10.61.71.6 39.6 58.6 47.0 0.10.71.51.3 平均值39.6 58.6 47.0 0.10.71.51.3 叠