JP2008535940A - 電子機器およびパターンを調製するためのインクジェット印刷可能組成物 - Google Patents

電子機器およびパターンを調製するためのインクジェット印刷可能組成物 Download PDF

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Abstract

液体担体中にナノ粒子を含むジェット印刷可能な組成物。

Description

この発明は、基材上に電子デバイスおよびパターンを印刷するためのインクジェット印刷可能な組成物に関する。
インクジェット印刷は、広く使用される印刷技術である。ナノ材料に基づくインクは、インクジェットに好適である。インクの粒径および粘度は、インクジェット印刷のためのインクの適合性に影響する。
異なるナノ材料の組成物をインクジェットして、種々の基材上に電子デバイスおよびパターンを形成できることを見出した。組成物は、印刷導体用ナノ金属、ナノ金属の混合物および印刷抵抗用伝導度低下材料（すなわち、材料がない場合の伝導度に比べてインクの伝導度を下げる材料）、印刷コンデンサー用誘電体ナノ添加物、印刷トランジスターおよび他のデバイス用半導体ナノ添加物、およびその同類のものからなることができる分散体またはインクであることができる。
一つの形態では、導電性分散体およびインクは、２００４年９月１４日出願の先の出願で題名"インクジェット印刷可能組成物"（出願番号６０/６０９、７５０）に記載したように、液体担体中に分散したナノ金属粉末を含み、参照により本明細書中に全てを取り込む。本明細書中に記載された方法である冶金化学法（ＭＣＰ）によって製造されたナノ金属粉末は、添加物があってもなくても、液体担体（有機溶媒、水、またはそれらいずれかの組み合わせ）中で、粉末の分散体および解凝集を可能にする特異的性質を有する。ＭＣＰ製造ナノ金属粉末のこれらの属性を利用して、ナノ金属粉末、液体担体、および、任意選択的に、添加物の適当な組み合わせを選択することによって、インクジェット印刷に必要な高い金属濃度で非常に低い粘度の組成物を設計することができた。高い金属濃度と、非常に低い粘度とを組み合わせる能力は、インクジェット印刷ために特に有用な組成物を作る。
本組成物は、伝導度低下添加物と組み合わせたこれらのナノ金属粉末を含む。組成物はまた、インクジェット能力（例えば、通常μｍ範囲の小さいノズルを有するインクジェット印刷ヘッドを通して印刷される能力）を与える特性を有する。これらの特性は、（室温でまたはジェット温度で）１〜２００ｃＰの低粘度、溶剤系分散体で２０〜３７ダイン/ｃｍそして水系分散体で３０〜６０ダイン/ｃｍの表面張力、１％〜７０％（重量／重量）の金属ナノ粒子充填、および１５０ｎｍ、好ましくは８０ｎｍ未満の粒径分布（ＰＳＤ）Ｄ９０を有する金属ナノ粒子の低い粒径分布、を含む。組成物は、沈降を最小にし、そして印刷ヘッドを詰まらせず、または組成物の特性を変更しないでジェッティングを可能にするのに充分な安定性を有する。組成物は、連続的なインクジェット技術、（ピエゾおよび熱等の）ドロップ・オン・デマンド型インクジェット技術およびまたエアーブラシ、フレクソ、静電沈着、ワックスホットメルト等のような追加の技術を含む異なる技術によって印刷できる。
第２の形態において、液体担体中に分散した、導電性金属ナノ粉末以外のナノ粉末を含むインクジェット印刷可能な組成物を記載する。組成物は、インクジェット印刷温度で約２００ｃＰ以下の粘度を有する。好適な非導電性金属ナノ粉末の例は、誘電性ナノ粉末、半導体ナノ粉末、およびその同類のものを含む。これらの組成物を基材上にインクジェット印刷することによって調製可能なデバイスは、コンデンサー、トランジスター、およびその同類のものを含む。
本発明の１または２以上の態様の詳細は、下記の記載に説明されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、記載および請求項から明らかになるであろう。
分散体およびインクを含有する導電性ナノ金属粒子は、一般的に抵抗、コンデンサー、トランジスター、およびその同類のもの等のデバイスを提供するには高すぎる伝導度を有する。堆積される導電性材料の量を減少させることによって伝導度を下げることは望ましくない。これは、導電性材料の総量が少なすぎる場合、堆積される量を正確にコントロールすることは難しいからである。さらに、パーコレーションを得るために不充分な金属が堆積される可能性もあり、そして結果的に抵抗が規定範囲内にあるどころか無限大になる。
この問題と取り組む一つの方法は、高導電性ナノ金属粒子と電気伝導度低下添加物とを混合することである。添加物は、ナノ金属粒子の電気伝導度より低い電気伝導度を有するので、組成物の全体的な電気伝導度を減少させる。同時に、組成物をインクジェット印刷可能にする特性は保たれる。ナノ粉末形態でないこともできる好適な電気伝導度低下添加物の例は、導電性カーボンブラック、導電性有機ポリマー、およびその同類のものを含む。高導電性ナノ金属と電気伝導度低下添加物の比率が、得られる終局抵抗を決定するため、インクの意図した用途ための所望の電気伝導度を達成するために、添加物の量が選択される。しかし、用途にかかわらず、導電性ナノ金属粒子の量は、パーコレーションを達成するためには充分である。
この問題と取り組む第２の方法は、液体担体中に導電性金属ナノ粉末以外のナノ粉末を分散することを含む。組成物は、インクジェット印刷温度で約２００ｃＰ以下の粘度を有する。好適な非導電性金属ナノ粉末の例は、誘電体ナノ粉末、半導体ナノ粉末、およびその同類のものを含む。具体例は、アンチモンオキサイドおよびインジウムスズ酸化物等の金属酸化物を含む。
好適なナノ金属粒子の例は、銀、銀銅合金、銀パラジウム合金、および他の金属および米国特許第５、４７６、５３５号明細書（"高純度超微細金属粉末の製造方法"）および国際公開第２００４/０００４９１Ａ２号パンフレット（"高純度金属性ナノ粉末の製造方法およびそれによって製造されたナノ粉末）中に記載された工程によって製造された合金を含み、いずれもそれらを参照することにより全体を本明細書中に取り込む。これらのナノ金属粒子を取り込む高導電性分散体およびインクは、２００４年９月１４日出願の仮特許出願で題名"インクジェット印刷可能組成物"（出願番号６０/６０９、７５０）中に記載されそして、参照することにより本明細書中に全体を取り込む。
分散体は、本明細書中で引用された特許に記載されたように調製可能であり、または別々のナノ添加物の分散体を混合することによって調製可能である。組成物は、連続型インクジェット技術、（ピエゾ、熱および連続等の）ドロップ・オン・デマンド型インクジェット技術、およびエアーブラシ、フレクソ、静電沈着、ワックスホットメルト等のような追加の技術も含む異なる技術によって印刷可能である。
ここで製造された印刷パターンは、それらの伝導度を調整するために、任意の好適な方法で、処理されたポストプリントであることができる。処理は、以下の方法またはそれらの組み合わせのいずれであってもよい：国際公開第２００４/００５４１３Ａｌ号パンフレット（"低焼結温度導電性インク−それを作るためのナノ技術的方法"）および国際公開第０３/１０６５７３号パンフレット（"導電性および透明ナノ被膜およびナノインクおよびナノ粉末被膜の製造方法、およびそれによって製造されるインク"）中に記載された方法、放射、マイクロ波、光、閃光、レーザー焼結、圧力の適用、こすり、摩擦焼結、（例えば熱風乾燥器、ホットプレートほかの任意の形態で適用される）サーマル熱、連続放射、スキャンピーム、パルスビーム等の適用。処理は、２００４年９月１４日出願の仮特許出願番号第６０/６０９、７５１号明細書で題名"基材上に印刷される導電性パターンを調製するための低温焼結工程、およびそれらに基づく物品"、および国際公開第０３/１０６５７３号パンフレット中に記載された"化学焼結法"（ＣＳＭ）であってもよい。
分散体およびインクは、柔軟な、剛体、弾性、およびセラミック表面を含む広範な表面の上へ印刷されてもよい。具体例は、紙、ポリマーフィルム、繊維製品、プラスチック、ガラス、織物、プリント基板、エポキシ樹脂、およびその同類のものを含む。
本発明は、以下の例の様にさらに記載される。すべての量は重量％であり、そして特に断らなければ、最終の分散体の重量に基づいて計算される。
例１（比較）
（ＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅ、Ｗｅｓｅｌ Ｇｅｒｍａｎｙから入手可能である）１.８８％Ｄｉｓｐｅｒｂｙｋ（商標）１６３および（これもＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅから入手可能である）０.２８％ＢＹＫ（商標）３３３を、３６.１１％ＢＥ（エチレングリコールブチルエーテルアセテート）および３６.１１％ＰＭＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）の溶媒混合物に加え、そして加えたもの全てが完全に溶解するまでマグネティック攪拌子で攪拌した。次に、（Ｓｏｌｕｔｉａから入手可能である）０.６２％Ｂｕｔｖａｒ（商標）Ｂ−７６をゆっくり加えた。その溶解を上げるために、追加を超音波浴中で行った。次に、マグネティック攪拌子で攪拌しながら（米国特許第５、４７６、５３５号明細書および国際公開第２００４/０００４９１Ａ２号パンフレット中に記載されたように調製した）２５.０重量％の銀ナノ粉末を一部加えた。次に、Ｂａｎｄｅｌｉｎ Ｓｏｎｏｐｕｌｓ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃの超音波デバイスを、以下のプロファイルに従う分散体に適用した：（温度が５０〜６０℃を超えないように注意しながら）５０％で２分間３回連続、次に６０％で２分間、次に７０％で２分間そして最後に８０％で２分間。粒径分布測定をＣｏｕｌｔｅｒ ＬＳレーザー回折装置を使用して行い、そして０.０５３μｍのＤ９０を示した。粘度をＢｒｏｏｆｉｅｌｄ ＲＶＤＶ−ＩＩ＋粘度計で測定し、そして（２５℃で）３.９ｃＰであることを見出した。分散体を使用してＫａｐｔｏｎ（商標）フィルム（巻き線棒を使用して３５μｍウェット厚さ）にコートし、そして１５０℃で６０分間焼結した。得られた被膜の抵抗は、四端子法を使用して測定したところ、１４.５Ω/□であった。
例２
例１で調製した導電性分散体と（Ｄｅｇｕｓｓａから入手可能である）１０.００％の導電性炭素インクＲ−４１４８ＢＧＡ黒色とを混合した。粒径分布によって測定して解凝集が完了するまで、混合物に超音波エネルギーを適用した。粒径分布測定を、ＣｏｕｌｔｅｒＬＳレーザー回折装置を使用して行い、そして０.０５３μｍのＤ９０を示した。粘度をＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄＲＶＤＶ−ＩＩ＋粘度計で測定し、そして（２５℃で）５.７ｃＰであることを見出した。分散体を使用してＫａｐｔｏｎ（商標）フィルム（巻き線棒を使用して３５μｍウェット厚さ）にコートし、そして１５０℃で６０分間焼結した。結果として生じた被膜の抵抗を、四端子法を使用して測定し、そして４１４Ω/□であることを見出した。導電性炭素インク（２５％炭素）の抵抗は、同じ状態で測定した場合、２０００Ω/□以上であった。
例３
例１で調製した導電性分散体と、（Ｄｅｇｕｓｓａから入手可能である）３０.００％の導電性炭素インクＲ−４１４８ＢＧＡ黒色とを混合した。粒径分布によって測定して、解凝集が完了するまで超音波エネルギーを混合物に適用した。粒径分布測定を、ＣｏｕｌｔｅｒＬＳレーザー回折装置を使用して行い、そして０.０５３μｍのＤ９０を示した。粘度をＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄＲＶＤＶ−ＩＩ＋粘度計で測定し、そして（２５℃で）１０.７ｃＰであることを見出した。分散体を使用してＫａｐｔｏｎ（商標）フィルム（巻き線棒を使用して３５μｍウェット厚さ）にコートし、そして１５０℃で６０分間焼結した。結果として生じた被膜の抵抗を、四端子法を使用して測定し、そして６６０Ω/□であることを見出した。
本発明の多くの態様を記載した。とは言っても、本発明の精神および範囲を離れることなく種々の改変が行われてもよいことが理解されるであろう。従って、他の態様は、請求項の範囲内にある。

Claims (38)

  1. 液体担体中に分散した、１〜７０重量％のナノ金属粉末および１〜７０重量％の電気伝導度低下添加物を含む組成物、該組成物は、インクジェット印刷温度で約２００ｃＰ以下の粘度を有し、そしてインクジェット印刷可能である。
  2. 該電気伝導度低下添加物が、カーボンブラックを含む請求項１に記載の組成物。
  3. 該電気伝導度低下添加物が、インジウムスズ酸化物を含む請求項１に記載の組成物。
  4. 該電気伝導度低下添加物が、アンチモンスズ酸化物を含む請求項１に記載の組成物。
  5. 該電気伝導度低下添加物が、金属酸化物を含む請求項１に記載の組成物。
  6. 該電気伝導度低下添加物が、導電性有機ポリマーを含む請求項１に記載の組成物。
  7. 該組成物が、インクジェット印刷温度で１〜２００ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  8. 該組成物が、インクジェット印刷温度で１〜１００ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  9. 該組成物が、インクジェット印刷温度で２〜２０ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  10. １０〜６０重量％の該ナノ金属粉末を含む請求項１に記載の組成物。
  11. ２０〜６０重量％の該ナノ金属粉末を含む請求項１に記載の組成物。
  12. 約６０重量％のナノ金属粉末を含み、そしてインクジェット印刷温度で約１８ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  13. 該組成物が、室温で約２００ｃＰ以下の粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  14. 該組成物が、室温で１〜２００ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  15. 該組成物が、室温で１〜１００ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  16. 該組成物が、室温で２〜２０ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  17. 約６０重量％のナノ金属粉末を含み、そして室温で約１８ｃＰの粘度を有する請求項１に記載の組成物。
  18. 該液体担体が、水を含み、そして該組成物が、約３０〜６０ダイン/ｃｍの表面張力を有する請求項１に記載の組成物。
  19. 該液体担体が、有機溶媒を含み、そして該組成物が、約２０〜３７ダイン/ｃｍの表面張力を有する請求項１に記載の組成物。
  20. 該ナノ金属粉末が、約１５０ｎｍ以下の平均粒径を有する請求項１に記載の組成物。
  21. 該ナノ金属粉末が、約１００ｎｍ以下の平均粒径を有する請求項１に記載の組成物。
  22. 該ナノ金属粉末が、約８０ｎｍ以下の平均粒径を有する請求項１に記載の組成物。
  23. 該ナノ金属粉末が、ＭＣＰ工程に従って調製される請求項１に記載の組成物。
  24. 該ナノ金属粉末が、銀を含む請求項１または１４に記載の組成物。
  25. 該ナノ金属粉末が、銀銅合金を含む請求項１または１４に記載の組成物。
  26. 該ナノ金属粉末が、非均一の球状粒子を含み、そして、約０.４重量％までのアルミニウムを含む請求項１または１４に記載の組成物。
  27. 該組成物が、粒子沈降に対して安定である請求項１に記載の組成物。
  28. 該液体担体が、（ａ）少なくとも１種の有機溶媒、並びに（ｂ）界面活性剤、湿潤剤、レオロジー改質剤、接着促進剤、吸湿剤、バインダー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の試薬を含む請求項１に記載の組成物。
  29. 該液体担体が、（ａ）水、水混和性有機溶媒、またはそれらの組み合わせ、並びに（ｂ）界面活性剤、湿潤剤、レオロジー改質剤、接着促進剤、吸湿剤、バインダー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の試薬を含む請求項１に記載の組成物。
  30. 該液体担体が、（ａ）少なくとも１種の有機溶媒、（ｂ）硬化性モノマー、並びに（ｃ）界面活性剤、湿潤剤、レオロジー改質剤、接着促進剤、吸湿剤、バインダー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種の試薬を含む請求項１に記載の組成物。
  31. インクジェットプリンターを使用して基材の上に請求項１の組成物を印刷することを含む方法。
  32. 該インクジェットプリンターが、連続型インクジェットプリンターである請求項３１に記載の方法。
  33. 該インクジェットプリンターが、ドロップ・オン・デマンド型インクジェットプリンターである請求項３１に記載の方法。
  34. 該基材が、紙、ポリマーフィルム、繊維製品、プラスチック、ガラス、プリント基板、エポキシ樹脂、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される請求項３１に記載の方法。
  35. 該組成物を該基材に適用した後で焼結することを含む請求項３１に記載の方法。
  36. 液体担体中に分散した導電性ナノ金属粉末以外の１〜７０重量％のナノ粉末を含む組成物、
    該組成物は、インクジェット印刷温度で約２００ｃＰ以下の粘度を有し、そしてインクジェット印刷可能である。
  37. 該ナノ粉末が、誘電体材料を含む請求項８に記載の組成物。
  38. 該ナノ粉末が、半導体材料を含む請求項８に記載の組成物。
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