JP2016164864A - Agペーストおよび当該Agペースト用のAg粉末 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、特許文献1に記載される被覆銀超微粒子は粒径30nm以下と非常に細かいため、微粒子表面の安定化の点から大量の保護剤を含有する。このため、焼成時には当該大量の保護剤が燃え抜けて、Ag微粒子自体の熱収縮率が大きくなる。また、得られた焼結体に多くの気孔を生じ、充填性が低下する原因ともなる。その結果、上記被覆銀超微粒子を用いてなるファインライン電極は脆性が高くて断線し易かったり、導電性が低下したりする課題がある。加えて、上記の先行技術では、焼成温度が100℃以下のように極めて低い場合、実用に優れた導電性(例えば、μΩ・cmオーダーの体積抵抗率)を実現するのに長時間の焼成が必要となる。焼成時間は生産効率に大きく影響するため、特にロールtoロールプロセスのような連続生産においては、焼成時間を1秒でも短縮することが望まれている。
本発明により、Ag粉末と分散媒とを含むAgペーストが提供される。上記Ag粉末は、以下の条件:(1)個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積50個数%に相当するD50粒径が80nm以上200nm以下である;(2)アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子の割合が、前記Ag粉末を構成するAg微粒子全体の60個数%以上85個数%未満である;(3)表面に、炭素数5以下の有機アミンからなる保護剤が付着している;(4)上記Ag粉末全体を100質量%としたときに、上記保護剤が1.2質量%以下である;をいずれも具備する。また、上記分散媒は、大気圧での沸点が150℃以下の溶媒から構成される。
また、アスペクト比は、上記FE−SEM観察画像に基づき、微粒子の長径に対する短径の比として算出することができる。
ここに開示されるAgペーストは、必須構成成分として、(A)Ag粉末と(B)分散媒とを含む。また、種々の基準に照らしてその他の成分を配合することもできる。
以下、ここで開示されるAgペーストの構成成分について説明する。
Ag粉末は、銀(Ag)微粒子の集合体であり、以下の特徴(1)〜(4):
(1)粒度分布:D50粒径が80nm以上200nm以下である;
(2)アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子の割合が、前記Ag粉末を構成するAg微粒子全体の60個数%以上85個数%未満である;
(3)保護剤:表面に炭素数5以下の有機アミンからなる保護剤が付着している;
(4)保護剤の割合:保護剤の割合が1.2質量%以下である;
を具備することによって、優れた低温焼結性と表面安定性とを兼ね備える。換言すれば、ここに開示されるAg粉末は、低温焼結性を維持しつつも微粒子そのものが高い安定性を有することによって特徴づけられる。以下、各特徴について順に説明する。
ここに開示されるAgペーストのAg粉末は、低温(150℃以下での)焼結に適した大きさであり、且つ、微粒子そのものの安定性が高められていることを特徴とする。つまり、一般には、粒径の小さな微粒子ほど低温での焼結に向いていると言えるが、粒径が小さすぎると表面安定性が不足して大量の保護剤が必要となる。逆に、粒径の大きな粒子ほど表面の安定性は高いと言えるが、粒径が大きすぎると溶融温度が高くなり、低温での焼結が困難となる。このため、低温焼結性と表面安定性のバランスをとることが重要である。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積5個数%に相当するD5粒径が40nm以上、典型的には45nm以上であって、例えば90nm以下である。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積10個数%に相当するD10粒径が45nm以上、典型的には50nm以上であって、例えば100nm以下である。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積20個数%に相当するD20粒径が60nm以上、典型的には65nm以上であって、例えば130nm以下である。
また、上記Dmin粒径、D5粒径、D10粒径およびD20粒径のうち少なくとも1つを所定値以下とすることにより、低温焼結性を向上することができる。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積80個数%に相当するD80粒径が100nm以上、典型的には110nm以上であって、典型的には270nm以下、例えば260nm以下である。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積90個数%に相当するD90粒径が110nm以上、例えば120nm以上であって、320nm以下、典型的には310nm以下、例えば305nm以下である。
好適な他の一態様では、上記個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積95個数%に相当するD95粒径が130nm以上、例えば140nm以上であって、典型的には400nm以下、例えば350nm以下である。
また、上記Dmax粒径、D80粒径、D90粒径およびD95粒径のうち少なくとも1つを所定値以下とすることにより、Ag粉末の焼結温度を一層低温化することができる。さらに、線幅が狭いファインライン電極の精密な形成をも好適に実現することができる。
好適な他の一態様では、D80粒径からD20粒径を差し引いた値(D80粒径−D20粒径)が40nm以上、典型的には45nm以上であって、概ね150nm以下、例えば140nm以下である。
好適な他の一態様では、Dmax粒径からDmin粒径を差し引いた値(Dmax粒径−Dmin粒径)が150nm以上であって、概ね500nm以下である。
上記(D95−D5)、(D80粒径−D20粒径)および(Dmax粒径−Dmin粒径)のうち少なくとも1つを満たすことにより、充填性を向上することができる。また、低温焼結性と表面安定性とを、より高いレベルでバランスすることができる。
また、粒度分布の広がりWは、典型的には1.2以下、好ましくは1.1以下である。なお、Wが所定値以下であることは、粒度分布が過度にブロードすぎずに、D50粒径からある程度の範囲に収束する所定の均質性を維持していることを示している。これにより、均質性や充填性が高く導電性にも優れた電極を安定的に実現することができる。
好適な他の一態様では、D10粒径をD90粒径で除した値(D10粒径/D90粒径)が概ね0.3以上、例えば0.33以上であって、好ましくは0.6以下、典型的には0.55以下である。
なお、上記(D5粒径/D95粒径)および(D10粒径/D90粒径)は、0〜1の範囲の値をとり、Ag粉末を構成するAg微粒子の粒径が全て等しい場合に1となり、粒度分布が広くなる程、0に近づくことになる。上記2つの比のうち少なくとも1つが上記範囲を満たすことにより、低温焼結性と表面安定性とのバランス性、充填性、導電性のうちの1つ以上を向上することができる。
ここに開示されるAgペーストのAg粉末を構成するAg微粒子の形状は、例えば、球状、楕円状、破砕状、鱗片状、プレート状、繊維状等であり得る。粒子形状を表す一つの指標として、アスペクト比が挙げられる。アスペクト比は、Ag粉末を構成する各Ag微粒子について、長径の長さに対する短径の長さの比(長径/短径)として算出されるものである。ここでは、各Ag微粒子についてのアスペクト比の算術平均値を、Ag粉末のアスペクト比として採用している。なお、アスペクト比は、1に近いほど等方性に優れ、すなわちAg微粒子の立体形状が球状に近くなる。一方、アスペクト比が大きくなるほど異方性が高くなり、すなわちAg微粒子の立体形状は非球状、例えばプレート状や繊維状などの扁平状に近くなる。ここでは、アスペクト比1.5未満のAg微粒子を「球状粒子」、アスペクト比1.5以上のAg微粒子を「非球状粒子」と呼ぶことにする。
より好適な一態様では、Ag粉末全体の70個数%以上、例えば75個数%以上が、アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子である。これにより、上述の効果をより高いレベルで発揮することができる。
好適な他の一態様では、アスペクト比の最大値が3以上、例えば3.5以上である。換言すれば、Ag粉末が異方性の顕著に高いAg微粒子を含んでいる。アスペクト比の最大値は、例えば10以下、典型的には9以下であるとよい。これにより、線幅が狭いファインライン電極であっても均質に(ムラ無く)形成することができる。
ここに開示されるAgペーストのAg粉末は、その表面に保護剤を備える。典型的には、Ag粉末の表面が保護剤によって被覆されている。これにより、Ag微粒子の表面安定性を維持することができ、Ag微粒子同士の凝集を効率的に抑制することができる。その結果、均質な(ムラの無い)塗膜を形成することができる。さらには、長期の保存安定性に優れたAgペーストを実現することができる。
保護剤としては、短時間低温焼成を実現する観点から、より脱離しやすいものが好ましい。例えば、大気圧での沸点が低く、銀と比較的弱い結合(例えば配位結合)を形成し得るものが好ましい。この有機アミンは、例えばメトキシ基やエトキシ基等のアルコキシ基を構造内に含んでいてもよい。
好適な他の一態様では、保護剤の大気圧での沸点が150℃以下、例えば70〜150℃である。これにより、上述した効果をより高いレベルで発揮することができる。
短時間低温焼成で高い導電性を発現させるためには、保護剤の割合を出来る限り少なくして、焼成後のAg微粒子の熱収縮率を小さく抑えることが重要である。ここに開示される技術では、Ag微粒子の粒径を上記範囲とすることで、従来に比べて顕著に低い保護剤の含有割合を実現している。具体的には、Ag粉末全体を100質量%としたときに、保護剤の割合が1.2質量%以下である。換言すれば、Ag粉末全体の98.8質量%以上を銀が占めている。熱収縮率を小さく抑える観点からは、保護剤の割合がより低く、好ましくは1.1質量%以下、例えば1質量%以下であるとよい。これにより、焼成温度の低温化および/または焼成時間の短縮をさらに高いレベルで実現することができる。さらには、短時間低温焼成でも高密度で導電性に優れた電極を実現することができる。
このようなAg粉末は従来公知の方法に準じて製造すればよく、その製造方法は特に限定されない。すなわち、Ag粉末が上記(1)〜(4)の性状(D50粒径、アスペクト比、ならびに保護剤の種類と含有量)を満たすよう留意すれば、任意の手法で製造することができる。一好適例では、次の工程:(i)混合溶液の調製;(ii)混合溶液中での銀(Ag)塩の還元;(iii)Ag微粒子の洗浄;を包含する方法によって製造することができる。
次に、典型的には室温で、上記混合溶液にAg源としての銀塩を添加し、撹拌混合する。銀塩としては特に限定されず、例えばシュウ酸銀、酢酸銀、蟻酸銀等の有機酸銀塩を用いることができる。なかでも、シュウ酸銀は、後の還元工程において加熱によって容易に金属銀を生成し得、且つ、副生成物を生じないため好適である。
(iii)次に、析出したAg微粒子を溶媒で洗浄する。洗浄に用いる溶媒としては、例えばAgペーストの分散媒として使用する溶媒を考慮することができる。
分散媒は、Agペーストの固形分(すなわち上記Ag粉末)を分散させるものである。Agペーストに分散媒を含むことで、作業性や塗布性、成形性を向上することができ、均質な塗膜を安定的に形成することができる。
他の好適な一態様では、分散媒の大気圧での沸点が35℃以上、好ましくは40℃以上、より好ましくは50℃以上、例えば100℃以上である。これにより、例えば夏季の猛暑時期等、比較的高い室温環境下においても適切な作業性やハンドリング性を維持確保することができる。
ここに開示されるAgペーストには、上記Ag粉末と分散媒の他に、必要に応じて種々の添加成分を加えることができる。つまり、Agペーストには、(C)その他成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。かかる成分の一例として、バインダ、無機フィラー、界面活性剤、分散剤、増粘剤、消泡剤、可塑剤、安定剤、酸化防止剤、顔料等が例示される。これら成分としては、Agペーストに使用し得ることが知られているものを適宜用いることができる。
ただし、Agペーストには、焼成時に腐食性ガスを発生し得るような成分(腐食原因成分)を実質的に含まないことが望ましい。腐食原因成分の具体例としては、フッ素(F)や塩素(Cl)などのハロゲン成分、硫黄(S)成分などが挙げられる。これにより、焼成設備の腐食劣化や、電極形成用の基板の変質を高度に抑制することができる。また、当然ながらに、鉛(Pb)成分やヒ素(As)成分など、人体や環境に対して悪影響となり得る成分も含まないことが好ましい。
例えば、Agペーストにバインダを含ませる場合には、バインダの割合が、Agペースト全体の概ね0.1質量%以上、典型的には0.5質量%以上、例えば1質量%以上であって、概ね10質量%以下、典型的には5質量%以下、例えば3質量%以下とするとよい。これにより、優れた導電性を維持したままで、基材との接着性や一体性に優れた電極を実現することができる。
これに対して、ここに開示されるAgペーストは、バインダを含まずとも緻密で靱性の高い焼結体を実現することができる。このため、Agペーストにバインダを含まない(バインダフリー)態様が可能である。バインダフリーのAgペーストを用いてなる電極では充填性が向上して、より緻密で高い導電性を実現することができる。また、焼成温度の低温化や焼成時間の短縮を、より好適に実現することができる。
好適な一態様では、Agペーストが上記Ag粉末と分散媒からなる。これにより、本願発明の効果をより安定的に且つさらに高いレベルで発揮することができる。
なお、このようなAgペーストは、上述した構成材料を所定の含有率(質量比)となるよう秤量し、均質に撹拌混合することで調製することができる。材料の撹拌混合は、従来公知の種々の攪拌混合装置を用いて行うことができる。
一好適例では、Ag粉末の合成(製造)からAgペースト調製までの間、Ag粉末が常に濡れた状態を維持する。本発明者らの検討によれば、Ag粉末が乾燥すると、微粒子同士が固まって凝集体を形成したり、固化・沈殿したりする等の問題が生じ得る。特にAg粉末の含有率が高く(分散媒の含有率が低く)、且つ、Agペースト中にバインダ等の添加剤を含有していない場合は、かかる問題を生じ易い。このため、Agペーストの均質化や分散安定性の観点からは、Ag粉末が乾燥することを防ぎ、常にAg粉末の表面が溶媒で濡れた状態を維持することが好ましい。これにより、良導電性の電極を一層安定的に実現することができる。
ここに開示されるAgペーストは、典型的には150℃以下の温度で短時間加熱焼成することによって、導電性に優れた焼結体を形成可能なことを特徴とする。さらに、Ag微粒子の凝集や沈殿が高度に抑制され、長期にわたって安定な分散状態が保たれ得る。
したがって、かかる特徴を活かして、例えば、耐熱性の低い素材(例えば耐熱温度が150℃以下の素材)からなる基板上に、電極や電子配線を形成する用途で好適に利用することができる。代表的な使用例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の樹脂フィルムを基板とするタッチパネルの配線回路の形成が挙げられる。さらに、80℃以下の焼成温度で高い導電性を達成できるならば、より融点の低い素材、例えばポリプロピレン(PP)等の樹脂フィルムや紙等にも適用することができ、素材の選択の幅が一層広がり得る。このことは、環境負荷の低減(例えば省エネルギーやCO2削減)の観点からも好ましい。
ここに開示されるAgペーストによれば、緻密性の高い電極を実現することができ、比較的厚めの電極を形成しても電極に割れや欠け等の不具合が生じ難い。そのため、例えば、以下のような形状のファインライン電極を形成する用途で特に好適に利用することができる。
・線幅W(wide):100μm以下(例えば70μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは20μm以下)
・厚みH(height):10μm以上(例えば30μm以上、好ましくは50μm以上)
・線幅Wに対する厚みHの比(H/W比):1〜0.2
電極の形成では、まずここに開示されるAgペーストと所望の基板とを準備する。次に、基板上に所定の線幅と厚みになるようにAgペーストを塗布する。Agペーストの塗布は、例えばスクリーン印刷、スリットコーター、グラビアコーター、ディップコーター、メタルマスク、ディスペンサー等によって行うことができる。その後、所定の温度条件下(典型的には150℃以下、好ましくは120℃以下、より好ましくは100℃以下、例えば80℃以下)で、所定時間(典型的には1〜60分、例えば10〜30分)加熱乾燥して、保護剤と分散媒を燃え抜けさせると共にAg微粒子を焼結させる。これによって、膜状の導電体(電極)を作製することができる。
ここに開示されるAgペーストは分散媒の沸点が150℃以下と低く抑えられている。そのため、Agペーストを付与した後に、通常必要とされる乾燥工程を設けなくとも、膜厚のバラつきが少なく、均質な電極を形成することができる。
このように、焼成が低温・短時間で済むことや、乾燥工程を省略可能であることは、生産効率の向上や、低コスト、環境負荷低減(例えば省エネルギーやCO2削減)の観点からも好ましい。
ここでは、まず、粒度分布/アスペクト比/保護剤の種類や量が異なる計9種類のAg粉末(a〜e,g〜j)を合成した。具体的には、室温環境下において、表2に記載する有機アミンと、粒径制御剤としてのアルコール(ブタノール)とを所定のモル比で混合した溶液を調製した。そこにシュウ酸銀を添加し撹拌しながら凡そ100℃まで加熱して、有機アミンが付着した態様のAg粉末を得た。なお、ここでは粒径制御剤の添加量(有機アミンと粒径制御剤のモル比)によって、Ag粉末の粒径分布やD50粒径を調整した。
得られたAg粉末に対し、以下の(I)〜(IV)の項目について評価を行った。
(I)FE−SEM観察
電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM:株式会社日立ハイテクノロジーズ製、S−4700)を用いて、Ag粉末を構成するAg微粒子の形状を観察した。具体的には、まず上記得られたAg粉末を分散媒としてのエタノールに分散させ、これをアルミニウム箔上に塗布することで観察用試料を作製した。この試料をFE−SEMで観察して、観察画像を得た。結果(観察画像)を、図1(a)〜(e),(g)〜(j)に示す。
上記得られたFE−SEM観察画像から、少なくとも500個のAg微粒子について面積円相当径を算出し、個数基準の粒度分布を求めた。各例に係る結果(グラフ)を図2A(a)〜(e)および図2B(g)〜(j)に示す。また、表1には、最小のDmin粒径(nm)、D5粒径(nm)、D10粒径(nm)、D20粒径(nm)、D50粒径(nm)、D80粒径(nm)、D90粒径(nm)、D95粒径(nm)、最大のDmax粒径(nm)と、これら粒径の値から算出された粒度分布の広がりを示す。
上記得られたFE−SEM観察画像から、少なくとも500個のAg微粒子についてアスペクト比(長径/短径)を算出した。各例に係る結果(グラフ)を図3A(a)〜(e)および図3B(g)〜(j)に示す。また、アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子の割合(個数%)、アスペクト比1.5以上の非球状Ag微粒子の割合(個数%)、アスペクト比2.0未満のAg微粒子の割合(個数%)、最大値を表2に示す。
熱重量測定装置を用いて、Ag粉末に含まれる有機アミンを定量した。具体的には、Ag粒子をメタノールで洗浄した後、室温で20分間減圧乾燥させ、乳鉢で軽く粉砕して、測定サンプルとした。これを室温〜600℃まで10℃/min.の速度で昇温させて重量減少率を測定し、得られた値を有機アミンの含有率とした。Ag粉末全体を100質量%としたときの有機アミンの含有割合(質量%)を表2に示す。
上記得られたAg粉末を用いてAgペースト(例1〜8、参考例1〜5)を調製した。具体的には、まず表3に記載するAg粉末を、表3に記載する分散媒で洗浄し、遠心分離後、上澄みを捨てた。分散媒で濡れた状態を維持したままのAg粉末をペースト容器に移し、分散媒を追加して、Ag粉末の含有量が60〜85質量%になるように調製した。これを密閉して、自転公転ミキサー泡とり練太郎(登録商標、株式会社シンキー製)に設置し、1,000〜2,000rpmで1〜2分間混合した。これにより、例1〜8および参考例1〜5に係るAgペーストを得た。なお、例1〜4および参考例5では同じ性状のAg粉末aを用い、Ag粉末以外の条件についての検討を行っている。
上記調製したAgペーストを、1cm×1cmの正方形状の穴を有する厚み100μmのメタルマスクを使用して、基板としてのPETフィルム上に塗布した。塗布後すぐに所定温度(100℃ or 80℃)に設定した送風乾燥オーブンへ入れ、10〜30分経過後に取り出した。図4には、例1と参考例1に係る焼結体の写真を示す。また、図5(a),(b)には、例1と参考例1に係る100℃/10分間の条件で焼成した後のFE−SEM画像を示す。
そして、得られた焼結体のシート抵抗値と膜厚を測定した。シート抵抗値の測定にはロレスタGP(三菱化学アナリテック製 MCP−T610)を使用した。また、膜厚の測定には厚さ測定器(テスター産業製 TH−102)を使用した。結果を表3に示す。なお、表3に示す体積抵抗率はシート抵抗値と膜厚の積として算出した。
また、参考例2は100℃/10分間の焼成で焼結体が形成されたが、白銀色ではなく金色であり、体積抵抗率は29μΩ・cmと相対的に高かった。参考例4も、参考例2と同じく焼結体が金色であり、体積抵抗率は472μΩ・cmと高い値であった。
また、参考例5は、分散媒として沸点が高いヘキサノールを使用しために、短時間低温焼成では分散媒が蒸発しきらず(分散媒が残留して)、安定した焼結体が得られなかった。
エア式ディスペンサー(岩下エンジニアリング製AD−2000C)を使用して、内径400μmの吐出部からエア厚0.1〜0.2MPaで連続的にAgペーストを吐出し、連続吐出性の確認を行った(図6参照)。なお、Agペースト中に凝集体が存在する場合には、ディスペンサー内部で詰まりが生じ、連続吐出が出来なくなる。
例1〜8のAgペーストを用いて吐出試験を行ったところ、いずれも5分間連続で滑らかに吐出し、ライン幅約300〜500μm、高さ100〜300μmのラインを好適に描線することができた。このことから、ここに開示されるAgペーストは凝集体や乾燥固化物を含まず、安定的に使用できることが確認された。
例1〜8のAgペーストを、10℃以下の冷蔵庫中で密閉容器内に保存した。1カ月後に取り出して性能(例えば体積抵抗率)を確認したところ、保存前後で変化がないことが確認された。このことから、ここに開示されるAgペーストは保存安定性が高いことが確認された。
Claims (5)
- Ag粉末と分散媒とを含むAgペーストであって、
前記Ag粉末は、以下の条件:
(1)個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積50個数%に相当するD50粒径が80nm以上200nm以下である;
(2)アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子の割合が、前記Ag粉末を構成するAg微粒子全体の60個数%以上85個数%未満である;
(3)表面に、炭素数5以下の有機アミンからなる保護剤が付着している;
(4)前記Ag粉末全体を100質量%としたときに、前記保護剤が1.2質量%以下である;
をいずれも具備し、
前記分散媒は、大気圧での沸点が150℃以下の溶媒から構成される、Agペースト。 - 個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積90個数%に相当するD90粒径と、粒径の小さい方から累積10個数%に相当するD10粒径とが、次の式(1):
70nm≦(D90粒径−D10粒径) (1); を満たす、請求項1に記載のAgペースト。 - 個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積90個数%に相当するD90粒径と、粒径の小さい方から累積10個数%に相当するD10粒径と、前記D50粒径とが、次の式(2):
0.6≦〔(D90粒径−D10粒径)/D50粒径〕≦1.2 (2); を満たす、請求項1または2に記載のAgペースト。 - 前記D10粒径が50nm以上であり、前記D90粒径が310nm以下である、請求項2または3に記載のAgペースト。
- 電極形成用のAgペーストに使用するためのAg粉末であって、以下の条件:
(1)個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積50個数%に相当するD50粒径が80nm以上200nm以下である;
(2)アスペクト比1.5未満の球状Ag微粒子の割合が、前記Ag粉末を構成するAg微粒子全体の60個数%以上85個数%未満である;
(3)表面に、炭素数5以下の有機アミンからなる保護剤が付着している;
(4)前記Ag粉末全体を100質量%としたときに、前記保護剤が1.2質量%以下である;
をいずれも具備する、Ag粉末。
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