CN106715613B - 可热成形的聚合物厚膜透明导体及其在电容式开关电路中的用途 - Google Patents

可热成形的聚合物厚膜透明导体及其在电容式开关电路中的用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚合物厚膜透明导体组合物，所述组合物可用于其中发生底部基板热成形的应用中，如用于电容式开关中。聚碳酸酯基板经常被用作所述基板，并且所述聚合物厚膜导电组合物可以在没有任何阻隔层的情况下使用。根据特定的设计，所述可热成形的透明导体可在可热成形的银导体的表面下方或表面上。可热成形电路得益于所述经干燥的聚合物厚膜透明导体组合物上包封层的存在。随后可使电路经历注塑加工。

Description

可热成形的聚合物厚膜透明导体及其在电容式开关电路中的 用途
技术领域
本发明涉及可用于其中发生底部基板热成形的应用中的聚合物厚膜透明导电组合物。经常使用聚碳酸酯基板，并且所述导体可以在没有任何阻隔层的情况下使用。
背景技术
导电PTF电路长期以来一直被用作电元件。虽然它们多年来一直被用于这些类型的应用中，但是将PTF银导体用于热成形工序中却并不常见。这对于在严苛的热成形处理之后需要高度导电的银组合物的电路中是尤为重要的。另外，用于热成形的典型基板是聚碳酸酯，而导体往往与这种基板不相容。本发明的目的之一在于减轻这些问题，并且制备可热成形的导电构造，其中可以将印刷的透明导体用于所选基板诸如聚碳酸酯上，或用作可印刷在银下方或上方的电容电路堆栈的一部分。
发明内容
本发明涉及聚合物厚膜透明导体组合物，所述聚合物厚膜透明导体组合物包含：
(a)10-70重量％的导电氧化物粉末，所述导电氧化物粉末选自氧化铟锡粉末、氧化锑锡粉末、以及它们的混合物；和
(b)30-90重量％的有机介质，所述有机介质包含1-50重量％的热塑性氨基甲酸酯树脂和10-50重量％的热塑性多羟基醚树脂，其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂均溶于磷酸三乙酯中，并且其中
(c)所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂的重量百分比是基于所述有机介质的总重量计的；
其中所述导电氧化物粉末和所述有机介质的重量百分比是基于所述聚合物厚膜透明导体组合物的总重量计的。
在一个实施方案中，导电氧化物粉末颗粒呈薄片的形式。
本发明还涉及使用可热成形聚合物厚膜透明导体组合物形成电容式开关的导电电路，并且具体地，用于总体构造的热成形。在一个实施方案中，将包封层沉积在经干燥的PTF透明导体组合物上。
具体实施方式
本发明涉及用于使电路，尤其是电容式开关电路热成形的聚合物厚膜透明导体组合物。在基板上印刷一层导体并且使其干燥以便产生功能电路，然后整个电路经历压力和加热，从而使所述电路变形成它所需要的三维特征，即热成形。
常用于聚合物厚膜热成形电路的基板是聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)等。PC通常是优选的，因为它可在更高的温度下热成形。然而，PC对沉积在其上的层中使用的溶剂非常敏感。
所述聚合物厚膜(PTF)透明导体组合物由以下组成：(i)导电氧化物粉末，所述粉末选自氧化铟锡(ITO)粉末、氧化锑锡(ATO)粉末、以及它们的混合物，和(ii)包含均溶于磷酸三乙酯中的热塑性氨基甲酸酯树脂和热塑性多羟基醚树脂的有机介质。
另外，可添加粉末和印刷助剂以改善组合物。
术语透明的使用是相对术语。本文，透明意指穿过经印刷/干燥的导体的至少30％的透光率。
本发明PTF透明导体组合物的各组分详细论述于下文中。
A.透明导电粉末
本发明厚膜组合物中的导体为ITO粉末、ATO粉末、或它们的混合物。设想了粉末颗粒的多种粒径和形状。在一个实施方案中，导电粉末颗粒可包括任何形状，包括球形颗粒、薄片(条、锥体、板)、以及它们的混合物。在一个实施方案中，所述ITO为薄片形式。
在一个实施方案中，ITO和ATO粉末的粒度分布可为0.3至50微米；在另一个实施方案中为0.5-15微米。
在一个实施方案中，导电氧化物粉末颗粒的表面积/重量比可在1.0–100m2/g范围内。
ITO为掺杂锡的氧化铟，Sn:In2O3，即，通常具有90重量％In2O3和10重量％SnO2的In2O3和SnO2的固溶体。ATO为掺杂锑的氧化锡，Sb:SnO2，即，通常具有10重量％Sb2O3和90重量％SnO2的Sb2O3和SnO2的固溶体。
此外已知，可在PTF透明导体组合物中加入少量其它金属，以改善导体的电性能。此类金属的一些示例包括金、银、铜、镍、铝、铂、钯、钼、钨、钽、锡、铟、镧、钆、硼、钌、钴、钛、钇、铕、镓、硫、锌、硅、镁、钡、铈、锶、铅、锑、导电性碳、以及它们的组合，以及厚膜组合物领域中的其它常见金属。一种或多种附加的金属可占总组合物的至多约1.0重量％。然而，当添加这些金属时，透明度可能受损。
在一个实施方案中，所述导电氧化物粉末的含量基于所述PTF透明导体组合物的总重量计为10至70重量％。在另一个实施方案中，同样基于所述PTF透明导体组合物的总重量计，它的含量为20至60重量％，并且在另一个实施方案中，它的含量为25至55重量％。
B.有机介质
所述有机介质由均溶于磷酸三乙酯的热塑性氨基甲酸酯树脂和热塑性多羟基醚树脂构成。
所述氨基甲酸酯树脂必须实现对下面基板的良好粘附性。在热成形之后，它必须与电路的性能相容并且不会不利地影响电路的性能。在一个实施方案中，热塑性氨基甲酸酯树脂为所述有机介质的总重量的1-50重量％。在另一个实施方案中，热塑性氨基甲酸酯树脂为所述有机介质的总重量的1-25重量％，并且还在另一个实施方案中，热塑性氨基甲酸酯树脂为所述有机介质的总重量的3-15重量％。在一个实施方案中，热塑性氨基甲酸酯树脂为氨基甲酸酯均聚物。在另一个实施方案中，热塑性氨基甲酸酯树脂为基于聚酯的共聚物。
在一个实施方案中，所述热塑性多羟基醚树脂占所述有机介质总重量的10-50重量％。在另一个实施方案中，所述热塑性多羟基醚树脂占所述有机介质总重量的10-25重量％，并且在另一个实施方案中，所述热塑性多羟基醚树脂占所述有机介质总重量的10-20重量％。
通常通过机械混合，将所述聚合物树脂加入到所述磷酸三乙酯溶剂中，以形成所述介质。应注意，使用磷酸三乙酯作为有机溶剂，向所述组合物提供有益性质。
附加粉末
可以将各种粉末添加至PTF导体组合物中以改善粘附性、改变流变特性以及增加低剪切粘度，从而提高可印刷性。
PTF导体组合物的施用
通常将PTF透明导体组合物(也被称为“浆料”)沉积于基板如聚碳酸酯上，所述基板对于气体和水分具有不可渗透性。所述基板也可为由塑性片材与沉积在其上的任选金属或电介质层的组合构成的复合材料片材。透明导体也可沉积在使用例如DuPontTM5042或5043(DuPont Co.，Wilmington，DE)形成的可热成形Ag导体的表面上或沉积在可热成形的电介质层上。另选地，可热成形的Ag导体可在透明导体的表面上形成。
通常通过丝网印刷进行PTF透明导体组合物的沉积，但可利用其它沉积技术如孔版印刷、注射式滴涂或涂覆技术。在使用丝网印刷的情况下，筛网的目尺寸控制所沉积厚膜的厚度。
一般来讲，厚膜组合物包含向组合物赋予适当电功能性质的功能相。功能相包含分散于有机介质中的电功能粉末，所述有机介质充当功能相的载体。一般来讲，焙烧组合物以烧尽有机介质的聚合物和溶剂二者并赋予电功能性质。然而，就聚合物厚膜而言，有机介质的聚合物部分在干燥后作为所述组合物的整体部分保留，因此为所得导体的整体部分。
在除去所有溶剂所必需的时间内和温度下，加工PTF透明导体组合物。例如，通过在130℃下暴露于热通常10-15分钟，干燥所沉积的厚膜。
电路构造
所用的底部基板通常为10密耳厚的聚碳酸酯。按照上述条件，印刷所述PTF透明导体组合物并且使其干燥。可印刷并干燥多个层。后续步骤可包括使整个单元热成形(190℃，750psi)，这在3D电容式开关电路生产中是典型的。在一个实施方案中，将包封层沉积在经干燥的PTF导电组合物(即透明导体)上，然后干燥。
在一个实施方案中，所述包封剂由与所述PTF透明导体组合物中所含相同的树脂构成，即由与所述PTF导电组合物中存在的相同比例的相同树脂构成。在另一个此类实施方案中，所述包封剂由与所述PTF透明导体组合物中所含相同的树脂构成，即由与所述PTF透明导体组合物中存在的相同但是比例不同的树脂构成。
在另一个实施方案中，将包封层沉积在经干燥的PTF透明导体组合物上，然后紫外线固化。在该实施方案中，包封剂由一种或多种可紫外线固化的聚合物如丙烯酸酯基聚合物构成。适于形成包封层的一种PTF可紫外线固化的组合物由高伸长率的氨基甲酸酯低聚物、丙烯酸酯单体、丙烯酸酯化的胺以及无机粉末构成。
已发现，包封剂的使用改善了热成形电路的成品率(即降低故障率)。
在制备三维电容电路的过程中，在热成形步骤之后，最终步骤将常常是模塑步骤，其中使用树脂如聚碳酸酯，通过注塑形成成品电路。该过程被称为模内成形并且涉及较高的温度。取决于所选树脂，这些温度通常可超过250℃并持续10-30秒。因此，用于PTF组合物的树脂的选择是至关重要的。已示出，用于即用PTF组合物中的树脂的组合耐受模内工艺，并且产生全功能电路，然而通常用于PTF组合物中的大多数树脂将不耐受。
实施例，比较实验
实施例1
PTF透明导体组合物按以下方式制得。使用69重量％的有机介质，并且通过将5.0重量％Desmocoll 406聚氨酯(Bayer MaterialScience LLC，Pittsburgh，PA)和15.0重量％PKHH多羟基醚树脂(Phenoxy Associates，Rock Hill，SC)与80.0重量％磷酸三乙酯(Eastman Chemical，Kingsport，TN)有机溶剂混合而制得。所述树脂的分子量为约20,000。将该混合物在90℃下加热1-2小时以溶解所述树脂。将31重量％的具有约0.5微米平均粒度的Zelec 3010-XC ATO粉末(Milliken Chemical，Spartanburg，SC)加入到所述有机介质中。有机介质和ATO粉末的重量％是基于所述PTF透明导体组合物的总重量计的。
将该组合物在行星式搅拌器中混合30分钟，然后在三辊研磨机上经受多次行程。
然后如下制造电路。在10密耳厚的聚碳酸酯基板上，使用325目的不锈钢筛网印刷具有一系列互相交叉线的图案。在加压气流箱式炉中，将图案化的线路在130℃下干燥10分钟。检查所述部件，并且发现下面基板的微小变形。在190℃下热成形后，导电线保持导电性，并且良好地附着于基板。在约5微米干燥厚度下，获得1900ohm/sq/mil的电阻率值。
比较实验A
以下列方式制备PTF透明导体组合物。除了使用DiBasic Esters-9(DuPont Co.，Wilmington，DE)替代磷酸三乙酯作为溶剂外，完全如实施例1制备组合物。
在约6微米干燥厚度下，获得9200ohm/sq/mil的电阻率值。
使用磷酸三乙酯作为溶剂的优点是显著的。由于聚碳酸酯是大多数热成形并且注塑的电路的所选基板，任何降低电阻率的都是至关重要的。当均在聚碳酸酯基板上形成时，实施例1的透明导体的电阻率值是比较实验A的透明导体的电阻率值的约20％。
透明导体也在聚酯基板上形成。使聚酯基板上的实施例1和比较实验A的透明导体经受85℃的温度和85％的相对湿度，持续500小时，模拟长期老化。电阻率下降并且显示出比所制备透明导体甚至更大的差异。
所有结果示于表1中。
表1
Figure BDA0001246256240000061

Claims (10)

1.一种聚合物厚膜透明导体组合物，包含：
(a) 10-70重量%的导电氧化物粉末，所述导电氧化物粉末选自氧化铟锡粉末、氧化锑锡粉末、以及它们的混合物；和
(b) 30-90重量%的有机介质，所述有机介质包含1-50重量%的热塑性氨基甲酸酯树脂和10-50重量%的热塑性多羟基醚树脂，其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂均溶于磷酸三乙酯中，并且其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂的重量百分比是基于所述有机介质的总重量计的；
其中所述导电氧化物粉末和所述有机介质的重量百分比是基于所述聚合物厚膜透明导体组合物的总重量计的。
2.根据权利要求1所述的聚合物厚膜透明导体组合物，其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂为聚酯基共聚物。
3.一种电容式开关电路，包括基板和由聚合物厚膜透明导体组合物形成的透明导体，所述聚合物厚膜透明导体组合物包含：
(a)10-70重量%的导电氧化物粉末，所述导电氧化物粉末选自氧化铟锡粉末、氧化锑锡粉末、以及它们的混合物；和
(b) 30-90重量%的有机介质，所述有机介质包含1-50重量%的热塑性氨基甲酸酯树脂和10-50重量%的热塑性多羟基醚树脂，其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂均溶于磷酸三乙酯中，并且其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂的重量百分比是基于所述有机介质的总重量计的；
其中所述导电氧化物粉末和所述有机介质的重量百分比是基于所述聚合物厚膜透明导体组合物的总重量计的。
4.根据权利要求3所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路是热成形的。
5.根据权利要求4所述的电容式开关电路，还包括可热成形的银导体，其中在使所述电容式开关电路热成形之前，所述透明导体已在所述可热成形的银导体上形成。
6.根据权利要求4所述的电容式开关电路，还包括可热成形的银导体，其中在使所述聚合物厚膜透明导体组合物干燥以形成所述透明导体之后，在使所述电容式开关电路热成形之前，所述可热成形的银导体在所述透明导体的表面上形成。
7.根据权利要求4所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路随后经历注塑处理。
8.一种电容式开关电路，包括基板、经干燥的包封层和由经干燥的聚合物厚膜透明导体组合物形成的透明导体，所述聚合物厚膜透明导体组合物包含：
(a) 10-70重量%的导电氧化物粉末，所述导电氧化物粉末选自氧化铟锡粉末、氧化锑锡粉末、以及它们的混合物；和
(b) 30-90重量%的有机介质，所述有机介质包含1-50重量%的热塑性氨基甲酸酯树脂和10-50重量%的热塑性多羟基醚树脂，其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂均溶于磷酸三乙酯中，并且其中所述热塑性氨基甲酸酯树脂和所述热塑性多羟基醚树脂的重量百分比是基于所述有机介质的总重量计的；
其中所述导电氧化物粉末和所述有机介质的重量百分比是基于所述聚合物厚膜透明导体组合物的总重量计的。
9.根据权利要求8所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路是热成形的。
10.根据权利要求9所述的电容式开关电路，其中所述电容式开关电路随后经历注塑加工。
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