DE102007043396A1 - Method for manufacturing electrical conducting structures, involves producing channels on surface of substrate by mechanical and additionally thermal effects and ink is applied on channels - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das die Herstellung kleiner und kleinster leitfähiger Strukturen auf Oberflächen ermöglicht. Kleine und kleinste Strukturen werden in diesem Zusammenhang angesehen als Strukturen, die durch das menschliche Auge im Allgemeinen nur unter Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel wahrnehmbar sind. Dies wird erreicht durch die Herstellung von Mikrokanälen durch (Heiß-)prägen und/oder Eindrucken nanoskaliger Vertiefungen, dem nachfolgenden, gezielten Einbringen von leitfähigem Material in die so erzeugten Vertiefungen unter Zuhilfenahme des physikalischen Effektes der Kapillarkraft, sowie schlussendlich durch eine geeignete Nachbehandlung des leitfähigen Materials.The The present invention describes a process which comprises the preparation small and smallest conductive structures on surfaces allows. Small and smallest structures are in this Context regarded as structures governed by the human Eye generally only with the help of optical aids are perceptible. This is achieved through the production of microchannels by (hot) embossing and / or imprinting nanoscale Wells, the subsequent, targeted introduction of conductive Material in the wells produced with the aid of the physical effect of the capillary force, and finally by a suitable after-treatment of the conductive material.
Es besteht ein Bedarf Oberflächen insbesondere von elektrisch nicht oder schlecht leitenden transparenten Objekten mit elektrisch leitfähigen Strukturen auszustatten, ohne deren optische oder mechanische bzw. physikalische Eigenschaften dabei zu beeinträchtigen. Weiterhin besteht ein Bedarf die Oberflächen mit solchen Strukturen auszustatten, die durch das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind, wobei z. B. Transparenz, Transluzenz und Glanz der Oberfläche möglichst nicht negativ zu beeinflussen ist,. Allgemein gilt hier als anerkannt, dass die Struktur hierfür eine charakteristische Abmessung unter 25 μm haben muss. Beispielsweise also eine Linie beliebiger Länge aber mit einer maximalen Breite und Tiefe von 25 μm.It there is a need surfaces in particular of electrical not or poorly conductive transparent objects with electric to equip conductive structures without their optical or to impair mechanical or physical properties. Furthermore, there is a need for the surfaces with such Equip structures that are imperceptible to the human eye, where z. B. transparency, translucence and gloss of the surface not possible to negatively influence. Generally is here recognized as having the structure for this purpose characteristic dimension must be less than 25 microns. For example So a line of any length but with a maximum width and depth of 25 μm.
Eine
Möglichkeit, kleine Strukturen auf Substrate aufzubringen,
bieten verschiedene Drucktechniken. Eine dieser Drucktechniken ist
die sogenannte Ink-jet-Technik, die in verschiedenen Ausführungsformen
vorliegt. Mittels einer positionierbaren Düse werden dabei
Tropfen oder Flüssigkeitsstrahlen auf einem Substrat aufgebracht.
Haupteinfluss auf die Breite einer durch einen Ink-Jet erzeugten
Linie hat hierbei der Durchmesser der verwendeten Düse. Weiterhin
existiert eine bislang nicht widerlegte Regel, nach der die Linienbreite
mindestens genauso groß oder zumeist größer
ist als der Durchmesser der verwendeten Düse. Damit resultiert
beispielsweise bei Verwendung einer Düse mit einer Auslassöffnung von
60 μm eine Linienbreite ≥ 60 μm [
Es liegt also nahe, diese Öffnung einfach auf eine Größe von etwa 15–20 μm zu verkleinern, um die erwünschte Linienbreite von ≤ 25 μm zu erhalten. Diese Lösung ist in der Praxis nicht durchführbar, da mit der Verringerung des Durchmessers rheologische Beschränkungen der verwendeten Drucksubstanzen (Farben, Tinten, Leiterpasten etc.) an Einfluss gewinnen. Vielfach werden dadurch die Drucksubstanzen für den Einsatzzweck unbrauchbar. Möglich sind hier insbesondere Komplikationen durch Verblocken der Düse, da die Drucksubstanz dispergierte Partikel enthält. Weiterhin können die rheologischen Anforderungen (bestimmte Viskosität und Oberflächenspannung, sowie Kontaktwinkel und Benetzung des Substrates) nicht unabhängig von einander eingestellt werden, so dass eine mit einer solchen Düse noch druckbare Tinte nicht die gewünschten Eigenschaften im Druckbild auf dem Substrat zeigt.It So it is obvious, this opening simply on a size from about 15-20 μm to the desired one Line width of ≤ 25 microns to get. This solution is not feasible in practice, as with the reduction the diameter used rheological restrictions Printing substances (inks, inks, conductor pastes etc.) in influence win. In many cases, the printing substances for the purpose unusable. Possible here are in particular Complications due to blocking of the nozzle, as the pressure substance contains dispersed particles. Furthermore you can the rheological requirements (specific viscosity and surface tension, as well as contact angle and wetting of the substrate) are not independent be adjusted by each other, so that one with such Nozzle still printable ink not the desired Properties in the printed image on the substrate shows.
Alternative, kommerzielle Drucktechnologien, wie Offset- oder Siebdruck sind generell nicht dazu in der Lage, derart feine Strukturen auf eine Oberfläche zu bringen.Alternative, commercial printing technologies, such as offset or screen printing generally not capable of such fine structures on a surface bring to.
Ein
weiterer Ansatz zur Erzeugung kleiner und kleinster Strukturen ist
es, das Substrat durch geeignete Verfahren (z. B. Plasmaverfahren)
derart zu behandeln, dass Regionen unterschiedlicher Benetzbarkeit
entstehen, zum Beispiel unter Verwendung von Masken, die ein Negativ
der zu erzeugenden Struktur enthalten. Dies resultiert beispielsweise in
Linienbreiten von 5 μm unter Verwendung wässriger
Polymere [
In
Ein
einfacher nur mechanischer Prozess zur Erzeugung von kleinen Strukturen
ohne Erzeugung einer leitfähigen Struktur insbesondere
auf Polymeren nutzt das (Heiß-)prägen oder nanoskalige
Eindrucken. Im Wesentlichen werden hier Stempel mit Druck auf das
Substrat gepresst und damit wird eine Abformung des Negativs der
Struktur des Stempels auf der Oberfläche erreicht. Insbesondere
das Heißprägen von polymeren Substraten mit Stempeln oberhalb
der Glasübergangstemperatur des Polymers ist hier schon
eingesetzt worden, um Strukturen mit einem Durchmesser von 25 nm
zu erzeugen. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Lithografieverfahren
ist die verwendete Schablone (auch Master genannt) bei Prägeverfahren
immer in Gänze wieder verwendbar. [
Um
aus den erhaltenen Strukturen nun leitfähige Strukturen
zu erhalten, müssen diese mit geeignetem Material gefüllt
werden. Für diesen Ansatz sind Rakel- und Wischprozesse
prinzipiell geeignet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus
der
Eine
Füllung von feinen Strukturen kann grundsätzlich
unter Nutzung der Kapillarkraft herbeigeführt werden, deren
sinnvolle Nutzung aber eine gezielte Einbringung des Füllmaterials
in die erzeugte Struktur voraussetzt, um Materialverschwendung zu
vermeiden. Die Füllung von kleinen Strukturen (oder Röhren,
siehe
Es war also Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung, auf Oberflächen leitfähige Strukturen zu erzeugen, die unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des menschlichen, bloßen Auges liegen (d. h. kleiner 25 μm) und die Eigenschaften des Bauteils nicht in anderer Weise beeinflussen. Die weiteren oben beschriebenen Nachteile der bekannten Methoden sollten dabei vermieden werden.It So task was the present invention, on surfaces create conductive structures that are below the threshold of perception of the human naked eye (i.e., less than 25 μm) and do not affect the properties of the component in any other way. The other disadvantages of the known methods described above should be avoided.
Es
wurde gefunden, dass hierfür eine Kombination des Prägens
einer Vertiefung in die Substratoberfläche und der Verwendung
von leitfähige Nanopartikel enthaltenen Tintenformulierungen
mit nachfolgender Versinterung der Nanopartikel zu durchgängig
leitenden Bahnen eingesetzt werden kann. Eine kurze Illustration
des Prozesse gibt
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, auf einem Substrat mit formbarer Oberfläche, bei dem auf der Oberfläche des Substrats durch mechanische und gegebenenfalls zusätzlich thermische Einwirkung Kanäle erzeugt werden, die bevorzugt in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben (beispielsweise eine Breite an der Basis der Kanäle von weniger als 25 μm haben), auf die Kanäle eine Tinte, bevorzugt eine Suspension leitfähiger Partikel, aufgebracht wird, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, die Kanäle durch Kapillarkraft mit der Tinte gefüllt werden, und die Tinte durch Einbringen von Energie, insbesondere durch thermische Behandlung, in leitfähige Strukturen umgewandelt wird.object The invention is a process for producing electrically conductive Structures that in two dimensions have a dimension of not more than 25 μm, on a substrate with a moldable surface, in which on the surface of the substrate by mechanical and optionally in addition thermal action channels which are preferably dimensioned in one dimension not more than 25 microns (for example, a width at the base of the channels of less than 25 μm), on the channels an ink, preferably a suspension conductive Particles being applied with the conductive structures can be generated, the channels by capillary force be filled with the ink, and the ink by introducing of energy, in particular by thermal treatment, in conductive Structures is transformed.
Gegenstand der Erfindung sind auch die nach dem vorstehenden neuen Verfahren erhältlichen Substrate, die Strukturen aufweisen, die in zwei Dimensionen eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben.object the invention are also according to the above new method available substrates having structures that are known in two dimensions a dimension of not more than 25 microns to have.
Bevorzugt wird zunächst ein Pressstempel oder eine Pressrolle, jeweils versehen mit einer erhabenen Mikrostruktur (Positiv) auf das Substrat gedrückt, das bevorzugt ein Polymersubstrat ist, um ein Negativ der Struktur des Stempels in die Oberfläche des Substrats zu prägen. Wird ein Polymersubstrat eingesetzt, so hat der Stempel oder die Pressrolle hierbei bevorzugt mindestens die Temperatur des Glasübergangspunktes des verwendeten Polymersubstrates. Besonders bevorzugt liegt die Stempel- oder Pressrollentemperatur mindestens 20°C über der Glasübergangstemperatur. Weiterhin bevorzugt weist der Stempel oder die Pressrolle kleine Strukturen auf seiner Oberfläche auf, die in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, bevorzugt von 25 μm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 10 μm bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt von 1 μm bis 100 nm. Die Zeitdauer des Einpressens des Stempels in das Substrat sollte insbesondere 1 bis 60 Minuten betragen, bevorzugt 2 bis 5 Minuten, besonders bevorzugt presst man für 3 bis 4 Minuten ein. Die Verwendung einer Pressrolle bedarf demgegenüber kürzerer Presszeiten, da hierbei ein höherer Pressdruck angewendet wird. Die Erzeugung von Prägestrukturen erfolgt hierbei kontinuierlich.Preferably, first a press die or a press roll, each provided with a raised microstructure (positive), is pressed onto the substrate, which is preferably a polymer substrate in order to emboss a negative of the structure of the punch into the surface of the substrate. If a polymer substrate is used, the stamp or the press roll preferably has at least the temperature of the glass transition point of the polymer substrate used. More preferably, the punch or press roll temperature is at least 20 ° C above the glass transition temperature. Further preferably, the stamp or the pressure roller has small structures on its surface, which have in one dimension a dimension of not more than 25 microns, preferably from 25 .mu.m to 100 nm, more preferably from 10 .mu.m to 100 nm, most preferably from 1 μm to 100 nm. The period of time of pressing the stamp into the substrate should be in particular 1 to 60 minutes, preferably 2 to 5 minutes, more preferably it is pressed in for 3 to 4 minutes. In contrast, the use of a press roller requires shorter press times, since a higher press pressure is used in this case. The produce In this case, embossing structures are carried out continuously.
Die relative Geschwindigkeit von Substrat zu Rolle liegt bei diesem Prozess bei 10 bis 0,00001 m/s, bevorzugt 1 bis 0,0001 m/s, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,0001 m/s.The relative speed from substrate to roll is at this Process at 10 to 0.00001 m / s, preferably 1 to 0.0001 m / s, especially preferably 0.1 to 0.0001 m / s.
Die Parameter Anpressdruck, Temperatur und Zeitdauer des Einpressens korrelieren jedoch in der Art, dass mit höherer Temperatur oder höherem Druck die Einpresszeit verringert werden kann. Damit sind entsprechend geringere Zeiten und somit höhere Bauteildurchsätze mit hier vorgestellten Verfahren denkbar. Weiterhin denkbar sind somit auch Verfahren, die unter Anwendung hoher Anpressdrücke bei geringer Zeitdauer auch bei entsprechend niedriger Temperatur der Stempel oder Rollen das gewünschte Ergebnis zeigen.The Parameters contact pressure, temperature and duration of pressing in However, they correlate in the way that with higher temperature or higher pressure the Einpresszeit can be reduced. This means correspondingly lower times and thus higher Component throughputs conceivable with methods presented here. Also conceivable are methods that are applied high contact pressures for a short period of time even when appropriate low temperature of the stamp or rolls the desired result demonstrate.
Bevorzugt wird also die Rolle auf das Substrat gedrückt, während das Substrat unter dieser Rolle hergezogen wird und sich die Rolle dadurch dreht, oder die Rolle wird angetrieben und damit das Substrat gefördert unter Einprägen der Kanäle in das Substrat.Prefers so the roll is pressed onto the substrate while the substrate is dragged under this roll and the roll becomes it rotates, or the roller is driven and thus the substrate promoted under impressions of the channels in the substrate.
In die so entstandenen Kanäle wird dann eine Tinte eingefüllt, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können. Im einfachsten Fall besteht die Tinte aus einem Lösungsmittel oder einer Suspensionsflüssigkeit und einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bzw. einer Vorläuferverbindung für einen elektrisch leitfähigen Werkstoff.In the resulting channels are then filled with an ink, with the conductive structures can be generated. In the simplest case, the ink consists of a solvent or a suspension liquid and an electric one conductive material or a precursor compound for an electrically conductive material.
Die Tinte kann beispielsweise elektrisch leitfähige Polymere, Metalle oder Metalloxide, Kohlenstoffpartikel oder Halbleiter enthalten. Bevorzugt ist eine Tinte, die Nanopartikel eines leitfähigen Materials, insbesondere von Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes) und/oder Metallpartikel dispergiert in einem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, enthält, die durch Versintern zu einer durchgehend leitenden Struktur führen. Besonders bevorzugt enthält die Tinte Nanopartikel aus Silber in Wasser, die durch Versintern der Silberpartikel zu einer durchgehend leitenden Struktur führen. Geeignete Metalloxide sind z. B. Indium-Zinn-Oxid, Fluor-Zinn-Oxid, Antimon-Zinn-Oxid, Zink-Aluminium-Oxid. Halbleiter umfassen zum Beispiel Zinkselenit, Zinktellurit, Zinksulfid, Cadmiumselenit, Cadmiumtellurit, Cadmiumsulfid, Bleiselenit, Bleisulfid, Bleitellurit und Indiumarsenit. Weiterhin sollte zur besseren Ausnutzung der Kapillarkräfte die im neuen Verfahren bevorzugt verwendete Tinte das Substrat möglichst gut benetzen, d. h. einen möglichst niedrigen Kontaktwinkel auf dem Substrat von nicht mehr als 60°, bevorzugt nicht mehr als 30° bilden und eine möglichst hohe Oberflächenspannung von mehr als 20 N/m, bevorzugt mehr als 40 N/m, besonders bevorzugt mehr als 50 N/m. Sollte die Tinte wie oben beschrieben Nanopartikel enthalten, so sollten diese insbesondere kleiner als 1 μm sein, bevorzugt kleiner als 100 nm. Besonders bevorzugt sind die Nanopartikel kleiner als 80 nm, insbesondere kleiner als 60 nm und weisen eine bimodale Teilchengrößenverteilung auf.The For example, ink can be electrically conductive polymers, Contain metals or metal oxides, carbon particles or semiconductors. Preferred is an ink, the nanoparticles of a conductive Materials, in particular carbon nanotubes (carbon nanotubes) and / or metal particles dispersed in a solvent, For example, water that contains by sintering too lead a continuously conductive structure. Especially Preferably, the ink contains silver nanoparticles Water, which by sintering the silver particles to a continuously conductive Lead structure. Suitable metal oxides are, for. Indium tin oxide, Fluorine-tin-oxide, antimony-tin-oxide, zinc-aluminum-oxide. semiconductor include, for example, zinc selenite, zinc tellurite, zinc sulfide, cadmium selenite, Cadmium tellurite, cadmium sulfide, lead selenite, lead sulfide, lead tellurite and indium arsenite. Furthermore, for better utilization of the Capillary forces preferred in the new method used Ink wet the substrate as well as possible, d. H. one lowest possible contact angle on the substrate of not more than 60 °, preferably not more than 30 ° and the highest possible surface tension of more than 20 N / m, preferably more than 40 N / m, more preferably more than 50 N / m. Should the ink contain nanoparticles as described above, in particular, they should be smaller than 1 μm, preferably less than 100 nm. Particularly preferably, the nanoparticles are smaller than 80 nm, especially smaller than 60 nm and have a bimodal Particle size distribution on.
Diese Tinte wird dann in die wie oben beschrieben erzeugten Kanäle dosiert. Bevorzugt werden einzelne Tropfen in die Kanäle dosiert. Besonders bevorzugt verwendet man zum Dosieren einen Tintenstrahl Drucker mit einem Druckkopf, dessen Druckdüsen exakt über den Kanälen angeordnet werden und einzelne Tropfen in die Kanäle dosiert.These Ink is then transferred to the channels as described above dosed. Preference is given to individual drops in the channels dosed. It is particularly preferable to use an ink jet for dosing Printer with a printhead whose print nozzles are exactly above the channels are arranged and individual drops in the Dosed channels.
Um mit dem neuen Verfahren in einer bevorzugten Variante möglichst lange Strecken der Kanäle auf dem Substrat mit der Tinte zu füllen, muss unter Umständen mehrfach in einen Kanal dosiert werden. Bevorzugt wird die Tinte daher in regelmäßigen Abständen entlang der Kanäle mehrfach dosiert. Alternativ kann die Tinte von dem bevorzugt verwendeten Tintenstrahldrucker kontinuierlich auf das unter dem Druckkopf durchlaufende Substrat dosiert werden. Dies erfolgt bevorzugt in geeigneten Intervallen, die von der Art und Form der Kanäle auf dem Substrat abhängen. Beispielsweise kann bei entlang der Durchlaufrichtung des Substrats orientierten, ununterbrochenen Linien ein kontinuierlicher Tintenstrahl aufgegeben werden. Bei unterbrochenen Linien würde beispielsweise für die Zeitdauer der Unterbrechung die Dosierung eingestellt. In diesem Fall kann der Begriff unterbrochene Linie auch als eine nicht parallel zur Durchlaufrichtung des Substrates verlaufende Linie verstanden werden, z. B. bei rechtwinklig zur Durchlaufrichtung verlaufenden Linien. Hier können dann in regelmäßigen Abständen nebeneinander angeordnete Druckdüsen vorgesehen werden, um die gesamte Kanalstruktur während einer einzelnen Passage zu füllen.Around as far as possible with the new method in a preferred variant long stretches of the channels on the substrate with the ink It may be necessary to fill several times in one Channel be dosed. Therefore, the ink is preferably in regular Intermittent dosing along the channels. Alternatively, the ink may be from the preferred ink jet printer continuously on the substrate passing under the print head be dosed. This is preferably done at suitable intervals, which depend on the type and shape of the channels on the substrate. For example, along along the direction of passage of the substrate oriented, continuous lines abandoned a continuous ink jet become. For example, with broken lines adjusted for the duration of the interruption, the dosage. In this case, the term broken line can also be used as a not parallel to the direction of passage of the substrate running Be understood line, z. B. at right angles to the direction of passage running lines. Here then can be in regular Interspaced pressure nozzles be provided to the entire channel structure during to fill a single passage.
In einer bevorzugten Variante sind bewegliche Druckköpfe vorgesehen, die während der Relativbewegung des Substrates unter ihnen der aufgeprägten Kanalstruktur folgen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn entlang der Orientierung des Substrates gebogene, bevorzugt gewellte Kanäle aufgeprägt wurden. Wenn die Druckköpfe senkrecht zur Durchlaufrichtung des Substrates bewegbar sind, führt eine Oszillation der Druckköpfe in senkrechter Richtung zum Substrat relativ zu diesem zu einer Wellenbewegung. Somit kann eine wellenförmige Struktur kontinuierlich mit Tinte gefüllt werden. Dies ist im Besonderen bei unterbrochenen Strukturen auch erweiterbar auf Montageausführungen, bei denen kurzzeitig die Druckköpfe der Durchlaufrichtung des Substrates folgen. D. h., dass eine Vorrichtung der Druckköpfe vorgesehen wird, die eine Bewegung in zwei Dimensionen zulässt.In In a preferred variant, movable printheads are provided, during the relative movement of the substrate under them follow the impressed channel structure. This is for example the Case when curved along the orientation of the substrate, preferred corrugated channels were imprinted. When the printheads perpendicular to the direction of passage of the substrate are movable leads an oscillation of the printheads in the direction perpendicular to Substrate relative to this to a wave motion. Thus, a Wavy structure continuously filled with ink become. This is especially true for interrupted structures as well expandable to mounting versions in which the Print heads follow the passage direction of the substrate. That is, an apparatus of the printheads is provided which allows movement in two dimensions.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren anwendbaren Substrate sind Substrate mit formbaren Oberflächen, z. B. Glas, Keramik oder Polymere, insbesondere transparente Polymere. Diese Substrate sind elektrische Isolatoren. Es ist jedoch wünschenswert die aus dem Substrat resultierenden Bauteile zumindest an bestimmten Stellen mit leitfähigen Eigenschaften auszustatten.The Substrates applicable in the process according to the invention are substrates with moldable surfaces, eg. Glass, ceramics or polymers, in particular transparent polymers. These substrates are electrical insulators. However, it is desirable that resulting from the substrate components at least at certain Provide points with conductive properties.
Polymerwerkstoffe haben vielfach besondere Eigenschaften, die sie in vielen Anwendungsbereichen zu bevorzugten Werkstoffen machen. Dies umfasst beispielsweise ihre vergleichsweise hohe Flexibilität, die vielfach im Vergleich zu anorganischen Werkstoffen geringere Dichte bei gleicher oder ähnlicher mechanischer Belastbarkeit, sowie die große gestalterische Freiheit durch die leichtere Formbarkeit dieser Werkstoffe. Gleichzeitig zeigen einige Werkstoffe (z. B. Polycarbonat, Polypropylen, Polymethylmethacrylat (PMMA) und einige PVC-Typen) daneben noch besondere Eigenschaften wie zum Beispiel optische Transparenz. Bevorzugt im neuen Verfahren einzusetzende Polymere sind transparent und/oder sie haben eine hohe Glasübergangstemperatur. Polymere mit hoher Glasübergangstemperatur bezeichnet Polymere mit einer Glasübergangstemperatur oberhalb von 100°C. Insbesondere bevorzugt verwendet man im neuen Verfahren ein Polymer aus der Reihe: Polycarbonat, Polyurethan, Polystyrol, Polymethyl(meth)acrylat oder Polyethylenterephthalat.Polymer Materials often have special properties that they have in many applications to make preferred materials. This includes, for example, theirs comparatively high flexibility, many times in comparison to inorganic materials lower density for the same or similar mechanical resilience, as well as the great design Freedom through the easier moldability of these materials. simultaneously show some materials (eg polycarbonate, polypropylene, polymethylmethacrylate (PMMA) and some types of PVC) in addition to special properties such as optical transparency. Preferably in the new process polymers to be used are transparent and / or they have one high glass transition temperature. Called polymers with high glass transition temperature Polymers with a glass transition temperature above 100 ° C. Particularly preferred to use in the new process a polymer from the series: polycarbonate, polyurethane, polystyrene, polymethyl (meth) acrylate or polyethylene terephthalate.
Nach den oben beschriebenen Schritten befindet sich in den erzeugten Kanälen eine Tinte, aus der durch geeignete Nachbehandlung die Strukturen mit der gewünschten Leitfähigkeit erzeugt werden.To The steps described above are located in the generated Channels an ink, from which by appropriate aftertreatment the structures with the desired conductivity be generated.
Erfindungsgemäß umfasst diese Nachbehandlung den Eintrag von Energie in die erzeugten, mit Tinte gefüllten Kanäle. Im Fall der bevorzugten Verwendung von Tinten mit leitfähigen Polymeren in Lösungsmittelsuspensionen werden die im Lösungsmittel in Suspension vorliegenden Polymerpartikel z. B. durch Erwärmung der Suspension auf dem Substrat miteinander verschmolzen, während das Lösungsmittel verdampft. Bevorzugt wird der Nachbehandlungsschritt bei der Schmelztemperatur des leitfähigen Polymers durchgeführt, besonders bevorzugt oberhalb dessen Schmelztemperatur. Dadurch entstehen durchgängige Leiterbahnen.According to the invention this post-treatment the entry of energy into the generated, with Ink filled channels. In the case of the preferred use of inks with conductive polymers in solvent suspensions are present in suspension in the solvent Polymer particles z. B. by heating the suspension the substrate fused together while the solvent evaporated. The post-treatment step is preferred at the melting temperature of the conductive polymer, especially preferably above its melting temperature. This creates consistent Interconnects.
Im Fall der alternativen bevorzugten Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltenden Tinten wird durch die thermische Nachbehandlung der Substratoberfläche das Lösungsmittel zwischen den dispergiert vorliegenden Kohlenstoffpartikeln verdampft, um durchgängige, perkolationsfähige Bahnen aus leitfähigem Kohlenstoff zu erhalten. Der Behandlungsschritt wird im Bereich der Verdampfungstemperatur des in der Tinte enthaltenen Lösungsmittels durchgeführt, bevorzugt oberhalb der Verdampfungstemperatur des Lösungsmittels. Ist die Perkolationsgrenze erreicht, entstehen die erfindungsgemäßen Leiterbahnen.in the Case of alternative preferred use of carbon nanotubes containing inks is through the thermal aftertreatment of Substrate surface, the solvent between the dispersed present carbon particles evaporated to continuous, Percolatable sheets of conductive carbon to obtain. The treatment step is in the range of the evaporation temperature of the solvent contained in the ink, preferably above the evaporation temperature of the solvent. Once the percolation limit has been reached, the inventive compositions are formed Interconnects.
Verwendet man in einer anderen bevorzugten Variante des Verfahrens die oben beschriebenen Suspensionen von Metallnanopartikeln in Lösungsmitteln, so erfolgt die Nachbehandlung, indem man das gesamte Bauteil oder gezielt die Leiterbahnen auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Metallpartikel miteinander versintern und das Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft. Hierbei sind Metallpartikel mit möglichst kleinem Partikeldurchmesser vorteilhaft, da bei nanoskaligen Partikeln die Sintertemperatur zu der Partikelgröße proportional ist, so dass bei kleineren Partikeln eine niedrigere Sintertemperatur als bei größeren erforderlich ist. Hierbei liegt der Siedepunkt des Lösungsmittels möglichst nah an der Sintertemperatur der Partikel und ist möglichst niedrig, um das Substrat thermisch zu schonen. Bevorzugt verwendet man als Lösungsmittel der Tinte eines mit einer Siedetemperatur von < 250°C, besonders bevorzugt einer Temperatur < 200°C, insbesondere einer Temperatur ≤ 100°C. Alle hier angegebenen Temperaturen beziehen sich auf Siedetemperaturen bei einem Druck von 1013 hPa. Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind n-Alkane mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, Alkohole mit bis zu vier Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol, Ketone und Aldehyde mit bis zu fünf Kohlenstoffatomen, wie z. B. Aceton und Propanal, Wasser, sowie Acetonitril, Dimethylether, Dimethylacetamid, Dimethylformamid N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) und Tetrahydrofuran Der Sinterschritt wird bei der angegebenen Temperatur so lange durchgeführt, bis eine durchgängige Leiterbahn entstanden ist. Bevorzugt ist eine Zeitdauer für die Sinterung von einer Minute bis 24 Stunden, besonders bevorzugt von fünf Minuten bis 8 Stunden, insbesondere bevorzugt von zwei bis 8 Stunden.used one in another preferred variant of the method the above described suspensions of metal nanoparticles in solvents, Thus, the aftertreatment takes place by the entire component or deliberately heats the tracks to a temperature at which sinter the metal particles together and the solvent at least partially evaporated. Here are metal particles with as possible Small particle diameter advantageous because of nanoscale particles the sintering temperature proportional to the particle size is, so that with smaller particles a lower sintering temperature than is required for larger ones. This is the boiling point of the solvent as close as possible at the sintering temperature of the particles and is possible low to thermally protect the substrate. Preferably used as the solvent of the ink one with a boiling temperature of <250 ° C, particularly preferably a temperature <200 ° C, in particular one Temperature ≤ 100 ° C. All temperatures given here refer to boiling temperatures at a pressure of 1013 hPa. Particularly preferred solvents are n-alkanes with bis to 12 carbon atoms, alcohols having up to four carbon atoms, such as As methanol, ethanol, propanol and butanol, ketones and aldehydes with up to five carbon atoms, such as. Acetone and Propanal, water, and acetonitrile, dimethyl ether, dimethylacetamide, Dimethylformamide N-Methyl-pyrrolidone (NMP) and tetrahydrofuran Der Sintering step is carried out at the specified temperature until a continuous track has been created. Prefers is a period of one minute to sinter 24 hours, more preferably from five minutes to 8 Hours, more preferably from two to eight hours.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer Tinte, mit der leitfähige Strukturen erzeugt werden können, zur Herstellung von Substraten, die an ihrer Oberfläche leitfähige Strukturen aufweisen, die in einer Dimension eine Abmessung von nicht mehr als 25 μm haben, bevorzugt von 20 μm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 10 μm bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt von 1 μm bis 100 nm, wobei die Tinte bevorzugt eine Suspension leitfähiger Partikel ist, wie sie oben beschrieben sind, und das Substrat bevorzugt transparent ist, beispielsweise Glas, transparente Keramik oder ein transparentes Polymer wie oben beschrieben.object The invention also relates to the use of an ink with which conductive Structures can be produced for the production of substrates, the conductive structures on their surface having in one dimension a dimension of not more than 25 μm, preferably from 20 μm to 100 nm, particularly preferably from 10 μm to 100 nm, very particularly preferably from 1 μm to 100 nm, the ink being preferred A suspension of conductive particles is as they are above and the substrate is preferably transparent, for example glass, transparent ceramic or a transparent polymer as described above.
Die Erfindung wird nachstehend unter Verwendung der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:The Invention will be exemplified below using the figures explained in more detail. Showing:
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Ein
Gitter von Kanälen auf einem Polymersubstrat wurde durch
Einpressen einer Gitterstruktur (MASTER) in ein Polystyrolsubstrat
mit einer Glasübergangstemperatur Tg von
100°C (N5000, Shell AG) hergestellt. Hierfür wurde
der MASTER auf 180°C erwärmt und mittels einer
kleinen Presse (Tribotrak, DACH Instruments, Santa Barbara, CA,
USA) 3 min. lang mit einer Last von 3 kg auf das Substrat gedrückt.
Der MASTER wies einen Abstand der Linien von 42 μm auf,
wobei im Querschnitt gesehen die Vertiefungen im MASTER als abgeschnittene
Dreiecke erscheinen, die auf dem Kopf stehen (
Ein
einziger Tropfen einer Silbernanotinte (NanopasteTM,
Harima Chemicals, Japan) wurde auf eine der wie oben beschriebenen
hergestellten Linien platziert. Die Tinte besteht aus einer Dispersion von
Silbernanopartikeln eines mittleren Durchmessers von etwa 5 nm in
Tetradecan. Durch die Kapillarkraft bildete sich sofort eine Linie
der Tinte in den Kanälen. Es konnte eine etwa 4 mm lange
einheitliche Line erhalten werden. Die präzise Positionierung
des Tintentropfens wurde mittels eines Ink-jet-Systems erreicht
(AutodropTM system; Microdrop Technologies,
Norderstedt, Germany.) Das System war ausgestattet mit einem 68 μm
Düsenkopf. Die maximale Breite der resultierenden Silberlinie
betrug etwa 6,3 μm auf Füllhöhe, wie
in
Beispiel 2Example 2
Ein Gitter von Kanälen wurde durch Einpressen eines Gitters in eine Polycarbonatfolie mit einer Glasübergangstemperatur Tg von 205°C (Bayfol®, Bayer MaterialScience AG), die auf 270°C erwärmt wurde, erzeugt. Alle weiteren Parameter des Prägens entsprachen Beispiel 1. Ebenso wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 eine leitfähige Linie erzeugt. Die erzielte Linienbreite und Längen der elektrisch leitfähigen Silberleiterbahnen waren denen gleich der in Beispiel 1 erzeugten Bahnen.A grid of channels was determined by pressing a grid in a polycarbonate film having a glass transition temperature T g of 205 ° C (Bayfol ®, Bayer MaterialScience AG), which was heated to 270 ° C, is generated. All other parameters of the embossing corresponded to Example 1. Likewise, in the same manner as in Example 1, a conductive line was generated. The obtained line width and lengths of the electrically conductive silver conductors were the same as those produced in Example 1.
Beispiel 3:Example 3:
Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren jedoch wurde anstelle des Prägeverfahrens mit einem Pressstempel eine Pressrolle verwendet.It was carried out as in Example 1, but instead of the embossing process used a press roll with a press die.
Kontinuierliche Strukturen auf einem 10 mm dicken Polycarbonat Substrat (Makrolon, Bayer, Germany, Glastemperatur 148°C) wurden mittels einer auf einer kleinen Presse (Tribotrak, DACH instruments, Santa Barbara, CA, USA) montierten Rolle erzeugt. Die speziell angefertigte Rolle, die an der kleinen Presse montiert worden war besaß erhabene Linienstrukturen mit einer Breite von 10 μm und einem Abstand von 3 mm. Hierbei wurde die Oberfläche des Substrats auf 60°C erwärmt, während die Rolle eine Temperatur von 155°C hatte. Der Druck der Presse wurde mittels eines Gewichtes von 10 kg auf dem oben angegebenen Gerät eingestellt. Für die eingestellten Temperaturen und den verwendeten Anpressdruck wurde eine relative Vortriebsgeschwindigkeit von Rolle zum Substrat von 0,25 mm/s gewählt Hierbei wurde das Substrat mittels eines Schlittens unter der Rolle entlang gezogen, um die oben angegebene Relativgeschwindigkeit zu erreichen. Der Anpressdruck reichte aus, um die Rolle auf dem Substrat in eine Drehbewegung zu versetzen.continuous Structures on a 10 mm thick polycarbonate substrate (Makrolon, Bayer, Germany, glass transition temperature 148 ° C) were by means of a a small press (Tribotrak, DACH instruments, Santa Barbara, CA, USA). The purpose-built role, which had been mounted on the small press had sublime ones Line structures with a width of 10 microns and a distance of 3 mm. At this time, the surface of the substrate was raised Heated to 60 ° C, while the role of a temperature of 155 ° C. The pressure of the press was determined by means of a Weight of 10 kg set on the above device. For the set temperatures and the used Contact pressure became a relative propulsion speed of roll to the substrate of 0.25 mm / s chosen here was the substrate pulled by a carriage under the roll along the To achieve the above relative speed. The contact pressure was enough to turn the roll on the substrate into a rotary motion to move.
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