DE102015202284A1

DE102015202284A1 - Nanosilbertinte mit hohem silbergehalt für tief- und flexographiedruckanwendungen

Info

Publication number: DE102015202284A1
Application number: DE102015202284.6A
Authority: DE
Inventors: Naveen Chopra; Ping Liu; Cuong Vong; Sandra J. Gardner; Yiliang Wu; Mahya Mokhtari
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2015-08-27
Also published as: CA2881384A1; US20150240101A1; JP2015157942A

Abstract

Eine leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt weist mindestens etwa 65 Gew.-% Silbernanopartikel, ein nicht-polares organisches Lösungsmittel und ein Polymerbindemittel auf. Die leitfähige Tinte weist eine Leitfähigkeit von etwa 1,0 × 104 (S/cm) bis etwa 4,0 × 105 (S/cm) und eine Viskosität von etwa 20 cps bis etwa 1000 cps auf.

Description

STAND DER TECHNIK
Herkömmliche leitfähige Silbertinten, die für die Offset-Drucktechnik verwendet werden, beinhalten Silberpartikel, eines oder mehrere Trägerlösungsmittel und eines oder mehrere Polymerbindemittel. Tiefdruck- und Flexographieprozesse könnten eine effiziente Methode zur preiswerten Herstellung einer Anzahl leitender Komponenten darstellen. Allerdings gehören schlechte Leitfähigkeit und schlechte Auflösung zu den Hauptbeschränkungen mit heutigen Tiefdruck- und Flexographietinten.
Es scheint, dass diese Druckverfahren eine effiziente Methode zur preiswerten Herstellung einer Anzahl leitender Komponenten sein könnten. Allerdings ist eine der Hauptbeschränkungen mit heutigen Tiefdruck- und Flexographietinten eine schlechte Leitfähigkeit und eine schlechte Auflösung.
Die schlechte Leitfähigkeit liegt im Allgemeinen an einem schlechten Kontakt zwischen leitfähigen Silberpartikeln in den gedruckten Schichten. In der Praxis wird dieses Problem durch eine Verdickung der Drucke angegangen. Dies führt jedoch dazu, dass mehr Materialien auf dem Substrat aufgebracht werden, wodurch die Kosten steigen und auch der Bedarf an Lösungsmittel zunimmt. Mehr Lösungsmittel verlangsamt den Härtungsschritt und verlangsamt somit die Druckgeschwindigkeit. Höhere Druckgeschwindigkeiten sind ein Vorteil eines Walze-auf-Walze-Verfahrens im Vergleich zu einem Chargendruck wie dem Siebdrucken.
Heutige leitfähige Tinten, die hohe Beladungen mit Silbernanopartikeln von etwa 50–70% beinhalten, weisen eine Viskosität im Bereich von 8 bis 12 cps auf. Eine derart niedrige Viskosität reicht für die meisten Tiefdruck- und Flexographiedruckverfahren, die häufig eine Viskosität von etwa 20 bis 1.000 cps benötigen, normalerweise nicht aus.
Angesichts dessen werden heutige leitfähige Silberplättchentinten nur begrenzt zum Drucken qualitativ hochwertiger elektronischer Schaltungen wie RFID-Antennen usw., wo eine hohe Leitfähigkeit erforderlich ist, verwendet.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an leitfähigen Tinten mit hoher Leitfähigkeit und guter Druckauflösung für Tiefdruck- und Flexographiedruckverfahren.
KURZDARSTELLUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung betrifft die derzeit favorisierte Weise zur Ausführung von Ausführungsbeispielen. Die Beschreibung ist nicht in einem beschränkenden Sinn aufzufassen, sondern dient lediglich dem Zweck, die allgemeinen Grundlagen der vorliegenden Offenbarung zu erläutern, da der Bereich der vorliegenden Offenbarung am besten von den beigefügten Ansprüchen definiert wird.
Nachstehend werden verschiedene erfindungsgemäße Merkmale beschrieben, die jeweils unabhängig voneinander oder in Kombination mit anderen Merkmalen verwendet werden können.
Allgemein gesprochen liefern Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung generell eine leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt, die Silbernanopartikel, die einen Anteil von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte ausmachen, eines oder mehrere nicht-polare Lösungsmittel und optional ein Bindemittel enthält.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt Silbernanopartikel, die einen Anteil von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte ausmachen, eines oder mehrere Lösungsmittel und optional ein Bindemittel auf, wobei die Tinte eine Viskosität von etwa 20 bis etwa 1000 cps aufweist.
In einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt Silbernanopartikel, die einen Anteil von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte ausmachen, ein Lösungsmittel und ein Bindemittel auf, wobei die Tinte eine Scherresistivität von weniger als etwa 2 Ω/sq. aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen:
1 ein Rasterelektronenmikroskopbild (REM-Bild) der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1 zeigt, die auf ein beschichtetes Papiersubstrat aufgebracht worden ist (Probe A);
2 ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 1 zeigt;
3 ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1 zeigt, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe B);
4 ein REM-Seitenquerschnittsbild der Schicht von 3 zeigt;
5 ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1 zeigt, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe C);
6 ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 5 zeigt;
7 ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1 zeigt, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe D); und
8 ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 7 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der vorliegenden Offenbarung beinhalten die Begriffe „einer, eine, eines” und „der, die, das” die Pluralformen, wenn der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorgibt.
In der vorliegenden Offenbarung beinhalten hierin offenbarte Bereiche, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, alle Endpunkte und Zwischenwerte.
In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „optional” beispielsweise Fälle, in denen anschließend beschriebene Umstände eintreten können, aber nicht eintreten müssen, und beinhaltet Fälle, in denen der Umstand eintritt, und Fälle, in denen der Umstand nicht eintritt.
In der vorliegenden Offenbarung bezeichnen die Ausdrücke „einer/eine/eines oder mehrere” und „mindestens einer/eine/eines” beispielsweise Fälle, in denen einer der nachfolgend beschriebenen Umstände eintritt, und Fälle, in denen mehr als einer der nachfolgend beschriebenen Umstände eintritt.
In der vorliegenden Offenbarung schließt der Begriff „etwa”, der in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, den angegebenen Wert ein und hat die Bedeutung, die durch den Kontext vorgegeben wird (z. B. schließt er zumindest den Fehlergrad ein, der mit der Messung der speziellen Größe verbunden ist). Wenn er im Kontext eines Bereichs verwendet wird, sollte der Begriff „etwa” auch so aufgefasst werden, dass er den Bereich offenbart, der von den absoluten Werten der beiden Endpunkte definiert wird. Zum Beispiel offenbart der Bereich „von etwa 2 bis etwa 4” auch den Bereich „von 2 bis 4”.
In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Nano”, wie in „Silbernanopartikel” verwendet, beispielsweise eine Partikelgröße von weniger als etwa 100 nm, beispielsweise von etwa 0,5 nm bis etwa 100 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 50 nm oder von etwa 1 nm bis etwa 20 nm. Die Partikelgröße bezeichnet den durchschnittlichen Durchmesser der Metallpartikel, bestimmt anhand einer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder eines anderen geeigneten Verfahrens.
In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „Drucken” jede Beschichtungstechnik, die in der Lage ist, eine leitfähige Tintenpastenzusammensetzung in einem gewünschten Muster auf ein Substrat zu drucken. Beispiele für geeignete Verfahren beinhalten beispielsweise Schleuderbeschichten, Rakelbeschichten, Rotationsrakelbeschichten, Tauchbeschichten, Lithographie oder Offsetdruck, Tiefdruck, Flexographie, Siebdruck, Schablonendruck und Prägen (beispielsweise Mlkrokontaktdrucken).
Die vorliegende Offenbarung stellt allgemein eine leitfähige Tinte bereit, die Silbernanopartikel in einer Menge von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte, eines oder mehrere nicht-polare Lösungsmittel und ein Bindemittel aufweist. Die vorliegende Offenbarung schafft auch Verfahren zur Herstellung solcher leitfähigen Tinten.
Die leitfähige Tinte hierin kann anhand jedes geeigneten Verfahrens hergestellt werden. Ein Beispielsverfahren besteht darin, die Silbernanopartikel in einem nicht-polaren Lösungsmittel und optional dem polymeren Bindemittel unter inertem Blubbern zu dispergieren. Dann kann das organische Lösungsmittel durch Erwärmen entfernt werden, und die resultierende Tinte geschüttelt und gewälzt werden, um eine Durchmischung sicherzustellen.
Die leitfähige Tinte kann verwendet werden, um durch Drucken leitfähige Merkmale auf einem Substrat auszubilden. Das Drucken kann durch Aufbringen der Tinte auf ein Substrat anhand jeder geeigneten Drucktechnik durchgeführt werden, beispielsweise Tiefdruck, Rotationstiefdruck, Flexographie, Lithographie, Ätzen oder Siebdrucken.
Das Substrat, auf das die leitfähige Tinte aufgebracht wird, kann jedes geeignete Substrat sein, einschließlich beispielsweise Silicium, Glasplatte, Kunststofffolie, Flächengebilde, Gewebe oder Papier. Für strukturell flexible Vorrichtungen können Kunststoffsubstrate wie Polyester-, Polycarbonat-, Polyimidflächengebilde und dergleichen verwendet werden.
Im Anschluss an das Drucken kann die in einem Muster aufgebrachte leitfähige Tinte einem Härtungsschritt unterzogen werden. Der Härtungsschritt kann ein Schritt sein, in dem im Wesentlichen sämtliches Lösungsmittel der leitfähigen Tinte entfernt wird und die Tinte fest an das Substrat gebunden wird.
Ein Tempern der Silbertinte an dem Substrat kann auf jede in der Technik bekannte Art und Weise durchgeführt werden. In einem Ausführungsbeispiel wird das Substrat bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50°C bis etwa 300°C erwärmt. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Substrat bei einer Temperatur im Bereich von etwa 100°C bis 250°C erwärmt. Das Substrat wird über einen Zeitraum im Bereich von etwa 10 bis etwa 30 Minuten erwärmt.
Die Druck- und Temperschritte können allgemein unter Atmosphärenbedingungen durchgeführt werden. Generell ist mit Atmosphärenbedingungen eine normale Luftatmosphäre gemeint, ohne dass die Anwesenheit einer Edelgasumgebung nötig ist. Außerdem können die Druck- und Temperschritte gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden.
Silbernanopartikel
Gemäß Ausführungsformen hierin können die Silbernanopartikel einen Durchmesser im Submikrometerbereich aufweisen. Silbernanopartikel hierin können einzigartige Eigenschaften aufweisen, wenn sie mit Silberplättchen verglichen werden. Zum Beispiel können die Silbernanopartikel hierin durch eine verbesserte Reaktivität der Oberflächenatome, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einzigartige optische Eigenschaften gekennzeichnet sein. Ferner können die Silbernanopartikel einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine niedrigere Sintertemperatur aufweisen als Silberplättchen.
Aufgrund ihrer geringen Größe zeigen Silbernanopartikel einen Schmelzpunkt, der immerhin 700°C unter dem von Silberplättchen liegt. Zum Beispiel können Silbernanopartikel bei 120°C sintern, was mehr als 800°C unterhalb der Schmelztemperatur von Bulk-Silber liegt. Dieser niedrigere Schmelzpunkt ist ein Ergebnis eines vergleichsweise hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses in Nanopartikeln, durch das eine bereitwillige Bindung zwischen benachbarten Partikeln möglich ist. Die gewaltige Senkung der Sintertemperatur für Nanopartikel ermöglicht die Ausbildung hoch-leitfähiger Spuren oder Muster auf flexiblen Kunststoffsubstraten, da die flexiblen Substrate der Wahl bei einer relativ niedrigen Temperatur (zum Beispiel 150°C) schmelzen oder weich werden.
Bei den Silbernanopartikeln hierin kann es sich um elementares Silber, eine Silberlegierung, eine Silberverbindung oder eine Kombination davon handeln. In Ausführungsformen kann es sich bei den Silbernanopartikeln um ein Basismaterial handeln, das mit reinem Silber, einer Silberlegierung oder einer Silberverbindung beschichtet oder verkleidet ist. Zum Beispiel kann das Basismaterial aus Kupferplättchen mit Silberauflage bestehen.
Beispiele für geeignete Silberverbindungen beinhalten Silberoxid, Silberthiocyanat, Silbercyanid, Silbercyanat, Silbercarbonat, Silbernitrat, Silbernitrit, Silbersulfat, Silberphosphat, Silberperchlorat, Silbertetrafluorborat, Silberacetylacetonat, Silberacetat, Silberlactat, Silberoxalat und deren Derivate. Die Silberlegierung kann aus mindestens einem Metall gebildet sein, das ausgewählt ist aus Au, Cu, Ni, Co, Pd, Pt, Ti, V, Mn, Fe, Cr, Zr, Nb, Mo, W, Ru, Cd, Ta, Re, Os, Ir, Al, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Pb, Bi, Si, As, Hg, Sm, Eu, Th Mg, Ca, Sr und Ba, ist aber nicht unbedingt darauf beschränkt.
In Ausführungsformen kann die Silberverbindung (i) eines oder mehrere andere Metalle und (ii) eines oder mehrere Nicht-Metalle beinhalten. Geeignete andere Metalle beinhalten beispielsweise Al, Au, Pt, Pd, Cu, Co, Cr, In und Ni, insbesondere die Übergangsmetalle, beispielsweise Au, Pt, Pd, Cu, Cr, Ni und deren Mischungen. Beispiele für Metallverbundstoffe sind Au-Ag, Ag-Cu, Au-Ag-Cu und Au-Ag-Pd. Geeignete Nicht-Metalle in dem Metallverbundstoff beinhalten beispielsweise Si, C und Ge.
In Ausführungsformen bestehen die Silbernanopartikel aus elementarem Silber.
Die Silbernanopartikel hierin können eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, beispielsweise von etwa 0,5 bis etwa 100,0 nm oder von etwa 1,0 bis etwa 50,0 nm oder von etwa 1,0 bis etwa 20,0 nm.
Die Verwendung von Nanopartikeln im Nanogrößenbereich kann zu dünnen und gleichmäßigen Schichten mit hoher Leitfähigkeit und geringer Oberflächenrauigkeit führen, was für die Integration mehrschichtiger elektronischer Vorrichtungen wichtig ist.
Die Silbernanopartikel können jede Form oder Geometrie aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen können die Silbernanopartikel eine kugelige Form aufweisen.
Die Silbernanopartikel können in der leitfähigen Tinte in einer Menge von beispielsweise mindestens etwa 65 Gewichtsprozent oder von etwa 50 bis etwa 95 Gewichtsprozent oder von etwa 60 bis etwa 90 Gewichtsprozent der leitfähigen Tinte vorhanden sein.
In Ausführungsformen weisen die Silbernanopartikel eine Stabilität (das bedeutet den Zeitraum, in dem eine minimale Ausfällung oder Aggregation der Nanopartikel stattfindet) von beispielsweise mindestens etwa 1 Tag, von etwa 3 Tagen bis etwa 1 Woche oder von etwa 5 Tagen bis etwa 1 Monat oder von etwa 1 Woche bis etwa 6 Monaten oder von etwa 1 Woche bis über 1 Jahr auf.
Lösungsmittel
Die leitfähige Tinte hierin kann auch eines oder mehrere Lösungsmittel, wie nicht-polare organische Lösungsmittel, beinhalten. Das Lösungsmittel kann als Träger für die Dispergierung der Silbernanopartikel verwendet werden, um zu verhindern, dass sich die Silbernanopartikel agglomerieren, und/oder um optional die Löslichkeit oder Dispergierbarkeit von Silbernanopartikeln bereitzustellen oder zu verbessern.
Geeignete nicht-polare organische Lösungsmittel für leitfähige Silbernanopartikeltinten hierin beinhalten zum Beispiel Kohlenwasserstoffe wie ein Alkan; ein Alken; einen Alkohol mit etwa 10 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen, wie Undecan, Dodecan, Tridecan, Tetradecan, Hexadecan, 1-Undecanol, 2-Undecanol, 3-Undecanol, 4-Undecanol, 5-Undecanol, 6-Undecanol, 1-Dodecanol, 2-Dodecanol, 3-Dodecanol, 4-Dodecanol, 5-Dodecanol, 6-Dodecanol, 1-Tridecanol, 2-Tridecanol, 3-Tridecanol, 4-Tridecanol, 5-Tridecanol, 6-Tridecanol, 7-Tridecanol, 1-Tetradecanol, 2-Tetradecanol, 3-Tetradecanol, 4-Tetradecanol, 5-Tetradecanol, 6-Tetradecanol, 7-Tetradecanol und dergleichen; einen Alkohol, wie beispielsweise Terpineol (α-Terpineol), β-Terpineol, Geraniol, Cineol, Cedral, Linalool, 4-Terpineol, Lavandulol, Citronellol, Nerol, Methol, Borneol, Hexanol, Heptanol, Cyclohexanol, 3,7-Dimethylocta-2,6-dien-1ol, 2-(2-Propyl)-5-methyl-cyclohexane-1-ol; isoparaffinische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Isodecan, Isododecan; im Handel erhältliche Mischungen von Isoparaffinen wie ISOPAR E^®, ISOPAR G^®, ISOPAR H^®, ISOPAR L^®, ISOPAR V^®, ISOPAR M^®, die alle von der Exxon Chemical Company hergestellt werden; SHELLSOL^®, das von der Shell Chemical Company hergestellt wird; SOLTROL^®, das von Philips Oil Co., Ltd. hergestellt wird; BEGASOL^®, das von Mobil Petroleum Co., Inc. hergestellt wird; IP Solvent 2835, das von Idemitsu Petrochemical Co., Ltd. hergestellt wird; naphthenische Öle; aromatische Lösungsmittel wie Benzol, Nitrobenzol, Toluol, ortho-, meta- und para-Xylol und deren Mischungen; 1,2-, 1,3- und 1,4-Dichlorbenzol und deren Mischungen; Trichlorbenzol; Cyanobenzol; Phenylcyclohexan und aliphatische Tetralinlösungsmittel wie Hexan, Heptan, Octan, Isooctan, Nonan, Decan, Dodecan; zyklische aliphatische Lösungsmittel (wie Bicyclohexyl und Decalin).
In Ausführungsformen können zwei oder mehr nicht-polare organische Lösungsmittel verwendet werden.
Das eine oder die mehreren nicht-polaren organischen Lösungsmittel können in der leitfähigen Tinte beispielsweise in einer Menge von etwa 5,0 bis etwa 50,0 Gewichtsprozent oder von etwa 10,0 bis etwa 40,0 Gewichtsprozent oder von etwa 10,0 bis etwa 30,0 Gewichtsprozent der leitfähigen Tinte vorhanden sein.
Bindemittel
Die leitfähige Tinte kann optional eines oder mehrere Bindemittel, wie Polymerbindemittel, beinhalten. Das eine oder die mehreren Bindemittel können als Haftvermittler wirken, um die Haftung der leitfähigen Tinte an einer großen Vielfalt von Substraten zu erleichtern und auch um die Stabilität der Tinte zu erhöhen, beispielsweise durch Verlängerung der Lagerfähigkeit der Tinte.
Das eine oder die mehreren Bindemittel, beispielsweise Polymerbindemittel, können eine hohe Viskosität (> 10⁶ cPs bei Raumtemperatur) aufweisen, um der Tinte zu gestatten, das Muster im Anschluss an das Drucken beizubehalten.
Das eine oder die mehreren Bindemittel können ein durchschnittliches Molekulargewicht (Mw) von etwa 10.000 bis etwa 600.000 Da oder von etwa 40.000 bis etwa 300.000 Da oder von etwa 40.000 bis etwa 250.000 Da aufweisen.
Das bzw. die Bindemittel können in einer Menge von etwa 0,25 bis etwa 10 Gewichtsprozent oder von etwa 0,5 bis etwa 5 Gewichtsprozent oder von etwa 1 bis etwa 2,5 Gewichtsprozent der leitfähigen Tinte vorhanden sein.
Bei dem bzw. den Polymerbindemitteln kann es sich beispielsweise um die Folgenden handeln: ein Polyvinylbutyral(PVB)-Terpolymer; Polyester, wie Terephthalate, Terpene, Styrolblock-Copolymere, wie (Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer, Styrol-Isopren-Styrol-Copolymer, Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol-Copolymer und Styrol-Ethylen/Propylen-Copolymer; Ethylen-Vinylacetat-Copolymere; Ethylen-Vinylacetat-Maleinsäureanhydrid-Terpolymere; Ethylenbutylacrylat-Copolymer; Ethylen-acrylsäure-Copolymer; Polymethylmethacrylat; Polyethylmethacrylat; Poly(alkyl)methacrylate; Polyolefine; Polybuten, Polyamide; und Mischungen davon.
In Ausführungsformen ist das Polymerbindemittel ein PVB-Terpolymer. Beispiele für geeignete PVB-Terpolymere beinhalten beispielsweise Polymere, die von MOWITAL^® (Kuraray America), S-LEC^® (Sekisui Chemical Company), BUTVAR^® (Solutia) hergestellt werden.
Die Tinte hierin kann eine Viskosität von etwa 20 cps bis etwa 1000 cps oder von etwa 30 cps bis etwa 750 cps oder von etwa 40 cps bis etwa 500 cps aufweisen. Die Tinten hierin können eine Leitfähigkeit von etwa 1,0 × 10⁴ S/cm bis etwa 4,0 × 10⁵ S/cm oder von etwa 1,5 × 10⁴ S/cm bis etwa 3,5 × 10⁵ S/cm oder von etwa 2 × 10⁴ S/cm bis etwa 3 × 10⁵ S/cm aufweisen. In Ausführungsformen können die Tinten hierin eine Leitfähigkeit von etwa 3,5 × 10⁴ S/cm aufweisen.
BEISPIEL
Das folgende Beispiel veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Dieses Beispiel soll nur als Erläuterung dienen, um eines von mehreren Verfahren zur Herstellung der leitfähigen Tinte zu zeigen, und soll den Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken. Ebenso sind Teile und Prozentanteile auf Gewicht bezogen, solange nichts anderes angegeben ist.
In diesem Beispiel wurde eine Tintenprobe unter Verwendung von Silbernanopartikeln und einer Mischung aus nicht-polaren Lösungsmitteln hergestellt. Die Tintenprobe wies die in Tabelle 1 beschriebene Zusammensetzung auf. Tabelle 1

Gew.-% Gew.-%

Silbernanopartikel 82 24.6

Bicyclohexyl 3.6 1.08

Decalin 14.4 4.32

INSGESAMT 100 30.0
Beispiel 1 – Tintenherstellung
In eine 30 ml Kunststoffflasche wurden 24,6 g Nanosilber (eine feste Dispersion, die 90 Gew.-% Nanosilberpartikel in Decalin-Lösungsmittel enthielt), gefolgt von 4,32 g Decalin-Lösungsmittel und 0,62 g Bicyclohexyl gegeben (7:1-Verhältnis Decalin/Bicyclohexyl). Dann wurden 10 g Glaskügelchen mit einem Durchmesser von 6 mm zugegeben, und die Probe wurde mit Ar gespült, die Flasche wurde mit Klebeband verschlossen und bei 175 UpM 4 Stunden lang gewälzt. Dann wurde die Probe gewogen, dann über Nacht mit Ar durch eine 16 ga. s/s-Spritzennadel geblubbert, um flüchtige Lösungsmittel, die aus der Nanopartikelsynthese übrig geblieben waren, zu entfernen. Am nächsten Tag wurde die Probe erneut gewogen, und die Masse des Lösungsmittelverlusts wurde berechnet. Nachdem den 12% flüchtigen Bestandteilen (bestimmt durch TGA-Analyse) Rechnung getragen worden war, wurden Decalin- und Bicyclohexyl-Lösungsmittel zurückgegeben, um das 7:1-Verhältnis von Decalin/Bicyclohexyl in der Mischung zu erreichen. Schließlich wurde die Probe erneut für eine Stunde bei 175 UpM gewälzt, was die fertige Tinte ergab.
Tabelle 2 zeigt die Eigenschaften der leitfähigen Tinte gemäß der vorliegenden Offenbarung. Tabelle 2

Eigenschaft Verfahren Ergebnis

Silbergehalt Asche 65.06%

Gehalt an flüchtigen TGA bei 40C 1.59%

Viskosität Scherstreich 4–400 s–1 8.36 cps
Beispiel 2 – Tintenprobe mit hoher Viskosität
52 g eines Feuchtkuchens aus stabilisierten Ag-Nanopartikeln wurden in eine Kunststoffflasche geladen, die 10 g Bicyclohexyl und 17 g Glaskügelchen von 5 mm Größe enthielt. Dann wurde die Mischung bei niedriger Geschwindigkeit (~200 UpM) 18 Stunden lang auf einer Walzenmühle gewälzt. Dann wurden die Glaskügelchen herausgefiltert, und das Konzentrat wurde dann in einen Vakuumofen bei Raumtemperatur geladen und 30 Stunden lang evakuiert. Die resultierende leitfähige Silbernanopartikeltinte enthielt einen Silbergehalt von 76 Gew.-%, der durch Entfernen aller Lösungsmittel und sämtlichen organischen Stabilisators für 20 Minuten auf einer Heizplatte (~250°C) bestimmt wurde. Die leitfähige Silbertinte gemäß diesem Beispiel wies eine Viskosität von ungefähr 53 cps auf.
K-Proof-Drucken und Flexi-proof-Drucken
Ungefähr 5 ml der Tinte von Beispiel 1 wurden auf der Tiefdruckplatte eines K-Druck-Prüfers (RK Print Coat Instruments Ltd, UK) verstrichen, und K-proof-Drucke wurden auf beschichtetem Xerox Digital Colour Elite Gloss(DCEG)-Papier und auf einem PET(Polyethylenterephthalat- oder Mylar-)Kunststoffsubstrat durchgeführt. Die gedruckten Schichten waren nach dem Drucken dunkelblau-schwarz und bekamen nach dem Trocknen allmählich einen silbrigen Glanz. Die Drucke wurden bei 130°C 30 Minuten lang im Ofen getrocknet, um den Lösungsmittelverdampfungs- und Temperprozess abzuschließen.
Die gleiche Tintenprobe (Beispiel 1) wurde auch mit einem Flexi-proof-Drucker (RK Printcoat Instruments, Royston, UK) gedruckt und bei 130°C 30 Minuten lang getempert. Zwei Beschichtungsgewichte wurde auf jedes Substrat aufgetragen (die Anilox-Walzbeschichtungsdichten betrugen 18 cm³/m² bzw. 13 cm³/m²).
Flächengebildewiderstands-, Resistivitäts- und Leitfähigkeitsmessungen
Um den Flächengebildewiderstand der getemperten Proben zu messen, wurde eine 4-Punkte-Sonde verwendet: Die durchschnittliche Dicke der aufgebrachten Schichten wurde durch RAM bestimmt – dieser Wert wurde verwendet, um aus dem gemessenen Flächengebildewiderstand durch Multiplizieren des Flächengebildewiderstands mit der Schichtdicke (in cm) eine ungefähre Resistivität in Ω·cm) zu berechnen. Schließlich wird die Leitfähigkeit durch Nehmen des Kehrwerts der Resistivität berechnet. Der Flächengebildewiderstand wird durch die folgende Formel wiedergegeben:
worin: Quadratzahl = Länge [mm] / Breite [mm]
Die Resistivität wird durch die folgende Formel wiedergegeben: Resistivität = Flächengebildewiderstand (in Ω/Quadrat) × Dicke (in cm)
Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert der Resistivität. Leitfähigkeit = 1/Resistivität
Je niedriger der Wert des Flächengebildewiderstands ist, desto besser ist die Leitfähigkeit. Das Ziel ist die Minimierung des Flächengebildewiderstands.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der gemessenen Werte für den Flächengebildewiderstand und die berechnete Resistivität und Leitfähigkeit für die aufgebrachten Schichten, die aus der in Beispiel beschriebenen Tinte hergestellt worden waren, auf beschichteten Papier- und Mylar-Substraten. A–D sind Bezeichnungen der 4 verschiedenen Proben. Tabelle 3

Probe	Substrat	Art des Drucks	Flächengebildewiderstand (/sq) (Ω/sq)	Ungefähre Dicke (μm)	Resistivität (Ω-cm)	Leitfähigkeit (S/cm)
A	Beschichtetes Papier	K-proof	1,67	0,5	1,67 × 10^–4	3,58 × 10³
B	Mylar	Flexi-proof	0.46	0.8	3,7 × 10^–6	2,7 × 10⁵
C	Mylar	Flexi-proof	0.80	0,8	6,4 × 10^–6	1,5 × 10⁵
D	Mylar	Flexi-proof	0.90	0,5	4,5 × 10^–6	2,2 × 10^–5

REM-Bildanalyse
Ein Abschnitt jeder Schicht aus Beispiel 1 wurde auf die verschiedenen Substrate gelegt und dann unter REM (Rasterelektronenmikroskopie) untersucht, um jede Schichttopographie zu betrachten. Die Bilder sind in 1 bis 8 gezeigt. Die Dicke der getemperten Silberschicht lag im Bereich von 0,5 bis 0,8 μm.
1 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbild (REM-Bild) der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1, die auf ein beschichtetes Papiersubstrat aufgebracht worden ist (Probe A). 2 zeigt ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 1. 3 zeigt ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe B). 4 zeigt ein REM-Seitenquerschnittsbild der Schicht von 3; 5 zeigt ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe C). 6 zeigt ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 5. 7 zeigt ein REM-Bild der Draufsicht auf eine gehärtete Tintenschicht von Beispiel 1, die auf ein Mylar-Substrat aufgebracht worden ist (Probe D). 8 zeigt ein REM-Querschnittsbild der Schicht von 7.
Wie aus 3–8 hervorgeht, kann die leitfähige Tinte gemäß der vorliegenden Offenbarung auf beschichtetes Papier und Substrate gedruckt werden. Dieses Phänomen ist ein Vorteil der Flexographie gegenüber dem Tiefdruck, der üblicherweise für poröse Substrate wie Papier und Karton bevorzugt wird. Ferner sind Flexographiedrucke im Allgemeinen dünner als Tiefdrucke. Durch die Verwendung einer Silbertinte mit hohem Silbergehalt mit geringen Stapelhöhen kann die Flexographie für das Drucken leitender Tinte verwendet werden.
Es sei klargestellt, dass Änderungen der oben offenbarten und anderer Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon auf vorteilhafte Weise in viele anderen Systeme oder Anwendungen kombiniert werden können. Auch dass verschiedene, derzeit noch nicht vorhersehbare oder nicht erwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen hierin später von Fachleuten durchgeführt werden können, welche auch von den folgenden Ansprüchen umfasst sein sollen.

Claims

Leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt, umfassend: Silbernanopartikel, die einen Anteil von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte ausmachen; eines oder mehrere nicht-polare organische Lösungsmittel; und ein optionales Bindemittel.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 1, wobei die Silbernanopartikel eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 0,5 bis etwa 100,0 nm aufweisen.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 1, wobei die Silbernanopartikel eine kugelige Form aufweisen.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 1, wobei Silbernanopartikel einen Anteil von etwa 65 bis etwa 90 Gewichtsprozent der leitfähigen Tinte umfassen.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 1, wobei die Silbernanopartikel aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus elementarem Silber, einer Silberlegierung, einer Silberverbindung oder Kombinationen davon besteht.
Leitfähige Nanosilbertinte mit hohem Silbergehalt, umfassend: Silbernanopartikel, die einen Anteil von mindestens etwa 65 Gewichtsprozent der Tinte ausmachen; eines oder mehrere Lösungsmittel; und ein optionales Bindemittel, wobei die Tinte eine Viskosität von etwa 20 bis etwa 1000 cps aufweist.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 6, wobei die Tinte eine Viskosität von etwa 30 cps bis etwa 750 cps aufweist.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 6, wobei die Tinte einen Flächengebildewiderstand von weniger als etwa 2 Ω/sq. aufweist.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 6, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Lösungsmitteln, die Benzol, Nitrobenzol, Toluol, ortho-, meta- und para-Xylol und Mischungen davon beinhalten; 1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen); 1,2-, 1,3- und 1,4-Dichlorbenzol und deren Mischungen; Trichlorbenzol; Cyanobenzol; Phenylcyclohexan; und Tetralin; aliphatische Lösungsmittel einschließlich Hexan, Heptan, Octan, Isooctan, Nonan, Decan, Dodecan und Isopar; cyclische aliphatische Lösungsmittel einschließlich Bicyclohexyl, Decalin, eines cyclischen Terpens, Cyclodecen. 1-Phenyl-1-cyclohexen. 1-tert-Butyl-1-cyclohexen und Mischungen davon.
Leitfähige Tinte nach Anspruch 6, wobei das Lösungsmittel einen Anteil von etwa 5,0 bis etwa 50,0 Gewichtsprozent der leitfähigen Tinte umfasst.