JP2001223065A - 電気発熱体厚膜形成用抵抗ペースト - Google Patents
電気発熱体厚膜形成用抵抗ペーストInfo
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Abstract
と。 【解決手段】(a)比表面積が5〜30m2/gの範囲
のルテニウム金属またはその酸化物粉末5〜75重量
%、(b)平均粒径が0.1〜3μmの範囲および最大
粒径が8μm以下のAg金属およびその化合物粉末5〜
75重量%、(c)軟化点が400〜550℃の範囲の
ガラスフリット5〜40重量%、および(d)有機バイ
ンダー5〜45重量%を含む電気発熱層形成用抵抗ペー
スト組成物。
Description
成用抵抗ペースト組成物に関し、特に約600℃以下で
燒結されることによって安定性、均一性および昇温特性
に優れた厚膜が形成できる、低温熱処理抵抗ペースト組
成物に関する。
または浸漬法によって電気的不導体基板の上に厚膜を形
成するに用い、一般に導電性物質並びに有機および無機
バインダー物質を含む。前記厚膜形成工程は、有機成分
を除去し無機成分は溶融させて導電性物質の基板に対す
る一体性を増大させる熱処理工程を伴う。
号には、ルテニウム酸化物粉末およびガラスフリット粉
末を有機溶媒と樹脂とからなる有機媒体に分散した抵抗
器部材用ペーストが開示されており、富士ゼロックス社
の米国特許第5,510,823号は、ペーストの分散
性を改善して均一な厚さを有する厚膜を得るために、有
機金属化合物と少なくとも一つの有機バインダー化合物
をアスファルト溶液に分散した、厚膜抵抗器部材用ペー
スト組成物を提示している。また、デュポンの韓国特許
第130831号には、ルテニウムピロクロロオキシド
(PbRuO3)5〜30重量%およびガラスバインダ
ー10〜90重量%を含む厚膜抵抗器組成物が開示され
ている。
成物を用いて抵抗器素子を製造する方法は、約600〜
1,000℃範囲の高い焼成温度を必要とし、したがっ
て、その適用がそのような高温に耐えられる基板に局限
されるという短所がある。
素子を製造する方法が、自体の発熱によって別途の熱源
が不必要であり、装置の軽量化が可能であるという長所
のため脚光を浴びている。
として、富士ゼロックス社の米国特許第5,900,2
95号は、シリンダー型の金属基材に絶縁層と抵抗層を
含む、電子複写機、プリンターまたはファクシミリのよ
うな電子写真装置に取付けられて紙シート上へのトナー
の定着に用いられる定着ローラーを開示している。この
特許においては、抵抗層が、ポリフェニレンスルフィド
樹脂、ポリフタルアミド樹脂および液晶高分子樹脂から
選ばれた樹脂およびカーボンブラックとカーボン繊維の
混合物を含む樹脂組成物から形成される。しかし、この
特許は、用いられた樹脂の特性上、煩わしい射出成形技
法によって抵抗層を形成しなければならないので、均一
な厚さと優れた発熱特性を有する厚膜が得られにくいと
いう短所がある。
目的は、簡単な印刷技法によって基板に適用でき、低温
で焼成して安定性、均一性および昇温特性に優れた電気
発熱体厚膜が形成できる、改善された厚膜発熱体形成用
抵抗ペースト組成物を提供することにある。
って、本発明では、(a)比表面積が5〜30m2/g
の範囲のルテニウム金属またはその酸化物粉末5〜75
重量%、(b)平均粒径が0.1〜3μmの範囲および
最大粒径が8μm以下のAg金属およびその化合物粉末
5〜75重量%、(c)軟化点が400〜550℃の範
囲のガラスフリット5〜40重量%、および(d)有機
バインダー5〜45重量%を含む、電気発熱層形成用抵
抗ペースト組成物が提供される。
導電性物質として用いられるルテニウム成分およびAg
成分は、厚膜の電気的および機械的特性を調節し、無機
バインダーとしてのガラスフリットは、基板に対する厚
膜の結合性を増大させる役割をし、有機バインダーは導
電性物質と無機バインダーを分散させる役割をし、厚膜
形成の際ペーストの流動性に影響を及ぼす。
またはその酸化物、たとえば、RuO2、GdBiRu
2O6−7、Pb2Ru2O6-7、Co2Ru 2O
6−7、PbBiRu2O6−7、CuxBi2−xR
u2O6−7(O<x<1)およびBi2Ru2O
6−7であり得る。
5〜30m2/gの範囲であることが好ましく、さらに
好ましくは、10〜25m2/gの範囲である。比表面
積が5m2/g未満であれば、粒子が過度に大きくなる
ため、均一な厚膜が得られなく、比表面積が30m2/
gより大きければ、粒子が過度に微細であるため、印刷
特性が低下し、精度が低下し、燒結性が低下して緻密な
膜が得られにくい。
0.01〜0.1μmの範囲であることが好ましく、さ
らに好ましくは0.02〜0.08μmの範囲である。
平均粒径が0.01μm未満でれば、粒子が過度に微細
であるため、印刷特性が低下し、精度が低下するため、
緻密な膜が得られにくくなる。また、平均粒径が0.1
μmより大きければ、粒子が過度に大きくなるため、均
一な厚膜が得られないので好ましくない。
成物重量の5〜75重量%、好ましくは5〜20重量%
範囲の量であって、使用量が5重量%未満でれば、形成
した電気発熱体が低い抵抗値を有することが難しく、7
5重量%を超過すれば、生成膜の表面平滑性が低下する
ため、好ましくない。
るAg成分は、Ag金属、その酸化物(たとえば、Ag
2O)、またはその合金(たとえば、AgPd、Ag
0.1Pd0.9RhO2など)であり得る。特に、低
温焼成可能なペーストを得るためには、前記Ag成分が
板状粉末形態であることが好ましい。
%、好ましくは20〜40重量%範囲の量で用いられ
る。5重量%未満で使用すると、形成した電気発熱体が
低い抵抗値を有しにくく、75重量%を超過すれば、過
度に低い抵抗値を有し、300℃以上の温度に発熱さ
れ、抵抗体の厚膜を損傷するおそれがあるので、好まし
くない。
〜3μmの範囲および最大粒径が8μm以下であること
が好ましいが、平均粒径が0.1μm未満でれば、粒子
が過度に微細になるため、燒結の際に収縮率が大きくな
り、膜にクラックが生じやすく、粒子が凝集されやすく
てペースト中での安定な分散状態を得ることが難しく、
印刷特性が低下される。また、平均粒径が3μmより大
きければ、ペースト塗膜の表面が粗くなり、微細なパタ
ーンを得ることが難しく、また、燒結性が低下して緻密
な薄膜が得られにくいため、好ましくない。
比)は0.5〜3.5m2/gであり、密度は2.5〜
6g/cm3の範囲であることが好ましい。比表面積が
0.5m2/g未満であれば、粒子が過度に大きくなる
ため、焼成後の塗布膜の平滑性が低下して好ましくな
く、3.5m2/gより大きければ、粒子が過度に微細
になるため、粒子が凝集しやく、印刷特性が低下する。
また、密度値が前記範囲を免れると、印刷特性が不良に
なるため、好ましくない。
ットは、ルテニウム粉末を相互結合させる無機バインダ
ーの役割をし、ペーストの基板に対する接着性を向上さ
せるとともに、燒結時に軟化して生成厚膜を基板側に結
着させる作用効果がある。
(DSC)法によって測定されるが、軟化点が400〜
550℃の範囲であることが好ましく、さらに好ましく
は420〜500℃範囲である。軟化点が400℃より
低いと、有機成分が含まれやすく、ペーストの塗膜中に
ブリスター(blister)が生じやすくなる。一方、軟化点
が550℃より高いと、焼成後の膜の基板に対する接着
強度が低下する。
組成物に5〜40重量%、好ましくは10〜40重量%
の範囲で用いられ、使用量が5重量%未満であれば、焼
成後の膜の基板に対する接着強度が低下し、40重量%
を超過すると、形成した電気発熱体が低い抵抗値を有す
ることが難しい。
ットAおよびガラスフリットBが好ましく用いられ得
る。前記ガラスフリットAとしては、酸化ビスマス(B
i2O 3)を含有するものが用いられ、酸化物換算表記
で示した組成成分および含量が下記表1のような組成を
90重量%以上含有することが好ましく、ガラスフリッ
トBは酸化鉛(PbO)を含有するものが用いられ、酸
化物換算表記で示した組成成分および含量が下記表2の
ような組成を90重量%以上含有するものが好ましい。
が応力を受けない温度におけるペーストの焼付が可能に
なる。
化ビスマス(Bi2O3)を40重量%未満で使用する
と、ペーストをガラス基板に焼付けるときの接着強度増
大効果が少なく、90重量%を超過すると、ガラスフリ
ットの軟化点が過度に低いため、ペーストの脱有機バイ
ンダー性が悪くなり、基板との接着強度が低下するた
め、好ましくない。酸化ビスマスの好ましい量は50〜
80重量%範囲である。
化ケイ素(SiO2)が5重量%未満の場合は、ガラス
フリットの安定性が低下し、30重量%より多い場合
は、耐熱温度が上昇するため、570℃以下でのガラス
基板上への焼付が困難となる。好ましくは、酸化ケイ素
を5〜15重量%範囲の量で用いる。
化ホウ素(B2O3)は、膜の接着強度、熱膨張係数な
どの特性が損傷されないようにガラス基板上での焼付温
度を制御するために加えられるが、5重量%未満では接
着強度が低下し、30重量%を超過するとガラスフリッ
トの安定性が低下する。酸化ホウ素は7〜20重量%範
囲の量で用いることが好ましい。
化バリウム(BaO)は、2重量%未満で用いると、焼
付温度を制御することが困難となり、40重量%を超過
すると膜の安定性が低下する。好ましくは2〜30重量
%範囲の量で用いる。
て、酸化鉛(PbO)が40重量%未満の場合は、ペー
ストをガラス基板上に焼付けるとき、接着強度を高める
効果が少なく、90重量%を超過すると、ガラスフリッ
トの軟化点が過度に低いため、ペーストの脱有機バイン
ダー性が悪くなり、基板との接着強度が低下するため、
好ましくない。酸化鉛の好ましい量は50〜80重量%
範囲である。
化ケイ素(SiO2)が10重量%未満の場合は、ガラ
スフリットの安定性が低下し、40重量%より多い場合
は、耐熱温度が上昇するため、570℃以下でのガラス
基板上への焼付が困難となる。好ましくは、酸化ケイ素
は10〜30重量%範囲の量で用いる。
化ホウ素(B2O3)が5重量%未満で用いると、接着
強度が低下し、30重量%を超過して使用するとガラス
フリットの安定性が低下する。酸化ホウ素は5〜20重
量%範囲の量で用いることが好ましい。
酸化チタン(TiO2)を10重量%を超過して用いる
と、ガラス層の安定性が低下し、好ましい使用量は2〜
5重量%の範囲である。
化アルミニウム(Al2O3)は組成物の変形温度を高
め、ガラス組成やペーストを安定させるために加えら
れ、20重量%を超過するとガラスの耐熱温度が過度に
高くなるため、ガラス基板上への焼付が困難となる。好
ましい使用量は2〜15重量%の範囲である。
して前記ガラスフリットAとガラスフリットBの両方を
含有する複合ガラスフリットを使用することもでき、酸
化物換算表記で示した構成成分および含量が下記表3の
ような複合ガラスフリットを90重量%以上含有するこ
とが好ましい。
ラスフリットは、平均粒径が0.2〜5μmおよび最大
粒径が10μm以下であることが好ましい。前記ガラス
フリットの粒径を前記範囲にすると、低温でのガラス基
板との接着強度が高くなり、低抵抗性の緻密な膜が得ら
れ、また、薄膜にする場合にも薄膜の剥離が生じにくい
という長所がある。
バインダー成分としては、エチルセルロース、メチルセ
ルロース、ニトロセルロース、カルボキシメチルセルロ
ースなどのセルロース誘導体と、アクリル酸エステル、
メタクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、ポリビ
ニルブチラールなどの樹脂成分とが使用され得る。これ
らのうち、アクリル樹脂、エチルセルロースが好ましく
使用され得る。
物に5〜45重量%の量で用いられるが、この範囲を外
れると、焼成段階において完全に蒸発(燒結、脱バイン
ダー)できなくなるため好ましくない。
し、導電性微粉末およびガラスフリットを分散して粘度
を調整するために有機溶媒を加えることができる。有機
溶媒としては、テキサノール(2,2,4−トリメチル
−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート)、エ
チレングリコール(テルペン)、ブチルカルビトール、
エチルセロソルブ、エチルベンゼン、イソプロピルベン
ゼン、メチルエチルケトン、ジオキサン、アセトン、シ
クロヘキサノン、シクロペンタノン、イソブチルアルコ
ール、ジメチルスルホキシド、テレピネオール、パイン
油、ポリビニルブチラール、3−メトキシブチルアセテ
ート、γ‐ブチロラクトン、ジエチルフタレートなどが
ある。これらの有機溶媒は、単独または2種以上混合し
て用いられ得る。
ースト組成物の貯蔵安定性、フィルム厚さの均一性およ
び印刷パターンの分離能を向上させ、膜表面の亀裂を防
止するため、添加剤が使用され得る。このような添加剤
の例としては、ヒドロキノンモノメチルエーテルのよう
な重合禁止剤;ポリアクリレート、セルロース誘導体の
ような分散剤;基材に対する接着性を改善するためのシ
ランカップリング剤などの接着性付与剤;塗布性能を改
善するための消泡剤;作業性を改善するためのポリエチ
レングリコール、ジブチルフタレートなどのような可塑
剤;界面活性剤;チキソトロピー性付与剤などがあり、
前記添加剤は0.1〜5.0重量%の範囲内で本発明組
成物の効果に害を与えない範囲の量で含まれ得る。
3つのロールを有するロールミール、ミキサー、均質化
器などの混練器を用いて混練することができる。また、
塗布に適合な流動性を与えるために、ペースト組成物の
粘度は剪断速度(shear rate)4S−1において通常7
0,000〜300,000センチポアズの範囲であ
る。印刷時の塗布液の粘度は、好ましくは100,00
0〜200,000センチポアズの範囲、さらに好まし
くは130,000〜180,000センチポアズの範
囲に調整する。
は浸漬法などの通常の方法によって基板上に塗布し、た
とえば、80〜120℃範囲の温度で約5〜10分間乾
燥した後、500〜600℃範囲の比較的低い温度で5
〜30分間、特に約550℃で約20分間焼成して化学
的・物理的に安定な発熱体用抵抗層を形成することがで
きる。焼成温度までの昇温速度は30〜80℃/分、好
ましくは約40℃/分であり得る。
膜発熱体は、約0.1〜30Ω/mm2範囲の低い抵抗
値を有し、約5〜15秒以内に約200℃(加熱手段、
たとえば、熱ヘッドを含む種々の電気または電子装置の
作動に通常必要な温度)に至る程度に短時間内に温度上
昇が可能であるため、多様な分野で発熱体が必要な全て
の装置に有用できる。
細に説明する。ただし、下記実施例は本発明を例示する
ためのもののみであり、本発明の範囲を制限しない。
ト用混合粉末を得た。
重量部を有機溶媒としてのテレビネオールに加えて粘度
を150,000センチポアズに調整した後、3軸ロー
ルで混練して本発明の抵抗ペーストを製造した。
ルミナ(Al2O3)基板にスクリーン印刷して2.5
cmx2.5cmの大きさおよび厚さ23μmの抵抗ペ
ースト塗膜を形成した。塗膜を150℃で10分間乾燥
した後、40℃/分の速度で昇温し、最高温度550℃
で20分間焼成を行って厚さ6μmの抵抗層を形成し
た。
層を通常の方法に従って形成し、次いで電極層を保護す
るためにPbO 85重量%、SiO2 5重量%およ
びB 2O3 10重量%からなるガラスフリット(軟化
点305℃、平均粒径約3μm以下、最大粒径約10μ
m以下)70重量%と有機媒質30重量%を含むガラス
組成物を用いて保護層を形成することによって、厚膜発
熱体を得た。
/mm2であり、電極の両端にAC110Vを印加して
抵抗体表面の温度を測定した結果、200℃に至るまで
12秒が所要された。
のように変えたことを除いては同様に行った。
抵抗が6Ω/mm2であり、電極の両端にAC110V
を印加したとき、200℃に至るまで6秒が所要され
た。
のように変えたことを除いては同様に行った。
抵抗が25Ω/mm2であり、電極の両端にAC 22
0Vを印加したとき、200℃に至るまで12秒が所要
された。
のように変えたことを除いては同様に行った。
抵抗が480Ω/mm 2であり、電極の両端にAC11
0Vを印加する順間、抵抗体の膜が破壊して発熱特性を
観察することができなかった。
のように変えたことを除いては同様に行った。
抵抗が25kΩ/mm 2であり、電極の両端にAC 1
10Vを印加したとき、200℃に至るまで10分30
秒が所要された。
のように変えたことを除いては同様に行った。
抵抗が4.3kΩ/mm2であり、電極の両端にAC1
10Vを印加したとき、200℃に至るまで5分15秒
が所要された。また、抵抗体層が崩れて完全に焼成され
た厚膜が得られなかった。
テニウム系粉末、Ag系粉末、ガラスフリットおよび有
機バインダーからなって、相対的に低温である600℃
以下の温度においても焼成することができ、基板に対す
る接着強度に優れ、短時間内に温度上昇が可能であるた
め、多様な電子電気製品分野において発熱体用厚膜の形
成に有用できる。
Claims (13)
- 【請求項1】(a)比表面積が5〜30m2/gの範囲
のルテニウム金属またはその酸化物粉末5〜75重量
%、(b)平均粒径が0.1〜3μmの範囲および最大
粒径が8μm以下のAg金属およびその化合物粉末5〜
75重量%、(c)軟化点が400〜550℃の範囲の
ガラスフリット5〜40重量%、および(d)有機バイ
ンダー5〜45重量%を含む、電気発熱層形成用抵抗ペ
ースト組成物。 - 【請求項2】前記ルテニウム酸化物が、RuO2、Gd
BiRu2O6−7、Pb2Ru2O6-7、Co2Ru
2O6−7、PbBiRu2O6−7、Cu xBi
2−xRu2O6−7(O<x<1)、Bi2Ru2O
6−7およびこれらの混合物からなる群から選ばれるこ
とを特徴とする請求項1記載の抵抗ペースト組成物。 - 【請求項3】前記ルテニウム成分(a)が、平均粒径が
0.01〜0.1μmの範囲であることを特徴とする請
求項1記載の抵抗ペースト組成物。 - 【請求項4】前記Ag成分(b)が、板状粉末形態であ
ることを特徴とする請求項1記載の抵抗ペースト組成
物。 - 【請求項5】前記Ag成分(b)が、比表面積が0.5
〜3.5m2/gの範囲であることを特徴とする請求項
1記載の抵抗ペースト組成物。 - 【請求項6】前記ガラスフリットが、Bi2O340〜
90重量%、SiO 25〜30重量%、B2O35〜3
0重量%およびBaO2〜40重量%を含むことを特徴
とする請求項1記載の抵抗ペースト組成物。 - 【請求項7】前記ガラスフリットが、PbO40〜90
重量%、SiO210〜40重量%、B2O35〜30
重量%、TiO20〜10重量%およびAl 2O30〜
20重量%を含むことを特徴とする請求項1記載の抵抗
ペースト組成物。 - 【請求項8】前記ガラスフリットが、Bi2O340〜
90重量%、PbO40〜90重量%、SiO25〜3
0重量%、B2O35〜30重量%、BaO2〜20重
量%、TiO20〜10重量%およびAl2O30〜2
0重量%を含むことを特徴とする請求項1記載の抵抗ペ
ースト組成物。 - 【請求項9】前記ガラスフリットが、平均粒径が0.2
〜5μmの範囲であり、最大粒径が10μm以下である
ことを特徴とする請求項1記載の抵抗ペースト組成物。 - 【請求項10】絶縁基板上に請求項1〜9のいずれか一
つの項による抵抗ペースト組成物をコーティングし、コ
ーティング層を500〜600℃範囲の温度で焼成する
ことによって得られる厚膜発熱体。 - 【請求項11】約0.1〜30Ω/mm2範囲の抵抗値
を有することを特徴とする請求項10記載の厚膜発熱
体。 - 【請求項12】5〜15秒以内に200℃に至ることを
特徴とする請求項10記載の厚膜発熱体。 - 【請求項13】前記基板が、ステンレス鋼、セラミック
スおよびガラスからなる群から選ばれることを特徴とす
る請求項10記載の厚膜発熱体。
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