JP2007281307A - ニッケルインク - Google Patents

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Abstract

【課題】正確且つ微細な配線や電極を形成するのに適した導電性インクを提供すること。
【解決手段】本発明のニッケルインクは、分散媒にニッケル粒子を分散させてなり、メチルジメトキシシランカップリング剤を含有する。分散媒は、常温での沸点が300℃以下であるグリコール、炭素数3〜10のアルコキシエタノール及び炭素数2〜8のエーテルを含む。インクは、表面張力が15〜50mN/m、25℃における粘度が0.6〜60mPa・secに調整されていることが好ましい。このインクは好ましくはインクジェット印刷方式で用いられる。
【選択図】なし

Description

本発明はニッケルインクに関する。また本発明は、該ニッケルインクの塗膜を焼成して形成された導体膜及びその製造方法に関する。
近年、ナノメートルオーダーの粒径の金属ナノ粒子を利用した回路パターン形成技術として、導電性金属インク(金属ナノ粒子を含有する金属インク)をインクジェット印刷装置やディスペンサー塗布装置を用い、各種基板に直接描画した後、焼成することによって導体としての配線や電極を得る手法が数多く提案されている。金属ナノ粒子を利用して多種多様な基板へ低温焼成により回路パターンを形成する技術としては、例えば特許文献1に示す技術が知られている。また、導電性金属インクを用いインクジェット印刷法を利用して回路形成する技術としては、例えば特許文献2に示す技術が知られている。
インクジェット方式等で導電性金属インクを基板に直接印刷する手法は、従来、一般的に普及してきたフォトリソグラフィー法を利用した回路パターン形成技術と比較して、工程数が少なく、また工程から排出される廃棄物量が少ないので、生産コストを著しく削減できる技術として注目を集めている。この従来法としては、例えば各種基板上に回路パターンを形成する方法として、特許文献3に開示されているようなフォトリソグラフィー法があった。
このように、フォトリソグラフィー法から、インクジェット印刷法やディスペンサー塗布法へ技術が進歩し、基板上での回路形成がより簡便で安価にできるようになってきた。しかし、インクジェット印刷法やディスペンサー塗布法による導電性インクを利用した回路形成技術は、広く一般的に普及した技術とはなっていない。この原因としては、次の(i)〜(ii)のような理由が主に挙げられる。
(i)形成された導体膜は各種基板に対する密着性に欠けるので、そもそも回路基板としての基本的特性を満足できない。
(ii)形成された導体膜は表面の平滑性が十分でない。通常、回路は基材層を含めた積層構造体であるため、導体膜表面の平滑性が十分なものでなければ、種々の意味で利用分野が制限されてくる。例えば、粗い導体膜の表面に異種成分層を形成しようとしても、下地の導体膜表面の粗さの影響を受け、異種成分層は良好な膜厚均一性を維持できなくなる等の不具合が生じる。
上述の(i)の問題点は、導電性インクを構成する分散媒側の特性が大きく寄与すると考えられる。その理由は、印刷されたインクを加熱し焼成させて形成された導体膜と基材との密着性は、分散媒に含まれるバインダ成分と基材との化学的反応に依存すると考えられるからである。(ii)の問題点は、導電性インクを構成する金属粉(金属粒子)と分散媒との双方の特性が寄与すると考えられる。具体的には、金属粒子自体が粗ければ、そもそも滑らかな表面を持つ導体膜の形成が不可能なことは明らかである。これに加えて、印刷されたインクの焼成中に分散媒が気化し、導体膜の内部から気散するガス発生等が激しくなると、導体膜表面を滑らかにできない。
ところでインク中に含まれるバインダ成分に関し、特許文献4にはメルカプト基又はアミノ基を有するシランカップリング剤を用いることが開示されている。しかし、金属粒子としては金、銀、白金、銅、パラジウムが用いられており、ニッケルは用いられていない。また特許文献4に記載されているインクは、粘性が比較的高いペースト状のものなので、インクジェット印刷用に適したものとは言い難い。
特開2002−334618号公報 特開2002−324966号公報 特開平9−246688号公報 特開2004−179125
従って本発明の目的は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得るニッケル微粒子含有インクを提供することにある。
本発明は、分散媒にニッケル粒子を分散させてなり、メチルジメトキシシランカップリング剤を含有するニッケルインクであって、該分散媒が、常温での沸点が300℃以下であるグリコール、炭素数3〜10のアルコキシエタノール及び炭素数2〜8のエーテルを含むニッケルインクを提供するものである。
また本発明は、前記のニッケルインクの塗膜を焼成して形成され、平均表面粗さRaが10nm以下で、最大表面粗さRmaxが200nm以下であることを特徴とする導体膜を提供するものである。
更に本発明は、前記のニッケルインクを基板上に塗布して形成された塗膜を150〜950℃で焼成することを特徴とする導体膜の製造方法を提供するものである。
本発明のニッケルインクは、ディスペンサー塗布方式やインクジェット印刷方式を用いて正確且つ微細な配線や電極を形成するのに適したものである。本発明のニッケルインクを用いて形成された導体膜は、各種基板や異種元素で形成した回路等に対する密着性に優れる。また、本発明のニッケルインクを用いて形成された導体膜は表面平滑性に優れる。従って、本発明のニッケルインクは、ガラス、インジウム・スズ酸化物(ITO)、銀、銅、シリコン等の各種基材の上に、電極や配線を形成する用途に好適なものとなる。
本発明のインクは、ニッケル微粒子含有の導電性インク、即ちニッケルインクである。ニッケルインクを用いて形成される導体膜は、その適用分野から、平均表面粗さRaが10nm以下、最大表面粗さRmaxが200nm以下であることが求められてきた。そこで本発明においては、ナノニッケル粒子を用いることを前提とし、ニッケルインクの組成を特定のものとすることで、該インクを用いて形成される導体膜の各種基材との密着性を高めることを可能とした。この導体膜は低電気抵抗を示し、また表面平滑性に優れたものとなる。
本発明のニッケルインクは分散媒にニッケル粒子を分散させてなるものである。インク中には特定の構造を有するシランカップリング剤が含有されている。
インクに含まれるニッケル粒子は平均一次粒径が3〜150nm、特に3〜30nmであることが好ましいこの範囲の粒径のニッケル粒子を用いることで、本発明のインクを用いて形成された導体膜の平均表面粗さRa及び最大表面粗さRmaxを低い値とすることが可能となる。また、本発明のインクをインクジェット印刷方式等で使用した場合に、ノズルの目詰まりが防止される。更に、本発明のインクを用いて形成された導体膜からなる配線や電極の膜厚を小さくすることができ、微細配線や微細電極を容易に形成できる。このような微粒のニッケル粒子としては、例えば本出願人が市販しているナノニッケル粒子であるNN−20(商品名)を用いることができる。
ニッケル粒子の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡による観察で、一視野中に含まれる最低200個の粒子の粒径を測定し、これらを積算して平均することにより求められる。
ニッケル粒子の平均一次粒径が小さということは、該粒子が細かなものであるという根拠になる。しかし、微粒であってもインク中で粒子同士の凝集が進行し、二次構造体としての粒径が大きくなると、導体膜表面の平滑性が低下する。また本発明のインクをインクジェット印刷方式等で使用した場合に、ノズルの目詰まりが起こるおそれがある。これらの観点から、インク中のニッケル粒子の二次構造体としての凝集粒の最大粒子径を0.45μm以下とすることが好ましい。
ニッケル粒子の形状に特に制限はない。ニッケル粒子は一般に球状である。また、インクの経時的変化が大きくなったり、焼結特性が劣化したり、形成された導体膜の抵抗が上昇したりする等の阻害要因とならない限り、ニッケル粒子の表面をオレイン酸やステアリン酸等で処理してもよい。
インク中におけるニッケル粒子の配合量は好ましくは3〜70重量%、更に好ましくは5〜70重量%、一層好ましくは5〜65重量%、特に好ましくは5〜60重量%、最も好ましくは5〜30重量%である。ニッケル粒子の配合量をこの範囲内とすることによって、焼成により得られる導体膜の表面平滑性を高くすることができ、また該導体膜を十分に薄膜化することができる。
本発明のインクは、特定の構造のシランカップリング剤、即ちメチルジメトキシシランカップリング剤を含有している点に特徴の一つを有する。このシランカップリング剤を含有するインクの塗膜を焼成して導体膜を形成すると、焼成中の塗膜の寸法安定性が高まり表面平滑性の高い導体膜を得ることが可能となる。また、基材との密着性の高い導体膜を得ることが可能となる。
詳細には、メチルジメトキシシランカップリング剤は、Siを中心として考えたときに、メトキシ基の配置に関して直線構造を有しているので、焼成中における収縮が主として二次元方向に関して起こる。その結果、三次元に収縮する場合に比較して塗膜の収縮の程度が小さくなり、該塗膜の表面平滑性が導体膜に引き継がれる。また、焼成中に脱離する基は、2つのメトキシ基中のメチル基のみなので、焼成に伴い発生するガスの量が少なくなり、それに起因して塗膜が損傷を受けづらくなる。これによっても塗膜の表面平滑性が導体膜に引き継がれる。
なお本発明において用いられるシランカップリング剤は、1個のメチル基及び2個のメトキシ基以外に、Siに結合している反応性官能基を1個有していてもよい。本発明において用いられるシランカップリング剤が該反応性官能基を有している場合、該反応性官能基の種類に特に制限はない。例えばアルキル基、アミノ基、エポキシ基、ビニル基、スチリル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基などを用いることができる。アルキル基としては、炭素数が1〜16、特に1〜8であるものが挙げられる。アミノ基としては、例えば3−アミノプロピル基、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピル基、N−フェニル−3−アミノプロピル基などが挙げられる。エポキシ基としては、例えば3−グリシドキシプロピル基、2−(3,4−エポキシシクロヘキシ)エチル基などが挙げられる。
本発明において用いられるシランカップリング剤は、インク中に含まれるニッケル粒子の配合量との関係で配合量が決定される。具体的には、シランカップリング剤/ニッケル粒子の重量比が0.1〜0.5、特に0.2〜0.4となるようにシランカップリング剤が配合されることが好ましい。シランカップリング剤の配合量をこの範囲とすることで、本発明のインクを焼成して形成される導体膜と基板との密着性が十分に高くなり、また該導体膜の表面平滑性が十分に高くなる。その上、該導体膜の導電性が十分に高くなる。ニッケル粒子に対するシランカップリング剤の重量比は上述の通りであるが、インク中でのシランカップリング剤それ自体の濃度は、前記の重量比を満たすことを条件として、0.4〜40重量%、特に1〜40重量%、とりわけ1〜25重量%であることが好ましい。
本発明のインクは、前述したニッケル粒子を分散媒に分散させてなるものである。この分散媒としては、1種又は2種以上の有機溶剤を用いることができる。分散媒における主溶剤としては常圧(1気圧)での沸点が300℃以下であるグリコール類が用いられる。沸点が300℃を超えるものを用いると、インクの塗膜を焼成したときに、焼成に伴い分散媒がガス化し、このガスが膜内に微小なク
ラックや空隙を発生させる場合がある。その結果、緻密な導体膜を形成しづらく、各種基材との密着強度を高くすることが容易でなくなる。また導体膜の電気抵抗が上昇しやすい。主溶剤とは、分散媒が2種以上の有機溶剤からなる場合、必ずしも比率が最も高い有機溶剤のことを意味するわけではない。なお分散媒としては水を用いないことが好ましい。なお、このことは本発明のインクが水を含有しないことを意味するものではない。本発明のインク中には、前述したシランカップリング剤の加水分解を円滑に進行させることを目的として、微量の水分が含有されていることが好ましい。
グリコール類としては、例えばエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、1,2−ブチレングリコール、1,3−ブチレングリコール、1,4−ブチレングリコール、ペンタメチレングリコール、へキシレングリコール等が挙げられる。これらは1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、常温(20℃)での粘度が100mPa・sec以下であるものが好ましい。粘度が高すぎる場合、インクジェットに適した粘度調整が困難となるからである。グリコール類としては、特にエチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブチレングリコールを用いることが好ましく、とりわけエチレングリコールを用いることが好ましい。
主溶剤は本発明のインク中に好ましくは10〜80重量%、更に好ましくは35〜80重量%、一層好ましくは35〜70重量%配合される。
本発明のインクには、分散媒として、前述の主溶剤に加えて他の有機溶剤を含有させる。他の有機溶剤は、主として表面張力調整剤や、粘度調整剤としての働きを有する。表面張力調整剤や粘度調整剤としての働きを有する有機溶剤をインク中に含有させることで、本発明のインクの表面張力及び粘度がインクジェット印刷方式に適切な範囲となる。表面張力調整剤や粘度調整剤として用いられる有機溶剤は、主溶剤と相溶性があることが好ましい。
表面張力調整剤に関しては、その表面張力が15〜50mNであるものを用いることが好ましい。また表面張力調整剤としては、常圧での沸点が100〜300℃であるものを用いることが好ましい。具体的には、表面張力調整剤としては、炭素数3〜10のアルコキシエタノールが用いられる。かかるアルコキシエタノールを用いると、インクの品質を長期間にわたって維持できるので有利である。そのようなアルコキシエタノールとしては、例えば2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−プロポキシエタノール、2−n−ブトキシエタノール等が挙げられる。とりわけ2−n−ブトキシエタノールを用いると、ニッケル粒子の分散性が非常に良好になるので好ましい。なお、用いる表面張力調整剤の種類によっては、先に説明した主溶剤が表面張力調整剤を兼ねる場合がある。そのような場合には、主溶剤とは別途に表面張力調整剤を配合する必要はない。
粘度調整剤に関しては、常圧での沸点が100℃〜300℃であるものを用いることが好ましい。また粘度調整剤はそれ自体の粘度が25℃において0.6〜60mPa・secであることが好ましい。具体的には炭素数2〜8のエーテルが用いられる。そのようなエーテルとしては、例えば1,4−ジオキサン、γ−ブチロラクトン、ジ−n−ブチルエーテル等が挙げられる。特にγ−ブチロラクトンを用いると、ニッケル粒子の分散性が非常に良好になるので好ましい。なお、用いる粘度調整剤の種類によっては、先に説明した主溶剤が粘度調整剤を兼ねる場合がある。そのような場合には、主溶剤とは別途に粘度調整剤を配合する必要はない。
表面張力調整剤及び粘度調整剤は、主溶剤の配合量との関係で配合量が決定される。具体的には、表面張力調整剤に関しては、表面張力調整剤/主溶剤の重量比が0.3〜1.2、特に0.7〜1.2となるように配合されることが好ましい。一方、粘度調整剤に関しては、粘度調整剤/主溶剤の重量比が0.1〜0.5、特に0.1〜0.3となるように配合されることが好ましい。表面張力調整剤及び粘度調整剤の配合量をこの範囲とすることで、本発明のインクをインクジェット印刷方式に適したものとすることができる。また、インク中でのニッケル粒子の分散性を良好にすることができる。
主溶剤に対する表面張力調整剤の重量比は上述の通りであるが、インク中での表面張力調整剤それ自体の濃度は、前記の重量比を満たすことを条件として、好ましくは5〜60重量%、更に好ましくは5〜50重量%、一層好ましくは20〜50重量%とする。一方、インク中での粘度調整剤それ自体の濃度は、前記の重量比を満たすことを条件として、好ましくは1〜50重量%、更に好ましくは4〜50重量%、一層好ましくは4〜30重量%とする。
前述した主溶剤、表面張力調整剤及び粘度調整剤を含む分散媒全体の配合量は、インク全体に対して好ましくは30〜95重量%、更に好ましくは70〜95重量%とする。
本発明のインクは、分散媒の一種である前述の表面張力調整剤や粘度調整剤の配合によって、その表面張力が15〜50mN/m、特に20〜40mN/mになっており、25℃における粘度が0.6〜60mPa・sec、特に2〜40mPa・secになっていることが、インクジェット印刷法に適した表面張力及び粘度となる点から好ましい。
本発明のインクは例えば次の方法で調製することができる。まずニッケル粒子と分散媒とを混合して母ニッケルスラリーを調製する。分散機を用いて母ニッケルスラリーの分散処理を行う。次いでメンブレンフィルタ等のろ過材を用いてニッケルの凝集粒子を除去した後、遠心分離器を用いてニッケル粒子の濃度調整を行う。このようにして得られたニッケルスラリーに、シランカップリング剤、並びに必要に応じ表面張力調整剤及び粘度調整剤を配合し、十分に混合する。このようにして目的とするニッケルインクが得られる。
このようにして得られたインクを、ガラス、インジウム・スズ酸化物(ITO)、銀、銅、シリコン等の各種基材の上に、インクジェット印刷方式やディスペンサー塗布方式によって塗布する。塗布によって形成された塗膜を好ましくは150〜950℃、更に好ましくは200〜400℃で焼成する。焼成の雰囲気に特に制限はないが、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下、水素−窒素混合雰囲気下等に焼成を行うことが好ましい。水素−窒素混合雰囲気下に焼成を行う場合、水素の濃度は1〜4容積%程度であることが好ましい。何れの雰囲気を用いる場合であっても、焼成時間は0.5〜2時間程度とすることが好ましい。
焼成によって得られた膜は導電性を有したものとなる。この導体膜はその平均表面粗さRaが10nm以下、最大表面粗さRmaxが200nm以下という平滑なものとなる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されない。
〔実施例1〕
(1)ニッケルスラリーの調製
ニッケル粒子(三井金属鉱業社製NN−20 平均一次粒子径20nm)50gと主溶剤としてのエチレングリコール950gとを混合させ、母ニッケルスラリー1000gを得た。
(2)分散処理
母ニッケルスラリーを、ジルコニアビーズ(株式会社ニッカトー製、0.1mmφ)をメディアとしたペイントシェーカー(浅田鉄鋼株式会社製)にて、30分間分散処理を行った。次に、高速乳化分散機であるT.K.フィルミックス(特殊機化工業株式会社製)にて分散化処理を行い、ニッケル粒子を分散させたニッケルスラリーを得た。
(3)凝集粒除去
得られたスラリー中に含有される凝集粒子を、メンブレンフィルタ(アドバンテック東洋株式会社製、孔径0.45μm)に通液することで除去し、粗粒を含まないニッケルスラリーを得た。
(4)濃度調整
前記ニッケルスラリーを、遠心分離機によってニッケル濃度21.0重量%に調整した。次いでT.K.フィルミックス(特殊機化工業株式会社製)にて、更に分散処理を行い、濃度調整したニッケルスラリーを得た。
(5)ニッケルインクの調製
前記ニッケルスラリー102gに、メチルジメトキシシランカップリング剤5.4g(信越シリコーン社製KBM−602(商品名))、表面張力調整剤として2−n−ブトキシエタノール80.7g(和光純薬工業株式会社製)、粘度調整剤としてγ−ブチロラクトン16.2g(和光純薬工業株式会社製)を添加した。これらをT.K.フィルミックス(特殊機化工業株式会社製)にて混合し、ニッケルインクを得た。インク中のニッケル粒子の濃度は10.5重量%、シランカップリング剤の濃度は2.6%、2−n−ブトキシエタノールの濃度は39.5%、γ−ブチロラクトンの濃度は7.9%であった。分散媒の濃度は39.5%であった。
(6)印刷性の評価
得られたニッケルインクの粘度を、粘度測定装置(山一電機社製VM−100A)にて測定したところ24mPa・secであった。また、ニッケルインクの表面張力を表面張力測定装置(エーアンドディ社製DCW−100W)にて測定したところ35mN/mであった。このインクについて、市販のインクジェットプリンター(セイコーエプソン株式会社製PM−G700)を用い、無アルカリガラス基板(日本電気硝子株式会社製OA−10)へ配線パターン(ライン&スペース100μm、長さ2cm)を印刷したところ、インクはノズルに詰まらなかった。また、100回の連続印刷及び時間放置後の間歇印刷も可能であった。配線パターンを光学顕微鏡で観察したところ、配線パターンに断線やインクの飛散は確認されず、良好な配線パターンであった。
(7)導体膜の作製
ニッケルインクを、無アルカリガラス基板(日本電気硝子株式会社製OA−10)上に、スピンコーター(MIKASA社製)を用いて、1000rpmで10秒間の条件で成膜した。次に、大気下100℃で10分間加熱乾燥を行い、更に、水素含有量が1容量%の水素−窒素混合雰囲気下、300℃で1時間加熱焼成を行って、導体膜を得た。
(8)導体膜の評価
導体膜の断面を、走査型電子顕微鏡(FEI COMPANY社製 FE−SEM)にて観察したところ、厚みが400nmの膜であった。また、導体膜の比抵抗を四探針抵抗測定機(三菱化学株式会社製ロレスタGP)にて測定したところ、3.8×10-3Ω・cmであった。
また導体膜とガラス基板との密着性をJIS K 5600 パラグラフ5−6に準じ、クロスカット法により評価したところ、分類0であり、良好な密着性を有していた。また、導体膜を、水中で10分間超音波洗浄し、続いてアセトン中で10分間超音波洗浄した後にマイクロスコープにて観察したところ、導電膜の剥離は観察されなかった。
更に導体膜の表面を走査型電子顕微鏡(FEI COMPANY社製 FE−SEM)にて観察したところ、平滑であることが確認された。東京精密製SURFCOM 130A にて表面の粗さを測定したところ、Ra=4nm Rmax=48nmであった。
〔比較例1〕
シランカップリング剤としてテトラエトキシシラン(信越シリコーン社製のKBE−04(商品名))を用いる以外は実施例1と同様にしてニッケルインクを得た。各成分の濃度は実施例1と同様となるようにした。得られたインクを用いて実施例1と同様の操作で導体膜を作製し、その表面の粗さを測定したところ、Ra=38nm Rmax=540nmであった。

Claims (6)

  1. 分散媒にニッケル粒子を分散させてなり、メチルジメトキシシランカップリング剤を含有するニッケルインクであって、該分散媒が、常温での沸点が300℃以下であるグリコール、炭素数3〜10のアルコキシエタノール及び炭素数2〜8のエーテルを含むニッケルインク。
  2. 前記ニッケル粒子は、その構成粒子の平均一次粒径が3〜150nmである請求項1記載のニッケルインク。
  3. 表面張力が15〜50mN/m、25℃における粘度が0.6〜60mPa・secに調整されている請求項1又は2記載のニッケルインク。
  4. 前記グリコールがエチレングリコールであり、前記アルコキシエタノールが2−n−ブトキシエタノールであり、前記エーテルがγ−ブチロラクトンであり、インクジェット印刷方式で用いられる請求項1ないし3の何れかに記載のニッケルインク。
  5. 請求項1ないし4の何れかに記載のニッケルインクの塗膜を焼成して形成され、平均表面粗さRaが10nm以下で、最大表面粗さRmaxが200nm以下であることを特徴とする導体膜。
  6. 請求項1ないし4の何れかに記載のニッケルインクを基板上に塗布して形成された塗膜を150〜950℃で焼成することを特徴とする導体膜の製造方法。
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