JP2007327034A - インクジェット用金属インク組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】水系にて合成されるナノ粒子を用いたインクジェット用金属インク組成物を提供する。
【解決手段】本発明は、金属ナノ粒子２０ないし８５重量％と、及び有機溶媒１５ないし８０重量％と、を含み、上記有機溶媒がエチレングリコール系列のエーテル、またはこれを含む混合溶媒からなる金属インク組成物に関する。本発明は、インクジェットヘッドに適する有機溶媒を用いて高濃度の金属含量を有しながら、インクの吐出性、保管性、低粘度などを改善できる金属インク組成物を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット用金属インク組成物（Ｍｅｔａｌ ｉｎｋ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｋ-ｊｅｔ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）に関するものであって、特にインクジェットヘッドに適する有機溶媒を用いて高濃度の金属含量を持ちながら、インクの吐出性、保管性、低粘度などを改善できるインクジェット用金属インク組成物に関する。

最近、金属インクに対する関心が高まって、金属インクに対する研究が活発に進行されている。市販される金属インクとしては、溶剤の種類に応じて大きく水系金属インクと油系金属インク及びソルベント系インクがある。水系金属インクは油系金属インクに比してナノ粒子のサイズが大きいし、高濃度のインクを製造する際に高い粘度を有するので、インクジェットヘッドから連続的に吐出することが難しいという問題点がある。このように、高濃度の金属インクを製造することにおいて、高い金属含量を持ちながら、インクジェットインクが連続的に吐出できるように調節することが求められる。

従来の技術は、水系金属ナノ粒子及び親水性系溶媒を用いる方法であって、水及びエタノールを主溶媒として用いてインクジェット用ヘッドにて乾燥されず、表面における良い表面イメージを得られるインクの開発が進行された。このような高濃度ナノ金属インクの開発は、安定的な吐出条件を確保するために多くの配合実験を介してインクの組成が決定され、このような組成は会社の重要なノウハウになっている。水系インクとして、アメリカのＣａｂｏｔ社ではＡｇ−ＩＪ−Ｇ−１００−Ｓ１の含量を最大２０重量％を含むインクジェット用インクを開発して発表した事がある。上記インクは、エタノールとエチレングリコールを溶媒として用いたものであって、インクジェットヘッドから吐出可能なインクジェットインクである。しかし、これは低い金属含量にもかかわらず安定的な吐出性が確保できないという問題点がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は水系にて合成されたナノ粒子を用いてインクジェット用インク組成物を製造する場合、金属含量を高めながら低い粘度を維持して吐出安定性が優れ、保管安定性が向上できる金属インク組成物を提供することにある。

本発明では、金属ナノ粒子２０ないし８５重量％と、及び有機溶媒１５ないし８０重量％とを含み、上記有機溶媒がエチレングリコール系列のエーテル、またはこれを含む混合溶媒からなる金属インク組成物が提供される。

好ましい実施例によれば、上記エチレングリコール系列のエーテルは、トリエチレングリコールジメチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノブチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノエチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジエチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、エチレングリコールモノプロピルエーテル（ｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｐｒｏｐｙｌ ｅｔｈｅｒ）及びジプロピレングリコールメチルエーテル（ｄｉｐｒｏｐｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）からなる群から選択される一つ以上である。

ここで、上記エチレングリコール系列のエーテルは全体有機溶媒のうち５０ないし１００重量％であることが好ましい。

本発明の金属インク組成物は、また、水及びＣ１−Ｃ８の低価アルコールの中の一つ以上の溶媒をさらに含むことができる。

好ましい実施例によれば、上記の低価アルコールとしては、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブタノール、ヘキサノール及びオクタノールからなる群から選択される一つ以上であることが好ましい。

ここで、上記溶媒の含量は、全体有機溶媒に対して０ないし５０重量％である金属インク組成物である。

本発明に用いられる金属ナノ粒子は、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及びこれらの合金からなる群から選択される一つ以上の金属ナノ粒子である。上記金属ナノ粒子は５０ｎｍ以下の粒子の大きさを有する。

好ましい実施例によれば、上記金属ナノ粒子は、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、多重酸（ｐｏｌｙａｃｉｄ）及びこれらの誘導体からなる群から選択される一つ以上の分散剤でキャピングされることが好ましい。

ここで、上記多重酸（ｐｏｌｙａｃｉｄ）は、ポリアクリル酸、ポリマレイン酸、ポリメチルメタクリル酸、ポリアクリル酸−コ−メタクリル酸、ポリマレイン酸−コ−アクリル酸及びポリアクリルアミド−コ−アクリル酸からなる群から選択される一つ以上であり、上記誘導体は、上記多重酸のナトリウム塩、カリウム塩及びアンモニウム塩からなる群から選択される一つ以上である。

このような有機溶媒を用いて全体組成物の中の金属ナノ粒子は６０ないし８０重量％の高濃度範囲で含まれることができる。

本発明による金属インク組成物は、エチレングリコール系列のエーテルを有機溶媒として用いて高濃度の金属ナノ粒子を含有しながらもインクジェットヘッドに適する低い粘度を維持するので、吐出安定性が優れ、保管安定性が優れる利点を有する。

以下、本発明の金属インク組成物に対してより詳細に説明する。

インクジェット用金属インクのうち、水系溶剤を用いた金属インクの場合、油系インクに比して金属ナノ粒子が大きいし、高濃度にインクを製造する際に高い粘度を有する。インクジェットヘッドから連続的に吐出可能なインクを製造するためには、溶剤だけでもインクジェットヘッドにおける吐出性及び流れ性が優れた溶剤を選択する必要性がある。よって、本発明では金属インクの組成を最適化して高濃度の金属含量を有しながらも粘度を低めて金属インクの吐出性及び保管性を向上させることができる。

本発明の金属インク組成物を構成する有機溶媒は、エチレングリコール系列のエーテル、またはこれを含む混合溶媒で構成される。

エチレングリコール系列のエーテルは非共有電子対を含むエーテル基により金属ナノ粒子を安定化させて追加的な分散剤がなくても高濃度に金属ナノ粒子をとかすことができるだけではなく、上記エチレングリコール系列のエーテルは、１００℃が超える高い沸点を有しているのでインクジェットを用いた配線形成の際、インクジェットにおける適正粘度を維持することができて吐出安定性を向上させることができる。

このようなエチレングリコール系列のエーテルは、具体的な例で、トリエチレングリコールジメチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノブチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノエチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジエチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、エチレングリコールモノプロピルエーテル（ｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｐｒｏｐｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジプロピレングリコールメチルエーテル（ｄｉｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）などを挙げられるが、これに限定されることではない。

好ましい実施例によれば、これらのエチレングリコール系列のエーテルの中の一つを単独で用いることもでき、２以上を混合して用いることもできる。この際、２以上のエチレングリコール系エーテルを混合して有機溶媒として用いる場合には、配線形成の際に適切な乾燥速度で調節されるように、２００℃以上の沸点と１００℃以上の引火点（ｆｌａｓｈ ｐｏｉｎｔ）を有するエチレングリコール系エーテルと、２００℃未満の沸点と１００℃未満の引火点を有するエチレングリコール系エーテルを混合して用いることが好ましい。

上記の具体的な例のうち、２００℃以上の沸点と１００℃以上の引火点（ｆｌａｓｈ ｐｏｉｎｔ）を有するエチレングリコール系エーテルとしては、ジエチレングリコールジエチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、エチレングリコールモノプロピルエーテル（ｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｐｒｏｐｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジプロピレングリコールメチルエーテル（ｄｉｐｒｏｐｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）などを挙げられるし、２００℃未満の沸点と１００℃未満の引火点を有するエチレングリコール系エーテルとしては、トリエチレングリコールジメチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノブチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノエチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）などを挙げられる。

上記エチレングリコール系列のエーテルは全体有機溶媒中の５０ないし１００重量％で含有されることが好ましい。上記エチレングリコール系列のエーテルの含量が５０重量％未満であれば、ノズルの乾燥速度が速くなって吐出が不安定になりインクジェット滴（Ｄｒｏｐ）を形成させにくいし、ノズル乾燥を防ぐために別の沸点が高い乾燥補助剤の使用が必須となる。

本発明の金属インク組成物は、また、組成物の粘度を低く調節するために水及びＣ１−Ｃ８の低価アルコールの中の一つ以上の溶媒をさらに含むことができる。これは、水はインク組成物の表面張力を調節して粘度を調節する役目をするし、低価アルコールは配線形成の際に乾燥速度を調節する役目をするためである。具体的に、上記低価アルコールとしては、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブタノール、ヘキサノール、オクタノールなどを挙げられる。ここで、上記溶媒の含量は全体有機溶媒に対して０ないし５０重量％であることが好ましい。上記溶媒は乾燥促進剤として用いられるし、所望する基材における乾燥速度を調節することができる。若し、上記溶媒の含量が５０重量％を超過すれば、非常に速く乾燥して吐出に影響を及ぼす。

本発明の金属インク組成物において金属ナノ粒子を形成できる金属は特に制限されないが、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及びこれらの合金の中の一つ以上を用いることができる。上記金属ナノ粒子は、粒子の大きさが小さいほど金属インクの吐出を容易くするし、２００ｎｍ以下の粒子が使用され得るが、好ましくは５０ｎｍ以下の粒子がインクジェット吐出に良い影響を与える。

好ましい実施例によれば、上記金属ナノ粒子は、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、多重酸（ｐｏｌｙａｃｉｄ）及びこれらの誘導体からなる群から選択される一つ以上の分散剤でキャピングされることが好ましい。

ここで、上記多重酸は主鎖や側鎖にカルボキシ基、またはこれの誘導体を含む高分子であって重合度が１０ないし１００、０００である高分子を用いることが好ましい。このような多重酸の具体的な例には、ポリアクリル酸、ポリマレイン酸、ポリメチルメタクリル酸、ポリアクリル酸−コ−メタクリル酸、ポリマレイン酸−コ−アクリル酸、ポリアクリルアミド−コ−アクリル酸などを挙げられるが、これに限定されることではない。

また、上記多重酸の誘導体は、カルボキシ基の水素原子を別の原子または分子に置換した化合物を言い、例えば、上記多重酸のナトリウム塩、カリウム塩またはアンモニウム塩などを言う。

一方、有機溶媒としてエチレングリコールモノプロピルエーテルを用いて金属ナノ粒子を可溶化させた際の金属ナノ粒子の含量に応ずる粘度変化を測定して図１に示した。図１を参照すると、本発明の金属インク組成物が、金属ナノ粒子を８５重量％に至るまで高い含量に可溶化させることができ、７０重量％以上の高い金属含量でも常用ヘッドから連続的な吐出が可能であることを確認できた。また、ＭＥＭＳ技術を用いた一般的なインクジェットヘッドの場合２０ｃｐ以下の粘度でも吐出性が確保されたし（Ｓｐｅｃｔｒａ社）、ガラス材質のインクジェット用ヘッドの場合４０ｃｐ以下の粘度で吐出性が良好であった。（Ｍｉｃｒｏｆａｂ社）

このように本発明の金属インク組成物は、全体組成物中に２０ないし８５重量％の金属ナノ粒子を含むことができ、さらに好ましいものは６０ないし８０重量％である。含量が２０重量％未満であると金属含量が足りなくて配線としての活用が多様ではなく用途が制限されるし、８５重量％を超過すると粘度が非常に高くてインクの吐出性が悪くなるので金属インクとして好ましくない。

また、上記有機溶媒の含量は全体組成物中に１５ないし８０重量％であることが好ましい。含量が１５重量％未満であると金属ナノ粒子が８５重量％を超過することと同様な効果を有し、含量が８０重量％未満であると金属ナノ粒子が２０重量％未満であることと同様な効果を有する。

以下で、実施例を介して本発明をより詳細に説明するが、下記の実施例はただ説明のためのものであって、本発明を制限するものではない。

＜実施例１〜１４＞
下記の表１の含量に応じて各溶媒を混合して有機溶媒として使用し、上記有機溶媒４０重量％と銀ナノ粒子６０重量％とを混合して金属インク組成物を製造した。ここで用いた銀ナノ粒子は、ＰＶＰでキャピングされた５０ｎｍ未満の粒子の大きさを有するものであって、韓国特許出願第１０−２００５−０８５７０８号に開示した方法と同様な方法で製造した。実施例及び比較例において用いた銀ナノ粒子のＳＥＭ写真を図２に示した。

製造されたインク組成物の吐出性を評価するために、Ｓｐｅｃｔｒａ社のＳｅ−１２８ヘッドを用いてインクジェット吐出実験を行い、その結果を下記の表１に共に示した。ここで、"放置後の出力"とはプリンティングを止めて、装備を止めた後から再びイメージを出力する際までの放置時間を意味し、"連続出力"とはクリーニング（Ｃｌｅａｎｉｎｇ）やヘッドの掃除なしでイメージを連続出力できる時間を意味する。

＜比較例１〜２＞
上記実施例において、有機溶媒としてアメリカのＣａｂｏｔ社のインク（Ａｇ−ＩＪ−Ｇ−１００−Ｓ１）を用いたことを除きその他は同様な過程で金属インク組成物を製造し、製造された組成物の吐出性測定結果を下記表１に共に示した。

上記Ｃａｂｏｔ社のインク（Ａｇ−ＩＪ−Ｇ−１００−Ｓ１）は、主溶剤としてエタノールを使用し、エチレングリコールを補助溶媒として使用したインクである。

（単位：重量％）

上記の表１に示されているように、本発明による金属インク組成物は高農度の金属ナノ粒子を含有しながらも、連続吐出可能時間及び放置後の吐出可能時間が１時間以上に画期的に改善されたことが分かる。また、従来の水系溶媒の場合、吐出性がよくないだけではなく、出力イメージをプリンティングシステムに伝送する途中にヘッドが詰まって吐出が不可能になったり、イメージ出力途中にヘッドが乾燥して良いイメージを得ることができなかった。

また、上記実施例１〜１４より製造した金属インク組成物の熱安定性を測定するために、各組成物を実験保管温度５０℃の高温条件と常温及び０℃の低温条件で２４時間放置する３温度サイクル実験をして粒度変化、粘度変化及び沈殿有無に対して評価してその結果を下記表２に示した。

*評価基準
ａ）粒度変化：◎１０％未満、○２０％未満、△３０％未満
ｂ）粘度変化：◎１０％未満、○２０％未満、△３０％未満
ｃ）沈殿有無：○有、×無

上記表２に示されているように、本発明による金属インク組成物は５０重量％以上の高濃度に金属ナノ粒子を含有しながらも熱安定性が優れた特性を示したことが分かる。

本発明による金属インク組成物を用いて印刷回路パターンを形成した印刷イメージを図３に示した。図３を参照すると、本発明による金属インク組成物は吐出性が優れて印刷イメージが鮮やかなことを確認できる。

本発明の金属インク組成物において金属ナノ粒子の含量に応ずるインク組成物の粘度変化を示すグラフである。 本発明の実施例及び比較例にて用いた銀ナノ粒子のＳＥＭ写真である。 本発明の金属インク組成物を用いて形成した印刷回路パターンの印刷イメージを示す写真である。

Claims (11)

1. 金属ナノ粒子２０ないし８５重量％と、及び
   有機溶媒１５ないし８０重量％と、を含み、
   前記有機溶媒がエチレングリコール系列のエーテル、またはこれを含む混合溶媒からなる金属インク組成物。
2. 前記エチレングリコール系列のエーテルは、トリエチレングリコールジメチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノブチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、トリエチレングリコールモノエチルエーテル（ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジエチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、ジエチレングリコールジブチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｄｉｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）、エチレングリコールモノプロピルエーテル（ｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｏｎｏｐｒｏｐｙｌ ｅｔｈｅｒ）及びジプロピレングリコールメチルエーテル（ｄｉｐｒｏｐｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌ ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｅｒ）からなる群から選択される一つ以上である請求項１に記載の金属インク組成物。
3. 前記エチレングリコール系列のエーテルは全体有機溶媒中に５０ないし１００重量％である請求項１に記載の金属インク組成物。
4. 前記組成物が水及びＣ１−Ｃ８の低価アルコールの中の一つ以上の溶媒をさらに含む請求項１に記載の金属インク組成物。
5. 前記低価アルコールは、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブタノール、ヘキサノール及びオクタノールからなる群から選択される一つ以上である請求項４に記載の金属インク組成物。
6. 前記溶媒は、全体有機溶媒に対して０ないし５０重量％である請求項４に記載の金属インク組成物。
7. 前記金属ナノ粒子は、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及びこれらの合金からなる群から選択される一つ以上の金属のナノ粒子である請求項１に記載の金属インク組成物。
8. 前記金属ナノ粒子は、５０ｎｍ以下の粒子の大きさを有する請求項１に記載の金属インク組成物。
9. 前記金属ナノ粒子は、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、多重酸（ｐｏｌｙａｃｉｄ）及びこれらの誘導体からなる群から選択される一つ以上の分散剤でキャピングされた請求項１に記載の金属インク組成物。
10. 前記多重酸（ｐｏｌｙａｃｉｄ）は、ポリアクリル酸、ポリマレイン酸、ポリメチルメタクリル酸、ポリアクリル酸−コ−メタクリル酸、ポリマレイン酸−コ−アクリル酸及びポリアクリルアミド−コ−アクリル酸からなる群から選択される一つ以上であり、前記誘導体は、前記多重酸のナトリウム塩、カリウム塩及びアンモニウム塩からなる群から選択される一つ以上である請求項９に記載の金属インク組成物。
11. 前記金属インク組成物は６０ないし８０重量％の前記金属ナノ粒子を含む請求項１に記載の金属インク組成物。