JP2008081789A - 銀粒子複合粉末およびその製造法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】1分子中に1個以上の不飽和結合を有する分子量100〜1000のアミン化合物からなる有機保護層を銀粒子表面に有し、TEM観察により測定される平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Aと、分子量100〜1000の脂肪酸および分子量100〜1000のアミン化合物からなり、前記脂肪酸およびアミン化合物の少なくとも一方は1分子中に1個以上の不飽和結合を有する化合物である有機保護層を銀粒子表面に有し、平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Bが、銀の質量比で例えばA:B=3:1〜1:3の割合で混合された銀粒子複合粉末。
【選択図】なし
Description
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
本発明の銀粒子複合粉末は、有機保護層が「アミン化合物」である銀粒子粉末A(以下単に「粉末A」ということがある)と、有機保護層が「脂肪酸」および「アミン化合物」である銀粒子粉末B(以下単に「粉末B」ということがある)が混合されてなるものであるが、粉末A、Bとも、TEM観察により測定される平均粒子径DTEMは50nm以下に微細化されたものを使用する。したがって、この銀粒子複合粉末のDTEMも50nm以下である。30nm以下であることがより好ましく、特にインクジェットで使用する場合は、20nm以下であることが一層好ましい。平均粒子径DTEMの下限については特に規定していないが、例えば3nm以上のものが採用できる。銀粒子粉末A、Bそれぞれの製造において、平均粒子径DTEMはアルコールまたはポリオール/Agのモル比、有機保護剤/Agのモル比、還元補助剤/Agのモル比、還元反応時の昇温速度、撹拌力、銀化合物種類、アルコールまたはポリオール種類、還元補助剤種類、有機保護剤種類等によりコントロールすることができる。
本発明で使用する銀粒子粉末A、Bは、いずれもアルコールまたはポリオールの1種または2種以上の液中で銀化合物を還元することによって得られる。アルコールまたはポリオールは、媒体および還元剤として機能する。このようなアルコールとしては、プロピルアルコール、n−ブタノール、イソブタノール、sec−ブチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、アリルアルコール、クロチルアルコール、シクロペンタノール等が使用できる。またポリオールとしては、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等が使用できる。中でもイソブタノール、n−ブタノールが好適である。
本発明の銀粒子複合粉末を構成する銀粒子は、表面が有機保護層で覆われたものである。その有機保護層は、アルコールまたはポリオール中での還元反応に際し、有機保護剤を共存させることによって形成される。ただし、有機保護層の構成は、素材として用いる銀粒子粉末AとBとで異なっている。銀粒子粉末Aでは、有機保護剤として不飽和結合を1個以上有する「アミン化合物」を使用する。一方、銀粒子粉末Bでは、有機保護剤として「脂肪酸」と「アミン化合物」を使用し、こらのうち少なくとも一方は不飽和結合を1個以上有する物質で構成する。
粉末A、Bとも、銀の原料としては、各種銀塩や銀酸化物等の銀化合物が使用できる。例えば塩化銀、硝酸銀、酸化銀、炭酸銀等が挙げられるが、工業的には硝酸銀を使用することが望ましい。
粉末A、Bとも、その合成において還元反応を進行させるに際しては、還元補助剤を使用することができる。還元補助剤としては分子量100〜1000のアミン化合物を使用することができる。アミン化合物の中でも還元力の強い第2級または第3級のアミン化合物を使用することが望ましい。還元補助剤についても有機保護剤と同様、分子量が100未満では粒子の凝集抑制効果が低く、また、分子量が1000を超えるものでは凝集抑制力は高くても銀粒子粉末の分散液を塗布して焼成するときに粒子間の焼結を阻害して配線の抵抗が高くなってしまい、場合によっては、導電性をもたなくなることもあるので、これらは適さない。本発明で使用できる代表的なアミン化合物として、ジイソプロピルアミン、ジエタノールアミン、ジフェニルアミン、ジオクチルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、N、N−ジブチルエタノールアミンを例示できる。特に、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンが好適である。
還元により合成された銀粒子粉末AまたはBを分散させた分散液を作るために、本発明では、沸点が60〜300℃の非極性もしくは極性の小さい液状有機媒体を用いる。ここで、「非極性もしくは極性の小さい」というのは25℃での比誘電率が15以下であることを指し、より好ましく5以下である。比誘電率が15を超える場合、銀粒子の分散性が悪化し沈降することがあり、好ましくない。分散液の用途に応じて各種の液状有機媒体が使用できるが、炭化水素系が好適に使用でき、とくに、イソオクタン、n−デカン、イソドデカン、イソヘキサン、n−ウンデカン、n−テトラデカン、n−ドデカン、トリデカン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、デカリン、テトラリン等の芳香族炭化水素等が使用できる。これらの液状有機媒体は1種類または2種類以上を使用することができ、ケロシンのような混合物であっても良い。更に、極性を調整するために、混合後の液状有機媒体の25℃での比誘電率が15以下となる範囲でアルコール系、ケトン系、エーテル系、エステル系等の極性有機媒体を添加しても良い。
〔銀粒子粉末A、Bの合成〕
本発明で使用する銀粒子粉末A、Bは、いずれも、アルコールまたはポリオール中で、銀化合物を、有機保護剤の共存下で還元処理することによって合成される。粉末Aを合成する際には、有機保護剤に「アミン化合物」を使用し、「脂肪酸」は使用しない。粉末Bを合成する際には、有機保護剤に「脂肪酸」と「アミン化合物」を使用するが、その配合割合は、例えばモル比において、[脂肪酸]:[アミン化合物]=0.02:1〜1:1の範囲とすればよく、0.1:1〜1:1の範囲がより好ましい。粉末A、Bいずれの合成に際しても、液中のAgイオン濃度は50mmol/L以上とすることができ、例えば50〜500mmol/L程度とすればよい。
合成された銀粒子粉末AおよびB(合成方法は特に規定されないが、例えば上記のようにして合成されたもの)を用意し、これらを混合することにより本発明の銀粒子複合粉末が得られる。上記の方法で合成された粉末A、Bを使用する場合、それらが分散している液状有機媒体を混合・撹拌することで、本発明の銀粒子複合粉末の分散液が得られる。銀粒子粉末Aと銀粒子粉末Bの配合割合は、銀の質量比で例えばA:B=3:1〜1:3の範囲とすることができる。A:B=2.5:1〜1:2の範囲に規定してもよく、2.5:1〜1:1.5に規定することもできる。
銀粒子粉末A、Bとも、示差熱分析によって有機保護層の物質に対応した発熱ピークを観測することができる。銀粒子粉末Aの場合、アミン化合物に対応した発熱ピークが400〜600℃の範囲に観測される。銀粒子粉末Bの場合は、アミン化合物に対応した発熱ピークが400〜600℃の範囲に観測されることに加え、脂肪酸に対応した発熱ピークが200〜400℃未満の範囲に観測される。
本発明の銀粒子複合粉末は、微細な回路パターンを形成するための配線形成用材料例えばインクジェット法による配線形成用材料や、真空成膜プロセスであるスパッタリングによる成膜を代替する膜形成用材料、および湿式プロセスであるめっきによる成膜を代替する成膜材料等にとして好適である。また本発明の銀粒子複合粉末はLSI基板の配線やFPD(フラットパネルディスプレイ)の電極、配線用途、さらには微細なトレンチ、ビアホール、コンタクトホールの埋め込み等の配線形成材料としても好適である。低温焼成が可能であることからフレキシブルなフィルム上への電極形成材料として適用でき、エレクトロニクス実装においては接合材として用いることもできる。導電性皮膜として電磁波シールド膜や、透明導電膜等の分野での光学特性を利用した赤外線反射シールド等にも適用できる。低温焼結性と導電性を利用して、ガラス基板上へ印刷・焼成し、自動車ウインドウの防曇用熱線等にも好適である。一方、分散液としては、インクジェット法に限らず、スピンコート、ディッピング、ブレードコート等各種塗布方法に適用可能で、スクリーン印刷等にも適用可能である。
本発明の銀粒子複合粉末が分散した分散液を基板上に塗布し、その後、焼成することによって銀焼成膜が得られる。焼成は、酸化雰囲気中で行う。ここでいう酸化雰囲気は、非還元性の雰囲気であり、常圧のいわゆる大気雰囲気や、減圧雰囲気、あるいは不活性ガス雰囲気にわずかに酸素を導入した雰囲気も含む。焼成温度は100〜300℃といった低温とすることができる。ただし、平均粒子径DTEMや、塗膜の状態によって、銀の焼結が起きる下限温度は多少変動する。100℃で焼結が生じない塗膜の場合は、焼結が生じる下限温度〜300℃の範囲で焼成する。
〔銀粒子粉末Aの合成〕
媒体兼還元剤であるイソブタノール64gに、有機保護剤として第1級アミン化合物であるオレイルアミン176g、銀化合物として硝酸銀結晶22gとを添加し、マグネットスターラーにて撹拌して硝酸銀を溶解させた。この液を還流器のついた容器に移してオイルバスに載せ、容器内に不活性ガスとして窒素ガスを400mL/minの流量で吹込みながら、該液をマグネットスターラーにより100rpmの回転速度で撹拌しつつ加熱し、108℃の温度で5時間還流を行った。その際108℃に至るまでの昇温速度は2℃/minとした。
〔洗浄工程〕
[1]反応後のスラリー40mLを遠心分離器(日立工機株式会社製のCF7D2)を用いて3000rpmで30分固液分離し、上澄みを廃棄する。
[2]沈殿物に極性の大きいメタノール40mLを加えて超音波分散機で分散させる。
[3]前記の[1]→[2]を3回繰り返す。
[4]前記の[1]を実施して上澄みを廃棄し、沈殿物を得る。
[1]前記の洗浄工程を経た沈殿物に極性の小さいテトラデカン40mL添加する。
[2]次いで超音波分散機にかける。
[1]分散工程を経た銀粒子とテトラデカン40mLの混合物を前記と同様の遠心分離器を用いて3000rpmで30分間固液分離する。
[2]上澄み液を回収する。
この上澄み液が銀粒子粉末Aの分散液である。これを「分散液A」と呼ぶ。
媒体兼還元剤であるイソブタノール64gに、有機保護剤として脂肪酸であるオレイン酸23gと第1級アミン化合物であるオレイルアミン110g、銀化合物として硝酸銀結晶14gとを添加し、マグネットスターラーにて撹拌して硝酸銀を溶解させた。この液を還流器のついた容器に移してオイルバスに載せ、容器内に不活性ガスとして窒素ガスを400mL/minの流量で吹込みながら、該液をマグネットスターラーにより100rpmの回転速度で撹拌しつつ加熱し、108℃の温度で6時間還流を行った。その際108℃に至るまでの昇温速度は2℃/minとした。
〔示差熱分析〕
銀粒子分散液を25mg、アルミナパンに秤量し、昇温速度10℃/分で室温から900℃まで測定した。測定にはTG−DTA2000型測定器(マックサイエンス/ブルカーエイエックス社製)を用いた。
〔密着性試験〕
銀焼成膜上に、カッターにより1mm角の升目を100個作製し、その上に、粘着力が幅25mmあたり約8Nのセロハン粘着テープ(JIS Z1522)を圧着したあと剥離させ、残存する升目の数を数えた。100個の升目が全て残存している場合を最も密着性が良好であるとして100/100と表示し、100個の升目が全て剥離している場合を最も密着性が不良であるとして0/100と表示する密着性評価法において、本例の銀焼成膜の密着性は100/100であり、良好であった。
表面抵抗測定装置(三菱化学製Loresta HP)により測定された表面抵抗と、蛍光X線膜厚測定器(SII社製SFT9200)で得られた膜厚から、計算により体積抵抗値を求めた。その結果、本例の銀焼成膜の体積抵抗値は4.5μΩ・cmと求まった。この体積抵抗値は、銀導電膜として基板の配線に適した低抵抗特性を有していると評価されるものである。
実施例1と同じ分散液Aと分散液Bを使用し、その混合比を銀の質量比でA:B=1:1としたこと以外、実施例1と同条件で実験を行った。
その結果、本例の銀焼成膜の密着性は100/100であり、また、体積抵抗値は4.2μΩ・cmであった。実施例1と同様、良好な密着性と低抵抗特性が確認された。
実施例1と同じ分散液Aと分散液Bを使用し、その混合比を銀の質量比でA:B=2:1としたこと以外、実施例1と同条件で実験を行った。
その結果、本例の銀焼成膜の密着性は100/100であり、また、体積抵抗値は4.8μΩ・cmであった。実施例1と同様、良好な密着性と低抵抗特性が確認された。
焼成装置をホットプレートから熱風式乾燥機に変更し、焼成温度を250℃としたこと以外、実施例2と同条件で実験を行った。
その結果、本例の銀焼成膜の密着性は100/100であり、また、体積抵抗値は4.2μΩ・cmであった。実施例2と同様、良好な密着性と低抵抗特性が確認された。
実施例1で得られた分散液Aのみを使用して銀焼成膜を形成したこと以外、実施例1と同条件で実験を行った。
その結果、本例の銀焼成膜の体積抵抗値は2.4μΩ・cmと良好であったものの、密着性が0/100と悪かった。
実施例1で得られた分散液Bのみを使用して銀焼成膜を形成したこと以外、実施例1と同条件で実験を行った。
その結果、本例の銀焼成膜の密着性は100/100と良好であったが、体積抵抗値が6.8μΩ・cmと実施例のものより劣った。
Claims (8)
- 1分子中に1個以上の不飽和結合を有する分子量100〜1000のアミン化合物からなる有機保護層を銀粒子表面に有し、TEM観察により測定される平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Aと、分子量100〜1000の脂肪酸および分子量100〜1000のアミン化合物からなり、前記脂肪酸およびアミン化合物の少なくとも一方は1分子中に1個以上の不飽和結合を有する化合物である有機保護層を銀粒子表面に有し、平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Bが混合された銀粒子複合粉末。
- 銀粒子粉末Aと銀粒子粉末Bの配合割合が、銀の質量比でA:B=3:1〜1:3の範囲である請求項1に記載の銀粒子複合粉末。
- 示差熱分析による発熱ピークを200〜400℃未満の範囲と400〜600℃の範囲とに有する銀粒子複合粉末。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の銀粒子複合粉末を、沸点が60〜300℃の非極性もしくは極性の小さい液状有機媒体に分散させてなる銀粒子複合粉末の分散液。
- 1分子中に1個以上の不飽和結合を有する分子量100〜1000のアミン化合物からなる有機保護層を銀粒子表面に有し、TEM観察により測定される平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Aと、分子量100〜1000の脂肪酸および分子量100〜1000のアミン化合物からなり、前記脂肪酸およびアミン化合物の少なくとも一方は1分子中に1個以上の不飽和結合を有する化合物である有機保護層を銀粒子表面に有し、平均粒子径DTEMが50nm以下である銀粒子粉末Bを、銀粒子粉末Aと銀粒子粉末Bの配合割合が、銀の質量比でA:B=3:1〜1:3の範囲となるように混合する、銀粒子複合粉末の製造法。
- 前記銀粒子粉末Aは示差熱分析による発熱ピークを400〜600℃の範囲に有するものであり、前記銀粒子粉末Bは示差熱分析による発熱ピークを200〜400℃未満の範囲と400〜600℃の範囲とに有するものである請求項5に記載の銀粒子複合粉末の製造法。
- 請求項4に記載の銀粒子粉末の分散液を基板上に塗布して塗膜を形成し、その後、前記塗膜を焼成することにより得られる銀焼成膜。
- 請求項4に記載の銀粒子粉末の分散液を基板上に塗布して塗膜を形成し、その後、前記塗膜を、酸化雰囲気中、300℃以下で焼成する銀焼成膜の製造法。
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