JP2009302291A - 電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属微細粒子を含む金属インクを用いた印刷法により、低温かつ簡便な工程にて製造される、基板素材や形状の自由度の高い電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法を提供する。
【解決手段】電気回路用配線は、基板上に、金属微細粒子と、金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを溶媒に接触させることにより形成される。溶媒には、分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有する分子量が１００以下の有機溶媒を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法に関する。さらに具体的には、本発明は金属微細粒子を分散剤により分散させた金属インクを用いて配線パターンを描画し、得られた配線パターン中の金属微細粒子を互いに結合させて電導性を持たせることにより配線とする電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法に関する。

従来、電気回路用配線は、プリント基板上の配線に代表されるように全面に形成された金属膜上に所望の形状の保護膜を形成し、エンッチング工程により不要な箇所を取り除く手法により製造されてきた。こうした製造方法は全面に形成された金属膜の大部分を廃棄物として排出するため、材料の利用効率が悪い。さらに、廃棄物として排出される排出物は、金属を含む廃液となるため、その処理工程も必要となる。このことから、従来の製造方法は、コスト面での問題を抱え、さらに材料製造や廃液処理にかかるエネルギー消費を含めた環境負荷が非常に大きいという問題があった。

上述したような問題を解決する電気回路用配線の製造方法として、必要な場所にだけ材料を配置する印刷法を用いた方法が提案されている。主要な手法としては、まず金、銀、銅等の金属粒子をバインダー樹脂等に分散させたペーストをインクとして使用して、目的の基板上に所望の配線パターンを描画する。その後、全体を高温に加熱して金属粒子同士を融着させるという手法である。しかし、実際の使用に際しては多くの問題点を残している。以下にその問題点について説明する。

まず、配線に用いられる金属の融点は数百〜数千℃と極めて高く、こうした温度での焼成を行なうとなると使用可能な基板材料が極めて限られてしまう。この問題を解決する方法として、金属粒子を直径数〜数十ｎｍと微細化する方法が提案されている。こうした極めて微小なサイズの金属粒子においては、粒子全体における高エネルギー状態にある表面原子の割合が大きくなるために、通常の融点に比べて極めて低い温度で融着させる事が可能であることを利用したものである。例えば、銀の微細粒子は清浄な表面を有するものであれば、室温に近い温度でも粒子同士の融着が発生することが知られている。

しかしながら、金属微細粒子同士の融着が発生すると、印刷による配線パターンの描画が困難となる。そのため通常は、金属微細粒子の周囲を分散剤の分子で被覆することで相互を融着させず微細粒子の状態を安定化させたものが、配線描画用のインクとして使用される。これを用いて描画された配線パターン中で金属微細粒子同士の融着を発生させるには、微細粒子表面を被覆している分散剤分子を取り除き金属微細粒子の表面同士を接触させる必要がある。

微細粒子表面を被覆している分散剤分子を取り除き、金属微細粒子の表面同士を接触させる方法としては、熱によって分散剤分子を金属微細粒子表面から脱離させる、あるいは分解気化させることで、融着を実現する手法が開示されている（例えば特許文献１）。また、金属微細粒子表面からの分散剤の脱離を進める方法として、加熱時に分散剤分子が金属微細粒子表面に配位している置換基と速やかに反応する酸無水物やその誘導体、もしくは有機酸をバインダー中に混合する手法が開示されている（例えば特許文献２）。
特開２００２−２９９８３３号公報 再特ＷＯ２００２／０３５５５４号公報

しかしながら、上記特許文献１では、分散剤分子を金属微細粒子表面から脱離させるのに１５０〜２５０℃程度に加熱する必要があり、金属微細粒子の低温で融着する特性を十分に生かすことができないという問題があった。また、上記特許文献２では、反応の副生成物である酸と金属との反応による膜質の不安定化が懸念される上、除去された分散剤は加水分解等の反応を経ないと再生できないという問題があった。また、加熱温度も１００℃を大きく上回るため、ガラス転移点が低い樹脂基板などには適用を広げることは出来ていないという問題もあった。すなわち、金属微細粒子を用いた金属インクによる電気回路用配線の形成方法は、分散剤分子の脱離に高い温度を必要とするため、金属微細粒子本来の低い融着温度を生かすことができず、また基板選択の自由度も十分なものではなかった。

本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、金属インクを用いた印刷法により、低温かつ簡便な工程にて製造される、基板素材や形状の自由度の高い電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法を提供することを目的とする。

本発明の電気回路用配線は、基板上に、金属微細粒子と、金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを、溶媒に接触させることにより形成される電気回路用配線であって、溶媒は、分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有し、分子量が１００以下の有機溶媒であることを特徴とする。

本発明の電気回路用配線製造装置は、金属微細粒子と、金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを溶媒に接触させる電気回路用配線製造装置であって、溶媒の蒸気を生成する気化部と、気化部により生成された溶媒の蒸気を凝結させ、溶媒の液体を生成する凝結部と、凝結部により生成された溶媒の液体を金属インクパターンに接触させる処理部と、処理部により金属インクパターンに接触させた溶媒の液体を気化部へ移動させる回収部と、を有することを特徴とする。

本発明の電気回路用配線製造方法は、金属微細粒子と、金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより金属インクパターンを描画する工程と、描画する工程により描画された金属インクパターンを溶媒に接触させる工程と、を有する電気回路用配線の製造方法であって、溶媒は、分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有し、分子量が１００以下の有機溶媒であることを特徴とする。

本発明の分散剤の回収方法は、電気回路用配線製造装置において電気回路用配線製造後に気化部に得られる液体を、濃縮させることを特徴とする。

本発明によれば、分散剤分子の脱離を低温で進行させることができるので、基板素材や形状の自由度の高い電気回路用配線を提供することが可能となる。

以下に本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態に係る電気回路用配線は、基板上に、金属微細粒子と、金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを溶媒に接触させることにより形成される。

（金属インク）
まず、本実施形態で用いられる金属インクは、金属微細粒子１を形成する金属が相互融着後に電気回路用配線として十分な導電性を得られるものであれば特に限定されるものではない。一般的な金属元素や２種以上の金属元素からなる合金も用いることができる。但し、低い温度で十分な導電性を発現するには金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、鉛、インジウム、錫、亜鉛、もしくはこれらから２種以上を選んで形成される合金を用いるのがより好ましい。金属微細粒子の直径としては５〜５０ｎｍ程度の微細粒子の使用が好ましい。また、配線としての導電率の向上のために金属微細粒子とは別に０．１〜５０μｍの大きさの金属粒子を金属インクに混合しても良い。

（分散剤）
本実施形態の金属インクに用いられる分散剤は、前述の金属微細粒子に配位相互作用して粒子表面を被覆し、金属微細粒子を安定に存在させる機能を有するものであればどのようなものでも用いることができる。特に、ヒドロキシ基、アミノ基、メルカプト基、メトキシ基を有する分散剤は、有機溶媒分子による置換もスムーズに進行するため、より好ましい。

ヒドロキシ基を有する分散剤の例としては、炭素数７以上の長鎖のアルコールや分枝アルコールの他、アルカンジオール、アルコキシアルコールなどが挙げられる。アミノ基を有する分散剤の例としては、炭素数７以上の長鎖のアルキルアミンや分枝アルキルアミンの他、アルカンジアミン、アルコキシアルキルアミンなどが挙げられる。メルカプト基を有する分散剤の例としては、炭素数７以上の長鎖アルカンチオールや分枝アルカンチオールの他、アルカンジチオール、アルコキシアルキルチオールなどが挙げられる。またメトキシ基を有する分散剤の例としては、炭素数７以上の長鎖アルキルメチルエーテルや分枝アルキルメチルエーテルの他、アルコキシアルキルメチルエーテルなどが挙げられる。

（有機溶媒）
本実施形態の分散剤分子と置換する有機溶媒は、金属インクに用いられている金属微細粒子の表面に対して分散剤分子と同様の配位相互作用を有する有機溶媒であれば、特に限定されることなくどのようなものでも用いることが出来る。しかしながら、置換反応に続いて金属微細粒子同士の融着をスムーズに進行させるためには、有機溶媒分子による立体反発効果が小さいこと及び有機溶媒分子の除去が容易であることが必要である。こうした条件を満たす為、本実施形態で用いられる有機溶媒としては、分子量が１００以下のものが好ましい。

上述したような有機溶媒の例としては、メタノールやエタノール、イソプロピルアルコール、アミルアルコールなどの炭素数１〜５のアルコールが挙げられる。また、ｓ−ブチルアミン、ペンチルアミン、ジエチルアミンなどの炭素数１〜５のアルキルアミンやジアルキルアミンも例として挙げられる。さらに、ジエチルエーテルやテトラヒドロフランなどの炭素数１〜５のエーテル、酢酸エチルなどの炭素数２〜４のエステルなどが例として挙げられる。また、こうした有機溶媒の２種以上を混合して用いることも可能である。

上述したような有機溶媒を用いることにより、金属インクにより描画された金属インクパターンを溶媒に接触させる工程において、効果的に分散剤分子との交換を進行させ、金属微細粒子同士を融着させることが可能となる。

（製造装置）
図２は、本実施形態に係る電気回路用配線製造装置の構造の例を示す。図示するように、本実施形態に係る電気回路用配線製造装置は、気化部６、蒸気用配管７、凝結部８、処理部９、回収部１０、加熱器１１、冷却器１２を有する。

有機溶媒１３が気化部６において加熱器１１により加熱され、有機溶媒１３の蒸気が生成される。この有機溶媒蒸気は蒸気用配管７を通って凝結部８に至り、冷却器１２において冷却され、凝結して液体に戻る。この有機溶媒１３の液体はそのまま滴り落ち処理部９に置かれた金属インクパターンを有する基板１４表面に接触する。その際、分散剤分子と有機溶媒分子との置換反応が発生する。分散剤分子と有機溶媒分子との置換反応後に生成された分散剤１５と有機溶媒１３の混合物は、回収部１０を通って気化部６へと輸送され、有機溶媒１３のみが加熱器１１により加熱され気化され、再度蒸気用配管７へと送られる。

上述したような構造の電気回路用配線の製造装置を用いることで、金属インクパターン表面において分散剤１５の置換が進行しても、金属微細粒子近傍に分散剤分子が留まることなく取り去られる。そして、それと同時に、純度の高い有機溶媒１３が金属インクパターンを有する基板１４表面に供給され続けるため、金属微細粒子同士の融着を、少量の有機溶媒で速やかに進行させることができる。また気化部６には、置換された分散剤１５が失われること無く捕集されるため、処理終了後に気化部６に残った混合物から有機溶媒１３を留去することで、容易に分散剤１５を回収・再生することができる。こうして回収・再生された分散剤１５は、金属インクの製造に再度使用することができ、コスト及び廃棄物の削減が実現できる。

（製法）
次に、電気回路用配線の製造方法について図１及び図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る金属微細粒子の融着の例を示す。図３は、従来技術の金属微細粒子の融着を示す。

従来の手法では図３に示すように加熱で全体の温度を上げることで、分散剤分子３が熱振動により金属微細粒子１の表面から脱離する、あるいは熱分解後に気化するために、金属微細粒子表面の分散剤分子３の被覆を破壊し、金属微細粒子１同士の融着を実現していた。

一方、本実施形態では、有機溶媒分子５は分散剤分子３が金属微細粒子１に配位相互作用している官能基２と同様の相互作用を有する官能基を有しており、熱運動などにより、図１に示すように分散剤分子３と置換される。しかしながら、有機溶媒分子５は分散剤分子３のように金属微細粒子同士の接触を阻害する十分な立体反発などの機能は有していないため、金属微細粒子の融着が進行し、グレイン４が形成される。こうして金属インクパターンに導電性が発現し、電気回路用配線が得られる。

こうして形成される電気回路用配線は、金属微細粒子同士が融着して形成されたグレイン４が互いにランダムに接続されて電導性ネットワークを形成した構造を有している。ここでグレイン４は連続した金属であるため、その内部での導電率は高い。よって、グレイン４が大きくなるにつれて配線全体の導電率も向上すると考えられる。

しかし、実際には特許文献２にも記されているように、こうした金属微細粒子の融着時にはグレイン全体としては体積の減少が生じる。グレインが大きくなるにつれて体積減少も大きくなるため、グレイン間の接続に欠陥が生じ、配線全体の導電率を低下させる。また、こうした体積減少は基板とグレインとの密着を損なうため、配線の浮き上がりや欠落などの不具合の原因となる。形成されるグレインの大きさは有機溶媒分子による分散剤分子の置換速度が早いほど大きいと考えられるため、電気回路用配線として高い導電率を実現する為には、溶媒分子の金属表面への配位相互作用の強さに依存する置換速度を最適化する必要がある。こうした場合、配位相互作用の強い溶媒と、比較的弱い溶媒あるいは相互作用しない溶媒とを混合して用いることも可能である。

金属インクパターンと有機溶媒との接触は、金属インクパターン全体に十分に有機溶媒がいきわたらせることの出来る方法であれば、どのような手法でも用いることができる。例としては浸漬法やスプレー法、また連続的にパターン上に有機溶媒を注ぐ方法などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
基板１４であるポリイミド基板上に、分散剤１５としてドデシルアミン１重量部、金属微細粒子１として平均粒子径５ｎｍの銀微細粒子３５重両部をトルエン中に分散した金属インクを用いて、幅３００μｍ、長さ３０ｍｍの直線を描画した。描画にはムサシエンジニアリング社製ディスペンサーＳＭＰ−ＩＩＩ及びＳＨＯＴＭＡＳＴＥＲ３００からなる描画装置を使用した。これを室温にて乾燥させ、金属インクパターンを形成した。得られた金属インクパターンを、有機溶媒１３としてのメタノール１００ｍｌ中に１２時間浸漬した後、取り出して室温にてメタノールを乾燥させ、目的の電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍ離れた２点間の抵抗を４端子法にて測定したところ９５Ωであった。

（実施例２）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりにエタノールを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ８１Ωであった。

（実施例３）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりに混合溶媒（メタンノール：エタノール＝２：１）を用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１５Ωであった。

（実施例４）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりにジエチルアミンを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１１２Ωであった。

（実施例５）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりにテトラヒドロフランを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１０６Ωであった。

（実施例６）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりに酢酸エチルを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１３３Ωであった。

（実施例７）
分散剤１５としてドデシルアミンの代わりにドデカノールを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１０４Ωであった。

（実施例８）
分散剤１５としてドデシルアミンの代わりにドデカノールを用い、有機溶媒１３としてメタノールの代わりにテトラヒドロフランを用いる他は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍはなれた２点間の抵抗を測定したところ１１８Ωであった。

以下の表１に、上記実施例１〜８で作成した電気回路用配線について１０ｍｍ離れた２点間の抵抗値の値をまとめたものを示す。いずれの場合も良好な特性の配線が得られた。

（比較例１）
有機溶媒１３としてメタノールの代わりにアセトンを用いる以外は上記実施例１と同様にして電気回路用配線を作成した。得られた配線の１０ｍｍ離れた２点間の抵抗を測定したところ、２点間で導通はとれず、電流は流れなかった。

（比較例２）
上記実施例１と同様にして作成した金属インクパターンを２００℃のオーブンにて１時間加熱して電気回路用配線を得た。得られた配線の１０ｍｍ離れた２点間の抵抗を測定したところ、６Ωであった。

（実施例９）
図２を用いて、本実施形態の電気回路用配線の製造装置による電気回路用配線の製造について説明する。図２に示した構造の処理部９に、上記実施例１と同様にして作成した金属インクパターンを設置した。気化部６にメタノールとエタノールをそれぞれ１００ｍｌずつ、計２００ｍｌを入れた後、冷却器１２を冷水にて冷却しながら、加熱部１１としてマントルヒーターを設置し、溶媒蒸気が冷却器１２の下２/３程度で凝結する条件にて２時間加熱して、目的の電気回路用配線を得た。得られた配線を処理部９から取り出し、１０ｍｍ離れた２点間の抵抗を測定したところ、２２Ωであった。また、気化部６及び処理部９に残った有機溶媒１３と分散剤１５の混合物を減圧エバポレーターにて濃縮し、有機溶媒１３を除去した。得られた残渣はガスクロマトグラフィ法にてドデシルアミンと同一のリテンションタイムを示した。

本実施形態により、分散剤分子と有機溶媒分子の置換反応を室温で進行させることができるので、電気回路用配線を基板素材や形状の自由度の高い、低温かつ簡便な工程にて製造することが可能となる。

本実施形態では、溶媒として、分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有する分子量が１００以下の有機溶媒を用いる。そのため、金属インクにより描画された金属インクパターンを溶媒に接触させる工程において、効果的に分散剤分子との交換を進行させ、金属微細粒子同士を融着させることが可能となる。

本実施形態により、金属インクパターン表面において分散剤の置換が進行しても、金属微細粒子近傍に分散剤分子が留まることなく取り去られる。また、純度の高い有機溶媒が金属インクパターン表面に供給され続けるため、金属微細粒子同士の融着を、少量の有機溶媒で速やかに進行させることが可能となる。さらに、気化部には、置換された分散剤が失われること無く捕集されるため、処理終了後に気化部に残った混合物から有機溶媒を留去することで容易に分散剤１５を回収・再生することが可能となる。回収・再生された分散剤は、金属インクの製造に再度使用することができるので、コスト及び廃棄物の削減を実現することが可能となる。

以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した電気回路用配線、その製造装置、その製造方法及び分散剤の回収方法に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る金属微細粒子の融着の例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る電気回路用配線の製造装置を示す概観図である。 従来技術の金属微細粒子の融着を示す模式図である。

符号の説明

１ 金属微細粒子
２ 分散剤の有する配位相互作用する置換基
３ 分散剤分子
４ 金属グレイン
５ 有機溶媒分子
６ 気化部
７ 蒸気用配管
８ 凝結部
９ 処理部
１０ 回収部
１１ 加熱器
１２ 冷却器
１３ 有機溶媒
１４ 基板
１５ 分散剤

Claims (9)

1. 基板上に、金属微細粒子と、前記金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを、溶媒に接触させることにより形成される電気回路用配線であって、
   前記溶媒は、前記分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有し、分子量が１００以下の有機溶媒であることを特徴とする電気回路用配線。
2. 前記分散剤の有する金属微細粒子に配位しうる置換基は、ヒドロキシ基、アミノ基、メルカプト基及びメトキシ基から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の電気回路用配線。
3. 前記金属微細粒子は、金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、鉛、インジウム、錫及び亜鉛から選択された１つ以上の金属で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気回路用配線
4. 金属微細粒子と、前記金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより描画される金属インクパターンを溶媒に接触させる電気回路用配線製造装置であって、
   前記溶媒の蒸気を生成する気化部と、
   前記気化部により生成された溶媒の蒸気を凝結させ、溶媒の液体を生成する凝結部と、
   前記凝結部により生成された溶媒の液体を前記金属インクパターンに接触させる処理部と、
   前記処理部により前記金属インクパターンに接触させた前記溶媒の液体を前記気化部へ移動させる回収部と、を有することを特徴とする電気回路用配線製造装置。
5. 前記溶媒は、前記分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有し、分子量が１００以下の有機溶媒であることを特徴とする請求項４記載の電気回路用配線製造装置。
6. 金属微細粒子と、前記金属微細粒子に配位しうる置換基を有する分散剤と、を含む金属インクにより金属インクパターンを描画する工程と、
   前記描画する工程により描画された金属インクパターンを溶媒に接触させる工程と、を有する電気回路用配線の製造方法であって、
   前記溶媒は、前記分散剤と同様の配位相互作用をもたらす置換基を有し、分子量が１００以下の有機溶媒であることを特徴とする電気回路用配線製造方法。
7. 前記分散剤の有する金属微細粒子に配位しうる置換基は、ヒドロキシ基、アミノ基、メルカプト基及びメトキシ基から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項６記載の電気回路用配線製造方法。
8. 前記接触させる工程は、スプレー法により前記溶媒を前記金属インクパターン上に塗布することを特徴とする請求項６又は７に記載の電気回路用配線製造方法。
9. 前記電気回路用配線製造装置において電気回路用配線製造後に気化部に得られる液体を、濃縮させることを特徴とする分散剤の回収方法。

Images