JP2010174084A - カーボンナノチューブを含有するインク - Google Patents

Abstract

【課題】低粘度かつ高分散性のカーボンナノチューブを含有するインク、特にインクジェットに適するインクを提供することを目的とする。
【解決手段】カーボンナノチューブ、有機溶剤、バインダ、分散剤からなり、かつ前記分散剤はポリアルキロールアミン塩およびポリエーテル変成ポリアルキルシロキサンの中から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする。また、前記カーボンナノチューブは長さ５μｍ以下とする。さらに、前記インクは、粘度が１５ｃｐ以下、表面張力が２５ｄｙｎ以上４０ｄｙｎ以下を満たすものである。これにより、分散性が良好で低粘度のカーボンナノチューブを含有するインクを提供することができ、このインクを用い、インクジェット法によりインクを塗布することで、カーボンナノチューブの微細パターニングを安定的に実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブを含有するインクに関するもので、特にカーボンナノチューブを含むインクジェット用インクに関する。

カーボンナノチューブは、高電気伝導性、電子放出性、優れた機械的性質など、これまでにない優れた特性を示す素材であり、広範な分野でその応用、実用化に向けた研究が進められている。

通常、カーボンナノチューブは凝集体として得られるため、上記応用を行うためには、この凝集体をほぐし、分散体とする必要性があるが、カーボンナノチューブは一般に分散が困難であることが知られており、今までに様々な方法でその分散、インク化が試みられている（特許文献１参照）。

一方、カーボンナノチューブを応用し、実用化する上では、カーボンナノチューブを任意の位置に配置すること、すなわちパターニングして形成することが重要な課題の一つである。カーボンナノチューブを任意の位置に配置する場合、カーボンナノチューブを直接任意の場所に成長させるのではなく、製造されたカーボンナノチューブをパターニングするには一般に印刷技術が用いられ、スクリーン印刷やインクジェット法などが検討されている。このうち、インクジェット法は微細パターニングに適しており、現在までに数々の検討が行われている。
特開２００７−２９７２５５号公報

ところで、インクジェット法は、通常その特性上、低粘度のインクしか用いることができず、かつインクへの高い分散性が要求される。粘度が高いインクを用いた場合、例えばインクジェットに用いられるピエゾ素子ではインクジェットのノズルから吐出することができず、パターニングできない。また、分散性が低い場合、インクジェットのノズルは数十μｍ径しかないため、ノズルの目詰まりを発生させてしまう。

ここで、カーボンナノチューブを含有するインクをインクジェット法を用いてパターニングを実施する場合、カーボンナノチューブは分散が困難なため、低粘度と分散性の両立が非常に困難であり、いまだ十分な分散性ならびに分散安定性と低粘度が両立されたインクジェット用インクが得られてはいなかった。

本発明は上記課題を解消し、低粘度かつ高分散性のカーボンナノチューブを含有するインク、特にインクジェット法に適するインクを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のインクは、カーボンナノチューブ、有機溶剤、バインダ、分散剤からなり、かつ前記分散剤はポリアルキロールアミン塩およびポリエーテル変成ポリアルキルシロキサンの中から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする。

また、前記カーボンナノチューブは長さ５μｍ以下であることを特徴とする。さらに、前記インクは、粘度が１５ｃｐ以下、表面張力が２５ｄｙｎ以上４０ｄｙｎ以下を満たすものであることを特徴とする。

本発明によれば、耐熱性が高く分散性が良好で低粘度のカーボンナノチューブを含有するインクを提供することができる。このインクを用い、インクジェット法によりインクを塗布することで、カーボンナノチューブの耐熱性を有する微細パターニングを安定的に実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態によるカーボンナノチューブを含有するインクについて説明するが、以下の実施の形態に限定されるものではない。

まず、本発明によるカーボンナノチューブを含有するインクは、カーボンナノチューブ、有機溶剤、バインダ、分散剤から構成されるものであり、それぞれの構成要素について、詳細に説明する。

（カーボンナノチューブ）
本発明に用いられるカーボンナノチューブの種類は特に限定されるものではなく、用途に応じて単層、２層、多層といった全てのカーボンナノチューブを使用することができる。分散しやすさの点からは２層、もしくは多層が好ましい。さらにカーボンナノチューブの直径も特に限定はないが、好ましくは０．５ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。カーボンナノチューブの長さについては、少なくともインクジェットに用いられるノズルより小さいことが求められ、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。カーボンナノチューブの製造方法は、特に限定されないが、触媒を用いて製造したカーボンナノチューブの場合は触媒を除去していることが好ましい。

（有機溶剤）
本発明に用いられる有機溶剤としては、一般的な有機溶剤を用いることができるが、後述するバインダおよび分散剤の溶解性が高いものが好ましい。また、インクジェット法に用いる場合、限定はされないが、その表面張力が２０ｄｙｎ以上であることが好ましい。具体的にはエチレングリコール、プロピレングリコール等のアルキレングリコール類、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールのアルキルエーテル類、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のアルキレングリコールのアルキルエーテルアセテート類、ターピネオール等のテルペン類が好ましいものとして挙げられる。これらは１種を単独で使用してもよく、２種もしくはそれ以上の混合でもよい。

（バインダ）
本発明に用いられるバインダは、特には限定されず、種々の樹脂からなるバインダを用いることができる。具体的にはアクリル系樹脂やセルロース系樹脂が好ましく、特にエチルセルロースが好ましい。

（分散剤）
本発明に用いられる分散剤はポリアルキロールアミン塩およびポリエーテル変成ポリアルキルシロキサンの中から選ばれた少なくとも１種からなることを特徴とする。具体的には、ポリエーテル変性ポリアルキルシロキサンとしてはポリエーテル変性ポリジメチルシロキサン、ポリエーテル変性ポリメチルアルキルシロキサン、ポリエーテル変性水酸基含有ポリジメチルシロキサン、ポリエーテルエステル変性水酸基含有ポリジメチルシロキサン等が挙げられ、ポリエーテルエステル変性水酸基含有ポリジメチルシロキサンが好ましい。

（インク組成）
本発明に用いられるインク組成は、前記カーボンナノチューブ、有機溶剤、バインダ、分散剤を含み、分散性が良好であれば特に限定されないが、好ましい範囲としては以下の範囲があげられる。なお、「％」は分散液全体に対しての質量％である。

カーボンナノチューブ ０．０１〜５％
有機溶剤 ８０〜９９％
バインダ ０．１〜１０％
分散剤 ０．１〜５％
また、特に好ましい範囲としては
カーボンナノチューブ ０．０１〜１％
有機溶剤 ９０〜９９％
バインダ ０．１〜５％
分散剤 ０．１〜５％
である。

カーボンナノチューブの量は多すぎると分散性を阻害する場合がある。一方低濃度過ぎると、分散性は良好であるが、利用価値の低いインクとなる。

バインダの量は多すぎると粘度が増大し、インクジェット法での塗布が困難になる場合がある。分散剤についても同様の傾向がある。

本発明のインクは、インクジェット法に最適にするため、上記組成割合を粘度が１５ｃｐ以下、表面張力が２５ｄｙｎ以上４０ｄｙｎ以下の範囲を満たすように組成を調合することが好ましい。

なお、本発明のインクには、更に酸化防止剤や難燃剤、フィラー等を含むことができるが、このときも前記粘度、表面張力にすることが好ましい。

（分散方法）
分散方法については特に限定はなく、公知の方法が用いられる。具体的には、ビーズミル分散法、超音波分散法、ロールミル分散法などが好ましく、このうち分散安定性、カーボンナノチューブの形状安定性から超音波分散法が特に好ましい。

以下、本発明による実施例ならびに比較例を用いて本発明を具体的に説明する。

まず、本発明の実施例１として、次のように調製したインク１を作製した。有機溶剤としてブチルカルビトールアセテート１８ｇ、α−ターピネオール１２ｇを混合し、よく攪拌した後、バインダとしてエチルセルロース３００ｍｇを加え、溶解させた。完全に溶解した後、分散剤としてポリアルキロールアミン塩を１ｍｌ加え、よく攪拌した。これにカーボンナノチューブ７５ｍｇを加え、超音波分散機を用いて分散を行った。このとき用いたカーボンナノチューブは多層構造の直径１０ｎｍ−３０ｎｍ、長さ１μｍ−２μｍのものである。

次に、本発明の実施例２、および比較例３，４として、インク１に使用した各成分を表１に示す成分に変えた以外は、インク１と同様に調製してインク２−４を得た。

このようにして作製したインク１−４について、次のような評価を行った。すなわち、分散後、一晩インクを放置し、デカンテーションにてインク上部を取り出したインク１−４について、カーボンナノチューブの分散性をレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（ＨＯＲＩＢＡ製ＬＡ−９１０）で、粒度分布を測定することで行った。また、インクジェット装置を用い、１時間連続吐出したときのノズル目詰まりの評価を行った。この結果を表２ならびに図１に示す。

表２ならびに図１の結果より、分散剤にポリアルキロールアミン塩およびポリエーテル変成ポリアルキルシロキサンの中から選ばれた少なくとも１種を用いた本発明によるインク１，２は、分散剤を用いなかったインク３ならびに他の分散剤を使ったインク４よりも分散性が高く、十分インクジェット法に用いることが可能であることがわかった。

次に、耐熱性の評価を行った。耐熱性の評価はそれぞれのインクを粒子上に塗布し２５０℃で乾燥後、大気中で５００℃３０分の焼成を行った。焼成前後のＳＥＭ観察像を図２〜図５に示す。図２、図３に示すように、本発明のインク１、２は焼成前後でカーボンナノチューブがほとんど減少していないのに対し、図４、図５に示す比較例のインク３、４は、カーボンナノチューブが焼失していることが観察できる。これにより本発明のインクは耐熱性が高いことが確認できる。

すなわち、バインダを除去する焼成工程で、３００℃以上、４００℃、５００℃と高温焼成する場合、バインダと同時にカーボンナノチューブが焼失してしまうおそれがあるが、本発明によれば、高い耐熱性を有するカーボンナノチューブ含有インクを提供することができる。

このように本発明によれば、インクジェット法に適した粘度や表面張力を有するカーボンナノチューブ含有インクとすることができ、しかも高い耐熱性を有することで、高温プロセスを用いてもカーボンナノチューブが焼失しないため、カーボンナノチューブを任意のパターンに印刷することが可能となり、さらに高温プロセスを使用することが可能になることで、導電パターンや、電子放出源、等のエレクトロニクス用途に広く利用できるものである。

以上のように本発明は、インクジェット法に適したカーボンナノチューブを含有するインクを提供する上で有用な発明である。

本発明の実施例ならびに比較例のインク１−６の粒度分布を示すグラフ 本発明のインク１の焼成前後の粒子構造を示す電子顕微鏡写真 本発明のインク２の焼成前後の粒子構造を示す電子顕微鏡写真 比較例のインク３の焼成前後の粒子構造を示す電子顕微鏡写真 比較例のインク４の焼成前後の粒子構造を示す電子顕微鏡写真

Claims (3)

1. カーボンナノチューブ、有機溶剤、バインダ、分散剤からなり、かつ前記分散剤は、ポリアルキロールアミン塩およびポリエーテル変成ポリアルキルシロキサンの中から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とするカーボンナノチューブを含有するインク。
2. 前記カーボンナノチューブは、長さ５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブを含有するインク。
3. 粘度が１５ｃｐ以下、表面張力が２５ｄｙｎ以上４０ｄｙｎ以下を満たすものであることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブを含有するインク。