JP2010503181A - 高導電性水性インキ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に改良された特性を有する導電性の水性コーティング組成物に関する。乾燥されたコーティングは、様々な電子用途、遮蔽用途、無線周波数識別(RFID)用途で使用される。組成物は、たとえばRFIDアンテナなどのような電子回路を生産するための高速印刷インキとして特に有用である。
電気的に伝導性のコーティングはエレクトロニクス産業において大きな需要がある。それらは、商品の貯蔵記録から米国のパスポートに及ぶ広い用途で、電子妨害(EMI/RFIシールディング)から事務機器を保護し、無線周波数識別用アンテナへのプリント基盤上で複雑な電子回路類を形成するために使用される。様々な導電性のコーティングの中でも、導電性印刷インキは、様々な塗布方法および塗布への要求に適合する組成物が、コーティング・クラスのパラダイムを構成するとの観点から必要とされ成長している。
本発明は、水性の導電性インキであって、セルロースに基づく基体の表面粗さとインキ層表面の表面粗さとの比率が1.5以下、好ましくは1.25以下であり、好ましくはシート抵抗が200ミリオーム/スクエア未満、より好ましくは150ミリオーム/スクエア未満、そして最も好ましくは120ミリオーム/スクエア未満であるインキを提供する。この表面の粗さを備えたインキ層は、少なくとも3メートルの読み取り範囲のUHF RFIDアンテナを提供することができる。これは例えば組成物中の導電性の粒子状物質の数を最大限にすることが導電率の最高水準を与えるという一般通念を無視し、マトリックスが水溶性のアクリル共重合体であって導電性の粒子状物質を分散させることができるものである導電性組成物を提供し、陰イオン湿潤剤を添加して、印刷された線および/またはグラフィックスの導電率を実質的に増加させることにより達成される。例えば、約500マイクロメートル未満(特には約300マイクロメートル未満)のラインスペース幅で、140ミリオーム/スクエア未満のシート抵抗を有する電気的に伝導性のグラフィックス印刷が実現できる。
本発明は、望ましい特性を有する高速印刷インキとしての使用にふさわしい水性の導電性組成物を提供する。本発明の組成物は、特に高い導電率、低価格基体(例えば、セルロース系および低Tgプラスチック)上の印刷適性に優れ、乾燥および硬化/アニーリングのために低い熱エネルギーを必要とし、5ミクロン以内の層の乾燥したインキは、約1.5以下、好ましくは約1.25以下の、インキの表面粗さのセルロース質物質に基づいた基体の表面の粗さに対する比率を提供する。驚くべきことに、この粗さの乾燥インキは、3メートル以上のUHF RFIDアンテナの読み取り範囲を提供することができる。好ましくは、基体粗さを差し引いた後の印刷の粗さは約1ミクロン未満である。インキ成分の適切な選択によりそのようなインキを実現することができることが発見された。例えば、スチレンアクリル共重合体と陰イオン性湿潤剤を組み合わせることにより、銀の粒子状物質の分散が相乗的に改良され、印刷された線および/またはグラフィックスの導電率の実質的な増加を提供できる。さらに、スチレンアクリル共重合体と陰イオン性湿潤剤の組み合わせは、優れたグラフィックの再生、均一なレイ−ダウン、貯蔵安定性、適切なレオロジーおよび基体付着を与える導電性インキを生成する。重要なことには、本発明のインキは水性である、すなわち水が主要な溶剤/キャリヤであるので、インキは明瞭な環境上の利点を提供する。
(a)導電性の粒子状物質;
(b)陰イオン性湿潤剤;
(c)スチレン/(メタ)アクリル共重合体またはそれらの塩、およびそれらと他の(メタ)アクリル共重合体樹脂あるいはそれらの塩とのブレンド;
(d)消泡剤;および
(e)水。
本発明における好ましい導電性の粒子は銀である。好ましくは、銀はフレークとして存在する。また、フレークは最も長い寸法(D90)が約100nmから50ミクロンであり、より好ましくは1ミクロンから20ミクロンの間であり、少なくとも5:1のアスペクト比を有する。他のサイズを使用することもできるが、粒子状物質はすべて一般に同じD90を有している。典型的に銀のフレークである粒子状物質の寸法は、溶剤の中に分散された粒子状物質の光散乱を使用して、通常決定される。あるいは、銀は球状の粒子状物質、顆粒状物質、ファイバー、粒あるいは小板の形をとることができる。少なくとも1つの直鎖カルボン酸あるいはその酸の塩で、粒子状物質は表面処理されることができる。
本発明で使用することができる営利上利用可能なアクリルの共重合体の例としてはJoneryl 142、Joneryl 91、Joneryl 85(すべてジョンソンポリマー社製)、Morcryl 132(ロームアンドハース社製)、Jonrez D−2153(ミードウエストバコ社製)、およびそれらの混合物があげられる。
水は主要な溶剤のままである。
結果は表1に示される。
他の湿潤剤の使用は、導電性における著しい改良を提供しなかったか、あるいは性能の低下(つまりより高い抵抗)に帰着した。
スチレンアクリル共重合体に陰イオン性湿潤剤を加えると、印刷されたインキの表面抵抗率の減少に帰着することをさらに例証するために、陰イオン性湿潤剤BYK 381およびHydropalat 875が、ジョンソンポリマー社製のスチレンアクリル共重合体に加えられた。実施例1でのように、ベース組成物は樹脂、銀フレーク、消泡剤および水を含有して調製され、陰イオン性湿潤剤はこの組成物に加えられた。インキ・ベースの組成は表2に示される。ベースは、10分間、毎分6,000回転で以下の構成要素をディスパーマツト(Dispermat)ミキサーで混合することにより調製された。
次の例は、さらに本発明のインキの典型的な特性を例証する。水性の銀導電性インキは、10分間、毎分6,000回転で次の構成要素をディスパーマツトミキサーで混合することにより調製された。
他の技術によって適用される本発明の組成物の適用可能性をさらに例証するため、ディスパーマツトミキサーで20分間、毎分2000回転で混合して、表4の組成物が調製された。
さらに本発明の組成物が銀以外のフレーク粒子状物質を含んでいるコーティングに適用可能であることを例証するために、スチレンアクリルのマトリックスに銀でコーティングされたガラスフレークを含む組成物が試験された。試験された組成物は、44.9%の銀でコーティングされたガラスフレーク(ポッターズ・インダストリーズ)、37.7%のスチレンアクリル共重合体樹脂(27wt%樹脂、アンモニウム塩、ミードウエストバコ社製)、0.2%の消泡剤(ウルトラアディティブズ社製)および16.5重量%の水を含み、ディスパーマツトミキサーで20分間、毎分2000回転で混合することにより調製された。この組成物に、様々な化学物質の湿潤剤の3.0重量%が加えられた(表5)。
従って、それは、明細書に記載された精神および広い範囲以内にあるような変更、修正および変化をすべて包含するように意図される。
Claims (45)
- 水性の導電性組成物であって、乾燥した時に、セルロース質基体上の5ミクロン以下の層が、該相の表面粗さの基体の表面粗さに対する比率が1.5以下の値を有する、導電性組成物。
- 乾燥して5ミクロン以下の膜厚を有する場合に、200ミリオーム/スクエア以下のシート抵抗を有する、請求項1記載の導電性組成物。
- 乾燥した場合に、少なくとも3メートルのRFIDアンテナの読み取り範囲を有する、請求項1記載の導電性組成物。
- (a)導電性の粒子状物質
(b)スチレン/(メタ)アクリル共重合体
(c)陰イオン性湿潤剤
(d)消泡剤、および
(e)水を含む、導電性組成物。 - 導電性の粒子状物質は銀を含む、請求項4記載の導電性組成物。
- 前記の銀の粒子状物質の最長の寸法が約100nmから50マイクロメートルである、請求項5記載の導電性組成物。
- 前記の銀の粒子状物質の最長の寸法が約1マイクロメートルから20マイクロメートルである、請求項6記載の導電性組成物。
- スチレン/(メタ)アクリル共重合体は、スチレンとアルキル(メタ)アクリレートの共重合体であり、任意に部分的に加水分解されているかまたは塩とされている、請求項4記載の導電性組成物。
- 共重合体の水に対する比率が4対1から1対8までである、請求項4記載の導電性組成物。
- スチレン/(メタ)アクリル共重合体がアルキルアクリレート共重合体とのブレンドを含む、請求項4記載の導電性組成物。
- アルキル基部分がエチル、プロピル、ブチルおよびヘキシルの少なくとも1つを含む、請求項10記載の導電性組成物。
- 陰イオン性湿潤剤が、アルカリスルフォスクシネート、アルカリスルホスクシネートおよび陰イオン性ポリアクリレート共重合体からなる群から選択される、請求項4記載の導電性組成物。
- 陰イオン性湿潤剤が、ジヘキシルスルフォスクシネート塩、ジ−2−エチルヘキシルスルホスクシネート塩およびジオクチルスルホスクシネート塩からなる群から選択される、請求項4記載の導電性組成物。
- アルコール、アミン、グリコール、アセテート、エーテル、ケトン、アルデヒドおよびアミドからなる群から選択される少なくとも1つの溶剤をさらに含む、請求項4記載の導電性組成物。
- 重量で、銀は組成物の約10から90%であり、該共重合体は約2から50%であり、消泡剤は約0.01から4%であり、陰イオン性湿潤剤は約0.01から6%である、請求項5記載の導電性組成物。
- 重量で、銀は組成物の約40から75%であり、該共重合体は約2から20%であり、消泡剤は約0.1から2%であり、陰イオン性湿潤剤は約0.1から3%である、請求項15記載の導電性組成物。
- 重量で、銀は組成物の約50から70%であり、該共重合体は約4から10%であり、消泡剤は約0.2から1.5%であり、陰イオン性湿潤剤は約0.5から2%である、請求項16記載の導電性組成物。
- 前記銀の粒子状物質の最長の寸法は約100nmから50マイクロメートルであり、該スチレン/(メタ)アクリル共重合体はスチレンとアルキル(メタ)アクリレートの共重合体であり、任意に部分的に加水分解されたか塩とされ;
陰イオン性湿潤剤は、アルカリスルフォスクシネート、アルカリスルホスクシネートおよび陰イオン性ポリアクリレート共重合体からなる群から選択され;
共重合体の水に対する比率が4対1から1対8までであり;
組成物は約10から40秒の範囲のザーンカップ#3粘度を有する、請求項14記載の導電性組成物。 - 約10から40秒の範囲のザーンカップ#3粘度を有する、請求項4記載の導電性組成物。
- 導電性の粒子状物質は、銅、金、ニッケル、炭素、黒鉛、銀合金、銀コーティングされた金属、銀コーティングされたガラス、銀コーティングされた雲母、銀コーティングされた黒鉛、ニッケルコーティングされた炭素、およびニッケルコーティングされた黒鉛からなる群から選択される少なくとも1つの要素である、請求項4記載の導電性組成物。
- 基体上に請求項1から4のいずれか1項記載の導電性組成物を適用し、組成物を乾燥することを含む、基体上に導体パターンを形成する方法。
- 前記の組成物はコーティング、スプレー、ペインティングまたは印刷によって適用される、請求項21記載の方法。
- 前記の組成物が、スクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、グラビア印刷またはとっ版印刷によって適用される、請求項21記載の方法。
- 前記の組成物はフレキソ印刷によって適用される、請求項21記載の方法。
- 組成物が適用され、約500マイクロメートル未満の間隔を有するグラフィックスを提供する、請求項24記載の方法。
- 組成物が適用され、約300マイクロメートル未満の間隔を有するグラフィックスを提供する、請求項24記載の方法。
- 前記の組成物は、乾燥後に、乾燥した組成物が約120マイクロオームcm以下の体積抵抗を有するに十分な量で適用される、請求項21記載の方法。
- 前記の組成物は、乾燥後に、乾燥した組成物が約60マイクロオームcm以下の体積抵抗を有するに十分な量で適用される、請求項27記載の方法。
- 前記の組成物は、アンテナの形態で前記の基体上に適用される、請求項21記載の方法。
- 前記の組成物は、RFIDアンテナの形態で前記の基体上に適用される、請求項21記載の方法。
- 前記の組成物は、少なくとも800MHzの周波数範囲で作動するように設計されたRFIDアンテナの形態で前記の基体上に適用される、請求項30記載の方法。
- RFID集積回路チップが、チップとの直接接続、RFIDストラップ接続、またはスペース・カップリングによってRFIDアンテナと接続される、請求項31記載の方法。
- RFID集積回路チップはEPC クラス1 UHF RFID準拠である、請求項32記載の方法。
- 前記の基体上に前記の組成物が適用され、印刷回路を形成する、請求項21記載の方法。
- 前記の基体はセルロース質基体である、請求項21記載の方法。
- 前記のセルロース質基体は、コート紙、非コート紙、熱転写紙、直接感熱紙、コーティングされた厚紙、コーティングされていない厚紙、プライム非コーティング厚紙、クラフト紙、フルート紙(fluted paper)、およびまだら色紙(mottled paper)からなる群から選択される、請求項35記載の方法。
- 前記の基体はプラスチックである、請求項21記載の方法。
- 前記の基体はポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、セルロース系エステル(例えば酢酸セルロースなど)、ポリスチレンおよびスチレン共重合体からなる群から選択される、請求項34記載の方法。
- 基体は金属酸化物でコーティングされたプラスチックである、請求項21記載の方法。
- 請求項4記載の組成物と組み合わされた基体を含む物品。
- 基体は850MHz以上で作動するRFIDチップ・モジュールを有し、前記組成物が、該モジュールに接続されたアンテナの形態をしている、請求項40記載の物品。
- RFIDチップ・モジュールが導電性の結合を使用せずにアンテナに接続される、請求項40記載の物品。
- 組成物が電磁気的遮蔽あるいは基体上のコーティングとして配置される、請求項40記載の物品。
- 前記の組成物が不連続なパターンとして配置される、請求項40記載の物品。
- 前記の組成物が電解金属メッキのための初期層として配置される、請求項40記載の物品。
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