JP2011515510A - 導電性特徴をスクリーン印刷するための方法および組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第61/031,528号(2008年2月26日出願)の米国特許法第119条第(e)項の優先権の利益を主張し、この出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。
本開示は、基板上における導電性特徴の形成に関する。
透過性導体とは、高透過率表面または基板上に塗膜される、薄い導電性膜を指す。透過性導体は、表面導電率を有しつつ、適度な光透過性を維持するように製造され得る。そのような表面導電透過性導体は、フラット液晶ディスプレイ、タッチパネル、エレクトロルミネセント素子、および薄膜光電池内の透過性電極として、帯電防止層として、ならびに電磁波遮蔽層として、広く使用されている。
本発明による塗膜溶液は、好ましくは、導電性ナノ構造を含む。本明細書で使用されるように、「ナノ構造」とは、概して、ナノサイズの構造を指し、その少なくとも1つの寸法は、500nm未満、より好ましくは、250nm、100nm、または25nm未満である。好ましくは、本発明による塗膜溶液中において使用されるナノ構造は、異方性に成形される、すなわち、1に等しくないアスペクト比(長さと直径との比)を有する。透過導電性特徴を生成する際の等方性ナノ構造の使用は、所望のレベルの導電率を達成するために、比較的高い重量パーセント(すなわち、表面装填レベル)のそのようなナノ構造が必要とされる場合があるために、困難であり得る。そのような高装填レベルは、ヘイズ(例えば、概して、高ヘイズをもたらす)および透過性(例えば、概して、低い透過性をもたらす)等の光学的性質に容認不可能な程度の影響を及ぼし得る。しかしながら、スクリーン印刷用途における異方性ナノ構造の使用は、ナノ構造の長さが、好適な粘性塗膜溶液中のナノ構造の分散を困難にし得るので、挑戦的であり得る。本発明によるスクリーン印刷の塗膜溶液および方法は、有利には、これらの困難点を克服する。
基板上に形成される導電性特徴では、異方性ナノ構造は、浸透プロセスを介して、導電ネットワークを形成する。浸透導電性は、導電路が相互接続する異方性ナノ構造を介して形成されると、確立され得る。電気的浸透の閾値に到達し、導電性となるために十分なナノ構造が存在しなければならない。したがって、電気的浸透閾値は、ナノ構造の装填密度または濃度と相関する値であって、それを上回ると、長期的な接続性が達成され得る。典型的には、装填密度とは、面積当たりのナノ構造の数を指し、「数/μm2」によって表され得る。
上述のように、導電性である表面特徴を生成するためには、特徴内に浸透ネットワークを形成するように、異方性ナノ構造装填レベルが十分であることが重要である。故に、塗膜溶液中の異方性ナノ構造の量および分散は、導電性表面特徴を生成することを可能にするために重要である。さらに、塗膜溶液は、基板上に鮮明なラインの正確な特徴を生成するために十分に高い粘度でなければならない。
本明細書で使用されるように、「基板」、すなわち、「選択基板」とは、導電性特徴が塗膜される材料を指す。基板は、剛性または可撓性であり得る。基板は、透明または不透過性であり得る。好適な剛性基板は、例えば、ガラス、ポリカーボネート、アクリル等を含む。好適な可撓性基板は、ポリエステル(例えば、テレフタル酸ポリエチレン(PET)、ポリエステルナフタレート、およびポリカーボネート)、ポリオレフィン(例えば、線状、分岐、および環状ポリオレフィン)、ポリビニル(例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアセタール、ポリスチレン、ポリアクリル酸等)、セルロースエステル基(例えば、三酢酸セルロース、酢酸セルロース)、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、シリコーン等のポリスルホン、ならびに他の従来のポリマー膜を含むが、それらに限定されない。好適な基板の付加的実施例は、例えば、米国特許第6,975,067号に見出され得る。
場合によっては、本明細書に記載されるように、基板上に特徴をスクリーン印刷後、印刷された特徴は、その意図される使用に十分な導電率でなくてもよい。したがって、本発明によると、いくつかのスクリーン印刷後処理が、特徴および基板上で行なわれ得る。
基板上への導電性特徴の蒸着後、ある実施形態では、導電性特徴の上部に被膜または基質を蒸着することが好ましい場合がある。被膜または基質とは、導電性ナノ構造が分散あるいは埋め込まれている中実状態の材料を指す。異方性ナノ構造の一部は、被膜または基質材料から突出し、導電ネットワークへのアクセスを可能にし得る。被膜または基質は、ナノ構造のための宿主として作用し得る。被膜または基質は、浸食および摩耗等の有害環境要因から金属ナノ構造を保護し得る。特に、基質は、微量の酸、酸素、硫黄等の湿潤環境において、浸食要素の浸透を大幅に低減し得る。加えて、被膜または基質は、好ましい物理的および機械的特性を導電性特徴にもたらす。例えば、基板への接着を提供可能である。さらに、金属酸化物膜と異なり、異方性ナノ構造が埋め込まれるポリマーまたは有機基質は、頑強かつ可撓性である。
導電性ナノ構造を有する方法および塗膜溶液を使用して生成される透過導電性特徴は、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、または少なくとも95%(空気を基準として使用)の光透過率を有し得る。ヘイズは、光散乱指数である。これは、透過の際に入射光から分離し、散乱される光の量の割合を指す(すなわち、透過ヘイズ)。主として媒体の特性である光の透過と異なり、ヘイズは、多くの場合、生産に関係し、典型的には表面粗度および媒体中の埋込み粒子または組成の不均一性によって生じる。種々の実施形態では、透過性導電特徴のヘイズは、10%以下、8%以下、5%以下、3%以下、または1%以下である。
本明細書に開示されるスクリーン印刷方法および装置を使用して生成される透過導電性特徴を有する基板は、現在、金属酸化物膜等の透過性導体を利用する任意の素子を含む、種々の素子内の電極として使用可能である。好適な素子の実施例は、LCD等のフラットパネルディスプレイ、プラズマディスプレイパネル(PDP)、着色フラットパネルディスプレイ用カラーフィルタ、タッチスクリーン、電磁遮蔽、機能ガラス(例えば、電界変色性窓用)、ELランプおよび光電池を含む光電子素子等を含む。加えて、本明細書の透過導電性特徴は、可撓性ディスプレイおよびタッチスクリーン等の可撓性素子内で使用可能である。
LCDは、外部電場により光の透過率を制御することによって、画像を表示するフラットパネルディスプレイである。典型的には、LCDは、液晶セルのマトリクス(すなわち、「ピクセル」)と、ピクセルを駆動するための駆動回路とを含む。各液晶セルは、共通電極に対して、液晶セルに電場を印加するためのピクセル電極を備える。ピクセル電極の各々が、薄膜トランジスタ(TFT)にともに接続される場合、スイッチング素子として機能し、すなわち、ピクセル電極は、TFTを介して印加されるデータ信号に従って、液晶セルを駆動する。
プラズマディスプレイパネルは、プラズマ放電によって発生される紫外線光によって蛍光材料(例えば、蛍光体)を励起させることによって、可視光を放出する。プラズマディスプレイパネルは、2つの絶縁基板(例えば、ガラス板)を採用し、各絶縁基板は、電極およびその上に形成されるバリアリブを有し、個々のセル(ピクセル)を画定する。これらのセルは、1つ以上の不活性ガス(例えば、Xe、Ne、またはKr)で充填され、電場下、イオン化され、プラズマを生成し得る。より具体的には、アドレス電極は、後面ガラス板に沿って、セルの背面に形成される。透過性ディスプレイ電極は、バス電極とともに、正面ガラス板上のセルの正面に搭載される。アドレス電極および透過性ディスプレイ電極は、互いに直交し、セルにおいて交差する。動作時、制御回路は、電極を充電し、正面と背面板との間に電圧差を生じさせ、不活性ガスをイオン化し、プラズマを形成する。
太陽放射は、約0.4eV乃至4eVの光子範囲で使用可能なエネルギーを提供する。光起電(PV)セル等の光電子素子は、本範囲にある光子エネルギーを採集し、電力に変換する。光電池は、本質的に、照明下の半導体接合部である。光は、半導体接合部(すなわち、ダイオード)によって吸収され、電子−正孔対は、接合部の両側、すなわち、n型エミッタおよびp型ベース上に生成される。次いで、これらの電荷担体(ベースからの電子およびエミッタからの正孔)は、接合部に拡散し、電場によって掃引され、したがって、素子全体に電流を生成する。半導体接合部は、単一材料(例えば、結晶シリコン)をドープし、p型およびn型側を形成することによって、ホモ接合セル内に形成され得る。PN構造またはP−i−N構造のいずれかが、使用され得る。
(銀ナノワイヤの合成)
銀ナノワイヤは、ポリ(ビニルピロリドン)(PVP)の存在下において、エチレングリコール中で溶解された硝酸銀の還元によって合成した。本方法は、例えば、Y.Sun、B.Gates、B.Mayers、& Y.Xia、「Crystalline silver nanowires by soft solution processing」、Nanolett、(2002)、2(2)165−168に記載されている。一様な銀ナノワイヤは、遠心分離または他の周知の方法によって、選択的に分離可能である。
(スクリーン印刷導電性塗膜溶液;電気特性)
次いで、本明細書に記載されるように調製し、沈殿および溶剤交換を介して精製した銀ナノワイヤを1週間、水中に沈殿させた。ナノワイヤは、約11.5μm乃至15.5μmの長さ、および約35nm乃至45nmの直径を有していた。水を他へ移し、沈殿ナノワイヤを完全に乾燥させた。次いで、PGMEをナノワイヤに添加し、混合した。次いで、ナノワイヤをさらに1週間沈殿させ、PGMEを他へ移した。次いで、得られたナノワイヤの一部を、2つの異なる増粘剤(Dupont(登録商標) 3617およびBorchi(登録商標)PW 25)に別々に添加し、混合した(各溶液は、約99重量%の増粘剤および約1重量%のナノワイヤを有していた)。また、約1%乃至10重量%のEthocel(登録商標) 300と、各々別個に、約89%乃至98%のPGME、乳酸エチル、ベンジルアルコール、およびジアセトンアルコールを使用して、さらに4つの塗膜溶液を調製し、それぞれ、約1重量%のナノワイヤと混合した。
(スクリーン印刷導電性塗膜溶液;電気および光学特性)
本明細書に記載されるように調製し、沈殿および溶剤交換を介して精製した銀ナノワイヤを1週間、水中に沈殿させた。ナノワイヤは、約11.5μm乃至15.5μmの長さ、および約35nm乃至45nmの直径を有していた。水を他へ移した。次いで、得られたナノワイヤの一部を異なる重量パーセント(以下の表2および表3に示されるように)のPolymer Innovations(登録商標) WB40B−63(表2)およびWB40B−64(表3)に別々に添加し、0.7重量%の銀ナノワイヤ、以下に示される重量パーセントの増粘剤、残留溶液水を有する溶液を生成した。各混合物は、スクリーン印刷され、透過性PET上に約3×4インチの矩形の導電性特徴を生成した。次いで、各特徴の抵抗率、透過性、およびヘイズを測定した。抵抗率は、Delcom抵抗測定装置および四点接触抵抗測定プローブの両方を使用して測定した。各混合物の抵抗率測定値の結果を以下の表2および表3に示す。
Claims (19)
- スクリーン印刷のための塗膜組成物であって、
増粘剤と、
金属異方性ナノ構造と
を含む、塗膜組成物。 - 異方性ナノ構造に対する増粘剤の比率は、99乃至999である、請求項1に記載の塗膜組成物。
- 前記増粘剤は、Dupont(登録商標) 3517、Toyobo Vylonal(登録商標)、およびBorchi(登録商標) PW 25のうちの1つである、請求項2に記載の塗膜組成物。
- 溶剤をさらに含む、請求項1に記載の塗膜組成物。
- 増粘剤の異方性ナノ構造に対する比率は、1乃至100であり、
溶剤の異方性ナノ構造に対する比率は、89乃至989である、
請求項4に記載の塗膜組成物。 - 前記増粘剤は、エチルセルロース、ヒドロプロピルセルロース、およびヒドロキシルプロピルセルロースのうちの1つであって、前記溶剤は、水、PGME、乳酸エチル、ベンジルアルコール、およびジアセトンアルコールのうちの1つである、請求項5に記載の塗膜組成物。
- 基剤をさらに含む、請求項1に記載の塗膜組成物。
- 増粘剤の異方性ナノ構造に対する比率は、0.1乃至16であり、
溶剤の異方性ナノ構造に対する比率は、90.8乃至198.8であり、
基剤の異方性ナノ構造に対する比率は、0.01乃至0.4である、
請求項7に記載の塗膜組成物。 - 前記増粘剤は、Polymer Innovations(登録商標) WB40B−63およびWB40B−64のうちの1つである、請求項8に記載の塗膜組成物。
- 前記金属異方性ナノ構造は、金属ナノワイヤおよび金属ナノチューブのうちの1つである、請求項1に記載の塗膜組成物。
- 前記金属異方性ナノ構造は、銀ナノワイヤおよび金ナノチューブのうちの1つである、請求項1に記載の塗膜組成物。
- 基板上に形成される導電性特徴であって、
該導電性特徴は、金属異方性ナノ構造を含み、
該導電性特徴は、該金属異方性ナノ構造を含有する塗膜溶液を該基板上にスクリーン印刷することによって形成される、導電性特徴。 - 請求項12に記載の導電性特徴を含む、液晶ディスプレイ。
- 請求項13に記載の導電性特徴を有する、プラズマディスプレイパネル。
- 請求項12に記載の導電性特徴を有する、光電池。
- 85%超の光透過性を有する、請求項12に記載の導電性特徴。
- 3%未満の光学ヘイズを有する、請求項12に記載の導電性特徴。
- 200オーム/スクエア未満の抵抗率を有する、請求項12に記載の導電性特徴。
- 前記導電性特徴を覆う基質層を有する、請求項12に記載の導電性特徴。
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