JP2013206719A - 導電膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】銅酸化物微粒子を含む分散体を基材に付与する工程と、前記分散体に、250nm〜700nmの領域における最も大きい光の強度I250−700の割合が、750nm〜1100nmの領域における最も大きい光の強度I750−1100に対して、0.3以下である光を照射する第1の光照射工程と、前記分散体に更に光を照射する第2の光照射工程と、を有することを特徴とする導電膜の製造方法。
【選択図】なし
Description
しかしながら、この方法によると、金属抵抗値が低い薄膜を得るために高い温度で加熱処理するため、耐熱性が高い基材を使用する必要があり、基材が制限されるという問題点がある。
また、密度に基づいて計算すると、金属酸化物が還元される際に、その体積は56%に収縮するので、ボイドが形成されやすくなると共に、導電性及び基板との密着性が低下するという問題点がある。
〔1〕
銅酸化物微粒子を含む分散体を基材に付与する工程と、
分散体に、250nm〜700nmの領域における最も大きい光の強度I250−700の割合が、750nm〜1100nmの領域における最も大きい光の強度I750−1100に対して、0.3以下である光を照射する第1の光照射工程と、
分散体に更に光を照射する第2の光照射工程と、
を有することを特徴とする導電膜の製造方法。
〔2〕
第2の光照射工程における光は、250nm〜1100nmの領域に波長のピークを有するものであることを特徴とする〔1〕に記載の導電膜の製造方法。
〔3〕
第1の光照射工程は、1.0J/cm2〜20J/cm2のエネルギーで光を照射するものであることを特徴とする〔1〕又は〔2〕に記載の導電膜の製造方法。
〔4〕
第2の光照射工程は、30J/cm2以上のエネルギーで光を照射するものであることを特徴とする〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
〔5〕
分散体は、更に電子供給剤として作用する化合物を含むことを特徴とする〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
〔6〕
電子供給剤として作用する化合物は、アルコール、脂肪酸及び亜硫酸ナトリウムからなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする〔5〕に記載の導電膜の製造方法。
〔7〕
第1の光照射工程は、パルス光により光を照射する工程であることを特徴とする〔1〕〜〔6〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
〔8〕
第2の光照射工程は、パルス光により光を照射する工程であることを特徴とする〔1〕〜〔7〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
〔9〕
第1の光照射工程及び第2の光照射工程は、同一の光源から光を照射する工程であることを特徴とする〔1〕〜〔8〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
〔10〕
分散体はインクジェットにより基材に塗布されるものであることを特徴とする〔1〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
本発明において、銅酸化物微粒子を含む分散体を基材に付与する方法に特に制限はない。
前記付与する方法としては、塗布法、インクジェット法、スピンコート法、ニーダーコート法、バーコート法、ブレードコート法、ディップコート法、カーテンコート法、キャスト法、スクリーン転写法などが公知であり適用可能である。
これらのうち、所望の箇所に分散体を効率よく付与し当該箇所に対して選択的に導電性を発揮させることができる観点から、インクジェット法が最も好ましい。
まず、第1の光照射工程について詳細に説明する。第1の光照射工程は、銅酸化物微粒子を含む分散体に、250nm〜700nmの領域における最も大きい光の強度I250−700の割合が、750nm〜1100nmの領域における最も大きい光の強度I750−1100に対して、0.3以下である光(以下、「250nm〜700nmの領域に波長のピークを実質的に含まず、750nm〜1100nmの領域に波長のピークを有する光」ともいう。)を照射する工程である。すなわち、第1の光照射工程においては、分散体に含まれる銅酸化物(酸化銅)のバンドギャップ以上のエネルギーを有すると共に、吸収係数が小さい所定の波長領域の光を分散体に照射し、これにより、酸化銅を還元する。第1の光照射工程で使用される光は、吸収係数が小さい領域の光であるので、第1の光照射工程により、膜状に付与された分散体の厚さ方向に略均一な光還元反応を起こすことが可能となる。その結果、従来の製造方法による場合と比較して、分散体の表面のみで酸化銅が焼結されて、分散体の表面に更に硬化した膜が形成されることを防止することができ、ボイドの発生を抑制することができる。
なお、分散体を膜状に付与する際の分散体の膜厚としては、限定的ではないが、0.1〜5μmが好ましく、0.5〜2μmが更に好ましく、0.5〜1μmが特に好ましい。膜状に付与する分散体の膜厚の調整方法としては、例えば、分散体中の銅酸化物微粒子濃度を変化させることにより調整できる。
Eg=1.4±0.3(eV)
で表される領域である。また、CuOのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光の波長λは、以下の式
λ<1240/Eg
により計算することができ、Egに1.1(eV)を代入すると、λは以下の式
λ<1127(nm)
により表される。従って、本発明においては、波長λの上限を1100nmとする。
図1は、CuOに対する光の波長と吸収係数との関係を示すグラフである。図1に示すように、波長が小さくなるほど吸収係数は高くなるため、吸収係数を5.0×104cm−1以下にする、即ち、図1より、光の波長を実質的に750nm以上とすることにより、所望の効果を得ることができる。吸収係数は、入射した光の強度が物質中で1/eになるまでの距離の逆数であるから、所定の値以下の小さい吸収係数の光を分散体に照射することにより、照射された光は所定の強度を維持した状態で分散体の深部まで到達する。従って、第1の光照射工程により、基材に付与した分散体の厚さ方向に略均一に、CuO微粒子の還元反応を起こすことができる。
なお、250nm〜700nmの領域における最も大きい光の強度I250−700の割合が、750nm〜1100nmの領域における最も大きい光の強度I750−1100に対して、0.3以下である光とは、前記I250−700とI750−1100との関係が、下記の式で表される光を指す。
I250−700/I750−1100≦0.3
ボイドの原因となる表面硬化膜発生防止の観点から、上記I250−700/I750−1100は、0.3以下であることが好ましく、0.2以下であることがより好ましく、0.1以下であることがさらに好ましい。
本発明においては、第1の光照射工程における光照射のエネルギーは、1.0J/cm2〜20J/cm2で行うことが好ましく、5〜20J/cm2で行うことがより好ましく、10〜20J/cm2で行うことが最も好ましい。
第1の光照射工程における光照射のエネルギーを1.0J/cm2以上とすると、酸化銅の還元効率が優れたものとなる。また、第1の光照射工程に使用する光のエネルギーを20J/cm2以下とすると、酸化銅の還元が完了する前に焼結が進行することがなく、より効率よく酸化銅を還元することができる。
次に、第2の光照射工程について詳細に説明する。第1の光照射工程の後、第2の光照射工程として、波長が制限されていない光を基材表面に照射する。これにより、還元されたCu微粒子に、吸収係数が大きい光が照射されるので、Cu微粒子の温度を瞬間的に上昇させることができ、Cuが焼結される。即ち、第2の光照射工程により光を分散体に照射すると、この光は吸収係数が大きいため、光は分散体の深部まで到達せず、最初に分散体の最表面に存在するCu微粒子のみが光を吸収して発熱する。その後、分散体の膜厚方向に熱伝導が発生することにより、Cuが完全に焼結される。本発明においては、第1の光照射工程によって、分散体中の酸化銅が銅に還元されているので、酸化銅と比較して熱伝導率が100倍以上に上昇している。その結果、第2の光照射工程において、膜厚方向の熱分布が最小化して、均一なCu微粒子の焼結を行うことができ、これにより、膜厚方向の均一性が優れた導電膜を得ることができる。
なお、250nm〜1100nmの領域に波長のピークを有する光とは、全波長領域中での最も大きい光の強度を有する光の波長が、250nm〜1100nmの範囲にある光を指す。
本発明においては、第2の光照射工程における光照射のエネルギーは、30J/cm2以上で行うことが好ましく、35J/cm2以上で行うことがより好ましく、45J/cm2以上で行うことが最も好ましい。
第2の光照射工程に使用する光のエネルギーを30J/cm2以上とすると、第1の光照射工程により還元されたCu微粒子が再酸化されるおそれがなく、効率よく焼結を行うことができる。
本発明においては、所望の波長を有する光を照射できる光源であれば、使用する光源に特に制限はない。
光源としては、例えば、キセノンフラッシュランプ、高圧水銀ランプ、クリプトンランプを使用することができる。
樹脂基材へのダメージ防止の観点から、キセノンフラッシュランプ又はクリプトンランプを光源とし、これらの光からUV光を遮蔽して使用することが好ましい。前記光源としては、キセノンフラッシュランプを使用することが最も好ましい。
前記UV光を遮蔽する方法としては、特に限定されないが、例えば前出のフィルターを使用したり、ランプ外管にUVを遮蔽する膜がコーティングされたランプを使用すること等が挙げられる。
前記光学フィルターを使用する方法としては、例えば、Edmund Optics社のIR−76というフィルターを使用することが挙げられる。これにより、250nm〜700nmの波長の光を実質的に透過させず、760±9nmの波長の光を50%透過し、800nm以上の波長の光を94%透過させることができるので、本発明の第1の光照射工程において最適に利用することができる。
図4は投入する電流密度を4000A/cm2とした場合にキセノンフラッシュランプから照射される光の波長と強度との関係を示すグラフである。図4に示すように、電流密度を4000A/cm2とすると、キセノンフラッシュランプから250nm〜1100nmの領域の光を好適に出力させることができる。
これらのうち、パルス光で分散体に光を照射することが最も好ましい。
第1の光照射工程においてパルス光を利用すると、分散体を冷却する時間を得ることができ、焼結を防止しながらCuOを還元することが容易となる。
また、第2の光照射工程において、例えば、キセノンフラッシュランプを利用し、パルス幅を10ミリ秒以下として、高エネルギーのパルス光をCu微粒子に照射すると、Cu微粒子は光を吸収して瞬間的に発熱するので、前述のごとく、均一性が優れた導電膜を得ることができる。即ち、第2の光照射工程においてもパルス光を照射すると、Cu微粒子の瞬間的な昇温が可能となり、基材へのダメージを防止しつつ光焼結を行うことができる。
本発明において、銅酸化物微粒子を含む分散体とは、銅酸化物微粒子が溶媒に分散されたものが好ましい。
銅酸化物としては、Cu2OもしくはCuOであることが好ましく、酸化状態の安定性から、CuOであることが最も好ましい。
溶媒としては、銅酸化物微粒子を分散することができるものであれば特に制限はないが、水系溶媒が好ましく、多価アルコール水溶液がより好ましく、グリセリン水溶液が最も好ましい。
銅酸化物微粒子の粒径は1〜100nmであることが好ましく、5〜50nmであることがより好ましく、10〜30nmであることが最も好ましい。銅酸化物微粒子の粒径の測定方法としては限定的ではないが、一次平均粒子径を走査型顕微鏡(SEM)で測定することにより求めることが出来る。
分散体中の銅酸化物微粒子の含有量は、1〜80質量%であることが好ましく、5〜50質量%であることがより好ましく、10〜30質量%であることが最も好ましい。
本発明においては、銅酸化物微粒子を含む分散体として、例えば、Novacentrix社製のCuOインク:ICI−003、株式会社イオックス製のCuO−X01等を好ましく使用することができる。
電子供給剤としては、メタノール等の1価のアルコール、グリセリン及びエチレングリコール等の多価アルコール、ギ酸及びシュウ酸等の脂肪酸、亜硫酸ナトリウム、などを使用することができる。
導電膜に金属イオンを持ち込まないという観点から、電子供給剤としては、多価アルコールや脂肪酸が好ましく、多価アルコールが最も好ましい。
更に、基材について詳細に説明する。本発明において使用される基材としては、例えば、プラスチックフィルム、プラスチック板、及びガラス板等を使用することができる。プラスチックフィルム及びプラスチック板の原料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、及びポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル類;ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン、EVA等のポリオレフィン類;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のビニル系樹脂;その他、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリサルホン(PSF)、ポリエーテルサルホン(PES)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド、ポリイミド、アクリル樹脂、トリアセチルセルロース(TAC)等を使用することができる。
本発明において、基材として使用することができるプラスチックフィルム及びプラスチック板は、単層で使用することもできるが、2層以上を組み合わせた多層フィルムとして使用することも可能である。
Novacentrix社製のCuOインク(ICI−003)をスライドグラスの表面に塗布した後、ホットプレート上にて100℃で10分間乾燥させた。但し、前記CuOインクには、本発明において電子供給剤として作用するエチレングリコールが3〜7質量%含まれている。インクをスライドグラスの表面に塗布する方法としては、FUJIFILM Dimatix製インクジェットプリンター(DMP−2831)と、インクジェットヘッド(DMC−11610)とを組み合わせたインクジェット装置を使用し、波形は装置標準のものを使用して、吐出周波数は2kHzとした。また、スライドグラスの表面に塗布した分散体の膜厚は1μmとした。
更に、第2の光照射工程として、Xenonランプ(Xenon社製光焼結装置;Sinteron2000)を使用し、IRパスフィルターを取り外して、光照射のエネルギーが合計45J/cm2となるようにサンプルに更に光を照射し、導電膜を得た。実施例1における第2の光照射工程では、パルス光を使用し、パルス幅を2.0ミリ秒として照射した。第2の光照射工程においては、IRパスフィルターを取り外していたので、Xenonランプから出射されたすべての波長の光がサンプルに照射された。
分散体に添加する電子供給剤として作用する化合物の種類、並びに第1及び第2の光照射工程における光の照射エネルギー、及び光の態様を下記表1に示すように変更した以外は、実施例1の条件と同様にして、実施例2〜10及び比較例1〜4の導電膜を製造した。
なお、実施例2〜10及び比較例1〜4において、第1の光照射として連続光を用いる場合は実施例1と同じ光源を用いランプとサンプルの距離を変更することで、照射した光のエネルギーの合計が表1に記載の各エネルギーとなる条件で照射した。また、パルス光を用いる場合はコンデンサの充電電圧を変更することにより、照射した光のエネルギーの合計が表1に記載の各エネルギーとなる条件で照射した。
そして、第2の光照射として連続光を用いる場合は実施例1と同じ光源を用いランプとサンプルの距離を変更することで、照射した光のエネルギーの合計が表1に記載の各エネルギーとなる条件で照射した。また、パルス光を用いる場合はコンデンサの充電電圧を変更することにより、照射した光のエネルギーの合計が表1に記載の各エネルギーとなる条件で光照射した。
実施例6〜8については、他の実施例で使用されるCuOインクに代えて、CuOインクに対してメタノール、ギ酸又はグリセリンを更に所定量添加したものを使用した。
比較例1については、実施例2における第1の光照射工程と第2の光照射工程との順番を入れ替えて光照射を行った。なお、比較例1における第1の光照射工程(フィルターを使用しない光照射工程)で使用した照射光は、I250−700/I750−1100が0.4であった。
比較例3については、第1の光照射に代えて、上記ホットプレート上にて100℃で更に20分間加熱を行った。
比較例4については、第1の光照射工程において、Edmund Optics社製ロングパスフィルター GG495を使用することにより、500nm以下の波長を遮蔽し500〜1100nmの波長領域の光をサンプルに照射した。なお、比較例4における第1の光照射工程(GG495を使用した光照射工程)で使用した照射光は、I250−700/I750−1100が0.31であった。
以上の各実施例(実施例1〜10)及び比較例(比較例1〜4)の導電膜について下記評価を行い、その結果を下記表2に示した。
得られた導電膜の膜厚を触針式段差計(Dektak3)により測定し、その膜厚を三菱化学性低抵抗率計ロレスタに入力して、4端子法で体積抵抗率を測定し、導電性を評価した。
下記のとおり、体積抵抗率の範囲により導電性を評価した。
A:0.1×10−4Ωcm未満
B:0.1×10−4Ωcm以上0.1×10−3Ωcm未満
C:0.1×10−3Ωcm以上0.1×10−2Ωcm未満
D:0.1×10−2Ωcm以上
集束イオンビーム(FIB:エスアイアイ・ナノテクノロジー製 SMI3200F)又はイオン加工により、光照射後のサンプルの基材に対して垂直方向の断面を出し、走査型電子顕微鏡(SEM:日立ハイテクノロジーズ製 S−5500)を使用して断面を観察した。そして、SEMによる二次電子像を画像ソフト(Adobe Systems,Inc.製 “Adobe Photoshop”)にて閾値を調整して、銅が存在する白の領域と、空隙が存在する黒の領域とに二値化した。その後、断面全体の面積に対する黒の領域(空隙)の面積の割合を下記式より算出し、これをボイド率とした。
ボイド率(%)=(黒の領域の面積/断面全体の面積)×100
ボイドの評価基準としては、ボイド率が10%未満のものをA、10%以上30%未満のものをB、30%以上のものをCとして、三段階で評価した。A、B及びC評価のボイドを有する導電膜の電子像断面の例を図4,5及び6に示す。
基材(スライドグラス)表面の2cm×2cmの領域に銅酸化物微粒子を含む分散体(CuOインク)を塗布し、これを実施例又は比較例の方法で光を照射することにより導電膜を製造した。その導電膜に対し、1mm間隔で縦横各10本ずつの素地面に達する切り傷をカッターで碁盤目状につけ、この導電膜の上に粘着テープを貼って、引きはがした後の導電膜の基材への付着状態を目視によって観察した。テープ密着性の評価基準としては、導電膜の剥がれがないものをA、導電膜が剥がれた面積が全体の10%未満であるものをB、導電膜が剥がれた面積が全体の10%以上であるものをCとして、三段階で評価した。
Claims (10)
- 銅酸化物微粒子を含む分散体を基材に付与する工程と、
前記分散体に、250nm〜700nmの領域における最も大きい光の強度I250−700の割合が、750nm〜1100nmの領域における最も大きい光の強度I750−1100に対して、0.3以下である光を照射する第1の光照射工程と、
前記分散体に更に光を照射する第2の光照射工程と、
を有することを特徴とする導電膜の製造方法。 - 前記第2の光照射工程における光は、250nm〜1100nmの領域に波長のピークを有するものであることを特徴とする請求項1に記載の導電膜の製造方法。
- 前記第1の光照射工程は、1.0J/cm2〜20J/cm2のエネルギーで光を照射するものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の導電膜の製造方法。
- 前記第2の光照射工程は、30J/cm2以上のエネルギーで光を照射するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
- 前記分散体は、更に電子供給剤として作用する化合物を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
- 前記電子供給剤として作用する化合物は、アルコール、脂肪酸及び亜硫酸ナトリウムからなる群から選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項5に記載の導電膜の製造方法。
- 前記第1の光照射工程は、パルス光により光を照射する工程であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
- 前記第2の光照射工程は、パルス光により光を照射する工程であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
- 前記第1の光照射工程及び前記第2の光照射工程は、同一の光源から光を照射する工程であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
- 前記分散体はインクジェットにより前記基材に塗布されるものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の導電膜の製造方法。
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