JP2016025257A

JP2016025257A - 導電パターン作製装置

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Publication number: JP2016025257A
Application number: JP2014149330A
Authority: JP
Inventors: 慶太斉藤; Keita Saito; 翠下村; Midori Shimomura; 大諏訪間; Masaru Suwama; さや香森田; Sayaka Morita
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-02-08
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: US20160027557A1; US9955585B2; JP6179473B2

Abstract

【課題】高周波加熱による焼成のエネルギー効率を向上させることが可能となる導電パターン作製装置を提供する。【解決手段】基材上に複合インクのパターンを形成するパターニング手段と、前記パターンを高周波加熱によって焼成する焼成手段とを備え、前記複合インクは、比透磁率が２００以上の材料又はカーボンマイクロコイルである粒子材料と、焼成後の抵抗率が１〜２０００μΩ・ｃｍである導電性インクとを混在させたものである導電パターン作製装置とする。【選択図】図１

Description

本発明は、導電パターンを作製する導電パターン作製装置に関する。

従来、印刷技術を応用して基材上に導電パターンを作製する手法として、プリンテッドエレクトロニクス（ＰＥ）が利用されている。また、このような手法の一形態として、高周波加熱を利用する手法がある。

例えば、特許文献１には、多孔質基材上の導電パターンをマイクロ波焼成することによって、導電パターン内に発生する空隙を抑制するものが開示されている。ここでは導電パターンの例として、金属インクが挙げられている。

また、特許文献２には、大気圧下でエレクトロクロミック装置又は他の電気光学装置内に金属膜を生成するときの金属膜硬化手段の一つとして、マイクロ波焼成が挙げられている。ここでは金属膜の例として、金属インクが挙げられている。

特開2013-120864号公報特表2009-529151号公報

導電性ナノインクの高周波加熱に関して、導電性ナノインクに含まれる導電性ナノ粒子は高周波磁場による渦電流損でしか発熱が生じないため、発熱効率が低く、エネルギー効率の観点から問題があると言える。なお、上記の特許文献１や特許文献２には、マイクロ波加熱の対象として各種金属が挙げられているが、高周波加熱での吸収効率を向上させることについては開示も示唆もされていない。

本発明は上記の問題点に鑑み、高周波加熱による焼成のエネルギー効率を向上させることが可能となる導電パターン作製装置の提供を目的とする。

本発明に係る導電パターン作製装置は、基材上に複合インクのパターンを形成するパターニング手段と、前記パターンを高周波加熱によって焼成する焼成手段とを備え、前記複合インクは、比透磁率が２００以上の材料又はカーボンマイクロコイルである粒子材料と、焼成後の抵抗率が１〜２０００μΩ・ｃｍである導電性インクとを混在させたものである構成とする。本構成によれば、高周波加熱による焼成のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

また、上記構成としてより具体的には、前記パターニング手段は、前記複合インクのパターンとして、前記粒子材料と前記導電性インクが層状に重なったパターンを形成する構成としてもよい。

また、上記構成において、前記パターニング手段は、前記粒子材料を前記基材上に塗布する第１のパターニング手段と、前記塗布された粒子材料上に前記導電性インクを塗布する第２のパターニング手段とを有する構成としてもよい。

また、上記構成としてより具体的には、前記粒子材料はカーボンマイクロコイルである構成としてもよく、前記粒子材料はＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＧｄの何れかである構成としてもよい。

本発明に係る導電パターン作製装置によれば、高周波加熱による焼成のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

第１実施形態に係る導電パターン作製装置の概略的な構成図である。第１実施形態での評価結果に関するグラフである。第２実施形態に係る導電パターン作製装置の概略的な構成図である。

本発明の実施形態について、第１実施形態と第２実施形態を例に挙げ、各図面を参照しながら以下に説明する。但し本発明の内容は、これらの実施形態に何ら限定されるものではない。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る導電パターン作製装置１の概略的な構成図である。本図に示すように導電パターン作製装置１は、搬送手段１１、パターニング手段１２、および焼成手段１３を備えている。導電パターン作製装置１は、基材上に複合インクのパターンを形成し、高周波加熱によって導電パターンを作製する装置である。

搬送手段１１は、基材を図１の左側（上流側）から右側（下流側）へ向かって搬送する手段であり、例えば、ローラの回転を利用して基材を搬送するように構成されている。なお、搬送手段１１の形態は特に限定されるものではなく、例えば、搬送ベルト部材が用いられる形態であっても良く、作業者が基材を手作業で搬送する形態であっても構わない。

なお、基材については、使用目的等に合わせて材料やサイズを選ぶことが可能である。材料に関しては、例えば、透明性を確保したい場合にはＰＥＴなどの樹脂材料を使用すればよく、伸縮性を持たせたい場合にはシリコーンゴムシートなどの弾性体材料を使用すればよく、耐熱性を持たせたい場合にはガラス基材などを使用すればよい。使用目的等によっては、上記以外の各種材料も採用され得る。また、基材のサイズに関しては、例えば、一枚一品物であれば必要サイズの基材を使用すればよく、後工程で必要サイズに切り出す方式が採用されてもよい。

パターニング手段１２は、基材上に複合インクのパターンを形成する手段である。複合インクは、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙとを混在させたものである。なお、後述の説明により明らかとなるが、第１実施形態の複合インクの形態は、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙが予め混合された形態であり、第２実施形態の複合インクの形態は、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙが層状に重なるように混在した形態である。

導電性ナノインクＸは、導電性ナノ粒子が分散した、焼成後の抵抗率が１〜２０００μΩ・ｃｍである導電性インク（導電性粒子を分散させたもの）である。導電性ナノインクＸについては、使用目的等に合わせて種類を選ぶことが可能である。

例えば、抵抗率が低い（１〜１０００μΩ・ｃｍの範囲である）導電パターンを作製する場合には、金属粒子が分散した金属インクを使用すればよい。当該金属の種類としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、或いはこれらのナノワイヤ等が挙げられる。また、抵抗率が高い（１０００μΩ・ｃｍ以上である）導電パターンを作製する場合には、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）或いは導電性高分子材料が、導電性ナノインクＸの含有物の種類として挙げられる。

一方、粒子材料Ｙは、導電性ナノインクＸよりも高周波加熱に対する吸収効率が高い（例えば、高周波加熱で用いられる磁場の吸収効率が高い）粒子材料である。粒子材料Ｙの種類としては、渦電流損やヒステリシス損を誘起し易くする（比透磁率が２５０以上、好ましくは１０００以上となる）ために、例えば、強磁性体であるＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、或いはＧｄを用いることが出来る。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＧｄは、何れも比透磁率が２００以上の材料である。

また、粒子材料Ｙの種類としては、誘電損、渦電流損、或いはヒステリシス損が不斉構造によって誘起され易いＣＭＣ（カーボンマイクロコイル）を用いることも出来る。なお、ＣＭＣは、ミクロンオーダーのピッチでコイル状に巻いた非晶質の炭素繊維である。

上記のパターニング手段１２は、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙを予め混在させた複合インクのパターンを、基材上に任意の形状で形成することが可能である。なお、導電性ナノインクＸへの粒子材料Ｙの混在率は、０．１〜１０ｖ％とするのが好ましい。当該混在率がこの下限（０．１ｖ％）より低いと、高周波加熱において発熱不足が生じ易くなる。逆に当該混在率がこの上限（１０ｖ％）より高いと、高周波加熱において、発熱過剰や効果の飽和が生じたり、発熱の時間制御が困難になったり、抵抗率が悪化したりする虞がある。

また、パターニング手段１２によるパターンの形成方法としては、インクジェット法、湿式電子写真法やディスペンサを用いた各種無版の印刷方法、スクリーン印刷、グラビア印刷、或いはフレキソ印刷などの各種有版の印刷方法等が挙げられる。但し、それぞれの塗布方法に適した用途や導電性ナノインクＸを選択する必要がある。

例えば、インクジェット法で導電性ナノインクＸを塗布する場合は、インクの粘度を３〜１５ｍＰａ・ｓｅｃ程度とし、表面張力を２６〜４０ｍＮ／ｍ程度に調整する必要がある。また、用途に関しては、例えば、ある程度の厚みが必要な配線の用途には、インクジェット法は適さず、スクリーン印刷などを用いる方が好ましい。

焼成手段１３は、パターニング手段１２の下流側に設けられており、高周波を出力する機能を有し、パターニング手段１２によって形成された複合インクのパターンを高周波加熱する手段である。基材上の複合インクのパターンが高周波加熱により焼成されると、導電パターンが作製されることになる。

焼成手段１３は、例えば、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波を用いる場合には、電磁波の発生源としてマグネトロン、クライストロン、或いはジャイロトロンが適用される。なお、使用される周波数帯域としては、２．４５ＧＨｚが好適である。

なお、マイクロからミリオーダの粒径の粒子材料Ｙが用いられる場合、焼成手段１３として、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波磁場を発生させるＩＨヒータも用いることが可能である。パターンの導電性や解像度の観点から、粒子材料Ｙとしては、ナノオーダの粒径のものが好適である。また、焼成手段１３による焼成完了の判断基準は、例えば、抵抗率が実用の範囲内となったときとすれば良い。本実施形態では一例として、抵抗率が複合インク内に含まれる粒子のバルク状態での抵抗率の二倍に達したときに、焼成が完了したと判断される。

［評価結果］
上述した導電パターン作製装置１に関する評価を実施するため、以下に示す実施例１と実施例２の条件設定にて、焼成時間（一定の抵抗率とするために要する高周波加熱時間）を計測した。また、以下に示す比較例１の条件設定の場合についても焼成時間を計測し、この結果を用いて比較評価を実施した。

まず、実施例１の条件設定については、以下の通りである。
・導電性ナノインクＸ：Ａｇナノインク（ハリマ化成 NPS-JL）
・粒子材料Ｙ：Ｆｅナノインク（立山マシン金属粒子分散液）
・パターニング手段：インクジェット
（インクジェットヘッドコニカミノルタKM512）
・基材：ＰＥＴシート（ＬＭＳ）
・焼成手段：マイクロ波加熱装置（富士電波工機 FDU-102VP-02）
・粒子材料Ｙの混在率：４、７、１０ｖ％
・複合インクのパターン：幅５００μｍ、長さ５ｃｍの直線

実施例２の条件設定については、粒子材料Ｙの種類をＣＭＣ添加ペースト（シーエムシー技術開発）とした以外は、実施例１の条件設定と同様である。また、比較例１の条件設定については、粒子材料Ｙを混在させないようにした（粒子材料Ｙの混在率を０ｖ％とした）以外は、実施例１の条件設定と同様である。

また、焼成時間は、導電パターンの抵抗率が４０μΩ・ｃｍとなるまでの加熱時間であるとした。抵抗率の測定については、三和電気計器株式会社製デジタルマルチメータＰＣ２０を用い、端子間距離を１ｃｍとして行った。なお、実施例１の複合インクの作成にあたっては、Ｆｅナノインクの溶媒をＦｅが凝集しない程度に予め熱によって揮発させ、Ａｇナノインクに混在させるようにした。

図２は、実施例１、実施例２、および比較例１についての評価結果を示すグラフであり、横軸が粒子材料Ｙの混在率を示し、縦軸が焼成時間を示している。また、表１は、図２に示すグラフのデータの中から、粒子材料Ｙの混在率が０ｖ％の場合と１０ｖ％の場合のデータを抜き出して表にしたものである。

図２及び表１に示すように、実施例１と実施例２の何れについても、比較例１に比べて焼成時間が短くなることが確認された。すなわち、導電性ナノインクＸ（Ａｇナノインク）に粒子材料Ｙ（Ｆｅナノインク或いはＣＭＣ添加ペースト）を混在させた場合には、混在させない場合に比べ、焼成時間が短くなることが判った。

２．第２実施形態
次に第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態は、パターニング手段の形態に関する点を除き、基本的には第１実施形態と同様である。以下の説明では、第１実施形態と異なる点の説明に重点をおき、共通する点については説明を省略することがある。

図３は、第２実施形態に係る導電パターン作製装置１の概略的な構成図である。本図に示すように導電パターン作製装置１は、複合インクのパターンを形成するパターニング手段として、第１のパターニング手段１２ａと第２のパターニング手段１２ｂを有している。

第２実施形態では、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙを予め混在させた複合インクが用いられる代わりに、導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙが別々に塗布される形態となっている。すなわち、第２のパターニング手段１２ｂは、第１のパターニング手段１２ａより下流側に設置されている。そしてまず第１のパターニング手段１２ａが粒子材料Ｙを基材上に塗布し、その後に第２のパターニング手段１２ｂが、塗布された粒子材料Ｙ上に導電性ナノインクＸを塗布する。

これにより、複合インクのパターンとして、粒子材料Ｙと導電性ナノインクＸが層状に重なったパターンが形成されることになる。なお、第２のパターニング手段１２ｂは、基材上のパターンを乱さない方法（好ましくは非接触のインクジェット法）を用いる手段であることが望ましい。接触式の手段を用いる場合であれば、第１のパターニング手段１２ａによって塗布されたパターンへの接触面積が小さいニードル式のディスペンサ等を、第２のパターニング手段１２ｂとして用いることができる。

［評価結果］
第２実施形態の導電パターン作製装置１に関する評価を実施するため、以下に示す実施例３の条件設定にて、焼成時間（一定の抵抗率とするために要する高周波加熱時間）を計測した。また、以下に示す比較例２と比較例３の条件設定の場合についても焼成時間を計測し、この結果を用いて比較評価を実施した。

まず、実施例３の条件設定については、以下の通りである。
・導電性ナノインクＸ：Ａｇナノインク（ハリマ化成 NPS-JL）
・粒子材料Ｙ：Ｆｅナノインク（立山マシン金属粒子分散液）
・第１のパターニング手段＜粒子材料Ｙの塗布手段＞
：インクジェット（インクジェットヘッドコニカミノルタKM512）
・第２のパターニング手段＜導電性ナノインクＸの塗布手段＞
：インクジェット（インクジェットヘッドコニカミノルタKM512）
・基材：ＰＥＴシート（ＬＭＳ）
・焼成手段：マイクロ波加熱装置（富士電波工機 FDU-102VP-02）
・粒子材料Ｙの混在率：１０ｖ％
・粒子材料Ｙおよび導電性ナノインクＸのパターン：幅５００μｍ、長さ５ｃｍの直線

比較例２の条件設定については、第１実施形態の場合のように導電性ナノインクＸと粒子材料Ｙを予め混在させた複合インクを用いたこと以外は、実施例３の条件設定と同様である。また、比較例３の条件設定については、第１のパターニング手段を導電性ナノインクＸの塗布手段とし、第２のパターニング手段を粒子材料Ｙの塗布手段としたこと以外は、実施例３の条件設定と同様である。

また、焼成時間は、導電パターンの抵抗率が２０又は４０μΩ・ｃｍとなるまでの加熱時間であるとした。抵抗率の測定については、三和電気計器株式会社製デジタルマルチメータＰＣ２０を用い、端子間距離を１ｃｍとして行った。

表２は、実施例３、比較例２、および比較例３についての評価結果を示す表である。実施例３のように、Ａｇナノインクを第１のパターニング手段１２ａによって形成されたＦｅナノインクのパターン上に塗布した場合、Ａｇナノインクのパターンを乱す要素が最も少ない。

なお、比較例２では、ＡｇナノインクにＦｅナノインクを混在させたことによって、インク粘度が変化するために吐出の精度が低下し、実施例３に比べると抵抗率が良いとは言えない。また、比較例３では、後に第２のパターニング手段１２ｂで塗布するＦｅナノインクによって、先に第１のパターニング手段１２ａによって塗布されたＡｇナノインクのパターン内の粒子配列が乱されてしまい、実施例３に比べると抵抗率が良いとは言えない。以上のように実施例３の場合には、比較例２や比較例３に比べて抵抗率等の点で良い結果が得られた。

３．その他
以上に説明した通り、各実施形態の導電パターン作製装置は、基材上に複合インクのパターンを形成するパターニング手段と、前記パターンを高周波加熱によって焼成する焼成手段とを備えている。そして前記複合インクは、比透磁率が２００以上の材料又はカーボンマイクロコイルである粒子材料Ｙと、焼成後の抵抗率が１〜２０００μΩ・ｃｍである導電性ナノインクＸとを混在させたものである。

なお、粒子材料Ｙとして強磁性体を混在させる場合、金属粒子で生じる渦電流損による発熱に加え、強磁性体において積極的に生じるヒステリシス損による発熱によって、導電性ナノインクＸなどの溶媒と分散剤が分解される。また、粒子材料ＹとしてＣＭＣを混在させる場合、金属粒子で生じる渦電流損による発熱に加え、ＣＭＣでの渦電流損、誘電損、およびヒステリシス損による発熱によって、同じく溶媒と分散剤が分解される。

各実施形態の導電パターン作製装置によれば、上記のように高周波加熱での吸収効率を向上させる（利用する発熱原理及びその効果を増やす）ことにより、高周波加熱による焼成のエネルギー効率を向上させることが可能である。

また、各実施形態の導電パターン作製装置により作製される導電パターンは、プリント配線板、メンブレンスイッチ、或いはディスプレイ等の電子機器の電極部など、様々な用途に利用され得る。

本発明は、例えば、プリンテッドエレクトロニクスが適用される各分野において利用可能である。

１導電パターン作製装置
１１搬送手段
１２パターニング手段
１２ａ第１のパターニング手段
１２ｂ第２のパターニング手段
１３焼成手段

Claims

基材上に複合インクのパターンを形成するパターニング手段と、
前記パターンを高周波加熱によって焼成する焼成手段とを備え、
前記複合インクは、
比透磁率が２００以上の材料又はカーボンマイクロコイルである粒子材料と、
焼成後の抵抗率が１〜２０００μΩ・ｃｍである導電性インクとを混在させたものである導電パターン作製装置。
前記パターニング手段は、
前記複合インクのパターンとして、前記粒子材料と前記導電性インクが層状に重なったパターンを形成する請求項１に記載の導電パターン作製装置。
前記パターニング手段は、
前記粒子材料を前記基材上に塗布する第１のパターニング手段と、
前記塗布された粒子材料上に前記導電性インクを塗布する第２のパターニング手段とを有する請求項２に記載の導電パターン作製装置。
前記粒子材料は、カーボンマイクロコイルである請求項１に記載の導電パターン作製装置。
前記粒子材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＧｄの何れかである請求項１から請求項３の何れかに記載の導電パターン作製装置。