JP2016533413A - 金属ナノ粒子分散物 - Google Patents

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Abstract

分散物が、50μmol/g金属未満の無機酸または該分散物から形成される金属層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な化合物を含んでなることを特徴とする、金属ナノ粒子を含んでなる金属ナノ粒子分散物。こうした少量無機酸の存在は、中程度の硬化条件で該金属ナノ粒子分散物から形成される金属層若しくはパターンの導電性を増大させる。

Description

本発明は、金属ナノ粒子分散物、こうした金属ナノ粒子分散物の製造方法、ならびにそれを用いて高度に導電性のパターン若しくはコーティングを中程度の硬化条件で形成し得るこれら分散物から作成される印刷液およびコーティング液に関する。
金属ナノ粒子を含有する印刷若しくはコーティング液における興味は、所定の金属のバルク特性と比較した場合のこうした金属ナノ粒子の独特の特性により過去10年間に増大した。例えば、金属ナノ粒子の融点は減少する粒子径とともに低下し、プリンテッド・エレクトロニクス、電気化学、光学、磁気および生物学的応用についてそれらを興味深くしている。
例えばインクジェット印刷若しくはスクリーン印刷により印刷または高速で被覆され得る安定かつ濃縮された金属含有印刷液若しくはコーティング液の製造は、それが低費用での電子装置の製造を可能にするため、非常に興味深い。
典型的に、金属ナノ粒子は、非特許文献1に開示されるところの多価アルコール合成の方法論により、多価アルコール合成の方法論の派生物により、若しくは多様な還元剤の存在下の金属塩のin situ還元により製造される。こうした方法は、例えば特許文献1、特許文献2、特許文献3および特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9、特許文献10、特許文献11、特許文献12、特許文献13および特許文献14、特許文献15、特許文献16、特許文献17ならびに特許文献18に開示されている。
こうした多価アルコール合成において、いわゆるキャッピング剤が金属前駆体若しくは金属ナノ粒子を安定化するためにしばしば使用される。こうしたキャッピング剤は通常、チオール(−SH)、カルボキシル(−COOH)若しくはアミン(−NH)基のような官能基を含有する。例えば特許文献19は、ナノ粒子がポリビニルピロリドン(PVP)のようなキャッピング物質によりキャッピングされる多価アルコール合成により作成される金属ナノ粒子を含んでなる金属含有インクを開示する。
金属含有印刷液若しくはコーティング液を支持体上に塗布した後に、上昇された温度での硬化段階ともまた称される焼結段階が、適用されるパターン若しくは層の導電性を誘導する/高めるために実施される。金属含有印刷液若しくはコーティング液の有機成分例えばポリマー分散剤若しくはキャッピング剤は、適用されるパターンの層の焼結効率および従って導電性を低下させうる。この理由上、より高い焼結温度およびより長い焼結時間が、有機成分を分解するためにしばしば必要とされる。
こうした高い焼結温度は、比較的低いガラス転移温度を有するポリエチレンテレフタレート(PET)若しくはポリカーボネートのような普遍的ポリマー箔と適合しない。従って、導電性の層若しくはパターンを得るのに必要とされる焼結温度を低下させることにおける興味が存在する。
特許文献20は、熱重量分析により測定されるところの300℃より下の温度で95wt%分解を有するポリマー分散剤を開示する。こうしたポリマー分散剤を含んでなる金属含有印刷液若しくはコーティング液を使用することにより、焼結温度および時間を低減し得る。双方2011年12月21に出願された特許文献21および特許文献22において
、いわゆる焼結添加物が、焼結温度をさらに低下させるために特許文献20のポリマー分散剤とともに使用される。焼結添加物すなわち特殊なカルボン酸若しくはスルホン酸の量は分散物の総重量に基づき2wt%以上である。
2012年6月5日に出願された特許文献23は、分散媒が特殊な溶媒例えば2−ピロリドンを含んでなることを特徴とする分散媒を含んでなる金属ナノ粒子分散物を開示する。こうした溶媒を分散媒として使用する場合、ポリマー分散剤は安定な金属ナノ粒子分散物を得るために必要でない。
特許文献24は、銀粒子上に吸着された短鎖および長鎖キャッピング剤を含有する銀ナノ粒子組成物の製造を開示する。キャッピング剤は双方とも特定の一分子量を有する陰イオン性高分子電解質である。
特許文献25は、金属粒子表面に結合しかつそれらを凝集に対し安定化することが可能な3から7個までの炭素を包含するカルボン酸の存在下の金属塩の化学的還元による金属ナノ粒子の合成方法を開示する。該合成は水中で実施される。
特許文献26は、銀塩粒子がカルボン酸を含有する溶液中で還元される、カルボン酸で安定化される銀ナノ粒子の製造方法を開示する。
第US2010143591号明細書 第US2009142482号明細書 第US20060264518号明細書 第US20080220155号明細書 第EP2147733号明細書 第EP2139007号明細書 第EP803551号明細書 第EP2012952号明細書 第EP2030706号明細書 第EP1683592号明細書 第EP166617号明細書 第EP2119747号明細書 第EP2087490号明細書 第EP2010314号明細書 第WO2008/151066号明細書 第WO2006/076603号明細書 第WO2009/152388号明細書 第WO2009/157393号明細書 第US8197717号明細書 第EP−A 2468827号明細書 第EP−A 11194791.7号明細書 第EP−A 11194790.9号明細書 第EP−A 12170774.9号明細書 第US2010/0084599号明細書 第US7931941号明細書 第US2010/0090179号明細書
Mat.Chem.Phys.114、549−555
[発明の要約]
それを用いて高導電性金属層若しくはパターンを中程度の硬化条件で製造し得る金属ナノ粒子分散物を提供することが本発明の一目的である。
この目的は請求項1に定義されるところの金属ナノ粒子分散物により実現される。少量の無機酸、または、該分散物から形成される層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な化合物の存在が、中程度の硬化条件で層若しくはパターンの導電性を増大させることが見出されている。
こうした金属ナノ粒子分散物の製造方法を提供することもまた本発明の一目的である。
本発明のさらなる利点および態様は以下の記述および従属する請求項から明らかとなるであろう。
[発明の詳細な記述]
金属ナノ粒子分散物
本発明の金属ナノ粒子分散物は、金属ナノ粒子、および50μmol/(g金属)未満の無機酸または該分散物から形成される金属層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な化合物を含んでなる。
金属ナノ粒子
金属ナノ粒子は元素若しくは合金の形態の1種若しくはそれ以上の金属を含んでなる。金属は好ましくは銀、金、銅、ニッケル、コバルト、モリブデン、パラジウム、白金、スズ、亜鉛、チタン、クロム、タンタル、タングステン、鉄、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、アルミニウムおよび鉛よりなる群から選択される。銀、銅、モリブデン、アルミニウム、金、銅若しくはそれらの組合せに基づく金属ナノ粒子がとりわけ好ましい。銀ナノ粒子が最も好ましい。
「ナノ粒子」という用語は、分散物製造の終了時に200nmより下の平均粒子径を有する分散された粒子を指す。金属ナノ粒子は、200nm未満、好ましくは100nm未満、より好ましくは50nm未満、最も好ましくは30nm未満の分散物製造の終了時の平均粒子径を有する。
無機酸
金属ナノ粒子分散物は、50μmol/(g金属)未満の無機酸または該分散物から形成される金属層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な化合物を含んでなる。
酸若しくはこうした酸を生成する化合物の量は、50μmol/(g金属)未満、好ましくは25μmol/(g金属)未満、より好ましくは1.0μmol/(g金属)未満、最も好ましくは0.1μmol/(g金属)未満である。
鉱酸ともまた称される無機酸は1種以上の無機化合物由来の酸である。好ましくは、無機酸は4.5未満、より好ましくは3未満のpKaを有する。
使用しうる無機酸は、例えばHCl、HBr、HI、HF、H2S04、H3P04、HP
3、H3P02、H427、HNO3、H3B03、HCl04、HCl03S、H2FO3P、HPF6、H2Se03、H3NO3S、H2S03およびHBF4である。
好ましい無機酸は、XがF、Br、Cl若しくはIであるヒドロハライドHX、H2S04、H3P04、H3P02およびHNO3である。とりわけ好ましい無機酸はHClおよびHBrである。
無機酸前駆体
本発明の別の態様において、分散物から形成される金属層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な無機酸前駆体を、無機酸の代わりに若しくはそれに加えて使用する。
前駆体は、好ましくは、XがF、Br、Cl若しくはIであるヒドロハライドHX、より好ましくはHCl若しくはHBrを生成する。
本発明で使用しうる酸前駆体の数例を表1に列挙する。
Figure 2016533413
硬化効率に対する十分な影響を有するため、無機酸は硬化が実施される時間および温度窓(window)で、少なくとも部分的に、生成されなければならない。硬化時間は好
ましくは60分未満、より好ましくは30分未満、最も好ましくは15分未満である。硬化温度は好ましくは250℃未満、より好ましくは200℃未満、最も好ましくは160℃未満である。
酸前駆体の最適濃度は硬化時間および温度の関数として調節しうる。例えば、より高い濃度は、むしろ硬化時間が短く温度が低い場合に、十分な酸が硬化中に生成されることを確実にするために採用されうる。
無機酸を生成する酸前駆体の量は、50μmol/(g金属)未満、好ましくは25μmol/(g金属)未満、より好ましくは1.0μmol/(g金属)未満、最も好ましくは0.1μmol/(g金属)未満である。
無機酸若しくは無機酸前駆体は、金属ナノ粒子分散物の製造中のいつでも添加しうる。しかしながら、安定性の理由上、酸を製造工程の終了時に添加することが有利でありうる。また安定性の理由上、それを使用する直前例えば被覆若しくは印刷の直前に金属ナノ粒子分散物に酸を添加することが有利でありうる。
分散媒
分散媒は好ましくは式I、
Figure 2016533413
式中
1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、ならびに
1およびR2は環を形成することができ、
の溶媒を含んでなる。
式Iにおける「アルキル」という用語は、アルキル基中の炭素原子のそれぞれの数について可能な全部のバリアント、すなわち3個の炭素原子について:n−プロピルおよびイソプロピル;4個の炭素原子について:n−ブチル、イソブチルおよび三級ブチル;5個の炭素原子について:n−ペンチル、1,1−ジメチル−プロピル、2,2−ジメチルプロピルおよび2−メチル−ブチルなどを意味している。
好ましい一態様において、分散媒は式II、
Figure 2016533413
式中
Lは場合によっては置換されている直鎖状若しくは分枝状C2−C11アルキレン基である、
の溶媒を含んでなる。
より好ましい一態様において、分散媒は、場合によっては置換されている2−ピロリドン、β−ラクタム、γ−ラクタム、δ−ラクタム若しくはε−ラクタムから選択される溶媒を含んでなる。
なおより好ましい一態様において、金属ナノ粒子分散物は分散媒として2−ピロリドン、4−ヒドロキシ−2−ピロリドン、δ−バレロラクタム若しくはε−カプロラクタムから選択される溶媒を含んでなる。最も好ましい一態様において、分散媒は2−ピロリドンを含んでなる。
金属ナノ粒子分散物は、分散物の総重量に関して1と75wt%の間、好ましくは2.5と50wt%の間、より好ましくは5と25wt%の間の量の上で定義されたところの溶媒を含んでなる。
金属ナノ粒子分散物の分散媒は、式Iの溶媒に加えて補助溶媒好ましくはアルコール若しくはケトンを含みうる。補助溶媒はより好ましくはエタノール若しくはメチルエチルケトン(MEK)である。補助溶媒は、金属ナノ粒子分散物の製造の開始から存在しうるか、または製造中若しくは終了時に添加しうる。
ポリマー分散剤
分散媒は分散剤、典型的にはポリマー分散剤を含有しうる。しかしながら、こうしたポリマー分散剤(若しくは他の添加物)は低焼結温度で金属ナノ粒子分散物を用いて製造されてコーティングの導電性を低下させうるため、それらを使用しないことが好ましい。
ポリマー分散剤は、典型的には、アクリル酸、メタクリル酸、ビニルピロリドン、ビニルブチラール、酢酸ビニル若しくはビニルアルコールモノマーから製造されるホモ若しくはコポリマーである。
熱重量分析により測定されるところの300℃より下の温度で95wt%分解を有する第EP−A 2468827号明細書に開示されるポリマー分散剤もまた使用しうる。
しかしながら、好ましい一態様において、本発明の金属ナノ粒子分散物は、分散物の総重量に関して5wt%未満、より好ましくは1wt%未満、最も好ましくは0.1wt%未満のポリマー分散剤を含んでなる。とりわけ好ましい一態様において、分散物はポリマー分散剤を全く含まない。
印刷液若しくはコーティング液
それぞれ金属含有インク若しくは金属含有コーティング溶液ともまた称される金属含有印刷液若しくはコーティング液を金属ナノ粒子分散物から製造しうる。
金属ナノ粒子分散物は金属含有印刷液若しくはコーティング液として直接使用しうる。しかしながら、コーティング若しくは印刷特性を最適化するため、およびまたそれが使用される適用にも依存して、還元剤、湿潤(wetting)/均染剤、はんだはじき(dewetting)剤、レオロジー調整剤、接着剤、粘着剤、湿潤剤(humectant)、噴射剤(jetting agent)、硬化剤、殺生物剤若しくは抗酸化剤のような添加物を金属ナノ粒子分散物に添加しうる。
好ましくは、無機酸若しくはこうした酸を生成する酸前駆体は、金属含有印刷液若しくはコーティング液を製造している間に添加しうる。
添加物の総量は、金属含有印刷液若しくはコーティング液の総重量に関して好ましくは20wt%未満、より好ましくは10wt%未満、およびなおより好ましくは5wt%未満である。
増粘剤を、印刷液若しくはコーティング液の粘度を増大させるために添加しうる。好ましい増粘剤は、非晶質シリカ、多様な分子量を有するポリビニルピロリドン、およびセルロースに基づく増粘剤から選択しうる。とりわけ好ましい増粘剤はヒドロキシプロピルセルロースである。
高沸点溶媒が、印刷中のインクの乾燥を予防するためにインクに好ましくは添加される。さらに、こうした高沸点溶媒はインクの導電性に対する正の影響もまた有しうる。好ましい高沸点溶媒は、ジエチレングリコール(DEG)、2−ブトキシエタノールおよび1−メトキシ−2−プロパノールである。
また、希釈剤も、金属含有印刷液若しくはコーティング液を製造する場合に金属分散物に添加しうる。これら任意の希釈剤の量は、インクの総重量に関して好ましくは75wt%未満、より好ましくは60wt%未満である。希釈剤は、アルコール、芳香族炭化水素、ケトン、エステル、脂肪族炭化水素、高級脂肪酸、カルビトール、セロソルブ(cellosolve)類および高級脂肪酸エステルから選択しうる。適するアルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、1−ブタノール、1−ペンタノール、2−ブタノール、t−ブタノールを包含する。適する芳香族炭化水素はトルエンおよびキシレンを包含する。適するケトンはメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、2,4−ペンタンジオンおよびヘキサフルオロアセトンを包含する。グリコール、グリコールエーテル、N,N−ジメチル−アセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドもまた使用しうる。
金属含有印刷液若しくはコーティング液の製造は、撹拌、高剪断混合、超音波処理のような均質化技術若しくはそれらの組合せを使用することによる、任意の添加物および/若しくは希釈剤の金属ナノ粒子分散物への添加を含んでなる。均質化段階は100℃までの上昇された温度で実施し得る。好ましい一態様において、均質化段階は60℃に等しい若しくはそれより下の温度で実施する。
好ましい一態様において、金属含有スクリーン印刷インクが製造される。こうしたスクリーン印刷インクは、3000と400000mPa.sの間、好ましくは5000と100000mPa.sの間、より好ましくは10000と50000mPa.sの間の粘度を有する。とりわけ好ましい一態様により、銀スクリーン印刷インクが製造される。
別の好ましい態様において、金属含有フレキソ印刷若しくはグラビア印刷インクが製造される。こうしたインクは、50と3000mPa.sの間、好ましくは200と1000mPa.sの間、最も好ましくは300と500mPas.sの間の粘度を有する。とりわけ好ましい一態様により、銀フレキソ印刷インクが製造される。
別の好ましい態様において、金属含有インクジェットインクが製造される。こうしたインクジェットインクは、1と50mPa.sの間、好ましくは5と30mPa.sの間、より好ましくは7と15mPa.sの間の粘度を有する。とりわけ好ましい一態様により、銀インクジェットインクが製造される。
上で言及される粘度は20と25℃の間の温度で1/sの剪断速度で(例えばTexas InstrumentsからのAR2000レオメーターで)測定される。
金属層若しくはパターン
金属含有印刷液若しくはコーティング液から印刷若しくは被覆される金属層若しくはパターンは、従来の金属含有印刷液若しくはコーティング液で得られるものと比較して、より低い焼結温度で、より導電性にされることができる。
金属層若しくはパターンは、上で定義されたところの印刷液若しくはコーティング液を支持体上に塗布する段階、次いで、1段階に組合せることが可能な乾燥および/若しくは焼結段階を含んでなる方法により製造される。
複数の金属層若しくはパターン、すなわちパターン化された若しくはパターン化されない層の積み重ねを支持体上に塗布しうる。金属層若しくはパターンの製造方法にて言及される支持体は、従って、以前に塗布された金属層若しくはパターンもまた包含する。
金属層若しくはパターンは、インクジェット印刷により、またはフレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア印刷若しくはスクリーン印刷のようないずれかの従来の印刷技術により、あるいはスプレー塗装、ブレード塗工、スロットダイ塗布のようないずれかの従来の被覆技術によってもまた実現しうる。
層若しくはパターンが支持体上に塗布された後に、硬化段階とも称される焼結段階を実施する。この焼結段階中に溶媒が蒸発しかつ金属粒子が一緒に焼結する。連続的浸透ネットワークが金属粒子間で一旦形成されれば、層若しくはパターンが導電性になる。従来の硬化は熱を適用することにより実施する。硬化温度および時間は使用される支持体および金属層若しくはパターンの組成に依存する。金属層を硬化するための硬化段階は、250℃より下、好ましくは200℃より下、より好ましくは180℃より下、最も好ましくは160℃より下の温度で実施しうる。
硬化時間は、選択された温度、支持体、および金属層の組成に依存して好ましくは60分以下、より好ましくは30分以下、および最も好ましくは15分以下である。
しかしながら、熱を適用することによる従来の硬化の代わりに若しくはそれに加えて、アルゴンレーザー、マイクロ波照射、UV照射若しくは低圧アルゴンプラズマへの曝露、光(photonic)硬化、プラズマ若しくはプラズマ強化電子線焼結またはパルス電流焼結のような代替の硬化方法を使用しうる。
本発明の金属層は、例えばPETのような高温での熱処理に耐え得ないポリマー支持体を使用することを可能にする十分に低い硬化温度を可能にする。短い硬化時間は高生産性を可能にする。
硬化後および(金属の)バルク導電率の%として表される金属層若しくはパターンの導電率は、好ましくは10以上、より好ましくは20%以上、最も好ましくは30%以上である。
金属層若しくはパターンは、多様な電子装置、または例えば有機光起電物質(photo−voltaics)(OPV)、無機光起電物質(c−Si、a−Si、CdTe、CIGS)、OLEDディスプレイ、OLED照明、無機照明、RFID、有機トランジスタ、薄膜電池、タッチスクリーン、電子ペーパー、LCD、プラズマ、センサー、膜スイッチ若しくは電磁遮蔽のような電子装置の部品で使用しうる。
金属ナノ粒子分散物の製造方法
金属ナノ粒子分散物は、無機酸若しくはこうした酸を生成する化合物が、最終的な金属ナノ粒子分散物中の該酸若しくは酸前駆体の濃度が50μmol/g金属未満、好ましくは25μmol/g金属未満、より好ましくは1.0μmol/g金属未満、最も好ましくは0.1μmol/g金属未満になるように製造方法中に添加される限り、こうした分散物のいずれの既知の製造方法によっても製造し得る。
酸は、製造方法の開始時、製造方法の経過中若しくは製造方法の終了時に添加されうることが観察されている。安定性の目的上、酸若しくは前駆体を製造方法の終了時に添加することが有利でありうる。
金属ナノ粒子分散物を製造するための第一の態様
金属ナノ粒子分散物の好ましい一製造方法は:
−金属前駆体粒子を、式I
Figure 2016533413
式中
1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、および
1およびR2は環を形成することができる、
の溶媒を含んでなる分散媒中に分散させる段階;ならびに
−金属前駆体を還元剤で還元して金属ナノ粒子を形成する段階を含んでなり、
ここで無機酸若しくはこうした酸を生成することが可能な化合物が、最終的な金属ナノ粒子分散物中の該酸若しくは酸前駆体の濃度が50μmol/(g金属)未満、好ましくは25μmol/(g金属)未満、より好ましくは1.0μmol/(g金属)未満、最も好ましくは0.1μmol/(g金属)未満になるように製造方法中若しくはその終了時に添加される。
金属前駆体分散物は、式Iの溶媒を含有する分散媒に金属前駆体を添加することにより製造する。
金属前駆体粒子は、典型的には、粉末、フレーク、粒子若しくは凝集された粒子として入手可能である。分散物の製造前に、フレーク若しくは粉末は、乾式摩砕、湿式磨砕、高剪断分散法若しくは篩過技術によって小型化しうる。
金属前駆体分散物を製造するために、沈殿、混合、粉砕、in situ合成のような典型的分散法若しくはそれらの組合せを使用しうる。温度、加工時間、エネルギー入力などのような実験条件は選ばれた方法論に依存する。分散工程は連続、回分若しくは半回分様式で実施し得る。
混合装置は、圧力捏和機、開放捏和機、遊星混合機、溶解装置、高剪断置き型混合機およびDalton万能混合機を包含しうる。適する粉砕および分散装置は、ボールミル、
パールミル、コロイドミル、高速ディスペンサー、複式ローラー、ビーズミル、ペイントコンディショナーおよび三本組ローラーである。ガラス、セラミック、金属およびプラスチックのような多くの異なる種類の素材を粉砕媒として使用しうる。分散物は超音波エネルギーを使用してもまた製造しうる。
wt%金属で表現される金属前駆体分散物の濃度は、好ましくは1と50wt%の間、より好ましくは2と25wt%の間、最も好ましくは3と15wt%の間である。
金属ナノ粒子は、還元段階例えば金属酸化物の金属への還元によって金属前駆体粒子から製造される。
金属前駆体粒子は、金属酸化物、金属塩、金属水酸化物および金属錯体よりなる群から選択しうる。
好ましい金属酸化物粒子は、酸化銀、酸化スズ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ウォルフラム、酸化モリブデン、酸化カドミウム、酸化銅(cupper)若しくは酸化亜鉛粒子である。
ZnO:Al、SnO2:F若しくはSnO2:Sb粒子のようなドープ金属酸化物粒子もまた使用しうる。
好ましい金属水酸化物粒子は、水酸化銅、水酸化チタン、水酸化ジルコニウム、水酸化ウォルフラム、水酸化モリブデン、水酸化カドミウム若しくは水酸化亜鉛粒子である。
好ましい金属塩は、硝酸塩、炭酸塩、塩化物、リン酸塩、ホウ酸塩、スルホン酸塩および硫酸塩のような無機酸の塩、ならびにステアリン酸塩、ミリスチン酸塩若しくは酢酸塩のような有機酸の塩を包含する。
上で挙げられたとおり、とりわけ好ましい金属ナノ粒子は銀ナノ粒子である。これらは例えば酸化銀、硝酸銀若しくは酢酸銀の還元により製造しうる。
この還元段階で使用される還元剤は好ましくは分散媒に可溶性である。還元剤は、ヒドロキシルアミンおよびその誘導体、ギ酸、シュウ酸、アスコルビン酸、ヒドラジンおよびその誘導体、ジチオスレイトール、亜リン酸塩、次亜リン酸塩、亜リン酸およびその誘導体、水素化アルミニウムリチウム、水素化ジイソブチルアルミニウム、ホウ水素化ナトリウム、亜硫酸塩、スズ(II)錯体、鉄(II)錯体、亜鉛水銀アマルガム、ナトリウムアマルガム、原子水素若しくはリンドラー触媒よりなる群から選択しうる。
好ましい還元剤は、ヒドロキシルアミンの誘導体であり、N,N−ジエチルヒドロキシルアミンがとりわけ好ましい。別の好ましい還元剤はギ酸である。
金属に対する還元剤のモル比として表現される使用される還元剤の量は、好ましくは0.6と10の間、より好ましくは0.8と8の間、最も好ましくは1と6の間である。
金属前駆体の金属ナノ粒子への還元の程度は好ましくは60と100%の間である。
還元剤は、好ましくは、前駆体の速すぎる還元を予防するように制御された方法で分散物に添加する。
金属ナノ粒子分散物を製造するための第二の態様
本発明の金属ナノ粒子分散物の別の好ましい製造方法は:
−金属前駆体を、
(a)式I
Figure 2016533413
式中
1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、
1およびR2は環を形成することができる、
の溶媒、ならびに
(b)式III
R−COOH
式III
式中
Rは場合によっては置換されているC2−C7アルキル、アルケニル、アルキニル若しくはシクロアルキル基である、
のカルボン酸
を含んでなる分散媒に添加することにより金属前駆体分散物若しくは溶液を形成する段階;
−金属前駆体を還元剤で還元して金属ナノ粒子を形成する段階;
−金属ナノ粒子を沈降させて、最低15wt%の金属ナノ粒子を含んでなる濃縮された金属ナノ粒子分散物を得る段階を含んでなり、
ここで無機酸若しくはこうした酸を生成することが可能な化合物が、最終的な金属ナノ粒子分散物中の該酸若しくは酸前駆体の濃度が50μmol/(g金属)未満、好ましくは25μmol/(g金属)未満、より好ましくは1.0μmol/(g金属)未満、最も好ましくは0.1μmol/(g金属)未満になるように製造方法中若しくはその終了時に添加される。
式Iの溶媒および式IIIのカルボン酸の組合せを使用することにより、容易に再分散されかつそれを用いて高度に導電性の層を製造しうる金属ナノ粒子の微細かつ均質な沈降物を得ることができることが観察されている。可能な一説明は、式Iの溶媒および式IIIのカルボン酸の双方が金属前駆体粒子および/若しくは金属ナノ粒子を安定化して、それが粒子の凝集物の非存在をもたらしうることでありうる。式Iの溶媒は金属ナノ粒子をとりわけ安定化する一方、カルボン酸は金属前駆体粒子を安定化するという徴候が存在する。
金属ナノ粒子分散物の好ましい製造方法で使用される反応若しくは分散媒は、式III
R−COOH
式III
式中、
Rは場合によっては置換されているC2−C7アルキル、アルケニル、アルキニル若しくはシクロアルキル基である、
のカルボン酸を含有する。
2−C7アルキル、アルケニル、アルキニル若しくはシクロアルキル基は2と7個の間の炭素原子を含有する。
Rは好ましくは場合によっては置換されているC2−C7アルキル基である。「アルキル」という用語は、該アルキル基中の炭素原子のそれぞれの数について可能な全部のバリアント、すなわち3個の炭素原子について:n−プロピルおよびイソプロピル;4個の炭素原子について:n−ブチル、イソブチルおよび三級ブチル;5個の炭素原子について:n−ペンチル、1,1−ジメチル−プロピル、2,2−ジメチルプロピルおよび2−メチル−ブチルなどを意味している。
好ましくはRはn−アルキル基である。アルキル基の鎖長が増大する場合、反応混合物の粘度の増大が観察されている。他方、より短いアルキル基を伴う酸は許容できない臭いを有する。式IIIのR基は最も好ましくはC4−C6 n−アルキル基である。
式IIIのとりわけ好ましいカルボン酸は、ペンタン酸、ヘキサン酸およびヘプタン酸である。
金属に対するカルボン酸のモル比として表現される本発明の方法で使用される式IIIのカルボン酸の量は、好ましくは1と10の間、より好ましくは2と8の間、最も好ましくは3と6の間である。
金属前駆体分散物は、金属前駆体を、上で開示された分散方法について記述されるところの分散媒に添加することにより製造する。該分散媒は、しかしながら今や式Iの溶媒および式IIIのカルボン酸を含有する。
金属ナノ粒子は還元段階例えば金属酸化物の金属への還元によって金属前駆体粒子から製造される。還元は上で開示されたとおり実施しうる。
最低15wt%の金属ナノ粒子を含んでなる高度に濃縮された金属ナノ粒子分散物を実現するために、沈降段階を還元段階の後で実施する。
沈降段階の後に金属ナノ粒子の微細な均質な沈降物が得られる。沈降段階および任意の洗浄段階は、分散物からのコーティングの導電性に対する負の影響を有しうる有機成分(溶媒、カルボン酸、還元剤、結合剤)の除去もまたもたらす。
好ましくは、還元段階後に、分散物を、攪拌機および上清を除去するためのチューブを含有する沈降容器に移す。しかしながら沈降物の上清からの他の分離方法もまた使用しうる。
沈降は、好ましくは、混合物を撹拌することなくしばらくの間例えば一夜静置させることにより実施する。
沈降は、しかしながら、溶媒蒸発により、非溶媒を添加することにより、遠心分離により、若しくは超遠心分離により誘発若しくは促進しうる。
沈降が完了した場合に上清を沈降物から除去する。沈降物からの上清の分離中に沈降物を撹乱しないことが非常に重要である。
好ましくは、1若しくはそれ以上の洗浄段階を、沈降物中になお存在する不要な成分を
少なくとも部分的にさらに除去するため、得られた沈降物で実施する。
洗浄段階では、溶媒を沈降物に添加し、そして生じる分散物をしばらくの間例えば1時間若しくは半時間撹拌する。
その後、混合物を撹拌することなくしばらくの間例えば1時間静置させ、沈降物および上清をもたらす。上清をその後除去する。
数回の洗浄段階を、同一若しくは異なる溶媒を使用して実施しうる。
溶媒は、沈降物からの不要な成分の除去およびその溶媒中の金属ナノ粒子の沈降を考慮に入れて選ぶ。金属ナノ粒子の可逆的凝集が沈降を促進しうる。本発明の方法によりすなわち式Iの溶媒および式IIIのカルボン酸の存在下で製造された金属ナノ粒子は、事実こうした可逆的凝集物を特徴とし、かように沈降を促進するがしかし容易に再分散可能な沈降物を形成することが観察されている。
最後の洗浄段階で使用される溶媒は、分散物から作成される印刷液若しくはコーティング液の導電性および印刷特性もまた考慮に入れて選ぶ。
好ましい一態様において4洗浄段階を実施する。1−メトキシ−2−プロパノールを用いる最初の2洗浄段階及びDOW CHEMICALSからのブチルグリコールエーテルButylcellosolveTMを用いる最後の2段階。
本発明の方法により得られる高度に濃縮された金属ナノ粒子分散物は、分散物の総重量に関して最低15wt%、より好ましくは最低30wt%、最も好ましくは最低50wt%の金属ナノ粒子を含有する。とりわけ好ましい、金属ナノ粒子分散物は、分散物の総重量に関して60と80wt%の間の金属ナノ粒子を含有する。
該金属ナノ粒子分散物を本製造方法で製造する場合、酸前駆体の酸を、洗浄段階後、または高度に濃縮された金属ナノ粒子分散物からコーティング液若しくは印刷液を製造する間に、金属ナノ粒子分散物に添加することが好ましい。
材料
以下の実施例で使用される全部の物質は、別の方法で明記されない限りALDRICH
CHEMICAL Co.(ベルギー)およびACROS(ベルギー)のような標準的供給源から容易に入手可能であった。全部の物質は別の方法で明記されない限りさらなる精製を伴わず使用した。
・ButylcellosolveTMはDOW CHEMICALSからのブチルグリコールエーテルである。
・Dowanol PMTMはDOW CHEMICALSからの1−メトキシ−2−プロパノールである。
・KlucelTMJはHERCULESからのヒドロキシプロピルセルロースである。
・ELEMENTISからの消泡剤(疎水性に改変されたシリカを含有するポリシロキサン)DAPRO DF 6800。
・BYK Additives & Instrumentsからの湿潤添加物Disperbyk(登録商標)−2025。
・IPAはイソプロピルアルコールである。
・EtOAcは酢酸エチルである。
・AcOHは酢酸である。
・THFはテトラヒドロフランである。
・MEKはメチルエチルケトンである。
・DMAはN,N−ジメチルアセトアミドである。
・NMPはN−メチルピロリドンである。
・UMICOREからの酸化銀。
実施例1
銀ナノ粒子分散物NPD−01ないしNPD−06の製造
576.0gの2−ピロリドン、576.0gのエタノールおよび1728.0gのYTZパールを2リットルPE容器に添加した。この混合物に320.0gの酸化銀(Umicoreから)を添加した。閉鎖された容器をその後「ローラーミル」上に24時間置いた。YTZパールを除去した後、ある量の2−ピロリドン中のHClの5wt%溶液を該混合物に添加して、表1に示されるところのHClの量を有する前分散物を得た。
44.26mlのギ酸を前分散物(1.25ml/min)に22℃で添加した。該混合物をその後22℃で夜にわたり攪拌した。該混合物をその後60μm濾布を使用して濾過した。濾液をその後40℃で最初に110mbarで60min、その後60mbarで30min濃縮した。
銀ナノ粒子分散物NPD−01ないしNPD−06、および該分散物を2−フェノキシエタノール(fenoxyethanol)/2−メチルピロリドンの50/50wt%混合物で最初に希釈することにより得られた分散物をその後、ポリエステル支持体上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は10μmであった)。
被覆層を乾燥しかつ150℃で30分間硬化した。
表面抵抗(SER)を4点コリニアプローブ(collinear probe)を使用して測定した。表面若しくはシート抵抗を以下の式:
SER=(π/ln2)*(V/I)
式中
SERはΩ/ で表現される層の表面抵抗であり;
πは3.14におよそ等しい数学的定数であり;
ln2は、0.693におよそ等しい、値2の自然対数に等しい数学的定数であり;
Vは4点プローブ測定装置の電圧計により測定される電圧であり;
Iは4点プローブ測定装置により測定されるソース電流であり、
により計算した。
各サンプルについて、3回の測定をコーティングの異なる位置で実施しそして平均値を計算した。
コーティングの銀含量MAg(g/m2)をWD−XRFにより測定した。
被覆層の導電率を、以下の式:
Figure 2016533413
式中
ρAgは銀の密度(10.49g・cm-3)でありかつσAgは銀の比導電率(6.3 105S/cmに等しい)であり、
を使用して導電率を銀のバルク導電率のパーセンテージとして計算することにより決定した。
被覆層の導電率を表2に示す。すなわち%Agバルク(1)は希釈されないナノ粒子分散物からの被覆層の導電率であり、%Agバルク(2)は希釈された分散物からの被覆層の導電率である。
Figure 2016533413
少量のHClの添加が銀分散物の導電率の実質的増大をもたらすことが表2から明確である。
添加されるHClの量が多すぎる場合に導電率が再度低下することもまた明確である。
実施例2
銀ナノ粒子分散物NPD−07ないしNPD−09の製造
25.0gの酸化銀(Umicoreから)を、45.0gのエタノール、44.8gの2−ピロリドン、およびある量の2−ピロリドン中の酸前駆体AP−03の10wt%溶液の混合物に撹拌しながら添加して、表2に示されるところのAP−03の量を有する前分散物を得た。該前分散物をその後24時間攪拌した。
その後、1.73mlのギ酸を、撹拌しかつ温度を室温で保ちながら前分散物に添加した(1.25ml/min)。90min後に第二の1.73mlのギ酸を、撹拌しかつ温度を室温で保ちながら該混合物に添加した(1.25ml/min)。ギ酸の添加後に該混合物を23〜25℃で2.5時間さらに撹拌した。
その後、該混合物を60μm濾布を使用して濾過した。濾液をその後40℃で最初に110mbarで60min、その後60mbarで30min濃縮した。
銀ナノ粒子分散物NPD−07ないしNPD−09、および該分散物を2−フェノキシエタノール/2−メチルピロリドンの50/50wt%混合物で最初に希釈することにより得られた分散物をその後、ポリエステル支持体上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は10μmであった)。
導電率測定を実施例1でのとおり実施した。結果を表3に示す。
Figure 2016533413
少量の酸前駆体AP−03の存在が中程度の硬化条件で高導電性コーティングをもたらすことが表3から明確である。
実施例3
銀ナノ粒子分散物NPD−10ないしNPD−14の製造
NPD−10ないしNPD−14は、酸前駆体としてAP−03の代わりにAP−02を表4に示される量で使用することにより、実施例2に記述されるとおり製造した。
銀ナノ粒子分散物NPD−10ないしNPD−14、および該分散物(100%)を2−フェノキシエタノール/2−メチルピロリドンの50/50wt%混合物で最初に希釈することにより得られた分散物をその後、ポリエステル支持体上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は10μmであった)。
導電率測定を実施例1でのとおり実施した。結果を表4に示す。
Figure 2016533413
少量の酸前駆体AP−02の存在が中程度の硬化条件で高導電性コーティングをもたらすことが表4から明確である。
実施例4
銀ナノ粒子分散物NPD−15ないしNPD−51の製造
金属ナノ粒子分散物NPD−15ないし20を、実施例1でのとおりしかし表5に示されるところの酸を使用して製造した。
金属ナノ粒子分散物NPD−21ないし51は、実施例2でのとおりしかし表5に示されるところの酸前駆体を使用して製造した。
銀ナノ粒子分散物NPD−15ないしNPD−51、および該分散物(100%)を2−フェノキシエタノール/2−メチルピロリドンの50/50wt%混合物で最初に希釈することにより得られた分散物をその後、ポリエステル支持体上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は10μmであった)。
導電率測定を実施例1でのとおり実施した。結果を表5に示す。
Figure 2016533413
少量の酸若しくは酸前駆体の存在が中程度の硬化条件で高導電性コーティングをもたらすことが表5から明確である。
実施例5
銀ナノ粒子分散物NPD−52ないしNPD−63の製造
78.0gの酸化銀を、275.0gのペンタン酸および401.0gの2−ピロリドンを含有する1l反応槽に撹拌しながらゆっくりと添加した。混合物の温度を25℃で保った。
酸化銀の完全な添加後に該懸濁液を25℃で一夜攪拌した。
その後、300.0gのN,N−ジエチルヒドロキシルアミンを1.5時間の時間の期間に該懸濁液に添加した。反応混合物の温度を25℃で保った。全部の還元剤を添加した場合に該反応混合物を別の1時間攪拌しながら25℃で保った。
該反応混合物をその後沈降容器にフィードし、そこでそれを撹拌することなく一夜保管した。上清を沈降物から慎重に除去した。
得られた沈降物を4回すなわちDowanol PMTM(547g)で2回およびbutylcellosolveTM(547g)で2回洗浄した。各洗浄段階において、溶媒を沈降物に添加し、そして生じる懸濁液を300rpmで0.5時間攪拌した。その後、撹拌されない懸濁液を別の1時間保管し、そして上清を慎重に除去した。
butylcellosolveTMでの最後の洗浄段階後に、沈降物をRousselet Robatel(仏国)からの遠心デカンター中0.5時間の間3000rpmで遠心分離した。
かように得られた銀ナノ粒子分散物に表7に示されるところの多様な酸を添加した。
かように得られた分散物をその後ポリエステル支持体上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は20μmであった)。
被覆層を乾燥しかつ150℃で30分間焼結した。
表面抵抗(SER)を実施例1に記述されるとおり測定した。結果を表6に示す。
Figure 2016533413
評価された全部の無機酸が硬化された銀コーティングの導電率を改良することが表6から明確である。HClの導電率に対する影響は、塩LiClの添加が導電率に対する影響を有しないため、存在する塩化物によらないこともまた明確である。
実施例7
銀ナノ粒子分散物NPD−52に表7に示されるところの多様な酸を添加した。
かように得られた分散物をその後、下塗りされた(subbed)ポリエステル上に被覆した(ブレードコーター、コーティング厚は10μmであった)。
被覆層を乾燥しかつ150℃で30分間焼結した。
表面抵抗(SER)を実施例1に記述されるとおり測定した。結果を表7に示す。
Figure 2016533413

Claims (15)

  1. 金属ナノ粒子を含んでなる金属ナノ粒子分散物であって、50μmol/(g金属)未満の無機酸または該分散物から形成される金属層若しくはパターンの硬化中にこうした酸を生成することが可能な化合物を含んでなることを特徴とする、分散物。
  2. 無機酸が、HCl、HBr、HI、HF、H2SO4、HNO3、H3PO2およびH3PO4よりなる群から選択される、請求項1に記載の金属ナノ粒子分散物。
  3. 無機酸がHCl若しくはHBrである、請求項1に記載の金属ナノ粒子分散物。
  4. 式I
    Figure 2016533413
    式中
    1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、および
    1およびR2は環を形成することができる、
    の溶媒をさらに含んでなる、先行する請求項のいずれかに記載の金属ナノ粒子分散物。
  5. 式III
    R−COOH
    式III
    式中RはC2−C7アルキル、アルケニル、アルキニル若しくはシクロアルキル基である、の付加的な酸をさらに含んでなる、先行する請求項のいずれかに記載の金属ナノ粒子分散物。
  6. 金属ナノ粒子が銀ナノ粒子である、先行する請求項のいずれかに記載のナノ粒子分散物。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の金属ナノ粒子分散物、ならびに増粘剤、高沸点溶媒および湿潤剤から選択される1種若しくはそれ以上の添加物を含んでなるコーティング液または印刷液。
  8. 増粘剤がセルロース誘導体である、請求項7に記載のコーティング液または印刷液。
  9. 高沸点溶媒が、ジエチレングリコール、1−メトキシ−2−プロパノールおよび2−ブトキシエタノールから選択される、請求項7若しくは8に記載のコーティング液または印刷液。
  10. −金属前駆体粒子を式I
    Figure 2016533413
    式中
    1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、ならびに
    1およびR2は環を形成することができる、
    の溶媒を含んでなる分散媒中に分散させる段階、ならびに
    −金属前駆体を還元剤で還元して金属ナノ粒子を形成する段階を含んでなり、
    ここで無機酸若しくはこうした酸を生成することが可能な化合物が該製造方法中若しくはその終了時に添加される、
    金属ナノ粒子分散物の製造方法。
  11. 蒸発段階、沈降段階若しくは超音波処理段階もまた含んでなり、ここで分散媒の少なくとも一部分が蒸発される、請求項10に記載の方法。
  12. −金属前駆体を、
    (a)式I
    Figure 2016533413
    式中
    1およびR2は場合によっては置換されているアルキル基を表し、R1およびR2は環を形成することができる、
    の溶媒、ならびに
    (b)式III
    R−COOH
    式III
    式中
    Rは場合によっては置換されているC2−C7アルキル、アルケニル、アルキニル若しくはシクロアルキル基である、
    のカルボン酸を含んでなる分散媒に添加することにより金属前駆体分散物若しくは溶液を形成する段階、
    −金属前駆体を還元剤で還元して金属ナノ粒子を形成する段階、
    −金属ナノ粒子を沈降させて、最低15wt%の金属ナノ粒子を含んでなる高度に濃縮された金属ナノ粒子分散物を得る段階を含んでなり、
    ここで無機酸若しくはこうした酸を生成することが可能な化合物が該製造方法中若しくはその終了時に添加される、
    金属ナノ粒子分散物の製造方法。
  13. 請求項1ないし6のいずれかに記載の金属ナノ粒子分散物または請求項7ないし9のい
    ずれかに記載の印刷液若しくはコーティング液を支持体上に塗布する段階、次いで硬化段階を含んでなる、導電性金属層若しくはパターンの製造方法。
  14. 硬化段階が160℃若しくはそれ未満の温度で実施される、請求項13に記載のパターンの導電性金属層の製造方法。
  15. 硬化段階が30分若しくはそれ未満の間実施される、請求項13若しくは14に記載の導電性金属層若しくはパターンの製造方法。
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