JP2016538425A - フレキシブル電子基板 - Google Patents

Abstract

金属層と、金属層の表面の酸化によって形成された誘電ナノセラミック層と、誘電層の表面に形成された電気回路とを含む、フレキシブル電子基板（ＦＥＳ）。ＦＥＳを用いて、装置、例えばフレキシブルディスプレイ、ＯＬＥＤ、光電子装置、又はＲＦ装置を支持してもよい。誘電ナノセラミック層は、平均粒径１００ナノメートル以下の実質的に等軸の粒からなる結晶構造を有し、厚さが１マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、絶縁耐力が２０ＫＶｍｍ−１超であり、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ超である。ＦＥＳの最小曲げ半径は２５ｃｍ未満である。【選択図】図１

Description

本発明は、フレキシブル電子基板（ＦＥＳ）、例えばフレキシブルディスプレイ、印刷電池、光起電装置、熱電装置、光電子装置、電子機器、マイクロ波装置、又はＲＦ装置を支持するためのＦＥＳに関する。

ディスプレイ、電子機器、光電子装置、マイクロ波装置、ＲＦ装置、及び電気装置は、支持を提供し、電力供給源及び信号供給源を配置し、装置から熱を除去するよう機能する基板上に典型的に取り付けられ又は印刷されている。フレキシブル電子基板は、通常ポリマーフィルム又は金属箔である柔軟性材料基板の上に構築されている。フレキシブル電子基板（ＦＥＳ）は、フレキシブル回路、又はフレキシブルＰＣＢ、フレキプリント若しくはフレキ回路とも呼ばれる。

ポリマーフィルムは、ＦＥＳを構築するために使用される最も一般的な材料であり、典型的には、ポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、又は様々なフルオロポリマー（ＦＥＰ）及びコポリマーの一つからできている。

ポリマーフィルムに基づくフレキシブル電子基板（ＦＥＳ）は、低い特定の熱エネルギーを生成する電子機器、例えばフレキシブルディスプレイ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、キーボード、又は光起電装置を支持する用途に限られている。ＦＥＳのそのような用途の限界は、電子機器から熱を放散させないポリマーフィルムの低い熱伝導率（１Ｗ／ｍＫ未満）に部分的に起因する。限界は、ポリマーフィルムの熱的、構造的、及び寸法安定性が低いことにも（部分的に）起因する。

多くのポリマー材料の最大処理温度は、３００℃より高いことがある薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造に要求される温度よりも低い。

温度が重要な用途、例えば、生成された熱が装置の寿命、光効率、色安定性、及び信頼性に悪影響を及ぼす、高温で作動する光起電装置若しくは熱電装置、又はフレキシブルディスプレイ若しくはＯＬＥＤのような光源にとって、より高い熱伝導率を有するＦＥＳを提供することは有益である。

ＲＦ及びマイクロ波の用途にとって、ＦＥＳが、高い誘電率並びに接地金属層又は金属遮蔽層を有する誘電材料を含むことは有益であることがある。

より高い処理及び作動温度を提供して熱的特性を向上するために、柔軟性基材は、高い温度安定性及び熱放散性を提供する金属箔、例えばスチール、チタン（Ｔｉ）、又はアルミニウム（Ａｌ）箔の上に構築されてもよい。

表１中の数字に示すように、ＦＥＳ基板に使用される上記の金属のうち、Ａｌは著しくより高い熱伝導率（１５０Ｗ／ｍＫ超）を有し、したがって熱管理に有益である。

金属箔を電気回路から絶縁するために誘電層を金属箔表面に適用して、金属箔基板を有するＦＥＳを形成する。金属ベースのＦＥＳの熱的利点を維持するため、非有機誘電層を有することは有利である。誘電層は、物理蒸着（ＰＶＤ）若しくは化学蒸着（ＣＶＤ）によって、ジェット印刷によって、又は陽極処理によって、金属表面に適用してもよい。いくつかの金属（例えばＡｌ）の表面上に天然酸化物層が存在すると、従来の堆積コーティング又は印刷技術にとって接着性の問題を生じるおそれがある。陽極処理されたコーティングは基板自身の電気化学的酸化によって形成されるので、陽極処理方法は同様の問題を示さない。

米国特許第４０１５９８７号明細書は、電子機器用途のための絶縁された金属基板として使用するための、陽極処理された非柔軟性Ａｌ基板を記載している。米国特許第４０１５９８７号明細書に記載されている方法は、アルミニウム基板を陽極処理すること、及び陽極処理された基板に銅箔を積層することを含む。フォトレジスト、エッチング、及びめっき工程が続く。陽極処理されたＡｌ基板は、陽極処理された層に固有の低い柔軟性のため、ＦＥＳとしての広い用途が見つからなかった。また、陽極処理された層は熱的安定性が低い。これらの欠点はいずれも、アノード層における微小クラックの形成につながり、層の絶縁耐力を損なう。

本発明は改善された特性を有するフレキシブル電子基板を提供することを目的とする。

本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項に記載のフレキシブル電子基板（ＦＥＳ）、ＦＥＳの製造方法、及びＦＥＳを含む装置を提供する。本発明の好ましい又は有利な特徴は、様々な従属下位請求項において述べる。

提供されるＦＥＳは、フレキシブル誘電ナノセラミック層又はコーティングと、ナノセラミックコーティングの表面上に形成された電気回路とを有する少なくとも一つのフレキシブル金属層を含んでもよい。ナノセラミックコーティングは金属層材料の酸化物を含む。例えば、ＦＥＳは、金属層と、金属層の表面の酸化によって少なくとも部分的に形成された誘電ナノセラミック層と、誘電層の表面上に形成された電気回路とを含んでもよい。誘電ナノセラミック層は、平均粒径１００ナノメートル以下の粒からなる結晶構造を有し、厚さが１マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、絶縁耐力が２０ＫＶｍｍ^−１超であり、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ超である。

ナノセラミック層は、平均粒径１００ナノメートル未満の結晶構造を有する。そのようなナノ結晶構造は、セラミック材料では珍しい柔軟性を有する層を提供する。そのようなナノセラミック層は、典型的に３〜１０Ｗ／ｍＫの高い熱伝導率もまた提供する。コーティングの厚みは、１〜５０マイクロメートルである。この厚みの範囲においてナノセラミック層は柔軟性を維持し、ナノセラミック層の特性、例えば熱伝導率及び絶縁耐力を低下させることなく２ｍｍ程度に小さい曲げ半径へと繰り返し曲げてもよい。ナノセラミック層は、２０ＫＶ／ｍｍ超の高い絶縁耐力及び３Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導性と高い柔軟性との組合せを有し、これは電子機器用途にとって有利である。

用語「金属（metallic）」は、本明細書において大きな分類の材料を記載するために用いる。したがって、この用語は、元素金属、例えば純粋なアルミニウム、並びに一つ又は複数の元素の合金、及び金属間化合物を意味する。実際、本発明の方法で使用される基板は、商業的に入手可能な金属組成物である傾向がある。多くの金属が、その上にナノセラミック層を形成してＦＥＳを製造するための金属基板としての用途に適するだろう。適切な材料としては、バルブ金属として分類されるそれらの金属が挙げられる。ＦＥＳは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ベリリウム、又はこれらの金属のいずれかの合金若しくは金属間化合物からできた基板から好ましくは形成されていてもよい。

好ましくは、金属層の厚さは、５マイクロメートル〜２０００マイクロメートル、好ましくは１０マイクロメートル〜５００マイクロメートル、又は２０マイクロメートル〜２００マイクロメートルである。好ましくは、金属層は金属箔である。

ＦＥＳ用途にとって、ナノセラミック層の絶縁耐力は特に重要である。本発明の任意の側面によるナノセラミック層は、有利にも２５ＫＶｍｍ^−１を超える、又は３０ＫＶｍｍ^−１を超える、例えば４０ＫＶｍｍ^−１を超える、又は５０ＫＶｍｍ^−１を超える絶縁耐力を提供してもよい。典型的に絶縁耐力は、２０〜６０ＫＶｍｍ^−１であってもよい。

ＦＥＳ用途にとって、誘電層の熱伝導率が高いことが好ましい。絶縁層は、作動している電子部品と金属層との間に電気的絶縁を提供し、同時に作動している電子部品から熱を離して金属層へと伝導することが求められる。したがって、本発明の任意の側面によるＦＥＳの誘電ナノセラミック層が、３Ｗ／ｍＫ超、例えば５Ｗ／ｍＫ超、又は７Ｗ／ｍＫ超の熱伝導率を有することは有利であることがある。典型的に、ナノセラミック層の熱伝導率は３〜１０Ｗ／ｍＫ、例えば４〜７Ｗ／ｍＫである。

いくつかのＦＥＳ用途にとって、誘電層の誘電率が高いことが好ましいことがある。誘電率が高いことは、ＦＥＳがＲＦ又はマイクロ波用途に使用されることを意図する場合に特に好ましいことがある。好ましくは、ＦＥＳは、誘電率が７を超える、例えば７．５〜１０であるナノセラミック層を含む。

金属基板上に形成されたセラミック層の物理的特性の多くは、セラミック層の結晶子サイズ又は粒径にある程度依存する。本発明によるＦＥＳのナノセラミック層は結晶セラミック層であり、好ましくは、コーティングは、平均直径が１００ナノメートル未満、特に好ましくは８０ナノメートル未満、例えば約５０ナノメートル未満、又は約４０ナノメートル未満の粒を含む。粒は代わりに結晶又は微結子ということもある。粒径という用語は、コーティングの粒又は結晶の平均寸法にわたる距離を意味する。したがって、ＦＥＳは、ナノメートルスケールの径又は寸法を有する物理的特徴を有するためナノ構造層（又はナノセラミック層）として記載されることがある層を含む。微細な粒径は、構造的均一性及び特性、例えば柔軟性を改善することがある。微細な粒径は、セラミック材料の熱伝導率、絶縁耐力、及び誘電率を上昇させることがある。微細な粒径の結果として、より滑らかな表面プロファイルが発達してもよい。ナノセラミック層の柔軟性は、ナノセラミック層中の粒の形状によって影響されることがある。ナノセラミック層が異方性の機械的特性を有しないように、粒は実質的に等軸の粒であることが好ましい。

誘電ナノセラミック層は、直径が１マイクロメートルより大きく平均孔径が５００ナノメートルより小さい細孔を実質的に有しないことが好ましい。そのような細孔寸法の限定は、層の絶縁耐力及び柔軟性を有利に増加させることがある。

ＦＥＳの柔軟性は、曲げ半径を参照することで定義されてもよい。曲げ半径は、ワイヤ、ケーブル、及びシートの形態の材料の特徴を描写するために用いる、柔軟性の標準的な測定である。曲げ半径を測定するため、典型的には、シートを、しだいに減少する直径の棒又は筒状体の周りに曲げて、シートを損傷することなく曲げることができる最小の曲率を決定する。ＦＥＳは、材料のシートの形態である傾向がある。本明細書で用いる曲げ半径とは、ＦＥＳを、その特性に損傷を与えずに繰り返し曲げることができる半径を意味する。最小曲げ半径とは、ＦＥＳをその特性に損傷を与えずに曲げることができる最小の曲率である。

ＦＥＳの最小曲げ半径は、ＦＥＳの合計の厚みにある程度依存する。ＦＥＳの厚みが大きい（例えば２ｍｍ）場合、最小曲げ半径は大きいことがある。例えば、最小曲げ半径は、好ましくは２５ｃｍより小さく、特に好ましくは１５ｃｍより小さく、又は１０ｃｍより小さい。ほとんどの用途にとって、ＦＥＳの合計の厚みは２ｍｍ未満であり、ＦＥＳの柔軟性は高いだろう。ＦＥＳの最小曲げ半径は、２０ｍｍ未満、例えば１０ｍｍ未満、又は５ｍｍ未満、例えば２ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。

陽極処理方法によって金属基板上に形成された層は、高多孔質である傾向がある。陽極処理された層又はコーティングは、非晶質構造（すなわち、陽極処理された層は結晶質であることは希である）、及びオープンでカラムの様な構造を通常有する。典型的なアノード層の規則的なカラムの様な構造によって、特に層の熱サイクル又は曲げの後、コーティングにクラックが形成されやすくなることがある。クラックを形成しやすいことは、アノード層の柔軟性を制限し、したがってＦＥＳにおける誘電体としてのアノード層の用途を制限する。

プラズマ電解酸化（ＰＥＯ）処理によって製造されるコーティング又は層は、結晶質であるが柔軟性ではない。これは、ＰＥＯ処理の本質的な要素であるマイクロスパーク放電に伴う固有のクラック形成、及び大きいスケールの多孔性に起因する。ＰＥＯコーティングを用いてＦＥＳの誘電層を形成することはできない。

ナノセラミック層の厚みは、好ましくは５０マイクロメートル未満、特に好ましくは２０マイクロメートル未満、又は１０マイクロメートル未満である。厚みがより薄いナノセラミック層は、より高い柔軟性を示す。層がより薄くなればなるほど層に渡る熱転写がより効果的になり、したがって、層の厚みは１又は２マイクロメートル〜１０マイクロメートルであれば、特に有利であることがある。

誘電ナノセラミック層に存在するあらゆる細孔を充填することが望ましいことがある。したがって、本発明の任意の側面によるＦＥＳは、層のあらゆる細孔を充填するのに適切な有機又は無機材料によって封止又は含浸されたナノセラミック層を含んでもよい。適切な封止材料としては、例えば樹脂、フルオロポリマー、ポリイミド、メタクリレート、ポリエステル、水ガラス、又はゾル−ゲル材料であってもよい。適切な封止材料のこのリストは網羅的ではなく、当業者であれば他の適切な材料を特定することができる。封止材料は、多くの公知の方法によって、例えば浸漬、吹付け、減圧封止、並びにＰＶＤ及びＣＶＤ堆積技術によってコーティングに適用してもよい。

本発明の任意の側面によるＦＥＳは、ナノセラミック層の表面上に形成又は構築された電気回路を含む。電気回路は、任意の従来技術、例えばスクリーン印刷、導電性インクプリント、無電解メタライゼーション、ガルバニックメタライゼーション、金属箔の接着結合、作製済みフレックス回路の結合、化学蒸着（ＣＶＤ）、及び物理蒸着（ＰＶＤ）メタライゼーションによって形成してもよい。

電気回路は、金属箔、例えば銅箔、又は作製済みフレックス回路を、上記のように形成されたナノセラミック層へと結合する熱伝導性接着剤を用いて形成してもよい。適切な熱伝導性接着剤としては、コーティングの表面に金属層を結合するための、樹脂、ポリイミド、又はフルオロポリマー等が挙げられる。接着剤を使用した結合は、コーティングのあらゆる細孔内への結合材料の浸透を伴うことがある。この浸透は、増大した破壊電圧を有する複合材誘電層を生じることがある。

ＦＥＳは、金属基板層の片側又は両面に適用されたナノセラミック誘電層を有してもよい。片面有機ＦＥＳは普及しており、技術的及び経済的に効率的である。しかしながら、完全に絶縁された基板にとって、及び電気回路を基板の片側上に収容することができないとき、両面の絶縁が必要である。

ＦＥＳは、非金属コーティングの表面上に形成された電気回路部品を金属層と接続する導電性バイアを含んでもよい。そのようなバイアは、コーティングを形成する前のマスキングプロセスによって形成してもよい。バイアは、コーティングを形成した後のエッチングプロセスによって、又はナノセラミック層のレーザーアブレーションによって形成してもよい。

電気回路の上に保護コーティング層を形成してもよい。

特にＲＦ又はマイクロ波用途に適するＦＥＳの好ましい実施形態は、金属層の表面に形成された誘電ナノセラミック層を有する金属基板を含んでもよく、ナノセラミック層は、絶縁耐力が２０ＫＶｍｍ^−１超であり、厚さが１マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、１００ナノメートル未満の平均粒径を有する実質的に等軸な結晶構造を有し、誘電率が７より大きい。

特に高温用途に適するＦＥＳの好ましい実施形態は、金属層上に形成された誘電ナノセラミック層を有する金属基板と、完全に無機材料、例えば金属スパッタリング、無電解メタライゼーション、及びガルバニックメタライゼーションによる金属によって造られた電気回路とを含んでもよい。そのようなＦＥＳは完全に無機の組成を有し、３００℃を超える温度で作動することができる。そのようなＦＥＳは、可塑性材料を含むＦＥＳに固有の熱分解に影響を受けない。完全に無機のＦＥＳは、例えば、高い周囲温度で作動する集光型光起電装置、熱電エネルギー発電、高輝度ＬＥＤ、又はセンサに使用される装置にとって、特に興味深いことがある。

上記のＦＥＳは、電子装置、フレキシブルディスプレイ、ＯＬＥＤ、電池、光電子装置、ＲＦ装置、マイクロ波装置、及び電気装置からなる群から選択される一つ又は複数の装置を支持するために使用してもよい。

本発明の任意の側面によるＦＥＳを形成するため、所望の特性を有するナノセラミックコーティング又は層を柔軟性金属基板上に形成し、電気回路をナノセラミック層上に形成する。

本発明の側面によるＦＥＳを形成する好ましい方法は、柔軟性金属シートの少なくとも一つの表面及び電極の一部を水性電解質に接触させて、水性アルカリ性電解質及び電極を含む電気分解チャンバー内に柔軟性金属シートを置くことを含む。少なくとも一つの表面に関して柔軟性金属シートの少なくとも一部に張力をかけて、ナノセラミック層を形成する間にシートが曲がることを防止してもよい。次に金属シートの少なくとも一つの表面が、０．１〜２０ＫＨｚのパルス反復周波数で交替する両極性の一連の電圧パルスによって付勢されるよう、柔軟性金属シートの少なくとも一つの表面を電極に対して電気的に付勢することによって誘電ナノセラミック層を形成する。正の電圧パルスは定電位的に制御され、すなわち電流に関して制御され、負の電圧パルスは定電流的に制御され、すなわち電圧に関して制御される。

ナノセラミック層を形成した後、柔軟性金属シートを電気分解チャンバーから取り出す。次に誘電ナノセラミック層の表面上に電気回路を形成して、ＦＥＳを形成する。

正のパルスが定電位的に制御され、かつ負のパルスが定電流的に制御された交替する両極性の一連の電圧パルスを適用することによって、かなりのレベルのマイクロ放電を誘起することなく、基板に高電圧パルスを適用することができる。非金属コーティングを形成する間、マイクロ放電現象を最小にし、又は好ましくは完全に回避することによって、コーティングのパラメータ、例えば表面粗さ及びコーティングの多孔性の大きさを抑制することができてもよい。したがって、このプロセスを制御することによって、所望により５００ナノメートル未満の平均孔径を有するコーティングが形成されることがある。マイクロ放電は、マイクロスパーク放電又はマイクロアークということもある。マイクロ放電の存在はＰＥＯコーティングプロセスの本質的特徴であるが、しかしながら、ＦＥＳに使用するには本質的に適切でないセラミック層を製造する。したがって、スパークしない方法を使用してナノセラミックコーティングを製造することが好ましい。

それぞれの電圧パルスの間の電流スパイクの発生を回避するよう、正及び負の電圧パルスを形成することは有利であることがある。電流スパイクはコーティングの崩壊及びマイクロ放電に関連する。電流スパイクを回避するよう電圧パルスを形成することによって、マイクロ放電は著しく低減され又は除去されることがある。上記のように、マイクロ放電は、多くのコーティングの特性、例えばナノセラミック層の柔軟性及び層の平均孔径、並びに結果として層の絶縁耐力に悪影響を及ぼす。

正及び負の電圧パルスの一方又は両方の形状が実質的に台形の形状である場合、特に有利であることがある。

基板を電極に対してアノード的に付勢する正の電圧パルスの間、フレキシブル金属シート（基板）の材料の転換が起こり、ナノセラミック層が形成される。水性電解質中の酸素含有種が基板材料自体と反応する際、ナノセラミック層が形成される。連続する正の電圧パルスを通じて、ナノセラミック層の厚みが増大する。層が厚みを増すと層の電気抵抗が増加し、適用される電圧に対して流れる電流がより少なくなる。したがって、正の電圧パルスの各々のピーク電圧が所定期間にわたって一定であることが好ましいが、しかしながら、連続する電圧パルスのそれぞれに流れる電流は、所定期間にわたって低減することがある。

ナノセラミック層が厚みを増すにつれて層の抵抗が増大し、したがって、連続した負の電圧パルスのそれぞれの間に層を通過する電流が層の抵抗加熱を引き起こす。負の電圧パルスの間のこの抵抗加熱は、層内の拡散レベルの増加に寄与することがあり、したがって、発達中の層内における結晶化及び粒形成の過程を助けることがある。好ましくはマイクロ放電を実質的に回避して、このように層の形成を制御することによって、極めて微細なスケールの結晶子又は粒径を有する高密度ナノセラミック層が形成されることがある。

電圧パルスのパルス反復周波数は、０．１〜２０ＫＨｚ、好ましくは１．５〜１５ＫＨｚ、又は２〜１０ＫＨｚであってもよい。例えば、有利なパルス反復周波数は、２．５ＫＨｚ、又は３ＫＨｚ、又は４ＫＨｚであってもよい。低いパルス反復周波数で、ナノセラミック層は長時間の成長の後、長時間のオーム加熱を受ける。したがって、得られるナノセラミック層は、より高いパルス反復周波数を使用する場合よりも粗い構造又は表面プロファイルを有することがある。より高いパルス反復周波数は、より微細な構造及びより滑らかなナノセラミック層の表面を製造することがあるが、しかしながら、形成速度及びプロセスの効率が低減されることがある。

方法は、アルカリ性水溶液である電解質、好ましくはｐＨ９以上の電解質中で実施される。好ましくは、電解質は１ｍＳｃｍ^−１を超える電気伝導度を有する。適切な電解質としては、アルカリ金属水酸化物、特に水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムの電解質が挙げられる。

電解質がコロイド状であり、水相中に分散した固体粒子を含む場合、特に有利であることがある。特に好ましくは、電解質は、１００ナノメートル未満の粒径を有する固体粒子の割合を含む。粒径とは、その粒子の最も大きい寸法の長さを意味する。

電圧パルスを適用する間に生成される電界は、水相に分散した静電的に荷電した固体粒子を生じ、基板の表面の方へと輸送され、その上にナノセラミック層が成長する。固体粒子が成長しているナノセラミック層と接触すると、それらはナノセラミック層と反応して、ナノセラミック層に取り入れられることがある。したがって、コロイド状電解質を用いる場合、ナノセラミック層は、フレキシブル金属基板の表面の一部の酸化によって形成されたセラミック材料、及び電解質から導かれたコロイド粒子の両方を含んでもよい。

基板上に形成されるナノセラミック層は、正負の電圧パルスの間に生成される。ナノセラミック層を成長させるために、基板材料と電解質との間の接触を維持することが必要である。発達するナノセラミック層は、完全に高密度ではなく、ある程度の多孔性を有する。基板物質と電解質との間の接触は、この多孔性を介して維持される。電解質がコロイド状であり固体粒子を含む場合、ナノセラミック層の形成に固有の多孔性が実質的に変更されることがある。水相に分散した非金属固体粒子は、電界の下、成長しているナノセラミック層の細孔内に移動することがある。一旦細孔内に入ると、固体粒子は例えば焼結プロセスによって、ナノセラミック層、及び細孔に移動した他の固体粒子の両方と反応することがある。このようにして細孔の寸法は実質的に減少し、ナノセラミック層の多孔性が変更され、ナノ多孔性として発達する。例えば、ナノセラミック層における細孔の最大寸法は、直径１マイクロメートルから直径４００ナノメートル未満まで、又は直径３００ナノメートル未満まで減少することがある。

多孔性を低減することによって、ナノセラミック層の密度が増加する。更に、ナノセラミック層に渡る何らかの多孔性の最大寸法の減少は、ナノセラミック層の絶縁耐力及び熱伝導率を実質的に増加させることがある。

電解質は、方法の開始から存在する固体粒子を含んでもよく、すなわち、粒子は電解溶液中に最初に存在してもよい。代替として、ナノセラミック層を形成するプロセスの間、水性電解質中に固体粒子を加えてもよい。このようにして、ナノセラミック層を成長させつつ、発達するナノセラミック層の組成及び／又は構造を制御してもよい。

フレキシブル金属シートの表面上にナノセラミック層を形成することに適する装置は、水性電解質を収容するための電気分解チャンバーと、電気分解チャンバー内に配置することができる少なくとも一つの電極と、金属シートと電極との間に交替する両極性の一連の電圧パルスを適用することができる電力供給源とを含んでもよい。電力供給源は、基板を電極に対してアノード的に付勢するための、定電位的に制御された連続する正の電圧パルスを生成するための第一のパルスジェネレータを含む。電力供給源は、基板を電極に対してカソード的に付勢するための、定電流的に制御された連続する負の電圧パルスを生成するため第二のパルスジェネレータを更に含む。

装置が水相に分散した固体粒子を含むコロイド状電解質を更に含むことは、特に有利であることがある。そのような電解質中に分散した固体粒子は、装置を用いて生成されるナノセラミック層内に取り入れられることがある。

好ましくは、ナノセラミック層を形成する間、金属シートに僅かに張力をかける。この張力は、金属シートを平面形状に維持することを助け、ナノセラミック層を均一に形成することを可能にしてもよい。他の好ましい実施形態では、金属シートは、一本の金属シート又は箔の形態で供給してもよい。この箔は、ロールから繰り出し、ナノセラミック層を形成するため電気分解チャンバーを通して連続的に輸送して、次いで第二のロール上へ巻き取ってもよい。こうして、ナノセラミック層の形成は、ロールツーロール機構で行ってもよい。

更なる側面において、本発明は、上記の任意の側面によるＦＥＳを取り入れた又は取り付けた装置を提供してもよい。本発明のＦＥＳは従来技術のＦＥＳと比較して優れた誘電特性及び熱伝導率特性を有し、本発明のＦＥＳに取り付けられた装置は、ＦＥＳを通した装置の部品からの改善された熱転写のため、より効率的に作動してもよい。そのような熱転写は、ナノセラミック層をより薄くしつつ電気的絶縁を提供することを可能にするＦＥＳ上のナノセラミック層の改善された絶縁耐力と、材料の改善された熱伝導率との組合せによって達成されることがある。

ある用途にとって、多層構造を有するＦＥＳが有利であることが分かった。例えば、上記の任意の側面又は実施形態によるＦＥＳを形成して、このＦＥＳは、次に多層ＦＥＳの基材を形成してもよい。誘電材料及び関連する金属導電層の更なる一つ又は複数の層を、基材ＦＥＳの上に形成してもよい。

本明細書に記載のＦＥＳは、スクリーン、例えばＬＥＤスクリーン又はＬＣＤスクリーンを支持するための絶縁基板として特に使用してもよい。

本発明の好ましい実施形態
ここで、本発明の好ましい実施形態を以下の図面を参照しながら説明する。

図１は、金属層の片側に適用された誘電ナノセラミック層によって絶縁された金属層と、ナノセラミック層上に構築された電気回路とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。

図２は、金属層の両側に適用された誘電ナノセラミック層によって絶縁された金属層と、一方のナノセラミック層の上に構築された電気回路とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。

図３は、金属層の片側に適用された誘電ナノセラミック層によって絶縁された金属層と、ナノセラミック層の上に構築された電気回路とを含み、電気回路の領域は導電性バイアによって金属層に接続されている、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。

図４は、金属層の両側に適用された誘電ナノセラミック層によって絶縁された金属層と、両方のナノセラミック層上に構築された電気回路とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。

図１〜４は、本発明を実施しているＦＥＳの異なる構成の模式図である。すべてのＦＥＳは、金属層と、ナノセラミック層と、電気回路とを有する。金属層の厚みは１〜１０００マイクロメートルであってよく、この厚みはＦＥＳの要求、例えば熱容量及び耐熱性、最小曲げ半径、並びに機械的強度によって決定される。金属層を形成する金属は、電気化学的変換技術（例えば、その開示全体が取り入れられる国際公開第２０１２／１０７７５４号に記載されているようなもの）によって取り扱うことができ、金属層の表面上にナノ結晶質の金属酸化物（ナノセラミック）層を形成する材料の群に好ましくは属するべきであり、例を挙げれば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ベリリウム、又はこれらの金属のいずれかの合金若しくは金属間化合物である。ナノセラミック層の固有の特徴は高い柔軟性である。２ｍｍ程度の小さい半径に繰り返し曲げ、又は巻くことができる。ナノセラミック層の厚みは１〜５０マイクロメートルで変化してもよく、ナノセラミック層に求められる厚みは、電気的絶縁の要求、例えば必要な破壊電圧によって決定される。金属層上にナノセラミック層を形成する方法は上述した。一旦ナノセラミック層を金属層の表面上に形成したら、電気回路を、従来の方法、例えばスクリーン印刷、導電性インクプリント、無電解メタライゼーション、ガルバニックメタライゼーション、金属箔の接着結合、作製済みフレックス回路の結合、金属スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、及び物理蒸着（ＰＶＤ）メタライゼーションによって、ナノセラミック層の表面上に構築してもよい。

図１は、金属層１１の片側に形成された誘電ナノセラミック層１２によって絶縁されたフレキシブル金属層１１を含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。ナノセラミック層１２の上に電気回路１３が構築されている。金属層は、厚み３００マイクロメートルの純粋な工業用等級（９９％）のアルミニウム層１１である。ナノセラミックコーティングは、上記の通り、コロイド状電解質中での金属層の電気化学的酸化を使用して形成した。ナノセラミック層の厚みは１２マイクロメートルであった。

ナノセラミック層の破壊電圧を測定したとろ４００Ｖ ＤＣであった。半径が減少する一連の棒の周辺に繰り返し曲げることによって、ＦＥＳの曲げ半径を決定した。最小曲げ半径は８ｍｍであった。

電気回路１３を、フォトレジストマスクによる金属スパッタリングを使用して作製した。Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｕ系を適用した。この系はナノセラミック層に高密着性を提供し、高電気伝導度、はんだ可能であり、ワイヤ接合可能である。図１のＦＥＳは、完全に無機材料から形成されており、３００℃より高い温度に耐えることができる。Ａｌ金属層は２００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有し、ナノセラミック層は４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。ＦＥＳの全体的な耐熱性は０．０４Ｃｃｍ^２／Ｗであった。

このＦＥＳは、厚み３００マイクロメートルの基板で０．１５Ｃｃｍ^２／Ｗの熱インピーダンスを有する固体Ａｌ_２Ｏ_３セラミック層でできた非有機ＤＢＣ（ダイレクトボンド銅（direct bonded copper））基板よりも３倍低い耐熱性を提供する。ＦＥＳは、固体セラミックの脆性に悩まされることなく、必要に応じて３Ｄ装置の形状、例えば円筒形に適合するよう曲げることができる。図１のＦＥＳは、熱電装置を支持するために用いることができる。

図２は、ナノセラミック層２２がフレキシブル金属層２１の両側に適用され、全体的な電気的絶縁性を提供している、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。電気回路２３は基板の片側に構築されている。図２のＦＥＳは、熱管理を必要とするフレキシブルディスプレイの用途に適することがある。フレキシブル金属層２１は、ＡＡ８０１４等級のＡｌのアルミニウム箔であり、厚み５０マイクロメートルである。金属層２１の両側に（上記の方法を使用して）ナノセラミック層２２を形成し、層厚は１０マイクロメートルであった。

測定すると、ナノセラミック層は３００Ｖ ＤＣの電気絶縁性を提供したことが分かった。図２のＦＥＳは、高い柔軟性を有することが分かった。４ｍｍ程度の小さい半径に繰り返し曲げ、又は巻くことができた。

ナノセラミックの表面上に、インクジェットプリンタを使用して電気回路２３を印刷した。図２の完全に絶縁されたＡｌ箔基板のＦＥＳは、ロールツーロール印刷電子技術に適合することが分かった。

図３は、誘電ナノセラミック層３２で片側を絶縁されたフレキシブル金属層３１と、ナノセラミック層３２の表面上に構築された電気回路３３とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。電気回路３３の領域は、導電性バイア３４によって金属層３１に接続している。これらのバイアは、ＦＥＳによって支持された装置と金属層３１との間に熱的又は電気的接触を提供する。

図４は、誘電ナノセラミック層４２で両面が絶縁されたフレキシブル金属層４１と、ナノセラミック層４２の表面上に構築された電気回路４３、４４とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。そのようなＦＥＳを用いて、単一の誘電層を有するＦＥＳでは支持することができない高密度な電気的相互接続を支持してもよい。

図４は、誘電ナノセラミック層４２で両面が絶縁されたフレキシブル金属層４１と、ナノセラミック層４２の表面上に構築された電気回路４３、４４とを含む、本発明を実施しているＦＥＳの側面図である。そのようなＦＥＳを用いて、単一の誘電層を有するＦＥＳでは支持することができない高密度な電気的相互接続を支持してもよい。以下、本発明の実施形態の例を列記する。
〔１〕
金属層と、
前記金属層の表面の酸化によって少なくとも部分的に形成された誘電ナノセラミック層と、
前記誘電層の表面に形成された電気回路と
を含む、フレキシブル電子基板（ＦＥＳ）であって、
前記誘電ナノセラミック層は、平均粒径１００ナノメートル以下の実質的に等軸の粒からなる結晶構造を有し、厚さが１マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、絶縁耐力が２０ＫＶｍｍ ^−１ 超であり、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ超であり、
前記ＦＥＳの最小曲げ半径は２５ｃｍ未満である、ＦＥＳ。
〔２〕
前記金属層の厚さが、５マイクロメートル〜２０００マイクロメートル、好ましくは１０マイクロメートル〜５００マイクロメートル、又は２０マイクロメートル〜２００マイクロメートルである、項目１に記載のＦＥＳ。
〔３〕
最小曲げ半径が１５ｃｍ未満、又は１０ｃｍ未満である、項目１又は２に記載のＦＥＳ。
〔４〕
厚さが１０マイクロメートル〜５００マイクロメートルであり、最小曲げ半径が２０ｍｍ未満、例えば１０ｍｍ未満、又は５ｍｍ未満、例えば２ｍｍ〜５ｍｍである、項目１〜３のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔５〕
前記電気回路の部品と前記金属層とを接続する導電性バイアを含む、項目１〜４のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔６〕
第一の誘電ナノセラミック層が前記金属層の第一の表面上に形成され、第二の誘電ナノセラミック層が前記金属層の第二の表面上に形成された、項目１〜５のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔７〕
第一の電気回路が前記第一の誘電ナノセラミック層の表面上に形成され、第二の電気回路が前記第二の誘電ナノセラミック層の表面上に形成された、項目８に記載のＦＥＳ。
〔８〕
前記金属層が、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、及びベリリウム、又はこれらの金属のいずれかの合金若しくは金属間化合物からなる群から選択される材料である、項目１〜７のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔９〕
完全に無機材料で形成された、項目１〜８のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１０〕
最大作動温度が２００℃より高い、例えば２５０℃より高い、好ましくは３００℃より高い、項目１〜９のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１１〕
前記ナノセラミックコーティングの誘電率が７超である、項目１〜１０のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１２〕
前記誘電ナノセラミック層の厚みが２０マイクロメートル未満、例えば１０マイクロメートル未満である、項目１〜１１のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１３〕
前記誘電ナノセラミックコーティングが、アルカリ性コロイド状電解質中での前記金属層の電気化学的酸化によって形成された、項目１〜１２のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１４〕
前記誘電ナノセラミック層が、アルカリ性水性電解質中での前記金属層の表面のスパークを伴わない酸化によって少なくとも部分的に形成された、項目１〜１３のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１５〕
前記誘電ナノセラミック層は、直径が１マイクロメートルより大きく平均孔径が５００ナノメートルより小さい細孔を実質的に有しない、項目１〜１４のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１６〕
スクリーン印刷、導電性インクプリント、無電解メタライゼーション、ガルバニックメタライゼーション、金属箔の接着結合、作製済みフレックス回路の結合、金属スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、及び物理蒸着（ＰＶＤ）メタライゼーションからなる群から選択される方法によって前記電気回路が形成された、項目１〜１５のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１７〕
前記誘電ナノセラミック層の少なくとも一部が、有機又は非有機材料、例えばポリイミド、メタクリレート、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、又はゾル−ゲル材料で含浸された、項目１〜１６のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１８〕
配置された保護コーティング層を更に含む、項目１〜１７のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔１９〕
電子装置、フレキシブルディスプレイ、ＯＬＥＤ、電池、光電子装置、ＲＦ装置、熱電装置、マイクロ波装置、及び電気装置からなる群から選択される一つ又は複数の装置を支持するための、項目１〜１８のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
〔２０〕
項目１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法であって、方法は、
水性アルカリ性電解質及び電極を含む電気分解チャンバー内にフレキシブル金属シートを配置することであって、前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面及び前記電極の一部は前記水性電解質に接触しており、少なくとも一つの表面に関して前記フレキシブル金属シートの少なくとも一部に張力がかけられている、ことと、
前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面を前記電極に対して電気的に付勢することによって誘電ナノセラミック層を形成することであって、前記金属シートの前記少なくとも一つの表面は、０．１〜２０ＫＨｚのパルス反復周波数で交替する両極性の一連の電圧パルスによって付勢されており、正の電圧パルスは定電位的に制御され、負の電圧パルスは定電流的に制御されている、ことと、
前記電気分解チャンバーから前記誘電ナノセラミック層を有する前記フレキシブル金属シートを取り出すことと、
前記誘電ナノセラミック層の表面上に電気回路を形成することと
を含む、方法。
〔２１〕
前記フレキシブル金属シートが第一の材料のロールの形態で供給され、前記第一の材料のロールから繰り出される前記フレキシブル金属シートの一部は、少なくとも一つの表面上に形成された前記誘電ナノセラミック層を有し、前記誘電ナノセラミック層で覆われた前記フレキシブル金属シートを第二の材料のロールへ巻回する、項目２０に記載のＦＥＳを形成する方法。
〔２２〕
前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面上に前記誘電ナノセラミック層を形成する工程がロールツーロール処理を含む、項目２０又は２１に記載のＦＥＳを形成する方法。
〔２３〕
前記基板が水性コロイド状電解質と接触している間に前記ナノセラミックコーティングが電解酸化処理によって部分的に形成され、前記コロイド状電解質内に分散したコロイド粒子が前記ナノセラミックコーティング内に取り入れられる、項目２０〜２２のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
〔２４〕
マイクロスパークの放出を回避するよう前記電圧パルスを制御する、項目２０〜２３のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
〔２５〕
前記正の電圧パルス及び前記負の電圧パルスの両方が実質的に台形の形状である、項目２０〜２４のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
〔２６〕
項目１〜２２のいずれか一項に記載のＦＥＳの表面上に形成されたＲＦ部品及び回路を含む装置であって、前記装置は、高Ｑインプット／アウトプット伝送路と、ＲＦデカップリング及びマッチング回路とを含む、装置。
〔２７〕
項目１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを取り入れた又は取り付けた、装置。
〔２８〕
項目１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを取り入れた、ＬＣＤ又はＬＥＤスクリーン。
〔２９〕
項目１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを含む、多層基板。

Claims (29)

1. 金属層と、
   前記金属層の表面の酸化によって少なくとも部分的に形成された誘電ナノセラミック層と、
   前記誘電層の表面に形成された電気回路と
   を含む、フレキシブル電子基板（ＦＥＳ）であって、
   前記誘電ナノセラミック層は、平均粒径１００ナノメートル以下の実質的に等軸の粒からなる結晶構造を有し、厚さが１マイクロメートル〜５０マイクロメートルであり、絶縁耐力が２０ＫＶｍｍ^−１超であり、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ超であり、
   前記ＦＥＳの最小曲げ半径は２５ｃｍ未満である、ＦＥＳ。
2. 前記金属層の厚さが、５マイクロメートル〜２０００マイクロメートル、好ましくは１０マイクロメートル〜５００マイクロメートル、又は２０マイクロメートル〜２００マイクロメートルである、請求項１に記載のＦＥＳ。
3. 最小曲げ半径が１５ｃｍ未満、又は１０ｃｍ未満である、請求項１又は２に記載のＦＥＳ。
4. 厚さが１０マイクロメートル〜５００マイクロメートルであり、最小曲げ半径が２０ｍｍ未満、例えば１０ｍｍ未満、又は５ｍｍ未満、例えば２ｍｍ〜５ｍｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
5. 前記電気回路の部品と前記金属層とを接続する導電性バイアを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
6. 第一の誘電ナノセラミック層が前記金属層の第一の表面上に形成され、第二の誘電ナノセラミック層が前記金属層の第二の表面上に形成された、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
7. 第一の電気回路が前記第一の誘電ナノセラミック層の表面上に形成され、第二の電気回路が前記第二の誘電ナノセラミック層の表面上に形成された、請求項８に記載のＦＥＳ。
8. 前記金属層が、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、タンタル、及びベリリウム、又はこれらの金属のいずれかの合金若しくは金属間化合物からなる群から選択される材料である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
9. 完全に無機材料で形成された、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
10. 最大作動温度が２００℃より高い、例えば２５０℃より高い、好ましくは３００℃より高い、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
11. 前記ナノセラミックコーティングの誘電率が７超である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
12. 前記誘電ナノセラミック層の厚みが２０マイクロメートル未満、例えば１０マイクロメートル未満である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
13. 前記誘電ナノセラミックコーティングが、アルカリ性コロイド状電解質中での前記金属層の電気化学的酸化によって形成された、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
14. 前記誘電ナノセラミック層が、アルカリ性水性電解質中での前記金属層の表面のスパークを伴わない酸化によって少なくとも部分的に形成された、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
15. 前記誘電ナノセラミック層は、直径が１マイクロメートルより大きく平均孔径が５００ナノメートルより小さい細孔を実質的に有しない、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
16. スクリーン印刷、導電性インクプリント、無電解メタライゼーション、ガルバニックメタライゼーション、金属箔の接着結合、作製済みフレックス回路の結合、金属スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、及び物理蒸着（ＰＶＤ）メタライゼーションからなる群から選択される方法によって前記電気回路が形成された、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
17. 前記誘電ナノセラミック層の少なくとも一部が、有機又は非有機材料、例えばポリイミド、メタクリレート、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、又はゾル−ゲル材料で含浸された、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
18. 配置された保護コーティング層を更に含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
19. 電子装置、フレキシブルディスプレイ、ＯＬＥＤ、電池、光電子装置、ＲＦ装置、熱電装置、マイクロ波装置、及び電気装置からなる群から選択される一つ又は複数の装置を支持するための、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のＦＥＳ。
20. 請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法であって、方法は、
    水性アルカリ性電解質及び電極を含む電気分解チャンバー内にフレキシブル金属シートを配置することであって、前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面及び前記電極の一部は前記水性電解質に接触しており、少なくとも一つの表面に関して前記フレキシブル金属シートの少なくとも一部に張力がかけられている、ことと、
    前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面を前記電極に対して電気的に付勢することによって誘電ナノセラミック層を形成することであって、前記金属シートの前記少なくとも一つの表面は、０．１〜２０ＫＨｚのパルス反復周波数で交替する両極性の一連の電圧パルスによって付勢されており、正の電圧パルスは定電位的に制御され、負の電圧パルスは定電流的に制御されている、ことと、
    前記電気分解チャンバーから前記誘電ナノセラミック層を有する前記フレキシブル金属シートを取り出すことと、
    前記誘電ナノセラミック層の表面上に電気回路を形成することと
    を含む、方法。
21. 前記フレキシブル金属シートが第一の材料のロールの形態で供給され、前記第一の材料のロールから繰り出される前記フレキシブル金属シートの一部は、少なくとも一つの表面上に形成された前記誘電ナノセラミック層を有し、前記誘電ナノセラミック層で覆われた前記フレキシブル金属シートを第二の材料のロールへ巻回する、請求項２０に記載のＦＥＳを形成する方法。
22. 前記フレキシブル金属シートの少なくとも一つの表面上に前記誘電ナノセラミック層を形成する工程がロールツーロール処理を含む、請求項２０又は２１に記載のＦＥＳを形成する方法。
23. 前記基板が水性コロイド状電解質と接触している間に前記ナノセラミックコーティングが電解酸化処理によって部分的に形成され、前記コロイド状電解質内に分散したコロイド粒子が前記ナノセラミックコーティング内に取り入れられる、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
24. マイクロスパークの放出を回避するよう前記電圧パルスを制御する、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
25. 前記正の電圧パルス及び前記負の電圧パルスの両方が実質的に台形の形状である、請求項２０〜２４のいずれか一項に記載のＦＥＳを形成する方法。
26. 請求項１〜２２のいずれか一項に記載のＦＥＳの表面上に形成されたＲＦ部品及び回路を含む装置であって、前記装置は、高Ｑインプット／アウトプット伝送路と、ＲＦデカップリング及びマッチング回路とを含む、装置。
27. 請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを取り入れた又は取り付けた、装置。
28. 請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを取り入れた、ＬＣＤ又はＬＥＤスクリーン。
29. 請求項１〜１９のいずれか一項に記載のＦＥＳを含む、多層基板。

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