JP2017538247A - 熱成形可能な導電性インクおよびコーティングならびに熱成形デバイスの製造プロセス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プリンテッドエレクトロニクスデバイスおよび熱成形エレクトロニクスデバイスに好適する熱成形可能なインクおよびコーティングに関する。熱成形は、真空熱成形またはインモールディング(例えば、インモールド加飾デバイス(IMD)またはインモールドエレクトロニクスデバイス(IME)用のプロセス)などの任意の好適なプロセスによるものであってよい。プリンテッドエレクトロニクス熱成形デバイスは、例えば、自動車用コンソール、対話型アプライアンスパネル、静電容量式および抵抗式スイッチ装置、遮蔽装置、無線周波数認識装置、ライトアセンブリ、および多くのその他の用途に使用することができる。プリンテッドエレクトロニクス熱成形デバイスに使用することができる熱成形可能な導電性インクおよびコーティングが提供される。これらの導電性インクおよびコーティングは、多層インクまたはコーティングを使って印刷されたプリンテッドエレクトロニクスデバイスの1つまたは複数の印刷層(印刷積層アレイ)としての使用に好適する。本発明はまた、プリンテッドエレクトロニクス熱成形デバイスの製造方法にも関する。
a)ビニル樹脂;ビニル樹脂とポリウレタン樹脂とのブレンド;ビニル樹脂と、ポリウレタン樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂組成物とのブレンド;ビニル樹脂とポリエステル樹脂とのブレンド;ポリエステル樹脂;コポリエステル樹脂;芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂組成物;ポリエステル樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性組成物とのブレンド;ビニル樹脂と、ポリエステル樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂とのブレンド;脂肪族モノマーを含むカチオン性樹脂;およびカチオン性樹脂と溶媒系樹脂とのブレンド、からなる群より選択されるポリマー樹脂;および
b)導電性金属粉末、を含み、
該インクまたはコーティングは、熱成形可能な導電性インクまたはコーティングである。
本出願では、単数形の使用は、特に断りのない限り、複数形を含む。本明細書で使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈上で別義が明示されない限り、複数形も同様に包含することが意図されている。
本発明の配合導電性インクは、これを使用してインモールド(IMD)エレクトロニクスのプロセス内で完全に機能的複合エレクトロニクスデバイスを作り出ことができるように設計されており、フィルムインサート成形としても知られている。このプロセスでは、導電性および誘電体層の印刷により、単独部品として、インモールド加飾設計のシステムまたはIMDの一部として、マークおよびグラフィック加飾と組み合わせた静電容量式スイッチおよびその他の電子部品の実現を可能とする。層化された、印刷熱成形およびインモールドデバイスの形成の成功は、熱成形およびインモールドデバイスを作成する印刷可能流体材料要求に関連する理由で、今日まで実際に実現するのは極めて困難であった。この困難さは、一部は、熱成形後に印刷導電性回路の導電性の維持ができないことに起因し、このことにより、回路に加わった歪みの処理を必要とし、回路の延伸を実現する必要が生じる可能性がある。別の難しさは、乾燥インク間の不十分な相溶性に関連し、これが、延伸後のクラック発生、層間剥離、および導電性の低下に繋がる。導電性、グラフィック、および誘電性流体は、印刷層の積層体の過酷な熱成形およびインモールディングに耐えるように充分に設計されていないために、その他の不首尾、およびその他のデバイス性能の低下は、不十分な耐熱性による成形プロセス中のウォッシュアウトに由来する。例えば、グラフィックおよび絶縁層の機能性印刷層の延伸特性または収縮の不適合は、クラック発生および層間剥離を起こす可能性がある。隣接層と導電性印刷回路との干渉により、印刷回路の急激な抵抗率の増加が生じる場合がある。融解プラスチックを使った射出成形プロセスは、印刷層のウォッシュアウトを生じることがあり、この場合、印刷物は融解し、融解プラスチックの熱と圧力下で基材から流れ出る。
好ましい加飾またはグラフィック層インクは、ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリウレタンを含むものである(例えば、米国特許第7,763,670号に記載インクなど)。しかし、当業者によく知られているスクリーン印刷、パッド印刷、フレキソ印刷、リソグラフィー、インクジェット、ゼログラフィー、またはグラビア印刷などのプロセスにより印刷可能なその他の加飾インクも同様に本発明で有用である。
導電層は、機能性部品の電子回路を形成するために使用される。導電性インクは、熱成形可能なグラフィックインクを配合するのに使用されるのと類似のエネルギー硬化性樹脂系をベースにしてよい。5〜30ミクロンの範囲のインクフィルムを付着させるスクリーン印刷などのような、肉厚層の導電性インクが使用される場合には、高金属含量により、十分な全体硬化を行うのが困難になる可能性がある。しかし、本発明のUV硬化性またはエネルギー硬化性導電性インクは、引き続いて行われる加熱により後硬化を可能とするように配合される。UV硬化性樹脂を導電性インクとして使用するための提案された方法は、理論的により高い処理能力であり、ベルト乾燥、ボックスオーブン乾燥、およびUV硬化を伴うスクリーン印刷を使った生産設備として使われる装置が既に定着しているという商業上の利点を提供する。あるいは、Sun Chemicalの米国特許第8,709,288号および同第8,709,289号に記載のように、導電性インクは水系インクであってよい。当業者によく知られた、銀、銅、または炭素を含むその他の導電性インクを採用してもよい。前記インクは、限定されないが、スクリーン印刷、パッド印刷、フレキソ印刷、リソグラフィー、インクジェット、ゼログラフィー、またはグラビア印刷などの様々な技術によって印刷可能であり得る。
絶縁または誘電体層は、グラフィック第1下層、ならびに導電性第2下層と適合性があるように配合された印刷可能流体である。第2層導電性インクは、第1層の全印刷領域に対し部分的にのみ被覆すればよいので、第3印刷層は、グラフィック印刷および乾燥層、ならびに後続する印刷層の印刷および乾燥導電性回路と、および非印刷基材とも適合性がある必要がある。多くの領域では、絶縁層は、グラフィック印刷層、および非印刷基材、ならびに導電性印刷回路層と直接接触することになる。
図5は、インモールドエレクトロニクスインクの配合時に使用される、シート抵抗の大きな増加を生じないで、より高い割合の延伸性を許容する2種の異なるポリエステルの通常とは異なる性質を示す。それらの配合物中にこれらのポリエステルを含むインクは、図中で中抜き記号で表される。ビニル−ポリウレタン配合物ベースのインクは、中実記号で表される。
以下の実施例は、本発明の特定の態様を例示するものであり、どのような観点からも、本発明の範囲を限定する意図はなく、また、そのように解釈されるべきではない。
グラフィックインク:第1下層グラフィックインク(Sun Chemicalの米国特許第7,763,670号に記載のようなポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリウレタンを含む)を、10ミル(254μm)または15ミル(381μm)厚さのポリカーボネート基材(Curbell Plasticsから入手したBayer Makrofol DEフィルム)上に印刷した。グラフィックインクを全面ベタパターンとしてスクリーン印刷し、水銀蒸気ランプを備えたUV放射線硬化ユニットを使って、合計約750mJ/cm2に曝露して硬化した。
熱成形:印刷したポリカーボネートシートを熱成形ユニット(この実施例ではFormech300XQ真空成形ユニット)中で上向きに配置することにより、印刷インクを熱成形した。ユニットを閉じて、印刷したシートを内側に、セラミックヒーターを印刷したシート上面に向けて約1分間押しつけて、ポリカーボネートを軟化点まで加熱した。加熱時間の終わりに、モールドツールを支持する昇降台を上昇させて加熱したシートに接触させると同時に、真空を適用した。昇降台は、所望の形状の加熱成形ツールを含み、このツールをポリカーボネートシートの下部に押しつけて、印刷ポリカーボネートシートを3次元形状構造物に熱成形し、その結果として、印刷抵抗体を延伸させ得る(図1〜4)。その後、昇降台を元の位置に下げて、熱成形したシートから成形ツールを取り外した。次に、形成したシートをユニットから取り出し、冷却させた。
抵抗率(mΩ/□/ミル)=[(Ω測定)(d測定)/(600スクエア)(25.4)]x1000
式中、
(Ω測定)=印刷した600スクエア抵抗体パターンの測定オーム値
(d測定)=ミクロン単位で測定した印刷フィルム厚
25.4は、ミクロンからミルへの換算因子
1000は、オームからミリオームへの換算因子
不十分:5%延伸未満でクラック発生
可:クラック発生なしに5%〜10%延伸
良:クラック発生なしに11%〜24%延伸
優:クラック発生なしに25%〜39%延伸
秀:クラック発生なしに40%以上の延伸
不十分:射出成形後に、印刷物のかなりの部分(印刷回路の10%以上の領域)が不鮮明になるもしくは流れる、または約0.5mm以上位置がずれる。
可:射出成形後に、印刷線がわずかに移動。線のわずかな移動は、細密検査で見ることが可能な印刷回路の小さい移動として定義され、元の印刷位置から約0.5mm以下の範囲である。
秀:射出成形後、全領域で全印刷線が無傷である
材料
(1)イソボルニルアクリレート中のIRR538(Cytec);
(2)Estane5703(Lubrizol);
(3)Cyracure6105(Dow Chemical);
(4)ポリブタジエンジメタクリレート、CN303(Sartomer);
(5)Vikoflex7170(Arkema);
(6)ビニルターポリマー樹脂UMOH(Wuxi);
(7)Vylon103(Toyobo);
(8)Dynapol L208(Evonik);
(9)Epon1009F(Hexion);
(10)PKHHフェノキシ樹脂(In Chem);
(11)Irgacure819(Ciba);
(12)Irgacure184(Ciba);
(13)Darocure TPO(Ciba);
(14)Omnicat BL550光開始剤(IGM Resins);
(15)Genorad16(Rahn);
(16)AF9000消泡剤(Momentive);
(17)Foamblast UVD(Emerald Performance Materials);
(18)Byk E410(Altana);
(19)Disperbyk108(Altana);
(20)Byk361N(Altana);
(21)Tyzor AA−75(Brenntag Specialties);
(22)SF29(Ames Advanced Materials);
(23)SF11(Ames Goldsmith);および
(24)SF3(Ames Goldsmith)。
表1の配合に従って、エネルギー硬化性およびハイブリッドエネルギー硬化性/溶媒系導電性インクを調製した。実施例1は、結合剤としてUV硬化性樹脂のみを含む比較用のインクである。実施例2〜5は、熱成形可能なハイブリッド(フリーラジカル)エネルギー硬化性/溶媒系バインダーである。実施例6〜7は、カチオン性エネルギー硬化性樹脂を含むインクである。
表3の配合に従って、溶媒系導電性インクを調製した。実施例8〜10は、本発明に従って製造される熱成形可能な導電性インクであり、実施例11〜13は、比較用の導電性インクである。
Claims (50)
- インクまたはコーティング組成物であって、
a)ビニル樹脂;ビニル樹脂とポリウレタン樹脂とのブレンド;ビニル樹脂と、ポリウレタン樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂組成物とのブレンド;ビニル樹脂とポリエステル樹脂とのブレンド;ポリエステル樹脂;コポリエステル樹脂;芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂組成物;ポリエステル樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性組成物とのブレンド;ビニル樹脂と、ポリエステル樹脂と、芳香族または脂肪族ポリカーボネート骨格を有するアクリル化ポリマーまたはオリゴマーを含むエネルギー硬化性樹脂とのブレンド;脂肪族モノマーを含むカチオン性樹脂;およびカチオン性樹脂と溶媒系樹脂とのブレンド、からなる群より選択されるポリマー樹脂;および
b)導電性金属粉末、を含み、
熱成形可能な導電性インクまたはコーティングである、インクまたはコーティング組成物。 - 前記ポリマー樹脂が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、0.5重量%〜50重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリマー樹脂が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、1重量%〜20重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリマー樹脂が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、2重量%〜10重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性金属粉末が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、25重量%〜75重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性金属粉末が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、30重量%〜70重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性金属粉末が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、45重量%〜65重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性金属粉末が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、40重量%〜55重量%の量で存在する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性金属粉末が、銀、銅、金、銀コート銅、バイメタル粉末、黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェン、その他の炭素同素体、その他の金属または金属酸化物、およびこれらのブレンドから選択される、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記導電性粉末が、球状の粒子、フレーク、ロッド、ワイヤー、ナノ粒子、またはこれらの組み合わせである、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂がホモポリマー、コポリマー、またはターポリマーであり、前記ポリウレタン樹脂がホモポリマー、コポリマー、またはポリウレタン樹脂のブレンドであり、および前記ポリエステル樹脂がホモポリマーまたはコポリマーである、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が、ヒドロキシル、カルボキシル、またはエポキシ官能化樹脂である、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が、可塑剤をさらに含む、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が、30℃〜120℃のガラス転移温度を有する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が、50℃〜90℃のガラス転移温度を有する、請求項15に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリウレタン樹脂が、−60℃〜75℃のガラス転移温度を有する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリウレタン樹脂が、−40℃〜−20℃のガラス転移温度を有する、請求項17に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリエステル樹脂が、30℃〜80℃のガラス転移温度を有する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリエステル樹脂が、40℃〜70℃のガラス転移温度を有する、請求項18に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリエステル樹脂が、10,000〜100,000の平均分子量、2〜10mgKOH/gのヒドロキシル価、および40℃〜80℃のガラス転移温度を有する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリエステル樹脂が、15,000〜36,000の平均分子量、3〜7mgKOH/gのヒドロキシル価、および42℃〜75℃のガラス転移温度を有する、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- エネルギー硬化性モノマーまたはオリゴマーをさらに含む、請求項1〜21のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- 前記エネルギー硬化性モノマーまたはオリゴマーが、前記ポリマー樹脂の総重量を基準にして、1重量%〜80重量%の量で存在する、請求項22に記載のインクまたはコーティング。
- 前記エネルギー硬化性モノマーまたはオリゴマーが、前記ポリマー樹脂の総重量を基準にして、25重量%〜75重量%の量で存在する、請求項22に記載のインクまたはコーティング。
- 前記エネルギー硬化性モノマーまたはオリゴマーが、前記ポリマー樹脂の総重量を基準にして、5重量%〜10重量%の量で存在する、請求項22に記載のインクまたはコーティング。
- 前記エネルギー硬化性モノマーまたはオリゴマーが、ポリカーボネート骨格を含むアクリル化ポリウレタンである、請求項22〜25のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリマー樹脂が、ビニル樹脂とポリウレタン樹脂とのブレンドである、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、0.5重量%〜15重量%の量で存在し、前記ポリウレタン樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、2重量%〜15重量%の量で存在する、請求項27に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、2重量%〜4.5重量%の量で存在し、前記ポリウレタン樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、7.5重量%〜11.5重量%の量で存在する、請求項27に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリマー樹脂が、ポリエステル樹脂である、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリマー樹脂が、ビニル樹脂とポリエステル樹脂とのブレンドである、請求項1に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、1重量%〜40重量%の量で存在し、前記ポリエステル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、0.5重量%〜30重量%の量で存在する、請求項31に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ビニル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、8重量%〜12重量%の量で存在し、前記ポリエステル樹脂が前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、1重量%〜5重量%の量で存在する、請求項31に記載のインクまたはコーティング。
- 前記ポリエステル樹脂が、非晶質直鎖ポリエステルである、請求項30〜33のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- 1種または複数の溶媒、分散剤、界面活性剤、その他のレオロジー特性調節剤、光開始剤、アミン相乗剤、安定剤、脱泡剤、脱気剤、ワックス、着色剤、または光学的光沢剤をさらに含む、請求項1〜34のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- 前記分散剤が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、0.1重量%〜6重量%の量で存在する、請求項35に記載のインクまたはコーティング。
- 前記分散剤が、前記インクまたはコーティングの総重量を基準にして、0.25重量%〜3重量%の量で存在する、請求項35に記載のインクまたはコーティング。
- 溶媒系、水系、エネルギー硬化性、ハイブリッド溶媒系/エネルギー硬化性、またはハイブリッド水/エネルギー硬化性導電性インクである、請求項1〜37のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- フレキソ印刷、リソグラフィー、ゼログラフィー、グラビア、スクリーン印刷、インクジェット印刷、パッド印刷、またはスタンピング法に好適する請求項1〜38のいずれか1項に記載のインクまたはコーティング。
- 積層印刷アレイを含む熱成形可能なプリンテッドエレクトロニクスデバイスであって、前記積層印刷アレイの1つの印刷層が、請求項1〜39のいずれか1項に記載の熱成形可能な導電性インクまたはコーティングである、エレクトロニクスデバイス。
- 前記熱成形可能な導電性インクまたはコーティングの印刷層が、下層の印刷されたグラフィック層、および後続して印刷される機能層と適合性がある、請求項40に記載のエレクトロニクスデバイス。
- 前記後続して印刷される機能層が、絶縁層または誘電体層である、請求項41に記載のエレクトロニクスデバイス。
- 印刷積層アレイでの使用に適合性のある一連のインクまたはコーティングであって、請求項1〜39のいずれか1項に記載のグラフィックインクまたはコーティング、導電性インクまたはコーティング、および誘電体コーティングの内の1種または複数を含む、一連のインクまたはコーティング。
- a)前記グラフィックインクまたはコーティングが、ポリカーボネート骨格を有するエネルギー硬化性アクリル化ポリウレタンを含み、
b)前記導電性インクまたはコーティングが、ポリエステル樹脂、または熱硬化性ポリウレタン樹脂と混合したビニル樹脂、およびポリカーボネート骨格を有するエネルギー硬化性アクリル化ポリウレタンを含み、
c)前記誘電体層が、ポリカーボネート骨格を有するエネルギー硬化性アクリル化ポリウレタンを含む、請求項43に記載の一連の適合性のあるインクまたはコーティング。 - 機能性エレクトロニクスデバイス、熱成形部品、または熱成形機能性エレクトロニクスデバイスを製造するために使用することができる、請求項43または44のいずれか1項に記載の一連の適合性のあるインクまたはコーティング。
- 請求項43〜45のいずれか1項に記載の一連の適合性のあるインクまたはコーティングを使って形成されたプリンテッドエレクトロニクスデバイス。
- 請求項1〜39のいずれか1項に記載の導電性インク、および1種または複数のグラフィック印刷インクまたはコーティング、および誘電性インクまたはコーティングを使って、複数機能層を印刷することにより形成されたプリンテッドエレクトロニクスデバイスであって、1つの層が溶媒系熱硬化性のインクまたはコーティングであり、および別の層がエネルギー硬化性インクまたはコーティングである、プリンテッドエレクトロニクスデバイス。
- 請求項1〜39のいずれか1項に記載の導電性インク、および1種または複数のグラフィック印刷インクまたはコーティング、および誘電性インクまたはコーティングを使って、複数機能層を印刷することにより形成されたプリンテッドエレクトロニクスデバイスであって、2つ以上の層がエネルギー硬化性インクまたはコーティングである、プリンテッドエレクトロニクスデバイス。
- グラフィックインクの印刷可能層、および請求項1〜39のいずれか1項に記載の導電性インクまたはコーティングの1つの層を含む熱成形可能なプリンテッドエレクトロニクスデバイス。
- グラフィックインクの印刷可能層、請求項1〜39のいずれか1項に記載の導電性インクまたはコーティング、および誘電体コーティングを含む熱成形可能なプリンテッドエレクトロニクスデバイス。
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