JP2019123882A

JP2019123882A - 高透過性基材のための伸縮性ポリマー厚膜銀導体

Info

Publication number: JP2019123882A
Application number: JP2019058760A
Authority: JP
Inventors: スティーブンクライツァーマーク; Steven Critzer Mark; ロバートドーフマンジェイ; Jay R Dorfman
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: CN105745719B; WO2015073654A1; JP6535000B2; CN105745719A; US20150137048A1; EP3072136A1; JP2017505984A; US9253883B2; EP3072136B1; JP6772326B2

Abstract

【課題】本発明の目的の１つは、ポリアミドでコートされた織ポリエステルのような基材上で使用することができる導電性、伸縮構造体を製造することである。【解決手段】本発明は、ポリマー厚膜導体組成物に関する。ポリマー厚膜（ＰＴＦ）導体組成物は、特に高透過性基材上の、著しい伸長が必要とされる用途において使用されてもよい。適している特定のタイプの基材は、ポリアミドでコートされた織ポリエステルである。組成物から形成される導体を含有する電気回路およびこのような回路を製造する方法が提供される。【選択図】なし

Description

本発明は、特に高透過性基材上の、著しい伸長が必要とされる用途において使用されてもよいポリマー厚膜（ＰＴＦ）導体組成物に関する。適している特定のタイプの基材は、ポリアミドでコートされた織ポリエステルである。
本出願は、特願２０１６−５３２１００号に基づく分割出願である。

導電性ＰＴＦ回路は長い間、電気素子として使用されている。それらはこれらのタイプの用途において何年もの間使用されているが、衣類などの高伸縮用途でのＰＴＦ銀導体の使用は一般的ではない。このような用途において、伸長可能で且つ複数の洗浄／乾燥サイクルに供することができ、導電率をさらに維持できることは重要である。このタイプの用途に使用される透過性基材の一つは、ポリアミドでコートされた織ポリエステル、例えば、ＤｙｎｉｃＣｏｒｐ．から入手可能なＣｅｔｕｓ（登録商標）ＯＳ５０００Ｕである。銀ＰＴＦ導体組成物はこの基材に適合しなければならない。本発明の目的の１つは、これらの問題に対処することおよび印刷された銀導体をこのような基材上で使用することができる導電性、伸縮構造体を製造することである。

本発明は、
（ａ）３０〜７０重量％の銀フレークと、
（ｂ）第１の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ウレタン樹脂を含む２０〜５０重量％の第１の有機媒体であって、
熱可塑性ウレタン樹脂の重量パーセント（重量％）が有機媒体の全重量に基づいている第１の有機媒体と、および、
（ｃ）第２の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂を含む５〜２０重量％の第２の有機媒体であって、熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂の重量パーセントが有機媒体の全重量に基づいている第２の有機媒体と、を含むポリマー厚膜導体組成物に関し、第１の有機媒体の重量の、第２の有機媒体の重量に対する比が約３：１であり、銀フレーク、第１の有機媒体および第２の有機媒体の重量パーセントがポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づいている。

本発明はさらに、高伸縮性導電性組成物を使用して、特に衣類用の、透過性基材上の導電性電気回路を形成することに関する。

したがって本発明は、
（ａ）３０〜７０重量％の銀フレークと、
（ｂ）第１の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ウレタン樹脂を含む２０〜５０重量％の第１の有機媒体であって、熱可塑性ウレタン樹脂の重量パーセント（重量％）が有機媒体の全重量に基づいている第１の有機媒体と、および、
（ｃ）第２の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂を含む５〜２０重量％の第２の有機媒体であって、熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂の重量パーセントが有機媒体の全重量に基づいている第２の有機媒体と、を含むポリマー厚膜導体組成物から形成される導体を含む電気回路を提供し、
ここで第１の有機媒体の重量の、第２の有機媒体の重量に対する比が約３：１であり、銀フレーク、第１の有機媒体および第２の有機媒体の重量パーセントがポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づいており、組成物が乾燥されて透過性基材上に導体を形成する。

また、本発明は、
（ａ）透過性基材を提供する工程と、
（ｂ）
（ｉ）３０〜７０重量％の銀フレークと、
（ｉｉ）第１の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ウレタン樹脂を含む２０〜５０重量％の第１の有機媒体であって、熱可塑性ウレタン樹脂の重量パーセント（重量％）が有機媒体の全重量に基づいている第１の有機媒体と、
（ｉｉｉ）第２の有機溶剤に溶解された１０〜５０重量％の熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂を含む５〜２０重量％の第２の有機媒体であって、熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂の重量パーセントが有機媒体の全重量に基づいている第２の有機媒体と、を含むポリマー厚膜導体組成物を提供する工程において、
第１の有機媒体の重量の、第２の有機媒体の重量に対する比が約３：１であり、銀フレーク、第１の有機媒体および第２の有機媒体の重量パーセントがポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づいている、工程と、
（ｃ）前記ポリマー厚膜導体組成物を前記透過性基材上に堆積させる工程と、ならびに、
（ｄ）工程（ｃ）において堆積させられたポリマー厚膜導体組成物を乾燥させて透過性基材上に導体を形成する工程とを含む、厚膜導体組成物から形成される導体を含む電気回路を製造するための方法を提供する。

本発明は、電気回路そして、特に、高伸縮性の変形される回路において使用するためのポリマー厚膜導体組成物に関する。導体の層を印刷して基材上で乾燥させて機能回路を製造し、次に、布が受ける典型的な曲げ／折り目つけに回路全体を供する。さらに、布に典型的であるように、それらは定期的に洗浄／乾燥されなければならず、導体の導電率は維持されなければならない。

ポリマー厚膜回路において一般的に使用される基材はポリエステル（ＰＥＴ）およびポリカーボネートである。しかしながら、それらは、透過性でないのでここでは使用できない。コーテッド織物、ポリオレフィン、および紙のような透過性基材を使用することができる。１つの特定の基材、ポリアミドでコートされた織ポリエステル、例えば、ＤｙｎｉｃＣｏｒｐ．から入手可能なＣｅｔｕｓ（登録商標）ＯＳ５０００Ｕはすぐれた結果をもたらすことが見出された。

ポリマー厚膜（ＰＴＦ）導体組成物は、（ａ）銀フレーク、（ｂ）第１の有機溶剤に溶解された第１のポリマー樹脂を含む第１の有機媒体および（ｃ）第２の有機溶剤に溶解された第２のポリマー樹脂を含有する第２の有機媒体からなるが、ただし、第１の媒体の重量の、第２の媒体の重量に対する比が約３：１であることを条件とする。さらに、粉末および印刷助剤を添加して組成物を改良してもよく、付加的な溶剤を添加して粘度を調節してもよい。

Ａ．導電性粉末
実施形態において、本厚膜組成物中の導電性粉末はＡｇ導体粉末であり、Ａｇ金属粉末、Ａｇ金属粉末の合金、またはそれらの混合物を含んでもよい。金属粉末の様々な粒径および形状が考えられる。実施形態において、導電性粉末は、球状粒子、フレーク（棒、円錐、板）、およびそれらの混合物などの任意の形状の銀粉末を含有してもよい。一実施形態において、導電性粉末は銀フレークから構成される。

実施形態において、導電性粉末の粒度分布は１〜１００ミクロン、さらなる実施形態において、２〜１０ミクロンであってもよい。

実施形態において、銀粒子の表面積／重量比は０．１〜１．０ｍ²／ｇの範囲であってもよい。

さらに、少量の他の金属を銀導体組成物に添加して導体の性質を改良してもよいことは公知である。このような金属のいくつかの例には、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、インジウム、ランタン、ガドリニウム、ホウ素、ルテニウム、コバルト、チタン、イットリウム、ユウロピウム、ガリウム、硫黄、亜鉛、シリコン、マグネシウム、バリウム、セリウム、ストロンチウム、鉛、アンチモン、導電性炭素、およびそれらの組合せの他、厚膜組成物の技術分野において一般的なその他の金属が含まれる。付加的な金属は全組成物の約１．０重量パーセントまで占めてもよい。

一実施形態において、銀フレークは、組成物の全重量の３０〜７０ｗｔ％において存在する。別の実施形態において、銀フレークは、組成物の全重量の４５〜５５ｗｔ％において存在する。

Ｂ．有機媒体
第１の有機媒体は、第１の有機溶剤中に溶解された熱可塑性ウレタン樹脂からなる。ウレタン樹脂は、下にある基材に対する十分な接着性を達成しなければならない。それは、変形および洗浄／乾燥サイクル後に回路の性能に適合しなければならず、それに悪影響を与えてはならない。

一実施形態において熱可塑性ウレタン樹脂は、第１の有機媒体の全重量の１０〜５０重量％である。別の実施形態において熱可塑性ウレタン樹脂は第１の有機媒体の全重量の１５〜４５重量％であり、さらに別の実施形態において熱可塑性ウレタン樹脂は第１の有機媒体の全重量の１５〜２８重量％である。一実施形態において弾性ウレタン樹脂はウレタンホモポリマーである。弾性ウレタン樹脂は直鎖ヒドロキシルポリウレタンであり得る。別の実施形態においてウレタン樹脂はポリエステル系コポリマーである。

第２の有機媒体は、第２の有機溶剤に溶解された熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂からなる。第１の有機媒体に使用される同じ溶剤が第２の有機媒体に使用され得るということに留意しなければならない。しかしながら、異なった溶剤も使用することができる。一実施形態において熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂は第２の有機媒体の全重量の１０〜５０重量％である。別の実施形態において熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂は有機媒体の全重量の１５〜４５重量％であり、さらに別の実施形態において熱可塑性樹脂は第２の有機媒体の全重量の２０〜３５重量％である。

典型的にポリマー樹脂を機械混合によって有機溶剤に添加して媒体を形成する。ポリマー厚膜組成物に使用するために適した溶剤は当業者によって認識され、例えばカルビトールアセテートおよびアルファ−またはベータ−テルピネオールなどのアセテートおよびテルペン、または例えばケロシン、ジブチルフタレート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコールおよび高沸点アルコールおよびアルコールエステルなどの他の溶剤とのそれらの混合物などが含まれる。さらに、基材上に適用後に急速な硬化を促進するための揮発性液体が含有されてもよい。本発明の多くの実施形態において、グリコールエーテル、ケトン、エステルなどの溶剤および同様な沸点（すなわち、１８０℃〜２５０℃の範囲）のその他の溶剤、およびそれらの混合物を用いてもよい。これらとその他の溶剤との様々な組合せを配合して望ましい粘度および揮発性の要求条件を得る。使用された溶剤は、樹脂を可溶化しなければならない。

ポリマー厚膜導体組成物の銀フレーク含有量が３０〜７０重量％であるとき、２０〜４５重量％の第１の有機媒体および５〜２０重量％の第２の有機媒体がある。ポリマー厚膜導体組成物の銀フレーク含有量が４５〜５５重量％であるとき、３０〜４０重量％の第１の有機媒体および１０〜１５重量％の第２の有機媒体がある。

第１の媒体の、第２の媒体に対する比
第１の（ウレタン系）有機媒体の重量の、第２の（ポリヒドロキシエーテル）有機媒体の重量に対する比は、透過性基材上のポリマー厚膜導体組成物の使用には重要である。最適な比は約３：１、すなわち、２．３〜３．７の範囲である。比がこの範囲外であるとき、組成物は、この組成物に重要である曲げおよび洗浄／乾燥サイクルに対してそれほど安定しておらず、より高い抵抗率が観察される。

付加的な粉末
様々な粉末をＰＴＦ導体組成物に添加して接着性を改善し、レオロジーを改良し、低剪断粘度を増加させ、それによって印刷適性を改善することができる。

ＰＴＦ導体組成物の適用
「ペースト」とも称されるＰＴＦ導体組成物は典型的に、ガスおよび湿分に対して透過性である例えばＣｅｔｕｓ（登録商標）ＯＳ５０００Ｕなどの基材上に堆積される。また、基材は、プラスチックシートとその上に堆積された透過性コーティングとの組合せから構成された複合材料のシートであり得る。

ＰＴＦ導体組成物の堆積は典型的にスクリーン印刷によって行われるが、ステンシル印刷、シリンジ分配またはコーティング技術などの他の堆積技術を利用することができる。スクリーン印刷の場合、スクリーンのメッシュサイズが堆積された厚膜の厚さを制御する。

一般に、厚膜組成物は、適切な電気的機能性を組成物に与える機能相を含む。機能相は、機能相のためのキャリアとして作用する有機媒体中に分散された電気的機能性粉末を含む。一般に、組成物を焼成して有機媒体からポリマーと溶剤との両方を焼尽させ、電気的機能性を与える。しかしながら、ポリマー厚膜の場合、有機媒体のポリマー部分は、乾燥後に組成物の一体部分として残る。

堆積されたＰＴＦ導体組成物は、全ての溶剤を除去するために必要な時間および温度において加工される。例えば、堆積された厚膜は、典型的に１０〜１５分間１４０℃の熱暴露によって乾燥される。

回路構造体
使用される基材は典型的に、ポリアミドがコートされた織ポリエステル、例えば、厚さ１０８ミクロンのＣｅｔｕｓ（登録商標）ＯＳ５０００Ｕである。上に記載された条件の通りに導体を印刷し、乾燥させる。いくつかの層を印刷し、乾燥させることができる。ユニット全体の洗浄／乾燥サイクルを含んでもよい後続の工程は、これらのウェアラブル／伸縮性回路の製造において典型的である。

実施例および比較実験
実施例１
ＰＴＦ導体組成物を以下の方法で調製した。第１の有機媒体は、２０．０重量％のＤｅｓｍｏｃｏｌｌ５４０軟質直鎖ヒドロキシルポリウレタン（ＢａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅＬＬＣ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡ）と８０．０重量％の二塩基酸エステル（ＤｕＰｏｎｔＣｏ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）有機溶剤とを混合することによって調製された。樹脂の分子量は約２０，０００であった。この混合物を９０℃で１〜２時間にわたって加熱して全ての樹脂を溶解した。第１の有機媒体３４．５０重量％を組成物中で使用した。約５ミクロンの平均粒度を有するフレーク銀粉末４７．００重量％を第１の有機媒体に添加した。また、印刷添加剤（０．２５重量％）をこの混合物に添加した。第２の有機媒体を調製するために、上記のように２７．０重量％のポリヒドロキシエーテル樹脂ＰＫＨＨ（ＰｈｅｎｏｘｙＡｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．）と７３．０重量％の二塩基酸エステルとを混合／加熱した。１２．７５重量％の第２の有機媒体を混合物に添加した。薄くするために５．５重量％の二塩基酸エステルを混合物に添加した。全ての重量％は、組成物の全重量に基づいている。

この組成物を３０分間にわたって遊星形ミキサーで混合し、次に、三本ロールミルに数回送った。

次に、回路を以下のように製造した。一連の相互にかみ合わせた銀線のパターンを２８０メッシュステンレス鋼スクリーンを使用して厚さ１０８ミクロンのＣｅｔｕｓ（登録商標）ＯＳ５０００Ｕ（ＤｙｎｉｃＣｏｒｐ．）基材上に印刷した。パターン化された線を強制空気箱形炉内で１４０℃で１０分間にわたって乾燥させた。１５ｍｏｈｍ／ｓｑ／ｍｉｌの正規化抵抗率が観察された。

比較実験Ａ
ちょうど実施例１に記載したように回路を製造した。唯一の違いは、使用される基材が厚さ５ｍｉｌのポリエステルであることであった。銀組成物の計算された抵抗率は９６ｍｏｈｍ／ｓｑ／ｍｉｌであった。

比較実験Ｂ
ちょうど実施例１に記載したように回路を製造した。唯一の違いは、使用された導電性組成物が逆比率の媒体を含有することであった。すなわち、第１の有機（ウレタン）媒体の重量の、第２の有機（ポリヒドロキシエーテル）媒体の重量に対する比が１：３であった。性能データについては以下の表を参照のこと。

実施例１に見ることができるように、約３：１の比のウレタンおよびポリヒドロキシエーテル樹脂の使用は明らかに、良い抵抗率の結果を示す。比較実験Ａに見ることができるように、異なった基材、すなわち、ポリエステルの使用は、組成物の導電性を低くした（９６対１５ｍｏｈｍ／ｓｑ／ｍｉｌ）。２つの媒体の比の重要性は、比率を逆にすることが抵抗率に大きな悪影響を有する比較実験Ｂに見ることができる。

Claims

（ａ）３０〜７０重量％の銀フレークと、
（ｂ）第１の有機溶剤に溶解された１５〜２８重量％の熱可塑性ウレタン樹脂を含む２０〜５０重量％の第１の有機媒体であって、
前記熱可塑性ウレタン樹脂の前記重量パーセント（重量％）が前記有機媒体の全重量に基づいている第１の有機媒体と、および、
（ｃ）第２の有機溶剤に溶解された２０〜３５重量％の熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂を含む５〜２０重量％の第２の有機媒体であって、
前記熱可塑性ポリヒドロキシエーテル樹脂の前記重量パーセントが前記有機媒体の全重量に基づいている第２の有機媒体と、
を含む、ポリアミドでコートされた織ポリエステルの基材に使用するためのポリマー厚膜導体組成物であって、
前記第１の有機媒体の重量の、前記第２の有機媒体の重量に対する比が２．３〜３．７の範囲であり、
前記銀フレーク、前記第１の有機媒体および前記第２の有機媒体の前記重量パーセントがポリマー厚膜導電性組成物の全重量に基づいている、
ポリマー厚膜導体組成物。
前記熱可塑性ウレタン樹脂が直鎖ヒドロキシルポリウレタンまたはポリエステル系コポリマーである、請求項１に記載のポリマー厚膜導体組成物。