JP2023095877A - 導電性組成物およびそれを用いた導電体並びに積層構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
前記銀粉が、平均一次粒子径が1μm以下であり、且つみかけ空隙率が70~95%である第1の銀粉と、平均一次粒子径が1μm超であり、且つみかけ空隙率が70%未満である第2の銀粉とを含み、
前記第1の銀粉と前記第2の銀粉とが、質量基準において10:90~90:10の割合で含まれていることを特徴とするものである。
本発明の導電性組成物は、エラストマーに配合する導電性金属粉として、平均一次粒子径がサブミクロンオーダーの特定のみかけ空隙率を有する銀粉と、平均一次粒子径がミクロンオーダーの特定のみかけ空隙率を有する銀粉の2種を組み合わせて用いる。すなわち、本発明の導電性組成物は、銀粉として、平均一次粒子径が1μm以下であり、且つみかけ空隙率が70~95%である第1の銀粉と、平均一次粒子径が1μm超であり、且つみかけ空隙率が70%未満である第2の銀粉とを含むものである。このような2種の銀粉を特定の割合でエラストマー中に含有させることにより、伸張前の初期電気抵抗値が低く、且つ伸張時にも電気抵抗値の安定性に優れた導電性を有する導電体を得ることができる。このような本発明特有の効果が奏される詳細なメカニズムは明らかではないが、以下のように考えられる。
すなわち、サブミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉が上記のようなみかけ密度を有し、且つミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉が上記のようなみかけ密度を有することで、ミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉がサブミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉間の空隙に入り込み、銀粉どうしの接点を増加させ、さらに、ミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉の粒子径が1μm超であることから、サブミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉間の空隙には、ミクロンオーダーの粒子径を有する銀粉と共にエラストマーも入り込み易くなるためと考えられる。その結果、導電体自体の初期電気抵抗値(伸張前の初期電気抵抗値)を低くでき、さらに、伸張時にも電気抵抗値の安定性に優れた導電性を得ることができるものと考えられる。なお、本発明において、銀粉の平均一次粒子径とは、粉体状態にある銀粉を走査型電子顕微鏡にて10,000倍の倍率で観察し、ランダムに10個の一次粒子を抽出し、その粒子径を測定した際のそれらの粒子径の平均値を意味する。また、銀粉のみかけ空隙率は、銀粉の一次粒子が連結して適度な空隙が存在する凝集構造(二次粒子)の状態を表す指標となるものであり、以下のようにして測定することができる。
銀の密度をρ0(g/cm3)とし、
質量M(g)の銀粉に、1kg重の荷重をかけたときの銀粉体積をV(cm3)とした場合に、みかけ密度ρ(g/cm3)は、
ρ=M/V
と定義され、みかけ密度から、下記式によりみかけ空隙率(P)を算出することができる。
P=(1-ρ/ρ0)×100
なお、銀の密度ρ0は10.49g/cm3であり、1kg重荷重時の銀粉体積Vは、荷重を付加してから1時間経過した後の銀粉体積とする。
本発明による導電性組成物に含まれるエラストマーは、室温においてゴム弾性を有する材料であれば特に制限なく使用することができ、例えばゴム、熱可塑性エラストマー、官能基含有エラストマー、ブロック共重合体等を好適に使用することができる。
引っ張り破断伸び率(%)=(破断点伸び(mm)-初期寸法mm)/(初期寸法mm)×100
なお、本発明の導電性組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、エラストマー以外の熱可塑性樹脂等の他の有機バインダーを併用してもよい。
上述した導電性組成物は、固化させて導電体とすることができる。例えば、導電性組成物からなる塗布膜を形成し、乾燥、固化させることにより導電体の層とすることができる。導電性組成物の固化は、導電性組成物を乾燥または熱処理することで行われる。熱処理の例は、熱風乾燥または熱硬化である。熱処理に先立ち、成形を行ってもよい。例えば、導電体の層は、基材上に上記の導電性組成物を所望の形状となるように塗布した後、固化させることにより導電体の層を得ることができる。導電体の層は、使用される用途に応じた種々の形状であってよい。例えば、導体回路および配線などに好適に適用できる。
人間を含めた動植物から発生する活動電位/生体情報を取得/伝達する為に身に着けるウェアラブル生体センサー用配線材料として、本発明の導電体を適用することができる。センサーの装着箇所は、人間を含めた動植物の表層組織に密着ないしは近接する場所であることが必須となるが、表層組織は伸び縮みが発生する。従来の硬質基板やフレキシブル基板では、伸び縮みする装着箇所への追従性が無く、センサーの装着箇所も限定的となり、結果として得られる生体情報も限られていた。本発明の導電体によれば、人間を含めた動植物の表層組織にもセンサー用配線材料を適用できるため、伸び縮みが発生する箇所にも装着可能なウェアラブル生体センサーとすることができる。
近年、布帛生地をセンサーとして用いるいわゆる「スマートテキスタイル」という分野広がりを見せつつある。本発明の導電体を用いて伸縮性があり熱圧着等が可能な基材上に配線形成を行なった配線板ないしセンサーは、伸縮時での電気抵抗の安定性に優れているため、伸縮性を持つ布帛生地の表面に貼りつけることで、エレクトロニクス・デバイスの機能を持った布帛生地、すなわちスマートテキスタイルの開発が可能となる。スマートテキスタイルとしては、感圧センサーやタッチセンサー、アンテナ配線等の機能を布帛生地に付与することができる。
従来のFIM(フィルム・インサート・モールド成型)工法による電子機器の筐体等向けのプラスチック成型品では、ポリカーボネート等のプラスチックフィルムをベース基材とし、意匠印刷の後、熱プレス加工したものが採用されている。本発明の導電体を伸縮性の基材上に設けた積層構造体からなる導体配線は伸長時の断線が無く、抵抗値変化が抑制されている特性を持つため、プラスチック成型品の意匠印刷時に導体配線を形成し、その後の熱プレス(部分的に伸びが発生)による成型加工を行なうことで3D形状の配線を内蔵したエレクトロニクス・デバイスを実現することができる。
本発明の導電体の層を伸縮性の基材上に設けた積層構造体からなる導体配線は、伸縮変形可能な配線板シートとして利用することができる。例えば、このような導体配線を成型加工品などの立体的形状を持つ対象物の表面へ、配線の断線を発生させること無く、伸張ないし変形させながら対象物に貼りつけることが可能となる。したがって、本発明の導電体の層を伸縮性の基材上に設けた積層構造体は、感圧センサーやタッチセンサー、またはアンテナ配線用として好適に利用することができる。
従来の導電性ペーストを使ったフレキシブル配線シートないし配線基板では、爪折りという極端な折り曲げを行なった際、配線の断線が発生するという事象が発生する。この点本発明の導電体を使用した場合、伸び特性を持たせた導電材料であることから、これまでの導電ペーストでは対応仕切れなかった領域の折り曲げ性にも対応することができ、爪折り時でも、配線の断線は発生しないフレキシブル配線シートないし配線基板を実現することができる。
導電性組成物を調製するための銀粉として、以下の4種の銀粉を準備した。
銀粉A:平均一次粒子径0.3μm、みかけ空隙率が92%の銀粉であって、リノレン酸で表面処理が施されたもの。
銀粉B:平均一次粒子径0.5μm、みかけ空隙率が83%の銀粉であって、リノレン酸で表面処理が施されたもの。
銀粉C:平均一次粒子径1.4μm、みかけ空隙率が46%の銀粉であって、リノレン酸で表面処理が施されたもの。
銀粉:平均一次粒子径1.4μm、みかけ空隙率が69%の銀粉であって、リノレン酸で表面処理が施されたもの。
また、各銀粉のみかけ空隙率Pは以下のようにして算出した。すなわち、銀粉を円筒状の容器に充填し、容器を数回振動させて第1の銀粉または第2の銀粉の上面が一定の高さになるまで銀粉を補充し、容器に充填された銀粉の量をM(g)とし、容器内径にあわせた外径を有する円柱を用いて銀粉の上面に1kg重の荷重をかけ、1時間放置した後の銀粉の体積(円筒状容器の底面積と、容器底から銀粉の上面までの高さの積)をV(cm3)として、ρ=M/Vで定義されるみかけ密度ρ(g/cm3)を算出し、銀の真密度ρ0(10.49g/cm3)を用いて、下記式:
P=(1-ρ/ρ0)×100
で表される銀粉のみかけ空隙率P(%)を算出した。
導電性組成物を調製するためのエラストマーとして、以下の2種を準備した。また、比較のため非エラストマーとしてポリエステルを準備した。
・エラストマーA(クラレ株式会社製、LA2330)
・エラストマーB(クラレ株式会社製、LA2250)
・ポリエステルC(東洋紡株式会社製、バイロン290)
上記したエラストマーAおよびBについては、エラストマーをジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテートに溶解させて、固形分50質量%となるように樹脂溶液を調製した。また、ポリエステルCについては、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテートに溶解させて、固形分30質量%となるように樹脂溶液を調製した。
(1)比抵抗の測定
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して導電体を得た。基材としては、PETフィルムを使用した。得られた導電体の両端の抵抗値を4端子法で測定し、さらに線幅、線長および厚さを測定し、比抵抗(体積抵抗率)を求め、以下の評価基準に基づいて、導電体の伸張時の導電性を評価した。
○:比抵抗が1×10-4Ω・cm以下
×:比抵抗が1×10-4Ω・cm超
結果は表1に示されるとおりであった。
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して、線幅1mm、厚さ20μm、長さ40mmの導電体を基材上に形成した。基材としては、ウレタンフィルム(武田産業株式会社製、TG88-I、厚さ70μm)を使用した。導電体を5mm/秒の速度で所定の伸張度となるまで伸張した後、その状態で15秒保持し導電体の比抵抗(体積抵抗率)を測定し、以下の評価基準に基づいて、導電体の伸張時の導電性を評価した。
◎:10%伸張時の体積抵抗率が1.0×E-04Ω・cm以下
○:5%伸張時の体積抵抗率が1.0×E-04Ω・cm以下
×:5%伸張時の体積抵抗率が1.0×E-04Ω・cm超
評価結果は下記表1に示されるとおりであった。
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して、線幅1mm、厚さ20μm、長さ40mmの導電体を基材上に形成した。基材としては、ウレタンフィルム(武田産業株式会社製、TG88-I、厚さ70μm)を使用した。0%の非伸縮状態から50%の伸縮を700秒かけて100往復繰り返し、断線の有無を評価した。評価結果は下記表1に示されるとおりであった。
Claims (7)
- エラストマーと銀粉とを含む導電性組成物であって、
前記銀粉が、導電性組成物として調製される前の平均一次粒子径が1μm以下であり、且つみかけ空隙率が70~95%である第1の銀粉と、導電性組成物として調製される前の平均一次粒子径が1μm超であり、且つみかけ空隙率が70%未満である第2の銀粉とを含み、
前記第1の銀粉と前記第2の銀粉とが、質量基準において10:90~90:10の割合で含まれ、
前記エラストマーがブロック共重合体であることを特徴とする、導電性組成物。 - 前記銀粉が、導電性組成物全体に対して固形分量で60~95質量%含まれる、請求項1に記載の導電性組成物。
- 前記エラストマーが、メチル(メタ)アクリレート単位およびスチレン単位からなる群より選択されるハードセグメントと、n-ブチルアクリレートおよびブタジエン単位からなる群より選択されるソフトセグメントとを有するブロック共重合体である、請求項1または2に記載の導電性組成物。
- 前記ブロック共重合体において、前記ハードセグメントと前記ソフトセグメントとの比率が20:80~50:50の範囲である、請求項3に記載の導電性組成物。
- 請求項1~4のいずれか一項に記載の導電性組成物を固化させてなることを特徴とする、導電体。
- 基材上に、請求項5に記載の導電体の層を有することを特徴とする、積層構造体。
- 請求項5に記載の導電体の層または請求項6に記載の積層構造体を備えてなることを特徴とする、電子部品。
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