JP2023115123A - 印刷可能なエレクトロニクスの性能を向上させる物品及び基材 - Google Patents

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Abstract

【課題】印刷品質を向上させることができるポリマー基材フィルムの提供。【解決手段】a)熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステルおよび熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択されるポリマーから形成される、熱可塑性エラストマーポリマーフィルムと、b)ポリマーフィルムの片面上の熱可塑性エラストマーコーティングであって、熱可塑性エラストマーコーティングはポリウレタンであり、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている、熱可塑性エラストマーコーティングと、c)コーティングに堆積された弾性導電体と、を含む物品。【選択図】なし

Description

本発明は、ポリマー基材において印刷可能なエレクトロニクスの性能を向上させる基材及びこれらの基材を利用する物品に関する。特に、向上した基材は、ポリマーフィルム及びそれらに印刷された導電体に関する。これらの物品は、顕著な伸張が必要とされる用途、例えば着用可能な衣類において使用されることができる。
印刷可能なエレクトロニクス用の導電性及び誘電性インクは、それらが印刷される基材に敏感である。表面平滑性、表面エネルギー及びインク溶媒との基材の適合性は全て、印刷した状態の回路材料の導電性又は絶縁挙動に影響を及ぼす可能性がある。又、それらは、印刷されたエレクトロニクスの接着性及び洗浄堅牢性を損なう可能性がある。
ポリマー基材フィルムにおける印刷品質を向上させる必要性が存在する。
本発明は、導電体を含む物品を提供し、この物品は、
a)エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムと、
b)ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている、ポリマーフィルムの片面におけるエラストマー又は熱可塑性エラストマーコーティングと、
c)コーティングに堆積された弾性導電体と、を含む。
上記物品の一実施形態においては、熱可塑性エラストマーポリマーフィルムのポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステル、及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択され、熱可塑性エラストマーコーティングは、水系熱可塑性ウレタン分散液から形成された熱可塑性ウレタンコーティングである。
一実施形態においては、コーティングのないポリマーフィルムの面を、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シリコーン処理紙、ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムに接着する。
又、本発明は、印刷された電気回路を含む物品を調製するための方法を提供し、この方法は、
a)エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムを提供する工程と、
b)エラストマー又は熱可塑性エラストマーの溶媒溶液又は水系分散液を使用してポリマーフィルムの片面にコーティングを堆積させる工程であって、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在する工程と、
c)コーティングに弾性導電性インクを堆積させ、弾性導電性インクを乾燥させて印刷された回路を形成する工程と、を含む。
更に、本発明は、印刷された電気回路を含む物品を調製するための方法を提供し、この方法は、
a)ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムを提供する工程と、
b)エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムの片面を担体フィルムに取り付ける工程と、
c)エラストマー又は熱可塑性エラストマーの溶媒溶液又は水系分散液を使用してポリマーフィルムの反対側にコーティングを堆積させる工程であって、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在する工程と、
d)弾性導電性インクをコーティングに堆積させ、弾性導電性インクを乾燥させて印刷された回路を形成する工程と、を含む。
一実施形態においては、上記方法は更に、
e)ポリマーフィルムから担体を除去する工程を含む。
又、本発明は、
a)エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムと、
b)ポリマーフィルムの片面にエラストマー又は熱可塑性エラストマーコーティングと、を含む複合基材を提供し、この場合に、
ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている。
上記複合基材の一実施形態においては、熱可塑性エラストマーポリマーフィルムのポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステル及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択される。
一実施形態においては、本発明は、
a)ポリマーが、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステル及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択されるポリマーフィルムと、
b)ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのポリウレタンコーティングが存在し、ポリウレタンコーティングは水系ポリウレタン分散液から形成されている、ポリマーフィルムの片面におけるポリウレタンコーティングと、を含む複合基材を提供する。
別の実施形態においては、本発明は、
a)ポリマーが、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステル及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択されるポリマーフィルムと、
b)ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのポリウレタンコーティングが存在し、ポリウレタンコーティングは有機溶媒系ポリウレタン溶液から形成されている、ポリマーフィルムの片面におけるポリウレタンコーティングと、を含む複合基材を提供する。
上記の物品、方法及び基材のいくつかの実施形態においては、ポリマーフィルムは、コーティングの堆積前にコロナ又はプラズマ処理に供されている。
未処理の熱可塑性ポリウレタンフィルム基材に印刷され硬化された銀ペーストのストリップを示す。 本発明の複合処理基材、即ち、水系ポリウレタン分散液から形成されたポリウレタンコーティングを有する熱可塑性ポリウレタンフィルムに印刷され硬化された銀のストリップを示す。 それぞれの0%~40%~0%の歪みサイクルにおける未処理及び処理された基材にスクリーン印刷された銀導体の最大抵抗を、その後の伸張サイクル数の関数として示す。 それぞれの0%~40%~0%の歪みサイクルにおける未処理及び処理された基材にスクリーン印刷された銀導体の最小抵抗を、その後の伸張サイクル数の関数として示す。
本発明は、向上した電気特性を有する導電体又は電気回路を含む物品、及びこれらの向上を可能にする複合基材に関する。これらの物品及び基材は、様々な用途に使用することができるが、機能性回路が布地に生成される用途、例えば着用可能な衣類などの伸縮性回路に特に有用である。導電体の層は、機能性回路を生じるように基材に印刷及び乾燥され、次いで、全体の回路は、布地が受けることになる典型的な曲げ/折り目を受ける。更に、布地に典型的であるように、これらは定期的に洗浄及び乾燥されなければならず、導電体の導電性及び完全性が維持されなければならない。
本発明は、熱可塑性及び弾性フィルム基材の3つの欠点を克服する。これは、基材においてエレクトロニクスを印刷するために使用されるインク中の溶媒による基材への損傷を低減又は排除する。これは、耐久性及び洗浄能力に影響を与える基材への印刷されたエレクトロニクスの接着性を向上させる。更にこれは表面粗さを減少させる。
基材におけるエレクトロニクスの印刷の前にポリマーフィルム基材への薄いポリマーコーティングの塗布は、未処理ポリマーフィルム基材の所望の機械的及び熱的バルク特性を維持しながら、エレクトロニクスを印刷するためのインクにより適合する表面を有する複合基材をもたらす。
複合基材は、エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルム、及びポリマーフィルムの片面にエラストマー又は熱可塑性エラストマーコーティングを含み、この場合に、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている。本明細書で使用される場合、「処理された基材」、「処理された表面」、又は「処理された」は全て、「複合基材」を指し、「未処理基材」、「未処理表面」、又は「未処理」は全て、エラストマー又は熱可塑性エラストマーコーティングを有さない基材を指す。
一実施形態においては、複合基材は、ポリマーが熱可塑性ポリウレタン(TPU)、熱可塑性ポリエステル及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択されるポリマーフィルムと、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのポリウレタンコーティングが存在し、ポリウレタンコーティングは水系ポリウレタン分散液から形成されている、ポリマーフィルムの片面におけるポリウレタンコーティングとを含む。
ポリマーフィルムのためのポリマーの1つは、Covestro,Pittsburgh,PAから入手可能なCovestro PT6410S、及びBemis Associates,Inc.,Shirley,MAから入手可能なBemis ST-604などの熱可塑性ポリウレタン(TPU)である。別のポリマーは、DuPont Co.,Wilmington,DEから入手可能なデュポン(商標)Hytrel(登録商標)などの熱可塑性ポリエステルである。
コーティングは、コーティングが塗布されるポリマーフィルムの弾性特性と同様の弾性特性を有するポリマーコーティングである。ポリマーフィルム表面の濡れを改善するためにコロナ又はプラズマ処理の直後に塗布することができ、或いはポリマーフィルム表面のコロナ又はプラズマの予備調整なしに塗布することができる。コーティングは、水系ポリマー分散液又は溶媒系ポリマー溶液から形成することができる。ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在する。コーティングは、ポリマーフィルムに応じて120~250℃の温度で硬化する。
複合基材の一実施形態においては、コーティングされていないポリマーフィルムの面が、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シリコーン処理紙、ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー、又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムに接着されている。担体フィルムは、ポリマーフィルムを機械的に支持し、取り扱いを容易にする。約0.003インチ(80μm)未満の厚さのポリマーフィルムを使用するとき、これは特に重要である。ポリマーフィルムを担体に接着するのに使用される接着剤は、電気回路又は導体が複合基材に形成された後に担体を除去できるようなものでなければならない。
本発明は、エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルム、ポリマーフィルムの片面におけるエラストマー又は熱可塑性エラストマーコーティングを含む物品を提供し、この場合に、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、コーティングは、溶媒溶液又は水系分散液、及びコーティングに堆積した弾性導電体から形成されている。
導電体又は回路が複合基材のコーティングに対して堆積される。典型的には、この回路は、インク又はペーストと呼ばれるポリマー厚膜銀導体組成物を使用して塗布される。ポリマー厚膜銀導体組成物の有機媒体のポリマー部分は、乾燥後に導体組成物の不可欠な部分として残る。本明細書においては、回路及び導体は、コーティングにおいて堆積され形成される導電性の実体を説明するために互換的に使用される。コーティングされていないポリマーフィルムにおけるものに対する複合基材における導体の向上した印刷適性は、複合基材における低い印刷した状態の抵抗率、並びにインク溶媒によるポリマーフィルムの化学的攻撃に関連した溶媒膨潤又は表面膨れの欠如によって実証される。
ポリマー厚膜銀インクの印刷された導体は、ポリウレタンでコーティングされたDuPont(商標)Hytrel(登録商標)3078の複合基材に印刷した場合、DuPont(商標)Hytrel(登録商標)3078に直接印刷したものと比べて40%から70%もの抵抗率の減少を示した。印刷されたインクの単一コーティングの抵抗率は、複合基材に印刷された導体に対して安定していたが、Hytrel(登録商標)3078に直接印刷されたものは、2回又は3回のコーティングを施すまで不安定な抵抗率を示した。更に、複合基材ではインク溶媒による損傷の証拠はなかった。膨潤又は腫れは観察されなかった。
ポリマー厚膜銀インクは、TPU Covestro PT6410Sに直接良好に印刷されなかった。ポリウレタンでコーティングされたCovestro PT6410Sの複合基材に印刷された場合、その抵抗は、Covestro PT6410Sに直接印刷されたものと比較して70%低下した。
実施例及び比較実験
実施例1及び比較実験A
実施例1では、低粘着性接着剤を使用して2ミルのDuPont(商標)Hytrel(登録商標)3078 TPC-ETのフィルムをPET担体に載せた。DuPont(商標)Hytrel(登録商標)フィルムの露出面を、5kw/cm2のコロナ処理にかけ、水系分散液を使用して、ドローバーを使用しDuPont(商標)Hytrel(登録商標)フィルム1平方メートル当たり4gのコーティングの割合でポリウレタンコーティングを塗布した。コーティングを80℃~110℃で30秒間硬化させた。DuPont(商標)PE873導電性弾性銀ペーストを処理された表面にスクリーン印刷し、130℃で15分間硬化させた。厚さと抵抗を測定し、抵抗率は33ミリオーム/平方/ミルと計算された。
未処理のDuPont(商標)Hytrel(登録商標)フィルムを使用した、即ちコロナ処理もポリウレタンコーティングもしなかったこと以外、実施例1に記載したように比較実験Aを実施した。未処理のDuPont(商標)Hytrel(登録商標)3078に印刷された同じ銀ペーストスクリーンの抵抗率は、65ミリオーム/平方/ミルであった。
実施例2及び比較実験B
実施例2では、デュロメータ74A、及び融点150℃のエステル系高伸張回復熱可塑性ポリウレタンの1ミルのフィルムを、3ミルの溶融接着剤を用いてポリプロピレン担体に載せた。ポリウレタンフィルムの露出表面を、5kw/cm2のコロナ処理にかけ、水系分散液を用いて、ロールツーロールプロセスにおいてポリウレタンフィルム平方メートル当り1gのコーティングの割合でポリウレタンコーティングを塗布した。コーティングを80℃~110℃で30秒間硬化させた。DuPont(商標)PE873導電性弾性銀ペーストを、処理された表面に対してスクリーン印刷し、130℃で15分間硬化させた。厚さと抵抗を測定し、抵抗率は22ミリオーム/平方/ミルと計算された。
未処理ポリウレタンフィルムを使用した、即ちコロナ処理もポリウレタンコーティングもしなかったこと以外、実施例2に記載したように比較実験Bを実施した。未処理ポリウレタンに印刷された同じ銀ペーストスクリーンの抵抗率は、51ミリオーム/平方/ミルであった。
実施例3及び比較実験C
実施例3では、デュロメータ71A、及び最低軟化点140℃のエーテル系高伸張回復熱可塑性ポリウレタンの3ミルのフィルムを、1ミルの溶融接着剤を用いてシリコーン処理紙担体に載せた。ポリウレタンフィルムの露出表面を、5kw/cm2のコロナ処理にかけ、水系分散液を用いて、ロールツーロールプロセスにおいてポリウレタンフィルム平方メートル当り1gのコーティングの割合でポリウレタンコーティングを塗布した。コーティングを80℃~110℃で30秒間硬化させた。DuPont(商標)PE873導電性弾性銀ペーストを、処理された表面に対してスクリーン印刷し、130℃で15分間硬化させた。厚さと抵抗を測定し、抵抗率は58ミリオーム/平方/ミルと計算された。
未処理ポリウレタンフィルムを使用した、即ちコロナ処理もポリウレタンコーティングもしなかったこと以外、実施例3に記載したように比較実験Cを実施した。又、未処理ポリウレタンに印刷された同じ銀ペーストスクリーンの抵抗率は、58ミリオーム/平方/ミルであった。しかしながら、未処理フィルムに印刷された部品の18%が、開回路として抵抗試験に不合格であった。処理されたフィルムは、不良部分を生じなかった。図1Aに見られるように、未処理ポリウレタン1は、多数のピンホール欠陥3を含む銀プリント2を有する。明確にするために、このようなピンホールは2つだけ示されているが、その他の多数のピンホールが明らかである。図1Bに見られるように、処理されたポリウレタン11は、より均一な銀被覆を示す銀プリントを有する。
実施例4及び比較例D
実施例4では、デュロメータ74A、及び融点150℃のエステル系高伸張回復熱可塑性ポリウレタンの1ミルのフィルムを、3ミルの溶融接着剤を用いてポリプロピレン担体に載せた。ポリウレタンフィルムの露出表面を、5kw/cm2のコロナ処理にかけ、水系分散液を用いて、ロールツーロールプロセスにおいてポリウレタンフィルム平方メートル当り1gのコーティングの割合でポリウレタンコーティングを塗布した。コーティングを80℃~110℃で30秒間硬化させた。DuPont(商標)PE873導電性弾性銀ペーストを、処理された表面に対してスクリーン印刷し、130℃で15分間硬化させた。6インチゲージ長の銀プリントを、20インチ/分の速度で300回、0%~40%の歪みで繰り返し伸張した。試験片の抵抗は、伸張中連続的に四探針法により測定した。それぞれの0%~40%~0%サイクルにおける最大抵抗と最小抵抗を記録した。
未処理ポリウレタンフィルムを使用した、即ちコロナ処理もポリウレタンコーティングもしなかったこと以外、実施例4に記載したように比較実験Dを実施した。銀プリントを処理された表面のものと同じ歪み手順及び抵抗測定にかけた。
処理された表面の銀と未処理表面の銀に対するそれぞれの歪みサイクルにおける最大抵抗と最小抵抗を図2及び図3に示す。最大抵抗は、未処理表面の銀よりも処理された表面の銀の方がサイクル数と共によりゆっくり増加する。それぞれのサイクルにおける最小抵抗も、未処理試料とは異なり、処理された試料においてよりゆっくり増加し、処理された試料の抵抗は100オーム未満の抵抗に回復する。

Claims (11)

  1. a) 熱可塑性エラストマーポリマーフィルムであって、前記熱可塑性エラストマーポリマーフィルムのポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステルおよび熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択される、熱可塑性エラストマーポリマーフィルムと、
    b) 前記ポリマーフィルムの片面上の熱可塑性エラストマーコーティングであって、前記熱可塑性エラストマーコーティングはポリウレタンであり、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、前記コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている、熱可塑性エラストマーコーティングと、
    c) 前記コーティングに堆積された弾性導電体と、
    を含む物品。
  2. 前記弾性導電体は、ポリマー厚膜銀ペーストから形成されている、請求項1に記載の物品。
  3. 前記コーティングのない前記ポリマーフィルムの面が、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シリコーン処理紙、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムに接着されている、請求項1に記載の物品。
  4. 前記熱可塑性エラストマーコーティングは、前記ポリマーフィルムの片面の実質的に全面に配置される、請求項1に記載の物品。
  5. 印刷された電気回路を含む物品を調製するための方法であって、
    a) 熱可塑性エラストマーポリマーフィルムを提供する工程と、
    b) エラストマー又は熱可塑性エラストマーの溶媒溶液又は水系分散液を使用して前記ポリマーフィルムにコーティングを堆積させる工程であって、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在する工程と、
    c) 前記コーティングに弾性導電性インクを堆積させ、前記弾性導電性インクを乾燥させて前記印刷された回路を形成する工程と、
    を含む方法。
  6. 前記熱可塑性エラストマーポリマーのポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステル、及び熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択され、前記熱可塑性エラストマーコーティングは、水系熱可塑性ポリウレタン分散液から形成された熱可塑性ポリウレタンコーティングであり、前記ポリマーフィルムは、工程b)の前にコロナ又はプラズマ処理を受ける、請求項5に記載の方法。
  7. ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シリコーン処理紙、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムを提供する工程と、
    前記コーティングのない前記エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムの面を前記担体フィルムに取り付ける工程と、
    を更に含む、請求項5に記載の方法。
  8. 前記コーティングを、前記フィルムの片面の実質的に全面に堆積させる、請求項5に記載の方法。
  9. a) エラストマー又は熱可塑性エラストマーポリマーフィルムであって、前記熱可塑性エラストマーポリマーフィルムのポリマーは、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性ポリエステルおよび熱可塑性ポリエーテルからなる群から選択される、熱可塑性エラストマーポリマーフィルムと、
    b) 前記ポリマーフィルムの片面上の熱可塑性エラストマーコーティングであって、前記熱可塑性エラストマーコーティングはポリウレタンであり、ポリマーフィルム1平方メートル当たり1~50gのコーティングが存在し、前記コーティングは溶媒溶液又は水系分散液から形成されている、熱可塑性エラストマーコーティングと
    を含む、複合基材。
  10. 前記ポリマーフィルムは、前記ポリウレタンコーティングの堆積前に、コロナまたはプラズマ処理を受けている、請求項9に記載の複合基材。
  11. 前記コーティングのない前記ポリマーフィルムの面は、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、シリコーン処理紙、ポリプロピレン/ポリエチレンコポリマー又はポリフッ化ビニルを含む担体フィルムに接着されている、請求項9に記載の複合基材。
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