JP5584877B2

JP5584877B2 - 微粒子ペーストとその製造方法およびそれを用いた微粒子膜とその製造方法とそれらを用いた太陽電池、光熱センサー、ｔｆｔアレイ、タッチパネル

Info

Publication number: JP5584877B2
Application number: JP2009248626A
Authority: JP
Inventors: 小川　　一文
Original assignee: 小川一文
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011094006A

Description

本発明は、微粒子を用いて作成した微粒子ペーストとその製造方法およびそれを用いた微粒子膜とその製造方法とそれらを用いた太陽電池、光熱センサー、ＴＦＴアレイ、タッチパネルに関するものである。さらに詳しくは、光熱反応性の官能基を有する有機膜で被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤あるいは光熱重合開始剤を用いて作成した微粒子ペーストとその製造方法、およびそれを用いた微粒子膜とその製造方法とそれらを用いた太陽電池、光熱センサー、ＴＦＴアレイ、タッチパネルに関するものである。

本発明において、「微粒子」材料には、どのような物質でも使用可能であるが、具体的には、無機微粒子である、導電体微粒子、半導体微粒子、絶縁体微粒子、磁気微粒子、蛍光体微粒子、光吸収微粒子、光透過微粒子、顔料微粒子が含まれる。また、有機微粒子である、有機蛍光体微粒子、有機光吸収微粒子、有機光透過微粒子、有機顔料微粒子、薬物微粒子が含まれる。さらに、有機−無機ハイブリッド微粒子である、DDS（Drug Delivery System）用薬物微粒子、化粧用微粒子、有機−無機ハイブリッド顔料微粒子が含まれる。

従来から、微粒子を用いた被膜の作成方法は、いろいろ行われているが、何れもバインダー樹脂中に微粒子を分散させて塗布し、バインダー樹脂を硬化することで微粒子を含む被膜を作製していた。
さらに、最近では、微粒子表面を熱反応性あるいは光反応性の単分子膜で被覆しペースト化して硬化する方法も開発されている。
例えば、熱反応性、あるいは光反応性の単分子膜で被覆した微粒子を用いたものには、下記の特許がある。

特開２００７−２２０４６３号公報特開２００９−３７７８６号公報

したがって、硬化には、光または熱のみを用いるため、熱硬化型では、硬化に時間がかかったり、加熱硬化中にパターンが崩れたり、接着部品が移動したりする課題があった。また、光硬化型では、硬化を短時間で行える反面、光が照射されない部分、例えば部品下などは硬化しないで残ってしまい耐久性が悪いという課題があった。

本発明は、前記課題に鑑み、塗布したペーストの硬化を２段階で行うことを前提とし、前段の硬化に光を用い、後段の硬化に熱を用いることにより、部品などを接着する際、前段の光硬化では、部品の固定を短時間で行え、後工程の加熱硬化中に接着部品が移動するのを防止でき、光が照射されなかった部分は、後段の熱硬化により完全に硬化することにより、信頼性のより高い接着ペーストやそれを用いた各種微粒子膜およびその製造方法を提供する。さらに、それらを用いた太陽電池、光熱センサー、ＴＦＴアレイ、タッチパネルを提供する。

以上説明したとおり、本発明によれば、部品などを接着する際、前段の光硬化では、硬化を短時間で行え、加熱硬化中に接着部品が移動するのを防止でき、光が照射されなかった部分は、後段の熱硬化により完全に硬化可能であるため、信頼性のより高い接着ペーストやそれを用いた導電ペースト等、各種微粒子膜やそれを用いた各種デバイスを提供できる格別の効果がある。

図１は、光熱反応性の官能基を有する有機膜で被われた微粒子の製造工程を概念的に説明するために、分子レベルまで拡大した図である。（実施例１）図２は、硬化後の微粒子膜を概念的に説明するために、分子レベルまで拡大した断面図である。（実施例２）

本発明は、微粒子表面を第１の光熱反応性の官能基を有する有機膜で被う工程と、第１の光熱反応性の官能基を有する有機膜で被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤と有機溶媒とを混合してペースト化する工程により、表面が第１の光熱反応性の官能基を有する有機膜で被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤と有機溶媒を含むことを特徴とする光熱硬化性微粒子ペーストを製造して基材表面に前記ペーストを塗布する工程と、光または熱で硬化する工程により、前記微粒子が前記第１の光熱反応性の官能基を介して互いに結合して硬化製膜されている微粒子膜を提供するものである。

したがって、本発明には、バインダー樹脂を全く含まないで且つ耐剥離強度が高い接着用導電ペーストや各種微粒子膜を提供でき作用がある。

以下、本願発明の実施例を詳細に説明するが、本願発明は、これら実施例によって何ら限定されるものではない。

なお、本発明において、「微粒子」材料には、どのような物質でも使用可能であるが、具体的には、無機微粒子である、導電体微粒子、半導体微粒子、絶縁体微粒子、磁気微粒子、蛍光体微粒子、光吸収微粒子、光透過微粒子、顔料微粒子が含まれる。また、有機微粒子である、有機蛍光体微粒子、有機光吸収微粒子、有機光透過微粒子、有機顔料微粒子、薬物微粒子が含まれる。さらに、有機−無機ハイブリッド微粒子である、DDS（Drug Delivery System）用薬物微粒子、化粧用微粒子、有機−無機ハイブリッド顔料微粒子が含まれる。
以下、代表例として無機導電性微粒子である銀微粒子を取り上げて説明する。

まず、１００ｎｍ程度の大きさの銀微粒子１を用意し、よく乾燥した。
次に、化学吸着剤として機能部位にラジカル型光熱反応性の官能基であるアクリル基（（正確にはアクリロイル基：ＣＨ₂＝ＣＨＣＯＯ−；その他、カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基等のエチレン性不飽和二重結合を含むアルケン化合物または、ジアセチレン基、アセチレン基等のアセチレン性不飽和三重結合基を含むアルキン化合物でも同様であった。）を含む薬剤、例えば、下記化学式（化１）で示す薬剤を９９重量％、シラノール縮合触媒として、例えば、ジブチル錫ジアセチルアセトナート、あるいは有機酸である酢酸を１重量％となるようそれぞれ秤量し、ヘキサデカンに１重量％程度の濃度（好ましくい化学吸着剤の濃度は、０．５〜３％程度）になるように溶かして化学吸着液を調製した。

この吸着液に銀微粒子を混入撹拌して普通の空気中で（相対湿度４５％）で２時間程度反応させた。このとき、銀微粒子表面のダングリングボンドには水酸基２が多数結合している（図１ａ）ので、前記化学吸着剤の−Ｓｉ（ＯＣＨ_３）基と前記水酸基がシラノール縮合触媒あるいは有機酸存在下で脱アルコール（この場合は、脱ＣＨ_３ＯＨ）反応し、下記化学式（化２）に示したような結合を形成し、微粒子表面全面に亘り表面と化学結合したアクリル基を含む化学吸着単分子膜３が約１ナノメートル程度の膜厚で形成された（図１ｂ）。

その後、塩素系溶媒であるクロロホルムを添加して撹拌洗浄すると、表面にラジカル開始剤で光または熱反応、あるいは光熱反応するアクリル基を有する化学吸着単分子膜で被われた銀の微粒子を作製できた。

なお、この処理では、被膜がナノメートルレベルの膜厚で極めて薄いため、粒子形状を損なうことはなかった。
また、洗浄せずに空気中に取り出すと、反応性はほぼ変わらないが、溶媒が蒸発し粒子表面に残った化学吸着剤が粒子表面で空気中の水分と反応して、粒子表面に前記化学吸着剤よりなる極薄のポリマー膜が形成された微粒子が得られた。

そこで、前記アクリル基を有する化学吸着単分子膜で被われた銀微粒子を１１適量取り、ラジカル型光重合開始剤（例えば、イルガキュアー１１７３等のアルキルフェノン系光重合開始剤（チバガイギー社）やベンゾフェノン系の開始剤）とラジカル型熱重合開始剤（（例えば、アゾビスイソブチロニトリルや過酸化ベンゾイル等）を等量混合したものを６重量％（１乃至１０％で良い。）添加しイソプロピルアルコール中で十分混合すると、光熱硬化性導電性銀ペーストを作成できた。

なお、前期実施例１では、導電性の銀微粒子を用いたが、用いる微粒子に制限はなく、どのような物質でも使用可能であるが、具体的には、無機微粒子である、導電体微粒子、半導体微粒子、絶縁体微粒子、磁気微粒子、蛍光体微粒子、光吸収微粒子、光透過微粒子、顔料微粒子が使用可能である。また、有機微粒子である、有機蛍光体微粒子、有機光吸収微粒子、有機光透過微粒子、有機顔料微粒子、薬物微粒子が使用可能である。さらに、有機−無機ハイブリッド微粒子である、DDS（Drug Delivery System）用薬物微粒子、化粧用微粒子、有機−無機ハイブリッド顔料微粒子が使用可能である。

また、光重合開始剤と熱重合開始剤の代わりに、ベンゾピナコール等のラジカル型光重合開始機能と熱重合開始機能を合わせ持つ光熱硬化開始剤を利用することも可能であった。

次に、実施例１で試作した銀ペーストを用い、ガラス基板（基材）１１に３ミクロン程度の膜厚で塗布し、イソプロピルアルコールをほぼ蒸発させた後、窒素ガス（不活性雰囲気中なら、どんなガス中でも良い。）中で超高圧水銀灯を用い１００ｍＪ／ｃｍ^２程度照度で１０分程度照射すると表面がタックフリーになり、１次硬化した。さらに、１５０℃（１００〜２００℃で良い）３０分程度加熱して、２次硬化すると、前記アクリル基の２を含まなくても銀微粒子の薄膜１４を形成できた。（図２（ａ））

このとき、銀微粒子は紫外光を通さないので、塗布された銀微粒子は、前工程の紫外線照射だけでは、表面近傍のみしか硬化できないが、後工程の加熱により膜内部も十分硬化して、鉛筆硬度が３Ｈ程度で、導電性が１０^５〜１０^６（Ω・ｃｍ）^−１のバルク銀並みの微粒子膜が得られた。

なお、この方法と同様に、基板表面にスクリーン印刷等でペーストの塗布を選択的に行い、光照射して一次硬化させ、さらに加熱して２次硬化すると、基板表面に配線パターンを形成できた。
また、全面塗布後フォトマスクを用い一時露光し、アルコール等で現像した後、さらに加熱硬化する方法でも、同様の電気配線を形成できた。

さらにまた、導電性の微粒子の代わりに、半導体微粒子や絶縁体微粒子が使用できた。

半導体微粒子を用いれば、太陽電池や光熱センサー、ディスプレイ用の各種ＴＦＴアレイを製造できた。さらに、ＩＴＯ等の透明性微粒子を用いれば、タッチパネル等を作成できた。
また、シリカ微粒子等、絶縁体微粒子を用いれば、電子部品で使用できる電気絶縁性に優れた保護膜を容易に製造できた。

また、実施例１で試作した銀ペーストを用い、ICチップのダイボンドを試みた。
通常、パッケージのダイボンド部のコムとICチップの間に銀ペーストを塗布し圧着してから加熱硬化されているが、加熱硬化中にチップがずれてしまうことが良くある。

しかしながら、この銀ペーストを用い、コムとICチップとからはみ出した銀ペーストを紫外線照射で１次硬化して仮固定しておき、その後、コムとICチップの間の未硬化の銀ペースト２次硬化の加熱硬化することにより、加熱硬化中にチップが定位置からずれてしまうことは全く起こらなくなった。

また、接着抵抗も、金シリコン共晶並の低抵抗を実現できた。
さらに、加熱による２次硬化でコムとICチップの間の銀ペーストは十分に硬化できたので、接着信頼性も十分高い半導体を製造できた。

さらに、実施例２において、あらかじめ同様の方法で基材１１表面にも反応性の官能基を持つ有機膜、例えば、アクリル基を有する化学吸着単分子膜１５を形成しておくと、１次硬化や２次硬化時に、微粒子表面のアクリル基は基材表面のアクリル基とも反応するので、アクリル基を介して基材表面に共有結合し、耐剥離強度の高い銀微粒子の薄膜１６を製造できた。（図２（ｂ））

さらに、実施例１において、さらに同一分子内に複数のメルカプト基を有する光熱反応性の多感能チオール化合物を３重量％程度（好ましくは、１乃至１０％）添加しておくと、熱硬化時間を半減できた。また、熱硬化温度を１００℃以下まで低減できた。

同一分子内に複数のメルカプト基を有した多感能チオール化合物には、１，４−ブタンジチオール、１，１０−デカンジチオール、３，６−ジオキサ−１，８−オクタンジチオール、ビス（２−メルカプトエチル）エーテル、１，４−ビス（メルカプトメチル）ベンゼン、４，５−ビス（メルカプトメチル）−ｏ−キシレン、１，６−ヘキサンジチオール、１，３−プロパンジチオール、１，２−プロパンジチオール、２，３−ジメルカプト−１−プロパノール、ｓ−トリアジン−２，４，６−トリチオール等がある。これらは単独又は２種以上混合して使用可能である。

上記２つの実施例では、導電性の銀微粒子を例として説明したが、本発明は、表面に水酸基の水素のような活性水素を含んだ微粒子で有れば、どのような微粒子にでも適用可能である。

具体的な「微粒子」材料には、無機微粒子である、導電体微粒子、半導体微粒子、絶縁体微粒子、磁気微粒子、蛍光体微粒子、光吸収微粒子、光透過微粒子、顔料微粒子がある。また、有機微粒子である、有機蛍光体微粒子、有機光吸収微粒子、有機光透過微粒子、有機顔料微粒子、薬物微粒子が含まれる。さらに、有機−無機ハイブリッド微粒子がある、DDS（Drug Delivery System）用薬物微粒子、化粧用微粒子、有機−無機ハイブリッド顔料微粒子がある。

したがって、それら微粒子を用いたペーストを製造すれば、用途は無限にあるが、とりわけ、銀やニッケル微粒子を用いた導電ペーストを作成すれば、プリント基板等の電子部品の製造に有効である。また、半導体であるＳｉ微粒子を用いたペーストを作成すれば、太陽電池や、光熱センサー、ＴＦＴアレイの製造に有効である。さらに、ＩＴＯ微粒子を用いたペーストを作成すればタッチパネルの製造に有効である。

１銀微粒子
２水酸基
３表面と化学結合したアクリル基を含む化学吸着単分子膜
１１ガラス基板
１２アクリル基の２重結合が互いに結合した架橋結合部
１３銀微粒子
１４銀微粒子の薄膜
１５アクリル基を有する化学吸着単分子膜
１６耐剥離強度の高い銀微粒子の薄膜

Claims

カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基を有し、且つ微粒子表面に−Ｓｉ−を介して化学結合した反応性単分子膜で表面が被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤と有機溶媒を含みバインダー樹脂を含まないことを特徴とする光熱硬化性微粒子ペースト。
光重合開始剤と熱重合開始剤が共にラジカル系重合開始剤であることを特徴とする請求項１に記載の光熱硬化性微粒子ペースト。
光重合開始剤がベンゾフェノン系であり、熱重合開始剤がアゾビスイソブチロニトリル、または過酸化ベンゾイルであることを特徴とする請求項１記載の光熱硬化性微粒子ペースト。
光重合開始剤と熱重合開始剤の代わりに、光重合開始機能と熱重合開始機能を合わせ持つ光熱重合開始剤を用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光熱硬化性微粒子ペースト。
光熱重合開始剤がベンゾピナコールであることを特徴とする請求項４記載の光熱硬化性微粒子ペースト。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光熱硬化性微粒子ペーストにおいて、さらに同一分子内に複数のメルカプト基を有する多官能チオール化合物を添加したことを特徴とする光熱硬化性微粒子ペースト。
微粒子が導電体、半導体、または絶縁体微粒子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光熱硬化性微粒子ペースト。
カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜で微粒子表面を被う工程と、前記第１の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜で被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤と有機溶媒とを混合してペースト化する工程を含むことを特徴とする光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
光重合開始剤と熱重合開始剤として、共にラジカル系重合開始剤を用いることを特徴とする請求項８に記載の光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
光重合開始剤としてベンゾフェノン系開始剤を、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル、または過酸化ベンゾイルを用いることを特徴とする請求項８記載の光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
光重合開始剤と熱重合開始剤の代わりに、光重合開始剤機能と熱重合開始剤機能を合わせ持つ光熱重合開始剤を用いたことを特徴とする請求項８に記載の光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
光熱重合開始剤がベンゾピナコールであることを特徴とする請求項１１記載の光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
請求項８乃至１２のいずれか一項において、さらに同一分子内に複数のメルカプト基を有する多官能チオール化合物を添加したことを特徴とする光熱硬化性微粒子ペーストの製造方法。
カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基を有し、且つ微粒子表面に−Ｓｉ−を介して化学結合した反応性単分子膜で表面が被われた微粒子が前記第１の光熱反応性の官能基を介して互いに結合して硬化製膜されており、且つバインダー樹脂を含まないことを特徴とする微粒子膜。
あらかじめカルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第２の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜で基材表面が被われており、少なくとも微粒子の一部と基材がカルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、またはアセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基有する反応性単分子膜と前記基材表面の前記第２の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜を介して結合製膜されていることを特徴とする請求項１４記載の微粒子膜。
前記第１の光熱反応性の官能基と前記第２の光熱反応性の官能基が同じ被膜であることを特徴とする請求項１５記載の微粒子膜。
請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載の微粒子膜内にSが含まれていることを特徴とする微粒子膜。
請求項１４乃至１７のいずれか一項に記載の微粒子膜において、微粒子が導電性、半導体性、あるいは電気絶縁性であることを特徴とする微粒子膜。
カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜で表面が被われた微粒子と光重合開始剤と熱重合開始剤または光熱重合開始剤を有機溶媒中で混合してペースト化する工程と、基材表面に前記ペーストを塗布する工程と、光または熱で硬化製膜する工程を含むことを特徴とする微粒子膜の製造方法。
ペーストを塗布する工程の後、光照射または加熱して硬化することを特徴とする請求項１９記載の微粒子膜の製造方法。
ペーストを塗布する工程の後、光照射して１次硬化する工程と、加熱して２次硬化する工程を有することを特徴とする請求項２０記載の微粒子膜の製造方法。
あらかじめ、塗布前の基材表面にも、カルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第２の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜を形成しておき、少なくとも微粒子表面のカルコニル基、シンナモイル基、メタクリル基、アクリル基、ジアセチレン基、アセチレン基から選ばれる第１の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜と基材表面の前記第２の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜を光照射または加熱して反応させると共に塗布されたペーストを硬化する工程を含むことを特徴とする請求項２１記載の微粒子膜の製造方法。
ペーストを塗布する工程の後、微粒子表面の前記第１の光熱反応性の官能基を有する有機膜と基材表面の前記第２の光熱反応性の官能基を有する反応性単分子膜を光照射して反応させると共に塗布されたペーストを１次硬化する工程と、加熱反応させて２次硬化することを特徴とする請求項２２記載の微粒子膜の製造方法。
光重合開始剤と熱重合開始剤、あるいは光熱重合開始剤として、ラジカル系重合開始剤を用いることを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法。
光重合開始剤としてベンゾフェノン系開始剤を、熱重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリルまたは過酸化ベンゾイル、光熱重合開始剤としてベンゾピナコールを用いることを特徴とする請求項２４に記載の微粒子膜の製造方法。
光重合開始剤と熱重合開始剤の代わりに、光硬化開始機能と熱硬化開始機能を合わせ持つ光熱重合開始剤を用いることを特徴とする請求項１９乃至２５のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法。
光熱重合開始剤としてベンゾピナコールを用いることを特徴とする請求項２６に記載の微粒子膜の製造方法。
前記第１の反応性の官能基を有する反応性単分子膜と前記第２の反応性の官能基を有する反応性単分子膜として同じ反応性単分子膜を用いることを特徴とする請求項１９乃至２７のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法。
請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法において、さらに同一分子内に複数のメルカプト基を有する多官能チオール化合物を添加したことを特徴とする微粒子膜の製造方法。
請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法において、微粒子として導電性、半導体性、あるいは電気絶縁性の微粒子を用いることを特徴とする導電性、半導体性、または電気絶縁性の微粒子膜の製造方法。
請求項３０において、光熱硬化性微粒子ペーストの塗布を選択的に行うか、全面塗布後、選択的に露光し現像して、さらに熱硬化することを特徴とするパターン状の微粒子膜の製造方法。
請求項１４乃至１８のいずれか一項に記載の微粒子膜、または請求項１９乃至３１のいずれか一項に記載の微粒子膜の製造方法を用いて製造した太陽電池、光熱センサー、ＴＦＴアレイ、またはタッチパネル。