JP5785024B2 - 銀粒子分散体組成物、これを用いた導電性回路および導電性回路の形成方法 - Google Patents
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Description
ここで、式(1)のXは、炭素数が1ないし15のアルキレン基、または下記式(2)で示される官能基であることが好ましい。
本発明に従う銀ナノ粒子として、第一の界面活性剤により被覆された銀ナノ粒子を製造した後に、第二の界面活性剤を表面吸着させる例を示す。場合によっては、総炭素数が少ない第一の界面活性剤を被覆させた状態で使用することもあり得るし、より低温で焼結させるあるいは他の性質を発現させるため、第一の界面活性剤よりも炭素鎖の短い第二の界面活性剤により、当初吸着していた第一の界面活性剤を置換する手法をとることもできる。本明細書ではいずれの場合にも対応すべく、第一の界面活性剤で被覆された銀ナノ粒子を製造する工程、そして第一の界面活性剤を置換により、より炭素数の小さい第二の界面活性剤に置換する例について示す。
本発明に用いる銀ナノ粒子の製造例について以下に説明する。なお、ここで説明する銀ナノ粒子の製造例は、銀以外の金属粒子にも応用することが可能と考えられる。
上述の第一の界面活性剤により被覆された銀ナノ粒子の分散液に対して、第一の界面活性剤よりも炭素鎖の短い第二の界面活性剤を添加することで、銀粒子表面を被覆している第一の界面活性剤から第二の界面活性剤に置換する。ここで、第二の界面活性剤としては総炭素数8以下の第一アミン類とすることが好ましい。この程度の炭素長のアミンを使用することで、低温の熱処理でも金属銀とすることが出来るようになる。
本発明の銀粒子分散体組成物は、一般式(1)で示される化合物を含んでいる。この化合物は、炭素数8〜18の分岐型のアルキル基である炭化水素基Rとオキシアルキレン基が酸素原子で連結された分散媒親和性部位と、末端基としてカルボキシル基からなる分散質親和性部位からなり、分散媒親和性部と分散質親和性部は連結基Xで連結される。具体的な性状としては下記の通りである。
炭化水素基(R)は、炭素数1ないし24であり、分岐型のアルキル基及び/又はアルケニル基である。Rがアルキル基及び/又はアルケニル基の場合、使用できる原料アルコールの炭素数は単一であっても、異なる炭素数のアルコールの混合物であってもよい。また、その原料アルコールは合成由来であっても天然由来であってもよく、また、その化学構造は単一組成であっても複数の異性体からなる混合物であってもよい。使用できる原料アルコールは公知のものが選択できるが、具体例としては、合成由来のブタノール、イソブタノール、ペンタノール及び/又はその異性体、ヘキサノール及び/又はその異性体、へプタノール及び/又はその異性体、オクタノール及び/又はその異性体、3,5,5−トリメチル−1−ヘキサノールの他、プロピレン或いはブテン、又はその混合物から誘導される高級オレフィンを経てオキソ法によって製造されるイソノナノール、イソデカノール、イソウンデカノール、イソドデカノール、イソトリデカノール、シェルケミカルズ社製のネオドール23、25、45、サソール社製のSAFOL23、エクソン・モービル社製のEXXAL7、EXXAL8N、EXXAL9、EXXAL10、EXXAL11及びEXXAL13も好適に使用できる高級アルコールの一例である。更に天然由来のオクチルアルコール、デシルアルコール、ラウリルアルコール(1−ドデカノール)、ミリスチルアルコール(1−テトラデカノール)、セチルアルコール(1−ヘキサデカノール)、ステアリルアルコール(1−オクタデカノール)、オレイルアルコール(cis−9−オクタデセン−1−オール)なども使用できる高級アルコールの一例である。また、2−アルキル−1−アルカノール型の化学構造をもつゲルベアルコール(Guerbet Alcohol)類の単一組成、或いはその混合物なども好適に使用できる高級アルコールの一例であり、2−エチル−1−ヘキサノール、2−プロピル−1−ヘキサノール、2−ブチル−1−ヘキサノール、2−エチル−1−ヘプタノール、2−プロピル−1−ヘプタノール、2−エチル−1−オクタノール、2−ヘキシル−1−デカノール、2−ヘプチル−1−ウンデカノール、2−オクチル−1−ドデカノール、2−デシル−1−テトラデカノールの他、分岐アルコールから誘導されるイソステアリルアルコールなどがある。また、上記各種アルコールを2種以上配合して使用することも可能である。但し、本発明の分散剤では前記の如く、好適に選択される疎水基(R)はアルコール由来の炭化水素基であって、炭素数3〜24であり、分岐型のアルキル基及び/又はアルケニル基の含有量が70重量%以上である場合、本発明の目的を達成する為に好適に使用できる。
一般式(1)においてAOは炭素数1ないし4のオキシアルキレン基を示す。具体的には炭素数1のアルキレンオキシドはホルムアルデヒドである。炭素数2のアルキレンオキシドはエチレンオキシドである。炭素数3のアルキレンオキシドはプロピレンオキシドである。炭素数4のアルキレンオキシドは、テトラヒドロフラン或いはブチレンオキシドであるが、なかでも、1,2−ブチレンオキシドまたは2,3−ブチレンオキシドであるとよい。一般式(1)においてオキシアルキレン鎖(−(AO)n−)は分散剤の分散媒親和性を調整する目的でアルキレンオキシドは単独重合鎖であっても、2種以上のアルキレンオキサイドのランダム重合鎖でもブロック重合鎖でも分岐重合鎖でもよく、また、その組み合わせであってもよい。一般式(1)のアルキレンオキシドの平均付加モル数を示すnは、分散媒親和性部位の極性を調節するという観点から、1以上20未満の値であるが、3ないし15の範囲にあることが好ましい。
連結基(X)は炭素原子、水素原子、酸素原子からなる公知の構造から選択可能であるが、分散質への親和効果を弱めないという観点から、好ましくは飽和炭化水素基、不飽和炭化水素基、エーテル基、カルボニル基、エステル基からなり、脂環構造、芳香環構造を有していてもよく、また、繰り返し単位を有していてもよい。連結基Xに窒素原子及び/又は硫黄原子及び/又はリン原子などを含む場合は、カルボキシル基の分散質への親和効果を弱める作用があるために本発明の分散剤の構造因子としては適さない。
また、一般式(1)のXは前述の式一般(2)で示される物質であることが好ましい。
[1.分散溶媒]
本発明で使用できる分散溶媒としては、極性を有しており、その比誘電率が3〜50のものである。比誘電率が3未満であると溶媒の非極性が強くなり金属粒子分散体の分散安定性が経時的に不安定になり、50を越えると分散剤の粒子への吸着が劣るようになり、粒子の分散安定性が不安定となる。具体的には、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、グリコールエーテル系溶媒、アルキルエーテル系溶媒、アルコール系溶媒、グリコール系溶媒、アミド系溶媒といったものが例示できる。また、分散溶媒として反応性基を有する(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸エステル類、酢酸ビニルなどのビニル系単量体、ビニルエーテル誘導体類、ポリアリル誘導体などのエチレン系不飽和単量体類も使用することができる。
本発明の銀粒子分散体組成物は公知の方法で製造することができ、上記の範囲で疎水基の種類、アルキレンオキシド種とその付加形態、付加モル量、連結基などを特に限定して組成を最適選定することにより、公知の分散体組成物よりも多量の銀ナノ粒子を安定に分散させたものとなり、産業上の利用価値は大きい。
上述の製造方法に従って、ヘキシルアミン吸着銀粒子を作製した。具体的な作製方法は、以下のとおりである。
反応媒体兼還元剤としてイソブチルアルコール(和光純薬工業株式会社製特級試薬)32.1g、オレイルアミン(和光純薬工業株式会社製、分子量=267)55.3g、銀化合物としての硝酸銀結晶(関東化学株式会社製)6.89gを用意し、これらを混合してモーターに接続された攪拌羽根にて攪拌し、硝酸銀を溶解させた。この溶液を還流器のついた容器に移してオイルバスに載せ、容器内に不活性ガスとして窒素ガスを500mL/minの流量で吹込みながら、該溶液をモーターに接続された攪拌羽根により攪拌しながら110℃まで昇温した。110℃の温度で5時間の還流を行なった後、還元補助剤として2級アミンのジエタノールアミン(和光純薬工業株式会社製、分子量=106)を4.30g添加した。その状態で1時間保持した後、反応を終了した。
上記のような過程で作成された銀ナノ粒子のペースト2.5g(以降置換前原料インクという)を300mLビーカー中に添加した。一方で、ヘキシルアミン(C6H13−NH2、和光純薬工業株式会社製の特級試薬)5.0gをイソプロピルアルコール10mLに添加して混合溶媒を用意した(以降置換材料溶液という)。これらの溶液をそれぞれウォーターバス内にて60℃にまで加熱する。
上記の操作を経て得られたヘキシルアミン吸着銀ナノ粒子のメタノール浸漬物を3000rpmで30分間遠心分離器(日立工機株式会社製:himacCF7D2)にかけることで上澄みとヘキシルアミン吸着銀ナノ粒子塊を分離させた。それをデカンテーションにて固液分離した後、さらに100mLのメタノールを添加し、再度マグネチックスターラーを用いて攪拌し、残存するオレイルアミンを除去する洗浄操作を再度行った。その後、上記と同様の遠心分離を施し、銀ナノ粒子塊と主成分がメタノールである上澄みを分離させ、洗浄操作を終了させた。
[製造例1(化合物Aの合成)]
トルエン溶媒中に、イソトリデシルアルコールエチレンオキシド10モル付加物640g(1モル)およびモノクロロ酢酸ナトリウム152g(1.3モル)を反応器にとり、均一になるよう撹拌した。その後、反応系の温度を60℃の条件で水酸化ナトリウム52gを添加した。次いで、反応系の温度を80℃に昇温させ、3時間熟成させた。熟成後、反応系が50℃の条件で98%硫酸117g(1.2モル)を滴下することにより、白色懸濁溶液を得た。次いで、この白色懸濁溶液を蒸留水で洗浄し、溶媒を減圧留去することにより、化合物A(R:イソトリデシル、AO:エチレンオキシド、n:10、X:O、Y:CH2)を得た。
製造例1において、イソトリデシルアルコールエチレンオキシド10モル付加物に代えて、2−プロピル−1−ヘプタノールエチレンオキシド10モル付加物598g(1モル)を用いた以外は製造例1と同様の方法で行い、化合物B(R:2−プロピル−1−ヘプチル、AO:エチレンオキシド、n:10、X:O、Y:CH2)を得た。
製造例1において、イソトリデシルアルコールエチレンオキシド10モル付加物に代えて、イソデシルアルコールエチレンオキシド8モル付加物510g(1モル)を用いた以外は製造例1と同様の方法で行い、化合物C(R:イソデシル基、AO:エチレンオキシド、n:8、X:O、Y:CH2)を得た。
トルエン溶媒中に、イソトリデシルアルコールエチレンオキシド10モル付加物640g(1モル)およびコハク酸無水物100g(1モル)を120℃で2時間反応させることで化合物D(R:イソトリデシル、AO:エチレンオキシド、n:10、X:O、Y:COCH2CH2)を得た。
製造例1において、イソトリデシルアルコールエチレンオキシド10モル付加物に代えて、ラウリルアルコールエチレンオキシド10モル付加物626g(1モル)とした以外は製造例1と同様の方法で行い、化合物E(R:ラウリル、AO:エチレンオキシド、n:10、X:O、Y:CH2)を得た。
上述の「分散剤の合成」で記述した分散剤を、所定量(銀に対して10質量%)になるようBCAに溶解し、「ヘキシルアミン吸着銀粒子の作成」で記述した工程で作製したヘキシルアミン吸着銀粒子塊を加えた。その液について、超音波洗浄機(BRASONIC社製 超音波洗浄機 1510J−MT)にて40℃以下で30分間処理した。その液を上述の遠心分離器を用いて3000rpm30分間で遠心分離器(日立工機株式会社製:himacCF7D2)にかけることでヘキシルアミン吸着銀粒子が分散された上澄み液を得た。
比誘電率は必要に応じて、ZAHNER社製 IM−6型インピーダンスアナライザーを用いて周波数1kHzで測定した。
基板として、シリカガラス(コーニング社製 EAGLE XG)、PETフィルム(東レ社製 ルミラーS10)を用いた。スクリーン印刷装置(マイクロテック製 MT−320)を用いて、分散性の良好であった前記銀塗料をスクリーン印刷法により、上記シリカガラス基板、PETフィルムの上にそれぞれコーティングすることにより塗膜を形成させた。また、スピンコート装置を用いて同様にガラス基板、PET基板の上にコーティングすることにより膜厚1〜2μmの塗膜を形成させた。
塗膜を形成した基板を、150℃に設定した送風乾燥機(YAMATO社製 DK43)中に入れ、1時間保持することにより焼成膜を得た。
表面抵抗測定装置(三菱化学アナリティック社製:Loresta GP)により測定した表面抵抗と、表面粗度計(株式会社東京精密社製:サーフコム1500DX)で測定した焼成膜の膜厚から、計算により体積抵抗値を求め、これを焼成膜の比抵抗として採用した。上記測定、試験の結果を表1に示す。
[銀粒子分散体の調製]
上述の「ヘキシルアミン吸着銀粒子の作成」で記述した工程で作製したヘキシルアミン吸着銀粒子塊100質量部と、前記製造例1で得られた化合物A(表2に添加量をそれぞれ示した)と、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート(ブチルカルビトールアセテート(BCA)東京化成工業株式会社製:比誘電率4.6)25質量部とを加え、予め手攪拌にてそれぞれの成分をなじませた。
実施例1と同様に、実施例2〜6、比較例1〜5は表2中に記載した割合でペーストを調整した。得られた物質の導電性について、表2に示した。
Claims (10)
- 前記アミノ基を有する有機物は、分子量50〜400の脂肪族第一アミンおよび/または脂肪族不飽和アミンであり、該アミノ基を有する有機物は、前記銀ナノ粒子の有機保護層として含有される請求項1又は2に記載の銀粒子分散体組成物。
- 前記分散溶媒は極性を有し、その比誘電率が3〜50である請求項1ないし3のいずれか一項に記載の銀粒子分散体組成物。
- 前記分散溶媒は、グリコールエーテル及び/またはグリコールエーテルアセテート化合物である請求項4に記載の銀粒子分散体組成物。
- 請求項1ないし5のいずれか一項に記載された銀粒子分散体組成物を用いて基板上に形成された導電性回路。
- 請求項6に記載された導電性回路が組み込まれた電子機器。
- 請求項1ないし5のいずれか一項に記載された銀粒子分散体組成物を基板上に印刷法により描画することを特徴とする導電性回路の形成方法。
- 前記導電性回路を形成するにあたり、印刷法により前記銀粒子分散体組成物を用いて前記導電性回路のプレ配線を形成し、該プレ配線を熱処理により金属化して導電性回路を形成する請求項8に記載の導電性回路の形成方法。
- 前記プレ配線の金属化を行う熱処理温度は80〜200℃である請求項9に記載の導電性回路の形成方法。
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