JP5890603B2 - 金属ナノ粒子とその凝集体、金属ナノ粒子分散体、それを用いて形成された部材 - Google Patents
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すなわち、第一の構成として、ポリアルキレンオキサイド基とカルボキシル基を有する有機化合物であって、ポリアルキレンオキサイド基とカルボキシル基を有する有機化合物がアルコキシポリオキシエチレングリコールマレイン酸エステルを主骨格として有するものを金属ナノ粒子の保護剤として使用する。
図1(a)に示すように、金属ナノ粒子分散液の原料となる金属化合物を還元処理することにより析出した金属ナノ粒子1の表面に、保護剤Xを付着させることにより、銀ナノ粒子1の表面が保護剤Xで覆われた金属ナノ粒子2を作製する。
保護剤Xに覆われた金属ナノ粒子2は、例えば前記のような湿式プロセスでの還元反応で合成されたのち、固液分離および洗浄に供される。その後、図1(a)に示すように、得られた「金属ナノ粒子1/保護剤X複合体」を液状有機媒体Aと混合して分散液を作る。
以上の点を踏まえて、保護剤Yにて保護剤Xを置換する工程について具体的に説明する。
図1(f)に示す金属ナノ粒子1表面を保護剤Yで被覆したものを得るための工程について、図2を用いて説明する。
本実施形態では、図2に示すように「金属ナノ粒子1/保護剤X複合体(金属ナノ粒子2)」の分散液(上述)と、保護剤Xを構成する有機化合物が溶解しやすい液状有機媒体Bとを混合して、保護剤Xを金属ナノ粒子1表面から脱離させる。その際、保護剤Yを構成する有機化合物が存在する状況下で脱離を進行させる。金属ナノ粒子2の近くに保護剤Yを構成する有機化合物が存在すると、保護剤Xが脱離した金属ナノ粒子1同士の凝集や焼結が生じる前に、金属ナノ粒子1表面を素早く保護剤Yで覆ったもの(金属ナノ粒子3)を得ることができる。その意味で、保護剤Yを構成する有機化合物は、金属ナノ粒子1表面との親和性が良好であることに加え、保護剤Xの方が保護剤Yよりも金属ナノ粒子1への親和性が弱いことが望まれる。このような構成にすることで、保護剤Xの保護剤Yへの置換が容易に進むようになる。
一方、金属インクやペーストが導電性配線を形成した後に150〜500℃の範囲で、最適な温度で加熱焼成されるが、溶媒Cもしくは保護剤Yが乾燥、蒸散する際に膜中に残存してしまうと、膜中に残存する不純物元素となり、電気抵抗値が上昇してしまう。したがって、有機層である保護剤Yは加熱焼成時には揮散する必要があるが、エチレンオキサイド基が30モルを越えると、分子量が大きくなりすぎるためエチレンオキサイド基が加熱焼成で揮散されず電気抵抗値を上昇させてしまうことになるので好ましくない。
(i)「金属ナノ粒子1/保護剤X複合体」が液状有機媒体Aに分散した分散液
(ii) 保護剤Yとして金属ナノ粒子1を被覆するための有機化合物
(iii)液状有機媒体Aよりも保護剤Xの溶解性が高い液状有機媒体B
その際、(ii)の有機化合物存在下で(i)と(iii)の液を混合することが肝要である。換言すれば、(i)と(iii)の液を混合して金属ナノ粒子2から保護剤Xの脱離が進行してしまった後に(ii)の有機化合物を添加しても、保護剤Yによって個々の金属ナノ粒子1を被覆することは難しい。つまり、金属ナノ粒子2から保護剤Xの脱離が生じるときに、その粒子の近傍には保護剤Yを構成させるための有機化合物が存在していることが重要である。その結果、液状有機媒体B中への被置換剤Xの溶解と、金属ナノ粒子1表面への置換剤Yの付着とを、同時に進行させるのがより好ましい。
〔混合方法1〕
(i)の分散液に、(ii)の有機化合物と(iii)の液状有機媒体Bを同時に添加していく方法。
〔混合方法2〕
(i)の分散液と(ii)の有機化合物を予め混合しておき、その混合液と(iii)の液状有機媒体Bを混合する方法。
〔混合方法3〕
(iii)の液状有機媒体Bと(ii)の有機化合物を予め混合しておき、その混合液と(i)の液を混合する方法。
保護剤置換工程により作製された保護剤Yで被覆された金属ナノ粒子3は通常、液状有機媒体Bの液中に沈降する(図1(d))。遠心分離や沈降によりこの液を固液分離した後、保護剤Yで被覆された金属ナノ粒子3を、液状有機媒体Bから抽出する(図1(e))。その後、メタノールやイソプロパノールを用いて金属ナノ粒子3を洗浄する。なお、この固液分離および洗浄の組み合わせは、複数回行ってもよい。
図1(f)に示すように、本実施形態においては、このように抽出された金属ナノ粒子3に、金属ナノ粒子分散体用溶媒Cとなるグリコールエーテル、すなわち極性および/または親水性溶媒を加え分散させる。
(実施例1)
〔銀ナノ粒子合成工程〕
オレイルアミン(保護剤X,和光純薬工業株式会社製試薬)6009.2g、2−オクタノール(東京化成工業株式会社製試薬)2270.3g、硝酸銀結晶(関東化学株式会社製特級試薬)1495.6gを用意した。2−オクタノールと、オレイルアミンと、硝酸銀結晶を混合して、硝酸銀が完全に溶解した液を作成した。配合は以下のとおりである。ここで、銀に対するオレイルアミンはモル比で2.5、銀に対する2−オクタノールはモル比で2.0、オレイルアミンに対する2−オクタノールはモル比で0.8である。
得られたスラリーを3000rpmで5分間の遠心分離により固液分離した。その後、前記固体成分:メタノール=1:30のモル比にて、前記固体成分を攪拌洗浄した。このとき、攪拌回転数は400rpm、攪拌時間は30分とした。
なお、本実施例における金属(銀)ナノ粒子3に対して、保護剤による置換の有無の確認をGC−MS(ガスクロマトグラフ質量分析計)による有機分析にて行ったところ、オレイルアミンに起因するピークは確認されなかったことからオレイルアミンは、ほぼ全てマレイン酸エステルに置換されていると判断できた。
前記固液分離・沈降により金属ナノ粒子3を得た後、金属ナノ粒子分散体用溶媒Cであるジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート10gに対して、前記銀ナノ粒子3を0.3g加えた後、40℃を維持しつつ超音波分散を5分間行った。
その後、得られた分散体を常温で一ヶ月間静置させ、液の状態を確認することで沈殿物の有無を確認したところ、沈殿等は確認されず、粒子は分散性を維持したままであることが確認された。
液中における金属(銀)ナノ粒子を濃度が60%となるよう、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートを添加して調整した。その後、自転公転式脱泡機(株式会社シンキー製のARV−3000TWIN)を使用して、4分間処理したところ、得られた分散液の粘度は850dPa・sであった。
本分散体は物質間接合にも使用できることを下記の方法を用いて確認した。すなわち、接合面に前記分散体をディスペンサー塗布法により被接合体である銅板に均等な厚さに印刷する。次いで対向する接合体にシリコン−チタン−ニッケルが順に積層され、最表層が銀でめっきされたチップをマウントして、接合面に対して垂直に10Nで加圧しながら、400℃で30分加熱した。
保護剤Yの官能基を変更して実施例1を繰り返した。得られた結果について評価した結果を表1にあわせて示す。なお、分散安定性は少なくとも一ヶ月程度分散を維持したものを○、一週間以上分散を維持していたものを△とし、一週間も経たずに沈降してしまったものを×と表現している。
実施例1における保護剤Xで保護層を形成した洗浄後の金属(銀)ナノ粒子2を用い、分散剤としてポリオキシエチレンラウリルエーテル酢酸(ビューライトLCA−H、エチレンオキサイド付加モル数3〜5、三洋化成工業株式会社製)をテルピネオール2.0gに対して1.6gを添加し溶解させた。
参考例1において、分散剤にオクチルポリオキシエチレングリコールマレイン酸を用いた以外は参考例1を繰り返した。同様に分散安定性を観察したところ、3週間目で僅かな沈降が認められた。また、50μmの170℃焼成細線の比抵抗値は8.2×10−6Ω・cmと低い抵抗値を示した。
比較例では、実施例1において保護剤Yにオレイルアルコールとエチレンオキサイドの8モルを縮合させたC18H35−O−(CH2−CH2−O)8−Hを用いて、分散体を形成させた。置換後の分散体は分散性が初期の段階から凝集が著しく、超音波分散を施しても1週間が経過した状態では銀ナノ粒子が底部に沈殿したため、分散体としては使用できなかった。
なお、比較例2と3についても表1に示すように実施したが、実施例に比べると、いずれも良好な結果は得られなかった。
B 保護剤Xの溶解性がAよりも高い溶媒
C 分散液(極性媒体)
X 合成当初付着の界面活性剤
Y 置換後の界面活性剤
1 界面活性剤の付着のない金属ナノ粒子
2 合成当初の金属ナノ粒子(界面活性剤Xと金属ナノ粒子1からなる)
3 置換後の金属ナノ粒子(界面活性剤Yと金属ナノ粒子1からなる)
Claims (9)
- ポリアルキレンオキサイド基とカルボキシル基を有する有機化合物により構成される保
護剤が表面に被覆された金属ナノ粒子であって、
ポリアルキレンオキサイド基とカルボキシル基を有する有機化合物はアルコキシポリオ
キシエチレングリコールマレイン酸エステルを主骨格として有する、金属ナノ粒子。 - ポリアルキレンオキサイド基におけるアルキレン部における炭素数が2〜4であり、ポ
リアルキレンオキサイドの付加モル数が2〜30である、請求項1に記載の金属ナノ粒子
。 - 金属ナノ粒子を構成する金属は金、銀、銅、ニッケルのいずれかである、請求項1また
は2に記載の金属ナノ粒子。 - 金属粒子の一次粒子における数平均粒子径は50nm未満である、請求項1ないし3の
いずれかに記載の金属ナノ粒子。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の金属ナノ粒子のうち少なくとも2つ以上の粒子が
凝集して存在している凝集体。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の金属ナノ粒子が極性溶媒に分散している金属ナノ
粒子分散体。 - 極性溶媒がジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートである、請求項6に記
載の金属ナノ粒子分散体。 - 請求項6または7に記載の金属ナノ粒子分散体が印刷法を用いて描画されることにより
、形成された導電性回路。 - 請求項6または7に記載の金属ナノ粒子分散体から形成された金属を接合面に配置してなる接合体。
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