JP6100908B2 - 導電性組成物 - Google Patents
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Description
a.複数の金属粒子と、
b.複数のガラス粒子と、
c.相互有機溶媒中に溶解された少なくとも1つのセルロース誘導体および少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂を含む担体と、
を含む導電性組成物に関連する。
a.基板の表面の少なくとも一部へ本発明による導電性組成物を適用することと、
b.適用された導電性組成物を少なくとも部分的に乾燥させることと、次いで、
c.600℃を超える温度で焼結することと、
を含む。
0≦a≦0.4において、aは、好適には0〜0.25の範囲であり、より好適には0〜0.1の範囲であり、最も好適には0〜0.05の範囲であり、
0.01≦b≦0.99において、bは、好適には0.1〜0.95の範囲であり、より好適には0.3〜0.9の範囲であり、さらにより好適には0.45〜0.8の範囲であり、
0.01≦c≦0.99において、cは、好適には0.05〜0.95の範囲であり、より好適には0.1〜0.75の範囲であり、さらにより好適には0.2〜0.55の範囲であり、
0≦d≦0.3において、dは、好適には0〜0.15の範囲であり、より好適には0〜0.05の範囲であり、さらにより好適には0〜0.01の範囲であるが、
ただし、少なくとも1つの炭化水素基および少なくとも1つの官能基が存在し、かつa+b+c+d=1であることを条件とする。驚くべきことに、このような有機ポリシロキサン樹脂から、セルロース誘導体との高混和性ブレンドを得ることが可能であることが分かった。本発明の文脈において、「(高)混和性」という用語は、ブレンドが分子レベル上において単一相であることまたは混和性の熱力学的基準を満たすこと(すなわち、混合の負のギブズ自由エネルギーを有すること)を必ずしも必要としないが、ブレンドは実際はこれらの特性を持ち得る。しかし、本発明内において、「(高)混和性」という用語は、ブレンドがISO11357−2に従って示差走査熱量測定(DSC)によって測定されるような単一ガラス遷移温度を示すことおよび/またはブレンド中に存在し得る不連続の相構造の長さが最大寸法において200nm以下、好適には100nm以下、またはより好適には50nm以下であることも意味し得る。不連続の相構造の寸法は、当該分野において公知の透過電子顕微鏡法(TEM)によって決定され得る。図1は、エチルセルロースおよび化学式(II)の有機ポリシロキサン樹脂のブレンドの膜のTEM画像を例示する。
a.本発明による導電性組成物を基板の表面の少なくとも一部へ適用することと、
b.適用された導電性組成物を少なくとも部分的に乾燥させることと、
c.焼結を600℃を超える温度で行うこと。
ETHOCEL STD 10(EC STD 10):エチルセルロース(The Dow Chemical Companyから入手可能)、DS:2.5、Mw:83,000g/モル、PD:3.30
ETHOCEL STD 45(EC STD 45):エチルセルロース(The Dow Chemical Companyから入手可能)、DS:2.5、Mw:158,000g/モル、PD:3.04
ETHOCEL STD 100(EC STD 100):エチルセルロース(The Dow Chemical Companyから入手可能)、DS:2.5、Mw:214、000g/モル、PD:3.42
DC249:Si結合メチルおよびフェニル基を有する固体フレークヒドロキシル−官能有機ポリシロキサン樹脂(Dow Corning Corp.から入手可能)。Si−結合OH基の含有量:5重量%、モル比Ph/Me:1.3/1、Mw:2,763g/モル、29Si−NMRによって決定された構造パラメータ:a:0、b:0.67、c:0.33、d:0
DC217:Si−結合メチルおよびフェニル基(Dow Corning Corp.から入手可能)を有する固体フレークヒドロキシル−官能有機ポリシロキサン樹脂、Si−結合OH基の含有量:6重量%、モル比Ph/Me:6.6/1、残留物SiO2含有量:47重量%、Mw:2,000g/モル、29Si−NMRによって決定された構造パラメータ:a:0、b:0.57、c:0.43、d:0
201メチルシリコーン油:ポリジメチルシロキサン(Sinopharm Chemical Reagent Co.Ltd.から入手)、Si−結合OH基の含有量:0重量%、残留物SiO2含有量:74重量%
ブチルカルビトール(BC)(The Dow Chemical Company)、純度≧99.0重量%
テルピネオール(TP)(Sinopharm Chemical Reagent Co.Ltd.)、cpグレード
ブチルカルビトールアセテート(BCA)(The Dow Chemical Company)、純度≧99.6重量%
Al粉末KY456(Jin Yuan Powder Materials Co.Ltd.)
ガラスフリットXY18008(Xuan Yan Glass Materials Co.Ltd.)。
用いられるETHOCEL材料および有機ポリシロキサンの上記した重量平均分子量ならびに多分散性指数を、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により、温度40℃で保持されるAgilent屈折率検出器を備えたAgilent1200器具を用いて測定した。各測定において、20mgの各サンプル材料を10mLのテトラヒドロフラン(THF)中に溶解させた。その後、この溶液の20μLのアリコートを、分子量に従った分離のために40℃で保持されるタンデムモードにおいて2つのミニ混合Dカラム(4.6×250mm)を用いて1分当たり0.3mLのTHF/分の一定溶出速度で操作されるGPC器具の入口ポート中に注入した。分子量が580〜316,500g/モルの範囲のPLポリスチレン狭基準(部品番号2010−0101)を用いて、システム較正を行った。
29Si−NMR分光法により、例において用いられる有機ポリシロキサン樹脂を構成する非置換、一置換、二置換、および三置換構造モノマー単位の報告されたモル分率を定量的に決定した。固体状態29Si−NMRスペクトルを、Bruker Avance400幅広ボア器具上において22℃でジルコニアサンプルロータおよび各粉末状の有機ポリシロキサン樹脂がロードされた7mmのMASプローブと共に29Si共振周波数79.4MHzで取得し、直接分極/マジック角回転(MAS)実験を回転周波数4kHzで5μs90°励起パルスで、500sリサイクル遅延を単一走査間で用い、50kHzのTPPM減結合を384走査において平均化した。化学シフト(Δ)を外部基準のトリス(トリメチルシリル)シラン(TTMSS、Δ=−9.83、−138.36ppm)によって較正した。当業者に公知の各構造に対する化学シフト特性に従って、1倍、2倍または3倍置換または非置換構造モノマー単位の有機ポリシロキサンに対してピーク指定を行った(例えば、G.Engelhardt et al.,Journal of Organometallic Chemistry,54(1974),115−122C.B.Wu et al.,High Performance Polymers,22(2010),959−973、およびHuang et al.,Journal of Applied Polymer Science,70(1998),1753−1757)。)調査したポリシロキサンについて、以下に示すように、以下のピークが観察され、割り当てられた:DC217について、δ=−17.5ppm(Me)2Si(O1/2)2、δ=−56.2ppm(HO)(Me)Si(O1/2)2、δ=−63.6ppm(Me)Si(O1/2)3、δ=−68.7ppm(HO)(Ph)Si(O1/2)2およびδ=−78.8ppm(Ph)Si(O1/2)3forDC249;δ=−60.6ppm(Me)Si(O1/2)3、δ=−69.1ppm(HO)(Ph)Si(O1/2)2およびδ=−78.3ppm(Ph)Si(O1/2)3。その後、モル分率を、各種類の構造モノマー単位(a:[R1R2R3SiO0。5]、b:[R4R5SiO]、c:[R6SiO1.5]、d:[SiO2])に関連する全ピークの累積統一面積と、全ピークの累積された合計統一面積との間の比として計算する。各29SiDP/MAS NMRスペクトルのピークデコンボリューションをDMFit曲線適合プログラムを用いて行った(D.Massiot et al.,Magn.Reson.Chem.,vol.40(2002),70−76)。これらのピークを、デコンボリューションパラメータとしての混合されたガウス/ローレンツ特性、線幅および強度と自由適合させた。4kHzにおけるマジック角回転から得られた主要回転サイドバンドをこの適合において考慮した。特定の構造モノマー単位と関連付けられたパラメータ値a、b、cまたはdがゼロであると報告された場合、各構造単位に対応する信号は29Si−NMR分析内において検出されなかったが、検出制限未満の量のこのような構造単位の実際の存在を排除しない。
10.0gのEC STD100および4.3gのDC249を、84重量部のトルエン、5.3重量部のアセトン、および10.7重量部のエチルアセテートの90gの溶媒混合物中に溶解させることによって得られた均質の溶液をガラス基板上においてElco計測器4340自動膜アプリケータを用いてキャストし、オーブン中において60℃で2時間乾燥させた後、120℃で2時間で乾燥させ、その後乾燥した膜を基板から剥離することにより、厚さ90μmのブレンド膜を準備した。キャスト膜の中央領域から得られた厚さ約60nmの断面をLeica EM UC6ミクロトームによって入手し、1000メッシュTEMグリッド上に収集した。0.5重量%水溶性RuO4溶液の気相へ10分間露出することにより、膜断面を染色し、その後、100kVでGatan−791および794デジタルカメラと共に動作するJEOL JEM−1230透過型電子顕微鏡上において画像化した。図1は、このようにして得られたTEM画像を示し、ブレンドにより、極めて均質のナノ構造からEC STD100およびDC249が得られることを示している。これは、化学式(II)の他の有機ポリシロキサン樹脂のブレンド(例えば、DC217およびチルセルロース材料のブレンド)においても確認された。TEM分析時において毎回別個の特徴が示される場合、図1中に例示的に示すように均一のマトリックス中に分散された場合に最大寸法長さが200nm未満である特徴を示す。これは、化学式(II)の有機ポリシロキサン樹脂とセルロース誘導体との優れた混和性を示す。
16gのETHOCEL STD45および4gのDC217を180gのブチルカルビトールへ撹拌下で適用することにより、本発明による担体(例1A)を調製した。攪拌した混合物を約70℃まで加熱し、固体を完全溶解させるため、この温度で3時間保持した。その後、その結果得られた均質の溶液を雰囲気温度まで冷却した。
異なる導電性アルミニウムペーストを、表2、3および4に示す配合に従って調製した。第1のステップにおいて、エチルセルロースおよび有機ポリシロキサン成分DC217または201メチルシリコーン油および任意の溶解性添加剤を相対量でそれぞれ各有機溶媒中に表に記載の配合で撹拌下で溶解させ、温度約70℃まで加熱し、3時間保持した。その後、その結果得られた均質の担体溶液を雰囲気温度まで冷却した。その後、アルミニウム粉末、ガラスフリットおよび有機溶媒中に溶解しない任意の添加剤を、表に記載の配合に従って各相対量でそれぞれ対応する担体溶液へ適用し、攪拌により分散させた。スクレーパーにより深い端部からゲージの浅い端部まで均一動作で掬い取られたペーストの微粉度がスケール範囲0〜25μmおよびステップ幅1.25μmを有する段階型Hegman型ゲージ(Shanghai Xiandai Environmental Engineering Technique Co.Ltd.から提供)を用いたASTM−D1210を用いて測定した際に15μm未満になるまで、各分散物をPuhler PTR 65Cスリーロールミルによって均質化させた。このような微粉度を達成した後、ペーストを真空脱気し、さらなる使用のために保存した。
表2に記載の配合は、本発明による導電性Alペーストであり、このようなチキソトロピック剤(例5)を含まない組成物と比較して、チキソトロピック剤であるHycasol R12(例3A〜C)およびCrayvallac MT(例4A〜C)それぞれの量を系統的に増加させた。チクソ性指数を回転速度0.1rpmにおける測定粘度と粘度1rpmにおいて測定された粘度との間の比として計算した点を除いて、これらのペーストのレオロジー特性を担体溶液に述べたように測定した。粘度、チキソトロピックループおよびチクソ性指数η0。1/η1の結果を表2に示す。例3A〜Cおよび4A〜Cから分かるように、例5と比較して、本発明による導電性組成物のチキソトロピック特性は、アミド官能ワックスの組み込みにより大幅に向上させることができる。粘度、チキソトロピックループおよびチクソ性指数は、Hycasol R12またはCrayvallac MTの適用量と共に安定して増加する。このようなアミドワックスをペーストの総重量に基づいてわずか0.06重量%の量で適用することにより、チキソトロピックループを約50%だけ増加させることができる。同時に、チキソトロピック剤が0重量%である場合にチクソ性指数を1.6から増加させることができ、添加剤が0.06重量%である場合に2.9以上まで増加させることができる。よって、本発明により、良好に画定された基板上の導電性構造の例えばスクリーン印刷による作製において、優れた処理特性を示す(詳細には、流動性が低く、沈下抵抗が高く、せん断応力が適用されていないときの形状保持能力が優れている一方、せん断応力適用により粘度を大幅に低減することができる)導電性ペーストが得られる。
Claims (9)
- 導電性組成物であって、当該導電性組成物の総重量に基づいて、
a.60〜84.7重量%の複数の金属粒子と、
b.0.1〜5重量%の複数のガラス粒子と、
c.15〜30重量%の相互有機溶媒中に溶解された0.1〜5重量%の少なくとも1つのセルロース誘導体および0.1〜5重量%の少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂を含む担体と、
を含む、導電性組成物。 - 前記少なくとも1つのセルロース誘導体は、セルロースエステルおよび/またはセルロースエーテルである、請求項1に記載の導電性組成物。
- 前記少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂は、式、
[R1R2R3SiO0.5]a[R4R5SiO]b[R6SiO1.5]c[SiO2]d
の組成物を有し、式中、前記置換基R1、R2、R3、R4、R5およびR6はそ
れぞれ独立して、炭化水素基、またはヒドロキシル、アシルオキシ基、もしくはアルコキシ基から選択される官能基を表し、各個々のケイ素原子について相互に同一であるかまたは異なり得、
0≦a≦0.4であり、
0.01≦b≦0.99であり、
0.01≦c≦0.99であり、
0≦d≦0.3であるが、
ただし、少なくとも1つの炭化水素基および少なくとも1つの官能基が存在し、かつa+b+c+d=1であることを条件とする、
請求項1または2に記載の導電性組成物。 - 前記少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂は、ヒドロキシ官能性である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の導電性組成物。
- 前記少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂は、分岐状分子構造を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の導電性組成物。
- 前記少なくとも1つの固体有機ポリシロキサン樹脂は、ゲル浸透クロマトグラフィーによってポリスチレン標準物質を用いて測定されるとき、1,000〜300,000g/モルの範囲の重量平均分子量を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の導電性組成物。
- 前記導電性組成物は、ペーストでありかつ/またはBrookfield RVDV−II+Pro器具によって温度23℃において51番スピンドルおよび回転速度1rpmで測定されるとき、5,000〜200,000mPa・sの範囲の粘度を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の導電性組成物。
- 基板上に1つ以上の導電性構造を作製する方法であって、
a.請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電性組成物を前記基板の表面の少なくとも一部へ適用することと、
b.前記適用された導電性組成物を少なくとも部分的に乾燥させることと、次いで
c.焼結を600℃を超える温度で行うことと、
を含む、方法。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電性組成物から作製された1つ以上の電極を含む、半導体太陽電池。
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