JP6108138B2 - 導電パターン付絶縁基材 - Google Patents

Description

この発明は、電極等として用いることのできる導電パターン付絶縁基材に関する。

近年では、高分子アクチュエータやタッチパネル用部材のように、絶縁性のポリマーシートに電極を形成した部材が種々検討されている。高分子アクチュエータは、絶縁膜の両面に導電膜からなる電極を形成し、この電極間に電圧を印加することにより、電気エネルギーを運動エネルギーに変えるものである。具体的には、絶縁膜の両面に形成された電極間に電圧を印加することで、電極間にクーロン力による吸引力が作用し、絶縁膜は厚み方向に押圧されて伸張される（例えば、特許文献１、２参照）。

図３は、特許文献１で開示された高分子アクチュエータを模式的に示した図である。高分子アクチュエータ３０は絶縁膜となるポリマ３１の両側に構造化電極３２，３３を備えている。この場合、これらの構造化電極３２（３３）は、電荷分布層３２ａ（３３ａ）と金属パターン３２ｂ（３３ｂ）とからなり、金属パターン３２ｂ（３３ｂ）は、電荷分布層３２ａ（３３ａ）の上に平行な線状にパターニングされて形成されている。電圧を金属パターン３２ｂ、３３ｂ間に印加することで、３２ａ、３３ａそして３１が伸縮する。しかしながら、電荷分布層３２ａ、３３ａは数％オーダーで伸縮するため、電荷分布層３２ａ（３３ａ）と金属パターン３２ｂ（３３ｂ）との界面で金属パターン３２ｂ（３３ｂ）の剥がれが生じるという問題が生じた。

図４は、特許文献２で開示された高分子アクチュエータを模式的に示した図である。前記の問題を解決するため、特許文献２においては、図４に示すように、高分子アクチュエータ４０は、絶縁性エラストマー４１の両側に金属パターン４４，４５を配し、その上に導電性エラストマー４２，４３を被せる構造とすることが提案されている。これによって、絶縁性エラストマーと導電性エラストマーとの間の密着力によって金属パターンが剥がれるのを防ぐことが試みられている。

特表２００３−５０６８５８号公報 特開２００９−５５７００号公報

しかし、特許文献２の技術では、金属パターンを導電性エラストマーが覆うが、前記導電性エラストマーはフィラーを入れたものであり、導電率は金属や有機導電性材料に比べて低くなるため、損失が増えてしまう、という問題が生じる。また、絶縁性エラストマーの上に導電性エラストマーを位置決めして形成することに加え、金属パターンを形成する必要があるので、工程が複雑になる。

本発明は上記問題点を解決するものであり、簡易な構造で導電性材料の剥離を防ぐことが可能な導電パターン付絶縁基材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の導電パターン付絶縁基材は、絶縁基材層と、前記絶縁基材層上に形成された金属層と、前記金属層上に形成された導電性材料からなる導電パターンとを含み、前記金属層の厚みは１０ｎｍ以下であって、前記導電性材料は、有機導電性材料であって、前記金属層は、絶縁基材層上に断続的に形成され、かつ面内方向の抵抗値は、前記導電パターンの面内方向の抵抗値よりも０．１ＭΩ以上大きいことを特徴とする。

本発明の導電パターン付絶縁基材において、前記金属層の面内方向の抵抗値は、前記絶縁基材層の面内方向の抵抗値との差が１００ＭΩ以内であることが好ましい。

本発明の導電パターン付絶縁基材において、前記金属層の面内方向の抵抗値は、０．１ＭΩ以上１００ＭΩ以下の範囲内にあることが好ましい。

また、本発明の導電パターン付絶縁基材において、前記絶縁基材層は電歪材料であってもよい。

本発明の導電パターン付絶縁基材において、前記金属層は、アルミニウム、銅、プラチナ、金、ニッケル、またはこれらの合金からなる群から選択される金属を含んでいることが好ましい。

本発明のアクチュエータは、前記本発明の導電パターン付絶縁基材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構造で導電性材料の剥離を防ぐことが可能な、導電パターン付絶縁基材を提供することができる。本発明の導電パターン付絶縁基材は、例えば、アクチュエータに好適に使用することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明に係る導電パターン付絶縁基材１０の断面図である。 図２は、本発明の導電パターン付絶縁基材を用いたアクチュエータの動作を説明する図である。図２（ａ）は変形していない状態のアクチュエータ、図２（ｂ）は変形した状態のアクチュエータである。 図３は、従来例の高分子アクチュエータの一例を模式的に示す断面図である。 図４は、従来例の高分子アクチュエータの他の例を模式的に示す断面図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。

図１に、本発明に係る導電パターン付絶縁基材１０の断面図を示す。この導電パターン付絶縁基材１０は、高分子アクチュエータとして使用することができる。導電パターン付絶縁基材１０は、絶縁基材層１１、金属層１２および導電パターン１３を含む。金属層１２は絶縁基材層１１上に形成されている。導電パターン１３は、導電性材料からなり、金属層１２上に形成されている。

金属層１２の面内方向の抵抗値は、導電パターン１３の面内方向の抵抗値よりも大きい値を有しており、前記金属層の面内方向の抵抗値と前記導電パターンの面内方向の抵抗値との差が０．１ＭΩ以上であり、前記差は、０．１ＭΩ以上１００ＭΩ以下の範囲内にあることが好ましい。また、金属層１２の面内方向の抵抗値は、絶縁基材層１１の面内方向の抵抗値よりも小さい値を有しているが、本発明において、絶縁基材層１１の面内方向の抵抗値との差は１００ＭΩ以内であることが好ましく、前記差は、０．１ＭΩ以上１００ＭΩ以下の範囲内にあることがより好ましい。また、金属層１２の面内方向の抵抗値は、０．１ＭΩ以上１００ＭΩ以下の範囲内にあることが好ましく、１０ＭΩ以上１００ＭΩ以下の範囲内にあることがより好ましい。このような面内方向の抵抗値を有する金属層１２は、厚みを薄くすることで形成することができる。

金属層１２の厚みは、１０ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲である。金属層１２を薄く形成すると、絶縁基材層１１を曲げるなどの変形をした場合であっても、金属層１２は絶縁基材層１１の変形に追随しやすいので、絶縁基材層１１の変形を阻害しない。そして、厚み１０ｎｍ以下の金属層は、バルクとしての特性が弱いため、電気抵抗は大きなものとなる。例えば、テスターで表面抵抗を測定した場合、バルクでの面内方向の抵抗値が１０ｍΩ程度の金属であっても、厚み１０ｎｍ以下の層での面内方向の抵抗値は、数十ＭΩ程度の値を示すようになる。したがって、金属層１２上に有機導電性材料等の導電パターン１３を形成しても、導電パターン１３同士は導通することがない。なお、本発明においては、面内方向の抵抗値は、テスターの２つのプローブを面内において１０ｍｍ離れた点に当てて測定した抵抗値をいう。

金属層１２の面内方向の抵抗値は高い値であるほどよい。面内方向の抵抗値が高い場合、導電パターン１３同士の導通を防ぐ一方で、厚み方向の抵抗値は金属層１２を形成する金属の抵抗値を有することとなるので、厚み方向には導電性が確保される。

金属層１２は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、またはこれらの合金からなる群から選択される金属を含んでいることが好ましい。これらの金属は、スパッタリング等の方法によって絶縁基材層１１上に層を形成することができる。ここで、金属層１２の厚みとは、平均厚みを指し、金属層１２は、被膜状であるものに限られず、完全に繋がっていない形状のものを含む。例えば、金属層１２がスパッタリングによって形成される場合には、水晶振動子等のモニターによって厚みの制御を行う。

本発明において、絶縁基材層１１としては、絶縁性を有していればよく、圧電フィルムやタッチパネル材料をはじめとする機能性フィルムへの適用が可能である。圧電フィルムの材料としては、例えば、高分子電歪材料を用いることができる。高分子電歪材料は、永久双極子を有する高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ系の共重合体、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）およびＰ（ＶＤＦ−ＶＦ）などのコポリマーや、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）およびＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）などのターポリマーが挙げられる。ここで、Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロジフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを意味する。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、電圧の印加により大きな歪みが得られる点で特に好ましい。タッチパネル材料としては、ＰＥＴフィルム、ポリイミドフィルム等を用いることができる。絶縁基材層１１の厚みは適宜設定してよいが、例えば数μｍ以上１００μｍ以下程度とすることができる。

導電パターン１３は、電極として機能し得る有機導電性材料から形成される。かかる有機導電性材料の例としては、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）などが挙げられる。有機導電性材料は、金属材料に比べて、導電パターン１３を形成する絶縁基材層１１の変形（動き）に追従でき、絶縁基材層１１の変形を阻害せず、また、導電パターン１３にクラックが導入され難いので好ましい。また、有機導電性材料は、インクを調製して刷毛塗り、マスクを用いたスプレー塗装、あるいはインクの粘度が高い場合にはスクリーン印刷等の方法で電極を形成することができる。導電パターン１３の厚みは、使用する導電性材料などに応じて適宜設定してよいが、例えば１０ｎｍ〜１０μｍ程度とすることができる。

本発明において、導電パターン１３は金属層１２上に形成されている。前述のような面内方向の抵抗値を有している金属層１２は厚みが薄く、金属がバルク化していないため、層の表面に数ｎｍの凹凸を有していると考えられる。この凹凸によって表面積が増え、金属層１２と前記導電性材料との接着性は向上する。また、このように厚みが薄い金属層１２は、絶縁基材層１１の変形に追随しやすく、絶縁基材層１１から剥離しにくい。したがって、導電パターン付絶縁基材１０において、導電パターン１３を剥離しにくくすることができる。

導電パターン１３を形成する導電性材料が有機導電性材料である場合、材料の劣化が問題となる場合があった。有機導電性材料は、紫外光、温度、酸化などの外部刺激により内部にもつ二重結合部に欠陥が生じることで、導電特性が劣化すると言われている。導電率が下がることで、さらに発熱などが生じて、劣化が加速する。また、有機導電性材料、特にＰＥＤＯＴは、コロイド状の粒子を形成するために絶縁基材層１１に密着しにくい。そのため、パターンの形成においてはバインダを用い、バインダを介して導電粒子が絶縁基材層１１と接着して配列することになる。この導電粒子の配列は、絶縁基材層１１の変形によって乱されることがあり、そうすると導電率は低下し、前記と同様に劣化が加速することとなる。本発明では、断続的に存在する薄い金属層１２が、有機導電性材料からなる層をネットワークでつないでおり、導電率が下がりにくくしている。その結果、全体としての導電特性の劣化を抑えるという効果を得ることができる。

（実施例１）
絶縁基材層１１として、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥからなる長さ１８ｍｍ、幅９ｍｍ、厚み１０μｍのフィルムを準備した。前記フィルムは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム上に溶媒に溶かしたフィルム材料を、ドクターブレードなどの方法によって成形した後に、前記ＰＥＴフィルムから剥離して得ることができる。このフィルムに、ロール・ツー・ロールのスパッタ装置を使用して、金属層１２を形成した。金属としては、Ａｌを用い、金属層の厚みは３ｎｍ以上５ｎｍ以下とした。

この金属層１２を形成したフィルム（絶縁基材層１１）上に、スクリーン印刷によって有機導電性材料であるＰＥＤＯＴをパターニングし、その後、８０℃で５分乾燥させ、導電パターン１３ａ、１３ｂを形成した。このようにして導電パターン付絶縁基材１０を得た。ＰＥＤＯＴのパターニングにおいては、バインダとしてアミド基を含有するモノマーと、アクリル系モノマーあるいはビニル系モノマーとを用い、ＰＥＤＯＴとバインダとを含むインクを調製してスクリーン印刷を行った。

このとき、金属層１２の面内方向の抵抗値は１０ＭΩ、前記導電パターンの面内方向の抵抗値は１０Ω以上１００Ω以下の間にあり、これらの抵抗値の差は１０ＭΩであった。

得られた導電パターン付絶縁基材１０を用いてアクチュエータ２０を作製した。アクチュエータ２０は、導電パターン付絶縁基材１０とフレキシブル基材２１とを有しており、導電パターン付絶縁基材１０はフレキシブル基材２１と接着されている。フレキシブル基材２１として、長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み１００μｍのＰＥＴフィルムを用いた。

図２に、このアクチュエータの動作を説明する図を示す。図２（ａ）は変形していない状態のアクチュエータ、図２（ｂ）は変形した状態のアクチュエータである。アクチュエータ２０においては、導電パターン付絶縁基材１０の導電パターン１３ａ、１３ｂを電極として用いることができる。電極（導電パターン１３ａ、１３ｂ）には、電圧を印加するための引き出し線２３ａ、２３ｂが接続されている。フレキシブル基材端部２１ａは固定平面２２に固定されており、力の支点として働く。一方、フレキシブル基材２１のもう一方の端部２１ｂは力の作用点として働く。

電圧１０００Ｖを引き出し線に印加すると、電圧は電極（導電パターン１３ａ、１３ｂ）に印加される。電圧は電極内ではほぼ一定であり、対向する電極間では、電界が発生する。電歪材料であるＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥは、電極方向には縮み、電極対向方向とは垂直方向には伸びる。しかしながら、電極１３ａ部では、フレキシブル基材２１によって動きが拘束されているため、結果的にはフレキシブル基材２１は一方向に曲げ変形を起こす。本実施例においては、先端の変位Ｘは１０ｍｍと大きな変位を実現することができた。

このように、電界印加によって絶縁基材層１１が大きく歪んでも、金属層１２は、有機導電性材料（導電パターン１３）と絶縁基材層１１とで挟まれているため、剥がれにくくなる。有機導電性材料は、接着性を有するバインダを介してパターン形成の対象となる基材と接着して、導電粒子が配列することになる。このとき、基材表面に、数ｎｍ程度の厚みの金属層による表面凹凸があると、表面積が増えることにより接着性は増す。

また、前記のような電歪材料は、一般に、８０Ｖ／μｍの電界で２％程度歪む。通常の電極として機能するような低い抵抗値を有するように形成された金属層は、弾性限界は０．５％以下であるため、変形に追随できず、フィルムの変形を阻害する、あるいは、金属層にクラックが発生することがある。一方、本実施例のように１０ｎｍ以下の厚みの金属層の場合は、金属層中で金属は断続的に存在しているにすぎないので、変形しやすい。そのため、電界印加によるフィルムの変形を阻害することはない。本構造の導電パターン付絶縁基材を用いることで、アクチュエータの電極部の信頼性は上がり、長時間の駆動が可能となる。

なお、前記の金属層１２および導電パターン１３ａ、１３ｂの形成においては、フィルム（絶縁基材層１１）の片面にスパッタを行い、その面に導電パターンのパターニングをし、さらにフィルムのもう片面についてスパッタおよび前記パターニングを行ってもよいし、フィルム（絶縁基材層１１）の両面をまずスパッタしてから片面ずつ前記パターニングを行ってもよい。

また、フレキシブル基材２１は、導電パターン付絶縁基材１０の変形に追従して湾曲させることが可能である限り、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、ＰＥＴの他に、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材２１は、上述したような電歪材料から形成してもよい。フレキシブル基材２１の厚みは適宜設定してよいが、例えば数μｍ以上１００μｍ以下程度とすることができる。

本発明の導電パターン付絶縁基材は、種々の用途への適用が可能である。例えば、上記の実施形態のようなアクチュエータ以外にも、タッチパネルなど、各種の用途に適用できる。

１０ 導電パターン付絶縁基材
１１ 絶縁基材層
１２ 金属層
１３、１３ａ、１３ｂ 導電パターン
２０ アクチュエータ
２１ 基材（フレキシブル基材）
２１ａ、２１ｂ 基材端部
２２ 固定平面（動作固定端）
２３ａ、２３ｂ 引き出し線
３０、４０ 高分子アクチュエータ
３１ ポリマ
３２、３３ 構造化電極
３２ａ、３３ａ 電荷分布層
３２ｂ、３３ｂ 金属パターン
４１ 絶縁性エラストマー
４２、４３ 導電性エラストマー
４４、４５ 金属パターン

Claims (6)

1. 絶縁基材層と、
   前記絶縁基材層上に形成された金属層と、
   前記金属層上に形成された導電性材料からなる導電パターンとを含み、
   前記金属層の厚みは１０ｎｍ以下であって、
   前記導電性材料は、有機導電性材料であって、
   前記金属層は、絶縁基材層上に断続的に形成され、かつ面内方向の抵抗値は、前記導電パターンの面内方向の抵抗値よりも０．１ＭΩ以上大きいことを特徴とする導電パターン付絶縁基材。
2. 前記金属層の面内方向の抵抗値は、前記絶縁基材層の面内方向の抵抗値との差が１００ＭΩ以内である、請求項１記載の導電パターン付絶縁基材。
3. 前記金属層の面内方向の抵抗値は、０．１ＭΩ〜１００ＭΩの範囲内にある、請求項１または２記載の導電パターン付絶縁基材。
4. 前記絶縁基材層は電歪材料である、請求項１から３のいずれか一項に記載の導電パターン付絶縁基材。
5. 前記金属層は、アルミニウム、銅、プラチナ、金、ニッケル、またはこれらの合金からなる群から選択される金属を含んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載の導電パターン付絶縁基材。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の導電パターン付絶縁基材を備えるアクチュエータ。

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