JP6213994B2 - 光酸化剤による導電性膜印刷用親水性パターン形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光酸化剤を用い、疎水性表面に親水性パターンを正確、高精度に形成する技術に関する。より具体的には、プリンテッド・エレクトロニクス(Printed Electronics)等の技術分野において、電極、配線等の導電性膜をはじめとした各種のパターンを形成する際に好適に利用することのできる親水性パターンを正確、高精度に形成する技術に関する。
プリンテッド・エレクトロニクス(Printed Electronics)は、印刷技術を利用して電子回路、デバイス等を形成するもので、低コスト化、生産性向上、さらには省資源など環境調和性にも期待されている。その生産・実用化の製品開発分野は、フレキシブル配線技術開発、太陽電池製品の開発、有機ＥＬディスプレイ・デジタルサイネージ・電子ペーパ開発、センサ技術、ヘルスケア技術開発、など、非常に多岐に渡っている。
そのようなプリンテッド・エレクトロニクスにおける配線や電極等の導電性パターン形成技術に利用できるものとして、光酸化剤水溶液が塗布された疎水性表面を所定パターンで光照射処理して所定の親水性パターンを形成する技術が注目されている(例えば、特許文献１〜３参照)。
P. Yang et al., Polymer 44 (2003) 7157-7164
前述の光酸化剤水溶液が塗布された疎水性表面を光照射処理して親水性パターンを形成する技術は、比較的簡単、低コストのプロセスである等の長所を有するが、形成される親水性パターンがフォトマスクの光照射パターンよりも大きくなってしまうという問題点があり、所望の導電性パターン等を正確、高精度に形成できない欠点がある。
本発明は、このような問題点や欠点を解決し、光酸化剤水溶液が塗布された疎水性表面を光照射処理して親水性パターンを形成する技術において、光照射パターンよりも大きくならない正確、高精度、又は、所定の割合で縮小した親水性パターンを形成する親水性パターン形成方法を提供することを課題とする。
本発明は、このような問題点や欠点を解決し、光酸化剤水溶液が塗布された疎水性表面を光照射処理して親水性パターンを形成する技術において、光照射パターンよりも大きくならない正確、高精度、又は、所定の割合で縮小した親水性パターンを形成する親水性パターン形成方法を提供することを課題とする。
本発明者は鋭意検討した結果、光酸化剤水溶液としてアルコールが添加されたものを用いることにより、光照射により形成される親水性パターンをフォトマスク等による光照射のパターンと同じか縮小した形状に調整できることを知見した。
本発明は、このような知見に基づくものであり、本件では、次のような発明が提供される。
（１）疎水性表面に光酸化剤の水溶液膜を形成した後、該水溶液膜で被覆された疎水性表面のうち所定パターン領域を光照射し、親水性パターンを形成する親水性パターン形成方法において、該光酸化剤の水溶液としてアルコールが添加されたものを用いることを特徴とする、親水性パターン形成方法。
（２）前記疎水性表面は、基材表面に自己組織化単分子膜が形成されたものであることを特徴とする、(１)に記載の親水性パターン形成方法。
（３）前記基材が金属であり、前記自己組織化単分子膜の単分子がアルカンチオールであることを特徴とする、(１)または(２)に記載の親水性パターン形成方法。
（４）前記光酸化剤は、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムから選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、(１)〜(３)のいずれか１項に記載の親水性パターン形成方法。
（５）上記(１)〜(４)のいずれか１項に記載の方法で形成された親水性パターンに導電性膜を形成することを特徴とする、導電性パターン膜形成方法。
（１）疎水性表面に光酸化剤の水溶液膜を形成した後、該水溶液膜で被覆された疎水性表面のうち所定パターン領域を光照射し、親水性パターンを形成する親水性パターン形成方法において、該光酸化剤の水溶液としてアルコールが添加されたものを用いることを特徴とする、親水性パターン形成方法。
（２）前記疎水性表面は、基材表面に自己組織化単分子膜が形成されたものであることを特徴とする、(１)に記載の親水性パターン形成方法。
（３）前記基材が金属であり、前記自己組織化単分子膜の単分子がアルカンチオールであることを特徴とする、(１)または(２)に記載の親水性パターン形成方法。
（４）前記光酸化剤は、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムから選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、(１)〜(３)のいずれか１項に記載の親水性パターン形成方法。
（５）上記(１)〜(４)のいずれか１項に記載の方法で形成された親水性パターンに導電性膜を形成することを特徴とする、導電性パターン膜形成方法。
また、本発明は、次のような態様を含むことができる。
（６）前記光酸化剤の水溶液におけるアルコール添加量が0.001〜1ｗｔ％であることを特徴とする、親水性パターン形成方法。
（７）前記金属が金であり、前記アルカンチオールが炭素数7〜30のものであることを特徴とする、(３)に記載の親水性パターン形成方法。
（８）前記アルコールが、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノールから選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、(１)〜(４)、(６)、(７)のいずれか１項に記載の親水性パターン形成方法。
（９）上記(６)〜(８)のいずれか１項に記載の方法で形成された親水性パターンに導電性膜を形成することを特徴とする、導電性パターン膜形成方法。
（６）前記光酸化剤の水溶液におけるアルコール添加量が0.001〜1ｗｔ％であることを特徴とする、親水性パターン形成方法。
（７）前記金属が金であり、前記アルカンチオールが炭素数7〜30のものであることを特徴とする、(３)に記載の親水性パターン形成方法。
（８）前記アルコールが、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノールから選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、(１)〜(４)、(６)、(７)のいずれか１項に記載の親水性パターン形成方法。
（９）上記(６)〜(８)のいずれか１項に記載の方法で形成された親水性パターンに導電性膜を形成することを特徴とする、導電性パターン膜形成方法。
本発明の方法によれば、各種の疎水性表面に比較的簡単で低コストの操作で、光照射パターンよりも大きくならない正確、高精度、又は、所定の割合で縮小した種々の親水性パターンを形成することができる。また、形成された親水性パターンは、正確、高精度の導電性パターン膜の形成に利用することができる。
本発明の親水性パターンの形成方法は、疎水性表面に光酸化剤の水溶液膜を形成した後、該水溶液膜で被覆された疎水性表面のうち所定パターン領域を光照射し、親水性パターンを形成する技術において、前記光酸化剤の水溶液としてアルコールが添加されたものを用いる点に特徴を有している。
アルコールを添加しない光酸化剤水溶液を用いる場合、形成される親水性パターンは、光照射領域よりも大きなパターン(光照射領域を拡大したパターン)となってしまうが、アルコールを添加した光酸化剤水溶液を用いた場合、アルコール添加量を調整することにより、光照射領域と同じ正確な高精度の形状としたり、光照射領域を所定の割合で縮小した形状のパターンとしたりすることができる。
以下、本発明の発明特定事項ごとに具体的に説明する。
アルコールを添加しない光酸化剤水溶液を用いる場合、形成される親水性パターンは、光照射領域よりも大きなパターン(光照射領域を拡大したパターン)となってしまうが、アルコールを添加した光酸化剤水溶液を用いた場合、アルコール添加量を調整することにより、光照射領域と同じ正確な高精度の形状としたり、光照射領域を所定の割合で縮小した形状のパターンとしたりすることができる。
以下、本発明の発明特定事項ごとに具体的に説明する。
（疎水性表面）
本発明において、疎水性表面とは、水に対する接触角が50°以上、好ましくは70°以上の表面をいう。
本発明で用いる疎水性表面は、疎水性材料からなる基材の疎水性表面であってもよいし、各種の基材の表面を塗布、被覆等の各種処理によって基材表面上に形成されたものであってもよい。
基材を構成する疎水性材料や、基材表面上の疎水性表面となる塗布乃至被覆材料の疎水性材料としては、限定するものではないが、各種樹脂、自己組織化膜を形成する単分子等が挙げられる。
各種樹脂としては、限定するものではないが、ポリエステル系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ウレタン系樹脂、アミド系樹脂、セルロース系樹脂、オレフィン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート、ポリサルフォン、ポリカプロラクトン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられ、これらの樹脂は、１種単独でもよいし、２種以上併用することもできる。
自己組織化膜を形成する単分子としては、限定するものではないが、チオール基を有するもの、リン酸基を有するもの、ホスホン基を有するもの等、一端が基材に結合し他端部が疎水性を示すものをいずれも用いることができる。チオール基を有するものとしては、限定するものではないが、アルカンチオール、環状チオール等を挙げることができる。アルカンチオールとしては、炭素数が7〜30、より好ましくは10〜20、さらに好ましくは12〜18のものが挙げられる。アルカンチオールは、自己組織化能や疎水性表面形成能を大きく阻害しない範囲で各種の置換基を有するものとすることができる。
塗布、被覆等の各種処理によって基材表面上に疎水性表面を形成する場合の基材としては、限定するものではないが、金、銀、銅、アルミニウム等の金属や合金、ハンダ用合金、上述のような樹脂やそれらの樹脂表面が親水化処理されたもの、各種セラミックス等を挙げることができる。
本発明において、疎水性表面とは、水に対する接触角が50°以上、好ましくは70°以上の表面をいう。
本発明で用いる疎水性表面は、疎水性材料からなる基材の疎水性表面であってもよいし、各種の基材の表面を塗布、被覆等の各種処理によって基材表面上に形成されたものであってもよい。
基材を構成する疎水性材料や、基材表面上の疎水性表面となる塗布乃至被覆材料の疎水性材料としては、限定するものではないが、各種樹脂、自己組織化膜を形成する単分子等が挙げられる。
各種樹脂としては、限定するものではないが、ポリエステル系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、ウレタン系樹脂、アミド系樹脂、セルロース系樹脂、オレフィン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ポリカーボネート、ポリサルフォン、ポリカプロラクトン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられ、これらの樹脂は、１種単独でもよいし、２種以上併用することもできる。
自己組織化膜を形成する単分子としては、限定するものではないが、チオール基を有するもの、リン酸基を有するもの、ホスホン基を有するもの等、一端が基材に結合し他端部が疎水性を示すものをいずれも用いることができる。チオール基を有するものとしては、限定するものではないが、アルカンチオール、環状チオール等を挙げることができる。アルカンチオールとしては、炭素数が7〜30、より好ましくは10〜20、さらに好ましくは12〜18のものが挙げられる。アルカンチオールは、自己組織化能や疎水性表面形成能を大きく阻害しない範囲で各種の置換基を有するものとすることができる。
塗布、被覆等の各種処理によって基材表面上に疎水性表面を形成する場合の基材としては、限定するものではないが、金、銀、銅、アルミニウム等の金属や合金、ハンダ用合金、上述のような樹脂やそれらの樹脂表面が親水化処理されたもの、各種セラミックス等を挙げることができる。
（光酸化剤）
本発明における光酸化剤としては、限定するものではないが、過硫酸ナトリウム(Na2S2O8)、過硫酸アンモニウム(NH4S2O8)、過硫酸カリウム(K2S2O8)から選択される１種又は２種以上とすることができる。
光酸化剤水溶液における光酸化剤の濃度は、必要とされる親水性に応じて調整することができる。通常における求められる親水性としては、水に対する接触角が40°以下、より好ましくは30°以下、さらに好ましくは20°以下である。
そのような親水性とするための光酸化剤の濃度は、光酸化剤の種類にもよるが、通常は、1〜40wt％、好ましくは2〜30wt％、より好ましくは3〜20wt％である。
本発明における光酸化剤としては、限定するものではないが、過硫酸ナトリウム(Na2S2O8)、過硫酸アンモニウム(NH4S2O8)、過硫酸カリウム(K2S2O8)から選択される１種又は２種以上とすることができる。
光酸化剤水溶液における光酸化剤の濃度は、必要とされる親水性に応じて調整することができる。通常における求められる親水性としては、水に対する接触角が40°以下、より好ましくは30°以下、さらに好ましくは20°以下である。
そのような親水性とするための光酸化剤の濃度は、光酸化剤の種類にもよるが、通常は、1〜40wt％、好ましくは2〜30wt％、より好ましくは3〜20wt％である。
（アルコール）
光酸化剤に添加されるアルコールとしては、限定するものではないが、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノールから選択される１種又は２種以上とすることができる。
光酸化剤に添加されるアルコールは、光照射により生成したラジカルのうち、光照射領域外に拡散したものを捕捉するラジカルスカベンジャーとして機能すると考えられる。
光酸化剤に添加されるアルコールとしては、限定するものではないが、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノールから選択される１種又は２種以上とすることができる。
光酸化剤に添加されるアルコールは、光照射により生成したラジカルのうち、光照射領域外に拡散したものを捕捉するラジカルスカベンジャーとして機能すると考えられる。
（光照射）
光照射源としては、その照射光が光酸化剤を分解してラジカルを生成可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、エキシマレーザー等を用いることができる。
所定パターン領域に対する光照射は、所定パターンを有するフォトマスクを介して行っても良いし、光照射範囲が狭い範囲である光照射源を上記被覆疎水性表面に対し相対的に走査して行うこともできる。
光照射源としては、その照射光が光酸化剤を分解してラジカルを生成可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、エキシマレーザー等を用いることができる。
所定パターン領域に対する光照射は、所定パターンを有するフォトマスクを介して行っても良いし、光照射範囲が狭い範囲である光照射源を上記被覆疎水性表面に対し相対的に走査して行うこともできる。
（導電性パターン膜の形成）
本発明により形成された親水性パターンを利用して導電性パターンを形成する方法としては、例えば、親水性で導電膜化可能なインクによる印刷と、該インクの焼成による導電膜化等、プリンテッド・エレクトロニクスで採用され得る公知の手法が使用できる。
本発明により形成された親水性パターンを利用して導電性パターンを形成する方法としては、例えば、親水性で導電膜化可能なインクによる印刷と、該インクの焼成による導電膜化等、プリンテッド・エレクトロニクスで採用され得る公知の手法が使用できる。
以下に、実験例や実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にするが、本発明は、これらの実験例や実施例に限定されるものではない。
実験例１
図１(Ａ)の断面模式図に示されるように、基材としての金(Au)表面にC16SH(ヘキサデカンチオール)の自己組織化膜を形成して疎水性表面を生成し、過硫酸アンモニウムNH4S2O8の30wt％水溶液を前記疎水性表面上にドロップし、石英ガラスで押し広げた後、高圧Hgランプで紫外光を照射した。
光照射前後における表面の酸素(O1s)、炭素(C1s)、硫黄(S2p)の濃度変化をＸ線光電子分光法(ＸＰＳ)により調べた。その結果を図１(Ｂ)〜(Ｄ)に示す。これにより、光照射により親水性の原因であるSO4-の表面付加が確認された。
図１(Ａ)の断面模式図に示されるように、基材としての金(Au)表面にC16SH(ヘキサデカンチオール)の自己組織化膜を形成して疎水性表面を生成し、過硫酸アンモニウムNH4S2O8の30wt％水溶液を前記疎水性表面上にドロップし、石英ガラスで押し広げた後、高圧Hgランプで紫外光を照射した。
光照射前後における表面の酸素(O1s)、炭素(C1s)、硫黄(S2p)の濃度変化をＸ線光電子分光法(ＸＰＳ)により調べた。その結果を図１(Ｂ)〜(Ｄ)に示す。これにより、光照射により親水性の原因であるSO4-の表面付加が確認された。
実験例２
図２(Ａ)の断面模式図に示されるように、基材としての金(Au)表面にC16SHの自己組織化膜を形成して、疎水性表面を生成し、該疎水性表面の周囲をカプトン(登録商標)テープで囲い、過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液を前記疎水性表面上にドロップし、石英ガラスで塗り広げ、該水溶液面上をフォトマスクで覆った。
図２(Ｂ)で示されるフォトマスク(開口直径497±5μｍ)を介して高圧Hgランプの紫外光を５分間照射した後、表面を洗浄、乾燥した。非プロトン性極性溶媒であるジメチルスルホキシド〔DMSO；(CH3)2SO〕を滴下したところ、フォトマスク開口部に対応する部分に、図２(Ｂ)で示されるDMSOの液滴(直径507±2μｍ)が形成された。このことから、フォトマスク開口部に対応する部分が効果的に親水性表面に変化したことが確認された。また、フォトマスク開口部に対応する部分については、ＸＰＳにより親水性の原因であるSO4-の表面付加が確認された。
図２(Ａ)の断面模式図に示されるように、基材としての金(Au)表面にC16SHの自己組織化膜を形成して、疎水性表面を生成し、該疎水性表面の周囲をカプトン(登録商標)テープで囲い、過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液を前記疎水性表面上にドロップし、石英ガラスで塗り広げ、該水溶液面上をフォトマスクで覆った。
図２(Ｂ)で示されるフォトマスク(開口直径497±5μｍ)を介して高圧Hgランプの紫外光を５分間照射した後、表面を洗浄、乾燥した。非プロトン性極性溶媒であるジメチルスルホキシド〔DMSO；(CH3)2SO〕を滴下したところ、フォトマスク開口部に対応する部分に、図２(Ｂ)で示されるDMSOの液滴(直径507±2μｍ)が形成された。このことから、フォトマスク開口部に対応する部分が効果的に親水性表面に変化したことが確認された。また、フォトマスク開口部に対応する部分については、ＸＰＳにより親水性の原因であるSO4-の表面付加が確認された。
実施例１
過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液として、エタノールが0.01wt％添加されたものを用いる以外は上記実験例２と同様にして、図２(Ｃ)で示されるDMSOの液滴(直径494±4μｍ)が形成された。
過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液として、エタノールが0.01wt％添加されたものを用いる以外は上記実験例２と同様にして、図２(Ｃ)で示されるDMSOの液滴(直径494±4μｍ)が形成された。
実施例２
過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液として、エタノールが0.1wt％添加されたものを用いる以外は上記実験例２と同様にして、図２(Ｄ)で示されるDMSOの液滴(直径344±25μｍ)が形成された。
過硫酸アンモニウムNH4S2O8の5wt％水溶液として、エタノールが0.1wt％添加されたものを用いる以外は上記実験例２と同様にして、図２(Ｄ)で示されるDMSOの液滴(直径344±25μｍ)が形成された。
エタノール添加なしでは、フォトマスクよりも少し大きめの親水性パターンが形成されたが、エタノールを添加したものでは、フォトマスクよりも親水性パターンが小さくなっており、光酸化剤の反応領域がエタノール添加により変化したことが分かった。
また、上記実験例において、過硫酸アンモニウムの濃度を小さくすると、親水性パターン部分の接触角が小さくなったが、親水性パターンの形状変化はあまり見られなかった。一方、エタノールを添加した場合の実施例１，２では、親水性パターンの形状は上述のとおり小さくなったが、親水性パターン部分の接触角は、実験例２のものとあまり変わらなかった。
また、上記実験例において、過硫酸アンモニウムの濃度を小さくすると、親水性パターン部分の接触角が小さくなったが、親水性パターンの形状変化はあまり見られなかった。一方、エタノールを添加した場合の実施例１，２では、親水性パターンの形状は上述のとおり小さくなったが、親水性パターン部分の接触角は、実験例２のものとあまり変わらなかった。
これらの結果から、図３に示されるようなメカニズムが考えられる。すなわち、光酸化剤(NH4S2O8等)水溶液で被覆された疎水性表面の所定光照射部に光照射すると、光照射部領域内においてラジカルが発生し、光照射部領域内の疎水性表面にSO4-の付加が生じて親水化するとともに、疎水性表面(撥水性有機層)から離れた溶液上部で生成した光発生ラジカルが拡散することにより、光照射部を越えるより大きな範囲にまでSO4-の付加が生じて親水化してしまう。これに対し、光酸化剤水溶液にエタノール(EtOH)等のアルコールを添加する場合には、アルコールはラジカルスカベンジャーとして溶液上部で発生したラジカルを効果的に消失させることができる。そのため、反応可能なラジカルは、光照射部領域内で発生したラジカル種に限られ、光照射パターンの大きさに対応した親水性パターンが形成できると考えられる。親水性パターンが光照射部より縮小した形状となる点については、ランプの光強度分布によるものと考えられるが、その縮小の程度は、アルコールの添加量により変化するので、アルコール添加量を調整することにより、光照射パターンと同じ正確で高精度の親水性パターンを形成することができる。
本発明の方法によれば、各種の疎水性表面に種々の親水性パターンを正確、高精度に形成することができる。また、この親水性パターンは、導電性パターン膜の形成に利用できるので、各種のデバイス等の製造に幅広く応用することができる。
Claims (5)
- 疎水性表面に光酸化剤の水溶液膜を形成した後、該水溶液膜で被覆された疎水性表面のうち所定パターン領域を光照射し、親水性パターンを形成する親水性パターン形成方法において、該光酸化剤の水溶液としてアルコールが添加されたものを用いることを特徴とする、親水性パターン形成方法。
- 前記疎水性表面は、基材表面に自己組織化単分子膜が形成されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の親水性パターン形成方法。
- 前記基材が金属であり、前記自己組織化単分子膜の単分子がアルカンチオールであることを特徴とする、請求項１または２に記載の親水性パターン形成方法。
- 前記光酸化剤は、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウムから選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の親水性パターン形成方法。
- 上記(１)〜(４)のいずれか１項に記載の方法で形成された親水性パターンに導電性膜を形成することを特徴とする、導電性パターン膜形成方法。
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