JP6732199B2 - 金属ナノインクおよびそれを用いた金属膜の製造方法 - Google Patents
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Description
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記ポリエーテル化合物の数平均分子量は、500〜7000であり、
前記分散剤は、C6-14アルキルアミンを含む、焼成型の金属ナノインクに関する。
本発明の他の局面は、
金属ナノ粒子と、
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応性化合物は、脂環式エポキシ樹脂を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記分散剤は、C 6-14 アルキルアミンを含む、焼成型の金属ナノインクに関する。
本発明のさらに他の局面は、
金属ナノ粒子と、
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記分散剤は、C 6-14 アルキルアミンを含み、
前記ポリエーテル化合物を含む金属膜を形成するための焼成型の金属ナノインクに関する。
および
前記塗膜を焼成して金属膜を形成する工程、を含む、金属膜の製造方法に関する。
本発明の一実施形態に係る金属ナノインクは、金属ナノ粒子と、重合反応性化合物と、重合反応開始剤と、揮発性の液状媒体と、を含む。ここで、重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して重合反応性化合物の重合を進行させるものである。本実施形態に係る金属ナノインクは、焼成型の金属ナノインクである。焼成型の金属ナノインクとは、基材などの表面に塗布して形成された塗膜を焼成することにより、金属膜を形成するためのインクである。
金属ナノ粒子を形成する金属材料としては、金属単体、および合金などが例示される。
金属単体または合金に含まれる金属元素としては、典型金属元素、遷移金属元素などが挙げられる。典型金属としては、例えば、Zn、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Biなどが挙げられる。遷移金属としては、例えば、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Ru、Co、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Auなどが挙げられる。合金は、これらの金属元素を二種以上含むものが好ましい。金属元素としては、Al、Sn、Ti、Ni、Pt、Cu、Ag、Auなどが好ましい。金属材料のうち、Cu単体、Ag単体、Cu合金、Ag合金などが好ましく、中でも、Agまたはその合金が好ましい。
金属ナノインクは、分散剤を含んでもよい。分散剤を用いることで、インク中で金属ナノ粒子が凝集することが抑制され、金属ナノ粒子を安定化することができる。
分散剤は、金属ナノインクを調製する際に添加してもよいが、金属ナノ粒子に配位した状態で使用することが好ましい。分散剤は、金属ナノ粒子とともに混合し、必要により加熱することで金属ナノ粒子に配位させてもよく、金属ナノ粒子の作製過程で分散剤を用いることにより金属ナノ粒子に配位させてもよい。
重合反応性化合物としては、活性化した重合反応開始剤の作用により重合(架橋や硬化も含む)して高分子を形成可能であればよい。
重合反応性化合物は、好ましくは、重合に関与する重合性基を複数個有するものである。このような点で、一般的な反応性希釈剤などとは区別される。重合反応性化合物が有する重合性基の個数は、例えば、2〜6個であり、2〜4個が好ましい。
重合反応性化合物は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して重合反応性化合物の重合を進行させるものである。重合反応開始剤としては、例えば、熱および/または光の作用により、塩基(またはアニオン)や酸(またはカチオン)を生成したり、ラジカルを生成したりするものが挙げられる。また、重合反応開始剤としては、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂などの硬化性樹脂で使用されるその他の硬化剤も使用できる。金属ナノインクは、一種の重合反応開始剤を含んでもよく、必要に応じて、複数の重合反応開始剤を含んでもよい。
塩基(またはアニオン)を生成する塩基発生剤としては、非イオン型塩基発生剤、イオン型塩基発生剤などが挙げられる。非イオン型塩基発生剤は、1級アミン、2級アミン、イミダゾールなどを発生可能である。イオン型塩基発生剤は、3級アミン、アミジン、グアニジンなどの有機強塩基を発生可能である。
金属ナノインクに含まれる液状媒体としては、アルカノール、エーテル、エステル、ケトン、炭化水素などが挙げられる。液状媒体は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて用いてもよい。
アルカノールとしては、例えば、メタノール、エタノールなどのC1-6アルカノールが挙げられる。
エーテルとしては、ジエチルエーテルなどの脂肪族エーテル、テトラヒドロフランなどの環状エーテルが例示できる。
ケトンとしては、例えば、アセトン、エチルメチルケトンなどの脂肪族ケトン(炭素数3〜6の脂肪族ケトンなど)、シクロヘキサノンなどの脂環族ケトン(C5-6シクロアルカノンなど)などが挙げられる。
炭化水素としては、例えば、ヘキサンなどのC6-10アルカン、シクロヘキサンなどのC5-8シクロアルカン、ベンゼン、トルエンなどが挙げられる。
金属ナノインクは、ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物を含んでもよい。この場合、金属膜の高い密着性をさらに確保し易くなる。特に、重合反応性化合物として、シクロアルケンオキサイド型の脂環式エポキシ樹脂を用いる場合には、金属膜が硬くなり易い。このような脂環式エポキシ樹脂を用いる場合でも、ポリエーテル化合物を用いることで密着性をより確保し易くなる。
金属ナノインクは、必要に応じて、公知の添加剤を含んでもよい。例えば、金属ナノインクは、重合反応性化合物の種類に応じて、硬化促進剤、反応性希釈剤などを含んでもよい。金属ナノインク中の添加剤の量は、重合反応開始剤および重合反応性化合物100質量部に対して、例えば、10質量部以下または5質量部以下であることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る金属膜の製造方法は、上記の金属ナノインクを基材に塗布して塗膜を形成する工程と、塗膜を焼成して金属膜を形成する工程とを含む。
塗膜形成工程では、基材の表面に金属ナノインクを塗布する。金属ナノインクの塗布は、特に制限されず、スピンコート、スプレーコート、ブレードコート、スクリーン印刷、インクジェットなどの公知の塗布方法により行うことができる。また塗膜は、ベタ膜に限らず、配線や穴埋めといったパターン膜であってよい。
基材の材質としては、特に制限されないが、例えば、ガラス、シリコン、プラスチックなどが挙げられる。
乾燥温度は特に制限されず、液状媒体を除去できる温度で行ってもよい。乾燥温度は、後述の焼成の温度よりも低いことが望ましい。
焼成は、不活性ガス雰囲気下で行ってもよく、大気中で行ってもよい。
焼成時間は、特に制限されないが、例えば、5〜120分であってもよい。
このように、得られる金属膜には、重合反応性化合物の重合により得られた高分子バインダが生成しているため、基材と金属膜との高い密着性を確保することができる。
(1)Agナノ粒子の作製
硝酸銀20gと、イソブタノール100gと、分散剤(ドデシルアミン)100gとを混合した。混合物を、その温度が100℃になるまで加熱し、次いで5時間還流した。得られた混合物中の固形分を遠心分離で沈降させて回収した。回収した固形分を、メタノールで3回洗浄した後、遠心分離することにより、ドデシルアミンが配位したAgナノ粒子を回収した。回収したAgナノ粒子を、シクロヘキサノン中に、超音波分散機を用いて分散させることにより分散液を調製した。Agナノ粒子とAgナノ粒子に配位したドデシルアミンとの質量比は、100:3であった。また、Agナノ粒子(ドデシルアミンが配位したAgナノ粒子)とシクロヘキサノンとの質量比は、100:200であった。
上記(1)で得られた分散液に、スターラーで攪拌しながら、重合反応性化合物としてビスフェノールF型エポキシ化合物((株)日本化薬製、RE−304S)(e1)、および重合反応開始剤として熱カチオン発生剤(KING社製、CXC−1821)(c1)を添加して混合した。このとき、Agナノ粒子(ドデシルアミンが配位したAgナノ粒子)100質量部に対して、重合反応性化合物(e1)の量を2質量部、重合反応開始剤(c1)の量を0.02質量部とした。得られた混合物を、孔径3μmのメンブランフィルターでろ過し、ろ液を回収することにより、金属ナノインクを得た。
(a)塗工性
上記(2)で得られた金属ナノインクを、5インチ(≒12.7cm)四方のシリコン基板上に、スピンコーターを用いて、膜厚が0.5μmになるように回転数を調整しながら塗布した。このときの塗膜の状態を目視で確認した。基板上で金属ナノインクの塗膜にムラが生じたものをB、ムラがなく良好な塗膜が形成されているものをAとして評価した。
上記(2)で得られた金属ナノインクを、5インチ(≒12.7cm)四方のシリコン基板上に、スピンコーターを用いて、膜厚が0.5μmになるように回転数を調整しながら塗布した。塗膜が形成された基板を、ホットプレート上に置き、基板の温度が120℃となるようにして加熱して塗膜を乾燥させた。次いで、基板の温度が180℃となるように30分加熱することにより焼成して、金属膜を有する基板を作製した。そして、抵抗率計((株)三菱化学アナリテック製、ロレスタGP)を用いて、金属膜の初期の体積抵抗値(μΩ・cm)を4端子法により測定した。
さらに金属膜が形成された基板を二週間室温で放置した後、上記と同様に体積抵抗値を測定した。
上記(b)で初期の体積抵抗値を測定した後、金属膜を基板ごと割って、SEMで金属膜の断面を観察した。Agナノ粒子が完全に融着して平均粒径を測定したとき(初期)の形状を維持していないものをA、一部のAgナノ粒子が融着していたものをBとして、評価した。
上記(b)と同様にして基板上に金属膜を形成した。金属膜に、1mm幅で碁盤目に切れ目を入れ、粘着テープを貼り、その後剥がした。粘着テープを剥がす際の金属膜の剥がれの程度を目視で観察した。金属膜が全く剥がれなかった場合をA、一部剥がれた場合をB、完全に剥がれた場合をCとして評価した。
表1に示す重合反応性化合物および重合反応開始剤を表1に示す量で用いたこと以外は、参考例1と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
なお、使用した重合反応性化合物および重合反応開始剤は以下の通りである。
(e1):ビスフェノールF型エポキシ化合物((株)日本化薬製、RE−304S)
(e2):脂環式エポキシ化合物((株)ダイセル製、セロキサイド2021P)
(e3):脂環式エポキシ化合物((株)ダイセル製、セロキサイド2081)
(e4):脂環式エポキシ化合物((株)ダイセル製、セロキサイド8000)
(e5):ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物のジグリシジルエーテル((株)ADEKA製、EP−4000L)
(e6):TEGDVE(日本カーバイド(株)製)
(c1):熱カチオン発生剤(KING INDUSTRIES社製、CXC−1821)
(c2):1−シアノエチル−2−エチル−4−メチルイミダゾール(四国化成工業(株)製、2E4MZ−CN)
(c3):潜在性イミダゾール((株)T&K TOKA製、フジキュアー7000)
表1に示す重合反応性化合物および重合反応開始剤を表1に示す量で用いたこと、また液状媒体を表1に示す量で用いたこと以外は、参考例8と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
重合反応性化合物および重合反応開始剤を用いなかったこと以外は、参考例1と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
重合反応性化合物および重合反応開始剤を用いず、ポリエステル樹脂(東洋紡績(株)製、バイロン500)(p1)を、Agナノ粒子100質量部に対して5質量部用いたこと以外は、参考例1と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
重合反応性化合物および重合反応開始剤を用いず、フェノキシ樹脂(三菱化学(株)製、JER1256)(p2)を、Agナノ粒子100質量部に対して5質量部用いたこと以外は、参考例1と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
(1)Agナノ粒子の作製
1Lのナスフラスコに、水500mLを入れ、さらに、分散剤(オクチルアミン)10g、およびヒドラジン水和物(還元剤)1gを添加し、窒素雰囲気下で撹拌混合した。混合物に、撹拌下で、硝酸銀7gを60gの水に溶解させた硝酸銀水溶液を添加し、5分間撹拌した。分散液を静置し、上澄み液を除去し、沈殿した固形分に、シクロヘキサノールアセテートを加えてホモジナイザーで分散させた。分離した上層の、オクチルアミンが配位したAgナノ粒子が分散した有機相(分散液)を回収した。得られた分散液をSEM観察し、粒子の粒子径が30〜50nmであることを確認した。
重合反応性化合物としてリモネンオキサイド(LDO)(e7)、重合反応開始剤(c1)、およびポリエーテル化合物(数平均分子量Mn2000のPTMG(d6))をシクロヘキサノールアセテートに溶解した溶液を調製した。得られた溶液を、上記(1)で得られた分散液に添加して混合した。このとき、Agナノ粒子(オクチルアミンが配位したAgナノ粒子)100質量部に対して、重合反応性化合物(e7)の量を5質量部、重合反応開始剤(c1)の量を0.1質量部、ポリエーテル化合物(d6)の量を0.5質量部とした。得られた混合物を、孔径1μmのガラスフィルターで濾過し、ろ液を回収することにより、金属ナノインクを得た。
(a)塗工性
参考例1と同様にして、上記(2)で得られた金属ナノインクの塗工性を評価した。
上記(2)で得られた金属ナノインクを、直径5インチ(≒12.7cm)の円盤状のシリコン基板上に、スピンコーターを用いて、膜厚が0.5μmになるように回転数を調整しながら塗布した。塗膜が形成された基板を、ホットプレート上に置き、基板の温度が120℃となるようにして加熱することにより焼成した。抵抗率計((株)三菱化学アナリテック製、ロレスタGP)を用いて、基板上の焼成膜の初期の体積抵抗値Ri(μΩ・cm)を4端子法により測定した。
また、焼成温度を180℃にした場合についても、同様に、初期の体積抵抗値を測定した。
上記(b)と同様にして、焼成温度120℃で基板上に焼成膜を形成した。焼成膜に、1mm幅で碁盤目に切れ目を入れ、粘着テープを貼り、その後剥がした。粘着テープを剥がす際の焼成膜の剥がれの程度を目視で観察した。焼成膜が全く剥がれなかった場合をA、一部剥がれた場合をB、完全に剥がれた場合をCとして評価した。
上記(2)で得られた金属ナノインクを、23℃の恒温室に1ヶ月静置した。1ヶ月静置後の金属ナノインクを用いて、上記(b)と同様の手順にて120℃で基板上に焼成膜を作製し、焼成膜の体積抵抗値Rsを測定した。このときの体積抵抗値Rsが、初期の体積抵抗値Riに対する比率を下記の基準で評価した。
A:Rs≦2Ri
B:2Ri<Rs≦10Ri
C:10Ri<Rs
実施例15の(2)において、ポリエーテル化合物の量を表2に示す値に変更した。このこと以外は、実施例15と同様にして、金属ナノインクを調製し、評価を行った。
表2に示す重合反応性化合物を表2に示す量で用いたこと以外は、実施例16と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
使用した重合反応性化合物は、以下の通りである。(e1)、(e4)および(e7)については前述のものを用いた。
(e9):4,5,8,9−ジエポキシトリシクロデカン
(e10):2−(7−オキサビシクロ[4.1.0]ヘプタン−3−イル)オキシラン
(e11):脂環式エポキシ化合物((株)ダイセル製、セロキサイド2000)
(e12):ピネンオキシド
(e13):ビスフェノールA型エポキシ化合物(三菱化学(株)製、jER(登録商標)828)
分散剤として、オクチルアミンに代えて、ペンチルアミンを用いたこと以外は実施例16と同様に分散液を調製した。得られた分散液を用いたこと以外は、実施例16と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
分散剤として、オクチルアミンに代えて、オレイルアミンを用いたこと以外は実施例16と同様に分散液を調製した。得られた分散液を用いたこと以外は、実施例16と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。
ポリエーテル化合物として表3に示すものを用いたこと以外は、実施例16と同様にして金属ナノインクを調製し、評価を行った。体積抵抗値の評価は、120℃で焼成した場合のみ行なった。使用したポリエーテル化合物は、以下の通りである。
(d2):PTMG(三菱化学(株)製、PTMG1000、数平均分子量:1000)
(d3):PTMG(三菱化学(株)製、PTMG1300、数平均分子量:1300)
(d4):PTMG(三菱化学(株)製、PTMG1500、数平均分子量:1500)
(d5):PTMG(三菱化学(株)製、PTMG1800、数平均分子量:1800)
(d7):PTMG(三菱化学(株)製、PTMG3000、数平均分子量:3000)
(d8):PEG(日油(株)製、PEG♯1000、数平均分子量:1000)
(d9):PPG(三洋化成(株)製、PP−1000、数平均分子量:1000)
(d10):PPG(三洋化成(株)製、PP−2000、数平均分子量:2000)
(d11):PPG(三洋化成(株)製、PP−3000、数平均分子量:3200)
(d12):PPG(三洋化成(株)製、PP−4000、数平均分子量:4150)
(d13):テトラメチレングリコール−エチレングリコール共重合体(日油(株)製、DC−1100、数平均分子量:1000)
(d14):テトラメチレングリコール−エチレングリコール共重合体(日油(株)製、DC−1800E、数平均分子量:1800)
(d15):テトラメチレングリコール−エチレングリコール共重合体(日油(株)製、DC−3000E、数平均分子量:3000)
(d16):テトラメチレングリコール−プロピレングリコール共重合体(日油(株)製、DCB−2000、数平均分子量:2000)
Claims (20)
- 金属ナノ粒子と、
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記ポリエーテル化合物の数平均分子量は、500〜7000であり、
前記分散剤は、C6-14アルキルアミンを含む、焼成型の金属ナノインク。 - 前記重合反応性化合物は、エポキシ樹脂およびビニルエーテルからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1に記載の金属ナノインク。
- 前記重合反応性化合物は、脂環式エポキシ樹脂を含む、請求項1または2に記載の金属ナノインク。
- 金属ナノ粒子と、
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応性化合物は、脂環式エポキシ樹脂を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記分散剤は、C 6-14 アルキルアミンを含む、焼成型の金属ナノインク。 - 前記重合反応性化合物は、シクロアルケンオキサイド型の脂環式エポキシ樹脂を含む、請求項3または4に記載の金属ナノインク。
- 金属ナノ粒子と、
重合反応性化合物と、
重合反応開始剤と、
ポリオキシアルキレンユニットを有するポリエーテル化合物と、
揮発性の液状媒体と、
分散剤と、を含み、
前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化して前記重合反応性化合物の重合を進行させるものであり、
前記分散剤は、C 6-14 アルキルアミンを含み、
前記ポリエーテル化合物を含む金属膜を形成するための焼成型の金属ナノインク。 - 前記重合反応性化合物は、脂環式エポキシ樹脂を含む、請求項6に記載の金属ナノインク。
- 前記重合反応性化合物は、シクロアルケンオキサイド型の脂環式エポキシ樹脂を含む、請求項6または7に記載の金属ナノインク。
- 前記ポリエーテル化合物の量は、前記金属ナノ粒子および前記分散剤の総量100質量部に対して、2質量部以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記ポリエーテル化合物の量は、前記金属ナノ粒子および前記分散剤の総量100質量部に対して、0.5質量部以上である、請求項9に記載の金属ナノインク。
- 前記分散剤は、C8-12アルキルアミンを含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記金属ナノインク中の前記液状媒体の割合は、25〜95質量%である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記重合反応開始剤と前記重合反応性化合物との総量は、前記金属ナノ粒子100質量部に対して、3〜50質量部である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記重合反応開始剤は、熱および/または光の作用により活性化してカチオンを生成する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記重合反応性化合物は、熱硬化性樹脂であり、
前記重合反応開始剤は、前記熱硬化性樹脂を硬化させる硬化剤である、請求項1〜14のいずれか1項に記載の金属ナノインク。 - 前記ポリエーテル化合物は、少なくともポリオキシテトラメチレンユニットを含む、請求項1〜15のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記ポリエーテル化合物の数平均分子量は、850〜7000である、請求項1〜16のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記ポリエーテル化合物の数平均分子量は、1000〜5000である、請求項1〜17のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 前記金属ナノ粒子の平均粒子径は、5〜500nmである、請求項1〜18のいずれか1項に記載の金属ナノインク。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の金属ナノインクを基材に塗布して塗膜を形成する工程、および
前記塗膜を焼成して金属膜を形成する工程、を含む、金属膜の製造方法。
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