JP7090651B2 - 銀微粒子の製造方法および銀微粒子 - Google Patents
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Description
タッチパネルには、ITO(Indium Tin Oxide)等を用いた透明導電膜で形成された電極が用いられている。タッチパネル等の設計自由度を増やすために、タッチパネルにはフレキシブル性が求められている。しかしながら、ITO等は特性として曲げに弱く、曲げて使用する形態のタッチパネルの電極には不向きである。そこで、電極を金属で構成したタッチパネルが提案されている。
例えば、特許文献1のタッチパネルでは、タッチパネル用電極が導電性のインクから構成されている。導電性のインクとして銀インク組成物が例示されている。
例えば、特許文献2には、タッチパネル等の透明導電層の形成に用いられる組成物が記載されている。組成物は、銀ナノワイヤ等の金属ナノワイヤ、バインダ、および有機酸等の酸を含むものである。
また、特許文献3には、タッチパネルの配線に利用できる銀微粒子の製造方法が記載されている。
有機酸を供給する工程は、有機酸を含む水溶液を有機酸が熱分解する雰囲気に噴霧することが好ましい。
有機酸は、C、OおよびHだけで構成されていることが好ましい。有機酸は、L-アスコルビン酸、ギ酸、グルタル酸、コハク酸、シュウ酸、DL-酒石酸、ラクトース一水和物、マルトース一水和物、マレイン酸、D-マンニット、クエン酸、リンゴ酸、およびマロン酸のうち、少なくとも1種であることが好ましい。
例えば、銀微粒子の粒子径は1~100nmである。
また、本発明は、表面被覆物を有し、表面被覆物は、有機酸の熱分解で生じた有機物で構成されることを特徴とする銀微粒子を提供するものである。例えば、銀微粒子の粒子径は1~100nmである。
有機酸は、C、OおよびHだけで構成されていることが好ましい。有機酸は、L-アスコルビン酸、ギ酸、グルタル酸、コハク酸、シュウ酸、DL-酒石酸、ラクトース一水和物、マルトース一水和物、マレイン酸、D-マンニット、クエン酸、リンゴ酸、およびマロン酸のうち、少なくとも1種であることが好ましい。この中で、有機酸は、クエン酸またはリンゴ酸であることが好ましい。
また、本発明は、上述の本発明の銀微粒子の製造方法で製造されたことを特徴とする銀微粒子を提供するものである。
また、本発明によれば、導電性等の性能を維持しつつ、更に低い温度で配線を形成することができる銀微粒子を提供することができる。
以下、本発明の銀の微粒子の製造方法の一例について説明する。
図1は本発明の実施形態に係る銀微粒子の製造方法に用いられる微粒子製造装置の一例を示す模式図である。
図1に示す微粒子製造装置10(以下、単に製造装置10という)は、銀微粒子の製造に用いられるものである。
材料供給装置14、チャンバ16、サイクロン19、回収部20については、例えば、特開2007-138287号公報の各種装置を用いることができる。なお、銀の1次微粒子15のことを単に1次微粒子15ともいう。
高周波発振用コイル12bに高周波電圧が印加されると、プラズマトーチ12内で熱プラズマ炎24が発生する。
また、プラズマトーチ12内における圧力雰囲気は、大気圧以下であることが好ましい。ここで、大気圧以下の雰囲気については、特に限定されないが、例えば、0.5~100kPaである。
銀の粉末を粉末の形態で供給する材料供給装置14としては、上述のように、例えば、特開2007-138287号公報に開示されているものを用いることができる。この場合、材料供給装置14は、例えば、銀の粉末を貯蔵する貯蔵槽(図示せず)と、銀の粉末を定量搬送するスクリューフィーダ(図示せず)と、スクリューフィーダで搬送された銀の粉末が最終的に散布される前に、これを一次粒子の状態に分散させる分散部(図示せず)と、キャリアガス供給源(図示せず)とを有する。
材料供給装置14は、銀の粉末の凝集を防止し、分散状態を維持したまま、銀の粉末をプラズマトーチ12内に散布することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。キャリアガスには、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスが用いられる。キャリアガス流量は、例えば、フロート式流量計等の流量計を用いて制御することができる。また、キャリアガスの流量値とは、流量計の目盛り値のことである。
銀の1次微粒子15の生成直後の微粒子同士が衝突し、凝集体を形成することで粒子径の不均一が生じると、品質低下の要因となる。しかしながら、熱プラズマ炎の尾部(終端部)に向かって矢印Qの方向に冷却ガスとして供給される混合ガスが1次微粒子15を希釈することで、微粒子同士が衝突して凝集することが防止される。
また、矢印R方向に冷却ガスとして供給される混合ガスにより、1次微粒子15の回収の過程において、1次微粒子15のチャンバ16の内側壁16aへの付着が防止され、生成した1次微粒子15の収率が向上する。
酸供給部17は、銀の1次微粒子15に有機酸を付与することができれば、その構成は特に限定されるものではない。例えば、有機酸の水溶液が用いられ、酸供給部17は、チャンバ16内に有機酸の水溶液を噴霧するものである。
酸供給部17は、有機酸の水溶液(図示せず)を貯蔵する容器(図示せず)と、容器内の有機酸の水溶液を液滴化するための噴霧ガス供給部(図示せず)とを有する。噴霧ガス供給部では、噴霧ガスを用いて水溶液を液滴化し、液滴化された有機酸の水溶液AQがチャンバ16内の銀の1次微粒子15に供給される。この有機酸の水溶液AQを供給する際(有機酸を供給する工程)、チャンバ16内の雰囲気は有機酸が熱分解する雰囲気である。
有機酸の水溶液では、例えば、溶媒に純水が用いられる。有機酸は、水溶性であり、かつ低沸点であることが好ましく、C、OおよびHだけで構成されていることが好ましい。有機酸としては、例えば、L-アスコルビン酸(C6H8O6)、ギ酸(CH2O2)、グルタル酸(C5H8O4)、コハク酸(C4H6O4)、シュウ酸(C2H2O4)、DL-酒石酸(C4H6O6)、ラクトース一水和物、マルトース一水和物、マレイン酸(C4H4O4)、D-マンニット(C6H14O6)、クエン酸(C6H8O7)、リンゴ酸(C4H6O5)、およびマロン酸(C3H4O4)等を用いることができる。上述の有機酸のうち、少なくとも1種を用いることが好ましい。
有機酸の水溶液を液滴化する噴霧ガスは、例えば、アルゴンガスが用いられるが、アルゴンガスに限定されるものではなく、窒素ガス等の不活性ガスを用いることができる。
そして、上述の下降する旋回流が反転し、上昇流になったとき、遠心力と抗力のバランスにより、粗大粒子は、上昇流にのることができず、円錐台部19c側面に沿って下降し、粗大粒子回収チャンバ19dで回収される。また、遠心力よりも抗力の影響をより受けた微粒子は、円錐台部19c内壁での上昇流とともに内管19eから系外に排出される。
なお、上述の製造装置10において、使用するサイクロンの個数は、1つに限定されず、2つ以上でもよい。
まず、銀微粒子の原料粉末として、例えば、平均粒子径が5μm以下の銀の粉末を材料供給装置14に投入する。
プラズマガスに、例えば、アルゴンガスおよび水素ガスを用いて、高周波発振用コイル12bに高周波電圧を印加し、プラズマトーチ12内に熱プラズマ炎24を発生させる。
また、気体供給装置28から熱プラズマ炎24の尾部、すなわち、熱プラズマ炎24の終端部に、矢印Qの方向に、冷却ガスとして、例えば、アルゴンガスとメタンガスの混合ガスを供給する。このとき、矢印Rの方向にも、冷却ガスとして、アルゴンガスとメタンガスの混合ガスを供給する。
次に、キャリアガスとして、例えば、アルゴンガスを用いて銀の粉末を気体搬送し、供給管14aを介してプラズマトーチ12内の熱プラズマ炎24中に供給する。供給された銀の粉末は、熱プラズマ炎24中で蒸発して気相状態となり、冷却ガスにより急冷されて銀の1次微粒子15(銀微粒子)が生成される。さらに、酸供給部17により、液滴化された有機酸の水溶液が銀の1次微粒子15に噴霧される。
このように、酸性の性質を有する銀微粒子を、銀の粉末をプラズマ処理し、例えば、有機酸の水溶液を噴霧するだけで容易かつ確実に得ることができる。
なお、熱プラズマ炎を用いて銀の1次微粒子を形成しているが、気相法を用いて銀の1次微粒子を形成することができる。このため、気相法であれば、熱プラズマ炎を用いた熱プラズマ法に限定されるものではなく、火炎法により、銀の1次微粒子を形成する製造方法でもよい。
しかも、本実施形態の銀微粒子の製造方法により製造される銀微粒子は、その粒度分布幅が狭い、すなわち、均一な粒子径を有し、1μm以上の粗大粒子の混入が殆どない。
なお、冷却ガスおよび有機酸は、上述の熱プラズマ炎と同じものを用いることができる。
図2は本発明の実施形態に係る銀微粒子の示差熱曲線の一例を示すグラフである。
図2のL1は本発明の銀微粒子の示差熱(DTA)曲線を示し、L2は従来の銀微粒子の示差熱(DTA)曲線を示し、L3はクエン酸の示差熱(DTA)曲線を示す。図2に示すように、本発明の銀微粒子のピークL1pの温度は、従来の銀微粒子のピークL2pの温度よりも低い。このことは、本発明の銀微粒子が、従来の銀微粒子よりも低い温度での焼成が可能であることを示唆する。
なお、本発明の銀微粒子の示差熱(DTA)曲線L1は、クエン酸の示差熱(DTA)曲線L3とは異なる傾向を示す。
表面被覆物51は、有機酸の熱分解によって生じた、炭化水素(CnHm)と親水性および酸性をもたらすカルボキシル基(-COOH)、またはヒドロキシル基(-OH)を含む有機物で構成されている。例えば、表面被覆物は、クエン酸またはリンゴ酸の熱分解で生じた有機物で構成される。具体的には、上述のヒドロキシル基(-OH)、およびカルボキシル基(-COOH)は、例えば、上述の有機酸によりもたらされたものである。
このように表面被覆物51はヒドロキシル基およびカルボキシル基を含むものであるが、少なくともカルボキシル基を含む構成であればよい。
なお、従来の銀微粒子について表面状態を調べたところ、炭化水素(CnHm)が存在していることを確認しているが、明らかにヒドロキシル基およびカルボキシル基の存在を示唆する結果が得られていなかった。
なお、銀微粒子50の表面状態は、例えば、FT-IR(フーリエ変換赤外分光光度計)を用いて調べることができる。
上述のpHは、銀微粒子に純水を入れた後、しばらく放置した後、純水部分のpHの測定値である。
試験管に、純水と油とを入れた状態で、本発明の銀微粒子を入れて撹拌して放置したところ、純水と油とが水層と油層に分離し、銀微粒子が水層に分散していることを確認している。
同様に、試験管に、純水と油とを入れた状態で、従来の銀微粒子を入れて撹拌して放置したところ、純水と油とが水層と油層に分離し、油層に銀微粒子が分散していることを確認している。このことから、本発明の銀微粒子は、従来の銀微粒子に比して親水性の性質を有する。
このようなことから、本発明の銀微粒子は、従来の銀微粒子に比して、酸性の性質、かつ親水性の性質を有する。
これに対して、本発明の銀微粒子は上述のように酸性の性質を有する。このため、図3に示すように銀微粒子50を溶液52中に分散させる場合、少量の塩基性分散剤(図示せず)で必要な分散状態を得ることができる。この結果、低い温度での焼成が可能になる。
また、少量の塩基性分散剤で必要な分散状態を得ることができることから、塗膜をより少ない量の分散剤で作製することができる。これらのことから、低い温度での焼成が可能であり、かつ均一な膜を形成することができる。このように、本発明の銀微粒子は、導電性等の性能を維持しつつ、更に低い温度で配線を形成することができる。
入射光=正反射光+拡散反射光+内部散乱光+透過光+吸収光
均一で緻密で、平らな膜であると正反射光値が高くなる。このことから、正反射光値は、膜の均一さ、緻密さ、および平滑さの指標となる。
図4に示す膜60は、基板62に形成されており、内部に複数の銀微粒子50が配置されている。複数の銀微粒子50はサイズが揃っており、分散状態もよい。図5に示す膜61は、基板62に形成されており、内部に複数の銀微粒子50が配置されているが、複数の銀微粒子50はサイズが不揃いであり、分散状態も悪い。
図4に示す膜60は銀微粒子50のサイズが揃っており、分散状態もよく、空隙が少なく均一な膜であるため、内部散乱光および拡散反射光が少なく正反射光の光量が多くなる。すなわち、正反射光値が大きい。
図5に示す膜61は銀微粒子50のサイズが不揃いであり、分散状態も悪く、空隙が多く不均一な膜であるため、内部散乱光および拡散反射光が増加し正反射光の光量が少なくなる。すなわち、正反射光値が小さい。
図6に示すSEM(走査電子顕微鏡)像は、図4に示す膜60を示すものであり、図7に示すSEM像は図5に示す膜61を示すものである。図6に示すSEM像は正反射光値が21.7であり、図7に示すSEM像は正反射光値が0.4である。
図6のSEM像と図7のSEM像を比較すると、図5に示す膜61のSEM像を示す図7の方が、不均一な膜であることがわかる。このように、正反射光値を用いて、膜の均一性を評価することができる。正反射光値は、例えば、分光測色計を用いて測定することができる。
本実施例では、実施例1および実施例2ならびに比較例1および比較例2の銀微粒子について、pHと、塗膜の正反射光値と、各焼成温度での抵抗値を測定した。その結果を下記表1に示す。
以下、銀微粒子のpH、塗膜の正反射光値、および各焼成温度での抵抗値について説明する。
銀微粒子のpHは、以下のようにして測定した。
まず、所定の量の各銀微粒子を容器に収納し、銀微粒子に純水(20ミリリットル)を滴下し、120分放置した後、純水部分のpHを測定した。pHの測定にはガラス電極法を用いた。
正反射光値は、以下のようにして測定した。
まず、溶媒と分散剤からなる溶液に銀微粒子を分散させた。その後、この分散液をスライドガラス上に塗布して塗膜を形成した後、分光測色計を用いて塗膜の正反射光値を測定した。
なお、分散剤には、BYK-112(ビックケミー・ジャパン株式会社製)を用いた。
抵抗値は、以下のようにして測定した。
まず、溶媒と分散剤からなる溶液に銀微粒子を分散させた。その後、この分散液をスライドガラス上に塗布して塗膜を形成した。そして、温度150℃、180℃のうち、予め定められた焼成温度で焼成させた後、四探針法を用いて焼成後の塗膜の抵抗値を測定した。
焼成は、温度150℃、180℃のうち、予め定められた焼成温度に達した炉内に、塗膜が形成されたスライドガラスを配置して、炉内に1時間保持して焼成した。なお、炉内の雰囲気は大気とした。
実施例1-2および実施例2-2は焼成温度180℃での抵抗値を測定していない。このため、下記表1の「焼成温度180℃」の欄には「―」と記した。
原料粉末に、平均粒子径5μmの銀の粉末を用いた。
キャリアガスにアルゴンガスを用い、プラズマガスにアルゴンガスと水素ガスの混合ガスを用いた。冷却ガスに、アルゴンガスとメタンガスの混合ガスを用いた。
実施例1では、有機酸にクエン酸、溶媒に純水を用い、クエン酸を含む水溶液(クエン酸の濃度15W/W%)を、噴霧ガスを用いて銀の1次微粒子に噴霧した。噴霧ガスにはアルゴンガスを用いた。
実施例2では、有機酸にリンゴ酸、溶媒に純水を用い、リンゴ酸を含む水溶液(リンゴ酸の濃度15W/W%)を、噴霧ガスを用いて銀の1次微粒子に噴霧した。噴霧ガスにはアルゴンガスを用いた。
比較例1および比較例2では、有機酸を含む水溶液を、銀の1次微粒子に噴霧しなかった。
なお、銀微粒子の製造条件は、プラズマガス:アルゴンガス200リットル/分、水素ガス5リットル/分、キャリアガス:アルゴンガス5リットル/分、急冷ガス:アルゴンガス900リットル/分、メタンガス1リットル/分、内圧:40kPaとした。
実施例1~2は比較例1および比較例2に比して、低い焼成温度で、小さな抵抗値が得られた。本発明では、導電性等の性能を維持しつつ、更に低い温度で配線を形成することができた。
12 プラズマトーチ
14 材料供給装置
15 1次微粒子
16 チャンバ
17 酸供給部
18 微粒子(2次微粒子)
19 サイクロン
20 回収部
22 プラズマガス供給源
24 熱プラズマ炎
28 気体供給装置
30 真空ポンプ
Li 入射光
Lr 正反射光
Claims (4)
- 銀の粉末を用いて、熱プラズマ法により銀微粒子を製造する製造方法であって、
前記銀の粉末を、熱プラズマ炎中に供給し、前記熱プラズマ炎の尾部に、冷却ガスを供給して、銀微粒子を生成し、前記銀微粒子に有機酸を供給する工程を有することを特徴とする銀微粒子の製造方法。 - 前記有機酸を供給する工程は、前記有機酸を含む水溶液を前記有機酸が熱分解する雰囲気に噴霧する請求項1に記載の銀微粒子の製造方法。
- 前記有機酸は、C、OおよびHだけで構成されている請求項1又は2に記載の銀微粒子の製造方法。
- 前記有機酸は、L-アスコルビン酸、ギ酸、グルタル酸、コハク酸、シュウ酸、DL-酒石酸、ラクトース一水和物、マルトース一水和物、マレイン酸、D-マンニット、クエン酸、リンゴ酸、およびマロン酸のうち、少なくとも1種である請求項1~3のいずれか1項に記載の銀微粒子の製造方法。
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