JP7170709B2 - 微結晶性セルロースを含有する導電性インク配合物、導電性トレースを印刷する方法、およびそれを含有する積層体 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年４月１３日に出願された米国仮出願第６２／４８５，１５３号の優先権の利益を主張し、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

導電性インク配合物を使用して、様々な基板上にパターン化した線またはトレースを形成することができる。導電性インク配合物は、印刷などの方法を用いて様々なパターンで基板上に堆積させることができる。そのようなインク配合物の導電性成分は一般に、金属または別の導電性材料である。一般に使用される金属は銀である。したがって、そのような配合物を使用して印刷された導電性トレースを作製することに関連する費用は高くなることがある。さらに、より良好な導電性を有する印刷されたトレースに対する需要は増大し続けている。

したがって、基板上にトレースとして堆積させた場合に向上した導電性を示し、より少量の高価な材料の使用を必要とする導電性インク配合物を提供することが望ましい。

本発明は、一般に、微結晶性セルロースを含有する導電性インク配合物、本発明の配合物を使用して様々な基板（基材）上に導電性トレース（配線）を形成する方法、および積層体の１つ以上の層としてそのような導電性トレースをその上に形成されて有する基板を使用して作成した積層体を対象とする。したがって、好ましくは印刷（プリント）によって、様々な基板上に導電性トレースへと形成されることができ、回路または回路要素として有用であり、向上した導電性を示し、同時に高価な導電性材料の必要な含有量が減少したインクが、本発明の様々な実施形態により提供される。本発明の様々な実施形態による導電性インク配合物は、向上した導電性、より良好な物性、および減少した導電性材料含有量を有する導電性トレースを提供することができる。

本発明の一実施形態は、（ｉ）粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含む導電性インク組成物を含む。本発明の別の実施形態は、（ｉ）粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含む導電性インク組成物を含み、粒子状導電性材料は、銀および銀合金からなる群より選択される成分を含み、微結晶性セルロース成分は、該組成物に基づく重量基準で約０．０５％から約１０％までの量で存在し、微結晶性セルロース成分は、約２０μｍから約１００μｍまでの平均粒径を有する。本発明の別の実施形態は、（ａ）基板を提供すること、（ｂ）（ｉ）粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含む導電性インク配合物を提供すること、および（ｃ）好ましくは印刷によって、基板の表面上に導電性トレースを形成すること、を含む方法を含む。本発明の方法の様々な好ましい実施形態において、基板の表面上に形成された導電性トレースは、昇温、および圧縮のための圧力に供される。本発明のさらなる別の実施形態は、第１の基板層および少なくとも第２の基板層を含む積層体を含み、第１の基板層および第２の基板層のうち一方の少なくとも１つの表面は、その上に印刷された導電性トレースを有し、導電性トレースは、積み重ねられ圧縮された関係で第１の基板層と第２の基板層との間に配置され、導電性トレースは、粒子状導電性材料および微結晶性セルロース成分を含む。

本発明の様々な好ましい実施形態において、粒子状導電性材料は、銀または銀合金成分を含む。本発明のある特定のさらに好ましい実施形態において、導電性インク配合物は、銀のフレークまたはプレートレットを含む銀または銀合金成分を含む。本発明の様々な実施形態において、微結晶性セルロースは、インク配合物に基づく重量基準で最大約２０％までの量で存在する。本発明のある特定の好ましい実施形態において、微結晶性セルロースは、インク配合物に基づく重量基準で約０．５％から約１０％までの量で存在する。本発明の様々な実施形態において使用するための様々な好ましい微結晶性セルロース成分は、約２０μｍから約１００μｍまでの平均粒径を有する。本発明のある特定の好ましい実施形態において、微結晶性セルロース成分は、異なる平均粒径を有する２種以上の微結晶性セルロースを含んでいてよい。本発明の様々な好ましい実施形態において、キャリア液は、親水性溶媒を含んでいてよく、レオロジー改質剤およびｐＨ調節剤などの様々な添加剤をさらに含んでいてよい。本発明の様々な好ましい実施形態において、ポリマーバインダーは、約１４０℃より高い熱分解温度を有する熱可塑性ポリエーテル樹脂を含んでいてよい。

様々な本発明のインク配合物を使用して導電性トレースを形成する方法を対象とする本発明の様々な好ましい実施形態において、基板は、紙を含むことができ、さらに好ましい実施形態において、クラフト紙を含むことができる。様々な好ましい実施形態において、基板は、樹脂含浸クラフト紙を含むことができる。様々な本発明のインク配合物を使用して導電性トレースを形成する方法を対象とする本発明の様々な好ましい実施形態において、印刷は、インクジェット印刷法または押出印刷法を用いて行うことができる。印刷された導電性トレースは、乾燥および圧縮に供される。

本発明の様々な実施形態において使用するために好適な、積層体および様々な導電性トレースパターンおよび別々の層上にある複数のトレースの相互連結を形成するために積み重ねられた層を加圧する方法が、米国特許出願公開第２０１６／０１０４５６６号明細書に記載されており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

他の態様、特徴、および利点は、詳細な説明、好ましい実施形態、および添付の請求項などの以下の開示から明らかとなろう。

本明細書では、単数の用語「ａ」および「ｔｈｅ」は、言葉および／または文脈により明確に別段の指示がない限り、「１つ以上」および「少なくとも１つ」と同義であり、交換可能に使用される。したがって、たとえば、本明細書または添付の請求項における「a particulate, electrically-conductive material（粒子状導電性材料）」または「the particulate, electrically-conductive material（粒子状導電性材料）」への言及は、単一の材料または１つより多い材料を意味する場合がある。さらに、別段に特に指摘しない限り、すべての数値は「約」という単語によって修飾されると理解されたい。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、粒子状導電性材料を含む。好適な粒子状導電性材料としては、これらに限定されないが、１種以上の金属、金属合金、導電性カーボン（炭素）同素体、およびそれらの混合物から構成される粒子、フレーク、粉末（微粉）、および粉体などが挙げられる。本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料としてはまた、ナノロッド、ナノチューブ、ナノスフェア、およびナノプレートレットを含むナノサイズ粒子が挙げられる。追加の好適な粒子状導電性材料としては、導電性コーティングを有する、コーティングされた、マイクロスフェアおよび／またはナノスフェアおよび／またはバブルが挙げられる。

本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料は一般に、０．１μｍから約１０００μｍまでの、好ましくは約５μｍから約２５０μｍまでの、平均粒径を有する。一般に、本発明の様々な実施形態において、バイモーダル（二峰性）またはマルチモーダル（多峰性）の粒度分布を有する粒子状導電性材料が、より高い充填密度のために好ましい。商業的供給業者による平均粒径は一般に、レーザー干渉計によって測定された数平均として報告されている。好ましくは、本発明の様々な実施形態において使用するための粒子状導電性材料は、基板上に導電性トレースを形成するために使用されるノズルまたは印刷用先端部の直径の１／３以上の粒径を有する粒子を約０．１％未満含有し得る。

本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料の他の好ましい特性は、配合物のキャリア液およびポリマーバインダー中に少なくとも部分的に懸濁可能であること、配合物のキャリア液およびポリマーバインダーと混合可能（相溶性）であることを含む。粒子状導電性材料は、材料の相当量が、インク配合物の調製後に、トレースを形成するのに十分な量の時間にわたり懸濁液中に残る場合、少なくとも部分的に懸濁可能であるとみなされる。本発明の様々な実施形態において、粒子状導電性材料は、配合物の全重量に基づく重量基準で１０％から約９５％までの量でインク配合物中に存在すべきである。導電性材料の量は、密度、粒径、およびキャリア液／ポリマーバインダー系の選択に基づいて広範に変化させることができる。したがって、たとえば、粒子状銀材料は重量基準で７０～９０％の量で用いてよいのに対して、導電性カーボン材料は重量基準で３０～５０％の量で用いてよい。本発明の様々な実施形態によるインク配合物中の粒子状導電性材料の含有量は、材料の密度、粒径、他の配合成分、および形成される導電性トレースの所望の導電性に基づいて、当業者が選択することができる。一般に、導電性インク配合物は、重量基準で１０～９５％の導電性材料、重量基準で２．５％から５０％のキャリア液、および重量基準で２．５％から４０％のポリマーバインダーを、これらの成分の全重量に基づいて、含有することができる。本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料は、所望の含有量範囲が得られるように、少なくともキャリア液中に懸濁することができ、より好ましくはキャリア液成分中に分散可能であるべきである。本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料は一般に、０．０１Ω・ｍより低い、好ましくは１＊１０^－５Ω・ｍより低い、より好ましくは１＊１０^－７Ω・ｍより低い、バルク抵抗率を有する。本発明の様々な実施形態において使用するために好適な粒子状導電性材料は一般に、インク配合物の他の成分に関して非反応性である。

本発明の様々な好ましい実施形態において、粒子状導電性材料は、銀、銀合金、またはそれらの混合物を含む。本発明のある特定の好ましい実施形態において、粒子状導電性材料は、平均粒径が約５μｍから約２５０μｍまでの不規則な形状を有する銀粒子を含む。本発明のある特定の好ましい実施形態において、粒子状導電性材料は、平均粒径が約５μｍから約２５０μｍまでの、より好ましくは約５μｍから約１００μｍまでの、高アスペクト比（すなわち、プレートレット厚さに対して大きい表面積）を有する銀のフレークまたはプレートレットを含む。本発明のある特定の好ましい実施形態において、粒子状導電性材料は、平均粒径が約５μｍから約２５０μｍまでの、より好ましくは約５μｍから約１００μｍまでの、高アスペクト比（すなわち、プレートレット厚さに対して大きい表面積）を有する銀のフレークまたはプレートレットを含み、フレーク／プレートレットの約０．１％未満が、基板上に導電性トレースを形成するために使用されるノズル、印刷先端部、スクリーンメッシュ、または印刷装置の他の開口部の直径の１／３以上の最大粒径寸法を有する。本発明の様々な実施形態において、フレークまたはプレートレットは、約１０：１より大きい、好ましくは約５０：１より大きい、より好ましくは約１００：１より大きい、高いアスペクト比（表面積：厚さ）を有する。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、粒子状導電性材料、キャリア液、ポリマーバインダー、および微結晶性セルロース成分を混合することによって調製することができる。あるいは、本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、粒子状導電性材料、キャリア液、およびポリマーバインダーを含有する市販のインクを微結晶性セルロース成分と混合することによって調製することができる。本発明の様々な実施形態において、導電性インク配合物は、微結晶性セルロース材料と混合された、たとえばＤｕＰｏｎｔ５０２９などの市販の導電性インクを含む。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、キャリア液を含む。本発明の様々な実施形態において使用するために好適なキャリア液としては、バインダーと混合可能（相溶性）であり、バインダーを溶解し、一方で導電性材料または微結晶性セルロース成分を分解しない、溶媒および水が挙げられる。本発明の様々な実施形態において、キャリア液は、たとえばジアルキレングリコールエーテルなどの親水性溶媒を含む。本発明の様々な実施形態においてキャリア液として使用するために好適な、特に好ましい溶媒としては、これらに限定されないが、プロピレングリコールエーテル、ジプロピレングリコールエーテル、およびそれらの混合物、特に好ましくは、それらのメチルエーテル型が挙げられる。本発明の様々な実施形態において使用するための好ましい溶媒は、環境的に許容される特性を提供する非毒性および／または低揮発性溶媒から選択することができる。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、バインダーを含み、他の添加剤をさらに含んでいてよい。本発明の様々な実施形態において使用するために好適なポリマーバインダーとしては、約１４０℃より高い、好ましくは約１６０℃より高い、より好ましくは約２００℃より高い熱分解温度を有する熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂を使用することが好ましい。好適なポリマーバインダーとしては、アクリル類、ビニル類、ポリエーテル類、ポリエステル類、ポリアミド類、ポリイミド類、フェノール類などが挙げられる。コポリマーおよびポリマーのブレンドも使用してよい。好適なポリマーバインダーは、ポリアセチレン、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、およびポリアニリンなどの導電性ポリマーを含んでいてよい。本発明の様々な好ましい実施形態において、ポリマーバインダーは、ポリエーテルを含む。本発明の様々な好ましい実施形態において、ポリマーバインダーは、フェニル基含有ポリエーテル樹脂を含む。本発明において使用するために好適なポリマーバインダーは、好ましくは、約７０℃より高い融点を有するべきであり、キャリア液成分を除去した後は、本明細書に記載される加圧／圧縮条件で流動性を示すべきである。本発明の様々な実施形態による導電性インク配合物中のポリマーバインダー含有量は、広範に変化してよく、選択される導電性材料およびキャリア液に依存する。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物はまた、これらに限定されないが、レオロジー改質剤、フィラー／増量剤、架橋剤、湿潤強度改質剤（wet strength modifier）、可塑剤、ラジカル捕捉剤／ＵＶ（紫外線）保護剤、乳化剤、ならびに炭酸ナトリウムなどのｐＨ調節剤およびｐＨ緩衝剤などの様々な添加剤を含んでいてよい。ポリマーのバインダーおよび添加剤は、市販のものから入手される導電性インク中に存在して本発明における微結晶性セルロースと混合されてよく、あるいは、ポリマーのバインダーおよび添加剤は、個別に生成されるか入手されて、本発明のインク配合物の粒子状導電性材料、キャリア液、および微結晶性セルロースと混合されてよい。本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物中で使用するために好適な、様々な公知の添加剤、キャリア液（溶媒）、およびポリマーバインダーは、米国特許出願公開第２０１６／０００９９７６Ａ１号明細書に記載されており、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、微結晶性セルロース成分を含む。修飾および／または未修飾の微結晶性セルロースを使用することができるが、未修飾（すなわち、化学修飾されていない、個別に官能化されていない）微結晶性セルロースを使用することが好ましい。微結晶性セルロース成分は、粉体状またはコロイド状であってよい。粉体状の微結晶性セルロース成分を使用することが好ましい。特に好ましい微結晶性セルロース成分は、Ｖｉｖａｐｕｒ（登録商標）１０１であり、これはＪＲＳ Ｐｈａｒｍａ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ（Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ、ドイツ）から市販されている。本発明の様々な実施形態において使用するために好適な微結晶性セルロース成分は一般に、約５μｍから約２５０μｍまでの、好ましくは約５μｍから約１００μｍまでの、より好ましくは約１０μｍから約１００μｍまでの、さらにより好ましくは約２０μｍから約１００μｍまでの、平均粒径を有する。本発明におけるある特定の好ましい実施形態において、微結晶性セルロース成分は、約２０μｍから約１００μｍまでの平均粒径を有する未修飾の粉体状の微結晶性セルロース成分を含む。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は一般に、配合物全体に基づく重量基準で最大約２０％までの量で微結晶性セルロース成分を含む。微結晶性セルロース成分は、好ましくは、配合物全体に基づく重量基準で約０．１％から約１５％までの、より好ましくは約０．１％から約１０％までの、さらにより好ましくは重量基準で約０．５％から約１０％までの、さらにより好ましくは重量基準で約０．５％から約５％までの量で存在する。微結晶性セルロース成分は、たとえば、ＪＲＳ Ｐｈａｒｍａ社、ＦＭＣ社およびＢｌａｎｖｅｒ社から市販のものを入手することができるか、または当技術分野で公知の複数の方法によって調製することができる。微結晶性セルロース成分の含水量は低いことが好ましく、微結晶性セルロース成分の含水量（含水率）は１．５％未満であることがより好ましい。

本発明の様々な実施形態において使用するための微結晶性セルロース成分は、異なる平均粒径を有する２種以上の微結晶性セルロースを含むことができる。本発明のある特定の好ましい実施形態において、導電性インク配合物は、２種の微結晶性セルロース成分を含む。ある特定の好ましい実施形態において、１種の微結晶性セルロース成分は、約１０μｍから約５０μｍまでの平均粒径を有し、第２の種類の微結晶性セルロース成分は、約５０μｍから約１００μｍまでの平均粒径を有する。一般に、微結晶性セルロース成分がより大きい粒径のセルロース成分を含む本発明の様々な実施形態において、そのようなより大きい粒径の微結晶性セルロースは、セルロース繊維の絡まりが印刷への粘度障害となる前の可能な限り多い量で存在するべきであり、そうでない場合、本発明の様々な実施形態における、配合物全体および任意の選択された印刷機器に依存する場合がある処理に悪影響を及ぼす。微結晶性セルロース成分が２種以上の微結晶性セルロースを含む本発明の様々な好ましい実施形態において、配合物中に存在する微結晶性セルロースの全量は、なお上記の範囲内である。

本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、各成分を混ぜ合わせ、ブレンドすることによって調製することができる。せん断速度とブレンド時間の組み合わせは、インク配合物中の微結晶性セルロースを確実に完全に分散するように選択しなければならない。しかし、せん断速度は、微結晶性セルロースの粒径がまだ微結晶性セルロースである範囲を出て減少するほどに大きくしてはならない。したがって、微結晶性セルロースをその平均粒径をナノスケールにまで低減させることなく十分に分散させる任意のせん断速度とブレンド時間の組み合わせが、本発明の様々な実施形態における配合物を調製する際に使用するために好適である。

本発明はまた、（ａ）基板を提供すること、（ｂ）（ｉ）粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含む導電性インク配合物を提供すること、および（ｃ）基板の表面上に導電性トレースを形成すること、を含む方法を含む。導電性トレースを基板の表面上に形成することは、導電性インク配合物を所望のパターンで印刷すること、たとえば、これらに限定されないが、スクリーン印刷、および押出印刷することによって行うことが好ましい。印刷は、押出印刷法を用いて行うことがより好ましい。

本発明の方法の様々な実施形態において使用するために好適な基板としては、これらに限定されないが、プラスチックフィルム、紙、シリコンウエハー、およびシリコン板、ならびにドープおよび非ドープ両方の、他の半導体材料が挙げられる。本発明の様々な好ましい方法の実施形態における使用のための基板は、紙を含む。本発明による方法の様々な好ましい実施形態において、紙基板は、樹脂含浸処理されていてよい。好適な紙基板は、導電性トレースが紙基板の表面上に印刷される前または後に、樹脂を含浸させることができる。複数層の基板の積層体を対象とする本発明の様々な実施形態において、導電性トレースは、１枚の基板の表面上に形成し、２枚の樹脂含浸された基板の間に挟むことができる。本発明の様々な実施形態における樹脂含浸紙の層において使用することができる好適な紙としては、これらに限定されないが、高圧積層体および低圧積層体の両方を含む、一般に装飾積層体の製造において使用される場合がある、コーティングされたまたはコーティングされていない、予備含浸されたまたは予備含浸されていない、セルロース（たとえば、樹木パルプ、木材パルプ、植物パルプなど）繊維、合成の織布または不織布、または／およびマイクロファイバー、または／およびナノファイバー、セルロースまたは／および合成繊維系の紙または／および鉱物繊維系の紙または／およびガラス繊維系の紙の混合物が挙げられる。本発明の様々な実施形態において、樹脂含浸紙基板として使用するために好適な紙は、以下の特性のうち、少なくとも１つを、好ましくはすべてを有する：国際規格ＤＩＮ ＩＳＯ ３７８１試験方法に従った機械方向における最小湿潤強度が１４００ｃＮ／３０ｍｍ、国際規格ＤＩＮ ＩＳＯ ８７８７試験方法に従った機械方向におけるクレム吸収性（Klemm absorbency）の範囲（毛管上昇）が３０ｍｍ／１０分から９０ｍｍ／１０分（好ましい吸収性は４５ｍｍ／１０分）、国際規格ＤＩＮ ＩＳＯ ２１４４試験方法に従って、使用した紙の固有の特質に依存する灰含有量が０％から５０％、国際規格ＤＩＮ ＩＳＯ ５３６試験方法に従った含水量範囲が２％から８％での坪量の範囲が１０ｇ／ｍ^２から３００ｇ／ｍ^２、国際規格ＤＩＮ ＩＳＯ ６５８８試験方法に従ったｐＨ（熱間抽出で）が４から９。本発明の様々な実施形態において、再生材料の少なくとも一部を含む紙を使用してよい。

本発明の様々な実施形態における印刷は、所望の解像度、線間隔、および厚さのトレースを形成するために好適な任意の方法によって行うことができる。本発明の様々な実施形態における導電性トレース間の最小線間隔は一般に、少なくとも約０．１ｍｍであり、インク配合物の粘度および導電性トレースの厚さに依存する。本発明におけるある特定の好ましい実施形態において、約１．３～１．５ｍｍの幅、約１ｍｍの厚さ、および約０．５ｍｍの線間隔を有する導電性トレースが基板の表面上に形成される。印刷は、押出印刷装置、スクリーン印刷装置、またはインクジェット印刷装置を用いて行うことが好ましい。様々な好ましい実施形態において、印刷は、シリンジ型ロボット供給ユニットを備える押出プロッターを使用して行う。ノズルの構成および寸法は、導電性インク配合物の粘度および粒径パラメーター、ならびに所望のトレース幅および厚さに基づいて選択することができる。

本発明による方法の様々な実施形態において、導電性トレースは、印刷後、乾燥され、圧縮される。乾燥は熱によって行うことが好ましい。乾燥の期間および温度は、キャリア液、ポリマーバインダー、それらの含有量レベル、導電性トレースの厚さに依存して変化させることができる。一般に、導電性トレースが厚いほど、キャリア液のすべてを確実に除去するために、乾燥時間はより遅くかつ長くなる。さらに、乾燥温度は、ポリマーバインダーの分解温度を超えるべきではない。本発明の様々な実施形態における乾燥することおよび圧縮することはそれぞれ、１つ以上の工程で、任意の順番で連続して、または同時に行うことができる。すなわち、１つ以上の乾燥工程および１つ以上の圧縮工程の任意の組み合わせを実施することができる。たとえば、様々な実施形態において、完全な乾燥を部分的な圧縮とともに行ってから、続いて追加の圧縮工程を行うことができる。本発明の様々な好ましい実施形態において、導電性トレースは、上昇する温度を使用する２つ以上の段階で乾燥させる。

本発明による方法の様々な実施形態において、導電性トレースは圧縮される。上述したように、乾燥することおよび圧縮することは、１つ以上の工程で、連続して、または同時に行ってよい。導電性トレースの圧縮は、たとえば、高圧絞りローラ、再冷却プレス（recooling press）などの任意の高圧圧縮機器を使用して行うことができる。圧縮は、数秒から数時間までの間、約１０００ｐｓｉから約４０００ｐｓｉまでの圧力で行うことができる。本発明の様々な実施形態において、圧縮は、３０～４５分間、約１２００ｐｓｉから１５００ｐｓｉで行う。さらに、本発明における様々な実施形態において、乾燥は、圧縮の間、継続してよい。さらに、本発明の様々な実施形態において、圧縮は、複数の段階または工程で行われてよく、その場合２つ以上の圧縮工程のうち少なくとも１つの工程が高圧（すなわち、約１０００ｐｓｉより大きい）で行われるような、低圧および高圧圧縮の組み合わせを用いる。

上述したように、本発明における様々な実施形態は、本発明の１つ以上の実施形態における導電性インク配合物から導電性トレースをその上に形成されて有する単一の基板を含む。本発明はまた、第１の基板層および第２の基板層を含む積層体を含み、第１の基板層および第２の基板層のうち少なくとも一方の少なくとも１つの表面は、その上に印刷された導電性トレースを有し、導電性トレースは、積み重ねられ圧縮された関係で第１の基板層と第２の基板層との間に配置され、導電性トレースは、粒子状導電性材料、ポリマーバインダー、および微結晶性セルロース成分を含む。

本発明の様々な実施形態における積層体は、層を含み、この層は、上述のような紙基板であることが好ましく、その表面上に、本発明の実施形態における導電性インク配合物を使用して印刷された導電性トレースを有する。そのような導電性トレースを有する少なくとも１つの層は、少なくとも１つの追加の層と積み重ねられ、それらの層の少なくとも１つが樹脂含浸紙の層を含み、熱および圧力で圧縮されて積層体を形成する。そのような積層、積層構造、および好適な導電性トレース設計のための好適なプロセスは、米国特許出願公開第２０１６／０１０４５６６号明細書において記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。熱および圧力による積層は、その上に導電性トレースを有する個別の基板に対して乾燥および圧縮を別々に行うことに加えて、またはその代わりに、行ってよい。

ここから以下の非限定的な実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

［実施例］

比較例１
各トレースが１メートルあたりインク２．０ｇの堆積で５１４．８ｍｍの長さを有する、ＤｕＰｏｎｔ５０２９インクのトレースを５本、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐａｐｅｒ社からの１８５ｇｓｍクラフト紙上に、Ｌｏｃｔｉｔｅ５００－Ｄシリーズロボット供給ユニットおよびシリンジ型ノズル出力（ノズルはインク供給のための１８ゲージのステンレス鋼ルアーロック針（luer-lock needle）を使用し、０．８ｍｍの開口を有した）を備える押出印刷装置を使用して、印刷した。各トレースを３分間、１００℃までの温度で、次いで３分間、１２５℃までの温度で、次いで５分間、１５０℃までの温度で乾燥した。次に、乾燥したトレースを有するこのクラフト紙のシートを、１８ｘ２０の高圧再冷却プレスにおいて３０分間、１２５０ｐｓｉで加圧し、ピーク温度は４～７分間、１３４℃に達した。次に、得られたインクトレースの抵抗をデジタルマルチメーターで測定した。測定された抵抗は、０．１１Ωから０．１５Ωまでの範囲であり、平均して０．１２Ωであった。

実施例１

比較例１において使用したものと同じＤｕＰｏｎｔ５０２９インクを使用して、６５μｍの平均粒径を有する微結晶性セルロースを全組成物に基づく重量基準で１％、および４０μｍの平均粒径を有する微結晶性セルロースを全組成物に基づく重量基準で３％を添加して、本発明の実施形態におけるインク（「インクＡ」）を調製した。ＤｕＰｏｎｔ５０２９インクおよび微結晶性セルロースを、機械的攪拌を用いてブレンドした。各トレースが１メートルあたりインク２．０ｇの堆積で５１４．８ｍｍの長さを有する、インクＡのトレースを５本、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐａｐｅｒ社からの１８５ｇｓｍクラフト紙上に、Ｌｏｃｔｉｔｅ５００－Ｄシリーズロボット供給ユニットおよびシリンジ型ノズル出力（ノズルはインク供給のための１８ゲージのステンレス鋼ルアーロック針を使用し、０．８ｍｍの開口を有した）を備える押出印刷装置を使用して印刷した。トレースを３分間、１００℃までの温度で、次いで３分間、１２５℃までの温度で、次いで５分間、１５０℃までの温度で乾燥した。次に、乾燥したトレースを有するこのクラフト紙のシートを、１８ｘ２０の高圧再冷却プレスにおいて３０分間、１２５０ｐｓｉで加圧し、ピーク温度は４～７分間、１３４℃に達した。次に、得られたインクトレースの抵抗をデジタルマルチメーターで測定した。測定された抵抗は、０．０９Ωから０．１２Ωまでの範囲であり、平均して０．１１Ωであった。

観察された抵抗の低減は、導電性材料の量を考慮する場合は特に、トレースの導電性における著しい向上である。ＤｕＰｏｎｔ５０２９インクは、重量基準で８０～８５％の銀を含有する。したがって、微結晶性セルロース添加後のインクＡは、重量基準で７２～７８％の銀である。つまり、比較例１においてＤｕＰｏｎｔ５０２９トレースの１メートルあたりに使用された銀は、１．６０ｇ～１．７０ｇであったのに対し、インクＡで使用されたのは１．４４ｇ～１．５６ｇ／ｍだけであった。したがって、本発明のインクＡでは、より少ない銀を使用して、より低い抵抗（より高い導電性）が達成される。より小さい銀の体積は銀粒子のネットワークの結合がより少ないことを意味するはずであるため、銀の含有量を低減することは導電性と逆指数関数的な関係を有するはずである。本発明の様々な実施形態における導電性インク配合物は、より少ない導電性粒子の含有量を示すが、より高い導電性を達成する。

比較例１および実施例１において評価したトレースの、算出した平均断面積を用いて、バルク抵抗率を求めた。算出したトレースの平均断面積は、０．２２４ｍｍ^２であった。この断面積、トレースの長さ、および測定された抵抗に基づいて、比較例１におけるトレースのバルク抵抗率を算出すると６．０６＊１０^－８Ωｍとなる。このバルク抵抗率は、バルク銅の抵抗率の３．６倍である。この断面積、トレースの長さ、および測定された抵抗に基づいて、実施例１におけるトレースのバルク抵抗率を算出すると５．５５＊１０^－８Ωｍとなる。このバルク抵抗率は、バルク銅の抵抗率の３．３倍である。これは、使用される銀の３％の低減に伴う、抵抗率におけるおよそ１０％の低減である。従来技術に対するこれらの利点は大変大きく、当技術分野で予期されないものである。

さらに、本発明の様々な実施形態におけるインク配合物トレースの、１ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの様々な周波数におけるＲＬＣメーター測定値は、予期されたものより低いインピーダンスを示す。これは、従来技術の導電性インクに対する本発明のインクの追加の利点であり、それは、高周波交流負荷でのインピーダンスが予期されたものより低いことにより、幅広い範囲の用途で使用される印刷回路のための本発明のインクの使用が可能となり、より高い効率およびより強い信号が提供されるためである。

本明細書で説明される実施形態に対し、その広い発明概念から逸脱することなく、変更が行われ得ることは、当業者に認識されるであろう。したがって、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されず、添付の請求項によって定義される本発明の趣旨および範囲内での修正を包含することを意図することが理解される。

Claims (28)

1. （ｉ）金属を含む粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含み、
   前記粒子状導電性材料はフレークまたはプレートレットであり、
   前記フレークまたはプレートレットは、１０：１より大きい高いアスペクト比（表面積：厚さ）を有する導電性インク組成物。
2. 前記粒子状導電性材料は、バルク抵抗率が０．０１Ω・ｍより低い成分を含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
3. 前記粒子状導電性材料は、バルク抵抗率が１＊１０^－５Ω・ｍより低い成分を含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
4. 前記粒子状導電性材料は、バルク抵抗率が１＊１０^－７Ω・ｍより低い成分を含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
5. 追加の金属、合金、導電性コーティングされたスフェア、および導電性カーボンからなる群より選択される成分をさらに含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
6. 前記粒子状導電性材料は、銀、および銀合金からなる群より選択される成分を含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
7. 前記微結晶性セルロース成分は、前記導電性インク組成物に基づく重量基準で０．０５％～１０％までの量で存在する請求項６に記載の導電性インク組成物。
8. 前記微結晶性セルロース成分は、２０μｍから１００μｍまでの平均粒径を有する請求項７に記載の導電性インク組成物。
9. 前記微結晶性セルロース成分は、前記導電性インク組成物に基づく重量基準で最大２０％までの量で存在する請求項１に記載の導電性インク組成物。
10. 前記微結晶性セルロース成分は、５μｍから２５０μｍまでの平均粒径を有する未修飾の粉体状の微結晶性セルロースを含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
11. 前記微結晶性セルロース成分は、前記導電性インク組成物に基づく重量基準で０．０１％～１０％までの量で存在する請求項１に記載の導電性インク組成物。
12. 前記微結晶性セルロース成分は、前記導電性インク組成物に基づく重量基準で０．０５％～１０％までの量で存在する請求項１に記載の導電性インク組成物。
13. 前記微結晶性セルロース成分は、２０μｍから１００μｍまでの平均粒径を有する請求項１２に記載の導電性インク組成物。
14. 前記微結晶性セルロース成分は、異なる平均粒径を有する２種以上の微結晶性セルロース材料を含む請求項１２に記載の導電性インク組成物。
15. 前記微結晶性セルロース成分は、２０μｍから１００μｍまでの平均粒径を有する請求項１に記載の導電性インク組成物。
16. 前記微結晶性セルロース成分は、異なる平均粒径を有する２種以上の微結晶性セルロース材料を含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
17. （ａ）基板を提供すること、
    （ｂ）請求項１記載の導電性インク組成物を提供すること、および
    （ｃ）前記基板の表面上に導電性トレースを形成すること、
    を含む方法。
18. 前記基板の表面上に前記導電性トレースを形成することは、印刷することを含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記基板の表面上に前記導電性トレースを形成することは、押出印刷することを含む請求項１７に記載の方法。
20. １つ以上の工程で、任意の順番で連続してまたは同時に、形成された前記導電性トレースを乾燥することおよび圧縮することをさらに含む請求項１７に記載の方法。
21. 基板を備え、前記基板は表面および前記基板の前記表面上に形成された導電性トレースを有し、前記導電性トレースは、請求項１に記載の導電性インク組成物を含む物品。
22. 前記導電性トレースは、少なくとも部分的に、乾燥され、圧縮されている請求項２１に記載の物品。
23. 第１の基板層および第２の基板層を含み、前記第１の基板層および前記第２の基板層のうち少なくとも一方の少なくとも１つの表面は、その上に形成された導電性トレースを有し、前記導電性トレースは、少なくとも１０００ｐｓｉで圧縮されて積み重ねられた関係で前記第１の基板層と前記第２の基板層との間に配置され、前記導電性トレースは、請求項１に記載の導電性インク組成物を含む高圧積層体。
24. 前記粒子状導電性材料は、銀フレークまたは銀プレートレットを含む請求項１に記載の導電性インク組成物。
25. 導電性インク組成物であって、（ｉ）粒子状導電性材料、（ｉｉ）キャリア液、（ｉｉｉ）ポリマーバインダー、および（ｉｖ）微結晶性セルロース成分を含み、前記粒子状導電性材料は、銀フレークおよび銀プレートレットからなる群より選択される成分を含み、前記微結晶性セルロース成分は、未修飾の微結晶性セルロース粉体を含み、前記微結晶性セルロース成分は、前記導電性インク組成物に基づく重量基準で０．０５％から１０％までの量で存在し、前記微結晶性セルロース成分は、２０μｍから１００μｍまでの平均粒径を有し、前記銀フレークまたは銀プレートレットは、１０：１より大きい高いアスペクト比（表面積：厚さ）を有する導電性インク組成物。
26. 前記キャリア液は極性溶媒を含み、前記ポリマーバインダーは熱可塑性ポリマーを含む請求項２５に記載の導電性インク組成物。
27. 前記キャリア液はジアルキレングリコールエーテルを含み、前記ポリマーバインダーはフェニル基含有ポリエーテル樹脂を含む請求項２５に記載の導電性インク組成物。
28. （ａ）基板を提供すること、
    （ｂ）請求項１記載の導電性インク組成物を提供すること、
    （ｃ）前記基板の表面上に導電性トレースを形成すること、
    （ｄ）１つ以上の工程で、任意の順番で連続して、または同時に前記導電性トレースを乾燥および圧縮することであって、前記圧縮は前記基材と前記導電性トレースに少なくとも１０００ｐｓｉの圧力を加えることを含む、
    を含む方法。