JP7356729B2 - 粒子非含有導電性インクを用いて製作されたe-テキスタイル - Google Patents
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Description
本出願は、2018年2月13日に出願された米国仮出願番号第62/630,005号、2018年5月22日に出願された米国仮出願番号第62/674,864号、及び2018年10月15日に出願された米国仮出願番号第62/745,710号の米国特許法第119(e)条に基づく利益を主張し、これら米国仮出願の全内容が本明細書に組み込まれている。
一般的に、本発明の粒子非含有導電性インクは、溶媒中に溶解した金属錯体を含む。金属錯体は、単核、二核、三核、及びそれよりも多核のものとすることができる。例えば、金属錯体は、少なくとも1つの金属と、少なくとも1つの第1の配位子と、少なくとも1つの第2の配位子とを含む中性金属錯体とすることができる。金属錯体は、米国特許出願第2011/0111138号及び第2013/0236656号に記載されているものとすることができる。金属錯体は、少なくとも1つの第1の金属を有する第1の金属錯体と、少なくとも1つの第2の金属を有する第1の金属錯体とを含むことができる。金属錯体は、米国特許第9,920,212号に記載されているものとすることができる。
金属錯体は、導電線を形成するのに有用な金属、特に半導体及びエレクトロニクス産業において用いられる金属を含むことができる。例示的な金属は、少なくとも、銀、金、銅、プラチナ、ルテニウム、ニッケル、コバルト、パラジウム、亜鉛、鉄、錫、インジウム、及びこれらの合金を含む。金属錯体は、単一の金属中心又は2つの金属中心を含むことができる。
ピペット印刷、インクジェット印刷、リソグラフィ又はオフセット印刷、グラビア印刷又はグラビアオフセット印刷、フレキソ印刷、微粒分散直接書き込み印刷、スクリーン印刷又は回転スクリーンプロセス印刷、オフセット印刷、孔版印刷、ドロップキャスト法スロットダイ、ロール・ツー・ロール、スタンプ法、ロールキャスト法、噴霧塗り、流し塗り、押出印刷、及び噴霧、或いは空気圧式又は超音波のエアロゾルジェット印刷などのエアロゾル送達を含む、当該技術分野で公知の方法を用いて、インクを堆積させることができる。インク配合及び基材を堆積法に適合させることができる。
多種多様な固体材料が、本発明の粒子非含有導電性インクの堆積(例えば印刷)を受けることができる。ポリマー、有機及び合成繊維、プラスチック、金属、セラミック、ガラス、シリコン、半導体、及びその他の固体を用いることができる。有機及び無機基材を用いてもよい。
粒子非含有導電性インク配合組成が、周囲温度又は高温のどちらかでテキスタイル基材などの基材上に印刷されると、硬化されて、導電性パターンを形成する(すなわち金属構造物へと変換される)ことができる。硬化は、印刷済み基材を加熱するステップ、及び/又は印刷済み基材を照射するステップを含むことができる。特定の実施例では、印刷済み基材は、60分よりも短い、例えば30分よりも短い又は15分よりも短い時間期間にわたって、200℃又はそれ以下、例えば150℃又はそれ以下、或いは100℃又はそれ以下の温度まで加熱することによって硬化させることができる。特定の実施例では、印刷済み基材は、1Ω/□未満の抵抗を有する導電性パターンを形成するように、10分にわたって140℃まで加熱され、又は10分にわたって赤外放射線に暴露される。
本発明の特定の態様によれば、本明細書で開示する粒子非含有インクを用いて形成された導電性トレースは、誘電体コーティングなどの保護コーティングでコーティングすることができる。例えば、トレースの全部又は一部分は、水性誘電体ポリマー溶液などのポリマーコーティングでコーティングすることができる。例示的なポリマー溶液は、少なくともアクリルポリマー及びポリウレタンポリマーを含む。保護コーティングは、塗布、噴霧、又は印刷(例えばインクジェット印刷)によって堆積させることができる。ポリマー溶液の粘度は、適切な溶媒及び溶媒混合物による希釈によって、特定のテキスタイル及び堆積法に合わせて調節することができる。かかるコーティングは、熱処理、溶媒の蒸発、照射(例えばUV処理)、又はこれらの何れかの組み合わせによって硬化させることができる。例示的なコーティングは、導電性トレースを覆うように印刷されてテキスタイルを30分又はそれ以下、例えば、20分又はそれ以下にわたって160℃又はそれ以下、例えば、150℃又はそれ以下まで加熱することによって硬化されたアクリル系コーティングを含む。
本発明はまた、e-テキスタイルに関する。これらのe-テキスタイルは、本明細書で開示するインク及び/又は方法を用いて少なくとも1つの導電性トレースが印刷された何れかのテキスタイルを含む。トレースは、電源又はバッテリーなどの電流への接続のための接触パッド又はコネクタで終端することができる。様々なハードウェア要素が、トレース又はパターンの複数の部分に接続されて、電子デバイスを形成することができる。このため、e-テキスタイル上の導電性パターンは、センサ(例えば、光、熱、湿度、ガス、圧力、加速度、歪み、力、及び近接度)、導電体、電極、回路、相互接続部、ライト、アンテナ、抵抗加熱素子、スイッチ、透明導電性要素、バッテリー、又はこれらの何れかの組み合わせを提供できるトレース又はパターンとして形成することができる。本開示の発明による近接センサを備えた例示的なe-テキスタイルが図14に示されている。
本発明の特定の態様によれば、導電性インクを用いて抵抗加熱素子をテキスタイル上に印刷することができる。かかる要素は、衣服において用いるためのウェアラブルヒータ又は加熱素子、或いは自動車産業における抵抗加熱素子(例えば、シートヒータ、電気自動車ヒータ)、及びその他として適用することができる。例示的な5トレースヒータが図15に示されている。これらのヒータは、図17A及び図17Bそれぞれに示しているように、直列で又は並列で配置することができる。
カルボキシラートである第2の配位子(例えば銀カルボキシラート)を含む銀錯体を備えた例示的な導電性インクは、分析的に純粋化合物を提供して定量的収率で進行する反応において金属酸化物又は金属アセタートとカルボン酸との反応によって形成することができる。
表1
表2
金属錯体の調製は、金属第2の配位子に対する過量の第1の配位子反応物を必要とすることが判明した(上記の表を参照されたい。金属錯体を製作するのに第2の配位子の13倍過量を用いた)。例として、ほとんどの銀(I)カルボキシラートは、ほとんどの従来溶媒の中には不可溶である。1:1反応(1:1の銀イソブチラート:エチレンジアミン)は、極性プロトン性溶媒系の中で配合した時に未反応銀(I)イソブチラートと推察される大量の不可溶物質を有する暗色の生成物を生じた。このことから、1:1反応によって形成された金属錯体は、全ての反応物から生成物への完全変換を促進することができず、更に基材上に切れ目のない導電性膜を形成し損ねた可能性が高い。
金属錯体は、化学量論量の第1の配位子と第2の配位子と金属とを含むことが判明した。D2O中に溶解したエチレンジアミン銀イソブチラート粉体が、銀イソブチラートに配位された化学量論量のエチレンジアミンからなることを、プロトンNMRを用いた構造分析が示した。D2O中の金属錯体の1H-NMRスペクトル(図9のBruker AV-360分光計における1H-NMR走査像を参照)が、2つのエチレンジアミンCH2基(合計で4つのプロトン)に対して1つ、単一のイソブチラートCH基(1つのプロトン)に対して1つ、及び2つのイソブチラートCH3基(合計で6つのプロトン)に対して1つという予測した3つのプロトン炭素(CH)ピークを示した。これらのピークに、0.93ppmイソブチラートCH3、2.25ppmイソブチラートCH、及び2.81ppmエチレンジアミンCH2として割り当てを行った。3.978エチレンジアミンCH2:0.928イソブチラートCH:6.151イソブチラートCH3というプロトン積分比が、1エチレンジアミン:1銀イソブチラート又は化学量論量の金属、及びエチレンジアミン配位子及びイソブチラート配位子の各々と整合する。
本発明の粒子非含有導電性インクの配合に向けての溶媒選択の柔軟性を実証するために様々な極性プロトン性溶媒系を試験した(下記の表3及び表4を参照)。例えば、ジアミン銀(I)イソブチラート錯体を、少なくとも2つの極性プロトン性溶媒を含む溶媒系の中で配合した。極性プロトン性溶媒の様々な組み合わせを用いた代表的なインク配合組成、及びこれらの極性プロトン性溶媒中で配合された時にこれらのインク配合組成が、切れ目のない高導電性膜(0.04~0.09Ω/□のシート抵抗)を製作することを示すデータを下記の表3及び表4に示す。
表3
表4
本開示の発明の粒子非含有導電性インクを、上記で開示したインクジェット印刷法を用いて様々なテキスタイル上に印刷し、導電性トレースを形成した。トレースは未コーティングのままに留めた、又は透明のUV硬化可能ポリウレタンコーティングでコーティングした。これらのパターンに関するシート抵抗を、AATCC61-2013(洗濯)に従って試験した。図11に示すように、最大で50回の洗浄の後にも、これらのトレースに対するごくわずかな導電率変化しか観測されなかった。コーティングトレースは、100回もの洗浄サイクルの後でも良好な導電率を示し、それに対して未処理(未コーティング)のトレースは、70回もの洗浄サイクルの後でも良好な導電率を示した。対照サンプルは、わずか5回の洗浄サイクルの後に導電率を完全に失った。
織成織物を本開示の発明によるインク及び方法を用いて印刷し、それに対して耐歪み性測定を行った。図12に示しているのは、様々な伸張量(0%から230%まで)の下での電気機械的伸張試験に関する結果である。従来技術の導電性トレースでは、歪みは、導電率を低減する膜亀裂を誘発する(図5を参照)。本発明によるインク及び方法を用いた場合、トレース導電率は、テキスタイルの破断点(すなわち、テキスタイルが2つの断片へと裂ける)まで増大する歪みによる影響をほとんど受けなかった。この特異な挙動は、トレースの平均スポット温度(FLIRを用いて測定され、データは示していない)のほんのわずかな上昇によって実証され、この場合、スポット温度は、伸張した導電性織物を電子が貫流する時に発生する熱の量に相関し、流れる電子が発生させる熱が多いほどこの温度は高い。
織成基材を本発明による導電性インクで印刷し、耐摩滅性コーティング(耐摩滅性コーティングNSN8030-00-164-4389)でコーティングした又は未コーティングのままに留めた。コーティング後(対照)、10回摩擦後、20回摩擦後、及び30回摩擦後の幾つかのサンプルに関してシート抵抗を測定した(表5を参照)。
表5
態様1:e-テキスタイルを形成するための方法であって、テキスタイルの繊維を共形コーティングする粒子非含有導電性インクをテキスタイル基材上に堆積させて、少なくとも1つのパターンを形成するステップと、少なくとも1つのパターン内の粒子非含有導電性インクを硬化させて、少なくとも1つの導電性パターンを形成するステップと、を含み、少なくとも1つの導電性パターンが0.5mm未満のインク滲み及び10Ω/□未満の抵抗を示す、方法。
また、本出願において以下の態様が開示される。
態様26:少なくとも1つの粒子非含有導電性トレースが印刷されたテキスタイルを備えたe-テキスタイルであって、前記少なくとも1つの粒子非含有導電性トレースの少なくとも一部分が、保護誘電体コーティングでオーバーコートされ、前記少なくとも1つの導電性パターンが、0.2mm未満のインク滲みと1Ω/□未満の抵抗とを示し、前記インク滲みは、前記インクが広がることができる印刷トレースの所定の縁部からの距離として測定され、前記テキスタイルは、ポリエステル、ポリアミド、スパンデックス、ナイロン、エラステイン、綿、セルロース、絹、木材、羊毛、又はこれらの配合物の繊維を含む編成、織成、又は不織の織物を含む、e-テキスタイル。
態様27:前記粒子非含有導電性トレースは、2又は3以上の粒子非含有導電性インク層を含む、態様26に記載のe-テキスタイル。
態様28:前記導電性トレースの前記抵抗は、前記テキスタイルが50回の洗浄サイクルに暴露された後に50%未満だけ増大し、洗浄サイクルは、AATCC61-2013によって定められる、態様26に記載のe-テキスタイル。
態様29:前記e-テキスタイルは、センサ、電極、回路、相互接続部、ライト、アンテナ、抵抗加熱素子、スイッチ、バッテリー、又はこれらの何れかの組み合わせとして機能する、態様26に記載のe-テキスタイル。
態様30:前記e-テキスタイルは、抵抗ヒータとして機能し、前記抵抗ヒータは、0.7℃/秒から1℃/秒の速度で加熱され、前記導電性トレース内の抵抗は、前記テキスタイルが50回の洗浄サイクルに暴露された後に50%未満だけ増大し、洗浄サイクルは、AATCC61-2013によって定められる、態様26に記載のe-テキスタイル。
Claims (7)
- e-テキスタイルを形成するための方法であって、
テキスタイル基材の繊維を共形コーティングする粒子非含有導電性インクを前記テキスタイル基材上に堆積させて、少なくとも1つのトレースを形成するステップと、
前記少なくとも1つのトレース内の前記粒子非含有導電性インクを硬化させて、少なくとも1つの導電性パターンを形成するステップと、
を含み、
前記少なくとも1つのトレースは、印刷後0.2mm未満のインク滲みを示し、前記少なくとも導電性パターンが1Ω/□未満の抵抗を示し、前記インク滲みは、インク堆積の精度の尺度であり、
前記粒子非含有導電性インクを堆積させる間に、前記テキスタイル基材を、30℃から90℃の温度まで加熱するステップを更に含み、
前記粒子非含有導電性インクは、
少なくとも1つの金属錯体であって、少なくとも1つの金属と、前記金属へのシグマドナーであり且つ前記金属錯体を加熱する時に揮発する少なくとも1つの第1の配位子と、前記第1の配位子とは異なり且つ前記金属錯体を加熱する時に同様に揮発する第2の配位子と、を含む金属錯体と、
水、アルコール、アミン、アミノアルコール、及びポリオールのうちの1又は2以上を含む1又は2以上の極性プロトン性溶媒と、
を含み、
前記金属錯体は、25℃において測定されたときに、前記1又は2以上の極性プロトン性溶媒中に少なくとも250mg/mlの溶解度を有し、
前記少なくとも1つの金属と、前記少なくとも1つの第1の配位子と、前記少なくとも1つの第2の配位子とが、前記導電性インク中に化学量論量で与えられる、
ことを特徴とする方法。 - 前記粒子非含有導電性インクを堆積させるステップは、40℃から80℃の温度まで加熱された前記テキスタイル基材上へのインクジェット印刷によるものであり、2又は3以上の層を印刷するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記粒子非含有導電性インクを硬化させた後に、前記少なくとも一つの導電性パターンの少なくとも一部分を保護誘電体コーティングでコーティングするステップを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記硬化させるステップは、200℃よりも低い温度で20分よりも短い時間にわたる加熱、2~20パルスのパルス光への暴露、赤外放射線への暴露、又はこれらの何れかの組み合わせによるものである、請求項1に記載の方法。
- 前記テキスタイル基材は、酸素プラズマ、保護コーティング、コロナ、又はこれらの組み合わせで前処理される、請求項1に記載の方法。
- 前記粒子非含有導電性インクは、結合剤、界面活性剤、分散剤、及び染料のうちの1又は2以上から選択された0.1%から5%までの添加剤を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記テキスタイル基材は、ポリエステル、ポリアミド、スパンデックス、ナイロン、エラステイン、綿、セルロース、絹、木材、羊毛、又はこれらの配合物の繊維を含む編成、織成、又は不織の織物を含む、請求項1に記載の方法。
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201862630005P | 2018-02-13 | 2018-02-13 | |
US62/630,005 | 2018-02-13 | ||
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