KR101624880B1 - 금속 나노입자 잉크 조성물 - Google Patents

Abstract

전도성 또는 장식성 패턴을 형성하기 위해 기판에 도포 후 추가의 가공 단계가 필요하지 않은 나노입자 잉크가 설명된다. 이 나노입자 잉크는 금속 나노입자, 하나 이상의 휴멕턴트, 분산제 및 용매를 함유한다. 나노입자 잉크의 형성 방법은 원하는 특성을 갖는 나노입자 잉크를 형성하기 위하여 저 에너지 혼합 단계와 고 에너지 혼합 단계를 포함한다. 또한, 표준 프린터에 설치될 수 있는 나노입자 잉크를 포함하는 카트리지가 설명된다.

Description

금속 나노입자 잉크 조성물{METAL NANOPARTICLE INK COMPOSITIONS}

본 출원은 2009년 7월 25일 제출된 미국 가 특허출원 제61/083,626호의 우선권을 주장하며, 이것은 참고로 본원에 포함된다.

본 발명은 기판 위에 전기 전도성 또는 장식성 층 및 패턴을 형성하기 위해 사용될 수 있는 인쇄가능한 나노입자 잉크에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 소결 패턴을 형성하기 위하여 인쇄 후에 추가의 소결 단계를 필요로 하지 않는 금속 나노입자를 함유하는 인쇄가능한 나노입자 잉크에 관한 것이다.

금속 입자들을 함유하는 잉크 조성물은 전도성 패턴의 빠르고 효과적인 인쇄에 유용하다. 이전에 공지된 전도성 잉크 조성물은 인쇄된 패턴을 소결하여 그것을 전도성으로 만들기 위해서 인쇄 후 열처리가 필요했다. 이러한 인쇄 후 열처리는 생산 시간 및 비용을 증가시킨다. 또한, 중합체 기판과 같은 많은 기판들이 잉크 소결에 필요한 온도에서 용융이나 변성을 시작하기 때문에 열처리가 쉽지 않을 수 있다.

Cornell 등의 미국특허 제7,316,475호는 열에 의한 소결 후 전기 전도성 패턴을 형성하는데 사용될 수 있는 은 나노입자들을 가진 수성 잉크젯 잉크를 설명한다.

Vanheusden 등의 미국 공개 특허출원 제2006/0163744호는 액체 비히클 중의 금속성 나노입자를 갖는 인쇄가능한 전기 전도체를 설명한다. 패턴을 전도성으로 만들기 위해서 인쇄 후 액체 비히클이 인쇄된 패턴으로부터 제거되어야 한다. 또한, 전도성을 더 개선하기 위해서는 패턴이 소결되어야 한다.

Reinartz의 미국 공개 특허출원 제2006/0130700호는 은염을 함유하는 잉크젯 잉크를 설명한다. 인쇄 후, 염의 은 이온이 열의 적용을 통해서 또는 환원제로 인쇄된 패턴을 처리함에 의해서 환원되어야 한다.

Voss-Kehl 등의 미국 공개 특허출원 제2005/0136638호는 은과 금 나노입자들을 가진 잉크 조성물을 설명하며, 이것은 전도성 패턴을 형성하기 위해서 인쇄 후 소결되어야 한다.

Boll 등의 미국 공개 특허출원 제2008/0113195호는 은 입자들을 함유하는 수성 잉크를 설명한다. 잉크가 전도성으로 되려면 인쇄된 패턴이 소결되어야 한다.

이와 같이, 소결된 패턴을 형성하기 위해서 광범한 인쇄 후 가공 단계가 필요하지 않은 잉크에 대한 필요성이 본 분야에는 여전히 남아 있다. 또한, 열처리 필요 없이, 전도성일 뿐만 아니라 열처리에 의해 소결된 패턴보다 더 좋은 패턴을 형성하는 잉크에 대한 필요성도 본 분야에 여전히 남아 있다.

본 발명의 목적은 전기 전도성 또는 장식성 패턴을 형성하기 위해서 초가의 인쇄 후 가공 단계가 필요하지 않은 기판 위에 인쇄하기에 적합한 나노입자 잉크를 제공하는 것이다. 본 발명의 나노입자 잉크는 금속성 나노입자, 하나 이상의 휴멕턴트, 분산제 및 용매를 포함한다.

또한, 본 발명의 목적은 인쇄 후 가공이 필요하지 않은 나노입자 잉크를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 방법은 원하는 특성을 갖는 나노입자 잉크를 형성하기 위해서 체질 단계 및 여과 단계와 함께 고 에너지 및 저 에너지 혼합 단계를 모두 조합한다.

또한, 본 발명의 목적은 표준 프린터와 함께 사용하기 위한 카트리지를 제공하는 것이다. 본 발명의 카트리지는 나노입자 잉크를 함유하고, 표준 인쇄 잉크를 함유하는 잉크 카트리지와 동일한 방식으로 프린터에 설치될 수 있도록 제조된다.

본 발명은 나노입자 잉크 및 나노입자 잉크의 제조 방법을 고찰한다. 본 발명의 나노입자 잉크는 기판에 전도성 패턴이나 층을 인쇄하거나 아니면 도포하는데 사용될 수 있다. 나노입자 잉크는 잉크젯 인쇄 방법을 사용하여 도포될 수 있지만, 본 분야에 잘 공지된 다른 기술들을 사용하여 도포될 수도 있다. 또한, 본 발명은 나노입자 잉크를 함유하는 잉크젯 프린터 카트리지를 고찰한다.

또한, 본 발명은 장식성 패턴과 같은 비-전도성 패턴의 도포를 위한 나노입자 잉크의 사용을 고찰한다. 이들 장식성 패턴은 전도성 패턴과 동일한 방식으로 형성될 수 있지만, 패턴의 형성 후에 반드시 전도성이 될 필요는 없다. 나노입자 잉크가 금속 나노입자들을 함유하므로, 인쇄된 전도성 패턴은 잉크에 존재하는 금속 나노입자들에 따라서 광택이 나는 금속 외관을 가지는 경향이 있다. 기판에 따라서, 잉크 감수성 코팅이 그것의 위에 인쇄된 은의 광택을 가능하게 하거나 증대시킬 수 있다.

본 발명의 나노입자 잉크는 잉크에 전도성을 제공하는 금속 나노입자를 적어도 한 가지 타입을 포함한다. 본 발명의 어떤 구체예에서, 금속 나노입자는 은 금속 나노입자이다. 그러나, 금속 나노입자가 다른 금속, 예를 들어 금, 구리, 니켈, 코발트, 주석, 아연 및 적합한 전도성을 가진 다른 금속을 포함할 수 있다는 것도 고찰된다. 또한, 금속 나노입자의 한 가지를 넘는 타입이 동일한 잉크 조성물에 사용될 수 있다는 것도 고찰된다.

본 발명의 금속 나노입자는 전형적으로 적합한 슬러리 용매 중의 슬러리로서 제공된다. 제공된 슬러리는 전형적으로 약 50중량% 내지 약 95중량% 나노입자, 바람직하게는 약 75중량% 내지 약 90중량% 나노입자를 함유한다. 어떤 구체예에서, 슬러리 용매는 이소프로필 알코올이며, 물, 간단한 알코올류 및 다른 적합한 용매와 같은 다른 슬러리 용매들도 고찰된다. 금속 나노입자 슬러리는 최종 잉크 조성물의 약 5중량% 내지 약 45중량%의 양으로 존재해야 한다.

또한, 본 발명의 나노입자 잉크는 잉크젯이 잉크로 막히는 것을 방지하고, 또한 점성 조정제로서도 작용하는 휴멕턴트를 포함한다. 한 가지 이상의 휴멕턴트가 동일한 잉크 조성물에 사용될 수 있다. 본 발명의 어떤 구체예에서, 휴멕턴트는 폴리에틸렌 글리콜 및/또는 글리세롤이다. 그러나, 또한, 소르비톨, 자일리톨 및 말티톨과 같은 폴리올류, 또는 폴리덱스트로스 같은 중합성 폴리올류 또는 퀼라야 같은 천연 추출물, 또는 락트산 또는 요소를 포함하는 다른 휴멕턴트들도 본 발명의 잉크를 형성하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 휴멕턴트 또는 휴멕턴트들의 혼합물은 최종 잉크 조성물의 약 2중량% 내지 약 30중량%, 바람직하게는 최종 잉크 조성물의 약 10중량% 내지 약 25중량%의 농도로 존재한다.

또한, 본 발명의 나노입자 잉크는 금속 나노입자의 솜털침전 또는 응집이 방지되도록 돕는 분산제를 포함한다. 본 분야에 잘 공지된 분산제들이 본 발명의 잉크를 형성하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 어떤 구체예에서, 분산제는 스위스 바젤에 위치한 Ciba Specialty Chemicals, Inc.의 DISPEX A40이다. 또한, 다른 타입의 아크릴 분산제와 같은 다른 분산제들도 본 발명의 잉크 조성물을 형성하는데 사용될 수 있음이 고찰된다. 전형적으로, 분산제 또는 분산제들의 혼합물은 최종 잉크 조성물의 약 0.1중량% 내지 약 2.0중량%의 농도로 존재할 것이다.

전도성 잉크의 나머지는 용매로 이루어질 것이다. 전형적으로, 용매는 잉크 조성물에 적합한 물일 것이다. 그러나, 잉크 조성물을 형성하는데 전형적으로 사용되는 다른 용매들도 사용이 가능할 수 있다. 이것은 열 잉크젯 인쇄에 적합하지 않을 수 있는 용매들, 예를 들어 압전 타입 기계에 사용되는 잉크에 적합한 용매를 포함한다.

또한, 본 발명의 잉크는 선택적으로 추가 성분들을 포함할 수 있다. 이러한 추가 성분들의 예는 잉크가 광범한 다양한 기판 위에 인쇄될 수 있도록 하는 습윤제를 포함한다. 어떤 구체예에서, 습윤제는 미국 미시건주 미들랜드에 위치한 Dow Corning에서 제조된 Dow Corning 67 Additive이다.

본 발명의 나노입자 잉크는 전형적으로 약 1 내지 100 cP, 바람직하게는 약 3 내지 약 10 cP의 점도를 갖도록 배합된다. 본 분야에 잘 알려진 대로, 잉크 조성물의 점도는 휴멕턴트, 용매 및 나노입자의 농도를 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

본 발명의 나노입자 잉크는 다음의 방법에 의해서 형성될 수 있다:

금속 나노입자의 슬러리와 휴멕턴트를 잘 섞일 때까지 저 에너지 공정에 의해 혼합한다. 혼합은 미국 오하이오주 트로이에 위치한 Hobart Corporation 또는 미국 켄터키주 플로렌스에 위치한 Littleford Day, Inc.에서 제조된 것들과 같은 저 에너지 플라네터리 믹서에 의해, 또는 손으로 행해질 수 있다. 다음에, 혼합물에 분산제를 첨가한다. 다음에, 혼합물을 부드러운 질감이 달성될 때까지 3-롤 밀을 여러 번 통과시킨다. 어떤 경우, 미국 오하이오주 데이톤에 위치한 Precision Gauge and Toll에서 판매되는 것들과 같은 Fineness of Grind 게이지를 사용하여 혼합물의 분산을 시험할 수 있다. 전형적으로, 혼합물은 원하는 결과가 달성될 때까지 3-롤 밀을 1-10회 통과될 것이다. 사용에 적합한 3-롤 밀의 예는 미국 뉴욕주 린덴허스트에 위치한 Keith Machinery에서 판매되는 것들을 포함한다. 다음에, 혼합물을 스테인리스 스틸 325 메시 스크린을 통해 체질한다.

결과의 재료를 칭량하고, 적절한 양의 추가의 휴멕턴트와 용매를 첨가하고, 잘 섞일 때까지 손이나 저 전단 혼합에 의해 혼합한다. 결과의 잉크를 미국 뉴욕주 이스트 힐즈에 위치한 Pall Corporation에서 제조된 것들과 같은 1 마이크론 필터를 통해 여과한다.

일반적으로, 본 발명의 나노입자 잉크는 상기 단계들에서 설명된 체질 및 여과와 함께 고 에너지 및 저 에너지 믹서를 모두 조합한 공정에 의해 제조된다.

본 발명의 나노입자 잉크가 형성된 후, 이들은 기판 도포를 위해 준비된다. 전형적으로, 이것은 잉크의 도포에 사용되는 프린터와 호환가능한 인쇄 카트리지를 충전함으로써 행해질 수 있다. 그러나, 또한, 기판 위에 잉크를 솔질하거나 분무하는 것과 같은 다른 방법을 사용해서 잉크가 기판에 도포될 수 있다는 것도 고찰된다.

잉크젯 프린터와 같은 프린터가 사용되어야 할 경우, 전도성 잉크를 함유하는 인쇄 카트리지가 프린터에 설치된다. 다음에, 기판 위에 원하는 패턴을 인쇄하도록 프린터가 프로그래밍된다. 나노입자 잉크가 다양한 인쇄 카트리지에 삽입될 수 있으므로, 나노입자 잉크는 표준 잉크젯 및 중형 또는 대형 포맷 프린터를 사용하여 도포될 수 있다.

본 발명의 나노입자 잉크의 도포에는 다양한 기판이 사용될 수 있다. 본 발명과 함께 사용될 수 있는 기판은 종이 기판, 예를 들어 표준 사무용지, 카드스톡, 및 사진용지; 단단한 기판, 예를 들어 유리, 세라믹, 목재 및 FR4 회로판; 및 전기회로용 기판으로서 본 분야에 공지된 중합체 기판을 포함한다. 기판 위에 인쇄된 잉크의 광택을 가능하게 하거나 증진시키기 위해서 기판 위에 잉크 감수성 코팅이 사용될 수 있다. 이 잉크 감수성 코팅은 10% 내지 75%(총 잉크 감수성 코팅의 중량을 기준으로) 티타니아 분말, 용해되거나 에멀젼 또는 분산물 상태인 약 0.1% 내지 10%(총 잉크 감수성 코팅의 중량을 기준으로) 수지, 및 물 또는 에스테르 또는 알코올 용매와 같은 액체를 함유할 수 있다. 수지는, 제한은 아니지만, 아크릴 수지(예를 들어, 미국 뉴저지주 07932 포햄 파크에 위치한 BASF의 Joncryl 62, 또는 Rohm & Haas Co.의 Paraloid F-1O) 또는 폴리비닐 알코올 수지일 수 있다. 알코올 용매는, 제한은 아니지만 트리데칼 알코올 또는 이소프로필 알코올일 수 있다. 에스테르 용매는, 제한은 아니지만, 글리콜 에테르 EM 아세테이트(2-메톡시에틸 아세테이트) 또는 글리콜 에테르 DE 아세테이트(2-(2-에톡시에톡시)에틸 아세테이트)일 수 있다. 코팅은 나노입자 잉크의 도포 전에 인쇄, 분무, 롤러 코팅 등에 의해 기판에 도포될 수 있다.

나노입자 잉크가 기판에 도포된 후, 형성된 패턴은 전도성이어야 하며, 수초의 인쇄 공정 이내에 사용이 준비되어야 한다. 대부분의 경우, 인쇄된 패턴은 표준 잉크가 인쇄 후 건조되는데 걸리는 시간 양 이내에 사용가능하다.

본 발명의 나노입자 잉크는 인쇄 후 추가의 가공 단계가 필요하지 않고, 인쇄된 잉크는 전도성이고, 인쇄시 사용이 준비된다. 이론과 결부시키고 싶지는 않지만, 본 발명의 나노입자 잉크 중의 금속 나노입자들은 실온 또는 인쇄 공정과 관련된 온도에서 소결될 수 있는 것 같다. 이와 같이, 본 발명의 나노입자 잉크는 열 소결과 같은 인쇄 후 가공 단계가 필요한 잉크만큼 우수한 또는 더 나은 전도성을 가진 인쇄된 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 발명의 나노입자 잉크로 충전된 인쇄 카트리지를 고찰한다. 본 발명의 인쇄 카트리지는 잉크와 함께 사용되는 프린터와 호환가능한 본 분야에 알려진 것들과 같은 구조를 가질 것이다. 본 발명에 의해서 나노입자 잉크가 중형 및 대형 포맷 프린터 및 압전 타입 프린터를 포함하는 잉크젯 프린터 이외의 다른 타입의 프린터에서 사용될 수 있다는 것이 고찰된다.

더 이상의 설명이 없이도 당업자라면 선행된 설명과 다음의 실례를 사용하여 본 발명의 화합물을 제조하여 이용하고 청구된 방법을 실시할 수 있을 것으로 생각한다. 다음의 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 주어진다. 본 발명이 이 실시예에서 설명된 특정 조건이나 세부내용에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

실시예

다음의 최종 배합을 갖는 전도성 잉크를 형성했다:

	중량%
나노입자 은 분말 슬러리 (이소프로필 알코올 중 90%)	20%
폴리에틸렌 글리콜	13%
글리세롤	5%
분산제 - Ciba DISPEX A40	0.5%
탈이온수	61.5%

나노입자 은 슬러리, 글리세롤 및 폴리에틸렌 글리콜의 일부를 잘 섞일 때까지 손으로 혼합했다. 분산제를 첨가했다. 다음에, 혼합물을 부드러운 질감이 달성될 때까지 3-롤 믹서에 4번 통과시켰다. 혼합된 재료를 스테인리스 스틸 324 메시 스크린을 통해 체질했다. 얻어진 재료를 칭량하고, 원하는 최종 농도를 달성하는 적절한 양의 물과 폴리에틸렌 글리콜을 첨가하여 손으로 혼합했다. 얻어진 잉크를 1 마이크론 필터를 통해 여과하여 바로 사용할 수 있도록 준비했다.

사진용지 위에 잉크젯 인쇄 후, 인쇄된 패턴은 광택이 나는 외관을 가졌다. 인쇄의 현미경 검사는 은 입자들이 인쇄 후 소결 단계 적용 없이도 함께 소결된 것처럼 보인다는 것을 시사했다.

본 발명의 어떤 현재 바람직한 구체예들이 본원에서 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원에 설명되고 나타낸 다양한 구체예들의 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위와 적용되는 법규에 의해 요구되는 범위로만 제한되어야 한다.

Claims (20)

1. 금속 나노입자와 하나 이상의 휴멕턴트를 제공하는 단계;
   저 에너지 혼합 공정에 의해 금속 나노입자와 휴멕턴트를 혼합하는 단계;
   분산제를 제공하는 단계;
   고 에너지 혼합 공정에 의해 상기 금속 나노입자, 휴멕턴트 및 분산제의 혼합물(a)을 혼합하는 단계;
   스크린을 통해 혼합물을 체질하는 단계;
   조성물의 성분들의 원하는 최종 농도를 제공하기에 충분한 양으로 추가의 휴멕턴트와 용매를 첨가하는 단계;
   저 에너지 혼합 공정을 사용하여 상기 혼합물(a), 상기 추가의 휴멕턴트 및용매의 혼합물(b)을 혼합하는 단계; 및
   결과의 혼합물(b)을 여과하여 나노입자 잉크 조성물을 얻는 단계;
   를 포함하는, 나노입자 잉크 조성물의 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 고 에너지 혼합 공정은 3-롤 밀을 통해 혼합물(a)을 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 금속 나노입자; 휴멕턴트 또는 휴멕턴트들의 혼합물; 분산제; 및 나머지 조성물 중량을 구성하는 용매를 포함하는 나노입자 잉크 조성물을 제공하는 단계;
   기판을 제공하는 단계;
   패턴 도포 공정을 사용하여 기판에 나노입자 잉크 조성물을 도포하는 단계; 및
   잉크 감수성 코팅으로 기판을 코팅하는 단계;
   를 포함하며, 상기 패턴은 추가의 소결 단계의 필요 없이 기판에 도포 시 전기 전도성이 되는, 기판 위에 전도성 패턴을 형성하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 도포 공정은 인쇄 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 인쇄 공정은 잉크젯 인쇄 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 잉크젯 인쇄 공정은 상기 나노입자 잉크 조성물을 함유하는 프린터 카트리지를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서, 잉크 감수성 코팅은 10% 내지 75%(총 잉크 감수성 코팅의 중량을 기준으로) 티타니아 분말, 및 액체 중에 용해되거나 또는 액체 중의 에멀젼 또는 분산물 상태인 0.1% 내지 10%(총 잉크 감수성 코팅의 중량을 기준으로) 수지를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 액체는 물, 에스테르 또는 알코올 용매인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 수지는 아크릴 수지 또는 폴리비닐 알코올 수지인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 3 항에 있어서, 코팅 공정은 인쇄, 분무, 또는 롤러 코팅에 의해 기판에 도포하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 3 항에 있어서, 금속 나노입자가 은 나노입자인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 3 항에 있어서, 금속 나노입자가 은과 함께 또는 은은 없이 금, 구리, 니켈, 코발트, 주석, 및 아연 또는 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 3 항에 있어서, 휴멕턴트가 폴리에틸렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 3 항에 있어서, 분산제가 Ciba DISPEX A40인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 3 항에 있어서, 용매가 물인 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 3 항에 있어서, 금속 나노입자가 최종 조성물의 5 중량% 내지 45 중량%의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 3 항에 있어서, 휴멕턴트 또는 휴멕턴트들의 혼합물이 최종 조성물의 2 중량% 내지 30 중량%의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 3 항에 있어서, 분산제가 최종 조성물의 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 농도로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
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