KR20090122153A - 잉크 용품용 금속성 나노입자의 광화학적 합성 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고, 상기 나노입자를 잉크로 제형화시킴을 포함하는, 잉크의 형성 방법에 관한 것이다.
금속성 나노입자, 잉크, 광화학적 합성, 제형화, 잉크 조성물

Description

잉크 용품용 금속성 나노입자의 광화학적 합성{Photochemical synthesis of metallic nanoparticles for ink applications}
본 발명은 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성함을 포함하는 잉크의 형성 방법에 관한 것이다.
인쇄 전자적 특성, 예를 들어, 박막 트랜지스터(TFT) 전극 및 무선 주파수 식별(RFID) 기술은 집중적인 연구 분야이다. 전자적 특성을 직접 인쇄하는 능력은 많은 적용 가능성을 갖는 무수한 저가의 가요성 전자공학에 문호를 개방한다.
전자적 특성을 인쇄하는데 통상적으로 사용되는 물질은 금속 물질을 포함한다. 특히, 나노미립자 금속 물질은 우수한 생성물을 수득하는 우수한 특성을 갖기 때문에, 인쇄된 전자공학 용품에 널리 사용된다. 금속성 나노입자는 직경이 서브마이크론 크기 범위내인 입자이다. 나노입자 금속은 벌크 및 원자 종의 성질과 상이한 독특한 성질을 갖는다. 금속성 나노입자는 표면 원자의 향상된 반응성, 높은 전기 전도성 및 독특한 광학적 성질을 특징으로 한다. 예를 들어, 나노입자는 벌 크 금속보다 융점이 낮고, 벌크 금속의 소결 온도보다 소결 온도가 낮다. 금속 나노입자의 독특한 성질은 이들의 독특한 전자 구조 및 이들의 극도로 큰 표면적 및 표면 원자의 높은 비율로부터 생성된다.
금속성 나노입자는 결정성 또는 무정형 물질이다. 이들은 순수한 금속, 예를 들어, 은, 금, 구리 등, 또는 금속의 혼합물, 예를 들어, 합금, 또는 하나 이상의 기타 금속, 예를 들어, 금 또는 은의 쉘로 피복된 하나 이상의 금속, 예를 들어, 구리의 코어로 이루어질 수 있다. 니켈은 이의 비교적 낮은 전도성(구리 또는 은의 전도성의 약 4배 미만) 때문에 매우 제한된 정도로 전도성 잉크에 사용되어 왔다. 금 및 은은 우수한 전도성을 제공할 수 있지만, 비교적 고가이다. 또한, 금 및 은은 높은 어닐링 온도를 필요로 하고, 이는 종이 및 플라스틱 기판 상에서의 인쇄에 대한 능력을 시험할 수 있다. 구리는 저가로(은의 약 1%) 우수한 전도성을 제공한다. 불행하게도, 구리는 쉽게 산화되고, 산화물은 비전도성이다. 통상의 구리계 나노입자 잉크는 불안정하고, 비전도성 CuO 또는 CU2O로의 자발적 산화를 방지하기 위해 제조 및 어닐링 동안 불활성/환원성 대기를 필요로 한다. 구리 중합체 두꺼운 필름 잉크가 수년간 이용되어 왔고, 예를 들어, 납땜성이 요구되는 특별한 목적에 사용될 수 있다. 또하나의 흥미로운 전략은 은 및 구리 모두의 이점을 합하는 것이다. 은 도금된 구리 입자는 시판되고, 일부 시판되는 잉크에 사용된다. 은 도금은 입자간 접촉에 은의 이점을 제공하고, 입자 물질의 벌크에 저렴한 전도성 금속(구리)을 사용한다. 그러나, 상기 논의된 바와 같이, 은은 비교적 고가이다. 따라서, 전자적 특성을 인쇄하는데 적합한 인쇄를 생성하는 확실하 고 비용 효과적인 방법이 요구된다.
미국 특허 출원 공보 제2004/0174458 A1호(Lawrence et al.)는 그라비어 인쇄 또는 플렉소 인쇄에 적합한 전도성 잉크를 기술하고, 카복실산 또는 무수물 작용성 방향족 비닐 중합체 및 미립자 물질 또는 박편 물질일 수 있는 전기 전도성 물질, 특히 종횡비가 약 5:1 이상인 전도성 박편 물질을 포함한다.
문헌[참조: Dhas et al., Chem Mater, 10:1446-52 (1998)]은 불순물, 예를 들어, 산화구리의 형성을 피하기 위해 아르곤/수소(95:5) 대기를 사용하는 금속성 구리 나노입자 합성 방법을 논의한다.
문헌[참조: Volkman et al., Mat. Res. Soc. Proc., 814:17.8.1-17.8.6(2004)]은 은 및 구리 나노입자 형성 방법을 기술하고, 플라스틱-적합성 저내성 전도체를 입증하기 위한 인쇄/어닐링 공정의 최적화를 논의한다.
문헌[참조: Jana et al., Current Science, 79(9):1367-70(2000.11.10)]은 입방체 구리 입자의 제조방법을 기술하고, 여기서, 크기가 약 75 내지 250㎚ 범위인 입방체형 구리 나노입자가 소형의 구형 구리 입자로부터 형성된다.
문헌[참조: Wu et al., Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 879E:Z6.3.1-Z6.3.6(2005)]은 구리 판매 전구체를 환원시키고 신생 나노입자에서 발생하는 일반적 산화 공정을 효과적으로 억제하기 위한 환원제 및 산화방지제 모두로서 아스코르브산을 사용하여 평균 입자 크기가 3.4㎚이고 협소한 크기 분포를 갖는 안정한 구리 나노입자 콜로이드를 제조하기 위한, 불활성 기체 보호 없는 용액-상 화학적 환원 방법을 기술한다.
문헌[참조: Chen et al., Nanotechnology, 18:175706-12(2007)]은 옥타데칸티올 및 p-설폰화 칼릭스[4]아렌의 포접 착물(inclusion complex)로 캡핑된, 수용액 중의 은 나노입자 합성을 기술한다.
문헌[참조: McGilvary et al., J. Am. Chem. Soc., 128(50):15980-81(2006)]은 통상의 안정화 리간드, 예를 들어, 황, 질소 또는 인을 필요로 하지 않는 안정한 비보호된 금 나노입자의 광화학적 합성을 기술한다.
문헌[참조: Kapoor et al., Chem. Phys. Letters, 370:83-7(2003)]은 폴리(N-비닐피롤리돈) 및 벤조페논의 존재하에 CuSO4의 광-환원에 의해, 253.7㎚ 자외선 광을 사용하는 구리 나노입자의 제조방법을 기술한다. 카푸어(Kapoor) 등은 Cu 나노입자 형성시 벤조페논의 케틸 라디칼이 참여하지 않는다고 기술한다.
미국 특허 출원 공보 제2006/0053972 A1호(Liu et al.)는 환원제를 함유하는 수용액을 구리 염 수용액과 반응시킨 다음, 추출제를 함유하는 비극성 유기 용액을 첨가한 다음, 반응 생성물을 후처리하여 구리 나노입자를 수득함으로써 구리 나노입자를 고체 분말 형태로 생성하는 방법을 기술한다.
미국 특허 출원 공보 제2005/0078158 A1호(Magdassi et al.)는 금속성 나노입자 및 적합한 안정화제를 포함하는 수계 분산액을 통해 기판 상에서 잉크젯 인쇄에 사용하기 위한 조성물을 기술한다. 마그다시(Magdassi)는 또한 이러한 조성물의 생성 방법 및 적합한 기판 상에서의 잉크 젯 인쇄에서 이들의 사용 방법을 기술한다.
미국 특허 제6,887,297호(Winter et al.)는 구리 염을 환원제로 환원시키고, 질소 및/또는 산소 공여 잔기를 포함하는 부동화제를 제공하고, 구리 나노결정을 분리시킴을 통해 단분산성 나노결정을 제조하는 방법을 기술한다. 윈터(Winter)는 또한 구리 나노결정을 포함하는 용매를 기판에 적용하고, 기판을 가열하여 나노결정으로부터 연속 벌크 구리의 필름을 형성하는 단계를 통해 구리 필름을 제조하는 방법을 기술한다. 윈터는 또한 구리 나노결정을 포함하는 용매를 특성화 기판위에 적용하고, 기판을 가열하여 특성 중에 연속 벌크 구리를 형섬시킴으로써 특성을 충전시키는 단계를 통해 구리를 사용하여 기판 상에 특성을 충전시키는 방법을 기술한다.
미국 특허 출원 공보 제2003/0180451호(Kodas et al.)는 전기적 특성, 예를 들어, 전도성 특성의 부착 및 형성을 위한 전구체 조성물을 기술한다. 전구체 조성물은 유리하게는 저점도를 가져서 직접-필기 도구(direct-write tools)를 사용하여 부착을 가능하게 한다. 전구체 조성물은 또한 낮은 전환 온도를 갖는다. 특히 바람직한 전구체 조성물은 매우 전도성인 구리 특성의 형성을 위한 구리 금속을 포함한다.
금속성 나노입자 잉크를 생성하기 위한 상기한 방법들은 다수의 결점을 갖는다. 전자적 특성을 인쇄하기에 적합한 잉크에 도입하기 위한 금속성 나노입자를 제조하기 위한 요건은 대기 조건하의 안정성, 작은 입자 크기, 비용 유효성 및 높은 수율이다. 그러나, 금 및 은 나노입자를 생성하는 방법은 비교적 고가이다. 또한, 구리가 사용될 경우, 대부분의 방법은 구리 입자의 산화를 회피하기 위해 환원성/불활성 대기를 필요로 한다. 환원성/불활성 대기를 필요로 하지 않는 기술된 방법은 형성된 입자가 너무 커서 저온(<200℃)에서 어닐링될 수 없다는 제한을 받는다. 따라서, 고온 어닐링 온도 요건은 종이 및 플라스틱 기판 상에서의 인쇄를 금지할 수 있다. 또는, 당해 방법은 낮은 수율로 생성된다. 따라서, 이들 요건을 충족시키고 보다 용이하고 비용 효과적으로 생성되어 사용될 수 있는 잉크의 생성 방법이 필요하다.
상기한 각각의 적합한 성분 및 방법 국면은 이의 양태로 본 발명에서 선택할 수 있다.
본 발명은 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고, 나노입자를 잉크로 제형화함을 포함하는 잉크의 형성 방법을 제공한다. 잉크는 기판 상에서 인쇄할 수 있다. 인쇄된 잉크는 어닐링될 수 있다.
본 발명의 이점은 다수이다. 금속성 나노입자를 포함하는 잉크는 통상의 어닐링 온도보다 저온에서 어닐링시킬 수 있다. 따라서, 잉크는 광범위한 종류의 기판, 예를 들어, 종이 및 플라스틱 기판 상에서 인쇄될 수 있다. 당해 방법은 또한 신속하고, 따라서, 다량의 나노입자를 몇초 내지 수분내로 신속하게 생성시킬 수 있다. 당해 방법은 또한 다재다능하다. 드러낸, 비보호된 나노입자가 생성되고, 나노입자는 선택된 안정화제를 함유하는 유기 용매 속에서 나노입자를 추출시킴으로써 실질적으로 임의의 분자로 안정화시킬 수 있다. 추가로, 이 방법에 사용될 수 있는 다수의 금속 배합물 및 환원성 라디칼 쌍이 존재한다. 예를 들어, 구리가 이 방법에서 사용될 수 있다. 따라서, 이 방법은 보다 고가의 금속, 예를 들어, 백금, 금 또는 은을 사용하는 금속성 나노입자의 합성에 대해 보다 저렴한 대안을 제공한다. 나노입자의 크기 및/또는 농도는 이 방법의 하나 이상의 변수, 예를 들어, 조사 시간, 조사 세기, 사용되는 금속 카운터-이온 및/또는 금속 또는 광개시제의 농도를 변화시켜 용이하게 조절할 수 있다. 최종적으로, 당해 방법은 엄격한 환원제를 필요로 하지 않고, 물 중에서 실온에서 수행될 수 있기 때문에, 친생태학 적이다.
후속되는 본 명세서 및 청구의 범위에서, 단수형 관사 및 정관사와 같은 단수 형태는 내용이 명백하게 다르게 기술되지 않는 한 복수 형태를 포함한다.
일반적으로, 본 발명은 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고, 나노입자를 잉크로 제형화시킴을 포함하는, 잉크의 형성 방법을 제공한다. 일반적으로, 잉크는 기판 상에서 인쇄할 수 있고, 또한 어닐링시킬 수 있다. 당해 방법은 이하 추가로 상세히 기술된다.
일반적으로 금속성 나노입자는 하나 이상의 금속 이온을 환원제로 환원시킴으로써 수용액으로 생성시킬 수 있다. 수용액을 탈기시킬 수 있다.
금속 이온은 금속 염으로서 제공된다. 금속 염으로서 제공된 적합한 금속 이온은 구리, 알루미늄, 마그네슘, 망간, 아연, 크롬, 납, 카드뮴, 코발트, 니켈, 금, 은, 백금, 주석, 팔라듐, 인듐, 철, 텅스텐, 몰리브덴, 루테늄, 비스무트의 이온, 기타 적합한 금속 이온, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 예를 들어, 금속 염은 금속 설페이트, 금속 할라이드(예: 금속 클로라이드 또는 금속 브로마이드), 금속 니트레이트, 금속 아세테이트, 금속 니트라이트, 금속 옥사이드, 금속 카보네이트, 금속 하이드록사이드, 금속 옥살레이트, 금속 피라졸릴 보레이트, 금속 아지드, 금속 플루오로보레이트, 금속 카복실레이트, 금속 할로겐카복실레이트, 금속 하이드록시카복실레이트, 금속 아미노카복실레이트, 금속 방향족 및 니트로 및/또는 플루 오로 치환된 방향족 카복실레이트, 금속 방향족 및 니트로 및/또는 플루오로 치환돈 방향족 카복실레이트, 금속 베타 디케토네이트, 금속 설포네이트 등의 형태로 제공될 수 있다.
하나의 양태에서, 금속 이온은 구리(II) 이온으로서 제공된다. 구리(II) 이온은 금속 염, 예를 들어, 황산구리, 염화구리, 질산구리 또는 구리 아세테이트에 도입될 수 있다. 물론, 기타 금속 및 기타 금속 염도 또한 사용될 수 있다.
환원제로서, 하나 이상의 광화학적으로 생성된 라디칼이 사용될 수 있다. 라디칼은 하나 이상의 금속 양이온(M+, M2+ 등(여기서, M은 적합한 금속이다))과 반응하여 M0 금속 원자 및 궁극적으로 비보호된 금속 나노입자를 생성한다. 적합한 환원제는, 예를 들어, 라디칼을 포함한다. 적합한 라디칼의 예는 케틸, α-아미노, 포스피노일, 벤조일 및 아실 라디칼을 포함한다. 본 발명에 따라서 사용되는 라디칼은 공지된 공급원, 예를 들어, 시판되는 공급원으로부터 제공될 수 있다. 하나의 양태에서, 라디칼은 α-하이드록시 또는 α-아미노케톤의 노리시 유형(Norrish Type) I 개열로 생성된다. 이러한 라디칼은 또한, 예를 들어, 시바 공업용 공개시제 IRGACURE® 184, 127, 2959, 369, 379 등으로서 시판된다. 또 다른 양태에서, 라디칼은 노리시 유형 II 광개시 공정으로 생성되고, 여기서 광여기된 케톤(예: 벤조페논)은 양성자 공여체 분자(예: 이소프로판올)로부터 양성자를 추출시켜 2개의 케틸 라디칼을 생성한다.
한 양태에서, 금속성 나노입자의 수용액 및 환원제를 약 5 내지 약 90초, 에 를 들어, 약 10 내지 약 45초 또는 약 15 내지 약 30초 동안 조사했다. 조사 세기는 약 0.001 내지 약 10W/cm2, 예를 들어, 약 0.05 내지 약 5W/cm2, 또는 약 0.1 내지 약 1W/cm2이다. 조사원은 일반적으로 당해 기술 분야에 공지된 임의의 공급원, 예를 들어, 자외선 또는 가시광선일 수 있다. 이는 피복되지 않은 금속성 나노입자의 합성을 유도한다.
생성된 금속성 나노입자는 바람직하게는 ㎚ 크기 범위로 존재한다. 예를 들어, 양태에서, 금속성 나노입자의 평균 입자 크기는 약 1 내지 약 1000㎚, 예를 들어, 약 50 내지 약 500㎚ 또는 약 100 내지 약 200㎚, 또는 약 2 내지 약 20㎚이다. 본원에서, "평균" 입자 크기는 통상적으로 d50으로서 제시되거나, 입자 크기 분포의 50번째 백분위수에서의 평균 입자 크기로서 정의되고, 여기서 분포에서 입자의 50%는 d50 입자 크기 값보다 크고, 분포에서 입자의 나머지 50%는 d50 값 미만이다. 평균 입자 크기는 입자 크기를 추리하는 광 산란 기술, 예를 들어, 동적 광 산란법을 사용하는 방법으로 측정할 수 있다. 입자 직경은 투과 전자 현미경에 의해 생성된 입자의 이미지로부터 유도된 안료 입자의 길이를 의미한다.
형성된 나노입자의 크기는 조사 시간 및 세기, 금속 카운터 이온을 변경하고, 금속 이온 및/또는 광개시제의 농도를 변형시키거나 기타 수단에 의해 조절할 수 있다.
금속성 나노입자는 임의의 형상으로 존재할 수 있다. 금속성 나노입자의 예 시적 형상은 바늘-형상, 과립, 공모양, 구형, 무정형 형상 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
이어서, 피복되지 않거나 작용화된 입자를 잉크로의 제형화에 적합한 비히클에 분산시킨다.
일단 제조되면, 피복되지 않은 금속성 나노입자를 수용액에 현탁시킬 수 있다. 이러한 비보호된 피복되지 않은 금속상 나노입자는 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 수단으로 작용화시킬 수 있다. 또한, 금속성 나노입자는 안정화시킬 수 있다. 입자의 안정화는 안정화 분자를 나노입자를 함유하는 수용액에 직접 첨가하여 달성할 수 있다. 또는, 나노입자는 안정화 분자를 함유하는 유기 용매 속에서 추출시킬 수 있다. 예를 들어, 구리 나노입자는 치환된 디티오카보네이트로 안정화시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 은 나노입자는 유기산 또는 아민, 예를 들어, 올레산 또는 올레일아민으로 안정화시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 알킬티올로 캡핑된 금 입자가 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 사용하기 위한 기타 적합한 안정화제는 일반적으로 제한 없이 유기 안정화제를 포함한다. "유기 안정화제" 중의 용어 "유기"는, 예를 들어, 탄소원자(들)의 존재를 의미하지만, 유기 안정화제는 하나 이상의 비금속 헤테로원자, 예를 들어, 질소, 산소, 황, 규소, 할로겐 등을 포함할 수 있다. 기타 유기 안정화제의 예는, 예를 들어, 티올 및 이의 유도체, -OC(=S)SH(크산틴산), 디티오카보네이트, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐피리딘, 폴리니닐피롤리돈, 알킬 크산테이트, 에테르 알콜계 크산테이트, 아민 및 기타 유기 계면활성제를 포함할 수 있다. 유기 안정화제는 티올, 예를 들어, 부탄티올, 펜탄티올, 헥산티올, 헵탄티올, 옥탄티올, 데칸티올 및 도데칸티올; 디티올, 예를 들어, 1,2-에탄디티올, 1,3-프로판디티올 및 1,4-부탄디티올; 또는 티올과 디티올의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 유기 안정화제는 크산틴산, 예를 들어, O-메틸크산테이트, O-에틸크산테이트, O-프로필크산틴산, O-부틸크산틴산, O-펜틸크산틴산, O-헥실크산틴산, O-헵틸크산틴산, O-옥틸크산틴산, O-노닐크산틴산, O-데실크산틴산, O-운데실크산틴산, O-도데실크산틴산 및 이의 배합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
금속성 나노입자의 잉크로의 제형화
본 발명에 따르는 잉크 조성물은 일반적으로 금속성 나노입자 및 잉크 비히클, 예를 들어, 캐리어 용매 또는 2개 이상의 캐리어 용매의 혼합물을 포함한다.
일반적으로, 적합한 용매 또는 캐리어 매질은 극성 또는 비극성일 수 있다. 본 발명에 따라 유용한 용매는 아민, 아미드, 알콜, 테르펜 알콜, 에스테르, 물, 케톤, 에테르, 방향족물, 치환된 방향족물, 테르펜, 정유, 알데히드, 알켄, 불포화 탄화수소, 포화 탄화수소, 무기 산, 유기 산 및 염기를 포함하지만, 제한되지 않는다. 기타 적합한 용매는 N,N-디메틸아세트아미드, 디에틸렌글리콜 부틸에테르, 에탄올아민 및 N-메틸 피롤리돈, 디클로로메탄, 메틸 에틸 케톤, 톨루엔, 케톤, 벤젠, 클로로톨루엔, 니트로벤젠, 디클로로벤젠, N-메틸피롤리디논, 디메틸아세트아미드, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 부틸 에테르 및 프로필렌 글리콜을 포함하지만, 제한되지 않는다.
용매는 고융점 용매, 예를 들어, 융점이 약 30℃ 이상, 약 100℃ 이하인 용매일 수 있다. 가열된 잉크젯 헤드를 사용하여 유동가능한 상태로 존재하는 동안 금속성 나노입자 잉크 조성물을 부착시킬 수 있고, 이에 의해 용매가 기판과 접촉시 고화된다. 이어서, 후속적 처리는 기타 수단으로 용매를 제거한 다음, 물질을 최종 생성물로 전환시키고, 이에 의해 분해를 유지시킨다. 적합한 용매는 왁스, 고분자량 지방산, 알콜, 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈, 톨루엔, 테트라하이드로푸란 등을 포함한다. 또는, 금속성 나노입자 잉크 조성물은 실온에서 액체일 수 있고, 여기서 기판은 조성물의 빙점 이하의 저온에서 유지시킨다.
용매는 또한 저융점 용매일 수도 있다. 전구체 조성물을 건조될 때까지 기판 상에 액체로서 유지시켜야 할 경우에, 저융점이 필요하다. 적합한 저융점 용매는 융점이 약 -20℃인 N,N-디메틸아세트아미드이다.
또한, 용매는 저증기압 용매일 수 있다. 저증기압은 유리하게는 잉크젯 헤드, 시린지 또는 기타 용구에서의 증발이 클로깅과 같은 문제를 일으킬 경우에 조성물의 작업-수명(work life)을 연장시킨다. 이러한 목적에 적합한 용매는 테르피네올, 디에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 헥실렌 글리콜, N-메틸-2-피롤리돈 및 트리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르를 포함한다.
용매는 또한 고증기압 용매, 예를 들어, 증기압이 약 1kPa 이상인 용매일 수 있다. 고증기압은 건조에 의해 용매를 신속하게 제거할 수 있도록 한다. 고증기압 용매는 아세톤, 테트라하이드로푸란, 톨루엔, 크실렌, 에탄올, 메탄올, 2-부탄온 및 물을 포함한다.
잉크를 제형화하기 위해, 약 0.5 내지 약 35중량%, 예를 들어, 약 1 내지 약 30중량% 또는 약 5 내지 약 25중량% 또는 약 10 내지 약 20중량%의 금속성 나노입자를 잉크 비히클에 분산시킬 수 있다. 잉크는 약 2배 내지 약 40배, 예를 들어, 약 10배 내지 약 35배, 또는 약 15배 또는 20배의 향상된 전도성을 제공한다.
잉크의 점도는 약 1 내지 약 100cP, 예를 들어, 약 10 내지 약 75cP, 또는 약 20 내지 약 50cP일 수 있다. 여기서, 점도는 25℃에서 측정된다.
잉크 조성물은 또한 캐리어 물질 또는 2개 이상의 캐리어 물질의 혼합물을 포함한다. 캐리어 물질은 잉크 조성물의 특정 형태에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 수성 잉크 젯 잉크 조성물은 물, 또는 물과 하나 이상의 기타 용매의 혼합물을 적합한 캐리어 물질로서 사용할 수 있다. 기타 잉크 젯 잉크 조성물은 물을 사용하거나 사용하지 않고 하나 이상의 유기 용매를 캐리어 물질로서 사용할 수 있다.
본 발명에 따르는 잉크는 이들의 공지된 목적으로 하나 이상의 첨가제를 추가로 함유할 수 있다. 예를 들어, 적합한 첨가제는 유동화제, 예를 들어, 콜로이드성 실리카; 윤활제, 예를 들어, 지방산의 금속 염; 왁스, 계면활성제, 실리카; 간격제(spacing agent); 건조제; 분산제; 습윤제; 가교결합제; 안정화제; 증점제; 젤라틴화제; 소포제 및 광중합용 개시제를 포함한다. 그러나, 추가의 첨가제는, 어닐링 단계에서 제거되지 않을 경우, 전도성 특성의 전도성을 감소시킬 수 있음을 주목할 가치가 있다.
잉크 조성물은 또한 임의로 산화방지제를 함유할 수도 있다. 잉크 조성물의 임의의 산화방지제는 이미지를 산화로부터 보호하고, 또한 잉크 제조 공정의 가열 부분 동안 잉크 성분을 산화로부터 보호한다. 적합한 산화방지제의 특정 예는 NAUGUARD®계열의 산화방지제, 예를 들어, NAUGUARD® 445, NAUGUARD® 524, NAUGUARD® 76 및 NAUGUARD® 512(공급원: 코노트 옥스포드 소재의 유니로얄 케미칼 캄파니(Uniroyal Chemical Company)), IRGANOX® 계열의 산화방지제, 예를 들어, IRGANOX® 1010)(공급원: 시바 가이기(Ciba Geigy)) 등을 포함한다. 존재할 경우, 임의의 산화방지제는 잉크에 목적하거나 효과적인 양으로, 예를 들어, 잉크의 약 0.01 내지 약 20중량% 이상, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 5중량%, 또는 약 1 내지 약 3중량%의 양으로 존재할 수 있지만, 양은 이들 범위 이상일 수 있다.
잉크 조성물은 또한 임의로 점도 개질제를 함유할 수도 있다. 적합한 점도 개질제의 예는 지방족 케톤, 예를 들어, 스테아론 등을 포함한다. 존재할 경우, 임의의 점도 개질제는 잉크에 목적하거나 유효한 양으로, 예를 들어, 잉크의 약 0.1 내지 약 99중량%, 예를 들어, 약 1 내지 약 30중량%, 또는 약 10 내지 약 15중량%로 존재할 수 있지만, 양은 이들 범위 이상일 수 있다.
잉크에 대한 기타 임의의 첨가제는 청정제, 예를 들어, UNIONCAMP® X37-523-235(공급원: 유니온 캠프(Union Camp)); 점성부여제, 예를 들어, FORAL® 85, 수소화 아비에트 (로진) 산의 글리세롤 에스테르(공급원: 헤르쿨레스(Hercules)), FORAL® 105, 하이드로아비에트 (로진) 산의 펜타에리트리톨 에스테르(공급원: 헤르쿨레스), CELLOLYN® 21, 프탈산의 하이드로아비에트(로진) 알콜 에스테르(공급원: 헤트쿨레스), ARAKAWA® KE-311 Resin, 수소화 아비에트(로진) 산의 트리글리세라이드(공급원: 아라카와 케미칼 인더스트리즈, 리미티드(Arakawa Chemical Industries, Ltd.)); 합성 폴리테르펜 수지, 예를 들어, NEVTAC® 2300, NEVTAC® 100 및 NEVTAC® 80(공급원: 네빌 케미칼 캄파니(Neville Chemical Company)), WINGTACK® 86, 개질된 합성 폴리테르펜 수지(공급원: 굿이어(Goodyear)) 등; 접착제, 예를 들어, VERSAMID® 757, 759 또는 744(공급원: 헨켈(Henkel)); 가소제, 예를 들어, UNIPLEX® 250(공급원: 유니플렉스(Uniplex)), 상표명 SANTICIZER®로 몬산토(Monsanto)로부터 시판되는 프탈레이트 에스테르 가소제, 예를 들어, 디옥틸 프탈레이트, 디운데실 프탈레이트, 알킬벤질 프탈레이트(SANTICIZER® 278), 트리페닐 포스페이트(공급원: 몬산토), KP-140®, 트리부톡시에틸 포스페이트(공급원: 에프엠씨 코포레이션(FMC Corporation)), MORFLEX® 150, 디사이클로헥실 프탈레이트(공급원: 모어플렉스 케미칼 캄파니 인코포레이티드(Morflex Chemical Company Inc.)), 트리옥틸 트리멜리테이트(공급원: 이스트만 코닥 캄파니(Eastman Kodak Co.)) 등; 등을 포함한다. 이러한 첨가제는 이들의 일반적인 목적을 위해 통상적인 양으로 포함될 수 있다.
본 발명에 따르는 잉크에 사용될 수 있는 비이온성 계면활성제의 예는 폴리비닐 알콜, 폴리아크릴산, 메탈로즈, 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 프로필 셀룰로스, 하이드록시 에틸 셀룰로스, 카복시 메틸 셀룰로스, 폴리옥시에틸렌 세틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 라우릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 옥틸 에테르, 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 올레일 에테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 스테아릴 에테르, 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르, 디알킬페녹시폴리(에틸렌옥시)에탄올 등, 및 이의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 비이온성 계면활성제의 적합한 농도는, 예를 들어, 약 0.01 내지 약 10중량%, 일부 양태에서 약 0.1 내지 약 5중량%의 양이다.
적합한 양이온성 계면활성제의 예는 알킬벤질 디메틸 암모늄 클로라이드, 디알킬 벤젠알킬 암모늄 클로라이드, 라우릴 트리메틸 암모늄 클로라이드, 알킬벤질 메틸 암모늄 클로라이드, 알킬 벤질 디메틸 암모늄 브로마이드, 벤즈알코늄 클로라이드, 세틸 피리디늄 브로마이드, C12, C15, C17-트리메틸 암모늄 브로마이드, 4급화 폴리옥시에틸알킬아민의 할라이드 염, 도데실벤질 트리에틸 암모늄 클로라이드 등, 및 이의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 계면활성제의 적합한 양은, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 10중량%, 일부 양태에서 약 0.2 내지 약 5중량%의 양으로 선택될 수 있다. 특정 계면활성제 또는 이의 배합물의 선택 뿐만 아니라 사용되는 각각의 양은 당해 기술 분야의 숙련가의 이해 범위내이다.
본 발명에 따르는 잉크는, 예를 들어, 수성 잉크, 오일 잉크 등일 수 있다.
본 발명에 따르는 잉크는 일반적으로 적합한 기판, 예를 들어, 제한되지 않고, 종이, 유리 아트지, 본드지, 판지, 크래프트지, 마분지, 반합성 종이 또는 플라스틱 시트, 예를 들어, 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌 시트 등에 인쇄할 수 있다. 이들 각종 기판은 이들 가공하지 않은 상태로, 예를 들어, 피복되지 않은 종이로 제공될 수 있거나, 이들은 개질된 형태로, 예를 들어, 피복되거나 처리된 종이 또는 마분지, 인쇄된 종이 또는 마분지 등으로 제공될 수 있다.
본 발명의 잉크를 기판에 인쇄하기 위해, 임의의 적합한 인쇄 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 적합한 방법은, 제한 없이, 롤-대-롤 고용적 아날로그 인쇄 방법, 예를 들어, 그라비어, 로토그라비어, 플렉소그래피, 리토그래피, 에칭, 스크린인쇄 등을 포함한다. 추가로, 온도 기록법, 전자사진법, 전위 기록법, 레이저 유도 전이, 잉크젯 인쇄 또는 이의 조합 상태가 사용될 수 있다. 레이저 유도 전이 디지털 인쇄 방법이 사용될 경우, 이러한 방법의 예시적 방법은 염료 승화, 어블레이션(ablation), 용융 전이 또는 필름 전이이다. 잉크는 또한 열 전이 프린터, 핫-멜트 프린터 및 통상의 필기 도구에 사용될 수 있다. 특별한 양태에서, 사용되는 방법은 잉크젯 인쇄이다.
잉크를 적합한 기판 상에 인쇄 후, 기판에서의 잉크의 어닐링은 당해 기술 분야에서 적합한 수단으로 수행될 수 있다. 일반적으로, 어닐링은 약 120℃ 미만의 온도에서 약 10분 동안 수행된다. 인쇄 및 어닐링 단계는 일반적으로 주위 환경에서 수행된다. 일반적으로, 주위 환경은 불활성 기체 환경의 존재를 필요로 하 지 않는 정상 대기 공기 환경을 의미한다. 또한, 인쇄 및 어닐링 단계는 동시에 또는 연속적으로 수행될 수 있다.
임의로, 추가의 처리 단계, 예를 들어, 오버코팅, 건조 및 세정 단계가 단독으로 또는 조합하여 인쇄 단계를 따를 수 있다.
임의의 오버코팅 단계의 경우, 임의의 적합한 오버코팅은 어닐링 공정이 완료된 후 적용될 수 있다. 예를 들어, 적합한 오버코팅은 인쇄된 금속 와이어를 피복하고 보호하기 위해, 예를 들어, 이들을 마모, 화학적 공격 등으로부터 보호하기 위해 적용시킬 수 있다. 이렇게 적용될 경우, 오버코팅은 목적하는 두께, 불투명도, 투명성 등일 수 있다.
추가로, 임의의 건조 단계는 잉크의 기판 상에서의 침전 및 부착 이후일 수 있다. 일부 양태에서, 잉크는 80℃에서 약 5분 동안 건조시킬 수 있다.
본 발명은 다수의 가능한 용도를 제공한다. 본 발명의 인쇄 방법은 전자 및 전기 회로 시스템, 예를 들어, 전기 상호접속 전자 부품을 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 인쇄 방법을 사용하여 전기 부품, 예를 들어, 레지스터, 캐패시터, 인덕터, RFID 태그, 박막 트랜지스터 전극 뿐만 아니라 전기 회로를 인쇄할 수 있다. 추가로, 본 발명의 인쇄 방법은 마이크로웨이브 스트립 라인 구조를 가요성 기판 위에 직접 인쇄하여 마이크로웨이브 직접 회로(MIC) 및 마이크로웨이브 안테나를 형성하는데 사용될 수 있다. 본 발명에 따르는 방법으로 임의의 형태의 안테나, 예를 들어, HF 코일, UHF 팬형 안테나 및 섬유를 인쇄할 수 있다는 것을 주시해야 한다.
실시예를 이하 본원에 제시하고, 본 발명을 실행하는데 사용될 수 있는 상이한 조성물 및 조건을 예시한다. 모든 비율은 다르게 기술되지 않는 한, 중량 기준이다. 그러나, 본 발명은 많은 형태의 조성물로 수행될 수 있고, 상기한 명세서에 따라 및 이후 지적되는 바와 같이 다수의 상이한 용도를 가질 수 있음이 자명하다.
본 발명은 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고, 나노입자를 잉크로 제형화시킴을 포함하는, 잉크의 형성 방법을 제공한다.
구리 염 CuCl, Cu(SO4), Cu(NO3)2 각각에 대해, 0.33mM의 구리 염 및 1.0mM IRGACURE® 2959(α-하이드록시케톤 광개시제)를 함유하는 3mL 석영 큐벳을 5분 동안 아르곤으로 탈기시킨 다음, 여러 시간 동안 융해 자외선 라이트해머 6 노출 장치(통상적 출력: UVB: 1.8W/cm2; UVA: 1.9W/cm2)를 사용하여 조사시켰다.
생성되는 용액을 Cu0 플라스몬 밴드 출현(약 350㎚)에 대해 분광분석적으로 모니터링하고, 입자 크기는 광 산란(Malvern Zetasizer)으로 측정했다.
구리 입자는 350 내지 400㎚ 사이의 흡수 스펙트럼에서 증가시킴으로써 지시된 바와 같이, Cu(NO3)2의 용액 중에서 형성된다. 짧은 조사 시간(15초)은 350 내 지 400㎚에서 증가된 흡수를 유도하고, 약 250㎚ 입자의 형성은 광 산란으로 측정했다. 케틸 라디칼 전구체(IRGACURE® 2959)의 중첩 흡광도에 기인하여, Cu 플라스몬 밴드가 350 내지 400nm에서 숄더로서 출현했다.
CuCl 및 Cu(SO4)는 약 45 내지 90초 동안 조사했다. 이는 350 내지 400㎚ 밴드의 추가의 레드-이동(red-shift) 및 약 600㎚에서 밴드의 출현을 유도한다. 이러한 용액 중의 평균 입자 크기는 직경이 1000㎚로 증가했다. Cu(NO3)2의 경우, 조사 시간을 45초로 증가시켰을 경우, 약 600㎚에서 어떤 밴드도 관찰되지 않았다.
CuCl 및 Irgacure 2959 샘플에 45초 동안 조사하면 Z-평균 직경 1100㎚의 입자가 생성되었다. Cu(NO3)2 및 Irgacure 2959 샘플에 15초 동안 조사하면 Z-평균 직경 232㎚의 입자가 생성되었다. 최종적으로, Cu(NO3)2 및 Irgacure 2959 샘플에 15초 동안 3회 조사하면 각각 Z-평균 직경 502㎚의 입자가 생성되었다.
이 데이터는 피복되지 않은 구리 나노입자가 케틸 라디칼에 의한 환원을 통해 탈기된 Cu(I) 및 Cu(II) 염의 탈기된 수용액 중에서 신속하고 용이하게 제조될 수 있음을 입증한다. 추가로, 나노입자의 크기는 조사 시간, 조사 세기, 금속 카운터 이온 및/또는 반응물 농도와 같은 변수 중의 하나 이상을 변화시킴으로써 바꿀 수 있다.

Claims (3)

  1. 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고,
    상기 나노입자를 잉크로 제형화시킴을 포함하는, 잉크의 형성 방법.
  2. 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고,
    상기 나노입자를 잉크로 제형화시키고,
    상기 잉크를 기판 상에서 인쇄함을 포함하는, 잉크의 인쇄 방법.
  3. 안정화된 금속성 나노입자를 광화학적으로 생성하고,
    상기 나노입자를 잉크로 제형화시키고,
    상기 잉크를 기판 상에서 인쇄하고,
    상기 인쇄된 잉크를 어닐링시킴을 포함하는, 인쇄된 잉크의 어닐링 방법.
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KR20190031418A (ko) * 2017-09-16 2019-03-26 제록스 코포레이션 광개시제를 이용하는 전도성 금속 인쇄를 위한 분자 유기 반응성 잉크

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