KR20120098461A - 접합용 적층체 및 접합체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시형태의 접합용 적층체 (1) 는, 금속 나노 입자 소결체층 (11) 과, 금속 입자 또는 금속 산화물 입자를 포함하는 접합층 (12) 을 구비한다. 금속 나노 입자 소결체층 (11) 을 형성할 때, 금속 입자와 용제를 주성분으로 하는 금속 페이스트 등을 사용함으로써, 제조 공정을 간편하게 하고, 런닝 비용의 대폭적인 개선을 실시할 수 있고, LED 소자 등의 제조에 사용 가능하다.
Description
본 발명은, 한 쌍의 피접합체를 접합하기 위한 접합용 적층체, 및 이 접합용 적층체를 포함하는 접합체에 관한 것이다. 이 접합용 적층체 및 접합체는, 특히, 발광 소자나 태양전지에 적합하다.
최근, 발광 소자, 그 중에서도 LED 광원은, 고휘도화 등에 따라, 각종 분야에 이용되고 있다. 특히, 백색 LED 광원이 실현 가능해짐으로써, 조명 기구나 액정 디스플레이의 백라이트 등의 용도에 사용되고 있다.
LED 광원의 휘도 등을 보다 높게 하기 위해서, LED 소자로부터의 발광을 효율적으로 이용하는 것이 검토되고 있고, 지지 기판과, 이 지지 기판 상에 탑재된 LED 소자와, 형광제를 함유하는 봉지제를 구비하고, 기판과 LED 소자 사이에, LED 소자의 발광을 반사하는 Ag 도금 전극막을 구비하고, 이 Ag 도금 전극막 상에 티탄 박막을 갖는 LED 광원이 개시되어 있다 (특허문헌 1).
이 LED 광원은, 지지 기판과 LED 소자 사이에, 도전성 반사막층을 형성함으로써, 발광체로부터의 광을 효율적으로 반사시켜 발광 강도를 증가시키고 있다. 상기 Ag 박막과 티탄 박막은, 도금법이나 스퍼터법 등의 진공 성막법에 의해 형성되어 있다.
그러나, 도금법은, 번잡한 공정이나 폐액의 발생이 예상되고, 진공 성막법은, 대형의 진공 성막 장치를 유지?운전하기 위해 많은 비용을 필요로 한다. 상기 LED 광원은, Ag 도금 전극막만에서는, 열열화나 광열화가 발생하기 때문에, 티탄 박막을 필요로 하여, 도금법과 진공 성막법의 병용이 필요해졌다.
또, LED 광원에는, 기판과 LED 소자를 접합시키는 구조가 필요하고, 일반적으로는 금속 페이스트나 땜납 등을 사용하여 접합하는 경우가 많다. 특히, Au-Sn 합금 땜납 등을 사용한 경우, 양호한 방열 특성이 얻어진다 (특허문헌 2).
그러나, 이 방법에서는, LED 소자 전극의 「땜납 용식」을 방지하기 위해서, 전극으로부터의 금속의 확산을 방지하기 위해서, Ni, Ti 등의 복수의 접합층을, 도금법이나 진공 성막법으로 형성할 필요가 있어, 많은 성막 비용이 필요하게 되는 결점이 있었다. 또한, 이 땜납 용식를 방지하기 위한 접합층은, Au-Sn 합금 땜납 이외의 납 프리 땜납 등의 경우에도 필요하다.
또한, LED 소자의 이면 (裏面) 에, 종래의 스퍼터법이나 진공 성막법을 사용하여, 복층의 투명막으로 구성되는 증반사 구조를 갖는 반사막을 형성하고, 또한 방열 특성이 높은 금속 접합 구조를 형성한 경우, 상기 투명막과 접합용의 금속막 사이의 접합 불량에 의해, 밀착성을 높이는 것이 어렵다는 문제도 있었다.
또한, Au-Sn 합금 땜납에 의한 접합은, 일반적으로, 270 ? 400 ℃, 대부분의 경우에는, 300 ? 350 ℃ 의 고온에서 실시되기 때문에, LED 소자의 열화 억제, 및 제조시의 에너지 삭감의 관점에서, 보다 저온에서의 접합이 요구되고 있다.
본 발명은, 도금법이나 진공 성막법 등으로 성막하는 고가의 Ni 접합층에 대해, 금속 입자와 용제를 주성분으로 하는 금속 페이스트 등을 대신 사용함으로써, 제조 공정을 간편하게 하여, 런닝 비용의 대폭적인 개선을 실시할 수 있고, 또한 저온에서 접합 가능한 접합용 적층체, 및 이 접합용 적층체를 포함하는 LED 소자 등의 발광 소자에 사용 가능한 접합체를 제공하는 것을 과제로 한다. 이 접합용 적층체는, 다른 용도의 접합체에도 이용할 수 있고, 특히, 반사막을 사용하는 태양전지로서 사용하는 접합체에 대해서도 적합하다.
본 발명은, 이하에 나타내는 양태에 의해 상기 과제를 해결한 접합용 적층체 및 접합체에 관한 것이다.
(1) 금속 나노 입자 소결체층과, 이 금속 나노 입자 소결체층 상에 적층된, 금속 입자 또는 금속 산화물 입자를 포함하는 접합층을 구비하는 것을 특징으로 하는 접합용 적층체.
(2) 상기 금속 나노 입자 소결체층이, 상기 접합층과는 반대측 면에, 투명층을 구비하는 상기 (1) 에 기재된 접합용 적층체.
(3) 상기 금속 나노 입자 소결체층과, 상기 접합층 사이에, 추가로 바인더층을 구비하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 접합용 적층체.
(4) 상기 금속 나노 입자 소결체층이, 75 질량％ 이상의 은을 포함하고, 또한, 금, 구리, 주석, 아연, 몰리브덴 및 망간으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종을 포함하는 상기 (1) ? (3) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체.
(5) 상기 금속 나노 입자 소결체층이, 바인더를 포함하는 상기 (1) ? (4) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체.
(6) 상기 금속 나노 입자 소결체층의 두께가, 0.01 ? 0.5 ㎛ 인 상기 (1) ? (5) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체.
(7) 상기 각 층이, 습식 도공법으로 성막된 후, 130 ? 250 ℃ 에서 소성된 상기 (1) ? (6) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체.
(8) 상기 투명층 및 상기 바인더층이, 가열에 의해 경화되는 폴리머형 바인더 및 논폴리머형 바인더 중 적어도 1 종을 포함하는 상기 (3) ? (7) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체.
(9) 상기 습식 도공법이, 스프레이 코팅법, 디스펜서 코팅법, 스핀 코팅법, 나이프 코팅법, 슬릿 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 전사법 또는 다이 코팅법 중 어느 것인 상기 (7) 또는 (8) 에 기재된 접합용 적층체.
(10) 제 1 피접합체와, 상기 (1) ? (9) 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체와, 제 2 피접합체를, 이 순서로 구비하는 것을 특징으로 하는 접합체.
(11) 상기 제 1 피접합체가, 발광 가능 또는 광전 변환 가능한 소자이고, 상기 금속 나노 입자 소결체층이, 상기 제 1 피접합체로부터의 광을 반사 가능하고, 상기 제 2 피접합체가 기판인 상기 (10) 에 기재된 접합체.
(12) 상기 제 1 피접합체가, 발광 가능한 소자이고, 발광원으로서 사용되는 상기 (11) 에 기재된 접합체.
(13) 상기 제 1 피접합체가, 광전 변환 가능한 소자이고, 태양전지로서 사용되는 상기 (11) 에 기재된 접합체.
본 발명의 양태 (1) 에 의하면, 피접합체에 대해 저온에서 접합 가능하고, 또한 높은 접합 신뢰성이 얻어진다. 또, 성막층 수가 적고, 고가의 성막 장치가 불필요하여, 대폭적인 저비용화를 도모할 수 있다. 또, 본 발명의 양태 (2) 의 투명층은, 도금법이나 진공 성막법과 비교하여, 투명층에 사용할 수 있는 재료의 자유도가 높기 때문에, 투명층의 굴절률을 임의로 할 수 있고, 금속 나노 입자 소결체층에 의한 증반사 효과를 제어할 수 있다.
본 발명의 양태 (10) 에 의하면, 피접합체에 대해 저온에서 접합 가능하고, 또한 높은 접합 신뢰성을 갖는 접합체를 용이하게 제공할 수 있다. 또, 본 발명의 양태 (12) 에 의하면, LED 소자가 발하는 광의 이용 효율이 높은 발광원을 제공하는 것이 가능하고, 본 발명의 양태 (13) 에 의하면, 광전 변환 효율이 높은 태양전지를 제공하는 것이 가능하다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태의 접합용 적층체의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태인, 투명층을 포함하는 접합용 적층체의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태인, 바인더층을 포함하는 접합용 적층체의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시형태인, 접합체의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태인, 투명층을 포함하는 접합용 적층체의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태인, 바인더층을 포함하는 접합용 적층체의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시형태인, 접합체의 단면도이다.
이하, 본 발명을 실시형태에 기초하여 구체적으로 설명한다. 또한, 「％」는 특별히 나타내지 않는 한, 또한 수치 고유의 경우를 제외하고, 「질량％」이다.
[접합용 적층체]
본 실시형태의 접합용 적층체는, 금속 나노 입자 소결체층과, 이 금속 나노 입자 소결체층 상에 직접 또는 간접적으로 적층된, 금속 입자 또는 금속 산화물 입자를 포함하는 접합층을 구비한다. 이하, 금속 나노 입자 소결체층, 접합층의 순서로 설명한다.
《금속 나노 입자 소결체층》
금속 나노 입자 소결체는, 접합층에, 도전성이나 반사성 및 밀착성을 부여한다. 금속 나노 입자 소결체층은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을, 습식 도공법에 의해 성막하고, 건조시킨 후, 소성함으로써 형성할 수 있다.
금속 나노 입자 소결체층은, 75 질량％ 이상의 은을 포함하고, 또한, 금, 백금, 팔라듐, 루테늄, 니켈, 구리, 주석, 인듐, 아연, 철, 크롬, 몰리브덴 및 망간으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 제 2 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 조성이면, 도전성, 반사성이 우수하다. 상기 제 2 금속은, 금, 구리, 주석, 아연, 몰리브덴 및 망간으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종이면 보다 바람직하다. 특히 바람직하게는 주석이다.
상기 금속 나노 입자 소결체층은, 인접하는 금속 나노 입자가 서로 확산되어, 입성장되어 있고, 입성장된 입자끼리의 사이에는, 기공을 남긴 상태가 된다. 이와 같이, 나노 입자를 사용함으로써, 치밀한 막을 형성할 수 있다.
상기 금속 나노 입자 소결체층은, 두께가 0.01 ? 0.5 ㎛ 이면 도전성의 관점에서 바람직하다. 보다 바람직한 두께는 0.05 ? 0.2 ㎛ 이다.
상기 금속 나노 입자 소결체층의 기공률은, 1 ? 20 vol％ 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 ? 10 vol％ 이다. 이 범위이면, 저온에서의 형성이 가능함에도 불구하고, 양호한 도전성과 반사율을 얻을 수 있다.
상기 금속 나노 입자 소결체층용 조성물은, 금속 나노 입자를 포함하고, 상기 금속 나노 입자는, 바람직하게는 75 질량％ 이상, 보다 바람직하게는 80 질량％ 이상의 은나노 입자를 함유한다. 은나노 입자의 함유량이, 금속 나노 입자 소결체층 : 100 질량％ 에 대해 75 질량％ 이상인 것이 바람직한 이유는, 75 질량％ 미만에서는 이 조성물을 사용하여 형성된 전극의 도전율 및 반사율이 저하되기 때문이다.
상기 금속 나노 입자 소결체층용 조성물 중의 금속 나노 입자는, 탄소 골격이 탄소수 : 1 ? 3 의 유기 분자 주사슬인 보호제에 의해 화학 수식되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 금속 나노 입자 소결체층을 형성하기 위해서, 기재 상에 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 도포한 후, 소성하면, 금속 나노 입자의 표면을 보호하고 있던 보호제 중의 유기 분자가 탈리 혹은 분해되고, 또는 이탈되고 또한 분해된다. 이로 인하여, 실질적으로 전극의 도전성 및 반사율에 악영향을 미치는 유기물 잔류물을 함유하지 않는, 금속을 주성분으로 하는 전극이 쉽게 얻어지기 때문이다. 금속 나노 입자를 화학 수식하는 보호제의 유기 분자 주사슬의 탄소 골격의 탄소수를, 1 ? 3 의 범위로 한 것은, 탄소수가 4 이상이면 소성시의 열에 의해 보호제가 탈리 또는 분해 (분리?연소) 되기 어렵고, 금속 나노 입자 소결체층 내에, 금속 나노 입자 소결체층의 도전성 및 반사율에 악영향을 미치는 유기 잔류물이 많이 남기 쉽기 때문이다.
또한, 보호제, 즉 금속 나노 입자 표면에 화학 수식되어 있는 보호 분자는, 수산기 (-OH) 또는 카르보닐기 (-C=O) 중 어느 일방 또는 쌍방을 함유하면 보다 바람직하다. 수산기 (-OH) 가 은나노 입자 등의 금속 나노 입자를 화학 수식하는 보호제에 함유되면, 조성물의 분산 안정성이 우수하고, 도막의 저온 소결에도 효과적인 작용이 있어, 카르보닐기 (-C=O) 가 은나노 입자 등의 금속 나노 입자를 화학 수식하는 보호제에 함유되면, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물의 분산 안정성이 우수하고, 금속 나노 입자 소결체층의 저온 소결에도 효과적인 작용이 있다.
상기 금속 나노 입자 소결체층용 조성물 중의 금속 나노 입자는, 일차 입경 : 10 ? 50 ㎚ 의 범위 내인 금속 나노 입자를, 수평균으로 바람직하게는 70 ％ 이상, 보다 바람직하게는 75 ％ 이상 함유한다. 일차 입경 : 10 ? 50 ㎚ 의 범위 내인 금속 나노 입자의 함유량이, 모든 금속 나노 입자 100 ％ 에 대해, 수평균으로 70 ％ 이상인 것이 바람직한 것은, 다음의 이유에 의한 것이다. 상기 함유량이 70 ％ 미만에서는, 금속 나노 입자의 비표면적이 증대되어 보호제가 차지하는 비율이 커지기 때문에, 보호제가 소성시의 열에 의해 탈리 또는 분해 (분리?연소) 되기 쉬운 유기 분자여도, 전극 내에 보호재에서 유래되는 유기 잔류물이 많이 남는다. 이 유기 잔류물이 변질 혹은 열화되면, 전극의 도전성 및 반사율이 저하될 우려가 생긴다. 또, 금속 나노 입자의 입도 분포가 지나치게 넓으면, 전극의 밀도가 저하되기 쉬워지고, 전극의 도전성 및 반사율이 저하되기 쉬워진다. 상기 금속 나노 입자의 일차 입경이, 10 ? 50 ㎚ 의 범위 내이면 바람직한 것은, 금속 나노 입자의 시간 경과적 안정성 (경년 안정성) 이 양호하기 때문이다. 여기서, 일차 입경은, 호리바 제작소 제조 LB-550 에 의한 동적 광산란법으로 측정할 수 있다. 이하, 특기한 경우를 제외하고, 평균 입경은 동일한 방법으로 측정한 것으로 한다.
상기 제 2 금속의 금속 나노 입자는, 은을 포함하는 모든 금속 나노 입자 : 100 질량％ 에 대해, 0.02 질량％ 이상 또한 25 질량％ 미만이면 바람직하고, 0.03 질량％ ? 20 질량％ 이면 보다 바람직하다. 상기 제 2 금속의 함유량이, 모든 금속 나노 입자 100 질량％ 에 대해 0.02 질량％ 이상 또한 25 질량％ 미만이면 바람직한 것은, 내후성 시험 (온도 100 ℃ 또한 습도 50 ％ 의 항온항습조에 1000 시간 유지하는 시험) 후의 금속 나노 입자 소결체층의 도전성 및 반사율이 내후성 시험 전과 비교하여 악화되지 않기 때문이다. 상기 값이 25 질량％ 이상에서는, 소성 직후의 금속 나노 입자 소결체층의 도전성 및 반사율이 저하되고, 또한 내후성 시험 후의 금속 나노 입자 소결체층의 도전성 및 반사율이, 내후성 시험 전보다 저하된다.
금속 나노 입자 소결체층용 조성물은, 금속 산화물, 금속 수산화물, 유기 금속 화합물 및 실리콘 오일로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 첨가물을 추가로 포함하고 있어도 된다. 금속 나노 입자 소결체층용 조성물에 상기 종류의 첨가물을 1 종 또는 2 종 이상 추가로 포함시킴으로써, 금속 나노 입자 사이의 소결에 의한 입성장의 더 나은 억제 효과를 부여하므로, 목적에 따른 표면 형상을 작성하는 것이 가능해진다. 첨가물의 첨가 비율은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물 : 100 질량％ 에 대해, 0.1 ? 20 질량％ 의 범위 내가 바람직하다. 이 중, 1 ? 5 질량％ 의 범위 내가, 보다 바람직하다.
첨가물로서 사용하는 금속 산화물로는, 알루미늄, 실리콘, 티탄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 은, 구리, 아연, 몰리브덴, 주석, 인듐 및 안티몬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종을 포함하는 산화물 또는 복합 산화물이 바람직하다. 복합 산화물은, 구체적으로는, 산화 인듐-산화 주석계 복합 산화물 (Indium Tin Oxide : ITO), 산화 안티몬-산화 주석계 복합 산화물 (Antimony Tin Oxide : ATO), 산화 인듐-산화 아연계 복합 산화물 (Indium Zinc Oxide : IZO) 등이다.
첨가물로서 사용하는 금속 수산화물로는, 알루미늄, 실리콘, 티탄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 은, 구리, 아연, 몰리브덴, 주석, 인듐 및 안티몬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종을 포함하는 수산화물이 바람직하다.
첨가물로서 사용하는 유기 금속 화합물로는, 실리콘, 티탄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 은, 구리, 아연, 몰리브덴 및 주석의 금속 비누, 금속 착물 또는 금속 알콕사이드가 바람직하다. 예를 들어, 금속 비누는, 아세트산 크롬, 포름산 망간, 시트르산 철, 포름산 코발트, 아세트산 니켈, 시트르산 은, 아세트산 구리, 시트르산 구리, 아세트산 주석, 아세트산 아연, 옥살산 아연, 아세트산 몰리브덴 등을 들 수 있다. 또, 금속 착물로는, 아세틸아세톤 아연 착물, 아세틸아세톤 크롬 착물, 아세틸아세톤 니켈 착물 등을 들 수 있다. 또, 금속 알콕사이드는 티타늄이소프로폭사이드, 메틸실리케이트, 이소시아네이트프로필트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있다.
첨가물로서 사용하는 실리콘 오일로는, 스트레이트 실리콘 오일 및 변성 실리콘 오일의 쌍방을 사용할 수 있다. 변성 실리콘 오일은, 추가로 폴리실록산의 측사슬의 일부에 유기기를 도입한 것 (측사슬형), 폴리실록산의 양말단에 유기기를 도입한 것 (양말단형), 폴리실록산의 양말단 중 어느 일방에 유기기를 도입한 것 (편말단형) 및 폴리실록산의 측사슬의 일부와 양말단에 유기기를 도입한 것 (측사슬 양말단형) 을 사용할 수 있다. 변성 실리콘 오일에는, 반응성 실리콘 오일과 비반응성 실리콘 오일이 있는데, 그 쌍방의 종류 모두 사용할 수 있다. 또한, 반응성 실리콘 오일이란, 아미노 변성, 에폭시 변성, 카르복시 변성, 카르비놀 변성, 메르캅토 변성, 및 이종 관능기 변성 (에폭시기, 아미노기, 폴리에테르기) 을 나타내고, 비반응성 실리콘 오일이란, 폴리에테르 변성, 메틸스티릴기 변성, 알킬 변성, 고급 지방산 에스테르 변성, 불소 변성, 및 친수 특수 변성을 나타낸다.
금속 나노 입자 소결체층용 조성물 중의 금속 나노 입자의 함유량은, 금속 나노 입자 및 분산매로 이루어지는 분산체 : 100 질량％ 에 대해, 2.5 ? 95.0 질량％ 함유하는 것이 바람직하고, 3.5 ? 90.0 질량％ 함유하는 것이 보다 바람직하다. 금속 나노 입자의 함유량이, 금속 나노 입자 및 분산매로 이루어지는 분산체 : 100 질량％ 에 대해 2.5 질량％ 미만이면, 특히 소성 후의 전극의 특성에는 영향은 없지만, 필요한 두께의 전극을 얻는 것이 어려워진다. 한편, 95.0 질량％ 를 초과하면 조성물의 습식 도공시에 잉크 또는 페이스트로서의 필요한 유동성을 잃어 버린다.
또, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 구성하는 분산매는, 모든 분산매 : 100 질량％ 에 대해, 1 질량％ 이상, 바람직하게는 2 질량％ 이상의 물과, 2 질량％ 이상, 바람직하게는 3 질량％ 이상의 알코올류를 함유하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 분산매가, 물 및 알코올류만으로 이루어지는 경우, 물을 2 질량％ 함유할 때에는 알코올류를 98 질량％ 함유하고, 알코올류를 2 질량％ 함유할 때에는 물을 98 질량％ 함유한다. 물의 함유량이, 모든 분산매 100 질량％ 에 대해 1 질량％ 미만이면, 조성물을 습식 도공법에 의해 도공하여 얻어진 막을 저온에서 소결하기 어렵고, 또, 소성 후의 금속 나노 입자 소결체층의 도전성과 반사율이 저하된다. 한편, 알코올류의 함유량이, 모든 분산매 : 100 질량％ 에 대해 2 질량％ 미만에서는, 상기와 동일하게 조성물을 습식 도공법에 의해 도공하여 얻어진 막을 저온에서 소결하기 어렵고, 또, 소성 후의 전극의 도전성과 반사율이 저하된다. 분산매에 사용하는 알코올류로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 글리세롤, 이소보르닐시클로헥산올 및 에리트리톨로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
알코올류의 첨가는, 기재와의 젖음성의 개선을 위한 것으로, 기재의 종류에 맞추어 물과 알코올류의 혼합 비율을 자유롭게 바꿀 수 있다.
상기 금속 나노 입자 소결체층용 조성물은, 원하는 성분을, 통상적인 방법에 의해, 페인트 쉐이커, 볼 밀, 샌드 밀, 센트리밀, 3 개 롤 등에 의해 혼합하고, 금속 나노 입자 등을 분산시켜, 제조할 수 있다. 물론, 통상적인 교반 조작에 의해 제조할 수도 있다.
금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 성막하기 위한 습식 도공법으로는, 스프레이 코팅법, 디스펜서 코팅법, 스핀 코팅법, 나이프 코팅법, 슬릿 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 전사법 또는 다이 코팅법 중 어느 것인 것이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 모든 방법을 이용할 수 있다.
스프레이 코팅법은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 압축 에어에 의해 안개상으로 하여 기재에 도포하거나, 또는 분산체 자체를 가압하여 안개상으로 하여 기재에 도포하는 방법이다. 디스펜서 코팅법은, 예를 들어, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 주사기에 넣고, 이 주사기의 피스톤을 누름으로써 주사기 선단 (先端) 의 미세 노즐로부터 분산체를 토출시켜, 기재에 도포하는 방법이다. 스핀 코팅법은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 회전시키고 있는 기재 상에 적하하고, 이 적하된 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을, 그 원심력에 의해 기재 둘레 가장자리에 확산시키는 방법이다. 나이프 코팅법은, 나이프의 선단과 소정의 간극을 둔 기재를 수평 방향으로 이동 가능하게 형성하고, 이 나이프보다 상류측의 기재 상에 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 공급하여, 기재를 하류측을 향하여 수평 이동시키는 방법이다. 슬릿 코팅법은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 좁은 슬릿으로부터 유출시켜 기재 상에 도포하는 방법이다. 잉크젯 코팅법은, 시판되는 잉크젯 프린터의 잉크 카트리지에 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 충전하여, 기재 상에 잉크젯 인쇄하는 방법이다. 스크린 인쇄법은, 패턴 지시재로서 모래를 사용하고, 그 위에 만들어진 판화상을 통해 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 기재에 전이시키는 방법이다. 오프셋 인쇄법은, 판에 붙인 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을, 직접 기재에 부착시키지 않고, 판으로부터 한 번 고무 시트에 전사시키고, 고무 시트로부터 다시 기재에 전이시키는, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물의 발수성을 사용한 인쇄 방법이다. 다이 코팅법은, 다이 내에 공급된 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을, 매니폴드로 분배시켜 슬릿으로부터 박막 상에 압출하여, 주행하는 기재의 표면을 도공하는 방법이다. 다이 코팅법에는, 슬롯 코트 방식이나 슬라이드 코트 방식, 커튼 코트 방식이 있다. 전사법으로는, 핀 전사법 등을 들 수 있다.
성막된 금속 나노 입자 소결체층용 조성물의 도막의 건조 온도는, 피접합체인 LED 소자 등에 영향을 주지 않는 온도 이하, 예를 들어, 60 ℃ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 40 ? 50 ℃ 이다.
건조 후의 도막의 소성 온도는, 130 ? 250 ℃ 의 범위이면 바람직하다. 130 ℃ 미만에서는, 금속 나노 입자 소결체층에 있어서, 경화 부족 문제가 발생하기 때문이다. 또, 250 ℃ 를 초과하면 저온 프로세스라는 생산상의 메리트를 살릴 수 없는, 즉, 제조 비용이 증대되고, 생산성이 저하된다. 또, 피접합체로서의 후보인 LED 소자나, 아모르퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 또는 이들을 사용한 하이브리드형 실리콘 태양전지는, 비교적 열에 약해, 소성 공정에 의해 변환 효율이 저하되기 때문이다. 보다 바람직하게는 130 ? 200 ℃ 이다.
도막의 소성 시간은, 5 ? 60 분 사이의 범위이면 바람직하다. 소성 시간이 하한값 미만에서는, 금속 나노 입자 소결체층에 있어서, 소성이 충분하지 않은 문제가 발생하기 때문이다. 소성 시간이 상한값을 초과하면, 필요 이상으로 제조 비용이 증대되어 생산성이 저하되고, 또, LED 소자의 발광 효율이나 태양전지 셀의 변환 효율이 저하하는 문제를 발생시키기 때문이다.
《접합층》
상기 접합층은, 피접합체끼리를, 상기 금속 나노 입자 소결체층을 개재하여, 저온에서 접합하기 위한 것이다. 이 접합층은, 접합층용 조성물을, 습식 도공법에 의해 성막하고, 건조시킨 후, 소성함으로써 형성할 수 있다.
상기 접합층은, 두께가 0.01 ? 10 ㎛ 이면 접착 강도, 밀착성의 관점에서 바람직하다. 보다 바람직하게는 2 ? 10 ㎛ 이다.
접합층용 조성물로는, 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물 또는 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물의 어느 일방 또는 쌍방을 사용할 수 있다. 이하, (A) 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물, (B) 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물의 순서로 설명한다.
(A) 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물
(A) 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물은, 금속 나노 입자를 포함하고, 이 금속 나노 입자를 구성하는 금속으로는, 예를 들어, 철, 니켈, 코발트, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 백금 등의 주기표 제 8 족 금속 ; 티탄, 지르코늄, 하프늄 등의 주기표 제 4A 족 금속 ; 바나듐, 니오브, 탄탈 등의 주기표 제 5A 족 금속 ; 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 등의 주기표 제 6A 족 금속 ; 망간 등의 주기표 제 7A 족 금속 ; 구리, 은, 금 등의 주기표 제 1B 족 금속, 아연, 카드뮴 등의 주기표 제 2B 족 금속, 알루미늄, 갈륨, 인듐 등의 주기표 제 3B 족 금속, 게르마늄, 주석, 납 등의 주기표 제 4B 족 금속, 안티몬, 비스무트 등의 주기표 제 5B 족 금속 등을 들 수 있다. 금속 나노 입자는, 이들 금속 단체 (單體), 이들 금속의 혼합물, 또는 이들 금속의 합금 중 어느 것이어도 되는데, 특히 철, 니켈, 코발트, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 백금 등의 주기표 제 8 족 금속 ; 구리, 은, 금 등의 주기표 제 1B 족 금속에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상이 접합 강도의 점에서 바람직하다. 이들 금속 또는 합금 중에서, 접합 온도, 접합 강도 등에 의해, 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, 저온 접합용으로는 은이 바람직하다. 금속 나노 입자는 단독으로 또는 2 종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
금속 나노 입자는 나노미터 사이즈이다. 예를 들어, 금속 나노 입자의 평균 입자경 (평균 일차 입자경) 은, 바람직하게는 1 ? 100 ㎚, 보다 바람직하게는 1.5 ? 80 ㎚, 더욱 바람직하게는 2 ? 70 ㎚, 특히 바람직하게는 3 ? 50 ㎚ 이고, 통상 1 ? 40 ㎚ (예를 들어, 2 ? 30 ㎚) 정도가 사용된다.
금속 나노 입자는, 보호 콜로이드로 피복되어 있으면, 실온에서의 분산성, 보존 안정성이 양호하기 때문에 바람직하고, 이 보호 콜로이드로는, 유기 화합물이나, 고분자 분산제를 들 수 있다.
보호 콜로이드로서 사용되는 유기 화합물로는, 1 ? 3 개의 카르복실기를 갖는 유기 화합물이면 바람직하고, 모노카르복실산, 폴리카르복실산, 하이드록시카르복실산 등의 카르복실산이 보다 바람직하다.
보호 콜로이드로서 사용되는 고분자 분산제로는, 친수성 모노머로 구성된 친수성 유닛 (또는 친수성 블록) 을 포함하는 수지 (또는 수용성 수지, 수분산성 수지) 를 들 수 있다. 친수성 모노머로는, 예를 들어, 카르복실기 또는 산무수물기 함유 단량체 (아크릴산, 메타크릴산 등의 (메트)아크릴계 단량체, 말레산 등의 불포화 다가 카르복실산, 무수 말레산 등), 하이드록실기 함유 단량체 (2-하이드록시에틸(메트)아크릴레이트 등의 하이드록시알킬(메트)아크릴레이트, 비닐페놀 등) 등의 부가 중합계 모노머 ; 알킬렌옥사이드 (에틸렌옥사이드 등) 등의 축합계 모노머 등을 들 수 있다.
금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물은, 분산매를 함유하면, 습식 도공법에서의 도공의 용이함의 관점에서 바람직하다. 분산매로는, 금속 나노 입자나 보호 콜로이드의 조합에 의해, 충분한 점도를 발생시키는 용매이면 특별히 한정되지 않고, 범용의 용매를 사용할 수 있다. 용매로는, 물, 알코올류를 들 수 있다. 분산매의 비율은, 습식 도공법에서의 도공 용이성 등에 따라, 적절히 선택하면 된다.
금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물 중의 고형분 전체에 대한 금속 나노 입자의 비율은, 습식 도공법에서의 도공 용이성, 금속 나노 입자의 소결 밀도 등에 따라, 적절히 선택하면 되고, 일례로는, 바람직하게는 70 ? 99 질량％, 보다 바람직하게는 85 ? 99 질량％, 더욱 바람직하게는 90 ? 99 질량％ 이다.
보호 콜로이드의 비율은, 금속 나노 입자의 분산성 등에 따라 적절히 선택하면 되고, 예를 들어, 금속 나노 입자 : 100 질량부에 대해, 0.5 ? 20 질량부가 바람직하고, 1 ? 15 질량부가 보다 바람직하다. 유기 화합물과 고분자 분산제의 비율도, 금속 나노 입자의 분산성 등에 따라 적절히 선택하면 된다.
금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물은, 공지된 방법으로 제조한 금속 나노 입자 등을, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물과 동일하게 분산시켜, 제조할 수 있다.
(B) 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물
다음으로, (B) 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물은, 금속 화합물을 포함한다. 금속 화합물은, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 황화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 붕화물 등을 들 수 있다. 금속 화합물을 구성하는 금속으로는, 상기 (A) 금속 나노 입자 베이스의 금속의 경우와 동일하다. 이들 금속 화합물은, 단독으로 또는 2 종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 금속 화합물을 구성하는 금속은, 적어도 은 등의 귀금속 (특히 주기표 제 1B 족 금속) 을 포함하는 금속 (금속 단체 및 금속 합금), 특히 귀금속 단체 (예를 들어, 은 단체 등) 이면 바람직하다. 이하, 은 화합물의 경우에 대해 설명한다.
은 화합물로는, 산화제일은, 산화제이은, 탄산 은, 아세트산 은, 아세틸아세톤 은 착물 등을 들 수 있다. 이들 은 화합물은, 단독으로 또는 2 종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 이 은 화합물은, 시판된 것을 사용할 수 있다.
은 화합물의 평균 입경은, 바람직하게는 0.01 ? 1 ㎛, 보다 바람직하게는 0.01 ? 0.5 ㎛ 의 범위이고, 환원 반응 조건이나 가열 온도 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물은, 분산매도 포함한다. 분산매로는, 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올 등의 알코올류, 이소포론, 테르피네올, 트리에틸렌글리콜모노부틸에테르, 부틸셀로솔브아세테이트 등의 유기 용제를 사용할 수 있다. 분산매의 비율은, 습식 도공법에서의 도공 용이성 등에 따라, 적절히 선택하면 된다.
또, 은 화합물을 분산매에 양호하게 분산시키기 위해서, 분산제를 첨가하는 것이 바람직하다. 분산제로는, 하이드록시프로필셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올 등이 사용되고, 그 함유량은, 일반적으로는, 은 화합물 : 100 질량부에 대해, 0 ? 300 질량부이다.
또, 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물은, 습식 도공법에서의 도공 용이성을 향상시키기 위해서, 바인더 수지를 함유해도 된다. 바인더 수지로는, 아크릴 수지, 비닐 수지, 폴리에스테르 수지, 우레탄 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지등을 들 수 있고, 이들의 모노머여도 된다.
또한, 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물은, 금속 화합물을 환원 가능한 환원제를 함유해도 된다. 환원제로는, 에틸렌글리콜, 포르말린, 하이드라진, 아스코르브산, 각종 알코올 등을 들 수 있다.
금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물은, 시판되는 금속 화합물 등을, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물과 동일하게, 분산시켜 제조할 수 있다.
(접합층)
(A) 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물, (B) 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물을, 습식 도공법에 의해 성막하는 방법, 건조시키는 방법, 및 소성하는 방법은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물과 동일하다.
《접합용 적층체》
도 1 에, 접합용 적층체의 단면의 모식도를 나타낸다. 도 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 접합용 적층체 (1) 는, 금속 나노 입자 소결체층 (10) 과, 접합층 (11) 을 구비한다.
접합용 적층체는, 금속 나노 입자 소결체층이, 접합층의 반대면에, 투명층을 구비하면, 금속 나노 입자 소결체층에 의한 증반사 효과를 제어할 수 있어 바람직하다. 투명층의 두께는, 0.01 ? 0.5 ㎛ 이면, 반사율 향상의 관점에서 바람직하다. 도 2 에, 투명층을 포함하는 접합용 적층체의 단면의 모식도의 일례를 나타낸다. 도 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 투명층 (23) 은, 금속 나노 입자 소결체층 (21) 상에서, 접합층 (22) 과 반대면에 형성된다.
또, 접합용 적층체는, 금속 나노 입자 소결체층과, 접합층 사이에, 추가로 바인더층을 구비하면 금속 나노 입자 소결체층의 접착성을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 바인더층의 두께는, 0.001 ? 1 ㎛ 이면, 밀착성 향상의 관점에서 바람직하다. 도 3 에, 바인더층을 포함하는 접합용 적층체의 단면의 모식도의 일례를 나타낸다. 도 3 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 바인더층 (34) 은, 금속 나노 입자 소결체층 (31) 과, 접합층 (32) 사이에 형성된다.
(투명층 및 바인더층)
투명층 및 바인더층은, 바인더 조성물을, 습식 도공법에 의해 성막하고, 건조시킨 후, 소성함으로써 형성할 수 있다. 여기서, 투명층 및 바인더층은, 바인더를 함유하고, 가열에 의해 경화되는 폴리머형 바인더 및 논폴리머형 바인더 중 적어도 1 종을 포함하면 습식 도공법에 의해 용이하게 제조할 수 있어 바람직하다.
폴리머형 바인더로는, 아크릴 수지, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 알키드 수지, 폴리우레탄, 아크릴우레탄, 폴리스티렌, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리비닐알코올, 폴리아세트산비닐, 셀룰로오스, 및 실록산 폴리머를 들 수 있다. 또, 폴리머형 바인더는, 알루미늄, 실리콘, 티탄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 은, 구리, 아연, 몰리브덴 및 주석의 금속 비누, 금속 착물, 금속 알콕사이드 및 금속 알콕사이드의 가수분해체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종을 포함하면 바람직하다.
논폴리머형 바인더로는, 금속 비누, 금속 착물, 금속 알콕사이드, 알콕시실란, 할로실란류, 2-알콕시에탄올, β-디케톤, 및 알킬아세테이트 등을 들 수 있다. 또, 금속 비누, 금속 착물, 또는 금속 알콕사이드에 포함되는 금속은, 알루미늄, 실리콘, 티탄, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 은, 구리, 아연, 몰리브덴, 주석, 인듐 또는 안티몬이면 바람직하고, 실리콘, 티탄의 알콕사이드 (예를 들어, 테트라에톡시실란, 테트라메톡시실란, 부톡시실란) 가 보다 바람직하다. 할로실란 류로는, 트리클로로실란을 들 수 있다. 이들 폴리머형 바인더, 논폴리머형 바인더가, 가열에 의해 경화됨으로써, 높은 밀착성을 갖는 반사 방지막의 형성을 가능하게 한다.
금속 알콕사이드를 경화시킬 때는, 가수분해 반응을 개시시키기 위한 수분과 함께, 촉매로서 염산, 질산, 인산 (H3PO4), 황산 등의 산, 또는, 암모니아수, 수산화나트륨 등의 알칼리를 함유시키면 바람직하고, 가열 경화 후에, 촉매가 휘발되기 쉽고, 잔존하기 어려운, 할로겐이 잔류하지 않는, 내수성에 약한 P 등이 잔존하지 않는, 경화 후의 밀착성 등의 관점에서, 질산이 보다 바람직하다.
바인더 조성물 중에서의 바인더의 함유 비율은, 분산매를 제외한 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해, 10 ? 90 질량부이면 바람직하고, 30 ? 80 질량부이면 보다 바람직하다. 10 질량부 이상이면, 투명 도전막과 접착력이 양호하고, 90 질량부 이하이면 성막시의 막 불균일이 발생되기 어렵다. 또, 바인더로서, 금속 알콕사이드를, 촉매로서 질산을 사용하는 경우에는, 금속 알콕사이드 : 100 질량부에 대해, 질산이 1 ? 10 질량부이면 바인더의 경화 속도, 질산의 잔존량의 관점에서 바람직하다.
또한, 바인더 조성물은, 투명 산화물 미립자를 포함하면 투명층의 굴절률을 조정할 수 있고, 금속 나노 입자 소결체층에 의한 증반사 효과를 제어할 수 있으므로 바람직하다. 이 투명 산화물 미립자는, 고굴절률이면 투명 산화물 미립자의 함유량에 의해, 소성 또는 경화 후의 투명막의 굴절률을 용이하게 조정할 수 있으므로 보다 바람직하다. 투명 산화물 미립자로는, SiO2, TiO2, ZrO2, ITO (Indium Tin Oxide : 인듐 주석 산화물), ZnO, ATO (Antimony Tin Oxide : 안티몬 도프 산화 주석) 등의 미분말을 들 수 있고, 굴절률의 관점에서 ITO 나 TiO2 가 바람직하다. 또, 투명 산화물 미립자의 평균 입경은, 분산매 중에서 안정성을 유지하기 위해, 10 ? 100 ㎚ 의 범위 내인 것이 바람직하고, 이 중, 20 ? 60 ㎚ 의 범위 내이면 보다 바람직하다. 여기서, 평균 입경은, 동적 광산란법으로 측정한다. 또한, 투명 산화물 미립자는, 미리 분산매 중에 분산시킨 후, 바인더 조성물의 다른 성분과 혼합하면, 투명 산화물 미립자의 균일 분산성의 관점에서 바람직하다.
투명 산화물 미립자는, 분산매를 제외한 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해 10 ? 90 질량부이면 바람직하고, 20 ? 70 질량부이면 보다 바람직하다. 10 질량부 이상이면, 투명 도전막으로부터의 복귀광을 투명 도전막측으로 돌려주는 효과를 기대할 수 있는, 90 질량부 이하이면 투명층 자체의 강도, 및 투명층과 금속 나노 입자 소결체층의 접착력, 투명층과 피접합체의 접착력을 유지한다.
또, 바인더 조성물은, 사용하는 다른 성분에 따라 커플링제를 첨가하는 것이 바람직하다. 투명층의 저헤이즈화, 투명층과 금속 나노 입자 소결체층의 접착력, 투명층과 피접합체의 접착력을 향상시키고, 또한 투명 산화물 미립자를 함유하는 경우에는, 투명 산화물 미립자와 투광성 바인더의 밀착성도 향상되기 때문이다. 커플링제로는, 실란 커플링제, 알루미늄 커플링제 및 티탄 커플링제 등을 들 수 있다.
실란 커플링제로는, 비닐트리에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있다. 알루미늄 커플링제로는, 식 (1) :
로 나타내는 아세트알콕시기를 함유하는 알루미늄 커플링제를 들 수 있다. 또, 티탄 커플링제로는, 식 (2) ? (4) :
로 나타내는 디알킬피로인산기를 갖는 티탄 커플링제, 또, 식 (5) :
로 나타내는 디알킬인산기를 갖는 티탄 커플링제를 들 수 있다.
커플링제는, 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해, 0.01 ? 5 질량부이면 바람직하고, 0.1 ? 2 질량부이면 보다 바람직하다. 0.01 질량부 이상이면 투명층과 금속 나노 입자 소결체층의 접착력, 투명층과 피접합체의 접착력 향상이나, 현저한 입자 분산성의 향상 효과가 확인되고, 5 질량부보다 많으면 막 불균일이 발생되기 쉽다.
바인더 조성물은, 성막을 양호하게 하기 위해서, 분산매를 포함하면 바람직하다. 분산매로는, 물 ; 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 부탄올 등의 알코올류 ; 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논, 이소포론 등의 케톤류 ; 톨루엔, 자일렌, 헥산, 시클로헥산 등의 탄화수소류 ; N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류 ; 디메틸술폭사이드 등의 술폭사이드류나 에틸렌글리콜 등의 글리콜류 ; 에틸셀로솔브 등의 글리콜에테르류 등을 들 수 있다. 분산매의 함유량은, 양호한 성막성을 얻기 위해서, 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해, 80 ? 99 질량부이면 바람직하다.
또, 사용하는 성분에 따라, 수용성 셀룰로오스 유도체를 첨가하는 것이 바람직하다. 수용성 셀룰로오스 유도체는, 비이온화 계면활성제인데, 다른 계면활성제에 비해 소량의 첨가여도 도전성 산화물 분말을 분산시키는 능력이 매우 높고, 또, 수용성 셀룰로오스 유도체의 첨가에 의해 형성되는 투명층의 투명성도 향상된다. 수용성 셀룰로오스 유도체로는, 하이드록시프로필셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 수용성 셀룰로오스 유도체의 첨가량은, 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해 0.2 ? 5 질량부가 바람직하다.
또한, 바인더 조성물에, 저저항화제를 첨가하는 것도 바람직하다. 저저항화제로는, Co, Fe, In, Ni, Pb, Sn, Ti, 및 Zn 의 광산염 및 유기산염에서 선택되는 금속염을 사용할 수 있다. 광산염으로는, 염산염, 황산염, 질산염 등을 들 수 있고, 유기산염으로는, 아세트산염, 프로피온산염, 부티르산염, 옥틸산염, 아세틸아세트산염, 나프텐산염, 벤조산염 등을 들 수 있다. 저저항화제의 첨가량은, 바인더 조성물 : 100 질량부에 대해 0.5 ? 10 질량부가 바람직하다.
바인더 조성물을 제조하는 방법, 바인더 조성물을 습식 도공법에 의해 성막하는 방법, 건조시키는 방법, 및 소성하는 방법은, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물과 동일하다.
또한, 금속 나노 입자 소결체층이, 공공 (空孔) 을 갖는 경우에는, 금속 나노 입자 소결체층 상에, 바인더 조성물을 도포할 때, 금속 나노 입자 소결체층의 공공에 바인더 조성물이 침투하여, 바인더 조성물이 경화된 후, 금속 나노 입자 소결체층이 바인더를 포함한다. 이 바인더를 포함하는 금속 나노 입자 소결체층은, 금속 나노 입자 소결체층 자체의 기계적 강도, 금속 나노 입자 소결체층의 접합 강도를 향상시키기 때문에 바람직하다.
[접합체]
본 발명의 접합체는, 제 1 피접합체와, 상기의 접합용 적층체와, 제 2 피접합체를 이 순서로 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 4 에, 본 발명의 접합체의 단면의 모식도의 일례를 나타낸다. 또한, 도 4 는, 투명층 및 바인더층을 구비하는 예이다. 도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 접합체 4 는 제 1 피접합체 (45) 와, 접합용 적층체 (40) 와, 제 2 피접합체 (46) 를 이 순서로 구비한다. 접합용 적층체 (40) 는, 금속 나노 입자 소결체층 (41) 과, 접합층 (42) 을 구비하고, 금속 나노 입자 소결체층 (41) 이, 접합층 (42) 의 반대면에 투명층 (43) 을 구비하고, 또한 금속 나노 입자 소결체층 (41) 과, 접합층 (42) 사이에 추가로 바인더층 (44) 을 구비한다.
여기서, 제 1 피접합체가, 발광 가능 또는 광전 변환 가능한 소자이며, 금속 나노 입자 소결체층이, 제 1 피접합체로부터의 광을 반사 가능하고, 제 2 피접합체가 기판이면, 접합체를 광학 용도에 사용하기 위해서 적합하다. 구체적으로는, 제 1 피접합체가, 발광 가능한 소자이면 LED 등의 발광원으로서 사용되는 접합체로서 적합하고, 제 1 피접합체가 광전 변환 가능한 소자이면 태양전지로서 사용되는 접합체로서 적합하다.
실시예
이하에, 실시예에 의해, 본 발명을 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
[재료 1-1 의 조제]
논폴리머형 바인더의 2-n-부톡시에탄올과 3-이소프로필-2,4 펜탄디온의 혼합액 (질량비 5 : 5) : 10 질량부와, 분산매로서 이소프로판올 : 90 질량부를 혼합하고, 실온에서 1 시간, 회전자에 의해 회전 속도 200 rpm 으로 교반함으로써, 재료 1-1 : 10 g 을 조제하였다.
[재료 1-2 의 조제]
논폴리머형 바인더의 2-n-프로폭시 에탄올을 10 질량부와, 분산매로서 이소프로판올과 부탄올의 혼합액 (질량비 40 : 60) : 90 질량부를 혼합하고, 실온에서 1 시간, 회전자에 의해 회전 속도 200 rpm 으로 교반함으로써, 재료 1-2 : 10 g 을 조제하였다.
[재료 1-3 의 조제]
SiO2 결합제 : 10 질량부와, 분산매로서 에탄올과 부탄올의 혼합액 (질량비 98 : 2) : 90 질량부를 혼합함으로써, 재료 1-3 : 10 g 을 조제하였다. 또한, 바인더로서 사용한 SiO2 결합제는, 500 ㎤ 의 유리제의 4 개 구 플라스크를 사용하여, 테트라에톡시실란 : 140 g 과 에틸알코올 : 240 g 을 첨가하여 교반하면서, 12N-HCl : 1.0 g 을 25 g 의 순수에 용해하여 한 번에 첨가하고, 그 후 80 ℃ 에서 6 시간 반응시켜 재료 1-3 : 10 g 을 조제하였다.
[재료 4-1 의 조제]
(A) 금속 나노 입자 베이스의 접합층용 조성물로서, Ag 80 ％, Au 20 ％ 의 혼합 금속 나노 입자 분산액을 혼합한 후, 금속 나노 입자 분산액을 원심분리하였다. 원심분리 후의 침전물에, 금속 나노 입자 : 95 질량부에 대해, 폴리에틸렌글리콜 : 5 질량부가 되도록 첨가하고 유성 교반형 혼합기로, 재료 4-1 : 10 g 을 조제하였다. 여기서, Ag 80 ％, Au 20 ％ 의 혼합 금속 나노 입자 분산액은, 이하와 같이 제조하였다.
《은나노 입자 분산액의 제조》
질산은을 탈이온수에 용해시켜, 농도가 25 질량％ 인 금속염 수용액을 조제하였다. 또, 시트르산나트륨을 탈이온수에 용해시켜, 농도가 26 질량％ 인 시트르산나트륨 수용액을 조제하였다. 이 시트르산나트륨 수용액에, 35 ℃ 로 유지된 질소 가스 기류 중에서, 입상의 황산제일철을 직접 첨가하여 용해시키고, 시트르산 이온과 제일철 이온을 3 : 2 의 몰비로 함유하는 환원제 수용액을 조제하였다.
다음으로, 상기 질소 가스 기류를 35 ℃ 로 유지하면서, 환원제 수용액 중에, 마그네틱 스터러의 교반자를 넣고, 교반자의 회전 속도 : 100 rpm 으로 교반하면서, 이 환원제 수용액에, 상기 금속염 수용액을 적하하여 혼합하였다. 여기서, 환원제 수용액에 대한 금속염 수용액의 첨가량은, 환원제 수용액의 양의 1/10 이하가 되도록, 각 용액의 농도를 조정하여, 실온의 금속염 수용액을 적하하여도 반응 온도가 40 ℃ 로 유지되게 하였다. 또, 환원제 수용액과 금속염 수용액의 혼합비는, 금속염 수용액 중의 금속 이온의 총 원자가 수에 대한, 환원제 수용액의 시트르산 이온과 제일철 이온의 몰비가, 모두 3 배 몰이 되도록 하였다. 환원제 수용액에 대한 금속염 수용액의 적하가 종료된 후, 다시 혼합액의 교반을 15 분 동안 계속함으로써, 혼합액 내부에 은나노 입자를 발생시켜, 은나노 입자가 분산된 은나노 입자 분산액 : 100 ㎤ 을 얻었다. 은나노 입자 분산액의 pH 는 5.5 이고, 분산액 중의 은나노 입자의 화학양론적 생성량은 5 g/리터였다.
얻어진 은나노 입자 분산액을, 실온에서 방치함으로써, 분산액 중의 은나노 입자를 침강시켜, 침강된 은나노 입자의 응집물을 데칸테이션에 의해 분리하였다. 분리된 은나노 입자 응집물에, 탈이온수를 첨가하여 분산체로 하고, 한외 여과에 의해 탈염처리한 후, 다시 메탄올로 치환 세정하고, 은의 함유량을 50 질량％ 로 하였다. 그 후, 원심분리기를 사용하고, 이 원심분리기의 원심력을 조정하여, 입경이 100 ㎚ 를 초과하는 비교적 큰 은입자를 분리함으로써, 일차 입경 10 ? 50 ㎚ 의 범위 내인 은나노 입자를 수평균으로 71 ％ 함유하도록 조정하였다. 즉, 수평균으로 모든 은나노 입자 100 ％ 에 대한 일차 입경 10 ? 50 ㎚ 의 범위 내인 은나노 입자가 차지하는 비율이 71 ％ 가 되도록 조정하고, 은나노 입자 분산을 얻었다. 얻어진 은나노 입자는, 시트르산나트륨의 보호제가 화학 수식되어 있었다.
《금나노 입자 분산액의 제조》
질산은 대신에 염화금산을 사용한 것 이외에는, 은나노 입자의 제조와 동일하게 하여, 평균 입경이 10 ㎚ 인 금나노 입자를 5 질량％ 포함하는 은나노 입자 분산액 : 100 ㎤ 를 얻었다.
《혼합 금속 나노 입자 분산액의 제조》
얻어진 은나노 입자 분산액과 금나노 입자 분산액을 질량비로 Ag 80 ％, Au 20 ％ 가 되도록 혼합하고, 혼합 금속 나노 입자 분산액 : 100 ㎤ 를 얻었다.
[재료 4-2 의 제조]
(B) 금속 화합물 베이스의 접합층용 조성물로서, Ag 입자 (평균 입경 : 0.1 ㎛) 70 중량부, 산화제일은 (평균 입경 : 0.1 ㎛) : 5 중량부, 탄산은 (평균 입경 : 0.4 ㎛) : 5 중량부, 테르피네올 : 20 중량부를 혼합하였다. 각 원료를 예비 혼합 후, 유성 교반형 혼합기로, 재료 4-2 : 10 g 을 제조하였다.
[금속 나노 입자 소결체층용 조성물]
표 1 에 기재한 조성으로 재료를 혼합하고, 재료 4-1 과 동일하게 하여, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 조제하였다. 여기서, Au 의 원료로는 염화금산을, Ag 의 원료로는 질산은을, Sn 의 원료로는 염화주석을, Mn 의 원료로는 황산망간을 사용하였다.
[실시예 1]
길이 : 5 ㎜, 폭 : 5 ㎜, 두께 : 5 ㎜ 의 사파이어 기판 상에 발광층을 성막한 소자를 준비하였다. 지지 기판에는, 길이 : 20 ㎜, 폭 : 20 ㎜, 두께 : 0.5 ㎜ 로, 표면에 Ni/Au 도금을 한 Si 제 기판을 준비하였다. 먼저, 소자의 접합 처리면 상에, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 스핀 코팅법으로 도포하고, 130 ℃ 에서 10 분 소성하여, 두께 : 0.3 ㎛ 의 금속 나노 입자 소결체층을 형성하였다. 다음으로, 지지 기판측에, 재료 4-1 을 스크린 인쇄법으로 인쇄하고, 사파이어 기판을 설치하여, 실온에서 10 초간, 1 ㎫ 로 가압한 후, 오븐 내에서, 200 ℃, 20 분 동안 소성하였다.
[실시예 2]
실시예 1 과 동일한 소자, 기판을 준비하였다. 먼저, 소자의 접합 처리면 상에, 재료 1-1 을 다이 코팅법으로 도포하고, 130 ℃ 에서 30 분 소성하여, 두께 : 0.01 ㎛ 의 투명층을 형성하였다. 이 투명층 상에, 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 스크린 인쇄법으로 도포하고, 200 ℃ 에서 20 분 소성하여, 두께 : 0.5 ㎛ 의 금속 나노 입자 소결체층을 형성하였다. 다음으로, 지지 기판측에, 재료 4-1 을 핀 전사법으로 성막하고, 사파이어 기판을 설치하여, 실온에서 10 초간, 1 ㎫ 로 가압한 후, 오븐 내에서, 200 ℃, 20 분 동안 소성하였다.
[실시예 3]
표 1 에 기재한 조건으로, 실시예 1 과 동일하게 하여 실시예 3 을 제조하였다. 여기서, 바인더층은 다이 코팅법으로 도포하였다.
[실시예 4, 5]
표 1 에 기재한 조건으로, 실시예 2 와 동일하게 하여 실시예 4, 5 를 제조하였다. 여기서, 바인더층은 다이 코팅법으로 도포하였다.
[비교예 1]
표 1 에 기재한 조건으로, 금속 나노 입자 소결체층을 형성하지 않고, 실시예 2 와 동일하게 하여, 비교예 1 을 제조하였다.
[비교예 2]
표 1 에 기재한 조건으로, 접합층에 신에츠 화학 제조 Ag-실리콘 수지 (품명 : SMP-2800) 를 사용하여, 비교예 2 를 제조하였다.
[접합 강도의 평가]
실시예 1 ? 5, 비교예 1, 2 의 접합 강도 (쉐어 강도) 를, 정밀 만능 시험기 오토 그래프 AG-Xplus 로 측정하였다. 측정 조건은, JIS Z3198-5 에 준거하여 실시하였다.
[발광 강도의 평가]
실시예 1 ? 5, 비교예 1, 2 의 발광 강도 (상대 강도) 를, Labsphere 사 LSA-3000 장치로 측정하였다.
표 1 로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 ? 5 의 전부에서, 접합 강도 및 발광 강도가 높았다. 특히, 투명층을 구비하는 실시예 2, 4, 5 에서는 발광 강도가 매우 높고, 또, 투명층과 바인더층을 구비하는 실시예 4, 5 에서는 접합 강도가 다른 실시예보다 높았다. 이에 대하여, 금속 나노 입자 소결체층을 형성하고 있지 않은 비교예 1 및 2 에서는 발광 강도가 낮았다.
본 발명의 접합용 적층체는, 종래의 고가의 Ni 접합층에 대해, 금속 입자와 용제를 주성분으로 하는 금속 페이스트 등을 대신 사용함으로써, 제조 공정을 간편하게 하고, 런닝 비용의 대폭적인 개선을 실시할 수 있고, 또한 저온에서 접합 가능하다.
1, 2, 3 : 접합용 적층체
4 : 접합체
11, 21, 31, 41 : 금속 나노 입자 소결체층
12, 22, 32,42 : 접합층
23, 43 : 투명층
34, 44 : 바인더층
45 : 제 1 피접합체
46 : 제 2 피접합체
4 : 접합체
11, 21, 31, 41 : 금속 나노 입자 소결체층
12, 22, 32,42 : 접합층
23, 43 : 투명층
34, 44 : 바인더층
45 : 제 1 피접합체
46 : 제 2 피접합체
Claims (17)
- 금속 나노 입자를 주원료로 하여 소결시킨 금속 나노 입자 소결체층과,
상기 금속 나노 입자 소결체층 상에 적층된, 금속 입자 또는 금속 산화물 입자를 포함하는 접합층을 구비하는 것을 특징으로 하는 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층이, 상기 접합층과는 반대측에 적층된 투명층을 구비하는 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층과, 상기 접합층 사이에 형성된 바인더층을 구비하는 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층이, 75 질량％ 이상의 은을 포함하고, 또한, 금, 구리, 주석, 아연, 몰리브덴 및 망간 중 적어도 1 종의 제 2 금속을 포함하는 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층이, 바인더를 포함하는 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층의 두께가 0.01 ? 0.5 ㎛ 인 접합용 적층체. - 제 1 항에 있어서,
상기 각 층은, 습식 도공법에 의해 성막된 후, 130 ? 250 ℃ 에서 소성된 층인 접합용 적층체. - 제 3 항에 있어서,
상기 투명층 및 상기 바인더층이, 가열에 의해 경화되는 폴리머형 바인더 및 논폴리머형 바인더 중 적어도 1 종을 포함하는 접합용 적층체. - 제 7 항에 있어서,
상기 습식 도공법이, 스프레이 코팅법, 디스펜서 코팅법, 스핀 코팅법, 나이프 코팅법, 슬릿 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 전사법 또는 다이 코팅법 중 어느 것인 접합용 적층체. - 제 4 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층 중에 있어서의 상기 제 2 금속의 함유량은, 상기 금속 나노 입자 소결체층 중에 있어서의 모든 금속의 총량에 대해, 0.02 질량％ 이상 또한 25 질량％ 미만인 접합용 적층체. - 제 1 피접합체와, 제 2 피접합체와, 상기 제 1 및 제 2 피접합체 사이에 형성된 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 접합용 적층체를 구비하는 것을 특징으로 하는 접합체.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 피접합체가, 발광 가능 또는 광전 변환 가능한 소자이고, 상기 금속 나노 입자 소결체층이, 상기 제 1 피접합체로부터의 광을 반사 가능하고, 상기 제 2 피접합체가 기판인 접합체. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 피접합체가 발광 가능한 소자로서, 발광원으로서 사용되는 접합체. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 피접합체가 광전 변환 가능한 소자로서, 태양전지로서 사용되는 접합체. - 제 1 및 제 2 피접합체를, 접합용 적층체로 접합하여, 접합체를 제조하는 방법으로서,
상기 제 1 피접합체에, 금속 나노 입자를 포함하는 금속 나노 입자 소결체층용 조성물을 도포하고, 소성하여 금속 나노 입자 소결체층을 형성하는 공정과,
상기 제 2 피접합체에, 금속 입자 또는 금속 화합물의 입자를 포함하는 접합층용 조성물을 도포하는 공정과,
상기 도포된 접합층용 조성물의 층에, 상기 금속 나노 입자 소결체층을 향하여 상기 제 1 피접합체와 상기 제 2 피접합체를 중첩시키는 공정과,
상기 중첩된 제 1 및 제 2 피접합체를 가열함으로써, 상기 도포된 접합층용 조성물의 층을 소성하여 접합층을 형성하고, 제 1 및 제 2 피접합체를 접합하는 것을 특징으로 하는 접합체의 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 도포 방법은, 스프레이 코팅법, 디스펜서 코팅법, 스핀 코팅법, 나이프 코팅법, 슬릿 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 전사법 또는 다이 코팅법 중 어느 것에서 선택된 습식 도공법인 접합체의 제조 방법. - 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 소결체층용 조성물 및 상기 접합층용 조성물의 소성 온도는, 모두 130 ? 250 ℃ 인 접합체의 제조 방법.
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