KR20170023994A - 분자 잉크 - Google Patents

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Abstract

기판 상의 전도성 트레이스 인쇄 (예컨대, 스크린 인쇄)에 적절한, 플레이크가 없는 분자 잉크는 30-60 중량%의 C8-C12 실버 카복실레이트 또는 5-75 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 0.1-10 중량%의 고분자 결합제 (예컨대, 에틸 셀룰로스) 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부를 가진다. 금속 플레이크 잉크 보다 분자 잉크를 사용하여 형성된 전도성 트레이스는 얇고, 기판에 대해 더 큰 접착력을 가지며, 더 낮은 비저항을 가지며, 우수한 인쇄 해상도를 가지고 최대 9배 작은 조도를 가진다. 또한, Loctite 3880를 사용하여 트레이스에 결합된 발광 다이오드를 제거하기 위해 요구되는 전단력은 상업적으로 입수 가능한 플레이크-기반의 잉크 보다 적어도 1.3 배 강력하다.

Description

분자 잉크 {MOLECULAR INKS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2014년 6월 19일자, 미국 가출원번호 제 62/014,360호의 우선권을 주장하며, 상기 문헌은 본 명세서에 그 전체 내용이 참조 문헌으로 포함된다.
분야
본 출원은 분자 잉크 및 이로부터 제조된 장치, 특히 가요성 회로에 관한 것이다.
스크린 인쇄(screen printing)는 가요성 기판 상에 전도성 특성을 제조하기 위해 흔히 사용되는 기법이며 인쇄 전자 기술 산업에서 가장 흔히 사용되는 잉크는 금속 플레이크를 기반으로 한다. 산업 설비는 일반적으로 100 μm 미만의 트레이스(trace) 폭 및 5 μm 미만의 트레이스 두께를 생성하는 문제를 가진다. 실버 플레이크 잉크는 두께가 4 마이크론 미만인 경우 충분히 전도성인 트레이스를 생성하지 않는다. 게다가, 실버 플레이크 잉크는 두께가 4 마이크론 미만인 경우 가요성인 전도성 트레이스를 생성하지 않으며, 주름이 잡히지 않는다. 실버 플레이크 잉크는 또한 전도성 접착제와 접착부를 강화하기 위해 캡슐화가 필요한 접착 한계를 겪는 트레이스를 생성한다. 실버 플레이크의 크기 (수 마이크론)로 인해 1마이크론 미만(sub-micron)의 두께의 전도성 트레이스를 인쇄하는 것이 불가능하기 때문에, 좁은 트레이스의 종횡비를 최소화는 것이 매우 바람직하다. 또한, 현재의 스크린 인쇄용 잉크는 지형학적으로 평탄한 표면을 생성할 수 없다.
상기 강조된 바와 같이, 대부분의 상용의 스크린 인쇄 가능한 잉크는 실버 플레이크 배합물을 사용한다. 이러한 플레이크-기반의 잉크가 겪게되는 문제는 이들의 큰 크기 (수 마이크론 플레이크 크기)에 기인한다. 플레이크가 크기 때문에, 작은 스크린 크기를 통해 플레이크를 물리적으로 인쇄하여, 전도성 트레이스를 생성하도록 모든 플레이크가 잘 중첩되어 있는 균일한 트레이스 제조에 어려움이 있을 수 있다. 스크린 잉크가 중합체 기판 상에 인쇄되는 경우, 잉크는 보다 저온에서 소결되어야 하고, 결과적으로 플레이크는 오직 약하게 소결되어, 일반적으로 10-50 mOhm/sq/mil 범위의 시트 저항값을 가지는 트레이스를 생성한다. 또한, 결과의 트레이스가 많은 중첩한 실버 플레이크로 이루어지기 때문에, 표면 형태(topography)는 일반적으로 거칠다. 거친 표면은 특히, 안테나의 성능이 부분적으로 표면 조도에 의해 결정되는 RFID 응용에 문제가 된다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 나노 입자 (<100 nm 직경)를 사용한 예가 있지만, 나노 입자는 상대적으로 제조 비용이 높으며, 성능 획득은 추가 비용을 정당화 하기에 충분하지 않다.
가요성 전도성 트레이스를 제조할 수 있는 인쇄 가능한 분자 잉크, 특히 스크린 인쇄용 분자 잉크에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 분자 잉크는 세 개의 주요 구성 성분을 포함한다: 금속 전구체 분자, 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매. 잉크 가공 동안, 금속 전구체 분자의 분해는 전도성 금속 입자를 생성하고, 결합제는 전도성 금속 입자를 함께 결합시키고, 트레이스에 적절한 기계적 성질 및 기판에 대한 접착력을 제공하며, 용매는 잉크를 인쇄 가능하도록 하는데 주로 사용되지만, 용매는 또한 분자 잉크를 용해하여 보다 균일한 잉크 및 이로부터 제조된 트레이스를 제공할 수 있다. 기판 상에 침착되어 트레이스를 형성하고 적절히 (예컨대, 가열 또는 빛에 의해) 가공되는 경우, 금속 전구체 분자는 결합제에 의해 결합된 전도성 나노 입자를 형성한다. 결과의 트레이스는 상호 연결된 금속 나노 입자로 이루어져 있지만, 나노 입자는 인 시튜로 제조됨에 따라, 잉크의 비용은 상용 플레이크 기반의 잉크의 비용과 경쟁할 수 있다. 또한, 상호 연결된 나노 입자 구조로 인해, 비저항 값은 금속 플레이크-기반의 잉크 보다 낮다. 또한, 분자 잉크로부터 유도된 트레이스는 금속 플레이크-기반의 잉크보다 접착제에 대한 개선된 접착력을 나타내며, 금속 플레이크-기반의 잉크 보다 우수한 인쇄 해상도를 가지고, 금속 플레이크-기반의 잉크 보다 최대 8 배 작은 조도를 가진다.
하나의 양태에서, 30-60 중량%의 C8-C12 실버 카복실레이트, 0.1-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부를 포함하는 플레이크가 없는(flake-less) 인쇄 가능한 조성물을 포함하는 분자 잉크가 제공되며, 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다.
또 다른 양태에서, 30-60 중량%의 C8-C12 실버 카복실레이트, 0.25-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부를 포함하는 플레이크가 없는 인쇄 가능한 조성물을 포함하는 분자 잉크가 제공되며, 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다.
또 다른 양태에서, 5-75 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 0.1-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부를 포함하는 플레이크가 없는 인쇄 가능한 조성물이 제공되며, 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다.
또 다른 양태에서, 5-75 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 0.25-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부를 포함하는 플레이크가 없는 인쇄 가능한 조성물이 제공되며, 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다.
또 다른 양태에서, 기판 상에 전도성 금속 트레이스의 제조 공정이 제공되며, 상기 공정은 기판 상에 분자 잉크를 인쇄하여, 기판 상에 잉크의 트레이스를 형성하는 단계, 및 인쇄된 기판 상의 잉크의 트레이스를 소결하여 전도성 금속 트레이스를 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 상기 공정에 의해 제조된 전도성 트레이스를 포함하는 인쇄된 기판이 제조된다.
또 다른 양태에서, 기판 상에 인쇄된, 상기 공정에 의해 제조된 전도성 트레이스를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
본 발명의 분자 잉크는 잉크를 사용하여 제조될 수 있는 전도성 트레이스, 및 전도성 트레이스로부터 제조된 장치의 예상치 못한 성질의 조합을 가능하게 한다. 예를 들어, 전도성 트레이스는 부드럽고, 얇고, 좁고, 가요성이며 높은 전도성을 가지는 일부 조합을 가질 수 있다. 전도성 트레이스는 기판, 특히 가요성 기판에 대한 향상된 접착력을 나타낼 수 있다. 향상된 접착력은 4 lbs 초과의 전단력의 산업 표준 성능 메트릭(4 lbs 미만의 최소값 없음)을 충족시킬 수 있는 캡슐화의 필요성 없이 전도성 에폭시의 사용을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 잉크로부터 제조된 전도성 트레이스는 기존의 나노 입자로부터 제조된 등가물보다 적은 단계, 그에 따른 상당히 감소한 제조 비용으로 더욱 효율적이게 제조될 수 있다. 금속 이온은 전자 회로에서 즉시 사용 가능한 금속 트레이스로 직접 변환되어, 제어된 크기의 금속 입자를 형성하기 위해 필요한 단계를 제거한다.
특히, 예상치 못하게도 본 발명의 잉크를 인쇄하는 스크린은 기판에 대한 접착력 및 낮은 저항 (높은 전도성)을 유지하면서 가요성을 위한 표준 굽힘 및 접힘 시험을 통과할 수 있는 1 마이크론 미만의 두께의 전도성 트레이스를 형성할 수 있다.
추가의 특징이 다음의 상세한 설명의 과정에 기재되거나 명백해질 것이다. 본 명세서에 기재된 각각의 특징은 임의의 하나 이상의 기재된 다른 특징과 임의의 조합으로 사용 될 수 있고, 각각의 특징은 당업자에게 명백한 것을 제외하고는 다른 특징의 존재에 반드시 의존하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
명확한 이해를 위해, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 구체예를 상세히 설명할 것이다:
도 1A는 다양한 실버-기반의 분자 잉크부터 제조된 전도성 트레이스의 전기적 성질에 대한 데이터를 도시한다.
도 1B는 다양한 실버-기반의 분자 잉크부터 제조된 전도성 트레이스의 기계적 성질(ASTM F1683-02)에 대한 데이터를 도시한다. 표이 결과는 시험이 수행된 후 관찰된 저항의 변화이다. 이상적으로, 저항 증가는 시험 이후 10% 미만이어야 한다. 표에 "실패"가 입력되는 경우, 트레이스는 시험 동안 파단되어 측정될 수 없다.
도 1C는 본 발명의 실버-기반의 잉크로부터 제조된 5-20 mil 폭의 트레이스에 대하여 ASTM F1681-07a에 의해 측정된 전류 흐름 용량을 나타내는 그래프이다.
도 1D는 IPC 전단력 시험을 사용하여 캡슐화하지 않고 접착제를 사용하여 실버-기반의 잉크로부터 다양한 트레이스에 결합된 LED를 제거하기 위해 요구되는 전단력 (lbs)를 비교하는 그래프이다.
도 2A는 상이한 분자량의 에틸 셀룰로스를 사용하여 배합된 쿠퍼-기반의 잉크로부터 제조된 쿠퍼 필름에 대한 비저항 (μΩ·cm) 대 에틸 셀룰로스의 분자량 (g/mol)의 그래프이다.
도 2B는 상이한 분자량의 에틸 셀룰로스를 사용하여 배합된 쿠퍼-기반의 잉크로부터 제조된 쿠퍼 트레이스에 대한 가요성 시험 (ASTM F1683-02) 이전 및 이후 에틸 셀룰로스의 선 저항 (%) 대 분자량 (g/mol)의 변화 그래프이다.
도 3은 다양한 아민 쿠퍼 (II) 포메이트-기반의 결합제를 가지지 않는 잉크로부터 제조된 트레이스에 대한 비저항 (μΩ·cm)을 나타내는 그래프이며, 여기서 아밀아민은 비스(아밀아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이고, 헥실아민은 비스(헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이고, 6-메틸-2-헵틸아민은 비스(6-메틸-2-헵틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이고, EtHex2는 비스(2-에틸-1-헥실아민)이고, 옥틸2는 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이고 옥틸3a는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이다.
도 4는 실버-기반의 분자 잉크의 다양한 기타 구체예로부터 제조된 전도성 트레이스의 전기적 및 기계적 성질에 대한 데이터를 도시한다. 공칭 선폭은 트레이스를 인쇄하는데 사용되는 스크린에서 피쳐의 실제 폭이다. Δ는 공칭 및 측정된 선 폭 사이의 차이로 정의된다.
도 5는 맞물린 모양으로서 인쇄된 분자 잉크 (NRC-7)의 선 해상도를 도시하며 (A)는 Kapton™ 상에 2.4 mil 만큼 다음 피쳐로부터 분리된 2.4 mil의 트레이스 선 폭, (B)는 피쳐의 광학 프로파일로미터 이미지 및 (C)는 트레이스 선 폭 (피크)과 피쳐 사이 공간 (계곡)을 나타내느 피쳐의 프로파일로미터 분석이다. (C)의 배경의 회색 막대 그래프는 반사율 데이터이다. 반사율 데이터가 덜 강한 경우 계측기가 Kapton ™ 기판을 분석하고, 반사율 강도가 높은 경우 프로파일미터가 실버 트레이스를 측정한다.
도 6은 프로파일로미터 (A), 이미지 (B)로부터 획득된 대응하는 데이터 , 및 (B)로부터 강조된 두 섹션 (P1 및 P2)에 대한 트레이스의 결과의 표면 조도 분석 (C)를 사용하여 분석된 전도성 트레이스의 디지털 이미지를 도시한다. 전도성 트레이스는 분자 잉크 NRC-7 (E14)를 사용하여 인쇄되었다.
도 7은 분자 실버 잉크 (NRC-2, E11)의 성질과 상업적으로 입수 가능한 잉크 (Henkel 725A)의 성질과 비교하는 데이터를 나타낸다. 회색으로 강조된 성질은 NRC-2의 성능과 일치하지 않음을 주의한다.
도 8는 2.4 KV 및 1500 ms의 펄스 폭에서 Kapton™에 광자 소결된 NRC-7에 대한 데이터를 도시한다. 인쇄물을 광자 소결 이전에 건조하지 않았다.
도 9는 2.6 KV 및 1000 ms의 펄스 폭에서 Melinex™에 광자 소결된 NRC-16에 대한 데이터를 도시한다. 인쇄물을 광자 소결 이전에 15분 동안 건조하였다. 트레이스의 두께는 트레이스의 가장자리 근처 기판의 왜곡으로 인해 직접적으로 측정될 수 없었다. 두께는 Kapton™ 상에 인쇄된 유사한 트레이스의 측정을 기준으로 한다.
도 10은 실버-기반의 분자 잉크 NRC-15 (E17)로부터 제조된 전도성 트레이스의 선 해상도를 도시한다.
분자 잉크는 플레이크를 가지지 않으며, 금속 플레이크를 사용하여 전도성을 제공하지 않는다. 그 대신에, 분자 잉크는 금속 전구체 분자, 구체적으로 금속 카복실레이트, 더욱 구체적으로 C8-C12 실버 카복실레이트 또는 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 포함한다. 잉크가 플레이크를 포함함에 따라, 잉크로부터 형성된 전도성 트레이스는 매우 얇고 좁은 전도성 트레이스를 형성하도록 하는 상호 연결된 금속 나노 입자를 포함한다.
분자 잉크는 약 30-60 중량%의 C8-C12 실버 카복실레이트 또는 약 5-75 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 포함하는 조성물을 포함하며, 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 한다. 바람직하게, 조성물은 약 45-55 중량%, 예를 들어 약 50 중량%의 실버 카복실레이트, 또는 약 65-75 중량%, 예를 들어 약 72 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 포함한다.
하나의 구체예에서, 실버 카복실레이트는 C8-C12 알케인 산의 실버 염이다. 알케인 산은 바람직하게 데케인 산, 더욱 바람직하게 네오데케인 산이다. 실버 카복실레이트는 가장 바람직하게 실버 네오데카노에이트이다. 또 다른 구체에에서, 금속 카복실레이트는 폼산과 2-에틸-1-헥실아민 또는 옥틸아민의 쿠퍼 착화합물이다. 쿠퍼 카복실레이트는 가장 바람직하게 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트이다.
분자 잉크 내 조성물은 또한 조성물의 전체 중량을 기준으로 약 0.1-10 중량%, 바람직하게 약 0.25-10 중량%의 고분자 결합제를 포함한다. 스크린 인쇄 가능한 실버 잉크에 있어서, 조성물은 바람직하게 약 2.5-5 중량%, 예를 들어 약 5 중량%의 결합제를 포함한다. 쿠퍼 잉크에 있어서, 조성물은 바람직하게 약 0.5-2 중량%, 더욱 바람직하게 약 0.5-1.5 중량%, 예를 들어 약 1 중량%의 결합제를 포함한다.
고분자 결합제의 양은 또한 금속 전구체 분자 내 금속 질량으로 표현될 수 있다. 바람직하게, 고분자 결합제는 금속 전구체 내 금속의 중량을 기준으로 약 2.5-52 중량%의 범위로 조성물에 존재한다. 금속 전구체 내 금속의 중량은 전구체를 포함하는 다른 원소가 없는 금속의 전체 중량이다. 더욱 바람직하게, 고분자 결합제는 금속 전구체 내 금속의 중량을 기준으로 약 6.5-36 중량%의 범위이다.
고분자 결합제는 바람직하게 에틸 셀룰로스, 폴리피롤리돈, 에폭시, 페놀성 수지, 아크릴, 우레탄, 실리콘, 스타이렌 알릴 알코올, 폴리알킬렌 카보네이트, 폴리바이닐 아세탈, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 불소 수지, 불소 탄성체, 열가소성 탄성체 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 고분자 결합제는 바람직하게 에틸 셀룰로스 또는 폴리우레탄, 특히 에틸 셀룰로스를 포함한다.
결합제, 특히 에틸 셀룰로스의 분자량은, 분자 잉크로부터 형성된 전도성 트레이스의 성질을 최적화하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 바람직하게, 결합제는 약 35,000-100,000 g/mol, 더욱 바람직하게 약 60,000-95,000 g/mol 범위의 평균 중량 평균 분자량 (Mw)을 가진다. 결합제의 평균 중량 평균 분자량은 상이한 분자량을 가지는 결합제의 혼합물을 사용함으로써 원하는 값으로 조정될 수 있다. 결합제의 혼합물은 바람직하게 약 60,000-70,000 g/mol, 예를 들어 약 65,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제1 결합제, 및 약 90,000-100,000 g/mol, 예를 들어 약 96,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제2 결합제를 포함한다. 혼합물 내 제1 결합제 대 제2 결합제의 비율은 바람직하게 약 10:1 내지 1:10, 또는 10:1 내지 1:1, 또는 약 7:1 내지 5:3이다. 결합제의 분자량 분포는 단봉형 또는 다봉형, 예를 들어 이봉형일 수 있다. 일부 구체예에서, 결합제는 상이한 유형의 중합체의 혼합물을 포함할 수 있다.
분자 잉크 내 조성물은 또한 용매를 포함한다. 용매는 일반적으로 조성물의 잔부를 구성한다. 잔부는 일부 경우에, 약 15-94.75 중량%일 수 있다. 실버 잉크에 있어서, 잔부는 바람직하게 40-52.5 중량%, 예를 들어 약 45 중량%의 용매이다. 쿠퍼 잉크에 있어서, 잔부는 바람직하게 25-30 중량%, 예를 들어 약 27 중량%의 용매이다.
용매는 적어도 하나의 방향족 유기 용매, 적어도 하나의 비-방향족 유기 용매 또는 이의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다.
일부 구체예에서, 용매는 바람직하게 적어도 하나의 방향족 유기 용매를 포함한다. 적어도 하나의 방향족 유기 용매는 바람직하게 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 클로로벤젠, 벤질 에터, 아니솔, 벤조나이트릴, 피리딘, 다이에틸벤젠, 프로필벤젠, 쿠멘, 아이소뷰틸벤젠, p-사이멘, 테트랄린, 트리메틸벤젠 (예컨대, 메시틸렌), 듀렌, p-쿠멘 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 적어도 하나의 방향족 유기 용매는 더욱 바람직하게 톨루엔, 자일렌, 아니솔, 다이에틸벤젠 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 실버-기반의 잉크에 있어서, 용매는 더욱 바람직하게 자일렌, 다이에틸벤젠, 톨루엔 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 쿠퍼-기반의 잉크에 있어서, 용매는 바람직하게 아니솔을 포함한다.
일부 구체예에서, 용매는 바람직하게 적어도 하나의 비-방향족 유기 용매를 포함한다. 적어도 하나의 비-방향족 유기 용매는 바람직하게 터펜-기반의 용매, 알코올 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 비-방향족 유기 용매의 일부 예로는 터피네올, 알파-터피넨, 감마-터피넨, 터피놀렌, 리모넨, 피넨, 카렌, 메틸사이클로헥산올, 옥탄올, 헵탄올 또는 이의 임의의 혼합물을 포함한다. 특히 터피네올, a-터피넨, 2-메틸사이클로헥산올, 1-옥탄올 및 이의 혼합물, 특히 2-메틸사이클로헥산올이 주목할만 하다. 일부 구체예에서, 용매는 바람직하게 적어도 하나의 방향족 유기 용매 및 적어도 하나의 비-방향족 유기 용매의 혼합물을 포함한다. 비-방향족 유기 용매는 바람직하게 용매의 중량을 기준으로 약 75 중량% 이하, 예를 들어 약 50 중량% 이하의 양으로 용매 혼합물 중에 존재한다. 실버-기반의 잉크에 대한 하나의 구체예에서, 용매는 자일렌 및 터피네올 또는 다이에틸벤젠 및 1-옥탄올의 혼합물을 포함할 수 있다.
잉크가 어떠한 종류의 인쇄를 위해 배합될 수 있지만, 잉크는 특히 스크린 인쇄에 적합하다. 이와 관련하여, 잉크는 바람직하게 약 1500 cP 이상의 점도를 가진다. 또한, 용매는 바람직하게 충분히 높은 끓는점을 가져 인쇄하는 동안 잉크가 느리게 증발한다. 성능을 향상시키기 위해 잉크가 반드시 얇아지기 전에 수행될 수 있는 인쇄 사이클의 수를 증가시키는 것으로 주지되어 있다.
분자 잉크는 기판 상에 침착, 예를 들어 인쇄되어 기판 상에 잉크의 트레이스를 형성할 수 있다. 전도성 트레이스를 형성하기 위해 트레이스 내의 실버 염을 건조 및 분해하는 것은 임의의 적절한 기법에 의해 달성될 수 있고, 이러한 기법 및 조건은 트레이스가 침착되는 기판의 유형에 따라 지도된다. 예를 들어, 실버 염을 건조 및 분해하는 것은 가열 및/또는 광자 소결에 의해 달성될 수 있다.
하나의 기법에서, 기판의 가열은 트레이스를 건조 및 소결하여 전도성 트레이스를 형성한다. 소결은 금속 전구체 분자를 분해하여 금속의 전도성 나노 입자를 형성한다. 가열은 바람직하게 약 125-250 ℃, 예를 들어 약 150-230 ℃ 범위의 온도에서 수행된다. 실버 잉크에 있어서, 약 200-230 ℃ 범위의 온도가 특히 바람직하다. 쿠퍼 잉크에 있어서, 약 125-175 ℃ 범위의 온도가 특히 바람직하다. 가열은 바람직하게 약 1 시간 이하, 더욱 바람직하게 약 15 분 이하의 시간, 예를 들어 약 1-15 분, 또는 약 2-15 분, 특히 약 3-10 분 범위의 시간 동안 수행된다. 가열은 기판 상에 트레이스를 소결하기 위한 온도 및 시간의 충분한 균형 사이에서 수행되어, 전도성 트레이스를 형성한다. 가열 장치의 유형은 또한 소결에 요구되는 온도 및 시간을 요인으로 포함한다. 소결은 산화 분위기 (예컨대, 공기) 또는 불활성 분위기 (예컨대, 질소 및/또는 아르곤 기체) 하에서 기판을 사용하여 수행될 수 있다. 실버 잉크에 있어서, 소결하는 동안 산소의 존재가 바람직할 수 있다. 쿠퍼 잉크에 있어서, 불활성 또는 환원 분위기가 바람직할 수 있거나, 또는 바람직하게 약 1000 ppm 이하, 더욱 바람직하게 약 500 ppm 이하의 산소 함량을 가지는 산소 결핍 분위기가 바람직할 수 있다.
또 다른 기법에서, 광자 소결 시스템은 빛의 광대역 스펙트럼을 전달하는 고강도 램프 (예컨대, 펄스형 제논 램프)를 특징으로 할 수 있다. 램프는 트레이스에 약 5-20 J/cm2 의 에너지를 전달할 수 있다. 펄스 폭은 바람직하게 약 0.58-1.5 ms의 범위이다. 구동 전압은 바람직하게 약 2.0-2.8 kV의 범위이다. 광자 소결은 주위 조건 (예컨대, 공기)에서 수행될 수 있다. 광자 소결은 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드 기판에 적절하다.
공정에 의해 제조된 인쇄된 기판은 약 4 마이크론 이하의 두께를 가지는 전도성 트레이스를 포함할 수 있다. 특히 트레이스가 약 1 마이크론 이하, 예를 들어 약 0.3-1 마이크론 또는 약 0.4-1 마이크론일 수 있는 것이 유리하다. 기판 상의 전도성 트레이스는 약 5 mil 이하의 폭을 가지며 좁을 수 있고, 약 3 mil 만큼 좁거나, 또는 심지어 약 2 mil 만큼 좁을 수 있다. 인쇄 파라미터를 조정함으로써 5 mil 보다 넓은 트레이스가 형성될 수 있다. 또한, 전도성 트레이스는 플레이크-기반의 잉크와 비교하여 매우 부드럽다. 본 발명의 잉크로부터 제조된 전도성 트레이스의, 표면 높이의 제곱 평균 제곱근 (RRMS)으로 정의되는 표면 조도는 플레이크-기반의 잉크로부터 제조된 전도성 트레이스의 표면 조도 미만이다. 예를 들어, 본 발명의 잉크로부터 제조된 0.540 μm 두께 트레이스에 대한 표면 조도는 일반적으로 0.14 μm인 반면에, 플레이크-기반의 잉크로부터 제조된 5 μm 트레이스에 대하여 표면 조도는 일반적으로 0.8 μm이다.
전도성 트레이스는 약 6 mOhm/sq/mil, 바람직하게 약 5 mOhm/sq/mil 이하, 예를 들어 약 3-4 mOhm/sq/mil의 시트 저항을 가질 수 있고, 이는 상업적으로 입수 가능한 플레이크-기반의 잉크보다 낮다. 본 발명의 전도성 트레이스의 두께가 약 1 마이크론 이하일 수 있음에 따라, 전도성 및 이에 상응하는 전류 흐름 용량의 개선은 약 10 배의 트레이스 두께의 감소와 결합된다. 이것은, 트레이스 플레이크-기반의 잉크의 트레이스가 1마이크론 미만(sub-micron)의 두께에서 전도성이지 않기 때문에 매우 중요하다.
현재의 플레이크-기반의 잉크로부터 제조된 4 마이크론 미만의 두께를 가지는 트레이스는 일반적으로 가요성을 위한 표준 굽힘 및 접힘 시험 (ASTM F1683-02)에서 잘 수행되지 않는다. 이와 대조적으로, 본 발명의 전도성 트레이스는 높은 전도성을 유지하면서 가요성에 대한 ASTM 표준 시험을 양호하게 수행한다. 최적의 구체예에서, 전도성 트레이스는 ASTM 시험 F1683-02에 따라 10 번의 압축 굽힘 또는 10 번의 인장 굽힘 이후, 약 15% 이하, 바람직하게 약 10% 이하, 더욱 바람직하게 약 5% 이하, 더욱 더 바람직하게 약 3% 이하의 변화로 비저항(전도성)을 유지할 수 있다. 또 다른 최적의 구체예에서, 전도성 트레이스는 ASTM 시험 F1683-02에 따라 10 번의 압축 또는 1 번의 인장 접힘 사이클 이후, 약 15% 이하, 바람직하게 약 10% 이하, 더욱 바람직하게 약 5% 이하, 더욱 더 바람직하게 약 1% 이하의 변화로 비저항(전도성)을 유지할 수 있다.
본 발명의 잉크를 사용하여 제조된 전도성 트레이스는 기판 (특히 가요성 기판)및 접착제에 대한 향상된 접착력을 나타낼 수 있다. 접착제는 IPC 전단력 시험에 따라 캡슐화하지 않은 전도성 트레이스에 대하여 4 lbs 이상의 결합 강도를 가질 수 있고, 이는 유사한 상업적으로 입수 가능한 플레이크-기반의 잉크보다 상당히 우수하다.
본 발명의 잉크는 임의의 적절한 방법, 예를 들어 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 플렉소그래피 인쇄 (예컨대, 스탬프), 그라비어 인쇄, 오프셋 인쇄, 에어브러싱, 에어졸 인쇄, 조판, 또는 임의의 다른 방법에 의해 기판에 침착될 수 있다. 침착 이후, 잉크는 예를 들어 주위 조건에서 잉크를 건조하거나, 용매를 증발시키기 위해 적절히 긴 시간 동안 잉크를 가열함으로써 건조 또는 경화될 수 있다. 본 발명의 잉크는 특히 스크린 인쇄에 적합하다.
선행 기술의 분자 잉크는 일반적으로 스크린 인쇄를 위해 배합되지 않고 기판에 대한 제한된 접착력을 가지는 스크린-인쇄된 전도성 트레이스를 초래한다. 제한된 접착력은, 기판 표면으로부터 트레이스가 박리되거나 트레이스가 거대 구조 또는 미세 구조 균열을 형성함에 따라, 개방 회로 차단 및 전도성의 전체 손실 (즉, 무한 비저항)을 야기한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 전도성 트레이스는 상기 논의된 바와 같이 기판에 대한 우수한 접착력을 가지고, 적어도 1 일, 바람직하게 적어도 1 개월, 더욱 바람직하게 적어도 1 년의 기간에 걸쳐 개방 회로 차단을 일으키지 않는다. 본 발명으로부터 인쇄된 트레이스는 Cross-Hatch 접착 시험 (ASTM F1842-09)에 따라 5B (플레이킹 발생 없음)의 등급을 획득한다.
금속 플레이크 잉크 보다 분자 잉크를 사용하여 형성된 전도성 트레이스는 얇고, 더 낮은 비저항을 가지며, 우수한 인쇄 해상도를 가지고 최대 9배 작은 조도를 가진다. 또한, 에폭시 접착제를 사용하여 트레이스에 결합된 발광 다이오드 (LED)를 제거하기 위해 요구되는 전단력은 1.2 상업적으로 입수 가능한 플레이크-기반의 잉크 (도 1D) 보다 적어도 1.2 배 강력하다.
기판은 임의의 인쇄 가능한 표면일 수 있다. 인쇄 가능한 표면은 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) (예컨대, Melinex™), 폴리올레핀 (예컨대, 실리카-충진 폴리올레핀 (Teslin™)), 폴리다이메틸실록세인 (PDMS), 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드 (예컨대, Kapton™), 실리콘 멤브레인, 직물 (예컨대, 셀룰로스 직물), 종이, 유리, 금속, 유젠체 코팅 등을 포함할 수 있다. 가요성 기판이 바람직하다.
기판 상에 인쇄된 전도성 트레이스는 전자 장치, 예를 들어 전기 회로, 전도성 버스 바 (예컨대, 광전지용 ), 센서, 안테나 (예컨대, RFID 안테나), 터치 센서, 박막 트랜지스터, 다이오드, 및 스마트 포장 (예컨대, 스마트 약물 포장)에 도입될 수 있다. 본 발명의 분자 잉크는 이러한 전자 장치의 소형화를 가능하게 한다.
실시예:
실시예 1: 실버 -기반의 잉크
일련의 실버 네오데카노에이트 (AgND)-기반의 잉크 (150 g)를 하기와 같이 배합하고 잉크의 트레이스를 Kapton™ HPP-ST의 8.5x11” 시트 상에 다양한 패턴으로 침착하였다. 패턴은 도트, 원, 직선 트레이스를 포함했고, 2-20 mil 폭의 범위를 특징으로 하는 트레이스를 굽혔다. 패턴은 스크린 인쇄 (방법 1)를 통해 또는 정사각형 (전기적 성질 측정용) 또는 더 좁고 더 긴 트레이스 (기계적 성질 측정용)을 정의하도록 사용되는 스카치 테이프를 사용하는 유사한 방법을 사용함으로써 제조되고, 잉크는 스크린 인쇄 (방법 2)와 유사하게 스퀴지를 사용하여 스프레드된다. 잉크 조성물 및 잉크 조성물로부터 제조된 트레이스의 전기적 및 기계적 성질이 도 1A, 도 1B 및 도 4에 제공된다.
트레이스의 전기적 성질은 옴 미터로 10 cm 직선 트레이스의 저항을 측정함으로써 특성화하였다. SEM, 광학 현미경, Dektak 프러파일미터 또는 Cyber Technologies 3D 표면 프로파일러를 사용하여 소결된 트레이스의 실제 폭을 측정하였다. 트레이스 폭은 각각 10 cm 길이의 트레이스의 제곱의 숫자를 결정하도록 사용될 수 있고, 이후 시트 저항을 계산하는데 사용된다. 이러한 데이터는 표 1에 요약된다.
비저항 - NRC-2 (E11)
mΩ/□/mil mΩ·cm
5.0 ± 0.7 12.7 ± 1.8
표 1은 Kapton™ 에 인쇄되고 12 분간 230 ℃에서 소결된 NRC-2 (E11)에 대한 전기적 데이터를 나타낸다. 2-20 mil의 선 폭 및 0.6-0.9 μm 범위의 두께를 가지는 10 cm 길이의 선형 트레이스의 집합에 대한 평균이다.
트레이스의 두께는 Dektak 프로파일로미터 또는 Cyber Technologies 3D 표면 프로파일러를 사용하여 특징화하였다. 일반적으로 말하면, 2-5 mil 트레이스는 10-20 mil 트레이스보다 얇고, 두께는 약 0.3-0.9 μm 범위이다. 분자 잉크로부터 유도된 트레이스는 종래의 실버 플레이크 잉크를 사용하여 획득된 트레이스보다 훨씬 얇다. 트레이스 두께 측정을 사용하여, 트레이스에 대한 체적 저항률과 시트 저항 값 둘 모두를 계산하였다. 일반적인 시트 저항 값은 트레이스 폭에 따라 2.3-6.0 mΩ/□/mil 범위이다.
시트 저항 값이 트레이스의 고유한 얇기에 낮은 값을 갖니만, 얇은 정도는 전류 흐름 용량에 영향을 미치지 않고, 여기서 전류 흐름 용량(current carrying capacity)은 도체가 도체 또는 기판을 용해/분해하기 전에 수행할 수 있는 전류량으로 정의된다. 트레이스는 멤브레인 스위치 회로 (ASTM F1681-07a)의 일부로서 도체의 전류 흐름 용량을 결정하기 위한 표준 시험 방법을 거쳤다. 도 1C에 강조된 바와 같이, 5-20 mil 폭의 트레이스에 대한 전류 흐름 용량은 186 mA 내지 350 mA 범위이다. 이것은, 4-5 μm 두께이지만 5-20 mil 폭의 트레이스에 대하여 전형적인 전류 흐름 용량 값이 150 mA 내지 350 mA의 범위인 실버 플레이크 잉크로부터 유도된 트레이스와 유사하다.
결과의 트레이스의 기계적 성질은 또한 잉크가 상업적 유용성을 찾는 경우에 중요하다. 기계적 시험은 트레이스를 멤브레인 스위치, 멤브레인 스위치 테일 어셈블리 또는 멤브레인 스위치 구성 요소 (ASTM F1683-02)의 접힘 또는 굽힘에 대한 표준 실행을 거치는 것을 포함한다. 굽힘 시험은 트레이스를 1 cm 직경 로드 주변을 10 회 이동하는 것을 포함한다. 접힙 시험은 트레이스를 접고 트레이스 위로 1 kg 중량을 굴려 크리스를 생성하는 것을 포함한다.
도 4는 실버-기반의 분자 잉크의 다양한 기타 구체예로부터 제조된 전도성 트레이스의 전기적 및 기계적 성질에 대한 데이터를 도시한다. 도 4는 배합물 및 용매 조성물에 사용되는 중량 %의 실버 네오데카노에이트 (Ag 염), 중량 %의 에틸 셀룰로스 결합제를 포함한다. 배합물의 다양성에도 불구하고, 가공된 트레이스의 시트 비저항, 트레이스 해상도, 트레이스 두께, 표면 조도 및 기계적 성질은 모두 일관성이 있다. 인쇄 품질이 감소함으로 인해 잉크를 얇게 해야 하기 전에 또는 스크린을 세척 해야 하기 전에, 도 4에 요약된 방식으로 잉크 배합물을 변경하는 것은 잉크를 사용하여 수행될 수 있는 인쇄 사이클의 수를 증가시키는 역할을 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 배합을 변경함에도 불구하고, 트레이스는 여전히 ASTM 굴곡 및 굽힘 시험을 통과할 수 있고, 여기서 통과는 굴곡 또는 굽힘 시험이 수행된 후 10% 미만의 저항 변화로 정의된다.
또한, 결과의 트레이스는 훌륭한 해상도로 인쇄될 수 있다. NRC-7로 인쇄된 트레이스에 있어서, 2.4 mils로 분리된 2.4 mil 선 (1.4 mil로 분리된 3.4 mil의 측정된 선 폭을 포함)은 도 5에 도시된 바와 같이 분해(resolution)될 수 있다. 또한, 평균 표면 조도 (Ra), 제곱 평균 제곱근 표면 조도 (Rq), 최대 조도 (peak to vally height, Rt) 및 평균 조도 깊이 (Rz)가 상업적으로 입수 가능한 플레이크 잉크의 트레이스보다 8배 작은, 매우 부드러운 트레이스가 NRC-7로부터 인쇄될 수 있다(도 6).
비교의 잉크 (C1)
비교를 위해, 실버 네오데카노에이트 및 자일렌을 포함하는 간단한 잉크 배합물을 선행 기술 (Dearden 2005)에 따라 제조하였다. 이러한 잉크 배합물을 정사각형으로서 Kapton™ HPP-ST (DuPont) 상에 인쇄하고 10 분간 230 ℃에서 소결하여 전도성 트레이스를 제조하고, 실버 트레이스의 시트 저항은 1.33 mΩ/□/mil이고, 두께는 0.7 μm, 및 계산된 비저항은 약 3.3 μΩ·cm이다. 비저항은 벌크 실버의 비저항의 약 2 배이다.
트레이스는 ASTM F1683-02에 정의된 굽힘 시험 이후 초기에 10% 미만의 전도성을 손실하였고, 접힘 시험 이후 10% 초과의 전도성을 손실하였다. 그러나, 트레이스 전도성이 생성된 후 약 1일 뒤, 트레이스는 기판으로부터 박리되어 개방 회로 차단을 생성하고, 기판에 대한 상기 잉크의 불량한 부착을 나타냈다. 또한, 상기 잉크의 점도는 스크린 인쇄를 위해서 매우 낮으며 이러한 선행 기술은 우수한 접착력 및 낮은 비저항을 가지는 스크린 인쇄 가능한 잉크를 어떻게 배합하는지 교시하지 않는다.
에틸 셀룰로스 결합제 (MW = 65,000 g/mol) 및 자일렌 용매를 가지는 잉크 (E1-E4)
스크린-인쇄 가능한 실버 네오데카노에이트 (AgND)-기반의 잉크 배합물을 제조하기 위한 시도는 AgND/자일렌 혼합물에 대한 증가하는 중량 백분율을 에틸 셀룰로스 (EC) 중합체를 첨가함으로써 수행하였다. 구체적으로, 중량으로 0.25%, 1.25%, 2.5% 및 5%의 EC 용액 (MW = 65,000 g/mol)과 (중량으로) 49.75%, 48.75%, 47.5% 및 45% 자일렌 및 50% AgND이다. EC의 중량 백분율이 증가함에 따라, 소결된 필름의 비저항은 각각 3.31 μΩ·cm에서 4.42 μΩ·cm까지, 5.86 μΩ·cm까지 및 최종적으로 7.42 μΩ·cm까지 증가한다(방법 2 - 패터닝된 정사각형). 상기 잉크의 점도는 스크린 인쇄에 효과적이기 위해 1,500 cP 초과가 바람직하다. 이것은 EC 중량 백분율이 2.5%를 초과할 때 발생한다.
기계적 성질과 관련하여, 방법 2에 기초한 트레이스로부터 제조된 소결된 트레이스는 EC 함량에 관계 없이 ASTM F1683-02에 의해 정의된 굽힘 시험 이후 10% 미만의 전도성을 손실하였다. 5% EC 함량에서 트레이스는 접힘 시험 이후 10% 초과의 전도성을 지속적으로 손실한다. 그러나, 모든 트레이스는 개방 회로 차단을 생성하지 않으면서 시간 경과에 따라 기판에 접착된 채로 남아 기판에 대한 이러한 잉크의 더 큰 접착력을 입증하였다.
에틸 셀룰로스 결합제 (MW = 96,000 g/mol) 및 자일렌 용매를 가지는 잉크 (E5-E8)
2.5%, 1.25% 및 0.5% EC (MW = 96,000 g/mol), 47.5%, 48.75% 및 49.5% 자일렌 및 50% AgND를 사용하여 스크린-인쇄 가능한 잉크를 제조하기 위한 시도를 수행하였다. 2.5% EC (MW = 96,000 g/mol)를 포함하는 잉크의 점도는 5,000-10,000 cP이었고, 다른 배합물은 1,500 cP 미만이었다. 테이프-패터닝된 인쇄 후, 소결된 트레이스의 시트 저항 값은 각각 38.9 mΩ/□, 35.5 mΩ/□ 및 61.1 mΩ/□이다. 이것은 유사한 농도이지만 상이한 분자량 (MW = 65,000 g/mol)의 EC에 대해 획득된 데이터와 일치한다. 높은 분자량의 EC 중합체의 사용은 접힘 시험에서 전도성 손실을 10% 미만으로 감소시키지 않는다.
2.5% EC (MW = 96,000 g/mol), 47.5% 톨루엔 및 50% AgND를 가지는 톨루엔 기반의 잉크를 또한 평가하였다. 스크린 인쇄 및 소결 후, 트레이스는 7.5 μΩ·cm의 체적 저항률, 0.67 μm의 두께 및 2.9 mΩ/□/mil의 시트 저항 값을 가졌다.
스크린 인쇄된 트레이스는 ASTM F1683-02로 정의되는 굽힘 시험 이후 10% 미만의 전도성을 손실하였지만, 접힘 시험 이후 10% 초과의 전도성을 지속적으로 손실한다. 그러나, E8에 대한 트레이스는 개방 회로 차단을 생성하지 않으면서 시간 경과에 따라 기판에 접착된 채로 남아 기판에 대한 이러한 잉크의 더 큰 접착력을 입증하였다.
에틸 셀룰로스 결합제 (MW = 65,000 g/mol) 및 자일렌/터피네올 용매를 가지는 잉크 (E9-E10)
자일렌: 5% EC (MW = 65,000 g/mol)을 포함하는 터피네올을 중량으로 1:1 및 3:1로 포함하는 용매 혼합물을 사용하여 1:1 중량 비율의 용매 혼합물을 AgND와 혼합함으로써 잉크를 배합하였다. 잉크는 50 중량% AgND, 2.5 중량% EC 및 47.5 중량% 용매를 포함한다. 이러한 잉크의 점도는 5,000-7,500 cP 범위이다. 패터닝된 정사각형의 제조 (방법 2) 이후, 소결된 트레이스의 비저항은 배합물 기준으로 3:1 및 1:1 (자일렌:터피네올)에 대하여 각각 17.4 μΩ·cm 및 13.1 μΩ·cm이다. 이러한 잉크 배합물로부터 제조된 트레이스의 점도 및 비저항은 스크린 인쇄에 적합하다.
스크린 인쇄된 트레이스는 ASTM F1683-02로 정의되는 굽힘 시험 이후 10% 미만의 전도성을 손실하였지만, 접힘 시험 이후 10% 초과의 전도성을 지속적으로 손실한다. 그러나, E10에 대한 트레이스는 개방 회로 차단을 생성하지 않으면서 시간 경과에 따라 기판에 접착된 채로 남아 기판에 대한 이러한 잉크의 더 큰 접착력을 입증하였다. 터피네올:자일렌을 1:1로 포함하는 배합물을 또한 스크린 인쇄하였고 결과는 유사하였다. 혼합된 터피네올:자일렌 용액을 사용하는 것은 높은 끓는점의 터피네올의 존재로 인해 잉크를 얇게 하는 것이 요구되기 전에 인쇄 사이클을 숫자를 증가시키는 것과 관련하여 이점이 있다.
에틸 셀룰로스 결합제 혼합물 (MW = 65,000 g/mol 및 MW = 96,000 g/mol)를 가지는 잉크 (E11)
MW = 39,000 g/mol, 65,000 g/mol 및 96,000 g/mol을 가지는 EC 단독의 사용은, 결과의 가공된 트레이스가 접힘 시험 (ASTM F1683-02) 이후 10% 초과의 전도성을 지속적으로 손실하기 때문에 최적이지 않다. 7:1의 자일렌: 터피네올의 용매 혼합물 내 MW = 65,000 및 96,000의 7:1 혼합물의 EC의 사용 (전체 5% 중량으로)은 5,000-8,000 cP의 점도를 가지는 잉크를 제공한다. 잉크 (AgND NRC-2)는 50 중량% AgND, 2.5 중량% EC 및 47.5 중량% 용매를 포함한다. 스크린 인쇄된 트레이스는 11.6 μΩ·cm의 체적 저항률 값 (0.62 μm의 트레이스 두께) 및 4.5 mΩ/□/mil)의 시트 저항을 가진다.
스크린 인쇄된 트레이스는 굽힘 및 ASTM F1683-02으로 정의되는 접힙 시험 모두 이후 10% 미만의 전도성을 손실한다. 모든 트레이스는 개방 회로 차단을 생성하지 않으면서 시간 경과에 따라 기판에 접착된 채로 남게 된다. 결합제가 상이한 분자량을 가지는 에틸 셀룰로스의 혼합물로 형성된 잉크는 결합제가 단일 분자량을 가지는 에틸 셀룰로스로 형성된 잉크로부터 제조된 트레이스와 비교하여 최적화된 전도성 트레이스를 제공한다.
접착 강도는 상업적으로 입수 가능한 실버 플레이크 잉크와 비교하여 추가적으로 조사하였다. 도 1D는 접착제 (Loctite 3880)를 사용하여 트레이스에 접착된 LED를 제거하기 위해 요구되는 전단력 (lbs)를 비교하는 그래프이다. 이러한 전단력 시험은 접착제와 트레이스 사이의 결합 강도를 측정하며, 기판에 대한 트레이스의 결합 강도를 측정하는 것이 아님을 주의한다. 본 발명의 E11 잉크 (AgND NRC-2)는 다양한 기판 (폴리에스터, Kapton™) 상에서 상용 스크린 인쇄 전도성 잉크 CXT-0587 (NJ, 칼슈타트의 Sun Chemical Corporation 사의 실버-기반의 잉크) 및 725A (MI, 포트 휴런의 Acheson Colloids Company 사의 실버-기반의 잉크)와 비교된다. 도 1D로부터, 접착제는 적어도 4 lbs의 힘으로 LED를 Kapton™ 상에 인쇄된 AgND NRC-2 에 결합시키는 반면에, 다른 트레이스에 대한 접착력은 접착력이 4 lbs 미만인 적어도 일부 경우를 가지는 것을 발견할 수 있다. 모든 경우에 AgND NRC-2는 다른 잉크를 능가한다. NRC-2 (E11) 잉크는 5B 등급으로 특징 지어지는 바와 같이 Kapton™ 에 매우 잘 부착되어 ASTM F1842-09 cross-hatch 접착 시험 후 플레이크 발생이 일어나지 않음(no flaking)을 나타낸다.
플레이크-기반의 잉크와의 추가적인 비교
도 7에 강조된 바와 같이, 본 발명의 분자 잉크 (NRC-2)를 상업적으로 입수 가능한 플레이크-기반의 잉크 (Henkel 725A)와 비교하면, 잉크의 시트 비저항 값은 Henkel 725A의 값 보다 약 5 배 작다.
NRC-7 및 NRC-16의 광자 소결
앞서 설명한 바와 같이 NRC-7 (E14) 잉크 및 NRC-16 (E15) 잉크를 시험 패턴에 스크린 인쇄하고, 트레이스를 달리 지시되지 않는 한 광자 소결 이전에 75 ℃에서 15 분간 건조하였다. 모든 광처리는 제논 2000 Sinteron™를 사용하여 주위 조건 하에서 수행하였다. 샘플을 제논 램프의 노출 영역 (40 mm aperture) 하에서 기판을 이송시키는 컨베이어 단계에 배치하였다. 각 단계 후 램프를 점화하는 펄스로 1 mm 컨베이어 단계를 사용하여 트레이스를 가공하였다. 달리 지시되지 않는 한, 240 nm 이하의 파장은 제논 전구의 광대역 스펙트럼으로부터 걸러졌고 전구 높이는 빛의 초점면이 기판 위의 0.5 인치에 있고, 펄스 폭이 580 ms 내지 1500 ms로 변하도록 배치하하였다. 6 분의 공정 사이클에서 40 펄스의 빛을 각각의 샘플에 조사하였다. 도 8에 강조된 바와 같이, 이러한 트레이스에 대한 체적 저항률 및 시트 비저항 값은 Kapton™ 기판 상에 트레이스의 열적 가곡으로부터 달성된 값에 매우 근접하다(각각 약 10-20 vs. 5-7 mΩ/□/mil). 도 9는 또한 분자 잉크가 Melinex™에서 가공될 수 있고 이러한 기판상의 체적 저항률 및 시트 비저항 값은 또한 Kapton™ 상의 열가공된 트레이스 (도 4)에 대한 값 보다 약 2-4배 높은 것을 입증한다.
비-방향족 용매를 가지는 잉크
실버 분자 잉크, NRC-14 (E16), NRC-15 (E17) 및 NRC-51 (E18)를 비-방향족 용매에서 50 중량% 실버 네오데카노에이트 및 5% EC46 에틸 셀룰로스 결합제 (NRC-14 및 NRC-15) 또는 4% 에틸 셀룰로스 (NRC-51)으로 배합하였다. NRC-14에 대한 용매는 40% a-터피넨 및 5% 1-옥탄올의 혼합물이었다. NRC-15에 대한 용매는 22.5% a-터피넨 및 22.5% 1-옥탄올의 혼합물이었다. NRC-51에 대한 용매는 2-메틸사이클로헥산올이었다. 잉크의 전도성 트레이스는 Kapton™ 기판 상에 잉크를 시험 패턴으로 스크린 인쇄 하고, 30 분간 150 ℃에서 어닐링하고, 12 분간 230 ℃에서 추가 가공함으로써 제조하였다. 결과의 선 폭과 트레이스 두께는 광학 프로파일로미터를 사용하여 측정하였고 시트 저항은 트레이스의 제곱 수에 비례하여 10 cm 길이의 트레이스에 걸친 저항을 측정함으로써 결정하였다 (도 8 및 도 9).
NRC-14 (E16), NRC-15 (E17) 및 NRC-51 (E18)로부터 제조된 전도성 실버 트레이스의 전기적 성질은 도 4에 도시된다. NRC-14 (E16) 및 NRC-51 (E18)는 개입 없이 적어도 20 인쇄 주기를 순환할 수 있고, 10 mΩ/□/mil 미만의 시트 비저항 값을 가지는 트레이스를 제조할 수 있다. NRC-15로부터의 트레이스는 는 개입 없이 적어도 10 인쇄 주기를 순환할 수 있고, 또한 10 mΩ/□/mil 미만의 시트 비저항 값을 가지는 트레이스를 제조할 수 있다. NRC-14, NRC-15 및 NRC-51로부터 제조된 전도성 실버 트레이스에 대한 굴곡 및 접힘 시험 데이터가 도 4에 도시된다. 굴곡 및 접힘 시험을 상기 기재된 바와 같이 수행하였다. 세 가지 모든 잉크가 우수한 기계적 성질을 가진다. 저항이 10% 초과로 증가하는 경우가 일부 있었지만, 균열 및/또는 박리로 인한 개방 불량은 없다. 실버-기반의 분자 잉크 NRC-15로부터 제조된 전도성 실버 트레이스의 선 해상도는 도 10에 도시된다. 선은 공칭 2 mil 선폭 및 4 mil 간격으로 인쇄되었다.
실시예 2: 쿠퍼-기반의 잉크
600 mL의 아세토나이트릴에 5 g의 쿠퍼 포메이트 다이하이드레이트를 현탁시키고 13 mL의 옥틸아민을 첨가함으로써 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 제조하였다. 용액을 5 시간 동안 혼합하고, 여과하여 미반응한 쿠퍼 포메이트를 제거한 다음, 48 시간 동안 -4 ℃에서 결정화시켰다. 결정을 여과로 수집하고 진공에서 5 시간 동안 건조시켰다.
5 g의 쿠퍼 (II) 포메이트 당 18 mL of 옥틸아민을 첨가한 것을 제외하고, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트에 대해 유사한 방식으로 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 제조하였다.
600 mL의 헵테인에 5 g의 쿠퍼 포메이트 다이하이드레이트를 현탁시키고 13 mL의 2-에틸-1-헥실아민을 첨가함으로써 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 제조하였다. 용액을 5 시간 동안 혼합하고, 여과하여 미반응한 쿠퍼 포메이트를 제거한 다음, 48 시간 동안 -4 ℃에서 결정화시켰다. 결정을 여과로 수집하고 진공에서 5 시간 동안 건조시켰다.
다양한 분자량의 에틸 셀룰로스 용액을 아니솔에 10% (g/g) 에틸 셀룰로스를 용해시킴으로써 제조하였다. 에틸 셀룰로스의 중량 평균 분자량 (Mw)을 약 38,000 g/mol % 내지 약 96,000 g/mol로 변화시켰다. 0.15 g의 10% 에틸 셀룰로스 용액을 1.08 g의 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트를 혼합시킴으로써 동일한 중량%의 에틸 셀룰로스를 가지는 잉크를 제조하였다. 쿠퍼 잉크는 72 중량% 쿠퍼 포메이트 착화합물, 1.0 중량% 에틸 셀룰로스 및 27 중량% 아니솔을 포함하였다. 혼합물을 8 분 동안 유성에 의해 균질화시켰다. 잉크를 Melinex™ 기판 (PET) 상에 7 cm x 1 mm 또는 1 cm x 1 cm 제곱의 크기를 가지는 트레이스로서 인쇄하였다 (방법 2). 잉크를 150 ℃로 가열하고 3 분간 이러한 온도에서 유지함으로써 질소하에서 열적으로 소결하였다.
쿠퍼 필름의 비저항 값은 1 cm x 1 cm 제곱에서 결정되었고 ASTM 가요성 시험 (ASTM F1683-02)은 7 cm 길이의 트레이스 상에 수행하였다. 도 2A는 에틸 셀룰로스의 분자량이 증가하면서 초기에는 비저항 값이 극적으로 감소하고, 이후 훨씬 높은 분자량에서 증가하기 시작하는 것을 보여준다. 도 2B는 가요성 시험 하에서 저항의 변화와 함께 유사한 패턴을 도시한다. 데이터는 최적의 평균 분자량 (Mw) 범위가 약 70,000-90,000 g/mol 임을 나타낸다.
또 다른 실험에서, 여러가지 상이한 아민 쿠퍼 (II) 포메이트-기반의 잉크로 제조된 트레이스의 비저항을 비교하였다. 결합제 없이 아니솔에서 잉크를 배합하고 방법 2를 사용하여 트레이스를 인쇄하였다. 도 3은 shows 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 및 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트로부터 제조된 트레이스가 다른 아민 쿠퍼 (II) 포메이트 착화합물, 심지어 아주 밀접하게 관련된 관련 착화합물로부터 제조된 트레이스보다 상당히 낮은 비저항을 가지는 것을 나타낸다. 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 (EtHex2)로부터 제조된 트레이스는 특히 비스(헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 (EtHex2)로부터 제조된 트레이스보다 4-5배 낮은 비저항을 가지며, 또한 옥틸아민 착화합물 (옥틸2 및 옥틸3a)로부터 제조된 트레이스보다 2-3배 낮은 비저항을 가진다.
참조 문헌: 이들 각각의 내용 전체는 참조 문헌에 포함되어 있다.
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새로운 특징은 본 명세서의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다. 그러나, 청구 범위는 구체예에 의해 제안되어서는 안되며, 청구 범위 및 명세서 전체의 표현과 일치하는 가장 넓은 해석이 주어져야 하는 것을 이해해야 한다.

Claims (53)

  1. 30-60 중량%의 C8-C12 실버 카복실레이트, 0.1-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부의 플레이크가 없는(flake-less) 인쇄 가능한 조성물을 포함하는 분자 잉크, 여기서 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 함.
  2. 제1항에 있어서, 실버 카복실레이트는 45-55 중량%의 양으로 존재하는 잉크.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 실버 카복실레이트는 실버 네오데카노에이트인 잉크.
  4. 5-75 중량%의 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 0.25-10 중량%의 고분자 결합제 및 적어도 하나의 유기 용매인 잔부의 플레이크가 없는 인쇄 가능한 조성물을 포함하는 분자 잉크, 여기서 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 함.
  5. 제4항에 있어서, 비스(2-에틸-1-헥실아민) 쿠퍼 (II) 포메이트, 비스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트 또는 트리스(옥틸아민) 쿠퍼 (II) 포메이트는 65-75 중량%의 양으로 존재하는 잉크.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물은 0.25-10 중량%의 결합제를 포함하는 잉크.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물은 2.5-5 중량%의 결합제를 포함하는 잉크.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제는 에틸 셀룰로스, 폴리피롤리돈, 에폭시, 페놀성 수지, 아크릴, 우레탄, 실리콘, 스타이렌 알릴 알코올, 폴리알킬렌 카보네이트, 폴리바이닐 아세탈, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 불소 수지, 불소 탄성체, 열가소성 탄성체 또는 이의 임의의 혼합물을 포함하는 잉크.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제는 에틸 셀룰로스를 포함하는 잉크.
  10. 제9항에 있어서, 에틸 셀룰로스는 상이한 분자량을 가지는 에틸 셀룰로스의 혼합물을 포함하는 잉크.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 에틸 셀룰로스는 35,000-100,000 g/mol 범위의 평균 중량 평균 분자량을 가지는 잉크.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 에틸 셀룰로스는 60,000-95,000 g/mol 범위의 평균 중량 평균 분자량을 가지는 잉크.
  13. 제9항에 있어서, 에틸 셀룰로스는 60,000-70,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제1 에틸 셀룰로스 및 90,000-100,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제2 에틸 셀룰로스를 포함하는 에틸 셀룰로스의 혼합물을 포함하는 잉크.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제는 에틸 셀룰로스와 상이한 하나 이상의 다른 중합체를 추가로 포함하는 잉크.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 용매는 방향족 유기 용매를 포함하는 잉크.
  16. 제15항에 있어서, 방향족 유기 용매는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 클로로벤젠, 벤질 에터, 아니솔, 벤조나이트릴, 피리딘, 다이에틸벤젠, 프로필벤젠, 쿠멘, 아이소뷰틸벤젠, p-사이멘, 인데인, 테트랄린, 트리메틸벤젠 (예컨대, 메시틸렌), 듀렌, p-쿠멘, 테트랄린 또는 이의 임의의 혼합물을 포함하는 잉크.
  17. 제15항에 있어서, 방향족 유기 용매 톨루엔, 자일렌, 아니솔, 다이에틸벤젠 또는 이의 임의의 혼합물을 포함하는 잉크.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 용매는 용매의 중량을 기준으로 75 중량% 이하의 양으로 비-방향족 유기 용매를 추가로 포함하는 잉크.
  19. 제18항에 있어서, 비-방향족 유기 용매는 터피네올 또는 옥탄올을 포함하고 적어도 하나의 방향족 용매는 자일렌을 포함하는 잉크.
  20. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 용매는 비-방향족 유기 용매를 포함하는 잉크.
  21. 제20항에 있어서, 비-방향족 유기 용매는 터피네올, 알파-터피넨, 감마-터피넨, 터피놀렌, 리모넨, 피넨, 카렌, 메틸사이클로헥산올, 옥탄올, 헵탄올 또는 이의 임의의 혼합물을 포함하는 잉크.
  22. 제20항에 있어서, 비-방향족 유기 용매는 터피네올, a-터피넨, 2-메틸사이클로헥산올, 1-옥탄올 또는 이의 임의의 혼합물을 포함하는 잉크.
  23. 제20항에 있어서, 비-방향족 유기 용매는 γ-터피넨 및 1-옥탄올을 포함하는 잉크.
  24. 제20항에 있어서, 비-방향족 유기 용매는 2-메틸사이클로헥산올을 포함하는 잉크.
  25. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 용매는 다이에틸벤젠 및 1-옥탄올을 포함하는 잉크.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 1500 cP 이상의 점도를 가지는 잉크.
  27. 제1항에 있어서, 조성물은 다음을 포함하는 잉크: 45-55 중량%의 실버 네오데카노에이트; 60,000-70,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제1 에틸 셀룰로스 및 90,000-100,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량을 가지는 제2 에틸 셀룰로스의, 2.5-5 중량%의 혼합물; 및, 적어도 하나의 방향족 용매 및 터피네올의 혼합물을 포함하는 잔부의 유기 용매, 여기서 모든 중량은 조성물의 전체 중량을 기준으로 함.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉크는 스크린 인쇄 가능한 잉크.
  29. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉크는 잉크 젯 인쇄 가능한 잉크.
  30. 기판 상에 전도성 금속 트레이스를 제조하는 방법으로서, 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 정의된 잉크를 기판 상에 인쇄하여, 기판 상의 잉크의 트레이스를 형성하는 단계, 및 인쇄된 기판 상의 잉크의 트레이스를 소결하여 전도성 금속 트레이스를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 소결은 가열에 의해 수행되는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 가열은 125-250 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 방법.
  33. 제30항에 있어서, 소결은 광자 소결에 의해 수행되는 방법.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 소결은 1-15 분 범위의 시간 동안 수행되는 방법.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄는 스크린 인쇄인 방법.
  36. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄는 잉크 젯 인쇄인 방법.
  37. 제 30항 내지 제36항 중 어느 한 항에 정의된 방법에 의해 제조된 전도성 트레이스를 포함하는 인쇄된 기판.
  38. 제37항에 있어서, 전도성 트레이스는 1 마이크론 이하의 두께를 가지는 기판.
  39. 제38항에 있어서, 두께는 0.4-1 마이크론 범위인 기판.
  40. 제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리올레핀, 폴리다이메틸실록세인 (PDMS), 폴리스타이렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 실리콘 멤브레인, 직물, 종이, 유리, 금속 또는 유전체 코팅을 포함하는 기판.
  41. 제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리이미드를 포함하는 기판.
  42. 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 가요성인 기판.
  43. 제37항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 트레이스는 5 mOhm/sq/mil 이하의 시트 저항을 가지는 기판.
  44. 제43항에 있어서, 전도성 트레이스는 적어도 1 일의 기간 동안 개방 회로 차단을 일으키지 않는 기판.
  45. 제43항 또는 제44항에 있어서, 전도성 트레이스는 ASTM 시험 F1683-02에 따른 10 회의 압축 굽힘 또는 10 회의 인장 굽힘 사이클 이후 10% 이하의 변화로 상기 저항을 유지할 수 있는 기판.
  46. 제43항 또는 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 트레이스는 ASTM 시험 F1683-02에 따른 1 회의 압축 또는 1 의 인장 접힘 사이클 이후 10% 이하의 변화로 상기 저항을 유지할 수 있는 기판.
  47. 제37항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 접착제는 IPC 전단력 시험에 따라 캡슐화하지 않고 4 lbs 이상의 전도성 트레이스에 대한 결합 강도를 가지는 기판.
  48. 제37항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 트레이스는 스크린 인쇄되는 기판.
  49. 제37항 내지 제48항 중 어느 한 항에 정의된 기판 상에 전도성 트레이스를 포함하는 전자 장치.
  50. 제49항에 있어서, 전기적 회로, 전도성 버스 바, 센서, 안테나 (예컨대, RFID 안테나), 터치 센서, 박막 트랜지스터, 다이오드 또는 스마트 포장을 포함하는 전자 장치.
  51. 제49항에 있어서, RFID 안테나를 포함하는 전자 장치.
  52. 제49항에 있어서, 전도성 버스 바를 포함하는 전자 장치.
  53. 제49항에 있어서, 다이오드를 포함하는 전자 장치.
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