WO2018221181A1 - 導電性インク及び導電性基板の製造方法 - Google Patents

導電性インク及び導電性基板の製造方法 Download PDF

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WO2018221181A1
WO2018221181A1 PCT/JP2018/018532 JP2018018532W WO2018221181A1 WO 2018221181 A1 WO2018221181 A1 WO 2018221181A1 JP 2018018532 W JP2018018532 W JP 2018018532W WO 2018221181 A1 WO2018221181 A1 WO 2018221181A1
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conductive
conductive ink
silver
ether
substrate
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PCT/JP2018/018532
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Inventor
朝子 枝川
外村 卓也
Original Assignee
バンドー化学株式会社
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00Inks
    • C09D11/30Inkjet printing inks
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D11/00Inks
    • C09D11/52Electrically conductive inks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/22Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising metals or alloys

Definitions

  • the present invention relates to a conductive ink and a method of manufacturing a conductive substrate.
  • a method of forming a wiring pattern such as an electronic circuit for example, a method of forming a necessary conductive film pattern by forming a metal thin film on the entire surface of a substrate by sputtering, evaporation or the like and then etching unnecessary portions by photolithography.
  • a conductive film pattern is formed using a printing method such as letterpress printing, intaglio printing, screen printing, or inkjet printing. How to do that is being considered.
  • a method of forming a conductive film pattern of higher definition for example, a method using a printing method such as a reverse printing method or a microcontact printing method is being studied. In these studies, development of a conductive ink suitable for various printing methods is also carried out.
  • Patent Document 1 discloses a conductive ink comprising a solid component mainly composed of metal colloid particles consisting of a metal component and an organic component, and a solvent, and having the following features.
  • the solvent contains water and 1 to 40% by weight of a polyhydric alcohol compound.
  • the polyhydric alcohol compound is polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 600 to 1000 and / or a polyhydric alcohol having 4 to 6 carbon atoms and 2 to 3 hydroxyl groups.
  • Patent Document 2 when a coating film of a first layer is formed on a recording medium using an ink jet head, and a coating film is formed in a multilayer manner on the coating film of the first layer using an ink jet head,
  • the ink jet printing method is characterized in that the ink of an amount smaller than the coated amount of the ink of the coating film formed is divided and applied so that the coating film peripheral portions of the ink do not contact each other for each layer, and then dried.
  • a first heating step of radiantly heating the surface of the recording medium, and an amount of penetration of the solvent into the recording medium is equal to or less than an amount of penetration of the solvent into the recording medium at which the cockling amount of the recording medium is a predetermined amount or less
  • an image recording method which comprises a droplet deposition step of ejecting droplets of ink onto a recording medium after heat treatment by the second heating step is performed is disclosed.
  • JP 2008-214591 A JP, 2015-196132, A JP, 2010-5816, A
  • conductive ink is patterned and apply
  • the conductive ink is applied, for example, on the surface of the non-ink-absorptive substrate, if the wettability of the conductive ink to the substrate is insufficient, the conductive ink is unevenly distributed, and the coating film thereof In some cases, the film thickness uniformity of the conductive film obtained by firing is lowered, for example, a portion where the film thickness of the conductive film becomes larger than the design value may partially occur. As described above, when there is a portion where the film thickness of the conductive film is large, it may lead to the generation of a crack.
  • Patent Document 1 describes that a film having high conductivity can be obtained even at a low heating temperature, deterioration due to drying before drawing hardly occurs, and a conductive ink having excellent leveling resistance is realized.
  • the application amount of the conductive ink is increased in order to increase the film thickness in order to reduce the resistance.
  • the film thickness uniformity of the conductive film (coating) is lowered, there is room for improvement.
  • Patent Document 2 describes a method in which application and drying of ink are repeated stepwise in order to improve the film thickness uniformity of the conductive film.
  • the film thickness uniformity of the conductive film is not sufficient, and further, the manufacturing efficiency decreases with an increase in the number of steps, so there is room for improvement.
  • Patent Document 3 describes a method of applying a treatment liquid having a function of aggregating ink on a base (recording medium) for the purpose of improving the film thickness uniformity of a conductive film.
  • the film thickness uniformity of the conductive film is not sufficient, and it is necessary to apply the treatment liquid to the surface of the base (recording medium), and the manufacturing efficiency decreases with the increase of the number of steps.
  • the present invention is made in view of the above-mentioned present situation, and conductive ink which is excellent in film thickness uniformity and is capable of realizing a conductive film in which the occurrence of a crack is suppressed, and the above-mentioned conductive ink using the above-mentioned conductive ink It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a conductive substrate having a film.
  • the inventors of the present invention suppress the flowability of the conductive ink by blending silver colloidal particles containing silver nanoparticles and a dispersing agent having a predetermined composition and diethylene glycol monoisobutyl ether into the conductive ink. It has been found that the film thickness uniformity of the resulting conductive film is enhanced, and the present invention has been completed.
  • the conductive ink of the present invention contains silver colloid particles, water, and diethylene glycol monoisobutyl ether, and the silver colloid particles have silver nanoparticles, COOH groups and OH groups, and the COOH groups. And a dispersant which is a hydroxy acid or a salt thereof in which the number of H is greater than or equal to the number of OH groups.
  • the conductive ink preferably further contains a glycol ether other than the diethylene glycol monoisobutyl ether.
  • the glycol ether preferably includes at least one compound selected from the group consisting of ethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monoisobutyl ether, ethylene glycol isopropyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, and diethylene glycol monobutyl ether.
  • the conductive ink preferably further contains at least one compound selected from the group consisting of butanol, propanediol, butanediol, pentanediol, ethylene glycol, and glycerin.
  • the method for producing a conductive substrate of the present invention is a method for producing a conductive substrate comprising a substrate and a conductive film disposed on the surface of the substrate, wherein the conductive ink of the present invention is used as the substrate And a baking step of baking the coating film to form the conductive film.
  • the conductive ink of the present invention it is possible to realize a conductive film which is excellent in film thickness uniformity and in which generation of a crack is suppressed.
  • the conductive ink of the present invention is also suitable for application to non-ink-absorbing substrates. Furthermore, according to the conductive ink of the present invention, the decrease in production efficiency is suppressed without increasing the number of steps for applying to the substrate.
  • the method for producing a conductive substrate of the present invention it is possible to produce a conductive substrate having a conductive film (baked product of the conductive ink of the present invention) which is excellent in film thickness uniformity and in which generation of cracks is suppressed. it can.
  • the conductive ink of the present invention contains silver colloid particles, water, and diethylene glycol monoisobutyl ether, and the silver colloid particles have silver nanoparticles, COOH groups and OH groups, and the COOH groups. And a dispersant which is a hydroxy acid or a salt thereof in which the number of H is greater than or equal to the number of OH groups.
  • the flow after being applied (dropped) on the substrate without increasing the viscosity, that is, ensuring the coatability (for example, the dischargeability from the ink jet head) Sex is suppressed. Therefore, the conductive ink of the present invention can be obtained even if it remains in the applied (dropped) position and is fired after being applied on the surface of the non-ink-absorptive substrate. The decrease in film thickness uniformity is suppressed. As a result, generation of cracks in the conductive film is suppressed.
  • the inventors of the present invention have found that the interaction between silver nanoparticles and diethylene glycol monoisobutyl ether is the mechanism by which the flowability of the conductive ink of the present invention is suppressed after application to a substrate. It is thought that it is for strengthening after application of Although the conductive ink of the present invention contains water, the viscosity of the conductive ink itself (in the state before application) is low, but when it is fired after application to a substrate, the water volatilizes , It is considered that the interaction as described above is intensified.
  • the conductive ink of the present invention having the property that the viscosity is appropriately low in the state before coating and the viscosity is suppressed after application to suppress the flowability is extremely useful. ing.
  • conductive ink is synonymous with “conductive paste”.
  • X to Y means “X or more and Y or less”.
  • colloid liquid containing silver colloidal particles As the colloid liquid, various colloid liquids containing a solid content mainly composed of silver colloid particles containing silver nanoparticles and a dispersing agent and a dispersion medium for dispersing the solid content can be used.
  • the form of the silver colloid particles in the colloid liquid is not particularly limited.
  • the form in which the dispersing agent is attached to the surface of the silver nanoparticles the surface is coated with the dispersing agent by using the silver nanoparticles as a core And a form in which the silver and the dispersing agent are uniformly mixed.
  • preferred is a form in which the surface is coated with a dispersant with silver nanoparticles as a core, or a form in which silver and a dispersant are uniformly mixed.
  • Silver colloidal particles having the above-described forms can be appropriately prepared using well-known techniques in the field of the present invention.
  • Silver nanoparticles are excellent in chemical stability. Therefore, according to the conductive ink of the present invention containing such silver colloid particles, a conductive film which is hard to oxidize and hard to reduce volume resistance can be obtained. .
  • the average particle size of the silver colloid particles in the colloid liquid is preferably 1 to 400 nm, more preferably 1 to 70 nm. If the average particle diameter of the silver colloid particles is 1 nm or more, a conductive ink capable of forming a conductive film having excellent conductivity can be obtained, and the cost of manufacturing the silver colloid particles can be suppressed. If the average particle diameter of the silver colloid particles is 400 nm or less, the dispersion stability of the silver colloid particles is unlikely to change with time.
  • the average particle diameter of the silver colloid particles in the colloid liquid can be measured, for example, as a median diameter (D50) based on the particle diameter standard as a volume standard using a dynamic light scattering method (Doppler scattered light analysis). Such measurement can be performed, for example, by a dynamic light scattering particle size distribution measuring apparatus "LB-550" manufactured by Horiba, Ltd.
  • the content of silver colloid particles in the conductive ink of the present invention is preferably 10 to 70% by mass, more preferably 20 to 60% by mass.
  • the content of the silver colloid particles is 10% by mass or more, a conductive ink capable of forming a conductive film having sufficiently high conductivity can be obtained.
  • the content of the silver colloid particles is 70% by mass or less, the viscosity of the conductive ink does not become too high, and the coatability (for example, the ejection property from the ink jet head) is sufficiently ensured.
  • the colloidal solution may contain, in addition to silver nanoparticles, submicron-sized silver submicron particles having a larger average particle size (eg, an average particle size of 1 ⁇ m or less) than silver nanoparticles.
  • the combination of the nanosized silver nanoparticles and the submicron-sized silver submicron particles can provide a good conductive path because the melting point of the silver nanoparticles is lowered around the silver submicron particles.
  • the colloidal solution may be a mixed colloidal solution containing at least one particle of a metal other than silver in addition to silver nanoparticles. When such a mixed colloidal solution is used, migration is less likely to occur in the conductive film formed by the conductive ink of the present invention.
  • metals other than silver metals whose ionization series is nobler than hydrogen are preferable.
  • gold, copper, platinum, palladium, rhodium, iridium, osmium, ruthenium and rhenium are preferable, and gold, copper, platinum and palladium are more preferable. These metals may be used alone or in combination of two or more.
  • silver and other metals may constitute alloy colloid particles, and may constitute colloid particles having a structure such as a core-shell structure or a multilayer structure.
  • Particles of metals other than silver may be nano-sized particles or sub-micron sized particles.
  • grains is a hydroxy acid or its salt which has a COOH group and OH group, and the number of objects of COOH group is more than the number of objects of OH group.
  • a dispersing agent enhances the dispersion stability of the silver colloid particles. Therefore, even if the content of silver nanoparticles in the colloid liquid is increased, the silver colloid particles are less likely to aggregate, and as a result, good dispersibility is maintained.
  • a dispersant when such a dispersant is used, the interaction between diethylene glycol monoisobutyl ether and silver nanoparticles contained in the conductive ink of the present invention is effectively enhanced, and the fluidity of the conductive ink of the present invention Is suppressed after application to the substrate.
  • a conductive ink capable of forming a conductive film having excellent conductivity even when fired at a low temperature of about 100 ° C. can be obtained.
  • the dispersion stability of silver colloid particles is Since it is higher, it is possible to form a conductive film having more excellent conductivity.
  • a dispersant which is a hydroxy acid having COOH group and OH group and the number of COOH group is more than the number of OH group or a salt thereof
  • organics such as citric acid, malic acid, tartaric acid, glycolic acid and the like Acid
  • trisodium citrate, tripotassium citrate, trilithium citrate, disodium malate, disodium tartrate and hydrates of these are preferable.
  • These dispersants may be used alone or in combination of two or more.
  • the content of the dispersant in the silver colloid particle is preferably 0.5 to 30 for a dispersant having a COOH group and an OH group, and the hydroxy acid having the number of COOH groups equal to or more than the number of OH groups or a salt thereof. % By mass, more preferably 1 to 20% by mass, and still more preferably 1 to 10% by mass. When the content of the dispersant is 0.5% by mass or more, the storage stability of the obtained silver colloid particles is sufficiently enhanced. When the content of the dispersant is 30% by mass or less, the conductivity of the conductive ink produced using the obtained silver colloid particles sufficiently increases.
  • the colloid liquid may further contain a reducing agent.
  • the reducing agent is not particularly limited as long as it dissolves in a suitable solvent and exhibits a reducing action, but tannic acid and hydroxy acid are preferably used. These reducing agents may be used alone or in combination of two or more.
  • the tannic acid is not particularly limited as long as it is generally classified (generally referred to) as "tannic acid", and, for example, gallotannic acid, pentaploid tannin and the like are also included.
  • the content of tannic acid is preferably 0.01 to 6 g, more preferably 0.02 to 1.5 g, per 1 g of monovalent silver ion. When the content of tannic acid is less than 0.01 g per 1 g of silver ion, the reduction reaction may be insufficient. If the content of tannic acid is more than 6 g per 1 g of silver ions, tannic acid may be adsorbed excessively and remain in the conductive ink.
  • tannic acid can function also as a dispersing agent, it is a hydroxy acid or its salt which has a COOH group and OH group as above-mentioned, and the number of objects of a COOH group is more than the number of OH groups. Does not apply to
  • the colloid liquid may contain a dispersion medium in which solid content (main component: silver colloid particles) is dispersed.
  • the dispersion medium may dissolve part of the solid content.
  • Such a dispersion medium is not particularly limited as long as the silver colloid particles can be dispersed, but from the viewpoint of suppressing the influence on the environment when producing the conductive ink, water, a water-soluble organic dispersion medium, etc.
  • Aqueous dispersion media are preferably used. These aqueous dispersion media may be used alone or in combination of two or more.
  • a water-soluble organic dispersion medium a water-soluble organic solvent etc. are mentioned, for example.
  • the water-soluble organic dispersion medium is used by mixing with water, it is preferable to use, for example, 75% by volume or less of the water-soluble organic dispersion medium so that the resulting mixture is aqueous.
  • the colloid liquid may further contain a surfactant.
  • a surfactant In a multicomponent solvent-based conductive ink, roughness of the coating film surface and unevenness of solid content are likely to occur due to the difference in evaporation rate at the time of drying.
  • a surfactant when added to the colloid liquid, these disadvantages are suppressed, and a conductive ink capable of forming a uniform conductive film can be obtained.
  • the surfactant is not particularly limited, and examples thereof include anionic surfactants, cationic surfactants, nonionic surfactants and the like. Specific examples of such surfactants include alkyl benzene sulfonates, quaternary ammonium salts and the like. From the viewpoint of obtaining the effect with a small amount, a fluorinated surfactant is preferred.
  • the colloidal liquid preferably has a weight loss of 10% by mass or less at 100 to 500 ° C. when thermogravimetric analysis is performed on a solid content at a temperature rising rate of 10 ° C./min.
  • the weight loss when heated to 500 ° C. may substantially correspond to the content of the organic matter in the solid content.
  • the weight loss is preferably 10% by mass or less.
  • the weight loss is preferably 0.01% by mass or more.
  • the above-mentioned weight loss is more preferably 0.05 to 4.5% by mass.
  • the conductive ink of the present invention contains water.
  • the colloid liquid may contain water as a dispersion medium for dispersing the solid content (main component: silver colloid particles), but in order to adjust the concentration of the conductive ink of the present invention, Water may be added after preparation.
  • the content of water in the conductive ink of the present invention is preferably 20 to 50% by mass, more preferably 25 to 45% by mass. When the water content is 20% by mass or more, the dispersibility of the silver colloid particles is sufficiently maintained. If the content of water is 50% by mass or less, the content of the other components such as silver colloid particles does not become too small relatively, so the viscosity of the conductive ink does not become too low. Handling becomes easy.
  • the conductive ink of the present invention contains diethylene glycol monoisobutyl ether. Thereby, the interaction between the silver nanoparticles and the diethylene glycol monoisobutyl ether works, and the flowability of the conductive ink of the present invention is suppressed after the application to the substrate.
  • the content of diethylene glycol monoisobutyl ether in the conductive ink of the present invention is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 3 to 6% by mass.
  • the content of diethylene glycol monoisobutyl ether is 1% by mass or more, the flowability of the conductive ink is sufficiently suppressed after application to a substrate.
  • the content of diethylene glycol monoisobutyl ether is 10% by mass or less, the viscosity of the conductive ink does not become too high, and the coatability (e.g., the ejection from the ink jet head) is sufficiently ensured.
  • the conductive ink of the present invention preferably further contains a glycol ether other than diethylene glycol monoisobutyl ether.
  • glycol ethers other than diethylene glycol monoisobutyl ether include ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, polyethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol isopropyl ether, diethylene glycol monoisopropyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol mono Butyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monoisobutyl ether, ethylene glycol monohexyl ether, diethylene glycol monohexyl ether, ethylene glycol mono 2-ethylhexyl ether, diethylene glycol mono 2-ethyl hex Ether, ethylene glycol monoallyl ether, polyoxyethylene monoallyl ether, ethylene glycol monophenyl ether, diethylene glycol monophenyl ether, polyoxyalkylene monophenyl ether, ethylene glycol monobenzyl ether, diethylene glycol monomethyl
  • glycol ethers ethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monoisobutyl ether, ethylene glycol isopropyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, and diethylene glycol monobutyl ether are preferable from the viewpoint of obtaining high wettability with a small amount. That is, glycol ethers other than diethylene glycol monoisobutyl ether are at least one compound selected from the group consisting of ethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monoisobutyl ether, ethylene glycol isopropyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, and diethylene glycol monobutyl ether. Is preferred.
  • the content of the glycol ether other than diethylene glycol monoisobutyl ether in the conductive ink of the present invention is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 1 to 5% by mass. If the content of the above-mentioned glycol ether is 0.1% by mass or more, the wettability of the conductive ink is sufficiently enhanced. If the content of the above-mentioned glycol ether is 10% by mass or less, the viscosity of the conductive ink does not become too high and the surface tension does not become too low, and coatability (e.g., dischargeability from an inkjet head) and drawability (In particular, drawability at the time of thin line drawing) is sufficiently enhanced.
  • coatability e.g., dischargeability from an inkjet head
  • drawability In particular, drawability at the time of thin line drawing
  • the conductive ink of the present invention preferably further contains at least one compound selected from the group consisting of butanol, propanediol, butanediol, pentanediol, ethylene glycol and glycerin.
  • the coating property of the conductive ink for example, the discharge property from the ink jet head
  • These compounds function as moisturizers.
  • the butanol is not particularly limited as long as it is generally classified (generally referred to) as “butanol", and includes, for example, 1-butanol, 2-butanol and the like.
  • the propanediol is not particularly limited as long as it is generally classified (generally referred to) as "propanediol", and, for example, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol and the like are also included.
  • the butanediol is not particularly limited as long as it is generally classified (generally referred to) as "butanediol", and, for example, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol and the like are also included.
  • pentanediol is not particularly limited as long as it is generally classified (generally referred to) as "pentanediol", and, for example, 1,2-pentanediol, 1,5-pentanediol and the like are also included.
  • the content of the conductive ink of the present invention is preferably 5 or more for at least one compound (humectant) selected from the group consisting of butanol, propanediol, butanediol, pentanediol, ethylene glycol, and glycerin.
  • the content is about 35% by mass, more preferably 10 to 30% by mass.
  • the content of the above-described compound (humectant) is 35% by mass or less, the viscosity of the conductive ink does not become too high, and the coatability (e.g., the ejection from the ink jet head) is sufficiently ensured.
  • the viscosity at 25 ° C. of the conductive ink of the present invention is preferably 1 to 30 cP.
  • the coatability for example, the ejection from the inkjet head
  • the viscosity at 25 ° C. of the conductive ink can be measured, for example, by a vibration viscometer “VM-10A” manufactured by Seconik Corporation.
  • the surface tension at 25 ° C. of the conductive ink of the present invention is preferably 20 to 40 mN / m. If the surface tension of the conductive ink at 25 ° C. is 20 mN / m or more, the wettability of the conductive ink to the substrate is not too high, and the drawability (in particular, the drawability at the time of thin line drawing) is sufficiently ensured Be done. When the surface tension at 25 ° C. of the conductive ink is 40 mN / m or less, the wettability of the conductive ink to the substrate is not too low, and defects such as breakage of the coating film pattern can be sufficiently prevented.
  • the surface tension of the conductive ink can be measured, for example, by a surface tension meter “CBVP-Z” manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.
  • the contact angle (static contact angle) of the conductive ink of the present invention is preferably 15 to 40 ° with respect to the surface of the substrate to be applied when producing the conductive substrate. If the contact angle of the conductive ink is 15 ° or more, the wettability of the conductive ink to the substrate is not too high, and the drawability (in particular, the drawability at the time of thin line drawing) is sufficiently ensured. If the contact angle of the conductive ink is 40 ° or less, the wettability of the conductive ink to the substrate is not too low, and problems such as breakage of the coating film pattern can be sufficiently prevented.
  • the contact angle of the conductive ink can be measured, for example, with a contact angle meter “DropMaster DM-300” manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., in a state where a predetermined amount of conductive ink is dropped on the surface of the substrate.
  • the method for producing the conductive ink of the present invention is not particularly limited, and the following method may, for example, be mentioned.
  • a colloidal solution containing solid components based on silver colloid particles containing silver nanoparticles and a dispersant is prepared.
  • the conductivity of the present invention can be obtained by mixing the obtained colloid solution, water (which may be contained in the colloid solution), diethylene glycol monoisobutyl ether, and the optional components described above as required. Ink is obtained.
  • the method for preparing the colloidal solution is not particularly limited, but for example, there is a method of preparing a solution of silver colloidal particles and then washing the solution.
  • a dispersing agent may be used to reduce a silver salt (or silver ion) dispersed in a dispersion medium.
  • a procedure based on a chemical reduction method may be adopted as a reduction procedure of silver salts. That is, a solution of silver colloidal particles can be prepared by reducing an aqueous solution containing silver salt (or a hydrate thereof) constituting silver nanoparticles, a dispersant and a dispersion medium. This reduction causes the dispersant to be present (eg, adhere, coat, etc.) on at least a portion of the surface of the silver nanoparticles.
  • an aqueous dispersion medium such as water or a water-soluble organic dispersion medium is preferably used. These aqueous dispersion media may be used alone or in combination of two or more. In the raw material aqueous solution, some components may be dispersed without being dissolved.
  • known reducible silver salts can be used, and examples thereof include silver nitrate, silver sulfate, silver chloride, silver oxide, silver acetate, silver nitrite and the like. And silver salts (or hydrates thereof) such as silver chlorate and silver sulfide. These silver salts (or their hydrates) may be used alone or in combination of two or more. Also, these silver salts (or their hydrates) may be used in the state of being dissolved in an appropriate solvent, or may be used in the state of being dispersed in the solvent.
  • the method of reducing the silver salt (or the hydrate thereof) in the raw material aqueous solution is not particularly limited.
  • a method using a reducing agent, light (eg, ultraviolet light), electron beam, ultrasonic wave, heat, etc. is added Methods etc.
  • the method of using a reducing agent is preferable from the viewpoint of easiness.
  • the reducing agent is not particularly limited as long as it can be dissolved in a dispersion medium and can reduce a silver salt (or a hydrate thereof).
  • a silver salt or a hydrate thereof.
  • Amine compounds hydrogen compounds such as sodium borohydride, hydrogen iodide and hydrogen gas; oxides such as carbon monoxide and sulfite; ferrous sulfate, iron oxide, iron folate, iron lactate, iron lactate, iron oxalate, sulfide
  • Low valence metal salts such as iron, tin acetate, tin chloride, tin diphosphate, tin oxalate, tin oxide, tin sulfate; formaldehyde, hydroquinone, pyrogallol, tannin, tannic acid, tannic acid, hydroxy acid, salicylic acid, D-glucose, etc.
  • These reducing agents may be used alone or in combination of two or more. When these reducing agents are used, at least one of light and heat may be added to promote the reduction reaction.
  • a method of preparing a solution of silver colloid particles by reducing a raw material aqueous solution with a reducing agent for example, the following method may be mentioned.
  • a silver salt (or its hydrate) is dissolved in pure water or the like (dispersion medium) to prepare a silver salt solution.
  • the silver salt solution is gradually dropped into an aqueous solution in which the dispersing agent and the reducing agent are dissolved to prepare a solution of silver colloid particles.
  • the desired colloidal solution can be obtained by washing the solution to remove excess electrolyte.
  • washing the solution of silver colloid particles for example, after the resulting solution is allowed to stand for a fixed period to remove the supernatant, pure water is added and stirred, and the mixture is allowed to stand for a fixed period to remove the supernatant There is a method of repeating the process several times.
  • a washing method for example, a method of performing centrifugation instead of the above-mentioned standing, a method of desalting with an ultrafiltration device, an ion exchange device or the like can be mentioned. Among them, the method of desalting is preferable.
  • the desalted solution may be concentrated as appropriate.
  • the content of silver colloid particles in the colloid solution is preferably 1 to 70% by mass, more preferably 10 to 65% by mass.
  • the content of the silver colloidal particles is 1% by mass or more, silver nanoparticles in an amount capable of realizing a conductive film having sufficient conductivity are secured in the conductive ink.
  • the content of the silver colloid particles is 70% by mass or less, the viscosity of the colloid liquid does not become too high and handling becomes easy.
  • Conductive substrate As a conductive substrate formed using the conductive ink of the present invention, for example, a base material, and a conductive film which is disposed on the surface of the base material and which is a fired product of the conductive ink of the present invention Conductive substrates.
  • non-ink-absorbing materials may be used, and materials excellent in heat resistance are preferably used.
  • non-ink-absorbing material include polycarbonate (PC), ABS, AS, polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyamide (PA), polyacetal (POM), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene terephthalate (PET) ), Polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA), polyphenyleneether (PPE), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), polyamideimide ( PAI), resins such as polyether imide (PEI), polyimide (PI), polyvinyl chloride (PVC) and the like (emplar, super engineering plastic) can be mentioned.
  • PC polycarbonate
  • ABS AS
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PA polyacetal
  • PBT polybutylene terephthal
  • the non-ink-absorptive material means a material having no structure having an ink receiving function.
  • the conductive ink of the present invention even when it is applied on the surface of the non-ink-absorptive substrate, its uneven distribution is suppressed, and the film thickness uniformity of the conductive film obtained by baking later Decrease in sex is suppressed.
  • a conductive film having excellent conductivity can be formed even when baked at a low temperature (for example, about 100 ° C.). Therefore, in the temperature range higher than the low baking temperature, It is also possible to use a substrate having a lower heat resistance temperature than in the past.
  • the conductive ink of the present invention it is possible to form a conductive film excellent in adhesion to various substrates.
  • a surface layer may be provided on the surface of the substrate for the purpose of further enhancing the adhesion to the conductive film, or surface treatment such as hydrophilization treatment may be performed.
  • Examples of the conductive substrate formed using the conductive ink of the present invention include an electronic circuit substrate (for example, a semiconductor integrated circuit), a printed wiring substrate, a thin film transistor substrate and the like.
  • the conductive film in the conductive substrate corresponds to the wiring, the electrode, and the like of the substrate exemplified above.
  • the method for producing a conductive substrate of the present invention is a method for producing a conductive substrate comprising a substrate and a conductive film disposed on the surface of the substrate, wherein the conductive ink of the present invention is used as the substrate And a baking step of baking the coating film to form the conductive film.
  • the conductive ink of the present invention is coated on the surface of a substrate to form a coating.
  • the term "application” is a concept including the case where the conductive ink is applied in a planar manner and the case where the conductive ink is applied (drawn) in a linear manner.
  • the shape of the coating film (conductive film) may be planar, linear, or a combination of these.
  • the coating film (conductive film) may be a continuous pattern, a discontinuous pattern, or a combination of these.
  • the method for applying the conductive ink of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include inkjet printing, screen printing, letterpress printing, intaglio printing, reverse printing, microcontact printing, dipping, spraying, and the like.
  • a bar coat method, a spin coat method, a dispenser method, a casting method, a flexo method, a gravure method, a syringe method, a coating method by brushing, and the like can be mentioned.
  • the coating film of the conductive ink of the present invention formed in the coating step is fired by heating to form a conductive film. According to this firing step, bonding between silver nanoparticles (silver colloid particles) in the conductive ink of the present invention is enhanced and sintered.
  • the baking temperature of the coating film is preferably 150 ° C. or less, more preferably 120 ° C. or less, and still more preferably 100 ° C. or less. According to the conductive ink of the present invention, it is possible to form a conductive film having excellent conductivity even when baking is performed at a temperature of 150 ° C. or less.
  • the lower limit value of the firing temperature is not necessarily limited, and it is a temperature at which a conductive film can be formed on the surface of a substrate, and water can be evaporated within a range that does not impair the effects of the present invention It is preferable that it is a temperature which may remain but is preferably completely removed.
  • the baking time of the coating film is not particularly limited, and can be appropriately set according to the baking temperature.
  • a conductive film excellent in conductivity can be formed even when baked at a low temperature (for example, about 100 ° C.). A film can be formed.
  • the substrate may be subjected to surface treatment for the purpose of further enhancing the adhesion between the substrate and the conductive film.
  • surface treatment for example, a method of performing dry treatment such as corona treatment, plasma treatment, UV treatment, electron beam treatment, a method of providing a primer layer, a conductive ink receiving layer, etc. in advance on the surface of a substrate, etc. It can be mentioned.
  • the film thickness of the conductive film obtained by the method for producing a conductive substrate of the present invention is, for example, 0.1 to 5 ⁇ m, preferably 0.2 to 3 ⁇ m.
  • the volume resistivity of the conductive film obtained by the method for producing a conductive substrate of the present invention is preferably 1.1 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ ⁇ cm or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ ⁇ cm or less, and further preferably Preferably, it is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm or less.
  • the colloid liquid used in producing the conductive ink was as follows.
  • Silver Colloidal Solution A 17 g of trisodium citrate dihydrate and 0.36 g of tannic acid were dissolved in 50 mL of water made alkaline by the addition of 3 mL of 10 N aqueous NaOH solution. Then, 3 mL of an aqueous solution containing 2 g of silver nitrate was added while stirring the obtained aqueous solution at room temperature (25 ° C.) to prepare an aqueous solution of silver colloidal particles. Next, with respect to the obtained aqueous solution of silver colloid particles, desalting was repeated using a ultrafiltration device until the conductivity of the filtrate became 30 ⁇ S / cm or less. After that, the resultant filtrate was centrifuged for 10 minutes to separate the lower layer precipitate and the upper layer dispersion. Then, the upper layer dispersion was collected as a silver colloid aqueous solution A.
  • the average particle size of the silver colloid particles in the silver colloid aqueous solution A was 27 nm.
  • the average particle size of the silver colloid particles was measured by the following method. First, several drops of silver colloid aqueous solution A were dropped in 10 mL of pure water and dispersed by shaking by hand to prepare a measurement sample. Next, 3 mL of the measurement sample was put into the cell of a dynamic light scattering particle size distribution analyzer “LB-550” manufactured by Horiba, Ltd., and the median diameter (D50) was measured under the following conditions.
  • ⁇ Measurement conditions Number of data readings: 100 times Cell holder internal temperature: 25 ° C ⁇ Display condition> Type of distribution: Standard number of repetitions: 50 times Particle size standard: Volume based dispersoid refractive index: 0.200 to 3.900 (silver) Refractive index of dispersion medium: 1.33 (water) ⁇ System condition> Strength criteria: Dynamic Scattering intensity range upper limit: 10000.00 Scattering intensity range lower limit: 1.00
  • the content of silver colloid particles in the aqueous silver colloid solution A was 58% by mass as measured by the dry weight method.
  • a trisodium citrate dihydrate corresponding to a hydroxy acid having a COOH group and an OH group and the number of COOH groups being equal to or more than the number of OH groups is a dispersant.
  • the content was 2% by mass.
  • Silver Colloidal Solution B First, 2 mL of an aqueous 10 N NaOH solution was added to a tannic acid solution in which 0.5 g of tannic acid was dissolved in 100 mL of ion-exchanged water. Then, 2 mL of an aqueous solution containing 1 g of silver nitrate was added while stirring the obtained aqueous solution at room temperature (25 ° C.) to prepare an aqueous solution of silver colloidal particles. Next, with respect to the obtained aqueous solution of silver colloid particles, desalting was repeated using a ultrafiltration device until the conductivity of the filtrate became 30 ⁇ S / cm or less. After that, the resultant filtrate was centrifuged for 10 minutes to separate the lower layer precipitate and the upper layer dispersion. Then, the upper layer dispersion was collected as a silver colloid aqueous solution B.
  • the average particle diameter of the silver colloid particles in the silver colloid aqueous solution B was 27 nm.
  • the content of silver colloid particles in the aqueous silver colloid solution B was 58% by mass as measured by the dry weight method.
  • the silver colloid particles contained tannic acid as a dispersant, and the content thereof was 7% by mass.
  • tannic acid did not correspond to a hydroxy acid having a COOH group and an OH group and the number of COOH groups being equal to or more than the number of OH groups or a salt thereof.
  • Example 1 The conductivity of Example 1 was obtained by mixing 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution A, 6 parts by mass of water, 5 parts by mass of diethylene glycol monoisobutyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol and 10 parts by mass of glycerin. The ink was manufactured.
  • Example 2 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution A, 5 parts by mass of water, 4 parts by mass of diethylene glycol monoisobutyl ether, 2 parts by mass of ethylene glycol monomethyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol, and 10 parts by mass of glycerin Then, the conductive ink of Example 2 was manufactured.
  • Example 3 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution A, 5 parts by mass of water, 4 parts by mass of diethylene glycol monoisobutyl ether, 2 parts by mass of ethylene glycol monobutyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol and 10 parts by mass of glycerin Then, the conductive ink of Example 3 was manufactured.
  • Example 4 A conductive ink of Example 4 was produced by mixing 74 parts by mass of a silver colloid aqueous solution A, 3 parts by mass of diethylene glycol monoisobutyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol and 13 parts by mass of glycerin.
  • Example 5 Silver colloid aqueous solution A 64 parts by weight, 8 parts by weight of water, 6 parts by weight of diethylene glycol monoisobutyl ether, 2 parts by weight of ethylene glycol monobutyl ether, 10 parts by weight of 1,3-propanediol, and 10 parts by weight of glycerin Then, the conductive ink of Example 5 was manufactured.
  • Comparative example 1 A conductive ink of Comparative Example 1 was manufactured by mixing 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution A, 11 parts by mass of water, 10 parts by mass of 1,3-propanediol, and 10 parts by mass of glycerin.
  • Comparative example 2 The conductivity of Comparative Example 2 is obtained by mixing 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution A, 6 parts by mass of water, 5 parts by mass of ethylene glycol monobutyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol and 10 parts by mass of glycerin. The ink was manufactured.
  • Comparative example 3 The conductivity of Comparative Example 3 is obtained by mixing 69 parts by mass of silver colloid aqueous solution B, 6 parts by mass of water, 5 parts by mass of diethylene glycol monoisobutyl ether, 10 parts by mass of 1,3-propanediol and 10 parts by mass of glycerin. The ink was manufactured.
  • the conductive ink of each example was applied onto the surface of a substrate made of polycarbonate (PC) to form a coating.
  • the conductive ink was applied using an inkjet printer “Dimatix DMP-2831” manufactured by Fujifilm Corp. and a cartridge “DMC-11610” (ink droplets: 10 pL).
  • the formed coating film was baked using a gear oven to form a conductive film.
  • the firing conditions (firing temperature and firing time) of each example were set as shown in Tables 1 and 2.
  • Viscosity The viscosity of the conductive ink at 25 ° C. was measured using a vibration viscometer “VM-10A” manufactured by Seconik Corporation.
  • the judgment criteria were as follows. Good: The maximum value of the film thickness ratio of the conductive films 1 to 4 was 1.5 or less. B: The maximum value of the film thickness ratio of the conductive films 1 to 4 was more than 1.5 and not more than 2.0. X: The maximum value of the film thickness ratio of the conductive films 1 to 4 was larger than 2.0.
  • a conductive ink was used to form a coating film by drawing the following rectangular patterns 1 and 2 in addition to the linear patterns 1 to 4 described above.
  • ⁇ Right angle pattern 1> A linear pattern of 10 mm in length was drawn in a direction parallel to the scanning direction of the inkjet head, and a linear pattern of 10 mm in length was drawn in a direction perpendicular to the scanning direction of the inkjet head from the end point.
  • the line width was 250 ⁇ m.
  • ⁇ Right angle pattern 2> A linear pattern of 10 mm in length was drawn in a direction parallel to the scanning direction of the inkjet head, and a linear pattern of 10 mm in length was drawn in a direction perpendicular to the scanning direction of the inkjet head from the end point.
  • the line width was 500 ⁇ m.
  • the conductive films 1 to 4 obtained by baking the coating films of the linear patterns 1 to 4 (baking conditions: Table 1, 2) and the coating films of the rectangular patterns 1 and 2 are baked (baking conditions: table)
  • the number of cracks (the total number of cracks in the conductive films 1 to 6) was counted using the laser microscope “VK-X150” manufactured by KEYENCE for the conductive films 5 and 6 obtained by .
  • the judgment criteria were as follows.
  • Adhesion Cellotape (registered trademark) was attached to the conductive films 1 to 4 used in the evaluation of the film thickness uniformity and the crack resistance described above, and then peeled off. Thereafter, the degree of peeling of the conductive films 1 to 4 from the base material was visually observed. The judgment criteria were as follows. ⁇ : The conductive films 1 to 4 were not peeled at all. ⁇ : A part (10% or less of the whole) of the conductive films having the worst peeling degree among the conductive films 1 to 4 was peeled. X: Of the conductive films 1 to 4, in the conductive film having the worst degree of peeling, most (a range wider than 10% of the whole) was peeled.
  • a coating was formed by drawing three linear patterns of 20 mm in length and 1 mm in line width with a conductive ink. Then, with respect to the three conductive films obtained by firing the coating films of these three linear patterns (firing conditions: Tables 1 and 2), the respective volume resistance values are calculated by the following formula (B), and these The average value of was calculated.
  • the resistance value of the conductive film was measured using a digital tester “SK-6511” manufactured by KAISE CO., LTD.
  • the film thickness of the conductive film was measured using a laser microscope "VK-X150" manufactured by KEYENCE Corporation.
  • volume resistance ( ⁇ ⁇ cm) “resistance ( ⁇ )” ⁇ “line width (cm)” ⁇ “film thickness (cm)” / “distance between terminals when measuring resistance (cm)” (B )
  • the judgment criteria were as follows. ⁇ : The average value of the volume resistance value was 5.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm or less. ⁇ : The average value of the volume resistance value was larger than 5.0 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ ⁇ cm and not more than 5.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ ⁇ cm. X: The average value of the volume resistance was larger than 5.0 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ ⁇ cm. -: The linear pattern could not be drawn and the volume resistance could not be measured.
  • Example 1 to 5 the film thickness uniformity and the crack resistance were excellent. Further, in Examples 1 to 5, in addition to the film thickness uniformity and the crack resistance, the adhesion, the conductivity and the drawability were also good, and the comprehensive evaluation was excellent. In particular, in Examples 2, 3 and 5, in addition to diethylene glycol monoisobutyl ether, other glycol ethers were also blended, and therefore the drawability was higher than in Examples 1 and 4.
  • Comparative Example 1 since diethylene glycol monoisobutyl ether was not blended, the film thickness uniformity and the crack resistance were low. In addition, in Comparative Example 1, since the glycol ether other than diethylene glycol monoisobutyl ether was not blended, the drawability was also low.
  • Comparative Example 3 the dispersant having the COOH group and the OH group and the hydroxy acid having the number of COOH groups equal to or more than the number of the OH groups or the salt thereof is not blended. Crackability and conductivity were low. Moreover, in the comparative example 3, although diethylene glycol monoisobutyl ether was mix

Abstract

本発明は、膜厚均一性に優れ、クラックの発生が抑制された導電膜を実現可能な導電性インクを提供する。本発明の導電性インクは、銀コロイド粒子と、水と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとを含有し、上記銀コロイド粒子は、銀ナノ粒子と、COOH基及びOH基を有し、かつ、上記COOH基の個数が上記OH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤とを含む導電性インクであり、好ましくは、上記ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルを更に含有する。

Description

導電性インク及び導電性基板の製造方法
本発明は、導電性インク及び導電性基板の製造方法に関する。
電子回路等の配線パターンを形成する方法として、例えば、基板の全面にスパッタ、蒸着等によって金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィー法で不要な部分をエッチングして必要な導電膜パターンを形成する方法が従来から用いられている。しかしながら、このような方法においては、工程が煩雑であることに加えて、高価な真空装置を用いる必要がある。そのため、より簡便で安価な配線パターンの形成方法が求められており、近年では、例えば、凸版印刷法、凹版印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法等の印刷法を用いて導電膜パターンを形成する方法が検討されている。また、より高精細な導電膜パターンを形成する方法として、例えば、反転印刷法、マイクロコンタクト印刷法等の印刷法を用いる方法が検討されている。これらの検討においては、各種の印刷法に適した導電性インクの開発も合わせて行われている。
特許文献1では、金属成分と有機成分とからなる金属コロイド粒子を主成分とする固形分と、溶媒とからなり、かつ、下記の特徴を有する導電性インクが開示されている。
・溶媒は、水、及び、1~40重量%の多価アルコール類化合物を含む。
・多価アルコール類化合物は、重量平均分子量が600~1000であるポリエチレングリコール、及び/又は、炭素数が4~6であり、かつ、水酸基の数が2~3である多価アルコールである。
特許文献2では、記録媒体にインクジェットヘッドを用いて第1層目の塗膜を形成し、第1層目の塗膜上にインクジェットヘッドを用いて多層的に塗膜を形成する際に、下層に形成した塗膜のインクの塗布量よりも少ない量のインクを、各層毎にインクの塗膜周辺部が互いに接触しないように分割して塗布した後、乾燥することを特徴とするインクジェット印刷方法が開示されている。
特許文献3では、インクを凝集させる機能を有する処理液を記録媒体に付与する処理液付与工程と、処理液が付与された記録媒体の表面に存在する溶媒量を特定するとともに、記録媒体の表面に存在する溶媒を蒸発させるための加熱条件を決める第1の加熱条件決定工程と、第1の加熱条件決定工程によって決められた加熱条件に基づき、記録媒体の表面に存在する溶媒を蒸発させるように記録媒体の表面を輻射加熱する第1の加熱工程と、記録媒体への溶媒の浸透量が、記録媒体のコックリング量が所定量以下となる溶媒の記録媒体に対する浸透量しきい値以下となるように加熱条件を決める第2の加熱条件決定工程と、第2の加熱条件決定工程によって決められた加熱条件に基づき、記録媒体を加熱する第2の加熱工程と、第1の加熱工程及び第2の加熱工程による加熱処理が施された後の記録媒体にインクを打滴する打滴工程とを含むことを特徴とする画像記録方法が開示されている。
特開2008-214591号公報 特開2015-196132号公報 特開2010-5816号公報
上述したようなインクジェット印刷法等の印刷法によって導電膜パターンを形成する場合、通常は、導電性インクを基材の表面上にパターン化して塗布する。しかしながら、導電性インクを、例えば、インク非吸収性の基材の表面上に塗布する場合、基材に対する導電性インクの濡れ性が不充分であると、導電性インクが偏在し、その塗膜を焼成して得られる導電膜の膜厚均一性が低下する、例えば、導電膜の膜厚が設計値に対して大きくなる箇所が部分的に発生することがあった。このように、導電膜の膜厚が大きい箇所が存在すると、クラックの発生につながることがあった。
特許文献1では、低い加熱温度によっても高い導電性を有する被膜が得られ、描画前の乾燥による変質が起こりにくく、耐レベリング性に優れた導電性インクが実現されると記載されている。しかしながら、この導電性インクを、特に、インク非吸収性の基材の表面上に塗布する場合、低抵抗化を目指して膜厚を大きくするために導電性インクの塗布量を増やすと、上述したように、導電膜(被膜)の膜厚均一性が低下してしまうため、改善の余地があった。
特許文献2では、導電膜の膜厚均一性を向上することを目的として、インクの塗布及び乾燥を段階的に繰り返す方法が記載されている。しかしながら、この方法では、導電膜の膜厚均一性が充分ではなく、更に、工程数の増加に伴って製造効率が低下してしまうため、改善の余地があった。
特許文献3では、導電膜の膜厚均一性を向上することを目的として、インクを凝集させる機能を有する処理液を、下地(記録媒体)に塗布する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、導電膜の膜厚均一性が充分ではない点と、下地(記録媒体)の表面に処理液を塗布する必要があり、工程数の増加に伴って製造効率が低下する点と、使用可能な下地(記録媒体)に制約がある点とにおいて、改善の余地があった。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、膜厚均一性に優れ、クラックの発生が抑制された導電膜を実現可能な導電性インクと、上記導電性インクを用いた、上記導電膜を有する導電性基板の製造方法とを提供することを目的とするものである。
本発明者らは、銀ナノ粒子及び所定の組成を有する分散剤を含む銀コロイド粒子と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとを導電性インクに配合することによって、導電性インクの流動性が抑制され、得られる導電膜の膜厚均一性が高まることを見出し、本発明を完成した。
本発明の導電性インクは、銀コロイド粒子と、水と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとを含有し、上記銀コロイド粒子は、銀ナノ粒子と、COOH基及びOH基を有し、かつ、上記COOH基の個数が上記OH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤とを含むことを特徴とする。
上記導電性インクは、上記ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルを更に含有することが好ましい。
上記グリコールエーテルは、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、及び、ジエチレングリコールモノブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。
上記導電性インクは、ブタノール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、エチレングリコール、及び、グリセリンからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を更に含有することが好ましい。
本発明の導電性基板の製造方法は、基材と、上記基材の表面上に配置される導電膜とを備える導電性基板の製造方法であって、本発明の導電性インクを上記基材の表面上に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、上記塗膜を焼成して上記導電膜を形成する焼成工程とを含むことを特徴とする。
本発明の導電性インクによれば、膜厚均一性に優れ、クラックの発生が抑制された導電膜を実現可能である。また、本発明の導電性インクは、インク非吸収性の基材への塗布にも適している。更に、本発明の導電性インクによれば、基材へ塗布する際の工程数が増加することなく、製造効率の低下が抑制される。
本発明の導電性基板の製造方法によれば、膜厚均一性に優れ、クラックの発生が抑制された導電膜(本発明の導電性インクの焼成物)を有する導電性基板を製造することができる。
[導電性インク]
本発明の導電性インクは、銀コロイド粒子と、水と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとを含有し、上記銀コロイド粒子は、銀ナノ粒子と、COOH基及びOH基を有し、かつ、上記COOH基の個数が上記OH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤とを含むことを特徴とする。
本発明の導電性インクによれば、粘度を高くすることなく、つまり、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)を確保しつつ、基材に塗布された(着滴した)後の流動性が抑制される。そのため、本発明の導電性インクは、塗布された(着滴した)位置に留まり、インク非吸収性の基材の表面上に塗布された後に焼成される場合であっても、得られる導電膜の膜厚均一性の低下が抑制される。その結果、導電膜のクラックの発生が抑制される。
本発明者らは、本発明の導電性インクの流動性が基材への塗布後に抑制されるメカニズムについて、銀ナノ粒子とジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとの間の相互作用が、本発明の導電性インクの塗布後に強まるためであると考えている。本発明の導電性インクは、水を含有しているためにそれ自体(塗布前の状態)の粘度が低いものの、基材への塗布後に焼成された状態では、水が揮発することに伴って、上述したような相互作用が強まると考えられる。
これに対して、導電性インクの流動性を抑制するための手段としては、例えば、導電性インクに高粘度物質を添加することも考えられるが、導電性インク自体(塗布前の状態)の粘度が高くなるため、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が低下してしまう。また、基材に対する導電性インクの濡れ性を高めることも、導電性インクの流動性を塗布後に抑制する手段として考えられるが、導電性インクの濡れ性が高くなり過ぎると、細線描画(細線印刷)が困難となってしまう。以上の観点から、本発明者らは、塗布前の状態では粘度が適度に低く、塗布後に増粘して流動性が抑制される性質を有する本発明の導電性インクが極めて有用であると考えている。
本発明の導電性インクの構成成分について、以下に説明する。以下では、本発明の導電性インクが、銀コロイド粒子を含有するコロイド液を用いて調製される場合について説明する。なお、本明細書中、「導電性インク」とは、「導電性ペースト」と同義である。
本明細書中、「X~Y」は、「X以上、Y以下」を意味する。
(銀コロイド粒子を含有するコロイド液)
コロイド液としては、銀ナノ粒子及び分散剤を含む銀コロイド粒子を主成分とする固形分と、固形分を分散する分散媒とを含有する、種々のコロイド液を用いることができる。
コロイド液中の銀コロイド粒子の形態としては、特に限定されず、例えば、銀ナノ粒子の表面に分散剤が付着している形態、銀ナノ粒子をコアとして、その表面が分散剤で被覆されている形態、銀及び分散剤が均一に混合されて構成されている形態等が挙げられる。中でも、銀ナノ粒子をコアとして、その表面が分散剤で被覆されている形態、又は、銀及び分散剤が均一に混合されて構成されている形態が好ましい。上述した各形態を有する銀コロイド粒子は、本発明の分野における周知技術を用いて適宜調製可能である。銀ナノ粒子は化学的な安定性に優れているため、このような銀コロイド粒子を含有する本発明の導電性インクによれば、酸化しにくく、体積抵抗値が低下しにくい導電膜が得られる。
コロイド液中の銀コロイド粒子の平均粒径は、好ましくは1~400nm、より好ましくは1~70nmである。銀コロイド粒子の平均粒径が1nm以上であれば、導電性に優れた導電膜を形成可能な導電性インクが得られ、銀コロイド粒子の製造に係るコストが抑えられる。銀コロイド粒子の平均粒径が400nm以下であれば、銀コロイド粒子の分散安定性が経時的に変化しにくくなる。
コロイド液中の銀コロイド粒子の平均粒径は、例えば、動的光散乱法(ドップラー散乱光解析)を用いて、粒径基準を体積基準としたメジアン径(D50)として測定可能である。このような測定は、例えば、堀場製作所社製の動的光散乱式粒径分布測定装置「LB-550」により行うことができる。
本発明の導電性インク中の銀コロイド粒子の含有量は、好ましくは10~70質量%、より好ましくは20~60質量%である。銀コロイド粒子の含有量が10質量%以上であれば、導電性が充分に高い導電膜を形成可能な導電性インクが得られる。銀コロイド粒子の含有量が70質量%以下であれば、導電性インクの粘度が高くなり過ぎず、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が充分に確保される。
コロイド液は、銀ナノ粒子に加えて、銀ナノ粒子よりも平均粒径が大きい(例えば、平均粒径が1μm以下)サブミクロンサイズの銀サブミクロン粒子を含有していてもよい。ナノサイズの銀ナノ粒子とサブミクロンサイズの銀サブミクロン粒子とを併用することで、銀ナノ粒子が銀サブミクロン粒子の周囲で融点降下するため、良好な導電パスが得られる。
コロイド液は、銀ナノ粒子に加えて、銀以外の金属の粒子を少なくとも1種含有する混合コロイド液であってもよい。このような混合コロイド液を用いれば、本発明の導電性インクによって形成される導電膜においてマイグレーションが発生しにくくなる。銀以外の金属としては、イオン化列が水素より貴である金属が好ましい。イオン化列が水素より貴である金属としては、金、銅、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムが好ましく、金、銅、白金、パラジウムがより好ましい。これらの金属は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。コロイド液が混合コロイド液である場合、銀及びその他の金属は、合金コロイド粒子を構成してもよく、コア-シェル構造、多層構造等の構造を有するコロイド粒子を構成してもよい。銀以外の金属の粒子は、ナノサイズの粒子であってもよいし、サブミクロンサイズの粒子であってもよい。
銀コロイド粒子を構成する分散剤は、COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である。このような分散剤によれば、銀コロイド粒子の分散安定性が高まる。そのため、コロイド液中の銀ナノ粒子の含有量を増加させても、銀コロイド粒子が凝集しにくく、その結果、良好な分散性が保たれる。よって、このような分散剤を用いれば、本発明の導電性インクに含有されるジエチレングリコールモノイソブチルエーテルと銀ナノ粒子との間の相互作用が効果的に強まり、本発明の導電性インクの流動性が基材への塗布後に抑制される。また、このような分散剤によれば、100℃程度の低温で焼成しても導電性に優れた導電膜を形成可能な導電性インクが得られる。特に、COOH基及びOH基を合わせて3個以上有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩を分散剤として用いると、銀コロイド粒子の分散安定性がより高まるため、より優れた導電性を有する導電膜を形成可能である。
COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤としては、例えば、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、グリコール酸等の有機酸;クエン酸三ナトリウム、クエン酸三カリウム、クエン酸三リチウム、クエン酸一カリウム、クエン酸水素二ナトリウム、クエン酸二水素カリウム、リンゴ酸二ナトリウム、酒石酸二ナトリウム、酒石酸カリウム、酒石酸ナトリウムカリウム、酒石酸水素カリウム、酒石酸水素ナトリウム、グリコール酸ナトリウム等のイオン性化合物;これらの水和物等が挙げられる。中でも、クエン酸三ナトリウム、クエン酸三カリウム、クエン酸三リチウム、リンゴ酸二ナトリウム、酒石酸二ナトリウム、これらの水和物が好ましい。これらの分散剤は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。
COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤について、銀コロイド粒子中の含有量は、好ましくは0.5~30質量%、より好ましくは1~20質量%、更に好ましくは1~10質量%である。分散剤の含有量が0.5質量%以上であれば、得られる銀コロイド粒子の貯蔵安定性が充分に高まる。分散剤の含有量が30質量%以下であれば、得られる銀コロイド粒子を用いて製造される導電性インクの導電性が充分に高まる。
コロイド液は、還元剤を更に含有していてもよい。還元剤としては、適当な溶媒中に溶解して還元作用を示すものであれば特に限定されないが、タンニン酸、ヒドロキシ酸が好ましく用いられる。これらの還元剤は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。
タンニン酸としては、「タンニン酸」に一般的に分類される(総称される)ものであれば特に限定されず、例えば、ガロタンニン酸、五倍子タンニン等も含まれる。タンニン酸の含有量は、1価の銀イオン1g当たり、好ましくは0.01~6g、より好ましくは0.02~1.5gである。タンニン酸の含有量が銀イオン1g当たり0.01gよりも少ない場合、還元反応が不充分となることがある。タンニン酸の含有量が銀イオン1g当たり6gよりも多い場合、タンニン酸が過剰に吸着して導電性インク中に残存することがある。なお、タンニン酸は、分散剤としても機能することができるが、上述したような、COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩には該当しないものである。
コロイド液は、固形分(主成分:銀コロイド粒子)を分散する分散媒を含有していてもよい。分散媒は、固形分の一部を溶解するものであってもよい。このような分散媒としては、銀コロイド粒子を分散可能なものであれば特に限定されないが、導電性インクを製造する際の環境に対する影響を抑制する観点からは、水、水溶性有機分散媒等の水性分散媒が好ましく用いられる。これらの水性分散媒は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。
水溶性有機分散媒としては、例えば、水溶性有機溶剤等が挙げられる。水溶性有機分散媒を水と混合して用いる場合、得られる混合物が水性となるように、例えば、75体積%以下の水溶性有機分散媒を用いることが好ましい。
コロイド液は、界面活性剤を更に含有していてもよい。多成分溶媒系の導電性インクにおいては、乾燥時の揮発速度の違いによって、塗膜表面の荒れ及び固形分の偏りが発生しやすい。これに対して、コロイド液に界面活性剤を添加すると、これらの不利益が抑制され、均一な導電膜を形成可能な導電性インクが得られる。
界面活性剤としては、特に限定されず、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤等が挙げられる。このような界面活性剤の具体例としては、アルキルベンゼンスルホン酸塩、四級アンモニウム塩等が挙げられる。少量で効果が得られる観点からは、フッ素系界面活性剤が好ましい。
コロイド液は、固形分に対して昇温速度10℃/分で熱重量分析を行ったときの100~500℃における重量損失が10質量%以下であることが好ましい。固形分を500℃まで加熱すると、有機物等は酸化分解され、その大部分がガス化されて消失する。そのため、500℃まで加熱したときの減量分は、固形分中の有機物の含有量にほぼ相当し得る。
上記重量損失が多いほど銀コロイド粒子の分散安定性は優れたものとなるが、上記重量損失が多過ぎると、有機物が導電性インク中に不純物として残留し、得られる導電膜の導電性が低下することがある。特に、100℃程度の低温での加熱(焼成)によって導電性に優れた導電膜を得るためには、上記重量損失が10質量%以下であることが好ましい。一方、上記重量損失が少な過ぎると、銀コロイド粒子の分散安定性が損なわれるため、上記重量損失は0.01質量%以上であることが好ましい。上記重量損失は、より好ましくは0.05~4.5質量%である。
(水)
本発明の導電性インクは、水を含有する。上述したように、コロイド液が固形分(主成分:銀コロイド粒子)を分散する分散媒として水を含有する場合もあるが、本発明の導電性インクの濃度を調整するために、コロイド液の調製後に水が添加されてもよい。
本発明の導電性インク中の水の含有量は、好ましくは20~50質量%、より好ましくは25~45質量%である。水の含有量が20質量%以上であれば、銀コロイド粒子の分散性が充分に保たれる。水の含有量が50質量%以下であれば、銀コロイド粒子等の他成分の含有量が相対的に少なくなり過ぎないため、導電性インクの粘度が低くなり過ぎず、インクジェット印刷法等での取り扱いも容易となる。
(ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル)
本発明の導電性インクは、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルを含有する。これにより、銀ナノ粒子とジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとの間の相互作用が働き、本発明の導電性インクの流動性が基材への塗布後に抑制される。
本発明の導電性インク中のジエチレングリコールモノイソブチルエーテルの含有量は、好ましくは1~10質量%、より好ましくは3~6質量%である。ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルの含有量が1質量%以上であれば、導電性インクの流動性が基材への塗布後に充分に抑制される。ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルの含有量が10質量%以下であれば、導電性インクの粘度が高くなり過ぎず、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が充分に確保される。
本発明の導電性インクは、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルを更に含有することが好ましい。これにより、基材に対する導電性インクの濡れ性が適度に高まるため、細線描画時(細線印刷時)でも導電性インクが基材に弾かれず、より高い描画性(印刷性)が得られる。
ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルとしては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソブチルエーテル、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノ2-エチルヘキシルエーテル、ジエチレングリコールモノ2-エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノアリルエーテル、ポリオキシエチレンモノアリルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノフェニルエーテル、ポリオキシアルキレンモノフェニルエーテル、エチレングリコールモノベンジルエーテル、ジエチレングリコールモノベンジルエーテル等が挙げられる。これらのグリコールエーテルは、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。
このようなグリコールエーテルの中でも、少量で高い濡れ性が得られる観点からは、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテルが好ましい。つまり、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルは、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、及び、ジエチレングリコールモノブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。
ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルについて、本発明の導電性インク中の含有量は、好ましくは0.1~10質量%、より好ましくは1~5質量%である。上述したグリコールエーテルの含有量が0.1質量%以上であれば、導電性インクの濡れ性が充分に高まる。上述したグリコールエーテルの含有量が10質量%以下であれば、導電性インクの粘度が高くなり過ぎないとともに表面張力が低くなり過ぎず、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)及び描画性(特に、細線描画時の描画性)が充分に高まる。
本発明の導電性インクは、ブタノール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、エチレングリコール、及び、グリセリンからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を更に含有することが好ましい。これにより、導電性インクの塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)がより高まる。これらの化合物は、保湿剤として機能するものである。
ブタノールとしては、「ブタノール」に一般的に分類される(総称される)ものであれば特に限定されず、例えば、1-ブタノール、2-ブタノール等も含まれる。プロパンジオールとしては、「プロパンジオール」に一般的に分類される(総称される)ものであれば特に限定されず、例えば、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール等も含まれる。ブタンジオールとしては、「ブタンジオール」に一般的に分類される(総称される)ものであれば特に限定されず、例えば、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール等も含まれる。ペンタンジオールとしては、「ペンタンジオール」に一般的に分類される(総称される)ものであれば特に限定されず、例えば、1,2-ペンタンジオール、1,5-ペンタンジオール等も含まれる。
ブタノール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、エチレングリコール、及び、グリセリンからなる群より選択される少なくとも1種の化合物(保湿剤)について、本発明の導電性インク中の含有量は、好ましくは5~35質量%、より好ましくは10~30質量%である。上述した化合物(保湿剤)の含有量が5質量%以上であれば、保湿効果が充分に得られ、導電性インクの塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が充分に高まる。上述した化合物(保湿剤)の含有量が35質量%以下であれば、導電性インクの粘度が高くなり過ぎず、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が充分に確保される。
本発明の導電性インクの25℃での粘度は、1~30cPであることが好ましい。導電性インクの25℃での粘度が1cPよりも低い又は30cPよりも高い場合、塗布性(例えば、インクジェットヘッドからの吐出性)が低下することがある。導電性インクの25℃での粘度は、例えば、セコニック社製の振動式粘度計「VM-10A」により測定可能である。
本発明の導電性インクの25℃での表面張力は、20~40mN/mであることが好ましい。導電性インクの25℃での表面張力が20mN/m以上であれば、基材に対する導電性インクの濡れ性が高くなり過ぎず、描画性(特に、細線描画時の描画性)が充分に確保される。導電性インクの25℃での表面張力が40mN/m以下であれば、基材に対する導電性インクの濡れ性が低くなり過ぎず、塗膜のパターンが途切れる等の不具合が充分に防止される。導電性インクの表面張力は、例えば、協和界面科学社製の表面張力計「CBVP-Z」により測定可能である。
本発明の導電性インクの接触角(静的接触角)は、導電性基板を製造する際に塗布される基材の表面に対して、15~40°であることが好ましい。導電性インクの接触角が15°以上であれば、基材に対する導電性インクの濡れ性が高くなり過ぎず、描画性(特に、細線描画時の描画性)が充分に確保される。導電性インクの接触角が40°以下であれば、基材に対する導電性インクの濡れ性が低くなり過ぎず、塗膜のパターンが途切れる等の不具合が充分に防止される。導電性インクの接触角は、所定量の導電性インクを基材の表面に滴下した状態で、例えば、協和界面科学社製の接触角計「DropMaster DM-300」により測定可能である。
[導電性インクの製造方法]
本発明の導電性インクの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、下記の方法が挙げられる。まず、銀ナノ粒子及び分散剤を含む銀コロイド粒子を主成分とする固形分を含有するコロイド液を調製する。次に、得られたコロイド液と、水(コロイド液に含まれる場合がある)と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルと、必要に応じて上述した任意の成分とを混合することにより、本発明の導電性インクが得られる。
コロイド液の調製方法としては、特に限定されないが、例えば、銀コロイド粒子の溶液を調製した後、その溶液の洗浄を行う方法等が挙げられる。
銀コロイド粒子の溶液を調製するには、例えば、分散剤を用いて分散媒中に分散させた銀塩(又は銀イオン)を還元してもよい。銀塩の還元手順としては、化学還元法に基づく手順が採用されればよい。すなわち、銀コロイド粒子の溶液は、銀ナノ粒子を構成する銀塩(又はその水和物)と、分散剤と、分散媒とを含有する原料水溶液を還元することによって調製可能である。この還元によれば、分散剤が銀ナノ粒子の表面の少なくとも一部に存在する(例えば、付着する、被覆する等)ようになる。
原料水溶液に含有される分散媒としては、例えば、水、水溶性有機分散媒等の水性分散媒が好ましく用いられる。これらの水性分散媒は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。なお、原料水溶液においては、一部の成分が溶解せずに分散していてもよい。
銀コロイド粒子を得るための出発材料としては、還元可能な公知の銀塩(又はその水和物)を用いることができ、例えば、硝酸銀、硫酸銀、塩化銀、酸化銀、酢酸銀、亜硝酸銀、塩素酸銀、硫化銀等の銀塩(又はその水和物)が挙げられる。これらの銀塩(又はその水和物)は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。また、これらの銀塩(又はその水和物)は、適当な溶媒中に溶解させた状態で用いられてもよく、溶媒中に分散させた状態で用いられてもよい。
原料水溶液において、銀塩(又はその水和物)を還元する方法としては、特に限定されず、例えば、還元剤を用いる方法、光(例えば、紫外線)、電子線、超音波、熱等を加える方法等が挙げられる。中でも、容易性の観点から、還元剤を用いる方法が好ましい。
還元剤としては、分散媒に溶解し、銀塩(又はその水和物)を還元可能なものであれば特に限定されず、例えば、ジメチルアミノエタノール、メチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン、フェニドン、ヒドラジン等のアミン化合物;水素化ホウ素ナトリウム、ヨウ素化水素、水素ガス等の水素化合物;一酸化炭素、亜硫酸等の酸化物;硫酸第一鉄、酸化鉄、フマノレ酸鉄、乳酸鉄、シュウ酸鉄、硫化鉄、酢酸スズ、塩化スズ、二リン酸スズ、シュウ酸スズ、酸化スズ、硫酸スズ等の低原子価金属塩;ホルムアルデヒド、ハイドロキノン、ピロガロール、タンニン、タンニン酸、ヒドロキシ酸、サリチル酸、D-グルコース等の有機化合物、等が挙げられる。中でも、タンニン酸、ヒドロキシ酸が好ましい。これらの還元剤は、1種のみの単独で用いられてもよいし、2種以上で併用されてもよい。また、これらの還元剤を用いる場合、光及び熱のうちの少なくとも一方を加えて還元反応を促進させてもよい。
原料水溶液を還元剤で還元することによって銀コロイド粒子の溶液を調製する方法としては、例えば、下記の方法が挙げられる。まず、銀塩(又はその水和物)を純水等(分散媒)に溶解させて銀塩溶液を調製する。次に、その銀塩溶液を、分散剤及び還元剤が溶解した水溶液中に徐々に滴下することにより、銀コロイド粒子の溶液が調製される。
このようにして調製された銀コロイド粒子の溶液には、銀コロイド粒子の他に、還元剤の残留物、分散剤等が存在しており、溶液全体の電解質濃度が高い傾向にある。このような状態の溶液では、電導度が高い等の理由で、銀コロイド粒子の凝析が起こり、沈殿しやすい。そこで、この溶液を洗浄して余分な電解質を取り除くことにより、所望のコロイド液(銀コロイド粒子)が得られる。
銀コロイド粒子の溶液の洗浄方法としては、例えば、得られた溶液を一定期間静置して上澄み液を取り除いた後、純水を加えて撹拌し、更に一定期間静置して上澄み液を取り除く工程を幾度か繰り返す方法が挙げられる。その他の洗浄方法としては、例えば、上述した静置の代わりに遠心分離を行う方法、限外濾過装置、イオン交換装置等により脱塩する方法等が挙げられる。中でも、脱塩する方法が好ましい。脱塩した液は、適宜濃縮されてもよい。
コロイド液中の銀コロイド粒子の含有量は、好ましくは1~70質量%、より好ましくは10~65質量%である。銀コロイド粒子の含有量が1質量%以上であれば、充分な導電性を有する導電膜を実現可能な量の銀ナノ粒子が、導電性インク中に確保される。銀コロイド粒子の含有量が70質量%以下であれば、コロイド液の粘度が高くなり過ぎず、取り扱いが容易となる。
[導電性基板]
本発明の導電性インクを用いて形成される導電性基板としては、例えば、基材と、上記基材の表面上に配置され、かつ、本発明の導電性インクの焼成物である導電膜とを備える導電性基板が挙げられる。
基材の材料としては、種々のインク吸収性材料(例えば、紙、布帛、多孔性セラミックス等)の他に、インク非吸収性材料が用いられてもよく、耐熱性に優れたものが好ましく用いられる。インク非吸収性材料としては、例えば、ポリカーボネート(PC)、ABS、AS、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリサルフォン(PSF)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミド(PI)、ポリ塩化ビニル(PVC)等の樹脂(エンプラ、スーパーエンプラ)が挙げられる。ここで、インク非吸収性材料とは、インク受容機能を有する構造を有さない材料を意味する。本発明の導電性インクによれば、インク非吸収性の基材の表面上に塗布される場合であっても、その偏在が抑制され、後に焼成されることで得られる導電膜の膜厚均一性の低下が抑制される。また、本発明の導電性インクによれば、低温(例えば、100℃程度)で焼成しても導電性に優れた導電膜を形成可能であるため、この低い焼成温度よりも高い温度範囲で、従来よりも耐熱温度の低い基材を用いることも可能である。更に、本発明の導電性インクによれば、種々の基材に対する密着性に優れた導電膜を形成可能である。基材の表面には、導電膜との密着性を更に高める目的で、表面層が設けられていてもよく、親水化処理等の表面処理が施されていてもよい。
本発明の導電性インクを用いて形成される導電性基板としては、例えば、電子回路基板(例えば、半導体集積回路)、プリント配線基板、薄膜トランジスタ基板等が挙げられる。導電性基板における導電膜は、上記で例示された基板の配線、電極等に相当する。
[導電性基板の製造方法]
本発明の導電性基板の製造方法は、基材と、上記基材の表面上に配置される導電膜とを備える導電性基板の製造方法であって、本発明の導電性インクを上記基材の表面上に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、上記塗膜を焼成して上記導電膜を形成する焼成工程とを含むことを特徴とする。
(塗布工程)
塗布工程においては、本発明の導電性インクを基材の表面上に塗布して塗膜を形成する。ここで、塗布とは、導電性インクを面状に塗布する場合も線状に塗布(描画)する場合も含む概念である。塗膜(導電膜)の形状は、面状であってもよく、線状であってもよく、これらを組み合わせた形状であってもよい。また、塗膜(導電膜)は、連続するパターンであってもよく、不連続なパターンであってもよく、これらを組み合わせたパターンであってもよい。
本発明の導電性インクの塗布方法としては、特に限定されず、例えば、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、反転印刷法、マイクロコンタクト印刷法、ディッピング法、スプレー法、バーコート法、スピンコート法、ディスペンサー法、流延法、フレキソ法、グラビア法、シリンジ法、刷毛による塗布法等が挙げられる。
(焼成工程)
焼成工程においては、塗布工程で形成された本発明の導電性インクの塗膜に対して、加熱による焼成を行い、導電膜を形成する。この焼成工程によれば、本発明の導電性インク中の銀ナノ粒子(銀コロイド粒子)同士の結合が高まり、焼結される。
塗膜の焼成温度は、好ましくは150℃以下、より好ましくは120℃以下、更に好ましくは100℃以下である。本発明の導電性インクによれば、150℃以下の温度で焼成しても、導電性に優れた導電膜を形成可能である。一方、焼成温度の下限値は必ずしも限定されず、基材の表面上に導電膜を形成可能な温度であって、かつ、本発明の効果を損なわない範囲で水を蒸発可能な(一部が残存していてもよいが、全て除去されるのが好ましい)温度であることが好ましい。
塗膜の焼成時間は、特に限定されず、焼成温度に応じて適宜設定可能である。
塗膜の焼成方法としては、特に限定されず、例えば、従来公知のギヤオーブン等を用いる方法が挙げられる。
本発明の導電性インクによれば、低温(例えば、100℃程度)で焼成しても導電性に優れた導電膜を形成可能であるため、比較的熱に弱い基材の表面上にも導電膜を形成することができる。
本発明の導電性基板の製造方法においては、基材と導電膜との密着性を更に高める目的で、基材に表面処理を施してもよい。表面処理の方法としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、UV処理、電子線処理等のドライ処理を行う方法、プライマー層、導電性インク受容層等を基材の表面上に予め設ける方法等が挙げられる。
本発明の導電性基板の製造方法で得られる導電膜の膜厚は、例えば、0.1~5μmであり、好ましくは0.2~3μmである。
本発明の導電性基板の製造方法で得られる導電膜の体積抵抗値は、好ましくは1.1×10-4Ω・cm以下、より好ましくは1.0×10-4Ω・cm以下、更に好ましくは5.0×10-5Ω・cm以下である。
以下、本発明について実施例を掲げて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
実施例及び比較例において、導電性インクを製造する際に用いたコロイド液は以下の通りであった。
「銀コロイド水溶液A」
まず、10N-NaOH水溶液3mLを添加してアルカリ性にした水50mLに、クエン酸三ナトリウム二水和物17gと、タンニン酸0.36gとを溶解させた。そして、室温(25℃)下にて、得られた水溶液を撹拌しながら、硝酸銀2gを含有する水溶液3mLを添加し、銀コロイド粒子の水溶液を調製した。次に、得られた銀コロイド粒子の水溶液に対して、限外濾過器を用いて、濾液の電導度が30μS/cm以下になるまで脱塩を繰り返した。その後、得られた濾液に対して遠心分離を10分間行うと、下層の沈殿物と上層の分散液とに分離した。そして、この上層の分散液を銀コロイド水溶液Aとして採取した。
銀コロイド水溶液A中の銀コロイド粒子の平均粒径は、27nmであった。銀コロイド粒子の平均粒径は、下記の方法で測定された。まず、純水10mL中に銀コロイド水溶液Aを数滴滴下し、手で振動させることで分散させて、測定用試料を調製した。次に、測定用試料3mLを、堀場製作所社製の動的光散乱式粒径分布測定装置「LB-550」のセル内に投入し、下記の条件にてメジアン径(D50)を測定した。
<測定条件>
データ読み込み回数:100回
セルホルダー内温度:25℃
<表示条件>
分布形態:標準
反復回数:50回
粒径基準:体積基準
分散質の屈折率:0.200~3.900(銀)
分散媒の屈折率:1.33(水)
<システム条件>
強度基準:Dynamic
散乱強度レンジ上限:10000.00
散乱強度レンジ下限:1.00
銀コロイド水溶液A中の銀コロイド粒子の含有量は、乾燥重量法によって測定したところ、58質量%であった。また、銀コロイド粒子には、COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩に該当するクエン酸三ナトリウム二水和物が分散剤として含まれており、その含有量は2質量%であった。
「銀コロイド水溶液B」
まず、タンニン酸0.5gをイオン交換水100mLに溶解させたタンニン酸溶液に、10N-NaOH水溶液2mLを添加した。そして、室温(25℃)下にて、得られた水溶液を撹拌しながら、硝酸銀1gを含有する水溶液2mLを添加し、銀コロイド粒子の水溶液を調製した。次に、得られた銀コロイド粒子の水溶液に対して、限外濾過器を用いて、濾液の電導度が30μS/cm以下になるまで脱塩を繰り返した。その後、得られた濾液に対して遠心分離を10分間行うと、下層の沈殿物と上層の分散液とに分離した。そして、この上層の分散液を銀コロイド水溶液Bとして採取した。
銀コロイド水溶液Aと同様に測定したところ、銀コロイド水溶液B中の銀コロイド粒子の平均粒径は、27nmであった。
銀コロイド水溶液B中の銀コロイド粒子の含有量は、乾燥重量法によって測定したところ、58質量%であった。また、銀コロイド粒子には、分散剤としてタンニン酸が含まれており、その含有量は7質量%であった。ただし、タンニン酸は、COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩には該当しないものであった。
(実施例1)
銀コロイド水溶液A69質量部と、水6質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル5質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、実施例1の導電性インクを製造した。
(実施例2)
銀コロイド水溶液A69質量部と、水5質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル4質量部と、エチレングリコールモノメチルエーテル2質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、実施例2の導電性インクを製造した。
(実施例3)
銀コロイド水溶液A69質量部と、水5質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル4質量部と、エチレングリコールモノブチルエーテル2質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、実施例3の導電性インクを製造した。
(実施例4)
銀コロイド水溶液A74質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル3質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン13質量部とを混合して、実施例4の導電性インクを製造した。
(実施例5)
銀コロイド水溶液A64質量部と、水8質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル6質量部と、エチレングリコールモノブチルエーテル2質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、実施例5の導電性インクを製造した。
(比較例1)
銀コロイド水溶液A69質量部と、水11質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、比較例1の導電性インクを製造した。
(比較例2)
銀コロイド水溶液A69質量部と、水6質量部と、エチレングリコールモノブチルエーテル5質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、比較例2の導電性インクを製造した。
(比較例3)
銀コロイド水溶液B69質量部と、水6質量部と、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル5質量部と、1,3-プロパンジオール10質量部と、グリセリン10質量部とを混合して、比較例3の導電性インクを製造した。
各例の導電性インク中の各構成成分の含有量は、表1、2に示した通りであった。
次に、各例の導電性インクを、ポリカーボネート(PC)製の基材の表面上に塗布して塗膜を形成した。導電性インクの塗布は、富士フイルム社製のインクジェットプリンタ「Dimatix DMP-2831」及びカートリッジ「DMC-11610」(インク滴:10pL)を用いて行われた。その後、形成された塗膜を、ギヤオーブンを用いて焼成し、導電膜を形成した。その結果、各例の導電性基板が得られた。ここで、各例の焼成条件(焼成温度及び焼成時間)は、表1、2に示すように設定された。
[物性]
各例の導電性インクについて、以下の物性測定を行った。結果を表1、2に示した。
(1)粘度
セコニック社製の振動式粘度計「VM-10A」を用いて、導電性インクの25℃での粘度を測定した。
(2)表面張力
協和界面科学社製の表面張力計「CBVP-Z」を用いて、導電性インクの25℃での表面張力を測定した。
(3)接触角
導電性インク0.5μLをポリカーボネート(PC)製の基材の表面に滴下し、着滴してから5秒後の接触角(静的接触角)を、協和界面科学社製の接触角計「DropMaster DM-300」を用いて測定した。そして、このような測定を10回繰り返し、得られた10個の測定値のうちで最大値及び最小値を除いた8個の測定値の平均値を算出した。
[評価]
各例の導電性基板について、以下の評価を行った。結果を表1、2に示した。
(1)膜厚均一性
導電性基板を製造する際、導電性インクで下記の直線パターン1~4を描画して塗膜を形成した。
<直線パターン1>
描画方向:インクジェットヘッドの走査方向に対して平行な方向
長さ:15mm
線幅:250μm
<直線パターン2>
描画方向:インクジェットヘッドの走査方向に対して平行な方向
長さ:15mm
線幅:500μm
<直線パターン3>
描画方向:インクジェットヘッドの走査方向に対して垂直な方向
長さ:15mm
線幅:250μm
<直線パターン4>
描画方向:インクジェットヘッドの走査方向に対して垂直な方向
長さ:15mm
線幅:500μm
そして、直線パターン1~4の塗膜を焼成する(焼成条件:表1、2)ことで得られた導電膜1~4について、膜厚比を下記式(A)により算出した。ここで、導電膜1~4の膜厚は、KEYENCE社製のレーザー顕微鏡「VK-X150」を用いて測定された。
「膜厚比」=「描画開始点から描画終了点に向かって500μm離れた位置での膜厚(μm)」/「描画終了点から描画開始点に向かって500μm離れた位置での膜厚(μm)」 (A)
判定基準は、下記の通りとした。
○:導電膜1~4の膜厚比の最大値が1.5以下であった。
△:導電膜1~4の膜厚比の最大値が1.5よりも大きく、2.0以下であった。
×:導電膜1~4の膜厚比の最大値が2.0よりも大きかった。
(2)耐クラック性
導電性基板を製造する際、導電性インクで、上述した直線パターン1~4に加えて、下記の直角パターン1、2も描画して塗膜を形成した。
<直角パターン1>
インクジェットヘッドの走査方向に対して平行な方向に長さ10mmの直線パターンを描画し、その終点からインクジェットヘッドの走査方向に対して垂直な方向に長さ10mmの直線パターンを描画した。線幅は、250μmであった。
<直角パターン2>
インクジェットヘッドの走査方向に対して平行な方向に長さ10mmの直線パターンを描画し、その終点からインクジェットヘッドの走査方向に対して垂直な方向に長さ10mmの直線パターンを描画した。線幅は、500μmであった。
そして、直線パターン1~4の塗膜を焼成する(焼成条件:表1、2)ことで得られた導電膜1~4と、直角パターン1、2の塗膜を焼成する(焼成条件:表1、2)ことで得られた導電膜5、6とについて、KEYENCE社製のレーザー顕微鏡「VK-X150」を用いてクラックの個数(導電膜1~6中のクラックの合計数)を数えた。判定基準は、下記の通りとした。
○:導電膜1~6中に、50μm四方以上のクラックが無かった。
△:導電膜1~6中に、50μm四方以上、100μm四方未満のクラックが1~14個あった。
×:導電膜1~6中に、50μm四方以上、100μm四方未満のクラックが15個以上あった、又は、100μm四方以上のクラックが1個以上あった。
(3)密着性
上述した膜厚均一性及び耐クラック性の評価時に用いた導電膜1~4に対して、セロテープ(登録商標)を貼り付けた後で剥離した。その後、導電膜1~4の基材からの剥離度合いを目視観察した。判定基準は、下記の通りとした。
○:導電膜1~4が全く剥離していなかった。
△:導電膜1~4のうちで剥離度合いが最も悪い導電膜において、一部(全体の10%以下の範囲)が剥離していた。
×:導電膜1~4のうちで剥離度合いが最も悪い導電膜において、大部分(全体の10%よりも広い範囲)が剥離していた。
(4)導電性
導電性基板を製造する際、導電性インクで、長さ20mm、線幅1mmの直線パターンを3本描画して塗膜を形成した。そして、これら3本の直線パターンの塗膜を焼成する(焼成条件:表1、2)ことで得られた3つの導電膜について、各々の体積抵抗値を下記式(B)により算出し、これらの平均値を算出した。ここで、導電膜の抵抗値は、カイセ社製のデジタルテスター「SK-6511」を用いて測定された。導電膜の膜厚は、KEYENCE社製のレーザー顕微鏡「VK-X150」を用いて測定された。
「体積抵抗値(Ω・cm)」=「抵抗値(Ω)」×「線幅(cm)」×「膜厚(cm)」/「抵抗値測定時の端子間距離(cm)」 (B)
判定基準は、下記の通りとした。
○:体積抵抗値の平均値が5.0×10-5Ω・cm以下であった。
△:体積抵抗値の平均値が5.0×10-5Ω・cmよりも大きく、5.0×10-4Ω・cm以下であった。
×:体積抵抗値の平均値が5.0×10-4Ω・cmよりも大きかった。
-:直線パターンが描画できず、体積抵抗値が測定できなかった。
(5)描画性
上述した導電性評価時に、3つの導電膜の形状を目視観察した。判定基準は、下記の通りとした。
○:3つの導電膜とも導通しており、形状荒れが無かった。
△:3つの導電膜のうちの1つが導通していない、又は、3つの導電膜とも導通しているが、形状荒れがあった。
×:3つの導電膜のうちの2~3つが導通していない、又は、3つの導電膜とも導通しているが、著しい形状荒れがあった。
(6)総合評価
上述した評価(1)~(5)の結果に基づき、下記の判定基準で総合評価を行った。
◎:評価(1)~(5)の結果がすべて「○」であった。
○:評価(1)~(5)の結果において、「○」が4つであった。
△:評価(1)~(5)の結果において、「○」が3つであった。
×:評価(1)~(5)の結果において、「○」が0~2つであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
実施例1~5では、膜厚均一性及び耐クラック性が優れていた。また、実施例1~5では、膜厚均一性及び耐クラック性に加えて、密着性、導電性、及び、描画性も良好であり、総合評価が優れていた。中でも、実施例2、3、5では、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルに加えて、それ以外のグリコールエーテルも配合されていたため、描画性が実施例1、4よりも高かった。
比較例1では、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルが配合されていなかったため、膜厚均一性及び耐クラック性が低かった。また、比較例1では、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルも配合されていなかったため、描画性も低かった。
比較例2では、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルが配合されていなかったため、膜厚均一性及び耐クラック性が低かった。
比較例3では、COOH基及びOH基を有し、かつ、COOH基の個数がOH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤が配合されていなかったため、膜厚均一性、耐クラック性、及び、導電性が低かった。また、比較例3では、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルが配合されていたものの、それ以外のグリコールエーテルが配合されていなかったため、描画性も低かった。

Claims (5)

  1. 銀コロイド粒子と、
    水と、
    ジエチレングリコールモノイソブチルエーテルとを含有し、
    前記銀コロイド粒子は、銀ナノ粒子と、COOH基及びOH基を有し、かつ、前記COOH基の個数が前記OH基の個数以上であるヒドロキシ酸又はその塩である分散剤とを含むことを特徴とする導電性インク。
  2. 前記導電性インクは、前記ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル以外のグリコールエーテルを更に含有することを特徴とする請求項1に記載の導電性インク。
  3. 前記グリコールエーテルは、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、及び、ジエチレングリコールモノブチルエーテルからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする請求項2に記載の導電性インク。
  4. 前記導電性インクは、ブタノール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、エチレングリコール、及び、グリセリンからなる群より選択される少なくとも1種の化合物を更に含有することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の導電性インク。
  5. 基材と、前記基材の表面上に配置される導電膜とを備える導電性基板の製造方法であって、
    請求項1~4のいずれかに記載の導電性インクを前記基材の表面上に塗布して塗膜を形成する塗布工程と、
    前記塗膜を焼成して前記導電膜を形成する焼成工程とを含むことを特徴とする導電性基板の製造方法。
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