WO2020158520A1 - 電極形成材料、電極の製造方法及び電極 - Google Patents

電極形成材料、電極の製造方法及び電極 Download PDF

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WO2020158520A1
WO2020158520A1 PCT/JP2020/002011 JP2020002011W WO2020158520A1 WO 2020158520 A1 WO2020158520 A1 WO 2020158520A1 JP 2020002011 W JP2020002011 W JP 2020002011W WO 2020158520 A1 WO2020158520 A1 WO 2020158520A1
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particles
coating layer
metal
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康二 安賀
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パウダーテック株式会社
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C18/16Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31Coating with metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • 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
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    • 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
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    • H01B5/00Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/14Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form comprising conductive layers or films on insulating-supports

Definitions

  • the present invention relates to an electrode forming material, an electrode manufacturing method, and an electrode.
  • a baking method thin film method
  • a conductive paste containing a conductive metal powder such as silver powder is applied on a substrate, dried, and then sintered to form an electrode.
  • a method of using a printing screen, a method of etching the electrode, or a method of using a photosensitive conductive paste is used.
  • a conductive paste is pattern-printed on a substrate using a printing screen having a predetermined pattern.
  • the electrode after sintering is coated with a photoresist, exposed, developed and etched to form a pattern electrode.
  • a photosensitive resin is added to the conductive paste, and the photosensitive conductive paste applied on the substrate is exposed and developed using a mask.
  • Patent Document 1 The electrode forming method by such a baking method (thick film method) is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2.
  • a dispersed conductive paste is pattern-formed on a substrate such as a metal plate, a resin plate, a glass plate or a ceramic plate, and the conductive conductive paste and the resin powder as a binder are used.
  • the method of forming an electrode which is characterized by transferring the electrode pattern at the same time as applying pressure to the surface of a mixed material and press-molding, it is described that a dispersed conductive paste is screen-printed on a substrate (Patent (Claim 1 and the configuration column of the invention of Document 1).
  • Patent Document 2 a photopolymerizable monomer, a photopolymerizable initiator, and a metal powder such as silver powder are configured to be included, and an electrode paste composition and a substrate are provided with the electrode.
  • a plasma display panel which includes the steps of applying a paste composition for a substrate, arranging a mask, exposing, developing, and firing the electrode paste composition patterned on the substrate. A manufacturing method is disclosed (claim 1 and claim 10 of Patent Document 2).
  • the conductive paste used in the baking method contains an organic solvent such as methyl ethyl ketone (MEK), and when the paste is applied and dried, environmental air is polluted and health to workers is reduced. Measures need to be taken to prevent disability.
  • MEK methyl ethyl ketone
  • the paste or electrode provided in the area other than the pattern is discarded. Therefore, material loss occurs, leading to an increase in manufacturing cost.
  • the method using etching or a photosensitive conductive paste requires many complicated steps such as an exposure step and a development step, and thus has a problem of a long cycle time.
  • the present inventor has found that a ferrite composite powder composed of specific metal-coated ferrite particles can serve as an electrode forming material, and that by using this electrode forming material, an electrode can be manufactured by a simple method. ..
  • the present invention has been completed based on such knowledge, and an object thereof is to provide an electrode forming material, an electrode manufacturing method, and an electrode capable of forming an electrode by a simple method.
  • the present invention includes the following aspects (1) to (10).
  • the expression “to” includes the numerical values at both ends thereof. That is, “X to Y” is synonymous with “X or more and Y or less”.
  • An electrode forming material containing ferrite composite powder is composed of a plurality of metal-coated ferrite particles, A material, wherein the metal-coated ferrite particles include ferrite particles, and a coating layer provided on the surface of the ferrite particles and containing a conductive metal.
  • the conductive metal contains one or more metals selected from the group consisting of silver (Ag), copper (Cu), and nickel (Ni).
  • the ferrite particles are manganese (Mn)-based ferrite, manganese-zinc (Mn-Zn)-based ferrite, nickel (Ni)-based ferrite, nickel-zinc (Ni-Zn)-based ferrite, nickel-zinc-copper ( Ni-Zn-Cu) ferrite, magnesium (Mg) ferrite, magnesium-zinc (Mg-Zn) ferrite, strontium (Sr) ferrite, barium (Ba) ferrite, manganese-magnesium (Mn-Mg) ferrite
  • An electrode including a matrix made of a conductive metal and ferrite particles dispersed in the matrix.
  • an electrode forming material an electrode manufacturing method, and an electrode capable of forming an electrode by a simple method.
  • Example 2 An example of a magnetic field applying means using a magnet will be shown.
  • the SEM image of the electrode cross section of Example 2 is shown.
  • the electrode forming material of the present invention contains ferrite composite powder.
  • the ferrite composite powder is composed of a plurality of metal-coated ferrite particles (also referred to as “ferrite composite particles”). That is, the ferrite composite powder is an aggregate of a plurality of metal-coated ferrite particles.
  • the metal-coated ferrite particles include ferrite particles and a coating layer.
  • the coating layer of the metal-coated ferrite particles contains a conductive metal.
  • This conductive metal functions as a conductive component of the electrode obtained by sintering the electrode forming material. Therefore, by using the electrode forming material of the present invention, a highly conductive electrode can be obtained by a simple method.
  • the electrode forming material contains metal-coated ferrite particles. Therefore, by applying a magnetic field at the time of forming the electrodes, it is possible to pattern the electrode forming material and the electrode which is the sintered body thereof. That is, the metal-coated ferrite particles include ferrite particles that are ferromagnetic materials. Therefore, when a magnetic field is applied, they are aligned (arranged) according to the lines of magnetic force. At this time, the alignment pattern of the ferrite particles can be controlled by adjusting the direction and strength of the magnetic force lines, and as a result, various patterns can be given to the electrode forming material and the electrode.
  • the conductive metal is not particularly limited, but known electrode materials such as silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), palladium (Pd), and alloys of combinations thereof can be used.
  • the conductive metal preferably contains one or more metals selected from the group consisting of silver (Ag), copper (Cu) and nickel (Ni). This is because these metals and alloys are inexpensive and have excellent conductivity.
  • the coating layer may be composed only of silver (Ag), copper (Cu) or nickel (Ni), or may be an alloy or intermetallic compound of these metals. Alternatively, it may be an alloy or intermetallic compound containing a metal other than silver (Ag), copper (Cu) and nickel (Ni).
  • the content of silver (Ag), copper (Cu), and nickel (Ni) in the coating layer is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, 90% by mass or more is more preferable.
  • the mass ratio between the content of silver (Ag) and the content of copper (Cu) in the coating layer is preferably 5:95 to 95:5, and more preferably 15:85 to 85:15.
  • the mass ratio between the content of silver (Ag) and the content of nickel (Ni) in the coating layer is preferably 5:95 to 95:5, more preferably 15:85 to 85:15.
  • the mass ratio between the content of copper (Cu) and the content of nickel (Ni) in the coating layer is preferably 5:95 to 95:5, more preferably 15:85 to 85:15.
  • the coating layer is composed only of silver (Ag), copper (Cu), and nickel (Ni), the following (Aspect 1) to (Aspect 4) are preferable.
  • the content of silver (Ag) in the coating layer is 60 to 80% by mass, The content of copper (Cu) in the coating layer is 5 to 20% by mass, The content of nickel (Ni) in the coating layer is 5 to 20% by mass, The total content of the content of silver (Ag), the content of copper (Cu), and the content of nickel (Ni) is 100% by mass.
  • the content of silver (Ag) in the coating layer is 5 to 20% by mass
  • the content of copper (Cu) in the coating layer is 60 to 80% by mass
  • the content of nickel (Ni) in the coating layer is 5 to 20% by mass
  • the total content of the content of silver (Ag), the content of copper (Cu), and the content of nickel (Ni) is 100% by mass.
  • the content of silver (Ag) in the coating layer is 5 to 20% by mass
  • the content of copper (Cu) in the coating layer is 5 to 20% by mass
  • the content of nickel (Ni) in the coating layer is 60 to 80% by mass
  • the total content of the content of silver (Ag), the content of copper (Cu), and the content of nickel (Ni) is 100% by mass.
  • the content of silver (Ag) in the coating layer is 20 to 50% by mass
  • the content of copper (Cu) in the coating layer is 20 to 50% by mass
  • the content of nickel (Ni) in the coating layer is 20 to 50% by mass
  • the total content of the content of silver (Ag), the content of copper (Cu), and the content of nickel (Ni) is 100% by mass.
  • the thickness of the coating layer is preferably 10 to 1000 nm. The thicker the coating layer, the greater the proportion of the conductive component in the ferrite composite powder, and the higher the conductivity of the electrode when used as an electrode. On the other hand, if the coating layer is too thick, the proportion of ferrite particles will decrease.
  • the thickness of the coating layer is more preferably 50 to 500 nm, further preferably 100 to 200 nm.
  • the thickness of the coating layer (also referred to as a metal coating layer) can be measured by observing the cross section of the ferrite composite particles. Specifically, it is as follows. The thickness of the coating layer can be measured by observing the cross section of the ferrite composite particles with a scanning electron microscope (SEM).
  • the whole particle cross section was subjected to elemental analysis by EDX to confirm the existence of the coating layer, and then 5 particles were selected for each particle from the SEM image taken using the length measurement function. The average thickness was taken as the thickness of the coating layer.
  • the SEM is a SU-8020 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, and is photographed in an acceleration voltage of 1 KV, LA mode.
  • the EDX is an X-MAX manufactured by HORIBA, Ltd., and the image information is obtained from the SEM in an acceleration voltage of 15 KV, LA mode. Particle analysis was performed while obtaining.
  • As the powder resin Kynar 301F manufactured by Arkema was used.
  • the coating layer may be formed uniformly or non-uniformly.
  • the coverage of the particles may be 50% or more of the surface area of the particles, and preferably 70% or more.
  • the portion (length) where the metal coating layer exists area of the metal coating layer/
  • the thickness of the metal coating layer is obtained by the above method.
  • the perimeter of the particle is also determined by image analysis.
  • the coverage may exceed 100% in calculation, but in that case, it is set to 100%.
  • the coating layer may contain components other than the conductive metal.
  • components other than the conductive metal include components derived from the underlayer provided when the coating layer is formed.
  • the content of the conductive metal is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, further preferably 95% by mass or more, particularly preferably 99% by mass or more. ..
  • the metal-coated ferrite particles may have layers other than the coating layer. Therefore, an intermediate layer may be provided between the ferrite particles and the coating layer, and a surface layer may be provided on the coating layer. Examples of such an intermediate layer include an underlayer provided when forming the coating layer and an adhesion layer for improving the adhesion between the ferrite particles and the coating layer. Examples of the underlayer include a palladium (Pd)-containing layer. As the surface layer, a surface treatment layer for improving properties such as fluidity of the ferrite composite powder can be mentioned.
  • the volume average particle diameter (D50) of the ferrite composite powder is preferably 1 to 50 ⁇ m.
  • the volume average particle diameter is more preferably 10 ⁇ m or more, further preferably 15 ⁇ m or more.
  • the volume average particle diameter is more preferably 40 ⁇ m or less, further preferably 30 ⁇ m or less.
  • volume average particle diameter (D50), volume average particle diameter (D10), and volume average particle diameter (D90) of the ferrite composite powder were measured as follows. First, 10 g of a sample and 80 ml of water were placed in a 100 ml beaker, and 2 drops of sodium hexametaphosphate as a dispersant was added. Next, dispersion was performed using an ultrasonic homogenizer (SH-type, UH-150 type). At this time, the output level of the ultrasonic homogenizer was set to 4, and dispersion was performed for 20 seconds.
  • SH-type, UH-150 type an ultrasonic homogenizer
  • the bubbles formed on the surface of the peaker were removed, and the measurement was carried out by introducing it into a laser diffraction particle size distribution analyzer (Shimadzu Corporation, SALD-7500 nano).
  • a laser diffraction particle size distribution analyzer Shiadzu Corporation, SALD-7500 nano.
  • 10% diameter (volume average particle diameter (D10)), 50% diameter (volume average particle diameter (D50)) and 90% diameter (volume average particle diameter (D90)) in the volume particle size distribution were obtained.
  • the measurement conditions were a pump speed of 7, a built-in ultrasonic wave irradiation time of 30, and a refractive index of 1.70-050i.
  • the volume average particle diameter (D10) of the ferrite composite powder is preferably 0.1 to 30 ⁇ m, more preferably 1 to 20 ⁇ m, and further preferably 3 to 10 ⁇ m.
  • the volume average particle diameter (D90) of the ferrite composite powder is preferably 15 to 80 ⁇ m, more preferably 15 to 60 ⁇ m, and further preferably 15 to 45 ⁇ m.
  • the shape of the particles in the ferrite composite powder is not limited and may be any shape. However, the shape is preferably spherical or polyhedral. By using spherical or polyhedral particles, the fluidity of the particles is increased, and a dense electrode can be obtained.
  • the shape factor SF-1 of the ferrite composite powder is preferably 100 to 130.
  • SF-1 is an index of the sphericity of particles.
  • SF-1 is 100 in a perfect spherical shape, and becomes larger as it goes away from the spherical shape.
  • SF-1 is more preferably 120 or less, still more preferably 110 or less.
  • the shape factor SF-2 of the ferrite composite powder is preferably 100 to 120.
  • SF-2 is an index indicating the degree of unevenness on the particle surface.
  • SF-2 is 100 if there is no unevenness on the surface, and becomes larger as the unevenness becomes deeper.
  • SF-2 120 or less, it means that the surface of the composite particles is less uneven and the metal coating layer is uniformly formed.
  • the composite particles tend to be densely clogged with each other during the deposition, and the coating is performed by sintering. The effect of accelerating the formation of the metal element network can be expected.
  • the unevenness is excessively deep, the fluidity of the particles is hindered. Therefore, by setting SF-2 to 120 or less, the fluidity of the particles for forming the electrode is improved, and the density of the electrode can be further increased.
  • the shape factor SF-2 is more preferably 100 to 118, further preferably 100 to 115.
  • the shape factors SF-1 and SF-2 can be obtained as follows, for example. That is, the ferrite composite particles are observed with a scanning electron microscope (SEM), and the maximum particle length (horizontal ferret diameter) R (unit: ⁇ m), projected perimeter L (unit: ⁇ m), and projected area S (unit: ⁇ m) 2 ) is required. Then, SF-1 and SF-2 of the particles are calculated according to the following formulas (1) and (2). The same operation is performed on a plurality of particles to obtain SF-1 and SF-2 of the particles, and the average value thereof is calculated to obtain SF-1 and SF-2 of the ferrite composite powder.
  • Formula (1): SF-1 (R 2 /S) ⁇ ( ⁇ /4) ⁇ 100
  • Formula (2): SF-2 (L 2 /S/4 ⁇ ) ⁇ 100
  • the true density of the ferrite composite powder is preferably 5 g/cm 3 or more and 8 g/cm 3 or less, and more preferably 5.2 g/cm 3 or more and 7.5 g/cm 3 or less.
  • the true density of the ferrite composite powder was measured according to JIS Z 8807:2012 using a fully automatic true density measuring device Macpycno manufactured by Mountech Co., Ltd.
  • the tap density of the ferrite composite powder is preferably 3.0 g/cm 3 or more and 5.5 g/cm 3 or less, and more preferably 3.2 g/cm 3 or more and 5.0 g/cm 3 or less.
  • the tap density means the density obtained by the measurement according to JIS R1628.
  • a USP tap density measuring device Pander Tester PT-X, manufactured by Hosokawa Micron Corporation
  • the tapping device can be used as the tapping device.
  • Ferrite particles mainly contain ferrite component.
  • “mainly containing” means that the content of the ferrite component is 50% by mass or more. By increasing the content of the ferrite component, it is possible to sufficiently exert the effect based on the ferrite.
  • the composition of ferrite particles is not particularly limited as long as it exhibits ferromagnetism.
  • the ferrite particles may be manganese (Mn)-based ferrite, manganese-zinc (Mn-Zn)-based ferrite, nickel (Ni)-based ferrite, nickel-zinc (Ni-Zn)-based ferrite, nickel-zinc-copper (Ni-).
  • Zn-Cu Zn-Cu) ferrite, magnesium (Mg) ferrite, magnesium-zinc (Mg-Zn) ferrite, strontium (Sr) ferrite, barium (Ba) ferrite, manganese-magnesium (Mn-Mg) ferrite, It is preferable to be composed of one or more selected from the group consisting of manganese-magnesium-strontium (Mn-Mg-Sr) ferrite.
  • strontium (Sr) type ferrite and barium (Ba) type ferrite are mainly hard ferrites, and the others are soft ferrites. Ferrite particles having such a composition have high magnetization. Therefore, when the pattern electrodes are applied, they are sufficiently aligned without applying an extremely strong magnetic field.
  • the Mn-based ferrite for example, one containing Fe in an amount of 48 mass% to 69 mass% and Mn in an amount of 1.5 mass% to 24 mass% can be used.
  • the Mn-Zn ferrite include those containing Fe in an amount of 47 mass% or more and 61 mass% or less, Mn in an amount of 7.5 mass% or more and 23 mass% or less, and Zn in a content ratio of 1 mass% or more and 14 mass% or less. Can be used.
  • the Ni-Zn ferrite includes, for example, Fe in an amount of 45% by mass to 50% by mass, Ni in an amount of 2% to 25% by mass, and Zn in an amount of 2.5% to 23% by mass. Can be used.
  • Examples of the Ni-Zn-Cu ferrite include 45 mass% or more and 50 mass% or less of Fe, 4 mass% or more and 10 mass% or less of Ni, 10 mass% or more and 20 mass% or less of Zn, and 0.5 of Cu. It is possible to use one containing a content of from 7% by mass to 7% by mass.
  • Sr-based ferrite for example, one containing 61% by mass or more and 65% by mass or less of Fe and 7% by mass or more and 10% by mass or less of Sr can be used.
  • the Mn-Mg-based ferrite includes, for example, Fe in an amount of 45 mass% or more and 55 mass% or less, Mn in an amount of 4 mass% or more and 24 mass% or less, and Mg in an amount of 0.1 mass% or more and 12 mass% or less. Can be used.
  • Mn-Mg-Sr ferrite examples include 45% by mass or more and 55% by mass or less of Fe, 4% by mass or more and 24% by mass or less of Mn, 0.1% by mass or more and 12% by mass or less of Mg, and 0 of Sr. It is possible to use a material containing a content of more than 3% by mass and less than 3% by mass.
  • the electrode forming material may contain components other than the ferrite composite powder.
  • conductive metal powder such as silver (Ag) powder, copper (Cu) powder, and nickel (Ni) powder may be contained in order to enhance the conductivity of the electrode. Further, it may contain a flux made of glass powder and other additives.
  • the proportion of the ferrite composite powder in the electrode forming material is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more.
  • the electrode forming material may consist of only the ferrite composite powder.
  • the electrode forming material may be any of dry powder, slurry containing a solvent, and paste containing a solvent and an organic binder.
  • the slurry or paste requires a drying process for removing the solvent and a debinding process for removing the organic binder. Therefore, from the viewpoint of simplicity of the process, the electrode forming material is preferably a dry powder containing no solvent or organic binder.
  • a method for producing the electrode forming material will be described.
  • the method for producing a ferrite composite powder includes a step of producing a ferrite powder composed of ferrite particles and a step of forming a coating layer on the ferrite particles. Each step will be described below.
  • the ferrite powder may be produced by a known method. For example, it can be produced by mixing raw materials, calcining the mixture, crushing the calcined product, granulating the crushed product, and spraying or main-calcining the granulated product.
  • a raw material known ferrite raw materials such as oxides, carbonates, hydroxides and chlorides can be used.
  • the raw materials may be mixed using a known mixer such as a Henschel mixer, and may be dry or wet, or both.
  • the obtained raw material mixture is calcined to obtain a calcined product.
  • the calcination is performed by a known method. For example, a rotary kiln, a continuous furnace, a batch furnace, or the like may be used.
  • the calcination conditions may be known conditions. For example, it may be performed at a temperature of 700 to 1300° C. in the atmosphere.
  • the crushing method is not particularly limited.
  • a grinder such as a vibration mill, a ball mill or a bead mill is used, and either one or both of a dry type and a wet type is used.
  • the granulation method may be a known method.
  • water and, if necessary, a binder such as polyvinyl alcohol and an additive such as a dispersant and/or a defoaming agent are added to the calcined product after pulverization to adjust the viscosity, and then a spray dryer or the like is used. Use a granulator.
  • the obtained granulated product may be subjected to a binder removal treatment to remove organic components such as a binder.
  • the condition of the debinding process may be determined according to the type of organic component such as the binder, and examples thereof include a condition of 500 to 900° C. in the air atmosphere.
  • the obtained granulated product is sprayed or main-baked to prepare a sprayed product or a baked product.
  • a mixed gas of combustion gas and oxygen can be used as the combustible gas combustion flame.
  • the volume ratio of combustion gas to oxygen is preferably 1:3.5 to 1:6.0.
  • the formation of particles having a small particle diameter due to the condensation of the volatilized material can be appropriately progressed. Further, the shape of the obtained ferrite particles can be adjusted appropriately. Further, the treatment such as classification in the subsequent step can be omitted or simplified, and the productivity of ferrite particles can be further improved. For example, it can be used in a proportion of oxygen 35Nm 3 / hr ⁇ 60Nm 3 / hr against the combustion gases 10 Nm 3 hr.
  • Propane gas, propylene gas, acetylene gas, etc. are mentioned as combustion gas used for thermal spraying.
  • propane gas can be preferably used.
  • nitrogen, oxygen, air or the like can be used as the carrier gas.
  • the flow rate of the granulated material conveyed is preferably 20 to 60 m/sec.
  • the thermal spraying is preferably carried out at a temperature of 1000 to 3500°C, more preferably 2000 to 3500°C.
  • the formation of particles having a relatively small particle size due to the condensation of the volatilized material can be further favorably promoted.
  • the shape of the obtained ferrite particles can be adjusted more suitably.
  • the treatment such as classification in the subsequent step can be omitted or simplified, and the productivity of ferrite particles can be further improved.
  • the particles that have been sprayed and ferriticized in this way are rapidly cooled and solidified in water or in the atmosphere, and they are collected by a cyclone and/or a filter. Then, the ferrite particles collected by the cyclone and/or the repair filter are classified as needed.
  • the particle size is adjusted to a desired particle size using an existing air classification, mesh filtration method, sedimentation, or the like. It is also possible to separate and collect particles having a large particle size by a cyclone or the like.
  • the firing conditions are not particularly limited and may be determined according to the composition of the ferrite particles. As an example, there may be mentioned a condition of holding at a temperature of 800 to 1500° C. for 1 to 24 hours in an air atmosphere. Further, the oxygen concentration in the furnace may be adjusted during the main firing. Furthermore, if necessary, the obtained fired product may be crushed using a known crusher such as a hammer mill.
  • the obtained sprayed product or fired product may be crushed and then classified to remove coarse particles and fine particles.
  • a known crusher such as a hammer mill may be used.
  • classification may be performed by a known method. For example, a method of classifying using a sieve and then classifying by airflow can be mentioned. In this way, a ferrite powder composed of ferrite particles is produced.
  • the coating layer is formed by subjecting the obtained ferrite powder (ferrite particles) to electroless plating of a conductive metal.
  • the electroless plating may be performed by a known method.
  • an underlayer may be formed on the ferrite particles prior to forming the coating layer. In this way, a ferrite composite powder composed of metal-coated ferrite particles is produced.
  • the electrode manufacturing method of the present invention comprises a step of depositing an electrode forming material on a substrate to form a deposit, and a step of sintering the deposit to make the deposit conductive. And a process. Each step will be described below.
  • the electrode forming material is deposited on the substrate to form a deposit.
  • the method of depositing is not particularly limited. For example, there is a method in which an electrode forming material is supplied from a nozzle and naturally deposited on a substrate. Alternatively, there may be mentioned a method in which an electrode forming material is placed on an air stream and sprayed onto a substrate.
  • a magnetic field is applied to the electrode forming material to align the metal-coated ferrite particles in the electrode forming material with the applied magnetic field.
  • the deposit electrode forming material
  • the magnetic field may be applied to the electrode forming material being deposited or may be applied to the electrode forming material (deposit) after being deposited. In either case, the metal-coated ferrite particles in the electrode forming material are aligned.
  • the means for generating the applied magnetic field is not limited as long as the desired pattern can be obtained.
  • a permanent magnet from the viewpoint of simplicity.
  • a known magnet such as a ferrite magnet or a rare earth magnet can be used. Further, it may be a sintered magnet or a bonded magnet. Alternatively, a developing method such as magnetography may be used.
  • Fig. 1 shows an example of magnetic field application means using a magnet.
  • a magnet (2) is provided immediately below the base body (1).
  • the base body (1) is made of a non-magnetic thin plate
  • the magnet (2) is a thin plate magnet.
  • the base (non-magnetic thin plate) (1) is arranged so that its thickness is oriented in the vertical direction
  • the magnet (thin plate magnet) (2) is arranged so that its thickness is oriented in the horizontal direction.
  • the magnet (thin plate magnet) (2) is magnetized so that the first surface (3) is the N pole and the second surface (4) facing the first surface (3) is the S pole. Therefore, the magnetic field lines (5) extend outside the magnet (2) along the direction from the N pole to the S pole.
  • FIG. 1 only the magnetic force lines (5) passing through the upper part of the magnet (2) are shown by arrows, and the other magnetic force lines are omitted.
  • the base body (1) is made of a non-magnetic thin plate
  • the magnetic field lines (5) pass through the base body (non-magnetic thin plate) (1). Therefore, when the electrode forming material is deposited on the substrate (1), the metal-coated ferrite particles (6) therein are aligned by being affected by the magnetic lines of force (5). In the example shown in FIG. 1, the metal-coated ferrite particles (6) are aligned along one side of the magnet (2) immediately below the substrate (1). Therefore, the electrode forming material (deposit) containing the metal-coated ferrite particles (6) is patterned into a fine line shape.
  • the shape of the magnet (2) may be a square plate shape, a disk shape, or an arbitrary polygonal plate shape.
  • the magnet (2) has a disc shape, it is possible to supply the electrode forming material onto the substrate (1) while rotating the magnet.
  • the material of the base body (1) is not limited as long as it is non-magnetic. Examples thereof include resin films such as polyamide-imide, epoxy resin or polyethylene terephthalate (PET), or ceramic thin plates or non-magnetic metal thin plates.
  • the substrate (1) is thin. This is because if the substrate (1) is too thick, a magnetic field sufficient to align the metal-coated ferrite particles will not be applied to the electrode-forming material.
  • the upper limit of the thickness of the base body (1) is not generally limited depending on the strength of the magnetic field generated by the magnet used. However, the thickness is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, still more preferably 1 mm or less.
  • a magnetic field applying means using a magnet there is a method of using the magnet itself as a base.
  • an electrode forming material is supplied onto a magnet that is a substrate.
  • the electrode forming material containing the metal-coated ferrite particles is adsorbed and deposited on the magnetic poles of the magnet.
  • a patterned deposit can be obtained by transferring the deposited electrode forming material to another substrate.
  • the electrode manufacturing method of the present invention is not limited to the mode in which a magnetic field is applied in the deposition step. Even if a magnetic field is not applied, an electrode having high conductivity can be obtained through the sintering process.
  • the deposit (electrode forming material) is sintered (fired), and the deposit is made electrically conductive to form an electrode.
  • the coating layer (conductive metal) of the metal-coated ferrite particles is bonded and integrated. Therefore, in the electrode after sintering, a three-dimensionally continuous metal matrix made of a conductive metal is formed, and the conductivity of the deposit (electrode) is developed.
  • the method of sintering is not limited as long as an electrode having desired conductivity can be obtained.
  • the substrate is made of a heat-resistant material such as a ceramic thin plate or a non-magnetic metal thin plate, it is possible to sinter the deposit together with the substrate in a sintering furnace.
  • the substrate is made of a non-heat-resistant material such as a resin film, it is preferable to perform the photo-baking method in order to minimize damage to the substrate.
  • the lower limit of the sintering temperature is determined by the material of the conductive metal, the composition of the electrode forming material, etc., and is not unequivocally limited. However, from the viewpoint of promoting the bonding of the coating layer (conductive metal), an excessively low sintering temperature is not preferable.
  • the sintering temperature is preferably 600° C. or higher, more preferably 700° C. or higher, even more preferably 800° C. or higher.
  • the upper limit of the sintering temperature is determined by the composition of the ferrite particles, the components of the electrode forming material, etc., and is not unconditionally limited.
  • the sintering temperature is excessively high, the conductive metal in the coating layer may diffuse into the ferrite particles, or only the coated metal may agglomerate, and the conductivity of the electrode may not be obtained.
  • the sintering temperature is preferably 1350°C or lower, more preferably 1320°C or lower, still more preferably 1300°C or lower.
  • the sintering holding time is preferably 1 minute to 2 hours.
  • an atmosphere in which the conductive metal forming the coating layer is not oxidized is not oxidized.
  • an atmosphere include a weak reducing atmosphere (for example, a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas), a low oxygen atmosphere, an oxygen-free atmosphere, a vacuum atmosphere, and an inert gas atmosphere.
  • the oxygen concentration in the atmosphere is preferably 10% by volume or less, more preferably 5% by volume or less, still more preferably 1% by volume or less.
  • the electrode is formed from the electrode forming material.
  • the resulting electrode contains a matrix of conductive metal and ferrite particles dispersed therein.
  • the metal matrix made of a conductive metal has a three-dimensional continuous structure. Therefore, the electrode exhibits high conductivity.
  • a pattern electrode can be obtained by applying a magnetic field to the electrode forming material in the deposition step.
  • Electrodes The present invention also relates to electrodes.
  • the electrode of the present invention includes a matrix made of a conductive metal and ferrite particles dispersed in the matrix.
  • the method for producing the electrode of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include production by the above-mentioned method for producing the electrode. With respect to the matrix and the ferrite particles dispersed in the matrix, the cross section of the electrode can be confirmed using a scanning electron microscope (SEM) after the electrode is formed.
  • SEM scanning electron microscope
  • Example 1 (nickel (Ni) coating layer) (1) Preparation of ferrite composite powder (ferrite composite particles) ⁇ mixing of raw materials> Iron oxide (Fe 2 O 3 ) and trimanganese tetroxide (Mn 3 O 4 ) were used as raw materials, weighed at a ratio of Fe 2 O 3 : 80 mol, Mn 3 O 4 : 6.67 mol, and a Henschel mixer was used. Mixed.
  • Polyvinyl alcohol (PVA) as a binder was added to the obtained slurry in an amount of 0.3% by mass in terms of solid content, and 0.25% by weight of a dispersant (polycarboxylic acid compound) and an antifoaming agent (polyhydric alcohol compound). 0.2 wt% was added. Then, the slurry to which the dispersant and the defoaming agent were added was granulated using a spray dryer to obtain a granulated product.
  • a dispersant polycarboxylic acid compound
  • an antifoaming agent polyhydric alcohol compound
  • ferrite composite powder composed of metal-coated ferrite particles having a nickel (Ni) coating layer on the surface was obtained.
  • the obtained ferrite composite powder had a nickel (Ni) coating layer thickness of 200 nm. This ferrite composite powder was used as an electrode forming material.
  • Example 2 (copper (Cu) coating layer) (1) Preparation of ferrite composite powder (ferrite composite particles) A ferrite composite powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that a copper (Cu) coating layer was formed instead of the nickel (Ni) coating layer. The obtained ferrite composite powder had a copper (Cu) coating layer thickness of 200 nm. This ferrite composite powder was used as an electrode forming material.
  • Example 3 (silver (Ag) coating layer) (1) Preparation of ferrite composite powder (ferrite composite particles) ⁇ mixing of raw materials> As raw materials, iron oxide (Fe 2 O 3 ), trimanganese tetraoxide (Mn 3 O 4 ), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) and strontium carbonate (SrCO 3 ) were used, and Fe 2 O 3 : 50 mol, Mn 3 O 4 :13.30 mol, Mg(OH) 2 :10 mol and SrCO 3 :0.2 mol were weighed in proportions and mixed using a Henschel mixer.
  • Fe 2 O 3 50 mol
  • Mn 3 O 4 13.30 mol
  • Mg(OH) 2 :10 mol and SrCO 3 :0.2 mol were weighed in proportions and mixed using a Henschel mixer.
  • the obtained mixture was pre-baked at 950° C. for 4 hours in the air using a rotary kiln.
  • the obtained calcined product was coarsely pulverized using a dry bead mill, then water was added, and finely pulverized using a wet bead mill.
  • the obtained slurry had a solid content concentration of 55 mass %, and the particle size of the pulverized powder in the slurry (slurry particle size) was 1.85 ⁇ m.
  • Polyvinyl alcohol (PVA) as a binder was added to the obtained slurry in an amount of 0.3% by mass in terms of solid content, and further a dispersant and a defoaming agent were added. Then, the slurry to which the dispersant and the defoaming agent were added was granulated using a spray dryer.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • ferrite composite powder composed of metal-coated ferrite particles having a silver (Ag) coating layer on the surface was obtained.
  • the thickness of the silver (Ag) coating layer was 200 nm. This ferrite composite powder was used as an electrode forming material.
  • Example 4 (ferrite powder without coating layer) (1) Preparation of ferrite composite powder (ferrite composite particles) ⁇ mixing of raw materials> Iron oxide (Fe 2 O 3 ) and trimanganese tetroxide (Mn 3 O 4 ) were used as raw materials, weighed at a ratio of Fe 2 O 3 : 80 mol, Mn 3 O 4 : 6.67 mol, and a Henschel mixer was used. Mixed.
  • Fe 2 O 3 Iron oxide
  • Mn 3 O 4 trimanganese tetroxide
  • Polyvinyl alcohol (PVA) as a binder was added to the obtained slurry in an amount of 0.3% by mass in terms of solid content, and 0.25% by weight of a dispersant (polycarboxylic acid compound) and an antifoaming agent (polyhydric alcohol compound). 0.2 wt% was added. Then, the slurry to which the dispersant and the defoaming agent were added was granulated using a spray dryer to obtain a granulated product.
  • a dispersant polycarboxylic acid compound
  • an antifoaming agent polyhydric alcohol compound
  • Electrode forming material Various characteristics of the electrode forming material (ferrite composite powder) obtained in Examples 1 to 4 were evaluated as follows.
  • the magnetic properties (saturation magnetization ( ⁇ s), remanent magnetization ( ⁇ r) and coercive force (Hc)) of the ferrite composite powder were measured as follows. First, the sample was packed in a cell having an inner diameter of 5 mm and a height of 2 mm, and set in a vibration sample type magnetometer (VSM-C7-10A, Toei Industry Co., Ltd.). Next, an applied magnetic field was applied to sweep up to 5 kOe, and then the applied magnetic field was decreased to draw a hysteresis curve. After that, the saturation magnetization ⁇ s, the residual magnetization ⁇ r, and the coercive force Hc of the sample were obtained from the data of this curve.
  • saturation magnetization ⁇ s, the residual magnetization ⁇ r, and the coercive force Hc of the sample were obtained from the data of this curve.
  • the metal component content of the ferrite composite powder was measured as follows. First, 0.2 g of a sample was weighed, 20 ml of 1N hydrochloric acid and 20 ml of 1N nitric acid were added to 60 ml of pure water, and then heated to prepare an aqueous solution in which the sample was completely dissolved. The obtained aqueous solution was set in an ICP analyzer (ICPS-10001V, Shimadzu Corporation), and the metal component content was measured. Similarly, the metal component content of the ferrite powder (ferrite particles) included in the ferrite composite powder was similarly measured. Table 1 shows the metal component content of the ferrite powder (ferrite particles).
  • ⁇ True density> The true density of the ferrite composite powder was measured according to JIS Z 8807:2012 using a fully automatic true density measuring device Macpycno manufactured by Mountech Co., Ltd.
  • the tap density of the ferrite composite powder refers to the density obtained by measurement according to JIS R1628.
  • a USP tap density measuring device (Powder Tester PT-X, manufactured by Hosokawa Micron Corporation) was used as the tapping device.
  • the particle size distribution of the ferrite composite powder was measured as follows. First, 10 g of a sample and 80 ml of water were placed in a 100 ml beaker, and 2 drops of sodium hexametaphosphate as a dispersant was added. Next, dispersion was performed using an ultrasonic homogenizer (SH-type, UH-150 type). At this time, the output level of the ultrasonic homogenizer was set to 4, and dispersion was performed for 20 seconds. After that, the bubbles formed on the surface of the peaker were removed, and the measurement was carried out by introducing it into a laser diffraction particle size distribution analyzer (Shimadzu Corporation, SALD-7500 nano).
  • volume average particle diameter (D10) 10% diameter (volume average particle diameter (D10)), 50% diameter (volume average particle diameter (D50)) and 90% diameter (volume average particle diameter (D90)) in the volume particle size distribution were obtained.
  • the measurement conditions were a pump speed of 7, a built-in ultrasonic wave irradiation time of 30, and a refractive index of 1.70-050i.
  • ⁇ Shape factor> The shape factors (SF-1 and SF-2) of the ferrite composite powder were measured as follows. First, the sample was observed with a scanning electron microscope (SU-8020, Hitachi High-Technologies Corporation) and an energy dispersive X-ray analyzer (EDX; E-MAX, Horiba, Ltd.). The magnification was set to 1000 times during observation. Then, using the particle analysis function attached to EDX, the maximum length (horizontal ferret diameter) R (unit: ⁇ m) of 100 particles in the sample, the projected perimeter L (unit: ⁇ m) and the projected area S (unit: ⁇ m 2 ) was automatically measured.
  • EDX energy dispersive X-ray analyzer
  • SF-1 and SF-2 were calculated according to the following equations (1) and (2), and the average values for 100 particles were calculated as SF-1 and SF-2 of the powder, respectively.
  • Formula (1): SF-1 (R 2 /S) ⁇ ( ⁇ /4) ⁇ 100
  • Formula (2): SF-2 (L 2 /S/4 ⁇ ) ⁇ 100
  • the thickness of the coating layer was determined as follows. The thickness of the coating layer was measured by observing the cross section of the ferrite composite particles with a scanning electron microscope (SEM). Specifically, 9 g of the powder to be measured and 1 g of the powdered resin were put in a 50 cc glass bottle, mixed for 30 minutes with a ball mill, and the obtained mixture was put into a die having a diameter of 13 mm and pressure-molded at a pressure of 30 MPa. After that, the molded body was embedded in a resin in a vertically standing state so that the cross section could be seen, and polished by a polishing machine to obtain a thickness measurement sample.
  • SEM scanning electron microscope
  • the SEM is a SU-8020 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, and is photographed in an acceleration voltage of 1 KV, LA mode.
  • the EDX is an X-MAX manufactured by HORIBA, Ltd., and the image information is obtained from the SEM in an acceleration voltage of 15 KV, LA mode. Particle analysis was performed while obtaining.
  • As the powder resin Kynar 301F manufactured by Arkema was used.
  • the evaluation results of the ferrite composite powder are as shown in Table 2. It was confirmed that the ferrite composite powders of Examples 1 to 3 had a high saturation magnetization ( ⁇ s) even after metal coating and were at a level that could be sufficiently used. In addition, as a result of elemental analysis, nickel (Ni), copper (Cu), or silver (Ag) as a coating layer component was detected, which confirmed that the coating layer was formed. Further, it was found that the ferrite composite powder was composed of spherical particles having small shape factors SF-1 and SF-2 (close to 100) and little surface irregularities. Further, it was found that the ferrite composite powder has a relatively high tap density and is excellent in fluidity and filling property.
  • a continuity test was conducted on the fine wire pattern on the substrate in the electrodes obtained in Examples 1 to 3.
  • a 2000 type digital multimeter manufactured by KEITHELY was used, and it was judged to be conductive if the measured value in the resistance measurement mode was 0.1 ⁇ or less.
  • the electrodes obtained in Examples 1 to 3 were measured, the measured value was 0.1 ⁇ or less, and the electrodes obtained in Examples 1 to 3 were capable of functioning as electrodes because they were conductive. Recognize.
  • Example 2 the electrode cross section was observed using a scanning electron microscope (SEM). The obtained SEM image is shown in FIG. In FIG. 2, the round portion having a gray color tone is ferrite particles, and the white portion (light gray) is copper (Cu). As shown in FIG. 2, in the electrode, the conductive metal, copper (Cu), constituted a continuous metal matrix. This confirms that the electrode has high conductivity. Further, the ferrite particles were dispersed in the matrix.
  • an electrode forming material it is possible to provide an electrode forming material, an electrode manufacturing method, and an electrode capable of forming an electrode by a simple method.

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Abstract

簡易な手法で電極を形成することができる電極形成材料、電極の製造方法及び電極を提供する。 フェライト複合粉末を含む電極形成材料であって、 前記フェライト複合粉末が、複数の金属被覆フェライト粒子から構成され、 前記金属被覆フェライト粒子が、フェライト粒子と、該フェライト粒子の表面に設けられた導電性金属を含む被覆層と、を備える、材料。

Description

電極形成材料、電極の製造方法及び電極
 本発明は、電極形成材料、電極の製造方法及び電極に関する。
 従来から、電子部品の電極の形成方法として、導電性ペーストを用いた焼き付け法(厚膜法)、電気めっき法及び物理気相成長による薄膜法などが知られている。このうち、焼き付け法は、手法が簡易で且つ厚く導電性に優れた電極が得られるため、広く用いられている。焼き付け法では、銀粉などの導電性金属粉を含有する導電性ペーストを、基体上に塗布及び乾燥し、その後、焼結して電極が形成される。
 焼き付け法では、細線電極などのパターン化された電極(パターン電極)を得るために、印刷スクリーンを用いる手法、電極をエッチングする手法、あるいは感光性導電性ペーストを用いる手法が用いられている。このうち、印刷スクリーンを用いる手法では、所定のパターンを有する印刷スクリーンを用いて、基体上に導電性ペーストをパターン印刷する。電極をエッチングする手法では、焼結後の電極にフォトレジストをコーティングし、露光、現像及びエッチングを行い、パターン電極とする。感光性導電性ペーストを用いる手法では、導電性ペースト中に感光性樹脂を加え、基体上に塗布した感光性導電性ペーストに、マスクを用いた露光及び現像を行う。
 このような焼き付け法(厚膜法)による電極形成方法は、特許文献1及び特許文献2に開示されている。例えば、特許文献1には、金属板、樹脂板、ガラス板あるいはセラミックス板のような基板上に分散型導電性ペーストをパターン形成し、これを電気伝導性を有する粉末と結合剤としての樹脂粉末とを混合した材料の面に当て加圧成形すると同時に電極パターンを転写することを特徴とする電極の形成法に関して、基板上に分散型導電性ペーストをスクリーン印刷する旨が記載されている(特許文献1の請求項1及び発明の構成欄)。
 また、特許文献2には、光重合性モノマーと、光重合性開始剤と、銀粉末等の金属粉末と、を含んで構成されることを特徴とする電極用ペースト組成物及び基板に前記電極用ペースト組成物を塗布する段階と、マスクを配置する段階と、露光を行う段階と、現像する段階と、基板にパターニングされた電極用ペースト組成物を焼成する段階とを含む、プラズマディスプレイパネルの製造方法が開示されている(特許文献2の請求項1及び請求項10)。
日本国特開平1-136306号公報 日本国特開2008-66268号公報
 しかしながら、従来の焼き付け法(厚膜法)による電極形成には、種種の問題点がある。すなわち、焼き付け法で用いられる導電性ペーストには、多くの場合、メチルエチルケトン(MEK)等の有機溶剤が含まれており、ペーストの塗布及び乾燥の際に、環境空気の汚染や作業者への健康障害を防止するための方策をとる必要がある。また、パターン電極を形成する際、多くの場合、パターン以外の領域に設けられたペーストや電極は破棄される。したがって、材料ロスが発生し、製造コスト上昇につながる。また、エッチングや感光性導電性ペーストを用いる手法では、露光工程や現像工程といった煩雑な工程が多く必要であり、サイクルタイムが長くなるという問題がある。
 本発明者は、特定の金属被覆フェライト粒子から構成されるフェライト複合粉末が電極形成材料となり得ること、及びこの電極形成材料を用いることで、簡易な手法で電極を製造できるとの知見を得た。
 本発明は、このような知見に基づき完成されたものであり、簡易な手法で電極を形成することができる、電極形成材料、電極の製造方法及び電極の提供を課題とする。
 本発明は、下記(1)~(10)の態様を包含する。なお、本明細書において、「~」なる表現は、その両端の数値を含む。すなわち、「X~Y」は、「X以上Y以下」と同義である。
(1)フェライト複合粉末を含む電極形成材料であって、
 前記フェライト複合粉末が、複数の金属被覆フェライト粒子から構成され、
 前記金属被覆フェライト粒子が、フェライト粒子と、該フェライト粒子の表面に設けられた導電性金属を含む被覆層と、を備える、材料。
(2)前記導電性金属が、銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1種又は2種以上の金属を含む、上記(1)に記載の材料。
(3)前記被覆層の厚さが10~1000nmである、上記(1)又は(2)に記載の材料。
(4)前記フェライト複合粉末の体積平均粒子径(D50)が、1~50μmである、上記(1)~(3)のいずれか一項に記載の材料。
(5)前記フェライト複合粉末の形状係数SF-1が、100~130である、上記(1)~(4)のいずれか一項に記載の材料。
(6)前記フェライト粒子が、マンガン(Mn)系フェライト、マンガン-亜鉛(Mn-Zn)系フェライト、ニッケル(Ni)系フェライト、ニッケル-亜鉛(Ni-Zn)系フェライト、ニッケル-亜鉛-銅(Ni-Zn-Cu)系フェライト、マグネシウム(Mg)系フェライト、マグネシウム-亜鉛(Mg-Zn)系フェライト、ストロンチウム(Sr)系フェライト、バリウム(Ba)系フェライト、マンガン-マグネシウム(Mn-Mg)系フェライト、マンガン-マグネシウム-ストロンチウム(Mn-Mg-Sr)系フェライトからなる群から選ばれる1種又は2種以上からなる、上記(1)~(5)のいずれか一項に記載の材料。
(7)上記(1)~(6)のいずれか一項に記載の電極形成材料を、基体上に堆積して堆積物とする堆積工程と、前記堆積物を焼結し、堆積物に導電性を持たせる焼結工程と、を含む、電極の製造方法。
(8)前記堆積工程の際、電極形成材料に磁場を印加し、印加磁場により電極形成材料中の金属被覆フェライト粒子を整列させて、堆積物をパターニングする、上記(7)に記載の方法。
(9)前記基体が非磁性薄板であり、前記堆積工程の際、非磁性薄板の下に設けられた磁石が発生する印加磁場により、金属被覆フェライト粒子を整列させる、上記(8)に記載の方法。
(10)導電性金属からなるマトリックスと、前記マトリックス中に分散されてなるフェライト粒子とを含む、電極。
 本発明によれば、簡易な手法で電極を形成することができる、電極形成材料、電極の製造方法及び電極が提供される。
磁石を用いた磁場印加の手段の一例を示す。 例2の電極断面のSEM像を示す。
 電極形成材料
 本発明の電極形成材料は、フェライト複合粉末を含む。フェライト複合粉末は、複数の金属被覆フェライト粒子(「フェライト複合粒子」ともいう)から構成される。すなわち、フェライト複合粉末は、複数の金属被覆フェライト粒子の集合体である。また、金属被覆フェライト粒子は、フェライト粒子と被覆層を備える。
 本発明の電極形成材料は、金属被覆フェライト粒子の被覆層が導電性金属を含む。この導電性金属は、電極形成材料を焼結して得た電極の導電性成分として機能する。そのため、本発明の電極形成材料を用いることで、簡易な手法で、導電性の高い電極を得ることができる。
 また、電極形成材料は、金属被覆フェライト粒子を含む。そのため、電極形成時に磁場印加することで、電極形成材料及びその焼結体たる電極のパターニングが可能である。すなわち、金属被覆フェライト粒子は、強磁性体たるフェライト粒子を含んでいる。そのため、磁場を印加すると、磁力線に従って整列(配列)する。このとき、磁力線の向き及び強さを調整することで、フェライト粒子の整列パターンを制御でき、その結果、電極形成材料及び電極に種種のパターンを付与することができる。
 導電性金属として、特に限定されないが、公知の電極材料である銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)及びこれらの組み合わせからなる合金などを使用することができる。しかしながら、導電性金属は、銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1種又は2種以上の金属を含むのが好ましい。これらの金属や合金は、安価で導電性に優れるからである。
 なお、本明細書において、金属は合金又は金属間化合物を含む概念である。したがって、被覆層は、銀(Ag)、銅(Cu)又はニッケル(Ni)のみからなっていてもよく、これらの金属の合金又は金属間化合物であってもよい。あるいは、銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)以外の金属を含む合金又は金属間化合物であってもよい。しかしながら、被覆層中の銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)の含有量(複数種含む場合はその合計量)は、50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。
 被覆層が、銀(Ag)及び銅(Cu)のみからなる場合、被覆層中の銀(Ag)の含有量と銅(Cu)の含有量との質量比(銀(Ag)の含有量:銅(Cu)の含有量)は、5:95~95:5が好ましく、15:85~85:15がより好ましい。
 被覆層が、銀(Ag)及びニッケル(Ni)のみからなる場合、被覆層中の銀(Ag)の含有量とニッケル(Ni)の含有量との質量比(銀(Ag)の含有量:ニッケル(Ni)の含有量)は、5:95~95:5が好ましく、15:85~85:15がより好ましい。
 被覆層が、銅(Cu)及びニッケル(Ni)のみからなる場合、被覆層中の銅(Cu)の含有量とニッケル(Ni)の含有量との質量比(銅(Cu)の含有量:ニッケル(Ni)の含有量)は、5:95~95:5が好ましく、15:85~85:15がより好ましい。
 また、被覆層が、銀(Ag)、銅(Cu)、及びニッケル(Ni)のみからなる場合は、下記の(態様1)~(態様4)が好ましい。
(態様1)
 被覆層中の銀(Ag)の含有量は、60~80質量%であり、
 被覆層中の銅(Cu)の含有量は、5~20質量%であり、
 被覆層中のニッケル(Ni)の含有量は、5~20質量%であり、
 上記銀(Ag)の含有量、銅(Cu)の含有量、ニッケル(Ni)の含有量の合計量が100質量%である。
(態様2)
 被覆層中の銀(Ag)の含有量は、5~20質量%であり、
 被覆層中の銅(Cu)の含有量は、60~80質量%であり、
 被覆層中のニッケル(Ni)の含有量は、5~20質量%であり、
 上記銀(Ag)の含有量、銅(Cu)の含有量、ニッケル(Ni)の含有量の合計量が100質量%である。
(態様3)
 被覆層中の銀(Ag)の含有量は、5~20質量%であり、
 被覆層中の銅(Cu)の含有量は、5~20質量%であり、
 被覆層中のニッケル(Ni)の含有量は、60~80質量%であり、
 上記銀(Ag)の含有量、銅(Cu)の含有量、ニッケル(Ni)の含有量の合計量が100質量%である。
(態様4)
 被覆層中の銀(Ag)の含有量は、20~50質量%であり、
 被覆層中の銅(Cu)の含有量は、20~50質量%であり、
 被覆層中のニッケル(Ni)の含有量は、20~50質量%であり、
 上記銀(Ag)の含有量、銅(Cu)の含有量、ニッケル(Ni)の含有量の合計量が100質量%である。
 被覆層の厚さは、10~1000nmが好ましい。被覆層が厚いほど、フェライト複合粉末中の導電性成分の割合が多くなり、電極とした場合の電極の導電性が高くなる。一方で、被覆層が過度に厚いと、フェライト粒子の割合が少なくなる。被覆層の厚さは、50~500nmがより好ましく、100~200nmがさらに好ましい。
 被覆層(金属被覆層ともいう)の厚さは、フェライト複合粒子の断面観察により、測定できる。具体的には、以下の通りである。
 被覆層の厚さはフェライト複合粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)による観察で測定することができる。具体的には測定対象の粉末9gと粉末樹脂1gを50ccガラス瓶に入れ、ボールミルにて30分間混合し、得られた混合物を直径13mmのダイスに入れて30MPaの圧力で加圧成型した。その後、成形体の断面が見えるように垂直に立てた状態で樹脂に包埋し、研磨機で研磨して厚さ測定用サンプルとした。次に、準備した厚さ測定用サンプルを倍率500~5000倍(概ね位1粒子が1視野に収まる倍率)のSEMにて20粒子撮影する。その後、粒子断面全体をEDXで元素分析し、被覆層の存在を確定したのち、1粒子あたり5か所選び撮影したSEM像から測長機能を使って求め、撮影した20粒子の5か所の平均の厚さを被覆層の厚さとした。
 なお、SEMは日立ハイテクノロジーズ社製SU-8020を用い、加速電圧1KV,LAモードで撮影し、EDXは堀場製作所社製X―MAXを使用し、加速電圧15KV,LAモードでSEMから画像情報を得ながら粒子解析を行った。
 上記粉末樹脂としてアルケマ社製Kynar301Fを使用した。
 被覆層は、均一に形成されていてもよいし、不均一に形成されていてもよい。粒子の被覆率は粒子の表面積の50%以上が被覆されていればよく、70%以上被覆されていることが好ましい。ここで、被覆率は粒子の断面SEM写真を撮影し、被覆率=金属被覆層が存在する部分(長さ)/複合粒子の周囲長×100(%)とし、少なくとも100粒子以上の複数の粒子について被覆率を算出したものを平均して求める。具体的には得られた断面SEM写真に対して画像解析を行い、粒子表面に存在する金属被覆層の面積を算出し、金属被覆層が存在する部分(長さ)=金属被覆層の面積/金属被覆層の厚さとすることで金属被覆層が存在する部分(長さ)を求める。金属被覆層の厚さは、上記の方法により求める。粒子の周囲長についても画像解析によって求める。なお、金属被覆層の厚さが極端に薄い場合には被覆率が100%を計算上超えることがあるが、その場合は100%とする。
 被覆層は、導電性金属以外の成分を含んでいてもよい。このような成分の例として、被覆層形成時に設けられた下地層由来の成分が挙げられる。しかしながら、導電性の高い電極を得る観点から、導電性金属の含有量は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましく、95質量%以上がさらに好ましく、99質量%以上が特に好ましい。
 金属被覆フェライト粒子は、被覆層以外の層を備えていてもよい。したがって、フェライト粒子と被覆層の間に中間層が設けられてもよく、被覆層の上に表面層が設けられていてもよい。このような中間層として、被覆層形成の際に設けられる下地層や、フェライト粒子と被覆層の間の密着性改善のための密着層が挙げられる。下地層として、例えば、パラジウム(Pd)含有層が挙げられる。また、表面層としては、フェライト複合粉末の流動性等の性質を改善するための表面処理層が挙げられる。
 フェライト複合粉末の体積平均粒子径(D50)は、1~50μmが好ましい。体積平均粒子径を1μm以上とすることで、粒子の流動性を高めることができる。体積平均粒子径が過度に小さい粒子は、凝集しやすいからである。体積平均粒子径は、10μm以上がより好ましく、15μm以上がさらに好ましい。一方で、体積平均粒子径を50μm以下とすることで、緻密な電極とすることができる。粒子径が過度に大きな粒子は、堆積したときに大きな空隙を生じさせ易いからである。体積平均粒子径は、40μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。
 フェライト複合粉末の体積平均粒子径(D50)、体積平均粒子径(D10)、及び体積平均粒子径(D90)を、次のようにして測定した。まず、試料10g及び水80mlを100mlのビーカーに入れ、分散剤としてヘキサメタリン酸ナトリウムを2滴添加した。次いで、超音波ホモジナイザー(株式会社エスエムテー、UH-150型)を用いて分散を行った。このとき、超音波ホモジナイザーの出力レベルを4に設定し、20秒間の分散を行った。その後、ピーカー表面にできた泡を取り除き、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所株式会社、SALD-7500nano)に導入して測定を行った。この測定により、体積粒度分布における10%径(体積平均粒径(D10))、50%径(体積平均粒径(D50))及び90%径(体積平均粒径(D90))を求めた。ここで、測定条件はポンプスピード7、内蔵超音波照射時間30、屈折率1.70-050iとした。
 フェライト複合粉末の体積平均粒径(D10)は、0.1~30μmが好ましく、1~20μmがより好ましく、3~10μmがさらに好ましい。
 フェライト複合粉末の体積平均粒径(D90)は、15~80μmが好ましく、15~60μmがより好ましく、15~45μmがさらに好ましい。
 フェライト複合粉末中の粒子の形状は限定されず、任意の形状であってよい。しかしながら、形状は、球状又は多面体形状が好ましい。球状又は多面体形状の粒子とすることで、粒子の流動性が高まり、緻密な電極とすることができる。
 フェライト複合粉末の形状係数SF-1は、100~130が好ましい。SF-1は、粒子の球形度の指標となるものである。SF-1は、完全な球形では100となり、球形から離れるほど大きくなる。SF-1を130以下とすることで、粒子の流動性が高まる。SF-1は、120以下がより好ましく、110以下がさらに好ましい。
 フェライト複合粉末の形状係数SF-2は、100~120が好ましい。SF-2は、粒子表面の凹凸程度を示す指標となるものである。SF-2は、表面の凹凸が無ければ100となり、凹凸が深くなるほど大きくなる。SF-2を120以下とすることで、表面の凹凸が少なく均一に金属の被覆層が形成されていることを意味しており、堆積時に複合粒子同士が密に詰まりやすく、焼結による被覆した金属元素のネットワークの形成を早める効果が期待できる。一方で、凹凸が過度に深いと、粒子の流動性が阻害される。したがって、SF-2を120以下とすることで、電極形成の粒子の流動性が向上し、電極のより一層の高密度化を図ることが可能となる。形状係数SF-2は、100~118がより好ましく、100~115がさらに好ましい。
 なお、形状係数SF-1及びSF-2は、例えば、次のようにして求めることができる。すなわち、フェライト複合粒子を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、粒子の最大長(水平フェレ径)R(単位:μm)、投影周囲長L(単位:μm)及び投影面積S(単位:μm)を求める。その後、下記式(1)、式(2)にしたがって、粒子のSF-1及びSF-2を算出する。複数の粒子について、同様の操作を行って、粒子のSF-1及びSF-2を求め、その平均値を算出することで、フェライト複合粉末のSF-1及びSF-2とする。
式(1): SF-1=(R/S)×(π/4)×100、
式(2): SF-2=(L/S/4π)×100
 フェライト複合粉末の真密度は、5g/cm以上8g/cm以下であるのが好ましく、5.2g/cm以上7.5g/cm以下であるのがより好ましい。
 フェライト複合粉末の真密度は、JIS Z 8807:2012に準拠して、マウンテック社製全自動真密度測定装置Macpycnoを用いて測定した。
 フェライト複合粉末のタップ密度は、3.0g/cm以上5.5g/cm以下であるのが好ましく、3.2g/cm以上5.0g/cm以下であるのがより好ましい。
 なお、本明細書中において、タップ密度とは、JIS R1628に準拠した測定により求められる密度のことをいう。
 タッピング装置としては、USPタップ密度測定装置(パウダテスタPT-X、ホソカワミクロン社製)を用いることができる。
 フェライト粒子はフェライト成分を主として含有する。ここで、主として含有するとは、フェライト成分の含有量が50質量%以上であることを意味する。フェライト成分の含有量を高くすることで、フェライトに基づく効果を十分に発揮させることが可能となる。
 フェライト粒子の組成は、強磁性を示す限り、特に限定されない。しかしながら、フェライト粒子が、マンガン(Mn)系フェライト、マンガン-亜鉛(Mn-Zn)系フェライト、ニッケル(Ni)系フェライト、ニッケル-亜鉛(Ni-Zn)系フェライト、ニッケル-亜鉛-銅(Ni―Zn―Cu)系フェライト、マグネシウム(Mg)系フェライト、マグネシウム-亜鉛(Mg-Zn)系フェライト、ストロンチウム(Sr)系フェライト、バリウム(Ba)系フェライト、マンガン-マグネシウム(Mn-Mg)系フェライト、マンガン-マグネシウム-ストロンチウム(Mn-Mg-Sr)系フェライトからなる群から選ばれる1種又は2種以上からなるのが好ましい。このうち、ストロンチウム(Sr)系フェライト及びバリウム(Ba)系フェライトは主としてハードフェライトであり、その他はソフトフェライトである。このような組成を有するフェライト粒子は高い磁化を有する。したがって、パターン電極を印加する際、極端に強い磁場を印加しなくても、十分に整列する。
 より具体的には、Mn系フェライトとしては、例えば、Feを48質量%以上69質量%以下、Mnを1.5質量%以上24質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Mn-Zn系フェライトとしては、例えば、Feを47質量%以上61質量%以下、Mnを7.5質量%以上23質量%以下、Znを1質量%以上14質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Ni-Zn系フェライトとしては、例えば、Feを45質量%以上50質量%以下、Niを2質量%以上25質量%以下、Znを2.5質量%以上23質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Ni-Zn-Cu系フェライトとしては、例えば、Feを45質量%以上50質量%以下、Niを4質量%以上10質量%以下、Znを10質量%以上20質量%以下、Cuを0.5質量%以上7質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Sr系フェライトとしては、例えば、Feを61質量%以上65質量%以下、Srを7質量%以上10質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Mn-Mg系フェライトとしては、例えば、Feを45質量%以上55質量%以下、Mnを4質量%以上24質量%以下、Mgを0.1質量%以上12質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 Mn-Mg-Sr系フェライトとしては、例えば、Feを45質量%以上55質量%以下、Mnを4質量%以上24質量%以下、Mgを0.1質量%以上12質量%以下、Srを0質量%超3質量%以下の含有率で含むものを用いることができる。
 電極形成材料は、フェライト複合粉末以外の他の成分を含んでいてもよい。例えば、電極の導電性を高めるために、銀(Ag)粉、銅(Cu)粉及びニッケル(Ni)粉などの導電性金属粉を含んでいてもよい。また、ガラス粉末からなる融剤やその他の添加剤を含んでいてもよい。しかしながら、磁場印加によるパターニングの効果を高める観点から、電極形成材料中のフェライト複合粉末の割合は、50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。電極形成材料はフェライト複合粉末のみからなってもよい。
 また、電極形成材料は、乾粉、溶媒を含んだスラリー、並びに溶媒及び有機バインダーを含んだペーストのいずれの態様であってよい。しかしながら、スラリーやペーストは、溶媒を除去するための乾燥処理や、有機バインダーを除去するための脱バインダー処理が必要である。したがって、工程の簡易さの観点から、電極形成材料は、溶媒や有機バインダーを含まない乾粉であるのが好ましい。
 電極形成材料の製造
 次に、電極形成材料の製造方法について説明する。電極形成材料を製造するには、まずフェライト複合粉末を作製する。フェライト複合粉末の製造方法は、フェライト粒子で構成されるフェライト粉末を作製する工程と、フェライト粒子に被覆層を形成する工程と、を備える。各工程について、以下において説明する。
<フェライト粉末の作製>
 フェライト粉末は、公知の手法で作製すればよい。例えば、原料を混合し、混合物を仮焼成し、仮焼成物を粉砕し、粉砕物を造粒し、造粒物を溶射又は本焼成して作製することができる。原料として、酸化物、炭酸塩、水酸化物及び塩化物などの公知のフェライト原料を使用することができる。また、原料の混合は、ヘンシェルミキサー等の公知の混合機を用いて行い、乾式及び湿式のいずれか一方又は両方で行えばよい。
 次に、得られた原料混合物を仮焼成して、仮焼成物とする。仮焼成は公知の手法で行う。例えば、ロータリーキルン、連続炉、バッチ炉などの炉を用いて行えばよい。仮焼成条件も公知の条件でよい。例えば、大気雰囲気下、700~1300℃の温度で行えばよい。
 その後、得られた仮焼成物を粉砕及び造粒して、造粒物とする。粉砕方法は、特に限定されない。例えば、振動ミル、ボールミル又はビーズミルなどの粉砕機を用い、乾式及び湿式のいずれか一方又は両方で行う。造粒方法も公知の手法でよい。例えば、粉砕後の仮焼物に、水と、必要に応じてポリビニルアルコール等のバインダーと、分散剤及び/又は消泡剤などの添加剤を加えて粘度を調整し、その後、スプレードライヤー等の造粒機を用いて行う。また、必要に応じて、得られた造粒物に脱バインダー処理を施し、バインダー等の有機成分を除去してもよい。脱バインダー処理の条件は、バインダー等の有機成分の種類に応じて決めればよいが、例えば、大気雰囲気中500~900℃の条件が挙げられる。
 次に、得られた造粒物を溶射又は本焼成して、溶射物又は焼成物を作製する。
 溶射により溶射物を作製する場合には、可燃性ガス燃焼炎として燃焼ガスと酸素との混合気体を用いることができる。燃焼ガスと酸素との容量比は、1:3.5~1:6.0であるのが好ましい。揮発した材料の凝縮による粒径が小さい粒子の形成を好適に進行させることができる。また、得られるフェライト粒子の形状を好適に調整することができる。さらに、後の工程での分級等の処理を省略又は簡略化することができ、フェライト粒子の生産性をさらに優れたものとすることができる。例えば、燃焼ガス10Nmhrに対して酸素35Nm/hr~60Nm/hrの割合で用いることができる。
 溶射に用いる燃焼ガスとして、プロパンガス、プロピレンガス、アセチレンガス等が挙げられる。中でもプロパンガスを好適に用いることができる。また、造粒物を可燃性ガス中に搬送するために、搬送ガスとして窒素、酸素、空気等を用いることができる。搬送される造粒物の流速は、20~60m/秒が好ましい。さらに、溶射は、温度1000~3500℃で行うのが好ましく、2000~3500℃で行うのがより好ましい。
 このような条件を満足することにより、揮発した材料の凝縮による粒径が比較的小さい粒子の形成をさらに好適に進行させることができる。また、得られるフェライト粒子の形状をさらに好適に調整することができる。さらに、後の工程での分級等の処理を省略又は簡略化することができ、フェライト粒子の生産性をさらに優れたものとすることができる。その上、後の工程での分級により除去する粒子の割合をより少なくすることができ、フェライト粒子の収率をさらに優れたものとすることができる。
 このようにして溶射してフェライト化された粒子は、水中又は大気雰囲気下で急冷及び凝固され、これをサイクロン及び/又はフィルターによって捕集する。その後、サイクロン及び/又は補修用フィルターで回収したフェライト粒子を、必要に応じて分級する。分級方法としては、既存の風力分級、メッシュ濾過法、沈降などを用いて所望の粒径に粒度調整する。なお、サイクロン等で粒径の大きい粒子と分離して回収することも可能である。
 一方で、本焼成により焼成物を作製する場合には、造粒物を、バッチ炉や連続炉などの既存の炉に入れて、本焼成を行う。焼成条件は、一概に限定されず、フェライト粒子の組成に応じて決めればよい。一例として、大気雰囲気下で、800~1500℃の温度で1~24時間保持する条件が挙げられる。また、本焼成の際に、炉中酸素濃度を調整してもよい。さらに、必要に応じて、得られた焼成物を、ハンマーミル等の公知の解砕機を用いて解砕してもよい。
 必要に応じて、得られた溶射物又は焼成物を解砕し、その後、分級して粗粒子や微粒子を取り除いてもよい。解砕は、ハンマーミル等の公知の解砕機を用いればよい。また、分級も公知の手法で行えばよい。例えば、篩を用いて分級し、その後、気流分級する手法が挙げられる。このようにして、フェライト粒子で構成されるフェライト粉末が作製される。
<被覆層の形成>
 被覆層の形成は、得られたフェライト粉末(フェライト粒子)に、導電性金属の無電解めっきを施すことにより行う。無電解めっきは、公知の手法で行えばよい。また、被覆層の形成に先立ち、フェライト粒子上に下地層を形成してもよい。このようにして、金属被覆フェライト粒子からなるフェライト複合粉末が作製される。
 フェライト複合粉末に、必要に応じて、他の導電性金属粉、融剤及び/又は添加剤などを加えて、電極形成材料とする。
 電極の製造方法
 本発明の電極の製造方法は、電極形成材料を、基体上に堆積して堆積物とする堆積工程と、前記堆積物を焼結し、堆積物に導電性を持たせる焼結工程と、を含む。各工程について、以下において説明する。
<堆積工程>
 堆積工程では、電極形成材料を基体上に堆積して堆積物とする。堆積する手法は特に限定されない。例えば、電極形成材料をノズルから供給し、基体上に自然堆積させる手法が挙げられる。あるいは、電極形成材料を、気流にのせて基体上に吹き付ける手法が挙げられる。
 好ましくは、堆積工程の際に、電極形成材料に磁場を印加して、印加磁場により電極形成材料中の金属被覆フェライト粒子を整列させる。これにより堆積物(電極形成材料)がパターニングされる。磁場は、堆積中の電極形成材料に印加してもよく、あるいは、堆積後の電極形成材料(堆積物)に印加してもよい。いずれであっても、電極形成材料中の金属被覆フェライト粒子は整列する。
 印加磁場発生の手段は、所望のパターンが得られる限り、限定されるものではない。しかしながら、簡易さの観点から、永久磁石を用いるのが好ましい。永久磁石として、フェライト磁石や希土類磁石などの公知の磁石を用いることができる。また、焼結磁石であってもよく、ボンド磁石であってもよい。また、マグネトグラフィのような現像方式であってもよい。
 磁石を用いた磁場印加の手段の一例を図1に示す。図1において、基体(1)の直下に磁石(2)が設けられている。ここで、基体(1)は非磁性薄板からなり、磁石(2)は薄板磁石である。基体(非磁性薄板)(1)はその厚みが鉛直方向を向くように配置され、磁石(薄板磁石)(2)はその厚みが水平方向を向くように配置されている。また、磁石(薄板磁石)(2)は、第1面(3)がN極、第1面(3)に対向する第2面(4)がS極となるように着磁されている。そのため、磁石(2)の外部には、N極からS極に向かう方向に沿って磁力線(5)がのびている。図1においては、磁石(2)の上部を通過する磁力線(5)のみを矢印で示してあり、その他の磁力線は省略してある。
 基体(1)は非磁性薄板からなるので、磁力線(5)は基体(非磁性薄板)(1)を通過する。そのため、基体(1)の上に電極形成材料を堆積させると、その中の金属被覆フェライト粒子(6)は、磁力線(5)の影響を受けて整列する。図1に示す例では、金属被覆フェライト粒子(6)は、基体(1)直下にある磁石(2)の1辺に沿うように整列する。したがって、金属被覆フェライト粒子(6)を含む電極形成材料(堆積物)は、細線状にパターニングされる。
 磁石(2)の形状は、四角板状でもよく、円板状でもよく、任意の多角板状であってもよい。例えば、磁石(2)を円板状とすることで、磁石を回転させながら、電極形成材料を基体(1)上に供給する態様とすることが可能である。一方で、磁石(2)は、その厚みに対するそれ以外の方向の長さ(幅、長さ、径等)の比、すなわち板状比が大きいほど好ましい。これは、板状比が過度に小さいと、不所望な方向を向く磁力線の影響が無視し得なくなるからである。このような不所望な磁力線は、金属被覆フェライト粒子の整列乱れを引き起こす。したがって、磁石(2)の板状比(厚みに対するそれ以外の方向の長さの比)は、5以上が好ましく、10以上がより好ましく、20以上がさらに好ましい。
 基体(1)は、非磁性である限り、その材質は限定されない。例えば、ポリアミドイミド、エポキシ樹脂又はポリエチレンテレフタレート(PET)などの樹脂フィルム、あるいはセラミックス薄板や非磁性金属薄板が挙げられる。一方で、基体(1)の厚さは薄い方が好ましい。基体(1)が過度に厚いと、金属被覆フェライト粒子を整列させるのに十分な磁場が電極形成材料に印加されないからである。基体(1)の厚さの上限は、用いる磁石の発生磁場の強さにより、一概に限定されるものではない。しかしながら、厚さは、10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましく、1mm以下がさらに好ましい。
 磁石を用いた磁場印加の手段の別の一例として、磁石自体を基体として用いる手法が挙げられる。この手法では、基体たる磁石上に電極形成材料を供給する。金属被覆フェライト粒子を含む電極形成材料は、磁石の磁極上に吸着して堆積する。堆積した電極形成材料を、他の基体に転写することで、パターニング化された堆積物を得ることができる。
 このように、堆積工程の際に、電極形成材料に磁場を印加することが好ましく、これにより堆積物(電極形成材料)がパターニングされ、その結果、後続の焼結工程を経て、パターン電極を得ることができる。ただし、本発明の電極の製造方法は、堆積工程で磁場を印加する態様に限定されるものではない。磁場を印加しなくても、焼結工程を経ることで、導電性の高い電極を得ることができる。
<焼結工程>
 焼結工程では、堆積物(電極形成材料)を焼結(焼成)し、堆積物に導電性を持たせて、電極とする。焼結により、金属被覆フェライト粒子の被覆層(導電性金属)が結合及び一体化する。そのため、焼結後の電極中では、導電性金属からなる三次元的に連続する金属マトリックスが形成され、堆積物(電極)の導電性が発現する。
 焼結は、所望の導電性を有する電極が得られる限り、その手法は限定されない。基体がセラミックス薄板や非磁性金属薄板などの耐熱材料からなる場合には、堆積物を基体ごと焼結炉に入れて焼結を行うことが可能である。一方で、基体が樹脂フィルム等の非耐熱材料からなる場合には、基体へのダメージを最小限に抑えるため、光焼成方法で行うのが好ましい。
 焼結温度の下限は、導電性金属の材質や電極形成材料の成分などによって決まり、一概に限定されるものではない。しかしながら、被覆層(導電性金属)の結合を促進させる観点から、過度に低い焼結温度は好ましくない。焼結温度は、600℃以上が好ましく、700℃以上がより好ましく、800℃以上がさらに好ましい。また、焼結温度の上限は、フェライト粒子の組成や電極形成材料の成分などによって決まり、一概に限定されるものではない。しかしながら、焼結温度が過度に高いと、被覆層中の導電性金属がフェライト粒子に拡散するか、被覆した金属だけが凝集し、電極の導電性が得られない恐れがある。焼結温度は、1350℃以下が好ましく、1320℃以下がより好ましく、1300℃以下がさらに好ましい。また、焼結保持時間は、1分~2時間が好ましい。
 焼結は、被覆層を構成する導電性金属が酸化されない雰囲気で行うのが好ましい。導電性金属が酸化されると、電極の導電性が劣化してしまうからである。このような雰囲気として、弱還元性雰囲気(例えば水素ガスと不活性ガスの混合ガス)、低酸素雰囲気、無酸素雰囲気、真空雰囲気及び不活性ガス雰囲気が挙げられる。雰囲気中の酸素濃度は、10容量%以下が好ましく、5容量%以下がより好ましく、1容量%以下がさらに好ましい。
 このようにして、電極形成材料から電極が形成される。得られた電極は、導電性金属からなるマトリックスとその中に分散されるフェライト粒子を含む。導電性金属からなる金属マトリックスは、三次元連続構造を有している。そのため、電極は高い導電性を示す。また、堆積工程で、電極形成材料に磁場を印加することで、パターン電極を得ることができる。
 電極
 本発明は電極にも関する。本発明の電極は、導電性金属からなるマトリックスと、前記マトリックス中に分散されてなるフェライト粒子とを含む。本発明の電極の製造方法は特に限定されないが、例えば上記の電極の製造方法により製造することが挙げられる。
 前記マトリックス及び前記マトリックス中に分散されてなるフェライト粒子は、電極形成後、電極の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて確認することができる。
 本発明を、以下の例によってさらに具体的に説明する。
 例1(ニッケル(Ni)被覆層)
(1)フェライト複合粉末(フェライト複合粒子)の作製
 <原料混合>
 原料として、酸化鉄(Fe)、四酸化三マンガン(Mn)を用い、Fe:80mol、Mn:6.67molの割合で秤量し、ヘンシェルミキサーを用いて混合した。
 <仮焼成及び粉砕>
 得られた混合物を、ロータリーキルンを用いて大気中950℃で4時間仮焼成した。得られた仮焼成物を、乾式ビーズミル(5/8インチの鋼球ビーズ)を用いて粗粉砕し、その後、水を加えて、湿式ビーズミル(3/8インチのジルコニアビーズ)を用いて微粉砕してスラリーを得た。得られたスラリーは、固形分濃度が55質量%であり、スラリー中の粉砕粉の粒径(スラリー粒径)は、2.42μmであった。
 <造粒>
 得られたスラリーに、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を固形分換算で0.3質量%加え、さらに分散剤(ポリカルボン酸化合物)0.25重量%と消泡剤(多価アルコール系化合物)0.2重量%を加えた。その後、分散剤と消泡剤を加えたスラリーを、スプレードライヤーを用いて造粒して、造粒物を得た。
 <溶射>
 得られた造粒物を可燃性ガス燃焼炎中で溶射及び急冷した。溶射は、プロパンガス流量を7m/時間、酸素流量を35m/時間の条件で行った。このとき、造粒物を連続的に流動しながら溶射したため、溶射、急冷後の粒子は互いに決着することなく独立していた。続いて、冷却した粒子を気流の下流側に設けたサイクロンによって回収して、溶射物を得た。得られた溶射物から、篩を用いて微粉を取り除き、さらに気流分級してマンガン(Mn)系フェライト粒子から構成されるフェライト粉末を得た。
 <被覆層の形成>
 フェライト粉末(フェライト粒子)に対して無電解めっきを施すことにより、ニッケル(Ni)被覆層を表面に備えた金属被覆フェライト粒子からなるフェライト複合粉末を得た。得られたフェライト複合粉末は、ニッケル(Ni)被覆層の厚さが200nmであった。このフェライト複合粉末を電極形成材料とした。
(2)電極の形成
<堆積工程>
 得られた電極形成材料10質量%をPVA水溶液90質量%に分散混合しバーコーターを用いて基体上に塗工し、堆積物とした。この際、図1に示す磁場印加手段を用いて、堆積物に磁場を印加した。基体として、厚さ0.635mのアルミナ板を用いた。また、磁石として、厚さ0.5mm、幅50mm、高さ50mmのボンド磁石を用いた。磁場印加により、電極形成材料は整列し、細線状にパターニングされた堆積物が得られた。
 PVA水溶液のPVAの濃度は10質量%であった。
 分散混合は自転公転型撹拌混合装置を用いて混合時間は1分とした。
<焼結工程>
 得られた堆積物の水分を乾燥させたのち、電気炉を用いて基体ごと焼結して、電極とした。焼結は、酸素濃度0容量%の雰囲気下、1300℃で行った。電極は、細線状のパターンを有していた。
 例2(銅(Cu)被覆層)
(1)フェライト複合粉末(フェライト複合粒子)の作製
 ニッケル(Ni)被覆層の代わりに、銅(Cu)被覆層を形成した以外は、例1と同様にして、フェライト複合粉末を作製した。得られたフェライト複合粉末は、銅(Cu)被覆層の厚さが200nmであった。このフェライト複合粉末を電極形成材料とした。
(2)電極の形成
 得られた電極形成材料を用いて、焼成条件を850℃、2時間とした以外は例1と同様の手法で電極を形成した。電極は、細線状のパターンを有していた。
 例3(銀(Ag)被覆層)
(1)フェライト複合粉末(フェライト複合粒子)の作製
 <原料混合>
 原料として、酸化鉄(Fe)、四酸化三マンガン(Mn)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))及び炭酸ストロンチウム(SrCO)を用い、Fe:50mol、Mn:13.30mol、Mg(OH):10mol及びSrCO:0.2molの割合で秤量し、ヘンシェルミキサーを用いて混合した。
 <仮焼成及び粉砕>
 得られた混合物を、ロータリーキルンを用いて大気中950℃で4時間仮焼成した。得られた仮焼成物を、乾式ビーズミルを用いて粗粉砕し、その後、水を加えて、湿式ビーズミルを用いて微粉砕した。得られたスラリーは、固形分濃度が55質量%であり、スラリー中の粉砕粉の粒径(スラリー粒径)は、1.85μmであった。
 <造粒>
 得られたスラリーに、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を固形分換算で0.3質量%加え、さらに分散剤と消泡剤を加えた。その後、分散剤と消泡剤を加えたスラリーを、スプレードライヤーを用いて造粒した。
 <溶射>
 得られた造粒物を可燃性ガス燃焼炎中で溶射及び急冷した。溶射は、プロパンガス流量を7m/時間、酸素流量を35m/時間の条件で行った。このとき、造粒物を連続的に流動しながら溶射したため、溶射、急冷後の粒子は互いに決着することなく独立していた。続いて、冷却した粒子を気流の下流側に設けたサイクロンによって回収して、溶射物を得た。得られた溶射物から、篩を用いて微粉を取り除き、さらに気流分級してマグネシウム(Mg)及びストロンチウム(Sr)を含有するマンガン(Mn)-マグネシウム(Mg)-ストロンチウム(Sr)系フェライト粒子から構成されるフェライト粉末を得た。
 <被覆層の形成>
 フェライト粉末(フェライト粒子)に対して無電解めっきを施すことにより、銀(Ag)被覆層を表面に備えた金属被覆フェライト粒子からなるフェライト複合粉末を得た。得られたフェライト複合粉末は、銀(Ag)被覆層の厚さが200nmであった。このフェライト複合粉末を電極形成材料とした。
(2)電極の形成
 得られた電極形成材料を用いて、焼成条件を850℃、2時間とした以外は例1と同様の手法で電極を形成した。電極は、細線状のパターンを有していた。
 例4(被覆層なしフェライト粉末)
(1)フェライト複合粉末(フェライト複合粒子)の作製
 <原料混合>
 原料として、酸化鉄(Fe)、四酸化三マンガン(Mn)を用い、Fe:80mol、Mn:6.67molの割合で秤量し、ヘンシェルミキサーを用いて混合した。
 <仮焼成及び粉砕>
 得られた混合物を、ロータリーキルンを用いて大気中950℃で4時間仮焼成した。得られた仮焼成物を、乾式ビーズミル(5/8インチの鋼球ビーズ)を用いて粗粉砕し、その後、水を加えて、湿式ビーズミル(3/8インチのジルコニアビーズ)を用いて微粉砕してスラリーを得た。得られたスラリーは、固形分濃度が55質量%であり、スラリー中の粉砕粉の粒径(スラリー粒径)は、2.42μmであった。
 <造粒>
 得られたスラリーに、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を固形分換算で0.3質量%加え、さらに分散剤(ポリカルボン酸化合物)0.25重量%と消泡剤(多価アルコール系化合物)0.2重量%を加えた。その後、分散剤と消泡剤を加えたスラリーを、スプレードライヤーを用いて造粒して、造粒物を得た。
 <溶射>
 得られた造粒物を可燃性ガス燃焼炎中で溶射及び急冷した。溶射は、プロパンガス流量を7m/時間、酸素流量を35m/時間の条件で行った。このとき、造粒物を連続的に流動しながら溶射したため、溶射、急冷後の粒子は互いに決着することなく独立していた。続いて、冷却した粒子を気流の下流側に設けたサイクロンによって回収して、溶射物を得た。得られた溶射物から、篩を用いて微粉を取り除き、さらに気流分級してマンガン(Mn)系フェライト粒子から構成されるフェライト粉末を得た。
(2)電極の形成
 得られた電極形成材料を用いて例1と同様の手法で電極を形成したが金属被覆がなかったため焼結後基体上に形成した細線状のパターンが維持できなかった。
[電極形成材料の評価]
 例1~4で得られた電極形成材料(フェライト複合粉末)について、各種特性の評価を以下のとおり行った。
 <磁気特性>
 フェライト複合粉末の磁気特性(飽和磁化(σs)、残留磁化(σr)及び保磁力(Hc))を、次のようにして測定した。まず、内径5mm、高さ2mmのセルに試料を詰めて、振動試料型磁気測定装置(東英工業株式会社、VSM-C7-10A)にセットした。次に、印加磁場を加え、5kOeまで掃引し、次いで、印加磁場を減少させて、ヒステリシスカーブを描かせた。その後、このカーブのデータにより、試料の飽和磁化σs、残留磁化σr及び保磁力Hcを求めた
 同様にして、フェライト複合粉末が備えるフェライト粉末(フェライト粒子)の飽和磁化σs、残留磁化σr及び保磁力Hcについても同様に測定した。フェライト粉末(フェライト粒子)の飽和磁化σs、残留磁化σr及び保磁力Hcを表1に示す。
 <元素分析(金属成分含有量)>
 フェライト複合粉末の金属成分含有量を、次のようにして測定した。まず、試料0.2gを秤量し、これに純水60mlに1Nの塩酸20ml及び1Nの硝酸20mlを加えた後に加熱して、試料を完全溶解させた水溶液を調整した。得られた水溶液をICP分析装置(株式会社島津製作所、ICPS-10001V)にセットし、金属成分含有量を測定した。
 同様にして、フェライト複合粉末が備えるフェライト粉末(フェライト粒子)の金属成分含有量についても同様に測定した。フェライト粉末(フェライト粒子)の金属成分含有量を表1に示す。
 <真密度>
 フェライト複合粉末の真密度は、JIS Z 8807:2012に準拠して、マウンテック社製全自動真密度測定装置Macpycnoを用いて測定した。
 <タップ密度>
 フェライト複合粉末のタップ密度とは、JIS R1628に準拠した測定により求められる密度のことをいう。
 タッピング装置としては、USPタップ密度測定装置(パウダテスタPT-X、ホソカワミクロン社製)を用いた。
 <粒度分布>
 フェライト複合粉末の粒度分布を、次のようにして測定した。まず、試料10g及び水80mlを100mlのビーカーに入れ、分散剤としてヘキサメタリン酸ナトリウムを2滴添加した。次いで、超音波ホモジナイザー(株式会社エスエムテー、UH-150型)を用いて分散を行った。このとき、超音波ホモジナイザーの出力レベルを4に設定し、20秒間の分散を行った。その後、ピーカー表面にできた泡を取り除き、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所株式会社、SALD-7500nano)に導入して測定を行った。この測定により、体積粒度分布における10%径(体積平均粒経(D10))、50%径(体積平均粒径(D50))及び90%径(体積平均粒径(D90))を求めた。ここで、測定条件はポンプスピード7、内蔵超音波照射時間30、屈折率1.70-050iとした。
 <形状係数>
 フェライト複合粉末の形状係数(SF-1及びSF-2)を、次のようにして測定した。まず、試料の観察を、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社、SU-8020)及びエネルギー分散型X線分析装置(EDX;株式会社堀場製作所、E-MAX)を用いて行った。観察の際に倍率は1000倍に設定した。その後、EDX付属の粒子解析機能を用いて、試料中100粒子の最大長(水平フェレ径)R(単位:μm)、投影周囲長L(単位:μm)及び投影面積S(単位:μm)を自動測定した。
 次に、各粒子について、以下の式(1)、式(2)にしたがって、SF-1及びSF-2を算出し、100粒子についての平均値を、それぞれ粉末のSF-1及びSF-2とした。
式(1): SF-1=(R/S)×(π/4)×100
式(2): SF-2=(L/S/4π)×100
 <被覆層の厚さ>
 被覆層の厚さは、以下のようにして求めた。
 被覆層の厚さはフェライト複合粒子の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)による観察で測定した。具体的には測定対象の粉末9gと粉末樹脂1gを50ccガラス瓶に入れ、ボールミルにて30分間混合し、得られた混合物を直径13mmのダイスに入れて30MPaの圧力で加圧成型した。その後、成形体の断面が見えるように垂直に立てた状態で樹脂に包埋し、研磨機で研磨して厚さ測定用サンプルとした。次に、準備した厚さ測定用サンプルを倍率500~5000倍(概ね位1粒子が1視野に収まる倍率)のSEMにて20粒子撮影する。その後、粒子断面全体をEDXで元素分析し、被覆層の存在を確定したのち、1粒子あたり5か所選び撮影したSEM像から測長機能を使って求め、撮影した20粒子の5か所の平均の厚さを被覆層の厚さとした。
 なお、SEMは日立ハイテクノロジーズ社製SU-8020を用い、加速電圧1KV,LAモードで撮影し、EDXは堀場製作所社製X―MAXを使用し、加速電圧15KV,LAモードでSEMから画像情報を得ながら粒子解析を行った。
 上記粉末樹脂としてアルケマ社製Kynar301Fを使用した。
[結果]
 例1~4において、フェライト複合粉末(電極形成材料)の評価結果は、表2に示されるとおりであった。例1~3のフェライト複合粉末は、金属被覆後も飽和磁化(σs)が高く十分使用できるレベルであることが確認できた。また、元素分析の結果、被覆層成分たるニッケル(Ni)、銅(Cu)又は銀(Ag)が検出され、被覆層が形成されていることが裏付けられた。また、フェライト複合粉末は、形状係数SF-1及びSF-2が小さく(100に近く)、表面凹凸の少ない球状粒子からなることが分かった。さらに、フェライト複合粉末は、タップ密度が比較的高く、流動性及び充填性に優れることが分かった。
 例1~3で得られた電極における基体上の細線パターンについて導通試験を行った。
導通試験はKEITHELY社2000型デジタルマルチメーターを用いて抵抗測定モードで測定値が0.1Ω以下であれば導電性であると判断した。
 例1~3で得られた電極について測定したところ、測定値が0.1Ω以下となっており、導電性があったことから、例1~3で得られた電極は、電極として機能できることがわかる。
 例2において、電極断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。得られたSEM像を図2に示す。図2において、グレーの色調を有する丸い部分はフェライト粒子であり、白い部分(薄灰色)が銅(Cu)である。図2に示されるように、電極中で、導電性金属である銅(Cu)は、連続する金属マトリックスを構成していた。このことから、電極が高い導電性を有することが裏付けられる。また、フェライト粒子は、マトリックス中に分散していた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 本発明によれば、簡易な手法で電極を形成することができる、電極形成材料、電極の製造方法及び電極を提供することができる。
 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
 本出願は、2019年1月29日出願の日本特許出願(特願2019-013667)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 1 基体
 2 磁石
 3 第1面
 4 第2面
 5 磁力線
 6 金属被覆フェライト粒子
 

Claims (10)

  1.  フェライト複合粉末を含む電極形成材料であって、
     前記フェライト複合粉末が、複数の金属被覆フェライト粒子から構成され、
     前記金属被覆フェライト粒子が、フェライト粒子と、該フェライト粒子の表面に設けられた導電性金属を含む被覆層と、を備える、材料。
  2.  前記導電性金属が、銀(Ag)、銅(Cu)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1種又は2種以上の金属を含む、請求項1に記載の材料。
  3.  前記被覆層の厚さが10~1000nmである、請求項1又は2に記載の材料。
  4.  前記フェライト複合粉末の体積平均粒子径(D50)が、1~50μmである、請求項1~3のいずれか一項に記載の材料。
  5.  前記フェライト複合粉末の形状係数SF-1が、100~130である、請求項1~4のいずれか一項に記載の材料。
  6.  前記フェライト粒子が、マンガン(Mn)系フェライト、マンガン-亜鉛(Mn-Zn)系フェライト、ニッケル(Ni)系フェライト、ニッケル-亜鉛(Ni-Zn)系フェライト、ニッケル-亜鉛-銅(Ni-Zn-Cu)系フェライト、マグネシウム(Mg)系フェライト、マグネシウム-亜鉛(Mg-Zn)系フェライト、ストロンチウム(Sr)系フェライトバリウム(Ba)系フェライト、マンガン-マグネシウム(Mn-Mg)系フェライト、マンガン-マグネシウム-ストロンチウム(Mn-Mg-Sr)系フェライトからなる群から選ばれる1種又は2種以上からなる、請求項1~5のいずれか一項に記載の材料。
  7.  請求項1~6のいずれか一項に記載の電極形成材料を、基体上に堆積して堆積物とする堆積工程と、前記堆積物を焼結し、堆積物に導電性を持たせる焼結工程と、を含む、電極の製造方法。
  8.  前記堆積工程の際、電極形成材料に磁場を印加し、印加磁場により電極形成材料中の金属被覆フェライト粒子を整列させて、堆積物をパターニングする、請求項7に記載の方法。
  9.  前記基体が非磁性薄板であり、前記堆積工程の際、非磁性薄板の下に設けられた磁石が発生する印加磁場により、金属被覆フェライト粒子を整列させる、請求項8に記載の方法。
  10.  導電性金属からなるマトリックスと、前記マトリックス中に分散されてなるフェライト粒子とを含む、電極。
     
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