光エネルギーまたは熱エネルギーにより形成された導電性材料、導電性材料の製造方法および導電性組成物
【課題】 単純にナノ線で製作された導電層を用いるとなると、網状構造に数多くのホールが生じてしまう。このホールは導電層の緻密度を低下させて、導電層の導電率および平坦度に影響を及ぼしてしまう。
【解決手段】 本発明は、比率が９：１ないし１：９の間であるナノ線材と、ナノ結合子とを含む導電性材料に関する。前記ナノ結合子は熱エネルギーまたは光エネルギーにより溶融した後、周囲のナノ結合子またはナノ線材に結合して、ひいては導電性材料の導電率を高めるものである。
【解決手段】 本発明は、比率が９：１ないし１：９の間であるナノ線材と、ナノ結合子とを含む導電性材料に関する。前記ナノ結合子は熱エネルギーまたは光エネルギーにより溶融した後、周囲のナノ結合子またはナノ線材に結合して、ひいては導電性材料の導電率を高めるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導電性材料であり、特にナノ構造を持つ導電性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類の文明が２１世紀に入り、情報機器製品には軽量、薄型、短く、小さく、柔らかく、そして可撓性などの六つの特長が求められるようになっている。ＩＤＴｅｃｈＥＸによる２００５年の統計によれば、未来におけるフレキシブルエレクトロニクス市場規模は２０１０年には４７億５千万ドルとなり、２０２５年には２５００億ドルに達するものと見込まれている。フレキシブルエレクトロニクスの登場に伴い、基板上に導電層を製作することが可能な導電性インクはさらに重要になってくるのは明らかである。ＮａｎｏＭａｒｋｅｔｓ社では２００６年に、導電性インク市場の規模は２００７年の０.１１億ドルから２０１３年の１３.６１億ドルにまで成長し、年平均成長率は１００％に近づくと予測している。これから判るように、導電性インクの発展は「フレキシブルエレクトロニクス」および「フレキシブルセンサ」などの新興産業を牽引するものである。また、導電性インクはインクジェットまたはスクリーン印刷方式を導入して基板上に導電性のパターンを作製することで、露光、フォトリソグラフィまたは蒸着などの製造工程は必要なくなるので、「省エネ・低炭素化」および「低コスト」などの未来の動向により一層符合することができる。
【０００３】
現在、導電性インクの導電性充填材料としては、金、銀、銅、鉄およびアルミニウムなどの金属材料が使用されるが、上記金属はナノ化した後には、その表面積が急激に増加して、金属材料の融点が降下し、導電層が焼結しやすくなる。例えば、銀の融点は６９０℃であるが、２ｎｍのナノ銀の融点は約１００℃前後であり、つまりわずか１００℃の温度でもナノ銀粒子をアニール処理して、導電性を向上させることができる。現在、産業界で最も一般的に使用される導電性インクの充填物はナノ銀であり、他の金属と比べても、中低価格で、導電性が高く、酸化物が導電性を備え、焼結温度が低く、そして安定性に優れているなどの特長を備えていることから、広く使用されている。銅は、コスト的に確かに銀よりも低く、しかも導電性も大差ないが、酸化しやすいため、使用における制限が比較的大きい。統計によれば、現在開発されている導電性インクにおいては、９５％以上がナノ銀を充填物として採用している。
【０００４】
導電性インクは、導電性粒子、結合剤および助剤（揺変剤など）などの組成物からなり、インクがインクジェットまたはスクリーン印刷などの工程により基材上に塗布されるとき、その内部の結合物またはその他混合物質と高温で焼結して焼成した後、さらに導電性粒子に焼結作用を発生させなければ、導電性材料の導電率を効果的に向上させることはできない。しかしながら、高温焼結の工程において、熱により基材の破損が生じてしまい、特に数多くの異なる材質からなる基材を使用するときには、各材質の熱膨張・収縮係数が異なり、熱での断裂または湾曲などの不具合が発生しやすくなる。また、もし融点の低い軟質基板上（例えば、ＰＥＴまたはＰＭＭＡ）に使用するとなると、基板の焼け付きまたは熱変形などの熱破損が生じてしまう。
【０００５】
特許文献１には、基板と複数のナノ銀ワイヤとを備えた透明導電体（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が開示されている。前記複数のナノ銀ワイヤは基板内部に形成されている網状構造で、導電体の導電率を高め、ひいては「透明および導電性」の効果を達成することができる。
【０００６】
特許文献２には、インクジェットプリンタの導電性インクが開示されている。その組成は二種類の形態の材料組成とすることができる。第１の形態は線状、テーパ状、円盤状および平板状などとするものであり、そのアスペクト比は１：３より大きいことが必須となる。また他方の材料を円形状、楕円形状、円柱形状または四角錐状とすることで、第１の形態材料におけるホールを補てんして、導電層の平坦度を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００７４３１６号明細書
【特許文献２】米国特許公開第７，３４１，６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
つまり、現在の導電性材料では、ナノ粒子の導電性インクまたは塗料を使用して製作する場合、例えば焼結温度が高すぎることで導電率の低下を招くというように、不具合を引き起こしやすい高温焼結の工程が必要となる。そしてナノ線だけの材料で製作された導電性材料を使用するとなると、平坦度および緻密度が低下するという不具合が生じて、しかも導電率をさらに高めることができなくなる。したがって、高い平坦度を備え、しかも導電率を高めることができる導電性材料およびその製造方法を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施例には、両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材と、ナノ結合子とを含む導電性材料を開示する。
【００１０】
本発明の実施例には、両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材とナノ結合子とを含む混成溶液を提供する工程と、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とからなる導電性混合物を得られるよう、前記混成溶液を固化する工程と、を含む光エネルギーまたは熱エネルギーによって導電率を高めることができる導電性材料の製造方法を開示する。
【００１１】
本発明の実施例には、混成溶液と、ナノ線材と、ナノ結合子とを含むナノ構造を持つ導電性組成物を開示する。このうち、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とが占める重量比が９：１ないし１：９の間である。
【発明の効果】
【００１２】
図１および図２に示すところを参照されたい。特許文献１と本発明との相違点は、本発明ではナノ結合子１０１とナノ線材１０２とからなる導電性インク１０４を用いて、スクリーン印刷またはインクジェット方式で、基板１００上にパターンニングされた導電層１０３を形成し、続いて外部から熱エネルギーまたは光エネルギーを付与することで導電性インク１０４のナノ結合子１０１に焼結作用をもたらし、ひいては周囲のナノ結合子１０１またはナノ線材１０２を結合させて、導電層１０３は、ナノ線材１０２のみを有する類似した導電層の場合よりも、導電率を５０％以上高めることができる。
【００１３】
また、特許文献２と比べて、本発明にて採用する第１の形態は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムおよびアルミニウムまたは上記材料の複合物を材料として含むナノ線材１０２（ＡＲ＞１０）である。第２の形態材料は、光エネルギーまたは熱エネルギーにより周囲の材料に結合する、例えば直径が１００ｎｍ未満である金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどであるナノ結合子１０１である。二種類の材料を混合した後、光エネルギーまたは熱エネルギーの影響により、その第２の形態のナノ材料が溶融して周囲の材料と結着して、導電層が連続体として形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例における導電性材料のナノ結合子に光照射または熱エネルギーが付与された後、周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合する概略図である。
【図２】本発明の実施例における導電性材料のナノ結合子に光照射または熱エネルギーが付与された後、周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合する概略図である。
【図３】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が４：１の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図４】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が３：２の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図５】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が２：３の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図６】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が１：４の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図７】本発明の実施例において、異なる比率で銀ナノ結合子とナノ銀線とを混合した後の導電性材料の面粗度の実験データである。
【図８】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図９】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１０】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１１】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１２】異なる比率で銀ナノ結合子と銀ナノ線とを混合した後の導電性材料のシート抵抗の実験データである。
【図１３】本発明の実施例におけるインクジェット工程を導入して導電性膜を製造する方法の最初の手順の概略図である。
【図１４】図１３に続く手順の概略図である。
【図１５】図１４に続く手順の概略図である。
【図１６】本発明の実施例におけるスクリーン印刷工程を導入して導電性膜を製造する方法の最初の手順の概略図である。
【図１７】図１６に続く手順の概略図である。
【図１８】図１７に続く手順の概略図である。
【図１９】図１８に続く手順の概略図である。
【図２０】図１９に続く手順の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例には、ナノ銀線材とナノ結合子とを含むナノ構造を持つ導電性材料を開示する。ナノ線材は基板上に網状構造または網状に似た構造を形成できる導電性材料であるとともに、導電性材料に高い導電特性を持たせるものである。ナノ線材が形成する網状構造または網状に似た構造は多孔性構造であって、導電性材料のナノ結合子は前記多孔性の網状構造または網状に似た構造の中に補てんされることで、導電性材料内部がより緻密になる。しかも、ナノ線材で構成される網状構造または網状に似た構造は、導電性材料の表面の平坦度の悪化をもたらしやすいので、ナノ結合子をナノ線材で構成される網状構造または網状に似た構造に補てんすることで、導電性材料の表面の平坦度を改善することができる。また、ナノ結合子は、特定の波長を吸収する特性と、低融点の特性を持つ高い表面積比により、熱エネルギーまたは光エネルギーによりナノ結合子を溶融して、ひいては導電性材料の導電率の向上を達成している。
【００１６】
本発明の導電性材料において、ナノ線材１０２で形成されている網状構造に、適度な比率のナノ結合子１０１を添加することで、網状構造の間の隙間を補てんするとともに、これにより導電性材料の導電特性を高めている。本発明の導電性材料においては、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１との比率は１：９ないし９：１の間（比率値は０.１〜９の間）である。他の実施例においては、本発明の導電性材料は、比率が１：４ないし２：３の間（比率値は０.２〜４）であるナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを含む。
【００１７】
ナノ線材１０２は、アスペクト比を持つ一次元のナノ構造を意味している。本発明の一実施例のナノ線材１０２のアスペクト比は１０ないし８００であり、そして他の実施例においては、ナノ線材１０２のアスペクト比は２００ないし５００である。これに対して、本発明の実施例において、ナノ結合子１０１の粒径は１００ｎｍ未満である。
【００１８】
ナノ結合子１０１の材料は、純金属、または一種類以上の純金属からなる複合金属である。一実施例において、ナノ結合子１０１の材質は、直径が１００ｎｍ未満である金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどの金属である。ナノ結合子１０１は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどからなるナノ複合金属結合子１０１としてもよく、このうちナノ複合金属結合子は、金被覆銀ナノ粒子、銀被覆金ナノ粒子、金被覆銅ナノ粒子、銅被覆金ナノ粒子、銀被覆銅ナノ粒子、銅被覆銀ナノ粒子またはこれらの組合せを含む。また、ナノ線材の材料は、純金属、または一種類以上の純金属からなる複合金属である。一実施例において、ナノ線材１０２の材質は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどの金属である。ナノ線材１０２は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどからなるナノ複合金属線材としてもよく、このうちナノ複合金属線材は、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはこれらの組合せを含む。
【００１９】
一実施例において、本発明の導電性材料では、ナノ線材１０２により形成されている網状構造に、適度な比率のナノ結合子１０１を添加するだけで、常温で成型された後の網状構造の間の隙間を補てんして、低温加熱または光照射の方式で、ナノ結合子を溶融するとともに周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合して、これにより導電性材料の平坦度、緻密度および導電特性を高めている。加熱温度は導電率に影響を及ぼす一因である。なぜならばナノ粒子は熱により溶解したとき、その凝集力により凝集してしまい、ひいては島状物を形成し、全体の導電率の低下を招くからである。一実施例において、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを混合した導電性材料は、２００℃以下まで加熱して、約１時間経過させることで、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを混合した間の結合性を強化している。例えば銀ナノ結合子または銀ナノ線材という具合に、融点の低いナノ線材１０２とナノ結合子１０１を部分的に使用する場合、その融点（１８０℃以下）は２００℃未満となるので、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１との間には低温焼結の現象が発生して、導電性材料内に大きな連続した部分を有することになる。ナノ線材１０２はナノ結合子１０１との焼結により緊密な結合が発生して、導電性材料の導電率をさらに高めることができる。本発明の導電性材料では高温焼結を必要としないため、高温焼結により生じる不具合を回避することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例を挙げて、本発明のより詳細な説明を行う。
【００２１】
実験例１
実験例１は導電性材料の製造方法を説明している。溶剤としてエチレングリコールを１００グラム準備する。銀ナノ結合子および銀ナノ線材の混合物を１５グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。ポリビニルピロリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）を結合剤として１.５グラム添加して、引き続き撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にインクジェット用導電性インクの製造が完了する。得られた混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を基板上に塗布するとともに、約１１０℃で約１５分間加熱してこれを固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。実験例１において、銀ナノ線材と銀ナノ結合子は異なる比率で調合されており、その比率値は０.１〜９の重量比で調合することができる。
【００２２】
固化後の導電性材料は、その銀ナノ結合子は銀のナノ線材が形成した網状構造の間の隙間を補てんすることができる。
【００２３】
図３には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が４：１（比率値は４.０）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間の一部隙間を補てんすることができることを示している。
【００２４】
図４には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が３：２（比率値は１.５）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間の隙間を明らかに補てんするとともに、補てん率はナノ線材とナノ結合子の比率が４：１の導電性材料よりも高くなっていることを示している。
【００２５】
図５には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が２：３（比率値は０.７）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間を十分に補てんするとともに、かなり平坦な表面を形成していることを示している。
【００２６】
図６には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が１：４（比率値は０.３）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間を完全に補てんするとともに、平坦な表面を形成していることを示している。
【００２７】
図７には、本発明の実施例において異なる比率で銀ナノ結合子とナノ銀線とを混合した後の導電性材料の面粗度の実験データが示されている。明らかなことは、銀ナノ結合子が一切添加されていない導電性材料の、測定された面粗度は５００ｎｍを超えていることである。ナノ線材とナノ結合子との比率が４：１の場合、導電性材料の面粗度は２５０ｎｍ以下にまで低減することができる。ナノ銀線の比率を３：２にまで低下した場合、導電性材料の面粗度は５０ｎｍ以下にまで低減することができる。その後、銀ナノ結合子を添加する比率を増加させるに伴って、導電性材料の面粗度は徐々に低下する傾向を示す。また、銀ナノ結合子の添加量が４０％以内である場合、導電性材料の面粗度の改善は顕著になる。４０％重量パーセントに達したときには、添加されていない導電性材料に比べて、面粗度は９３％改善される。したがって、銀ナノ結合子を銀ナノ線に混入することで、導電性材料の面粗度は明らかに改善されることになる。
【００２８】
混成溶液を製作するための溶剤は、水、メタノール、ブタノール、イソプロパノール、テルピネオールまたはエチレングリコールなどのアルコール類、アセトンまたはシクロヘキサンといったケトン類、トルエンまたはジメチルベンゼンなどの芳香族、エチレングリコールモノエチルエーテルまたはエチレングリコールモノブチルエーテルなどのエーテル類、またはポリビニルアセテートなどのエステル類とすることができる。導電性インクの結合剤としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などの高分子材料を使用することができる。その他助剤としては、メチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、エチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヒドロキシエチルセルロース（ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）およびアルギン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ）などがある。
【００２９】
また、前記した固化した後の導電性材料を２００℃で１時間加熱するか、または低エネルギーの光を照射するだけで、導電率を高めている。
【００３０】
図８には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で４：１である。画像では、焼結の後、導電性材料内には互いに結合した比較的粗い一部の連続構造、長尺状バルク構造（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ ｂｕｌｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および粒径が２００ｎｍを超える大粒（ｂｕｌｋ ｐａｒｔｉｃｌｅ）が形成されていることが示されている。
【００３１】
図９には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で３：２である。画像では、焼結の後、導電性材料内には互いに結合した比較的粗い連続構造、長尺状バルク構造、大粒およびシート状構造が形成されていることが示されている。
【００３２】
図１０には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で２：３である。画像では、焼結の後、導電性材料内には連続構造、バルク構造（ｂｕｌｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および大粒が形成されていることが示されている。
【００３３】
図１１には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で１：４である。画像では、焼結の後、導電性材料内にはバルク構造およびバルク構造に付着している大粒が形成されていることが示されている。
【００３４】
図１２には、異なる比率で銀ナノ結合子と銀ナノ銀線とを混合した後の導電性材料のシート抵抗（ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の実験データが示されており、その単位はｏｈｍ／ｓｑである。図１２によれば、異なる比率の銀ナノ結合子と銀ナノ線とで製作された導電性材料は、そのシート抵抗は明らかに異なっている。固化工程のみで、加熱焼結されていない導電性材料（点線で示す）は、少量の銀ナノ結合子を銀ナノ線の網状構造内に添加した後、シート抵抗値は徐々に低下し、銀ナノ結合子を銀ナノ線の網状構造内に２０重量パーセント添加するまで、シート抵抗値は約２０％にまで低下していくので、導電率を高める効果を備える。その後、シート抵抗値はまた銀ナノ結合子の添加比率の増加に伴って増加していく。
【００３５】
また、２００℃の加熱により、すべての導電性材料（実線で示す）のシート抵抗値が低下していき、とりわけ銀ナノ結合子の含有量が高くなった場合には、降下の程度は顕著となり、このうち銀ナノ結合子を重量パーセントで２０％ないし６０％添加した導電性材料のシート抵抗値は比較的低い。
【００３６】
実験例２
実験例２は常温で成型可能な導電性材料の製造方法を説明している。溶剤として融点の低い溶剤（例えばエタノール、イソプロパノール）を１００グラム準備する。銀ナノ結合子および銀ナノ線の混合物（ナノ線材：ナノ結合子＝４：１）を２０グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。ポリビニルピロリドンを結合剤として１.５グラム添加して、引き続き撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にインクジェット用導電性インクの製造が完了する。得られた混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を基板上に塗布するとともに、常温下に約２０分間放置して固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。測定結果では、導電性材料を３μｍの厚さで塗布したとき、その導電率は３.０×１０６ Ｓ／ｍ（シート抵抗が０.１１ ｏｈｍ／ｓｑ）にまで達することになる。ナノ結合子の比率が増加したときには、そのシート抵抗もこれに伴って増加する。
【００３７】
実験例３
実験例３はスクリーン印刷工程に導入可能な導電性材料の製造方法を説明している。溶剤として水を５０グラム準備する。続いて、増粘剤としてメチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）を１.５グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。銀ナノ結合子および銀ナノ線材の混合物（ナノ線材：ナノ結合子＝４：１）を５０グラム添加した後、引き続き撹拌機で撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にスクリーン印刷の導電性インクの製造が完了する。混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）をスクリーン版によって基板上に塗布するとともに、約１００℃で約２０分間加熱して固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。測定結果では、導電性材料を１２４μｍの厚さで塗布したとき、そのシート抵抗が０.０９ｏｈｍ／ｓｑにまで達することになる。
【００３８】
図１３ないし図１５には、本発明の実施例におけるインクジェット工程を導入して導電性膜３および３’を製造する方法の手順概略図が示されている。図１３に示すように、まず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、シリコンウェハまたはガラス基板などの基材とすることができる基板１を提供する。前記製造しておいたインクジェット可能な混成溶液をノズル２から基板１上に塗布して、導電性膜３を形成する。ノズル２が移動する位置（矢印２０、２１が指す）間における基板上方の位置に導電性膜３が生成される。図１５に示すように、続いてプログラミング可能な設計によりノズル２をその他の位置（矢印２２で示す位置）にまで移動させて、導電性膜３’の製作を実行する。最後にパターンニングされた導電性膜が得られる。パターンニングされた導電性膜３および３’は加熱または光照射により、その導電率が高められる。前記した導電性膜３は電磁シールド性、耐静電気性を付与するために用いることができ、しかも製造方法は液晶ディスプレイ、太陽光電池などの装置の導電層に用いることができる。
【００３９】
図１６ないし図２０には、本発明の実施例におけるスクリーン印刷工程を導入して導電性膜６’および６’’を製造する方法の手順概略図が示されている。図１６に示すように、まず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、シリコンウェハまたはガラス基板などの基材とすることができる基板１を提供する。さらにはその上方にはパターンが施されているスクリーン版４と、スクレイパ５とが配設されている。図１７に示すように、前記製造しておいたスクリーン印刷可能な混成溶液６をスクリーン版４の上方に塗布する。図１８に示すように、スクレイパ５を水平方向に矢印３０で示す位置に移動させるが、移動経路におけるスクリーン版４上の孔が導電性材料６により埋められて、基板と接触する導電性膜６’が形成される。図１９に示すように、余剰の混成溶液６はスクレイパの移動により別の位置にまで移動させられるとともに、スクリーン版４に設計されている切欠きを補てんするとともに、導電性膜６’’が形成される。図２０に示すように、基板１上のスクリーン版４、スクレイパ５および余剰の混成溶液６を除去した後、パターンニングされた導電性材を備えた基板が得られる。パターンニングされた導電性膜６’および６’’は加熱または光照射により、その導電率を高めることができる。
【００４０】
上記をまとめるに、本発明の導電性材料内にはナノ結合子とナノ線材とを同時に混合することで、その導電率および平坦度を高めることができる。そして導電性材料は加熱した後、その導電率はさらに高められる。
【００４１】
本発明の技術内容および技術的特徴は上記のように開示したが、本発明が属する技術分野における当業者であれば、本発明の教示および開示に基づいて、本発明の技術的思想に違わない様々な置換および付加を行うことは可能である。したがって、本発明の保護範囲は実施例に開示するものに限定されることなく、本発明に違わない様々な置換および付加が含まれるものであるとともに、別紙の特許請求の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 基板
２、２’、２’’、２’’’ ノズル
３、３’ インクジェット型の導電性膜
４ スクリーン版
５ スクレイパ
６ 混成溶液
６’、６’’ スクリーン印刷型の導電性材
２０、２１、２２、 位置
３０、３１ 位置
１００ 基板
１０１ ナノ結合子
１０２ ナノ線材
１０３ 導電層
１０４ 導電性インク
【技術分野】
【０００１】
本発明は導電性材料であり、特にナノ構造を持つ導電性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類の文明が２１世紀に入り、情報機器製品には軽量、薄型、短く、小さく、柔らかく、そして可撓性などの六つの特長が求められるようになっている。ＩＤＴｅｃｈＥＸによる２００５年の統計によれば、未来におけるフレキシブルエレクトロニクス市場規模は２０１０年には４７億５千万ドルとなり、２０２５年には２５００億ドルに達するものと見込まれている。フレキシブルエレクトロニクスの登場に伴い、基板上に導電層を製作することが可能な導電性インクはさらに重要になってくるのは明らかである。ＮａｎｏＭａｒｋｅｔｓ社では２００６年に、導電性インク市場の規模は２００７年の０.１１億ドルから２０１３年の１３.６１億ドルにまで成長し、年平均成長率は１００％に近づくと予測している。これから判るように、導電性インクの発展は「フレキシブルエレクトロニクス」および「フレキシブルセンサ」などの新興産業を牽引するものである。また、導電性インクはインクジェットまたはスクリーン印刷方式を導入して基板上に導電性のパターンを作製することで、露光、フォトリソグラフィまたは蒸着などの製造工程は必要なくなるので、「省エネ・低炭素化」および「低コスト」などの未来の動向により一層符合することができる。
【０００３】
現在、導電性インクの導電性充填材料としては、金、銀、銅、鉄およびアルミニウムなどの金属材料が使用されるが、上記金属はナノ化した後には、その表面積が急激に増加して、金属材料の融点が降下し、導電層が焼結しやすくなる。例えば、銀の融点は６９０℃であるが、２ｎｍのナノ銀の融点は約１００℃前後であり、つまりわずか１００℃の温度でもナノ銀粒子をアニール処理して、導電性を向上させることができる。現在、産業界で最も一般的に使用される導電性インクの充填物はナノ銀であり、他の金属と比べても、中低価格で、導電性が高く、酸化物が導電性を備え、焼結温度が低く、そして安定性に優れているなどの特長を備えていることから、広く使用されている。銅は、コスト的に確かに銀よりも低く、しかも導電性も大差ないが、酸化しやすいため、使用における制限が比較的大きい。統計によれば、現在開発されている導電性インクにおいては、９５％以上がナノ銀を充填物として採用している。
【０００４】
導電性インクは、導電性粒子、結合剤および助剤（揺変剤など）などの組成物からなり、インクがインクジェットまたはスクリーン印刷などの工程により基材上に塗布されるとき、その内部の結合物またはその他混合物質と高温で焼結して焼成した後、さらに導電性粒子に焼結作用を発生させなければ、導電性材料の導電率を効果的に向上させることはできない。しかしながら、高温焼結の工程において、熱により基材の破損が生じてしまい、特に数多くの異なる材質からなる基材を使用するときには、各材質の熱膨張・収縮係数が異なり、熱での断裂または湾曲などの不具合が発生しやすくなる。また、もし融点の低い軟質基板上（例えば、ＰＥＴまたはＰＭＭＡ）に使用するとなると、基板の焼け付きまたは熱変形などの熱破損が生じてしまう。
【０００５】
特許文献１には、基板と複数のナノ銀ワイヤとを備えた透明導電体（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が開示されている。前記複数のナノ銀ワイヤは基板内部に形成されている網状構造で、導電体の導電率を高め、ひいては「透明および導電性」の効果を達成することができる。
【０００６】
特許文献２には、インクジェットプリンタの導電性インクが開示されている。その組成は二種類の形態の材料組成とすることができる。第１の形態は線状、テーパ状、円盤状および平板状などとするものであり、そのアスペクト比は１：３より大きいことが必須となる。また他方の材料を円形状、楕円形状、円柱形状または四角錐状とすることで、第１の形態材料におけるホールを補てんして、導電層の平坦度を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／００７４３１６号明細書
【特許文献２】米国特許公開第７，３４１，６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
つまり、現在の導電性材料では、ナノ粒子の導電性インクまたは塗料を使用して製作する場合、例えば焼結温度が高すぎることで導電率の低下を招くというように、不具合を引き起こしやすい高温焼結の工程が必要となる。そしてナノ線だけの材料で製作された導電性材料を使用するとなると、平坦度および緻密度が低下するという不具合が生じて、しかも導電率をさらに高めることができなくなる。したがって、高い平坦度を備え、しかも導電率を高めることができる導電性材料およびその製造方法を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施例には、両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材と、ナノ結合子とを含む導電性材料を開示する。
【００１０】
本発明の実施例には、両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材とナノ結合子とを含む混成溶液を提供する工程と、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とからなる導電性混合物を得られるよう、前記混成溶液を固化する工程と、を含む光エネルギーまたは熱エネルギーによって導電率を高めることができる導電性材料の製造方法を開示する。
【００１１】
本発明の実施例には、混成溶液と、ナノ線材と、ナノ結合子とを含むナノ構造を持つ導電性組成物を開示する。このうち、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とが占める重量比が９：１ないし１：９の間である。
【発明の効果】
【００１２】
図１および図２に示すところを参照されたい。特許文献１と本発明との相違点は、本発明ではナノ結合子１０１とナノ線材１０２とからなる導電性インク１０４を用いて、スクリーン印刷またはインクジェット方式で、基板１００上にパターンニングされた導電層１０３を形成し、続いて外部から熱エネルギーまたは光エネルギーを付与することで導電性インク１０４のナノ結合子１０１に焼結作用をもたらし、ひいては周囲のナノ結合子１０１またはナノ線材１０２を結合させて、導電層１０３は、ナノ線材１０２のみを有する類似した導電層の場合よりも、導電率を５０％以上高めることができる。
【００１３】
また、特許文献２と比べて、本発明にて採用する第１の形態は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムおよびアルミニウムまたは上記材料の複合物を材料として含むナノ線材１０２（ＡＲ＞１０）である。第２の形態材料は、光エネルギーまたは熱エネルギーにより周囲の材料に結合する、例えば直径が１００ｎｍ未満である金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどであるナノ結合子１０１である。二種類の材料を混合した後、光エネルギーまたは熱エネルギーの影響により、その第２の形態のナノ材料が溶融して周囲の材料と結着して、導電層が連続体として形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例における導電性材料のナノ結合子に光照射または熱エネルギーが付与された後、周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合する概略図である。
【図２】本発明の実施例における導電性材料のナノ結合子に光照射または熱エネルギーが付与された後、周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合する概略図である。
【図３】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が４：１の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図４】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が３：２の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図５】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が２：３の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図６】本発明の実施例における導電性材料中のナノ銀線材と銀ナノ結合子との混合比が１：４の重量比である場合の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図７】本発明の実施例において、異なる比率で銀ナノ結合子とナノ銀線とを混合した後の導電性材料の面粗度の実験データである。
【図８】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図９】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１０】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１１】２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像である。
【図１２】異なる比率で銀ナノ結合子と銀ナノ線とを混合した後の導電性材料のシート抵抗の実験データである。
【図１３】本発明の実施例におけるインクジェット工程を導入して導電性膜を製造する方法の最初の手順の概略図である。
【図１４】図１３に続く手順の概略図である。
【図１５】図１４に続く手順の概略図である。
【図１６】本発明の実施例におけるスクリーン印刷工程を導入して導電性膜を製造する方法の最初の手順の概略図である。
【図１７】図１６に続く手順の概略図である。
【図１８】図１７に続く手順の概略図である。
【図１９】図１８に続く手順の概略図である。
【図２０】図１９に続く手順の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施例には、ナノ銀線材とナノ結合子とを含むナノ構造を持つ導電性材料を開示する。ナノ線材は基板上に網状構造または網状に似た構造を形成できる導電性材料であるとともに、導電性材料に高い導電特性を持たせるものである。ナノ線材が形成する網状構造または網状に似た構造は多孔性構造であって、導電性材料のナノ結合子は前記多孔性の網状構造または網状に似た構造の中に補てんされることで、導電性材料内部がより緻密になる。しかも、ナノ線材で構成される網状構造または網状に似た構造は、導電性材料の表面の平坦度の悪化をもたらしやすいので、ナノ結合子をナノ線材で構成される網状構造または網状に似た構造に補てんすることで、導電性材料の表面の平坦度を改善することができる。また、ナノ結合子は、特定の波長を吸収する特性と、低融点の特性を持つ高い表面積比により、熱エネルギーまたは光エネルギーによりナノ結合子を溶融して、ひいては導電性材料の導電率の向上を達成している。
【００１６】
本発明の導電性材料において、ナノ線材１０２で形成されている網状構造に、適度な比率のナノ結合子１０１を添加することで、網状構造の間の隙間を補てんするとともに、これにより導電性材料の導電特性を高めている。本発明の導電性材料においては、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１との比率は１：９ないし９：１の間（比率値は０.１〜９の間）である。他の実施例においては、本発明の導電性材料は、比率が１：４ないし２：３の間（比率値は０.２〜４）であるナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを含む。
【００１７】
ナノ線材１０２は、アスペクト比を持つ一次元のナノ構造を意味している。本発明の一実施例のナノ線材１０２のアスペクト比は１０ないし８００であり、そして他の実施例においては、ナノ線材１０２のアスペクト比は２００ないし５００である。これに対して、本発明の実施例において、ナノ結合子１０１の粒径は１００ｎｍ未満である。
【００１８】
ナノ結合子１０１の材料は、純金属、または一種類以上の純金属からなる複合金属である。一実施例において、ナノ結合子１０１の材質は、直径が１００ｎｍ未満である金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどの金属である。ナノ結合子１０１は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどからなるナノ複合金属結合子１０１としてもよく、このうちナノ複合金属結合子は、金被覆銀ナノ粒子、銀被覆金ナノ粒子、金被覆銅ナノ粒子、銅被覆金ナノ粒子、銀被覆銅ナノ粒子、銅被覆銀ナノ粒子またはこれらの組合せを含む。また、ナノ線材の材料は、純金属、または一種類以上の純金属からなる複合金属である。一実施例において、ナノ線材１０２の材質は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどの金属である。ナノ線材１０２は、金、銀、銅、インジウム、バナジウムまたはアルミニウムなどからなるナノ複合金属線材としてもよく、このうちナノ複合金属線材は、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはこれらの組合せを含む。
【００１９】
一実施例において、本発明の導電性材料では、ナノ線材１０２により形成されている網状構造に、適度な比率のナノ結合子１０１を添加するだけで、常温で成型された後の網状構造の間の隙間を補てんして、低温加熱または光照射の方式で、ナノ結合子を溶融するとともに周囲のナノ線材またはナノ結合子に結合して、これにより導電性材料の平坦度、緻密度および導電特性を高めている。加熱温度は導電率に影響を及ぼす一因である。なぜならばナノ粒子は熱により溶解したとき、その凝集力により凝集してしまい、ひいては島状物を形成し、全体の導電率の低下を招くからである。一実施例において、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを混合した導電性材料は、２００℃以下まで加熱して、約１時間経過させることで、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１とを混合した間の結合性を強化している。例えば銀ナノ結合子または銀ナノ線材という具合に、融点の低いナノ線材１０２とナノ結合子１０１を部分的に使用する場合、その融点（１８０℃以下）は２００℃未満となるので、ナノ線材１０２とナノ結合子１０１との間には低温焼結の現象が発生して、導電性材料内に大きな連続した部分を有することになる。ナノ線材１０２はナノ結合子１０１との焼結により緊密な結合が発生して、導電性材料の導電率をさらに高めることができる。本発明の導電性材料では高温焼結を必要としないため、高温焼結により生じる不具合を回避することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、実施例を挙げて、本発明のより詳細な説明を行う。
【００２１】
実験例１
実験例１は導電性材料の製造方法を説明している。溶剤としてエチレングリコールを１００グラム準備する。銀ナノ結合子および銀ナノ線材の混合物を１５グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。ポリビニルピロリドン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ−ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）を結合剤として１.５グラム添加して、引き続き撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にインクジェット用導電性インクの製造が完了する。得られた混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を基板上に塗布するとともに、約１１０℃で約１５分間加熱してこれを固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。実験例１において、銀ナノ線材と銀ナノ結合子は異なる比率で調合されており、その比率値は０.１〜９の重量比で調合することができる。
【００２２】
固化後の導電性材料は、その銀ナノ結合子は銀のナノ線材が形成した網状構造の間の隙間を補てんすることができる。
【００２３】
図３には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が４：１（比率値は４.０）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間の一部隙間を補てんすることができることを示している。
【００２４】
図４には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が３：２（比率値は１.５）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間の隙間を明らかに補てんするとともに、補てん率はナノ線材とナノ結合子の比率が４：１の導電性材料よりも高くなっていることを示している。
【００２５】
図５には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が２：３（比率値は０.７）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間を十分に補てんするとともに、かなり平坦な表面を形成していることを示している。
【００２６】
図６には、本発明の実施例における導電性材料中のナノ線材とナノ結合子との比が１：４（比率値は０.３）である場合の走査型電子顕微鏡の画像が示されている。前記画像は、銀ナノ結合子が銀ナノ線の間を完全に補てんするとともに、平坦な表面を形成していることを示している。
【００２７】
図７には、本発明の実施例において異なる比率で銀ナノ結合子とナノ銀線とを混合した後の導電性材料の面粗度の実験データが示されている。明らかなことは、銀ナノ結合子が一切添加されていない導電性材料の、測定された面粗度は５００ｎｍを超えていることである。ナノ線材とナノ結合子との比率が４：１の場合、導電性材料の面粗度は２５０ｎｍ以下にまで低減することができる。ナノ銀線の比率を３：２にまで低下した場合、導電性材料の面粗度は５０ｎｍ以下にまで低減することができる。その後、銀ナノ結合子を添加する比率を増加させるに伴って、導電性材料の面粗度は徐々に低下する傾向を示す。また、銀ナノ結合子の添加量が４０％以内である場合、導電性材料の面粗度の改善は顕著になる。４０％重量パーセントに達したときには、添加されていない導電性材料に比べて、面粗度は９３％改善される。したがって、銀ナノ結合子を銀ナノ線に混入することで、導電性材料の面粗度は明らかに改善されることになる。
【００２８】
混成溶液を製作するための溶剤は、水、メタノール、ブタノール、イソプロパノール、テルピネオールまたはエチレングリコールなどのアルコール類、アセトンまたはシクロヘキサンといったケトン類、トルエンまたはジメチルベンゼンなどの芳香族、エチレングリコールモノエチルエーテルまたはエチレングリコールモノブチルエーテルなどのエーテル類、またはポリビニルアセテートなどのエステル類とすることができる。導電性インクの結合剤としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）などの高分子材料を使用することができる。その他助剤としては、メチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、エチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヒドロキシエチルセルロース（ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）およびアルギン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ）などがある。
【００２９】
また、前記した固化した後の導電性材料を２００℃で１時間加熱するか、または低エネルギーの光を照射するだけで、導電率を高めている。
【００３０】
図８には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で４：１である。画像では、焼結の後、導電性材料内には互いに結合した比較的粗い一部の連続構造、長尺状バルク構造（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ ｂｕｌｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および粒径が２００ｎｍを超える大粒（ｂｕｌｋ ｐａｒｔｉｃｌｅ）が形成されていることが示されている。
【００３１】
図９には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で３：２である。画像では、焼結の後、導電性材料内には互いに結合した比較的粗い連続構造、長尺状バルク構造、大粒およびシート状構造が形成されていることが示されている。
【００３２】
図１０には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で２：３である。画像では、焼結の後、導電性材料内には連続構造、バルク構造（ｂｕｌｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および大粒が形成されていることが示されている。
【００３３】
図１１には、２００℃で加熱した後の導電性材料の走査型電子顕微鏡の画像が示されており、この導電性材料内のナノ線材とナノ結合子との混合比率は重量比で１：４である。画像では、焼結の後、導電性材料内にはバルク構造およびバルク構造に付着している大粒が形成されていることが示されている。
【００３４】
図１２には、異なる比率で銀ナノ結合子と銀ナノ銀線とを混合した後の導電性材料のシート抵抗（ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の実験データが示されており、その単位はｏｈｍ／ｓｑである。図１２によれば、異なる比率の銀ナノ結合子と銀ナノ線とで製作された導電性材料は、そのシート抵抗は明らかに異なっている。固化工程のみで、加熱焼結されていない導電性材料（点線で示す）は、少量の銀ナノ結合子を銀ナノ線の網状構造内に添加した後、シート抵抗値は徐々に低下し、銀ナノ結合子を銀ナノ線の網状構造内に２０重量パーセント添加するまで、シート抵抗値は約２０％にまで低下していくので、導電率を高める効果を備える。その後、シート抵抗値はまた銀ナノ結合子の添加比率の増加に伴って増加していく。
【００３５】
また、２００℃の加熱により、すべての導電性材料（実線で示す）のシート抵抗値が低下していき、とりわけ銀ナノ結合子の含有量が高くなった場合には、降下の程度は顕著となり、このうち銀ナノ結合子を重量パーセントで２０％ないし６０％添加した導電性材料のシート抵抗値は比較的低い。
【００３６】
実験例２
実験例２は常温で成型可能な導電性材料の製造方法を説明している。溶剤として融点の低い溶剤（例えばエタノール、イソプロパノール）を１００グラム準備する。銀ナノ結合子および銀ナノ線の混合物（ナノ線材：ナノ結合子＝４：１）を２０グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。ポリビニルピロリドンを結合剤として１.５グラム添加して、引き続き撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にインクジェット用導電性インクの製造が完了する。得られた混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を基板上に塗布するとともに、常温下に約２０分間放置して固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。測定結果では、導電性材料を３μｍの厚さで塗布したとき、その導電率は３.０×１０６ Ｓ／ｍ（シート抵抗が０.１１ ｏｈｍ／ｓｑ）にまで達することになる。ナノ結合子の比率が増加したときには、そのシート抵抗もこれに伴って増加する。
【００３７】
実験例３
実験例３はスクリーン印刷工程に導入可能な導電性材料の製造方法を説明している。溶剤として水を５０グラム準備する。続いて、増粘剤としてメチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）を１.５グラム添加した後、撹拌機で撹拌する。銀ナノ結合子および銀ナノ線材の混合物（ナノ線材：ナノ結合子＝４：１）を５０グラム添加した後、引き続き撹拌機で撹拌する。最後に、レオロジー調整剤（Ｂｙｋ−Ｃｈｅｍｉｅ製のＢＹＫ−４１０）を約０.３グラム加えて、撹拌した後にスクリーン印刷の導電性インクの製造が完了する。混成溶液（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）をスクリーン版によって基板上に塗布するとともに、約１００℃で約２０分間加熱して固化させて、基板上に導電層を製作する第一段階が完了する。測定結果では、導電性材料を１２４μｍの厚さで塗布したとき、そのシート抵抗が０.０９ｏｈｍ／ｓｑにまで達することになる。
【００３８】
図１３ないし図１５には、本発明の実施例におけるインクジェット工程を導入して導電性膜３および３’を製造する方法の手順概略図が示されている。図１３に示すように、まず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、シリコンウェハまたはガラス基板などの基材とすることができる基板１を提供する。前記製造しておいたインクジェット可能な混成溶液をノズル２から基板１上に塗布して、導電性膜３を形成する。ノズル２が移動する位置（矢印２０、２１が指す）間における基板上方の位置に導電性膜３が生成される。図１５に示すように、続いてプログラミング可能な設計によりノズル２をその他の位置（矢印２２で示す位置）にまで移動させて、導電性膜３’の製作を実行する。最後にパターンニングされた導電性膜が得られる。パターンニングされた導電性膜３および３’は加熱または光照射により、その導電率が高められる。前記した導電性膜３は電磁シールド性、耐静電気性を付与するために用いることができ、しかも製造方法は液晶ディスプレイ、太陽光電池などの装置の導電層に用いることができる。
【００３９】
図１６ないし図２０には、本発明の実施例におけるスクリーン印刷工程を導入して導電性膜６’および６’’を製造する方法の手順概略図が示されている。図１６に示すように、まず、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、シリコンウェハまたはガラス基板などの基材とすることができる基板１を提供する。さらにはその上方にはパターンが施されているスクリーン版４と、スクレイパ５とが配設されている。図１７に示すように、前記製造しておいたスクリーン印刷可能な混成溶液６をスクリーン版４の上方に塗布する。図１８に示すように、スクレイパ５を水平方向に矢印３０で示す位置に移動させるが、移動経路におけるスクリーン版４上の孔が導電性材料６により埋められて、基板と接触する導電性膜６’が形成される。図１９に示すように、余剰の混成溶液６はスクレイパの移動により別の位置にまで移動させられるとともに、スクリーン版４に設計されている切欠きを補てんするとともに、導電性膜６’’が形成される。図２０に示すように、基板１上のスクリーン版４、スクレイパ５および余剰の混成溶液６を除去した後、パターンニングされた導電性材を備えた基板が得られる。パターンニングされた導電性膜６’および６’’は加熱または光照射により、その導電率を高めることができる。
【００４０】
上記をまとめるに、本発明の導電性材料内にはナノ結合子とナノ線材とを同時に混合することで、その導電率および平坦度を高めることができる。そして導電性材料は加熱した後、その導電率はさらに高められる。
【００４１】
本発明の技術内容および技術的特徴は上記のように開示したが、本発明が属する技術分野における当業者であれば、本発明の教示および開示に基づいて、本発明の技術的思想に違わない様々な置換および付加を行うことは可能である。したがって、本発明の保護範囲は実施例に開示するものに限定されることなく、本発明に違わない様々な置換および付加が含まれるものであるとともに、別紙の特許請求の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 基板
２、２’、２’’、２’’’ ノズル
３、３’ インクジェット型の導電性膜
４ スクリーン版
５ スクレイパ
６ 混成溶液
６’、６’’ スクリーン印刷型の導電性材
２０、２１、２２、 位置
３０、３１ 位置
１００ 基板
１０１ ナノ結合子
１０２ ナノ線材
１０３ 導電層
１０４ 導電性インク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のナノ線材と、
複数のナノ結合子と、を含む光エネルギーまたは熱エネルギーにより形成された導電性材料であって、
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が９：１ないし１：９であることを特徴とする導電性材料。
【請求項２】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項３】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項４】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が８：２ないし４：６であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項５】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項６】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項７】
前記導電性材料が導電性膜であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項８】
導電性材料の製造方法であって、
両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材とナノ結合子とを含む混成溶液を提供する工程と、
前記ナノ線材と前記ナノ結合子とからなる混合物を得るために、前記混成溶液を固化する工程と、
を含むことを特徴とするナノ構造を持つ導電性材料の製造方法。
【請求項９】
前記混合物に光を照射することで、その導電率を高めることをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が４：１ないし２：３であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記混成溶液が、水、アルコール類、ケトン類、芳香族、エーテル類、エステル類またはそれらの混合物である溶剤を含み、前記溶剤の重量が前記混成溶液の重量の１０％ないし８０％を占めることを特徴とする請求項８の製造方法。
【請求項１６】
ナノ線材と、ナノ結合子とを含み、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とが占める重量比が約１：９ないし９：１の間であることを特徴とする光エネルギーまたは熱エネルギーにより形成された導電性材料。
【請求項１７】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項１８】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項１９】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が８：２ないし４：６であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２０】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２１】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２２】
混成溶液をさらに含み、前記混成溶液が、水、アルコール類、ケトン類、芳香族、エーテル類、エステル類またはそれらの混合物である溶剤を含み、前記溶剤の重量が前記導電性組成物の重量の１０％ないし８０％を占めることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２３】
占める重量が前記導電性組成物の重量の２０％以下である高分子材料をさらに含み、前記高分子材料が、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、メチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、エチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヒドロキシエチルセルロース（ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）またはアルギン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ）であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２４】
占める重量が前記導電性組成物の重量の５％以下である粘度調整剤をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項１】
複数のナノ線材と、
複数のナノ結合子と、を含む光エネルギーまたは熱エネルギーにより形成された導電性材料であって、
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が９：１ないし１：９であることを特徴とする導電性材料。
【請求項２】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項３】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項４】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が８：２ないし４：６であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項５】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項６】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項７】
前記導電性材料が導電性膜であることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料。
【請求項８】
導電性材料の製造方法であって、
両者の重量比が９：１ないし１：９の間であるナノ線材とナノ結合子とを含む混成溶液を提供する工程と、
前記ナノ線材と前記ナノ結合子とからなる混合物を得るために、前記混成溶液を固化する工程と、
を含むことを特徴とするナノ構造を持つ導電性材料の製造方法。
【請求項９】
前記混合物に光を照射することで、その導電率を高めることをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が４：１ないし２：３であることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記混成溶液が、水、アルコール類、ケトン類、芳香族、エーテル類、エステル類またはそれらの混合物である溶剤を含み、前記溶剤の重量が前記混成溶液の重量の１０％ないし８０％を占めることを特徴とする請求項８の製造方法。
【請求項１６】
ナノ線材と、ナノ結合子とを含み、前記ナノ線材と前記ナノ結合子とが占める重量比が約１：９ないし９：１の間であることを特徴とする光エネルギーまたは熱エネルギーにより形成された導電性材料。
【請求項１７】
前記ナノ線材のアスペクト比が１０ないし８００であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項１８】
前記ナノ結合子の粒径が１００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項１９】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との重量比が８：２ないし４：６であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２０】
前記ナノ線材と前記ナノ結合子との材質が、金、銀、銅またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２１】
前記ナノ線材および前記ナノ結合子が、金被覆銀ナノ線材、銀被覆金ナノ線材、金被覆銅ナノ線材、銅被覆金ナノ線材、銀被覆銅ナノ線材、銅被覆銀ナノ線材またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２２】
混成溶液をさらに含み、前記混成溶液が、水、アルコール類、ケトン類、芳香族、エーテル類、エステル類またはそれらの混合物である溶剤を含み、前記溶剤の重量が前記導電性組成物の重量の１０％ないし８０％を占めることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２３】
占める重量が前記導電性組成物の重量の２０％以下である高分子材料をさらに含み、前記高分子材料が、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、メチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、エチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ヒドロキシエチルセルロース（ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）またはアルギン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｌｇｉｎａｔｅ）であることを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【請求項２４】
占める重量が前記導電性組成物の重量の５％以下である粘度調整剤をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の導電性材料。
【図１】
【図２】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−６０７５１（Ｐ２０１１−６０７５１Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９１３７（Ｐ２０１０−１４９１３７）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（５０７０８４０７３）インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティテュート (22)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（５０７０８４０７３）インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティテュート (22)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【Ｆターム（参考）】
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