專利名稱：用于基于溶劑和水的金屬導電油墨的添加劑和改性劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及導電油墨。
背景技術：
對于微電子和大面積電子器件來說，印刷導電膜具有降低制造成本的潛力。近來， 人們開發出了具有一致尺寸和形狀的金屬納米顆粒。發明人發現，這些納米顆粒可用于制 備分散良好的油墨。這些金屬油墨分散體可用于印刷導體，從而使直寫電子電路成為可能。 基于銀和金納米顆粒的油墨已開始用于印刷電子器件。之所以可以采用這些金屬，是因為 它們對分子氧的氧化具有較高的穩定性。電阻率為1.7μ Ω ·cm的銅已廣泛用于電子器件 和微電子芯片。此外，銅沒有銀或金那么貴，這就使它在用于印刷導體方面成為更有吸引力 的材料。不過，在印刷和固化過程中難以避免銅納米顆粒的氧化。為使金屬納米顆粒達到穩定分布，將分散劑吸附到納米顆粒表面上。這些分散劑 的作用是使各納米顆粒保持分離，防止它們聚集成團。分散劑可以是有機聚合物或長鏈分 子。這種化合物具有高沸點或分解溫度，在固化過程中難以除去。這些分散劑在固化金屬 膜中的任何殘留物都將使形成的金屬導體獲得更高的電阻率，因為這些分散劑及其分解產 物是非導電性有機化合物，即絕緣體。發明概述—方面，導電油墨包含金屬納米顆粒、聚合物分散劑和溶劑。在一些實施方式中， 聚合物分散劑可以是離子型聚合物分散劑、非離子型聚合物分散劑或者離子型和非離子型 聚合物分散劑的任意組合。聚合物分散劑的沸點可低于約150°C。在一些實施方式中，溶劑 包括水、有機溶劑或其任意組合。有機溶劑的沸點可低于約150°C。在特定的實施方式中， 導電油墨包含穩定劑、附著力促進劑(adhesion promoter)、表面張力改性劑、消泡劑、流平 添加劑(leveling additive)、流變改性劑、濕潤劑、離子強度改性劑或其任意組合。在一些 實施方式中，金屬納米顆粒占油墨的約10重量％至約60重量％。在特定的實施方式中，聚 合物分散劑占油墨的約0. 5重量％至約20重量％。另一方面，導電油墨包含約15重量％至約65重量％的銅納米顆粒、含約10重 量％至約50重量％的醇和約50重量％至約80重量％的水的載劑，以及分散劑。醇 可以是異丙醇、異丁醇、乙醇、聚乙烯醇、乙二醇或其組合。在一些情況中，分散劑可 以是聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、異硬脂基乙基咪唑啉鐺乙基硫酸鹽(isostearyl ethylimidazolinium ethosulfate)、油烯基乙基咪唑啉鐺乙基硫酸鹽或其組合。在一些情 況中，分散劑可以是磷酸改性的磷酸酯聚酯共聚物(phosphate polyester copolymer)、磺化苯乙烯馬來酐酯或其組合。在一些實施方式中，載劑包含約10重量％至約50重量％的水、約40重量％至約 60重量％的環己醇以及一定量的異丙醇，水與異丙醇之比在約1 1與約1 2之間。在 其他實施方式中，載劑包含約10重量％至約30重量％的水、約20重量％至約80重量％的 異丁醇以及一定量的異丙醇，水與異丙醇之比在約1 1與約1 2之間。在一些實施方式中，導電油墨可固化成膜，其電阻率小于約10μ Ω · cm，小于約 20μ Ω · cm，或小于約200μ Ω · cm。所述膜可基本上沒有缺陷，如針孔。附圖簡要說明
圖1顯示了用于金屬顆粒的同時具有陽離子和陰離子聚合物基團的分散劑。圖2顯示了 3，4-聚亞乙基二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸酯(PED0T:PSS)的化學結 構。圖3顯示了取代聚噻吩的酸堿平衡。圖4顯示了金屬納米顆粒上的雙層聚合物分散劑。圖5顯示了選定的非離子型表面活性劑的化學結構。圖6顯示了通過水解苯乙烯_馬來酐共聚物樹脂得到的顏料濕潤劑的化學結構。圖7顯示了利用由導電聚合物制備的銅油墨進行噴墨印刷得到的圖案。圖8顯示了在光子固化之前和之后，銅油墨中銅氧化物和銅納米顆粒的X射線衍 射圖樣。圖9是顯示由金屬油墨形成金屬膜的工藝中各步驟的流程圖。發明詳述適合用來形成導體的金屬油墨可用金屬納米顆粒、導電聚合物和負載體系如水、 有機溶劑或其組合配制。納米顆粒可以是例如銅、銀、鎳、鐵、鈷、鋁、鈀、金、錫、鋅、鎘等或其 組合。納米顆粒的直徑可約為0.1微米(100納米)或更小。由金屬納米粉末形成穩定分 散體的步驟可包括濕潤粉末，破碎粉末中的團聚體(解團聚)，以及穩定分散顆粒以抑制絮 凝。在一些情況中，可加入分散劑或表面活性劑，以利于粉末的解團聚。在一些情況中，在 該方法的一個步驟中具有最佳性能的分散劑未必在另一個步驟中具有最佳性能。因此，加 入一種以上的分散劑或表面活性劑可能是有益的。與普通分散劑的絕緣殘留物不同，諸如導電聚合物這樣的導電有機化合物可能不 會成為金屬導體中的絕緣缺陷，而是作為與金屬導體(Rl)并-串聯的電阻(R2)。導電聚合 物的電阻率(P 2)可低至0.001 Ω ·_。相比之下，金屬導體的電阻率(Pl)在10_6Ω · cm 數量級上。總電阻(R)可描述為
權利要求
一種導電油墨，其包含金屬納米顆粒；聚合物分散劑；以及溶劑。
2.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述聚合物分散劑是非離子型的。
3.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述聚合物分散劑是離子型的。
4.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述聚合物分散劑包含非離子型聚合物分 散劑和離子型聚合物分散劑。
5.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述聚合物分散劑的沸點低于約150°C。
6.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述溶劑的沸點低于約150°C。
7.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含附著力促進劑。
8.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含表面張力改性劑。
9.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含消泡劑。
10.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含流平添加劑。
11.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含流變改性劑。
12.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨還包含離子強度改性劑。
13.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述金屬納米顆粒占油墨的約10重量％至 約60重量％。
14.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述聚合物分散劑占油墨的約0.5重量％至約20重量％。
15.如權利要求1所述的油墨，其特征在于，所述油墨可固化形成電阻率小于約 200μ Ω · cm 的膜。
16.一種導電油墨，其包含約15重量％至約65重量％的銅納米顆粒；包含約10重量％至約50重量％的醇和約50重量％至約80重量％的水的載劑；以及 分散劑。
17.如權利要求16所述的油墨，其特征在于，所述分散劑選自下組胺、聚乙烯基吡咯 烷酮、聚乙二醇、異硬脂基乙基咪唑啉鐺乙基硫酸鹽、油烯基乙基咪唑啉鐺乙基硫酸鹽及其 任意組合。
18.如權利要求16所述的油墨，其特征在于，所述分散劑選自下組磷酸改性的磷酸酯 聚酯共聚物、磺化苯乙烯馬來酐酯及其任意組合。
19.如權利要求16所述的油墨，其特征在于，所述載劑包含 約10重量％至約50重量％的水；約40重量％至約60重量％的環己醇；以及異丙醇，異丙醇的量使得水與異丙醇之比在約1 1至約1 2之間。
20.如權利要求16所述的油墨，其特征在于，所述載劑包含 約10重量％至約30重量％的水；約20重量％至約80重量％的異丁醇；以及異丙醇，異丙醇的量使得水與異丙醇之比在約1 1至約1 2之間。
全文摘要
一種導電油墨，其包含金屬納米顆粒、聚合物分散劑和溶劑。所述聚合物分散劑可以是離子型聚合物分散劑、非離子型聚合物分散劑或者離子型聚合物分散劑與非離子型聚合物分散劑的任意組合。所述溶劑可包括水、有機溶劑或其任意組合。所述導電油墨可包含穩定劑、附著力促進劑、表面張力改性劑、消泡劑、流平添加劑、流變改性劑、濕潤劑、離子強度改性劑或其任意組合。
文檔編號H01B1/00GK101990687SQ200980108344
公開日2011年3月23日 申請日期2009年3月2日 優先權日2008年3月5日
發明者D·M·讓德西爾, P·B·萊克斯頓, X·李, 有村英俊, 李運鈞 申請人:應用納米技術控股股份有限公司;石原藥品株式會社