用於製備電子器件和圖案的可噴墨印刷的組合物的製作方法

2023-04-24 12:40:41 2

專利名稱：：用於製備電子器件和圖案的可噴墨印刷的組合物的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用於在基底上的印刷電子裝置和圖案的可噴墨印刷的組合物。技術背景噴墨印刷是廣泛使用的印刷技術。基於納米材料的墨水適於噴墨。墨水的粒度和粘度影響墨水對噴墨印刷的適用性。
發明內容我們發現不同納米材料的組合物可噴墨形成在各種基底上的電子器件和圖案。所述組合物可以是分散液或墨水，它可由用於印刷導體的納米金屬、用於印刷電阻的納米金屬和電導率降低材料(即，與不存在該材料時墨水的電導率相比，降低了墨水的電導率的材料)的混合物、用於印刷電容器的介電納米添加劑、用於印刷電晶體和其它裝置的半導體納米添加劑等組成。一方面，所述導電分散液和墨水包括分散在液體載體中的納米金屬粉末，如提交於2004年9月14日的名稱為"InkJetPrintableCompositions(可噴墨印刷的組合物)"的在前申請(序列號為60/609,750)中所述的，該申請在本文中全文引用作為參考。通過本文中描述的冶金化學方法(MCP)製得的納米金屬粉末具有特殊的性能，能在使用或不使用添加劑的情況下，使液體載體(有機溶劑、水、或它們的任意組合)中的粉末分散和解聚。利用這些性質，我們能夠通過選擇納米金屬粉末、液體載體、以及任選的添加劑的適當的組合，用MCP製得的納米金屬粉末來設計具有非常低的粘度的組合物，如在高金屬濃度下進行噴墨印刷所要求的那樣。結合高金屬濃度和非常低的粘度的能力使得該組合物特別適用於噴墨印刷。本發明的組合物包括這些納米金屬粉末和電導率降低添加劑。所述組合物還具有使之可噴墨的性能(即，通過具有通常在微米範圍內的小噴嘴的噴墨印刷頭進行印刷的能力)。這些性能包括在l-200cP之間的低粘度(在室溫或噴射溫度下)，對於溶劑基分散液在20-37達因/釐米之間的表面張力，對於水基分散液在30-60達因/釐米之間的表面張力，在1-70%(重量)之間的金屬納米顆粒負載，以及具有小於150nm，較佳的是小於80nm的粒度分布(PSD)D90的金屬納米顆粒的低粒度分布。該組合物具有足以在最小沉積的條件下進行噴射的穩定性，並且不會阻塞印刷頭或改變組合物的性能。可用不同的技術印刷該組合物，這些技術包括連續噴墨技術、即時滴落(dropondemand)噴墨技術(如壓電(piezo)和熱感(thermal))、以及其它技術如氣刷、穿孔(flexo)、靜電沉積、蠟熱融熔等。另一方面，描述了包括分散在液體載體中的除了導電金屬納米粉末之外的納米粉末的可噴墨印刷的組合物。所述組合物在噴墨印刷溫度下的粘度不超過約200cP。合適的非導電金屬納米粉末的例子包括介電納米粉末、半導體納米粉末等。可通過在基底上噴墨印刷這些組合物製備的裝置包括電容器、電晶體等。本發明的一個或多個實施方式的細節將在下文中描述。本發明的其它特徵、目的和優點將從這些描述以及權利要求書中明顯地得出。具體實施方式含有導電納米金屬顆粒的分散液和墨水通常具有對用於製備諸如電阻、電容器、電晶體等器件來說太高的導電率。通過減少沉積的導電材料的量來降低導電率是不利的。這是因為當導電材料的總量太低時，難以精確地控制沉積量。另外，也可能是金屬沉積不夠，導致出現滲濾(percolation)，結果電阻無限大，而不是在限定的範圍內。解決這一問題的一種方式是結合高導電納米金屬顆粒和電導率降低添加劑。所述添加劑具有低於納米金屬顆粒的電導率的電導率，由此降低了組合物的總電導率。同時，使組合物能夠噴墨印刷的性能得以保留。合適的電導率降低添加劑(可以呈納米粉末的形式或不呈納米粉末的形式)的例子包括導電炭黑、導電有機聚合物等。選擇添加劑的量以達到用於施加墨水所需的電導率，因為高導電納米金屬顆粒和電導率降低添加劑之比將確定最終得到的電阻。但是，無論施加與否，導電納米金屬顆粒的量足以達到滲濾。解決這--問題的另一種方式包括在液體載體中分散除了導電金屬納米粉末之外的納米粉末。在噴墨溫度下，組合物的粘度不超過約200cP。合適的非導電金屬納米粉末的例子包括介電納米粉末、半導體納米粉末等。具體的例子包括金屬氧化物如氧化銻和氧化銦錫。合適的納米金屬顆粒的例子包括銀、銀-銅合金、銀-鈀合金、以及由US5,476,535("製造高純度超細金屬粉末的方法")和PCT申請WO2004/000491A2("用於製造高純度金屬納米粉末的方法以及製得的納米粉末")中描述的方法製得的其它金屬和金屬合金，上述兩篇申請在本文中全文引用作為參考。包括這些納米金屬顆粒的高導電分散液和墨水描述在提交於2004年9月14日的名稱為"可噴墨印刷的組合物"的臨時專利申請(序列號為60/609,750)中，該申請在本文中全文引用作為參考。所述分散液可根據本文中引用的專利中所述來製備，或者可通過混合分開的納米添加劑的分散液來製備。該組合物可用不同的技術來印刷，這些技術包括連續噴墨技術、即時滴落噴墨技術(如壓電、熱感和連續)、以及其它技術如氣刷、穿孔、靜電沉積、蠟熱融熔等。由此所得的印刷圖案可用任何適宜的方式進行後印刷處理來調節它們的電導率。所述處理可以是任何下述方法或其組合PCT申請WO2004/005413Al("低燒結溫度導電油墨一用於製造其的納米技術方法")和WO03/106573("製造導電和透明納米塗層和納米墨水的方法以及由此製得的納米粉末塗層和墨水")中描述的方法、施加輻射、微波、光、閃光、雷射燒結、施加壓力、摩擦、摩擦燒結、熱量(以任何形式施加，例如強制通風爐、電爐等)、連續輻射、掃描光束、脈衝光束等。該處理也可以是描述於提交於2004年9月14日的名稱為"用於製備基底上的導電印刷圖案的低溫燒結方法，以及基於該方法的製品"的臨時專利申請No.60/609,751，以及WO03/106573中的"化學燒結方法"(CSM)。所述分散液和墨水可印刷在廣泛的基底上，包括撓性、剛性、彈性和陶瓷表面上。具體的例子包括紙、聚合物膜、紡織品、塑料、玻璃、織物、印刷電路板、環氧樹脂等。以下通過實施例進一步描述本發明。除非另有說明，所有的量都是重量％的，以最終的分散液的重量為基準計算。實施例實施例1(對照)將1.88%Disperbyk163(得自德國Wesd的BYK-Chemie)和0.28%BYK333(也得自BYK-Chemie)加入36.11%BEA(乙二醇丁醚乙酸酯)和36.11%PMA(閃二醇單甲醚乙酸酯)的溶劑混合物中，用磁性攪拌器攪拌直至所有添加劑完全溶解。接著，緩慢加入0.62%ButvarB-76(得自Solutia)。為了增強溶解性，在超聲波浴中進行添加。接著，將25.0重量％的銀納米粉末(按US5,476,535和PCT申請W02004/000491A2中所述製備)分批加入，同時用磁性攪拌器混合。然後，根據以下方式將超聲波裝置BandelinSonopulsUltrasonic施用於分散液在50%處連續3次2分鐘，接著在60%處2分鐘，接著在70%處2分鐘，最後在80%處2分鐘(小心以防止溫度升高到高於50-6(TC)。使用CoulterLS雷射衍射設備進行粒度分布測定，證實D90為0.053pm。用BrookfieldRVDV-II+粘度計測定粘度，發現為3.9cP(在25。C)。該分散液用於塗覆Kapton⑧膜(使用繞線杆，35(im溼厚度)，在15(TC燒結60分鐘。使用四探針(probe)法測得所得的塗層的電阻為14.5朗。實施例2將實施例1中製備的導電分散液與10.00X的導電碳墨R-4148BGABlack(得向Degussa)混合。向該混合物施加超聲波能量直至由粒度分布測得發生完全解聚。使用CoulterLS雷射衍射設備進行粒度分布測定，證實D90為0.053|im。用BrookfieldRVDV-II+粘度計測定粘度，發現為5.7cP(在25°C)。該分散液用於塗覆Kapton⑧膜(使用繞線杆，35(im溼厚度)，在150。C燒結60分鐘。使用四探針法測得所得的塗層的電阻為414Q/]。當在相同條件下測定時，該導電碳墨(25%碳)的電阻超過2000Q/H。實施例3將實施例1中製備的導電分散液與30.00X的導電碳墨R-4148BGABlack(得向Degussa)混合。向該混合物施加超聲波能量直至由粒度分布測得發生完全解聚。使川CoulterLS雷射衍射設備進行粒度分布測定，證實D90為0.053|im。用BrookfieldRVDV-II+粘度計測定粘度，發現為10.7cP(在25°C)。該分散液用於塗覆Kapton⑧膜(使用繞線杆，35pm溼厚度)，在150'C燒結60分鐘。使用四探針法測得所得的塗層的電阻為660Q/口。已經描述了本發明的許多實施方式。無論如何，要明白的是，可在不偏離本發明的精神和範圍的前提下進行各種修改。因此，其它實施方式也在以下權利要求書的範圍之內。權利要求1.一種組合物，它包括分散在液體載體中的1-70重量％的納米金屬粉末和1-70重量％的電導率降低添加劑，其中，在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度不超過約200cP，並且所述組合物是可噴墨印刷的。2.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述電導率降低添加劑包括炭黑。3.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述電導率降低添加劑包括氧化銦錫。4.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述電導率降低添加劑包括氧化銻錫。5.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述電導率降低添加劑包括金屬氧化物。6.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述電導率降低添加劑包括導電有機聚合物。7.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度為l-200cP。8.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度為l陽100cP。9.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度為2-20cP。10.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，它包括10-60重量％的納米金屬粉末。11.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，它包括20-60重量％的納米金屬粉末。12.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，它包括約60重量％的納米金屬粉末，並且在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度約為18cP。13.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在室溫下，所述組合物的粘度不超過約200cP。14.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在室溫下，所述組合物的粘度為l-200cP。15.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在室溫下，所述組合物的粘度為l畫100cP。16.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，在室溫下，所述組合物的粘度為2-20cP。17.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，它包括約60重量％的納米金屬粉末，並且在室溫下，所述組合物的粘度約為18cP。18.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述液體載體包括水，並且所述組合物的表面張力約為30-60達因/釐米。19.如權利要求l所述的組合物，其特徵在於，所述液體載體包括有機溶劑，並且所述組合物的表面張力約為20-37達因/釐米。20.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末的平均粒度不超過約150nm。21.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末的平均粒度不超過約100nm。22.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末的平均粒度不超過約80nm。23.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末是根據MCP方法製備的。24.如權利要求1或14所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末包括銀。25.如權利要求1或14所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末包括銀-銅合金。26.如權利要求1或14所述的組合物，其特徵在於，所述納米金屬粉末包括不均勻的球形顆粒，並包括最多到約0.4重量％的鋁。27.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述組合物對顆粒沉積是穩定的。28.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述液體載體包括(a)至少一種有機溶劑和(b)至少一種選自下組的試劑表面活性劑、溼潤劑、流變改性劑、促粘劑、潤溼劑、粘結劑、以及它們的組合。29.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述液體載體包括(a)水、水混溶性有機溶劑、或者它們的組合，以及(b)至少一種選自下組的試劑表面活性劑、溼潤劑、流變改性劑、促粘劑、潤溼劑、粘結劑、以及它們的組合。30.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述液體載體包括(a)至少-種冇機溶劑，(b)可固化的單體，以及(c)至少一種選自下組的試劑表面活性劑、溼潤劑、流變改性劑、促粘劑、潤溼劑、粘結劑、以及它們的組合。31.-種方法，它包括使用噴墨印刷機將權利要求1的組合物印刷在基底上。32.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述噴墨印刷機是連續噴墨印刷機。33.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述噴墨印刷機是即時滴落噴墨印刷機。34.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述基底選自紙、聚合物膜、紡織品、塑料、玻璃、印刷電路板、環氧樹脂、以及它們的組合。35.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，它包括在將所述組合物施加到基底上之後燒結該組合物。36.—種組合物，它包括分散在液體載體中的1-70重量％的除了導電納米金屬粉末之外的納米粉末，其中，在噴墨印刷溫度下，所述組合物的粘度不超過約200cP，並且所述組合物是可噴墨印刷的。37.如權利要求8所述的組合物，其特徵在於，所述納米粉末包括介電材料。38.如權利要求8所述的組合物，其特徵在於，所述納米粉末包括半導體材全文摘要一種可噴墨印刷的組合物，它包括在液體載體中的納米顆粒。文檔編號C09D11/02GK101160363SQ200680005802公開日2008年4月9日申請日期2006年2月22日優先權日2005年2月23日發明者C·羅特曼,F·德拉維加申請人:西瑪耐諾技術以色列有限公司