(57)【要約】      （修正有）【課題】電子デバイスのための電極およびインターコネクトなどの機能特徴をドロップオンデマンド堆積および印刷できるようにするための、噴射可能なインク組成物を提供する。【解決手段】銀ナノ粒子と、炭化水素溶媒と、アルコール共溶媒と、を含む、インク組成物であり、前記炭化水素溶媒は、少なくとも５個の炭素原子から２０個の炭素原子を有する脂肪族炭化水素または７個の炭素原子から１８個の炭素原子を有する芳香族炭化水素であり、前記アルコール共溶媒は、重量で大部分がα−テルピネオールであるテルピネオール溶媒であるインク組成物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀ナノ粒子と、
炭化水素溶媒と、
アルコール共溶媒と、
を含む、インク組成物。
【請求項２】
前記炭化水素溶媒は、少なくとも５個の炭素原子から２０個の炭素原子を有する脂肪族炭化水素または７個の炭素原子から１８個の炭素原子を有する芳香族炭化水素である、請求項１記載のインク組成物。
【請求項３】
前記アルコール共溶媒は、重量で大部分がα−テルピネオールであるテルピネオール溶媒である、請求項１記載のインク組成物。
【請求項４】
前記銀ナノ粒子は、前記インク組成物の少なくとも２５重量％を占め、前記炭化水素溶媒の前記アルコール共溶媒に対する重量比は、５：１未満である、請求項１記載のインク組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、様々な実施形態において、例えばインクジェット印刷による印刷に適した安定な高性能ナノ粒子組成物、ならびにその組成物を製造および／または使用するためのプロセスおよび装置を開示する。
【背景技術】
【０００２】
銀ナノ粒子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）における導電性要素として使用するために、広範囲に調べられてきた。しかしながら、銀ナノ粒子を含む従来のインク組成物は典型的には、噴射性が悪く、すなわち、従来のインクジェット印刷技術を用いて印刷することができなかった。典型的には、インクがノズルに詰まり、滴り、またはプリンタヘッド上で乾き、および／またはインク滴が不発に終わってしまう。印刷された特徴は、解像度が低く、および／または「コーヒーリング（ｃｏｆｆｅｅ  ｒｉｎｇ）」効果に苦しみ、この場合、ある滴中の粒子は、滴が基材上に堆積された場合、中心を有する円の周囲に沿って存在することになる（すなわち、非均一堆積）。理想的には、堆積されたインクジェット印刷された線は、滑らかで、均一で、真っ直ぐであるべきである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Dan Soltman and Vivek Subramanian,"Inkjet-Printed Line Morphologies and Temperature Control of the Coffee Ring Effect", Department Engineering and Computer Science, University of California, Berkeley, California 94720; October 17, 2007; pp.2225-2231
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電子デバイスのための電極およびインターコネクトなどの機能特徴をドロップオンデマンド堆積および印刷できるようにするには、噴射可能なインク組成物が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、銀ナノ粒子と、炭化水素溶媒と、アルコール共溶媒と、を含む、インク組成物である。
【０００６】
また、前記インク組成物において、前記炭化水素溶媒は、少なくとも５個の炭素原子から２０個の炭素原子を有する脂肪族炭化水素または７個の炭素原子から１８個の炭素原子を有する芳香族炭化水素であることが好ましい。
【０００７】
また、前記インク組成物において、前記アルコール共溶媒は、重量で大部分がα−テルピネオールであるテルピネオール溶媒であることが好ましい。
【０００８】
また、前記インク組成物において、前記銀ナノ粒子は、前記インク組成物の少なくとも２５重量％を占め、前記炭化水素溶媒の前記アルコール共溶媒に対する重量比は、５：１未満であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】コーヒーリング効果の代表的なパラメータ（ｈｅ／ｈｃ）を示す図である。
【図１Ｂ】コーヒーリング効果の代表的なパラメータ（ｈｅ／ｈｃ）を示す図である。
【図１Ｃ】コーヒーリング効果の代表的なパラメータ（ｈｅ／ｈｃ）を示す図である。
【図２】本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第１の実施形態を示す図である。
【図３】本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第２の実施形態を示す図である。
【図４】本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第３の実施形態を示す図である。
【図５】本開示のナノ粒子を含む薄膜トランジスタの第４の実施形態を示す図である。
【図６Ａ】先行技術のインク組成物を使用して印刷した線の写真を示す図である。
【図６Ｂ】本開示のインク組成物を使用して印刷した線の写真を示す図である。
【図７】親水性および疎水性表面の両方上での、本開示の例示的なインク組成物に対する線幅対滴間隔を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願は、様々な例示的な実施形態において、インクジェット印刷またはジェッティングを含む印刷に適したインク組成物を開示する。これらのインク組成物により、均一で滑らかなインクジェット印刷された線の形成が可能になる。これらのインク組成物により、同様に、非常に狭い幅でそのような線を形成させることができる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、銀ナノ粒子と、炭化水素溶媒と、アルコール共溶媒とを含むインク組成物が開示される。
【００１２】
他の実施形態では、オレイン酸により安定化された銀ナノ粒子と、ドデカンと、テルピネオールと、を含み、銀ナノ粒子がインク組成物の約３５重量％から約６０重量％を占め、ドデカン対テルピネオールの重量比が約３：１から約１：１であるインク組成物が開示される。
【００１３】
さらに他の実施形態では、有機アミンにより安定化された銀ナノ粒子と、イソパラフィン溶媒と、テルピネオールと、を含み、銀ナノ粒子がインクの約３５重量％から約６０重量％を占め、イソパラフィン溶媒対テルピネオールの重量比が約３：１から約１：１であるインク組成物が開示される。
【００１４】
銀ナノ粒子と、炭化水素溶媒と、アルコール共溶媒とを含むインク組成物を提供する工程と、インク組成物の滴を基材上に堆積させ線を印刷する工程と、を含む、基材上に線を印刷する方法もまた、開示される。
【００１５】
「銀ナノ粒子」において使用されるように「ナノ」という用語は、１０００ｎｍ未満の粒子サイズを示す。実施形態では、銀ナノ粒子は、約０．５ｎｍから約１０００ｎｍ、約１ｍｍから約５００ｎｍ、約１ｎｍから約１００ｎｍ、および特に約１ｎｍから約２０ｎｍの粒子サイズを有する。粒子サイズは本明細書では、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡法）により決定されるように、銀ナノ粒子の平均直径として規定される。
【００１６】
量に関して使用される「約」という修飾語は、提示した値を含み、状況により決定される意味を有する（例えば、少なくとも、特別な量の測定値に関連する誤差の程度を含む）。範囲に関連して使用される場合、「約」という修飾語はまた、２つの端点の絶対値により規定される範囲を開示するものとして考えるべきである。例えば、「約２から約４」という範囲はまた、「２から４まで」という範囲を開示する。
【００１７】
本発明のインク組成物は、（１）銀ナノ粒子と、（２）炭化水素溶媒と、（３）アルコール共溶媒とを含む。
【００１８】
銀ナノ粒子は、約１００ｎｍ以下、好ましくは約５０ｎｍ以下の平均直径を有してもよい。いくつかの特定の実施形態では、ナノ粒子は、約１ｎｍから約１５ｎｍ、例えば約２ｎｍから約１０ｎｍの平均直径を有する。さらに、粒子サイズ分布幅は、最大ナノ粒子の直径と最小ナノ粒子の直径との間の差、または最小および最大ナノ粒子の間の範囲を示す。いくつかの実施形態では、銀ナノ粒子の粒子サイズ分布は、約１０ｎｍから約５０ｎｍ、または約１０ｎｍから約２５ｎｍであってもよい。さらに別の実施形態では、銀ナノ粒子は、約１ｎｍから約５０ｎｍの小さな粒子サイズおよび約１０ｎｍから約３０ｎｍの狭いサイズ分布幅を有する。理論に制限されることなく、狭いサイズ分布幅を有する小さな粒子サイズにより、ナノ粒子は溶媒中に入れられた場合に、より容易に分散されると考えられる。
【００１９】
実施形態では、銀ナノ粒子は元素銀または銀複合物（ｓｉｌｖｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）から構成される。銀の他に、銀複合物は、（ｉ）１つまたは複数の他の金属類および（ｉｉ）１つまたは複数の非金属類のいずれかまたは両方を含んでもよい。適した他の金属類としては、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｉｎ、およびＮｉ、特に遷移金属類、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、およびそれらの混合物が挙げられる。例示的な金属複合物は、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ、およびＡｕ−Ａｇ−Ｐｄである。金属複合物中の適した非金属類としては、例えば、Ｓｉ、Ｃ、およびＧｅが挙げられる。銀複合物の様々な成分は、例えば、約０．０１重量％から約９９．９重量％、特に約１０重量％から約９０重量％の範囲の量で存在してもよい。実施形態では、銀複合物は、銀と、１つ、２つまたはそれ以上の他の金属類から構成される金属合金であり、銀は、例えば、ナノ粒子の少なくとも約２０重量％、特にナノ粒子の約５０重量％より多くを占める。
【００２０】
銀ナノ粒子は、カルボン酸または有機アミンによりその表面上で安定化されてもよい。カルボン酸は一般に、４から約２０の炭素原子を有する。カルボン酸は、例えば、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、エイコセン酸、エライジン酸、リノール酸、パルミトレイン酸、シトロネル酸、ゲラン酸、ウンデセン酸、ラウリン酸、ウンデシレン酸、それらの異性体、およびそれらの混合物から選択される。
【００２１】
有機アミンは、第１級、第２級、または第３級アミンであってもよい。有機アミンは一般に、３から約２０の炭素原子を有する。特定の実施形態では、銀ナノ粒子はオレイン酸またはヘキサデシルアミンにより安定化される。有機アミンは、例えば、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジプロピルアミン、Ｎ，Ｎ−ジブチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジペンチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘプチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジオクチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジノニルアミン、Ｎ，Ｎ−ジデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジウンデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジドデシルアミン、メチルプロピルアミン、エチルプロピルアミン、プロピルブチルアミン、エチルブチルアミン、エチルペンチルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、１，２−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、プロパン−１，３−ジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルプロパン−１，３−ジアミン、ブタン−１，４−ジアミン、およびＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルブタン−１，４−ジアミン、ならびにそれらの混合物から選択される。
【００２２】
実施形態では、安定化された銀ナノ粒子は、元素銀から構成される。安定化されたナノ粒子は、約７０重量％以上、例えば約７０重量％から約９０重量％、好ましくは約７５重量％から約８５重量％の銀含量を有してもよい。この含量は、従来のプロセスにより製造されるものより高い。含量は、任意の適した方法により分析することができる。例えば、銀含量は、ＴＧＡ分析または灰化法（ａｓｈｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）により得ることができる。
【００２３】
実施形態では、安定化された銀ナノ粒子は、特に長鎖カルボン酸類および長鎖有機アミン安定化剤で安定化された銀ナノ粒子は、低極性表面を有する。極性は、１つの分子のわずかに正に帯電した末端と別のまたは同じ分子の負の末端との間の双極子−双極子分子間力を示す。例えば、Ｈ２Ｏは極性分子であるが、ＣＨ４は非極性分子である。実施形態では、安定化された銀ナノ粒子の表面は、低極性炭化水素基から構成される。極性は表面張力に影響し、任意の適当なアプローチにより決定することができる。例えば、安定化された銀ナノ粒子が膜としてコートされている場合、膜の表面は非常に大きな前進水接触角（ａｄｖａｎｃｉｎｇ  ｗａｔｅｒ  ｃｏｎｔａｃｔ  ａｎｇｌｅ）を示し、低い表面エネルギおよび疎水性特性が示された。
【００２４】
従来では、銀ナノ粒子をトルエンまたはキシレンに溶解または分散させ、印刷用のインク組成物を形成させていた。しかしながら、銀ナノ粒子はこれらの溶媒中で不安定であった。例えば、インク組成物を数日という短い期間貯蔵すると、銀ナノ粒子はインク容器内で純粋銀として析出してしまう。さらに、インクジェット印刷すると、固体（銀ナノ粒子）が印刷された滴の縁に蓄積し、滴の中心が非常に薄い層となり、すなわち、大きなコーヒーリング効果が生じた。また、線幅が大きいため、印刷された線の解像度が非常に低くなった。しばしば、不発に終わった滴が観察された。
【００２５】
本開示では、銀ナノ粒子は、炭化水素溶媒とアルコール共溶媒の混合物中に溶解または分散される。この調合物は、改善されたインク安定性および均一な印刷特徴を提供し、コーヒーリング効果はほとんどない。６０μｍという低い線幅を達成することができる。さらに、このインク調合物は異なる表面エネルギを有する様々な基材表面上に噴射させ、印刷特徴を得ることができる。言い換えれば、インク組成物は基材の表面エネルギに関係なく動作する。
【００２６】
実施形態では、炭化水素溶媒は、飽和炭化水素類（アルカン類）、不飽和炭化水素類（アルケン類およびアルキン類）、およびシクロアルカン類を含む脂肪族炭化水素である。典型的には、炭化水素溶媒は、５から約２０の炭素原子を含む。特定の実施形態では、炭化水素溶媒はアルカン溶媒である。例示的なアルカン溶媒としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、それらの異性体、およびそれらの混合物が挙げられる。不飽和炭化水素類としては、例えば、ドデセン、テトラデセン、ヘキサデセン、ヘプタデセン、オクタデセン、テルピネン類、などが挙げられる。市販の炭化水素溶媒はまた、アイソパ（ＩＳＯＰＡＲ、登録商標）、例えばアイソパ（登録商標）Ｃ、アイソパ（登録商標）Ｅ、アイソパ（登録商標）Ｇ、アイソパ（登録商標）Ｈ、アイソパ（登録商標）Ｋ、アイソパ（登録商標）Ｌ、アイソパ（登録商標）Ｍおよびアイソパ（登録商標）Ｖという名で市販されているイソパラフィン溶媒を含む。特定の実施形態では、炭化水素溶媒は、約１５０℃から約３００℃の沸点を有する。特定の態様では、ｎ−ドデカンおよびアイソパ（登録商標）Ｇが、脂肪族炭化水素溶媒として使用される。
【００２７】
他の実施形態では、炭化水素溶媒は芳香族炭化水素溶媒である。典型的には、芳香族炭化水素溶媒は、約７から約２０の炭素原子を含む。例示的な芳香族炭化水素溶媒としては、トルエン、キシレン、エチルトルエン、メシチレン、トリメチルベンゼン、ジエチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、およびエチルベンゼン、ならびにそれらの混合物が挙げられる。特定の実施形態では、メシチレン、トリメチルベンゼン、エチルベンゼン、およびテトラヒドロナフタレンが、炭化水素溶媒として使用される。
【００２８】
実施形態では、アルコール共溶媒は、第１級アルコール、第２級アルコール、および第３級アルコールとすることができる。典型的には、アルコール共溶媒は、少なくとも６の炭素原子、例えば約６から約２０の炭素原子を含む。例示的なアルコール類としては、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ウンデカノール、ドデカノール、テトラデカノール、およびヘキサデカノール；ジオール、例えば、ヘキサンジオール、ヘプタンジオール、オクタンジオール、ノナンジオール、およびデカンジオール；不飽和二重結合を含むアルコール、例えば、ファルネソール、デデカジエノール、リナロール、ゲラニオール、ネロール、ヘプタジエノール、テトラデセノール、ヘキサデセネオール、フィトール、オレイルアルコール、デデセノール、デセノール、ウンデシレニルアルコール、ノネノール、シトロネロール、オクテノールおよびヘプテノール；不飽和二重結合を有するかまたは有さない脂環式アルコール、例えば、メチルシクロヘキサノール、メントール、ジメチルシクロヘキサノール、メチルシクロヘキセノール、テルピネオール、ジヒドロカルベオール、イソプレゴール、クレゾール、トリメチルシクロヘキセノール；など；ならびにこれらの混合物および異性体が挙げられる。特定の実施形態では、アルコール共溶媒は、約６から約２０の炭素原子を含む不飽和アルコールである。例示的な不飽和アルコール共溶媒としては、ファルネソール、デデカジエノール、リナロール、ゲラニオール、ネロール、ヘプタジエノール、テトラデセノール、ヘキサデセネオール、フィトール、オレイルアルコール、デデセノール、デセノール、ウンデシレニルアルコール、ノネノール、シトロネロール、オクテノールおよびヘプテノール、メチルシクロヘキセノール、テルピネオール、ジヒドロカルベオール、イソプレゴール、クレゾール、トリメチルシクロヘキセノール、ならびにこれらの混合物および異性体が挙げられる。他の実施形態では、アルコール共溶媒は、芳香族アルコール（フェノール）、例えばクレゾールである。
【００２９】
特定の実施形態では、アルコール共溶媒は、テルピネオール（ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ）を含む。テルピネオールは、下記で示すように、少なくとも４つの異性体（α、β、γ、および４−異性体）を有する。
【００３０】
【化１】
2010150543.tif 000002
【００３１】
一般に、テルピネオール溶媒は、重量で測定した場合に大部分がα−テルピネオール異性体である。言い換えれば、α−テルピネオール異性体がテルピネオール溶媒の少なくとも約５０重量％である。いくつかの実施形態では、テルピネオールは４つの異性体の混合物である。他の実施形態では、α−テルピネオールが使用される。
【００３２】
実施形態では、炭化水素溶媒は、アルコール共溶媒の沸点以下の沸点を有する。他の実施形態では、炭化水素溶媒は、アルコール共溶媒の沸点よりも約２０℃から約８０℃、例えば約３０℃から約６０℃だけ低い沸点を有する。例えば、炭化水素溶媒ドデカンは、２１５〜２１７℃の沸点を有するが、これは、２１９℃の沸点を有するテルピネオール共溶媒と組み合わせることができる。炭化水素溶媒アイソパ（登録商標）Ｇ（１６３〜１７６℃の沸点）もまた、テルピネオール共溶媒と組み合わせることができる。他の態様では、炭化水素溶媒は、アルコール共溶媒よりも高い沸点を有する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、銀ナノ粒子は、アルコール共溶媒よりも炭化水素溶媒中でより大きな溶解度を有する。銀ナノ粒子（もしあれば、安定化剤と共に）は、炭化水素溶媒中約１５重量％から約８５重量％、例えば約２０重量％から約８０重量％の溶解度を有してもよい。銀ナノ粒子（もしあれば、安定化剤と共に）は、アルコール共溶媒中約５重量％から約６０重量％、例えば約１０重量％から約５０重量％の溶解度を有してもよい。他の実施形態では、アルコール共溶媒は炭化水素溶媒よりも大きな表面張力を有する。さらに他の実施形態では、銀ナノ粒子はアルコール共溶媒よりも炭化水素溶媒中でより安定であり、アルコール共溶媒は炭化水素溶媒よりも大きな表面張力を有する。
【００３４】
銀ナノ粒子の負荷は、インク組成物の性能にとって重要である可能性がある。銀ナノ粒子が任意の安定化剤と共にインク組成物の少なくとも３５重量％、例えば約３５重量％から約７０重量％、または約４０重量％から約６０重量％までである場合、より良好な結果が得られる。さらに、炭化水素溶媒のアルコール共溶媒に対する重量比もまた重要である可能性がある。炭化水素溶媒のアルコール共溶媒に対する重量比は、約５：１未満、例えば約５：１から約１：２までであってもよい。特定の実施形態では、重量比は、約２：１から約１：１までである。いくつかの実施形態では、銀ナノ粒子はインク組成物の少なくとも約３５重量％であり、炭化水素溶媒のアルコール共溶媒に対する重量比は２以下である。
【００３５】
得られたインク組成物は、約２センチポイズから約１５センチポイズ、または約２センチポイズから約１０センチポイズ、または約２センチポイズから約６センチポイズの粘度を有してもよい。インク組成物はまた、約２０ミリニュートン／メートルから約３５ミリニュートン／メートル、例えば、約２２ミリニュートン／メートルから約３５ミリニュートン／メートル、約２０ミリニュートン／メートルから約３０ミリニュートン／メートル、または約２２ミリニュートン／メートルから約２８ミリニュートン／メートルの表面張力を有してもよい。要望通り、他の成分をインク組成物に添加してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、インク組成物は、銀ナノ粒子と、炭化水素溶媒と、アルコール共溶媒とを含む。
【００３６】
本開示のインク組成物から、インクの粘度に対処することができる任意の方法を使用して、導電性要素を作製することができる。典型的には、インクジェット印刷が使用される。圧電プリンタを含む任意の型のインクジェットプリンタをインクジェット印刷のために使用することができる。この段階で堆積された銀ナノ粒子は導電性を示してもよく、または示さなくてもよい。
【００３７】
任意の適した噴射条件を使用して、インク組成物を噴射させてもよい。実施形態では、インクは圧電プリンタヘッドを用いて、約２３℃から約４５℃、好ましくは約２３℃から約３５℃のプリンタヘッド温度を用いて印刷される。基材の温度は、約２３℃から約８０℃、好ましくは約４０℃から約８０℃、約４０℃から約６０℃としてもよい。滴間隔は、約２０μｍから約８０μｍ、好ましくは約２０μｍから約６０μｍとしてもよい。特定の実施形態では、基材温度は約５０℃から約６０℃であり、滴間隔は４０μｍである。滴間隔および基材温度の組み合わせにより、印刷された線の幅および滑らかさが決定される。
【００３８】
コーヒーリング効果を定量するために、パラメータｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ（ｈｅ／ｈｃとも呼ばれる）をここで縁高さ対中心高さの比として規定する。印刷された特徴、例えば線のプロファイルは、表面形状測定装置を用いて測定することができる。縁高さ（ｈｅｄｇｅ）および中心高さ（ｈｃｅｎｔｅｒ）を得ることができる。ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ比はコーヒーリング効果が存在するかどうかを示す（図１Ａ〜１Ｃを参照されたい）と考えられる。図１Ｂで示されるように、ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒが１．０である場合、コーヒーリング効果は存在せず、印刷された線は完全に平らであると考えられる。図１Ａで示されるように、ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ＞＞１．０である場合、中心は縁よりずっと薄く、大きなコーヒーリング効果が示される。最後に、図１Ｃに示されるように、ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ＜１．０である場合、中心は縁よりも高い。これは多くの用途において同様に許容される可能性がある。実施形態では、本開示のインク組成物を用いて印刷した特徴は、約１．０、例えば約０．８から約１．２のｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒを有する。他の実施形態では、ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒは１．５未満である。
【００３９】
本開示のインク組成物の１つの利点は、異なる表面エネルギを有する様々な基材表面上に印刷することができることである。いくつかの実施形態では、プラズマ洗浄されたガラスまたはプラスチック基材などの親水性表面が使用される。例えば、３０°未満の低い前進水接触角を有する表面は高い表面エネルギを示す。他の実施形態では、約６０°から約１００°の前進水接触角を有する修飾表面が使用される。実施形態では、インク組成物は、例えば約０°から約１００°の様々な水接触角を有する基材上で印刷させることができ、同様の印刷された特徴が達成される。
【００４０】
約３００℃未満の温度、好ましくは約２５０℃以下、たとえば約１５０℃以下で、堆積させたナノ粒子を加熱すると、ナノ粒子は合一し、電子デバイスにおいて導電要素として使用するのに適した導電性層を形成する。加熱は、例えば、約１分から約１０時間、特に約５分から約１時間の範囲の時間の間実施される。加熱は、約８０℃から約３００℃の温度で実施することができる。より特定的な実施形態では、加熱は、約１００℃から約２５０℃、または約１２０℃から約２００℃の温度で実施される。
【００４１】
堆積させた銀ナノ粒子を加熱することにより製造して得られた銀含有要素の導電率は、例えば、少なくとも１，０００Ｓ／ｃｍである。他の実施形態では、４プローブ法により測定されるように、導電率は少なくとも１０，０００Ｓ／ｃｍである。
【００４２】
得られた導電要素は、電子デバイス、例えば薄膜トランジスタ、有機発光ダイオード、ＲＦＩＤ（無線自動識別）タグ、光起電装置、および導電要素または部品を必要とする他の電子デバイスにおいて、導電性電極、導電性パッド、導電線、導電性トラック、などとして使用することができる。実施形態では、印刷された導電性特徴は、約５０ｎｍから約２００ｎｍ、例えば約７０から約１５０ｎｍの厚さを有する。ある用途、例えばＰＦＩＤタグのためのアンテナのための厚い層を達成するために、マルチパスを使用して厚さを蓄積することができる。
【００４３】
図２では、基材およびゲート電極の両方として機能する、高濃度にｎ−ドープされたシリコンウエハ１８と、その上面に２つの金属コンタクト、ソース電極２０およびドレイン電極２２が堆積されている熱成長酸化ケイ素を含む絶縁誘電体層１４と、を備える薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）構造１０が概略的に示されている。ここで示されるように、金属コンタクトであるソース電極２０およびドレイン電極２２上ならびにそれらの間に、半導体層１２が存在する。
【００４４】
図３では、基材３６と、ゲート電極３８と、ソース電極４０およびドレイン電極４２と、絶縁誘電体層３４と、半導体層３２と、を備える別のＴＦＴ構造３０が概略的に示されている。
【００４５】
図４では、基材およびゲート電極の両方として機能する、高濃度にｎ−ドープされたシリコンウエハ５６と、熱成長酸化ケイ素を含む絶縁誘電体層５４と、半導体層５２と、を備え、半導体層５２上面にソース電極６０およびドレイン電極６２が堆積されている、他のＴＦＴ構造５０が概略的に示されている。
【００４６】
図５では、基材７６と、ゲート電極７８と、ソース電極８０と、ドレイン電極８２と、半導体層７２と、絶縁誘電体層７４と、を備える別のＴＦＴ構造７０が概略的に示されている。
【００４７】
基材は、例えば、ケイ素、ガラス板、プラスチック膜またはシートから構成されてもよい。構造的に可撓性の装置では、プラスチック基材、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドシートなどを使用してもよい。基材の厚さは、約１０μｍから１０ｍｍを超える量までとしてもよく、例示的な厚さは、とりわけ可撓性プラスチック基材では約５０μｍから約２ｍｍであり、剛性基材、例えばガラスまたはケイ素では、約０．４ｍｍから約１０ｍｍである。
【００４８】
ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極は、本開示の実施形態により作製される。ゲート電極層の厚さは例えば、約１０ｎｍから約２０００ｎｍの範囲である。ソースおよびドレイン電極の典型的な厚さは、例えば、約４０ｎｍから約１μｍであり、より特定的な厚さは、約６０ｎｍから約４００ｎｍである。
【００４９】
絶縁誘電体層は一般に、無機金属膜または有機ポリマ膜とすることができる。絶縁層の厚さは、使用した誘電体材料の誘電率によって、例えば、約１０ｎｍから約５００ｎｍである。絶縁層の例示的な厚さは、約１００ｎｍから約５００ｎｍである。絶縁層は例えば、約１０−１２Ｓ／ｃｍ未満である導電率を有してもよい。
【００５０】
例えば、絶縁層とソース／ドレイン電極の間に、およびそれらと接触して、半導体層が配置され、ここで、半導体層の厚さは一般に、例えば、約１０ｎｍから約１μｍ、または約４０ｎｍから約１００ｎｍである。任意の半導体材料を使用してこの層を形成させてもよい。例示的な半導体材料としては、レジオレギュラー（ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ）ポリチオフェン、オリゴチオフェン、およびペンタセンが挙げられる。半導体層はまた、溶液プロセス、例えば、半導体の溶液または分散物のスピンコーティング、キャスティング、スクリーン印刷、スタンピング、またはジェット印刷により、作製させることができる。
【００５１】
絶縁誘電体層、ゲート電極、半導体層、ソース電極、およびドレイン電極は任意の順序で形成され、特に、ゲート電極および半導体層が両方とも絶縁層に接触する、ならびにソース電極およびドレイン電極が両方とも半導体層に接触する実施形態では、そうである。「任意の順序」という句は、連続形成および同時形成を含む。例えば、ソース電極およびドレイン電極は、同時にまたは連続して形成させることができる。銀ナノ粒子は、任意の適した表面上の層、例えば、基材、誘電体層、または半導体層上の層として堆積させることができる。
【実施例】
【００５２】
＜実施例１＞
２つのインク組成物を調合した。組成物Ａは、オレイン酸により安定化された銀ナノ粒子４０ｗｔ％とキシレン６０ｗｔ％とを含む。組成物Ｂは、オレイン酸により安定化された銀ナノ粒子４０ｗｔ％と、ドデカン４０ｗｔ％と、テルピネオール２０ｗｔ％とを含む。
【００５３】
オレイン酸により安定化されたナノ粒子は、以下のように調製した。酢酸銀を５０℃のトルエンとオレイルアミンの混合物に完全に溶解させた。トルエン中で希釈したフェニルヒドラジンをその後、滴下し、続いて、同じ温度で３０分混合した。反応溶液を室温まで冷却した。次に、アセトンとメタノール（１：１ｖ／ｖ）の混合物を撹拌しながら添加し、オレイルアミンにより安定化された銀ナノ粒子を沈殿させた。生成物を濾過し、アセトンおよびメタノールで３度洗浄した。銀ナノ粒子をその後トルエンに溶解し、オレイン酸をその溶液に添加し、続いて３０分混合した。アセトン／メタノール（１：１ｖ／ｖ）の混合物を添加することによりオレイン酸により安定化された銀ナノ粒子を沈殿させ、濾過し、メタノールで３度洗浄し、室温で一晩中、真空乾燥させた。
【００５４】
その後、２つのインク組成物を使用して、１０ピコリットルカートリッジを備えたダイマティクス（Ｄｉｍａｔｉｘ）ＤＭＰ−２８００インクジェットプリンタにより、線を印刷した。線を図６Ａおよび６Ｂに示す。
【００５５】
図６Ａで示されるように、組成物Ａは幅が約１５０〜２００μｍの線を印刷した。線の厚さはあまり均一ではなく、縁は厚いが、中央は薄かった。図６Ｂでは、組成物Ｂの線はより狭く、幅が約１００μｍであった。幅はまたより均一であり、縁は滑らかであった。コーヒーリング効果は観察されなかった。
【００５６】
＜実施例２＞
その後、インク組成物の線幅に対する基材の表面エネルギの効果を示すために、組成物Ｂを２つの異なる基材上に印刷した。プラズマ洗浄したガラス基材を親水性表面として使用した。ヘキサメチルジシラザンまたはオクチルトリクロロシランのいずれかにより修飾したガラス基材を疎水性表面として使用した。
【００５７】
図７は、各表面上での組成物Ｂに対する線幅対滴間隔を示すグラフである。広範囲にわたる滴間隔に対し、親水性および疎水性表面の両方で同様の線幅が達成された。これにより、組成物Ｂが表面エネルギに依存しないことが示された。これは非常に重要な特性である。というのは、組成物Ｂおよび同様のインク組成物を使用して様々な表面エネルギを有する異なる表面上に電子部品を印刷することができることを意味するからである。
【００５８】
＜実施例３＞
９つのインク組成物を製造した。それらは銀ナノ粒子の量およびドデカンのテルピネオールに対する重量比の点で異ならせた。インク組成物を用いて線を印刷し、２１０℃で３０分間アニールし、導電性の線の収率（すなわち、線が導電性かそうでないか）を測定した。結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
2010150543.tif 000003
【００６０】
ここで示されるように、テルピネオールの相対量が低い場合（５：１の比）、印刷した線のいずれも導電性ではなかった。同様に、銀ナノ粒子の負荷が低い場合（２５ｗｔ％）、印刷した線はいずれも導電性ではなかった。より高い銀ナノ粒子負荷およびより高いテルピネオール量では、印刷した線は全て導電性であった。
【００６１】
＜実施例４＞
ヘキサデシルアミンにより安定された銀ナノ粒子を本実施例で使用した。インク組成物は４０ｗｔ％の銀ナノ粒子と、テルピネオールと、炭化水素溶媒と、を含む。炭化水素溶媒のテルピネオールに対する比は２：１とした。炭化水素溶媒のアイデンティティを変動させて、その効果を決定した。基材の温度もまた変動させた。線を印刷し、線幅およびコーヒーリング効果を評価した。結果を表２に示す。
【００６２】
【表２】
2010150543.tif 000004
【００６３】
ここで示されるように、基材温度が増加すると印刷した線幅が減少した。テルピネオールの沸点（２１９℃）よりも高いかまたは低い沸点を有する炭化水素溶媒を使用すると、コーヒーリング効果の減少が助けられた（小さなｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ比）。特に、アイソパ（ＩＳＯＰＡＲ、登録商標）Ｇとテルピネオールの組み合わせは、狭い線およびコーヒーリング効果の減少の両方を提供した。
【００６４】
＜実施例５＞
アイソパ（登録商標）Ｇおよびテルピネオールを、アイソパ（登録商標）Ｇ対テルピネオール比２：１で溶媒として使用した。ヘキサデシルアミンにより安定化された銀ナノ粒子５０ｗｔ％を使用して、インクを調合した。線を印刷すると、基材温度が６０℃では、線幅が５７μｍまでさらに減少し、ｈｅｄｇｅ／ｈｃｅｎｔｅｒ比が１．０２であることが示された。
【００６５】
＜実施例６＞
メシチレンおよびｏ−キシレンを炭化水素溶媒として使用し、テルピネオールを２：１の比で共溶媒として使用した。ヘキサデシルアミンにより安定化された銀ナノ粒子５０ｗｔ％を使用した。線を印刷した。６０℃の基材温度では、メシチレンを有するインク調合物では４０から４５μｍの線幅が得られ、キシレンを有するインク調合物では約３０μｍの線幅が得られた。
【符号の説明】
【００６６】
１０，３０，５０，７０  ＴＦＴ構造、１２，３２，５２，７２  半導体層、１４，３４，５４，７４  絶縁誘電体層、１８，５６  シリコンウエハ、２０，４０，６０，８０  ソース電極、２２，４２，６２，８２  ドレイン電極、３６，７６  基材、３８，７８  ゲート電極。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2010150543.tif 000006
【図１Ｃ】
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【図２】
2010150543.tif 000008
【図３】
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【図４】
2010150543.tif 000010
【図５】
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【図７】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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