(57)【要約】【課題】本願発明は、従来技術の問題点を取り除き、基板上に導電性のプリントパターンを形成する効率的で比較的単純な方法を提供することを目的とする。【解決手段】本願発明は、絶縁基板上に導電性基板を形成する方法及びその装置に関する。本方法では、粒子状の導電性物質が基板の表面上に転写され、粒子で形成された導電性のプリントパターンを基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンに変換するために、粒子状の導電性物質が高温高圧で少なくとも部分的に焼結される平坦な絶縁基板上に導電性のプリントパターンを形成する。所定のパターンの形状に粒子状の導電性物質を転写され、基板がその間に投入可能な２つの挟着部を有するニップを用いて焼結を行う。本発明により、低温で高微細度の導電性構造を効率よく作成可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状の導電性物質が基板の表面上に転写され、
前記粒子状の導電性物質前記基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンに変換するために、前記粒子状の導電性物質が高温高圧で少なくとも部分的に焼結される
平坦な絶縁基板上に導電性のプリントパターンを形成する方法であって、
前記粒子状の導電性物質は、所定のパターンの形状に転写され、
前記基板がその間に投入される２つの相対する挟着部からなるニップを用いて焼結を行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記粒子状の導電性物質は基本的に金属または合金からなることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記粒子状の導電性物質は300℃未満、好ましくは200℃未満で常圧における液化点を有することを特徴とする請求項1または２のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記粒子状の導電性物質は粒径が0.5〜100μm、特に1〜20μmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記基板は、紙もしくはボード、またはポリマーフィルムなどの繊維系製品であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記基板は、300℃未満、特に250℃未満、さらには200℃未満において、破損点または変形点を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
温度は、250℃未満、好ましくは50〜250℃、特に100〜200℃、圧力は、20MPa未満、好ましくは10kPa〜20MPa、特に50kPa〜10MPaで焼結を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記挟着部は、前記基板がその間に投入されるロール、プレート、ベルト、またはシューニップのような長ニップを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記粒子で形成されたプリントパターンを有しない、前記基板の表面と接触する前記挟着部は、前記基板の表面に前記導電性のプリントパターンの付着を向上させるために加熱されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記粒子で形成されたプリントパターンに接触する前記挟着部は、加熱しないかまたはわずかに加熱するのみであることを特徴とする請求項８または９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
錫または錫及びビスマスからなる合金は、前記粒子状の導電性物質の導電性材料として使用され、前記合金内の錫の比率が総重量中の20〜90重量％、好ましくは30〜70重量％であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
インジウム及び／または亜鉛が総重量の1〜60重量％に相当する合金であり、前記合金が使用されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１導電性プリントパターンを焼結後、少なくとも１つの付加的な絶縁層が前記第１導電性プリントパターンを備える前記基板の表面上に積層され、少なくとも１つの付加的な第２導電性プリントパターンが第２絶縁層に転写され焼結されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記付加的な絶縁層の破損点または変形点が、前記付加的な絶縁層の下位層の破損点または変形点よりも低いことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記付加的な絶縁層は、熱硬化性材料からなり架橋されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記粒子状の導電性物質は、静電転写法により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記粒子状の導電性物質の粒子が帯電し、
ロール、プレート、またはベルトなどの転写部材の所定領域に第１電場により前記粒子を転写し、
前記転写部材から前記基板上に第２電場により前記粒子を転写することにより、
前記粒子状の導電性物質が前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板の表面上に前記粒子状の導電性物質を所定のプリントパターンでスクリーンレス転写可能な静電転写法が使用されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
誘電性の表面層で覆われた少なくとも１つの転写電極を有するロールまたはプレートなどの転写部材が使用される静電転写工程を備えることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記粒子状の導電性物質は、スクリーン印刷により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記粒子状の導電性物質は、グラビア印刷により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記粒子状の導電性物質は、フレキソ印刷により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記粒子状の導電性物質は、オフセット印刷により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記粒子状の導電性物質は、凸版印刷により前記基板上に転写されることを特徴とする請求項１〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
粒子状の導電性物質を基板の表面上に転写する転写手段と、
粒子で形成されたプリントパターンを前記基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンへ変換するために、前記粒子状の導電性物質が少なくとも部分的に焼結する焼結手段とを備える
平坦な絶縁基板上に前記連続的な導電性のプリントパターンを形成する装置であって、
前記転写手段は、所定のパターンの形状に前記粒子状の導電性物質を転写可能であり、
前記焼結手段は、前記基板がその間に投入可能な２つの挟着部を有するニップを備えることを特徴とする装置。
【請求項２６】
前記焼結手段は、高温及び高圧の印加手段を備え、温度は、250℃未満、好ましくは50〜250℃、特に100〜200℃、圧力は、20MPa未満、好ましくは10kPa〜20MPa、特に50kPa〜10MPaであることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
ロール、プレート、またはベルトなどからなる複数の挟着部のうち少なくとも１つは加熱可能であることを特徴とする請求項２５または２６のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
前記粒子で形成されたプリントパターンを有しない、前記基板の表面と接触する前記挟着部は、前記基板の表面に前記導電性のプリントパターンの付着を向上させるために加熱可能であることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
ロール、プレート、またはベルトなどからなる単一の挟着部は、前記転写手段の電極及び前記焼結手段の焼結部材の両方として使用されることを特徴とする請求項２５〜２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
前記転写手段は、静電転写手段を備えることを特徴とする請求項２５〜２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
前記転写手段は、前記基板の表面上に前記粒子状の導電性物質を所定のプリントパターンでスクリーンレス転写可能な静電転写手段を備えることを特徴とする請求項２５〜３０のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
前記静電転写手段は少なくとも１つの転写電極と誘電性の表面層とを備え、前記転写電極の表面に導電性粒子が付着可能なようにすることを特徴とする請求項３０または３１のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記転写手段は、前記導電性のプリントパターンの微細度を向上させるために、前記誘電性の表面層の後に位置する背後電極を備えることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記静電転写手段は、
帯電手段と、転写部材と、電極部材とを備え
前記帯電手段は、前記粒子状の導電性物質の前記粒子に電荷を帯電させ、
前記転写部材は、該転写部材の所定領域に帯電した粒子を受けるための電極または帯電パターンを有するロール、プレート、またはベルトなどであり、
前記電極部材は、前記転写部材から前記基板の表面に電場を用いて前記粒子を転写する電極ロール、電極プレート、または電極ベルトなどである
ことを特徴とする請求項３０〜３３のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
前記転写手段は、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、及び凸版印刷からなるグループから選択された方法を用いる印刷手段を備えることを特徴とする請求項１〜３４のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
粒子状の導電性物質が基板の表面上に転写され、
粒子で形成された導電性のプリントパターンを前記基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンに変換するために、前記粒子状の導電性物質が高温高圧で少なくとも部分的に焼結される
平坦な絶縁基板上に前記連続的な導電性のプリントパターンを形成する方法であって、
前記基板の表面上に前記粒子状の導電性物質を所定のプリントパターンでスクリーンレス転写可能な静電転写法が使用されることを特徴とする方法。
【請求項３７】
粒子状の導電性物質を基板の表面上に転写する転写手段と、
前記粒子で形成された導電性のプリントパターンを前記基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンへ変換するために、前記粒子状の導電性物質を少なくとも部分的に焼結する焼結手段とを備える
平坦な絶縁基板上に前記連続的な導電性のプリントパターンを形成する装置であって、
前記転送手段は、前記基板の表面上に前記粒子状の導電性物質を所定のプリントパターンでスクリーンレス転写可能な静電転写手段を備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、導電性を有するプリントパターンに関するものである。特に、本願発明は、平面基板上に導電性を有するパターンを形成する方法に関する。当該方法において、導電性物質が基板上に静的パターンを形成するように、導電性物質を基板表面上に塗布する。また、本願発明は、当該方法を実行するための装置に関するものでもある。
【背景技術】
【０００２】
プリント電子技術、特にフレキシブル基板上におけるプリント電子技術は、論理学的な解決法に関する電子部品及びその応用から、使い捨ての電子装置（電子技術）、プリントディスプレイまでも追求している。今日、プリント電子技術の応用は、電気メッキやスクリーン印刷などの電子部品の従来的な製造において一般的な方法を利用する。しかし、残念ながら、これらの方法は遅く、多孔質基板及び／または網状の基板に適していない。また、電子部品のプリントに、フレキソ印刷及び輪転グラビア印刷が使用されている。上述した方法に関する問題点として、フレキソ印刷や輪転グラビア印刷は、不連続な構造（網点のため）、溶媒蒸発、及び多孔質構造における成分の吸収（液状物質）が発生する。また、導電性ポリマーに関する主な課題は、不十分な電気伝導性や酸化などの環境的な影響からの保護に関するものである。
【０００３】
国際公開第０４／０８０１３８号パンフレットでは、基板上での電子回路の形成に関する別の方法が開示されている。当該方法において、金属粉を層として基板上に堆積させ、堆積した基板表面の一部に印圧する。印圧された領域では、長期間維持される導電性構造を形成するために、高圧液圧プレス機により金属粉が基板に加圧される。この加圧は、数秒間、さらには数分間行われ、そのため、当該方法は遅く、高圧を用いる必要もあり、その結果、装置自体が非常に大きなものとなる。また、当該方法は、基板の変形（圧縮率）に基づいているため、特に、紙製の基板に関連する場合、基板の機械的脆弱性を引き起こす。均一な導電層を形成することを除きほぼ類似するEMCシールドに関する方法が、欧州特許第０２９７６７８号明細書に開示されている。
【０００４】
静電印刷によるプリント配線基板の製造に関する別の方法は、米国特許第４６９８９０７号明細書及び国際公開第０１／４５９３５号パンフレットに開示されている。一方で、国際公開第９５／１４２６０号は、表面へのトナー粒子の静電転写に関する埋設した電極ドラムが開示されている。
【０００５】
米国特許第５８１７３７４号明細書に、レセプター上にマスクを用いることで、帯電させた粒子を厚い層にしてレセプター材料上に転写する方法が開示されている。すなわち、帯電させた粒子が先ずマスク内の選択孔を介してレセプターに転写され、次いでレセプター表面からマスクが除去される。この層をレセプターに固定するために、レセプター表面をコーティングするか、または粒子を表面上において重合化もしくは架橋化させることも可能である。粒子の転写の速度と精度とを考慮する場合、いかなる種類のスクリーンまたはマスクの使用も望ましいことではない。
【０００６】
米国特許出願公開第２００２／００３４６１７号明細書に、先ず再利用可能な結像面の架橋化領域にトナーを付着させて、次いでそのトナーをコロナ放電で配線基板に転写することにより、湿式導電性トナーを配線基板に転写する方法が開示されている。オーブン処理を行った後に、基板上でトナーが乾燥する。最後に、電気伝導性を高めるために、銅層が乾燥したトナー上に積層される。そのため、当該方法は、多くの製造工程が必要となる。
【０００７】
欧州特許第００３４８１７号明細書は、不活性基板上の表面を高温にする必要がある場合、金属粉と粘着性を有するトナー粒子とを含有する混合物を用い、次いで、製品仕上げのためにそれらの粒子の混合物を焼結することに関するものである。当該方法の欠点として、所望の導電性パターンを得るために助剤である粘着性トナーが必要となる。
【０００８】
特開平１１−２９８１１９号明細書に、電気回路を形成するためにセラミック基板に適用可能である銅含有粉末が開示されている。当該粉末は、感圧ポリマーと電荷制御剤も含有し、それらを混練することにより基板に付着させる。当該方法は、フレキシブル基板に適したものでなく、また低温では使用できない。
【０００９】
さらに、導電性のペースト、ジェル、インクを用いて導電性のパターンをプリントする幾つかの技術が公知である。しかしながら、液相物質を用いることは、それ自身の複雑な工程のため望ましくなく、また電導性及び／またはプリント配線の微細度も相対的に低いことが挙げられる。また、化合物に当初から含有されていた溶剤または助剤を除去するために、時間を要する工程が必要である。
【００１０】
前述した方法では、それらの方法で使用可能な基板に対して所定の制限が設けられている。それらのうちのいずれもが、高温のためかまたは局所加圧を用いた基板の脆弱性のため、紙製基板に適していない。一方で、マスクの設置、ステンシル、またはスクリーンは、設置工程が不必要に複雑であり、得られる微細度も限定されるため、工程に関して、目的とする速度、カスタマイズの容易性、及び柔軟性に関する限り望ましいものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第０４／０８０１３８号パンフレット
【特許文献２】欧州特許第０２９７６７８号明細書
【特許文献３】米国特許第４６９８９０７号明細書
【特許文献４】国際公開第０１／４５９３５号パンフレット
【特許文献５】米国特許第５８１７３７４号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００２／００３４６１７号明細書
【特許文献７】欧州特許第００３４８１７号明細書
【特許文献８】特開平１１−２９８１１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本願発明は、従来技術の問題点を取り除き、基板上に導電性のプリントパターンを形成する効率的で比較的単純な方法を提供することを目的とする。その方法は、低温下においても高微細度で高スループットに適したものであり、本願発明は、特に、紙製基板と高温において（約200〜300℃もしくはそれ未満）脆弱化するような他の基板とに適した方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本願発明は、耐久性のある導電性のプリントパターンを基板上に形成するために、導電性粒子の付着を行う新規の装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明は、基板上に導電性粒子を粉末状に所定のパターンの形状で転写し、導電性粒子間の導電性結合を形成し、基板にプリントパターンを固定するために、連続的に基板に対して熱圧着を行うことを利用することに基づいている。
【００１５】
本願発明の好適な実施形態において、スクリーンを使用せずに粒子を転写する方法が用いられている。最も有利となるように、スクリーンを使用しない（以下スクリーンレス）静電的な方法が採用されている。
【００１６】
本願発明に係る方法は、粒子状の導電性物質を所定のパターンの形状で基板の表面上に転写することにより、平坦な絶縁基板上に導電性を有するパターンを形成することを備える。その後、粒子で形成されたプリントパターンから基板に固定された連続的で電導性を有するプリントパターンに変換するために、粒子状の導電性物質が、少なくとも部分的に高温高圧で焼結される。好適には、少なくとも一方が加熱可能な２つの相対する挟着部からなり、該挟着部間に基板が投入されるニップにおいて焼結が行われる。
【発明の効果】
【００１７】
本願発明のような転写は、所定のプリントパターンで直接基板の表面上に粒子状の導電性物質を転写する静電転写手段を備える装置により実現可能である。プリントパターンが所定の形状であることから、焼結用のニップで焼結可能である。
【００１８】
静電転写を使用する場合、転写手段は、少なくとも１つの転写電極が組み込まれた転写部材（例えば、ロール、プレートまたはベルトなど）と、転写電極に電圧を印加することで、部材表面に転写される帯電した導電性粒子の放電を防止するための誘電性の表面層とを備える。上記のような装置は、基板に対する粒子のスクリーンレス転写を正確かつ簡便に行うことができる。
【００１９】
本願発明に係る方法は、さらに請求項１に記載の特徴部分により特徴付けられる。
【００２０】
本願発明に係る装置は、さらに請求項２５に記載の特徴部分により特徴付けられる。
【００２１】
本願発明の手段により、相当の利点を引き出すことができる。本願発明の方法では、挟んで焼結することにより、所望の表面に導電性のプリントパターンを形成する効率的な方法を提供するものである。すなわち、特に所望の領域に対して熱や圧力を集中させる必要がなく、単に基板全体に対して行うだけでよい。
【００２２】
スクリーンレス静電転写を使用する場合、さらに特別な利点を引き出すことができる。この技術は、粉末状の絶縁トナーを基板に塗布（例えば、電子写真）するために広く使用されている技術である。しかしながら、本願発明者らは、焼結の利用において、この技術が導電性粒子を高微細度かつ高スループットで付着させるために使用可能なことを発見した。
【００２３】
静電転写の別の利点は、静電的に転写される粒子は、助剤の添加または製造工程の追加をすることなしに、粒子同士及び基板と粒子との両方が互いに付着し合うように高温高圧で基板の表面に焼結可能なことである。すなわち、基本的に金属粒子は、高い導電性を有するプリントパターンを形成するために、スクリーンレス転写可能であり低温で焼結可能である。本願発明は、静電力を有する導電性粒子を転写し、その後これらの導電性粒子を焼結することに基づいている。そのため、本願発明の方法は、層状構造を形成するために、容易に従来の電子写真システムと連結して使用可能である。
【００２４】
特に、本願発明の方法は、紙、ボード、及びポリマーフィルムなどのフレキシブル基板上に導電性の構造を形成することに適している。この種の基板はロール機材で網状またはシート状に処理されるのが最適である。
【００２５】
本願発明の方法を実施する手段は、容易に大型の抄紙機または印刷機に組み込むことができるが、小型の印刷機にも組み込み可能である。本願発明は、例えばRFIDアンテナ、様々な電子モジュールのプリント回路、センサーなどの製造に用いることができる。プリントパターンは、製品の真贋証明用マークとして使用することも可能である。また、見えないように隠したり、機械的な脆弱性から保護したりするために、プリントパターンを多層構造の製品の内部の層に組み込むことも可能である。
【００２６】
本願発明の好適な実施形態において、粒子状の導電性物質は、基本的に金属粒子または金属合金粒子からなる。金属粒子または金属合金粒子は、大気圧での融点が300℃未満のものが望ましい。熱圧焼結法により、この様な粒子は、250℃未満の温度、一般的には200℃未満での焼結が可能である。それにより、本願発明の方法をその様な温度において物理的特性が常に変化してしまうような例えば普通紙などに適するようにする。また、この様な金属を使用することにより、非常に高い導電性を少ない使用量で達成することができる。さらに、新規の静電転写法を用いることで、誘電性の粘着性を有するトナー、助剤による導電性粒子の結合または混合が必要なくなる。
【００２７】
本願発明の好適な実施形態において、スクリーンレス静電転写法を用いる。スクリーンレス静電転写法とは、空間的に分布（部分的に）した静電相互作用と静電転写手段（通常この時点では粒子が不連続な状態である）とにより、導電性粒子が導電性のプリントパターンで直接基板の表面に付着される方法であり、つまり電子写真のような方法である。プリントパターンを形成するために、フィルター、ステンシル、マスク、またはスクリーンを基板上または転写部材上に使用しなくてよい。この特徴は、基本的に粉末を無駄にすることがないことや、転写後の集塵及び再循環をする必要がないことなどの利点を有する。後で説明するが、基板上に付着するまで粒子の電荷を維持することができる新規な転写ロールの配置により、この利点を実現することができる。
【００２８】
少なくとも部分的に焼結するとは、溶融材料の再凝固を介して粒子を凝集することを言う。すなわち、少なくとも粒子の表面層は物理的状態の可逆変化を経ることである。焼結において、粒子は、電気的に互いに結合されるだけでなく、基板の表面構造にも直接結合される。
【００２９】
静電転写がかなり有利な点を有していることを見いだしてきたが、同様に他の形式の印刷技術を採用することも可能である。これらの方法の中で、特にスクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、及び凸版印刷が挙げられる。これら全ての方法に共通していることは、粒子の損失または再循環が発生しないことで、粒子の付着時または付着後の粒子の除去時においてさらなるスクリーニングが必要ない点である。すなわち、先ず粒子の付着時に、それに続いて２つのロールを有するニップまたはそれに類似したものにおいて焼結できるような形式で、粒子を付着可能である。
【００３０】
本願発明の他の実施形態及び有利な点は、以下において詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】転写ロール及び電極ロールを用いる導電性粒子の静電転写の一般的原理を示す断面図である。
【図２ａ】本願発明に係る転写手段及び焼結手段の一方の例を示す断面図である。
【図２ｂ】本願発明に係る転写手段及び焼結手段の他方の例を示す断面図である。
【図２ｃ】焼結状態を詳細に示す断面図である。
【図３】プリント装置に備え付けられた転写挟みを示す斜視図である。
【図４ａ】完全な導電性を有する粒子の静電転写に適した転写ロールの構造を示す断面図である。
【図４ｂ】図４ａのロールに関して、微細度を向上させるために背後電極を備える改善された実施形態を示す図である。
【図４ｃ】転写電極用の密集した格子からなるプログラム可能転写ロールを示す斜視図である。
【図５】図４ｂの背後電極の効果を示す図である。
【図６ａ】本願発明の方法により、30μmの粒子サイズを使用して得られた構造の顕微鏡画像である。
【図６ｂ】本願発明の方法により、80μmの粒子サイズを使用して得られた構造の顕微鏡画像である。
【図７ａ】本願発明の方法により、10μmの錫ビスマス粒子を使用して得られた500μm線幅の顕微鏡画像である。
【図７ｂ】本願発明の方法により、10μmの錫ビスマス粒子を使用して得られた300μm線幅の顕微鏡画像である。
【図８ａ】錫ビスマス導電体の顕微鏡画像である。
【図８ｂ】拡大された錫ビスマス導電体の顕微鏡画像である。
【図９】本願発明の方法により得られた錫ビスマス構造を含む様々な物質及び物質構造に関するバルク抵抗値を示すチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本願発明の方法は、様々な基板に微粒子を付着可能で半永久的に固定できる点であり、それと同時に、付着したプリントパターンの導電性を向上する点を見いだしたことが挙げられる。これは、連続転写と挟み焼結工程とにより可能となった。使用する付着方法に応じて、中間段階の省略(乾燥状態で粒子が付着される場合)または付着された物質を乾燥する乾燥段階の採用(懸濁液内の粒子が付着される場合)を行う。
【００３３】
本願発明の方法は、特に、乾燥状態の粉末状導電性微粒子(半導体も含む)に適している。以下において、本実施形態を詳細に示す。導電性粒子として、金属、ポリマー、またはそれらの複合物を使用することができる。生成された構造の微細度は、粉末物質の粒子サイズに強く依存するのに対して、付着及び焼結工程において、物質の組成が重要となる。金属微粒子は、それ自体、本願発明の方法に適するようなものである。以下に、これらの粒子及び他の有用な粒子に関して少し説明を行う。
【００３４】
金属微粒子
本実施形態に関して、低融点金属及び合金が望ましい。特に、錫ビスマス合金が使用に適していることが確認されている。これに関して、低融点金属及び合金は、300℃未満の融点、一般的には50〜250℃、特に100〜200℃の融点を有する物質を意味するものである。適する金属には、低融点合金を生成可能な点において、例えば、錫、ビスマス、インジウム、亜鉛、ニッケル、またはそれらと類似したものが挙げられる。また、例えば、異なる割合を有する、錫ビスマス、錫−亜鉛−ビスマス、錫−ビスマス−インジウム、または錫−亜鉛−ビスマス−インジウムなどが、この点において有益である。合金中のこれら金属元素の割合を変更することで、その合金の融解挙動を大幅に変化させることができる。錫の割合が合金中の成分の総重量のうち20〜90重量％、望ましくは30〜70重量％の錫含有合金は、低温において良好に付着及び焼結の両方が可能である。例えば、錫が42重量％でビスマスが58重量％の錫ビスマスは、139℃の融点を有する共晶合金を生成する。これを、錫が63重量％でビスマスが37重量％へと錫とビスマスとの割合を変更すると、139℃で融解が始まるが、例えば150℃において液体の相対量は約50％しかなく、180℃を超えて完全に液相となる。錫が15.6重量％、ビスマスが36.1重量％、インジウムが48.3重量％の化合物では、融点が59℃となる。これにより、低温での利用が可能となる。
【００３５】
金属または合金の粒子のサイズは、0.5〜100μmが望ましく、高微細度での使用が必要な場合は1〜20μmが望ましい。また、粒子は基本的に100％金属であることも可能である。すなわち、粒子を包含したり、粉末に混合したり、または本願発明の方法を上手く実施するために予め基板に塗布したりする助剤を必要としないことである。
【００３６】
他の物質
ポリアニリン(PANI)、ポリ(3, 4エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)などのような導電性ポリマーも、付着に使用可能であるが、しかしながら、導電性ポリマーのグループの不溶解性により、焼結が難しくなる。基本的に、導電性が本来備わっているポリマーは、一般的な溶媒のどれにも融解または溶解しない。しかし、これらは200℃を優に超えると、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレン−コ−メチルアクリレート(EMA)、エチレン−プロピレン−エン共重合体(EPDM)など様々な合成ポリマーと融合できるように分解するものである。これらの合成物質は、半導体程度の導電性を維持している。
【００３７】
図１を参照すると、本願発明に係る好適な実施形態において、各々が分離した導電性粒子140は、スクリーンレス静電プリント用に絶縁基板材料100上に使用される。この様なシステムは、粉末運搬機130内の高圧電極132により帯電された導電性粒子140を用いる。帯電した導電性粒子140は、転写ロール110の表面116上の第１電場により粉末運搬機130から運搬される。転写ロール110は、異なるポテンシャルを有する電極112, 114からなる。帯電した導電性粒子140は、ポテンシャルの差異により転写ロール110に付着する。例えば、正に帯電した導電性粒子140は、ポテンシャルが負またはゼロ(接地のため)の領域114に付着する。帯電した導電性粒子140は、基本的に転写ロール110の表面116上に保たれる。転写ロール110から、帯電した導電性粒子140は、転写ニップに移動される。この転写ニップ内において、帯電した導電性粒子140は電極ロール120により発生される引力により基板に移動される。これにより、転写ロール110と電極ロール120との間の第２電場により転写ニップにおいて転写される。当業者であれば、上述した原理を使用するロールの代わりに、転写・電極プレートもしくはベルト、または他の適した部材によっても、転写が実行可能である。
【００３８】
導電性粒子140が絶縁基板材料100の表面102上に転写された後、導電性粒子140は焼結されて連続的な導電性構造を形成する。好ましくは、図２ａ及び図２ｂにそれぞれ示すようなセパレートまたはセミセパレートの焼結ニップ間の温度及び圧力下において、焼結が行われる。セパレートの焼結ニップは２つの別々のロール250, 260であるのに対して、セミセパレートの焼結ニップは焼結ロール270用のカウンターロールとして電極ロール220を用いる。ロールの一方または両方とも、所望の焼結温度を得るために加熱される。選択した温度に応じて、焼結ニップ間において焼結させるために十分な圧力も発生する。ロール間に挟んで焼結を行う代わりに、ベルトまたはシューニップのような長ニップなどが使用可能である。これらの方法において、ニップ長を数mm、一般的に2〜500mmとし、圧力を10〜20,000kPaとすることができる。加熱の形態に関しは、上述したロールニップシステムと同様の原理を使用する。
【００３９】
焼結工程において、所望の導電性(使用する材料の性質によっては半導体を含む)を有する表面のプリントパターンが形成される。これは、図２ｃに、粒子で形成されたプリントパターンは240の符号で示し、焼結されたプリントパターンは240’の符号で示してある。基板は200の符号で示してある。導電性金属または合金の粒子240により、バルクの金属または合金と同等の導電性を有するプリントパターンを形成することが目的である。同等の導電性とは、プリントパターンの導電性がバルクの導電性に比べて約1:100〜1:1程度のことを言う。これは、互いに導電性粒子を直接凝集させることで可能である。
【００４０】
上述した転写及び焼結技術により、所望の導電性を有するプリントパターンを得るために、スクリーンまたはマスクを使用する必要がなくなる。所望のプリントパターンの形状は、さらに基板上に層を付着する前に、転写部材の粉末状の最上層として一時的に形成される。特に、表面が平坦で均一なロールを使用可能であり、それにより、100〜300μmの微細度レベル、さらには50〜100μm、さらにそれ以下(得られる線幅に関して)に至るまでの微細度の高い転写が可能である。基板上に付着される前ではなく、本願発明の２相スクリーンレス付着工程において、付着された粒子は電荷を失う。一般的に、主に基板を介して電荷を減衰できるが、中和イオン化装置も使用可能である(以下の分離システムを参照)。
【００４１】
殆どの絶縁性の平面なシートまたは織物系が使用可能である。紙、ボード、ポリマーフィルム(プラスティック)が本工程に対して非常に適していることが判明したが、他の類似の導電性を有しない材料の表面にも使用可能である。紙またはボードはコーティング、コーティング無し、木製部分無し、木製部分を含むものとすることができる。多層基板も使用可能である。
【００４２】
他の考えられる基板は、織物、不繊布材料、電子工業用の回路基板、成型品、ガラス、壁紙やフロアーコーティングなどの構成素材、加熱及び非加熱のセラミックス、(バイオ)ポリマーをベースにしたもの及び化合物を含む。リストとして挙げられた各基板は、それぞれに適した利用領域とその有用性を有する。
【００４３】
特に、焼結挟みを伴う本願発明の方法は、破損温度または変形温度で300℃未満、特に、250℃未満、さらには200℃未満である基板に適している。すなわち、殆どの紙またはプラスティックの品質では高温に耐えられないことである。
【００４４】
図３は、本体に設置された粉末運搬機330、転写ロール310、電極ロール320を有する。基板300は、転写ロール310と電極ロール320との間の処理位置に位置する。使用可能なセミセパレートの焼結挟みロールの設置位置は、370’の符号が与えられている。
【００４５】
粉末用容器
130、230、330のような粉末用容器は、粒子の貯蔵及び帯電させるために使用される。帯電は、導電性、トライボ帯電(例えば、粉末内の絶縁材料による)、または超過したイオン量による帯電(コロナ帯電、プラズマ)によって行うことが可能である。例えば、導電性を有する(金属的な)粒子を用いる場合、粉末運搬機において、粒子は電極プレートの下に横たわる粒子と同じポテンシャルとなる。トライボ帯電により、導電性粒子は、絶縁構造、粒子または表面と接触することで帯電する。この後、電場により粒子が転写ロール表面に転写される。粉末運搬機内の粒子に対して均一に電荷が分散されるためには、一般的に所定のしきい電圧が必要であることが判明した。しきい電圧のレベルは、粒子の種類に依存し、例えば錫ビスマス合金では一般的に約200Vが必要である。
【００４６】
粉末運搬機130において、均一的な粉末の分散を行うために、粉末流動化が推奨される。これにより、粒子の転写ロールへの転写と付着とを確実に行うことができる。空気、機械的振動、及び反発する静電力(導電性粒子による)を用いることで、粉末流動化を行うことができる。
【００４７】
転写ロール
転写ロールは、転写ロールの表面に付着される粒子とは異なるポテンシャルを有する電極を備える。このポテンシャルの差異は、ロール、ベルトまたはそれらに類似するものの表面において異なる表面電荷によっても発生され得る。粉末運搬機と転写ロールとの間の電場は、これらの電極により発生される。粉末運搬機(及び機内の粉末)と転写ロールとの間に電場が形成された場合、転写ロールの表面への電場により、帯電した粒子が転写される。
【００４８】
図４ａは、完全に導電的な粒子に適したロール構造を示している。この様なロールでは、導電性を有しない表面仕上げ(表面層)418が転写電極412上に用いられる。このため、転写ロール表面上の粒子は電荷を失わず、粒子が転写挟みから基板表面に転写されるまで維持している。例えばPOMで作製されたロール本体が、符号414で示されている。ロール本体は、転写電極412に関して基礎的な役割をする接着層416を備える。転写電極412は、銅または導電性材料で作成可能であり、電気信号または接地線もしくは電線480で制御される。転写ロールの表面層418は、例えば導電性を有しないポリマーまたはセラミックスなどの誘電性材料の連続的で均一な層を備える。ポリイミドは、機械的かつ電気的にこの用途に適していることが判明した。転写電極412と導電性粒子との間の静電力が転写部材上の粒子を保持するために十分であるとき、転写前または転写中のどちらにおいても、転写ロールの表面パターン形成または他の空間的表面処理は必要ない。
【００４９】
図４ｂに示すように、転写ロールが背後電極484(例えば、銅製のプリントパターン電極の表面下の金属製フォイルなど)を備えることが好ましい。この背後電極484により、正確な領域に電場を集中することができるため、帯電した粒子で所望のプリントパターンの構造が作製される。図５は、背後電極の電場集中効果の計算例を示す。電極512の背後の電極584が無い場合では、電場の集中点は、図に示した状態と比較して、少なくとも水平方向の径に３部分となる。符号530として粉末運搬機が示されており、その一方で、粒子が粉末運搬機から隣接する電極512へ移動する場合、曲線598は計算された粒子の軌道を示している。
【００５０】
転写ロールは、ポテンシャルが制御可能な個別の電極点の格子を備えることも可能である。図４ｃに、その様なロールが示してある。電極点のサイズ及びピッチは、所望の微細度レベルと一致しなければならない。上述したように、完全に導電性な粒子を用いる場合、帯電した粒子と接触するピンの上部は、粒子の電荷の減衰を抑えるために、絶縁層を備える必要がある。さらに詳しく述べると、実際に、絶縁層は電荷減衰を起こすが、それを制御下に置くことができる。例えば、体積抵抗率が106〜1011Ω・mが許容範囲である。
【００５１】
これに付け加えて、帯電した粒子を転写する帯電領域を形成するために、自己組成材料を用いることができる。ポリマーの自己組成において、基板は帯電され、次いで基板表面にポリマー層を１層ほど付着させるために、ポリマー溶剤槽に少し浸される。ポリマーはコイルに巻き付く傾向を有するため、ポリマーの表面は基板上の電荷によって中和されない。次に、前の層と同様だが反対の電荷であるポリマー層を浸すこともできる。浸す前に、ポリマー層は中性物質でプリントパターンを形成することもできる。このため、得られる表面の一部は帯電し、他の部分は中性である。また、中性マスクを行う材料が選択され、それが除去できるような場合、反対に帯電したプリントパターンの表面を得ることができる。この種の表面は、従来の電子写真と同様なシステムとして使用され得る。後者において、光(例えばレーザーなど)の影響により、露出した領域が中性化される。そのため、導電性粒子の電荷減衰を抑える場合には、電子写真における光導電性も使用可能である。
【００５２】
電極ロール
最も単純な形態の電極は、他のシステム部品から絶縁され帯電した粒子と反対のポテンシャルを有する金属性ロールである。目的は、基板表面に粒子を転写可能にするために、転写ロール(及び表面上の粒子を含む)と電極ロールとの間の電場を発生するためである。これに付け加えて、粒子の転写において、帯電した粒子と基板との間のポテンシャルの差異を引き起こすために、コロナ帯電を用いることも可能である。基板の反対面は、コロナ帯電からのイオンにより帯電可能であり、基板のもう一方の面は、帯電した粒子に接触するかまたは非常に接近しているため、粒子の転写が行われる。
【００５３】
分離システム
基板表面に粒子が転写された後、電極ロールから基板及び粒子の分離が必要となる。基板の誘電的な特性(体積及び表面抵抗の両方)に応じて、粒子は電極方向に対する静電力を維持する傾向を有する。これは、粒子とロールとの間のポテンシャルの差異に起因する。粒子と電極ロールとの間の静電力を減少させるため、幾つかの動作を行うことができる。第１に、繊維を基にしたポリマーフィルムまたはそれに類似するものにより粒子から織物に電荷を移動させるために、繊維材料を基にした織物(紙及びボード)の含水率を増加させることが可能である。第２に、粒子の電荷を中性化するために、交流のイオン化装置を用いることもできる。第３に、ポテンシャルの差異は、粒子の電荷減衰(例えば、長時間織物を電極ロールに接触させることにより)まで、安定を維持するように配置可能である。第４に、電極ロール(上述した図２bのセミセパレートの焼結ニップ)に接触している間、粒子を焼結可能である。
【００５４】
所定の状態において、転写後に電極ロールの作用から導電性粒子をさらに上手く分離することが可能であるが、一方で、他の状態では、プリントパターンの品質で分かるように分離が不十分である。特に、紙またはボードが基板として用いられ、湿度依存分離が使用される場合、工程環境の相対湿度が約20〜90％であるのが望ましく、一般的には30〜60％である。この相対湿度が意味するところは、例えば紙の含水率が2〜20％に収まると言うことである。これにより、帯電した粒子に分離するための適切な電荷減衰時間を提供する。
【００５５】
焼結システム
焼結工程において、金属(またはポリマー)粉末粒子を焼結すると共に、連続的で導電性を有する構造を形成する。焼結手順は、単に圧力と温度(ロールまたはプレートの構成のいずれかにおいて)とを利用し、使用する導電性材料の融点及び焼結温度を超えるようにする。焼結挟みのロール、プレート、またはベルトの組において、その組の２つのうちのいずれか１つを加熱することができる。加熱した材料の表面物質は、変形を起こさずに適用温度(例えば50〜250℃)に耐えられるものでなければならない。ロールの利用可能な表面物質として、例えばタングステンカーバイト、硬質クロム、PTFEカバー及び派生物、固着防止(低表面エネルギー)の特性を有するセラミック材料などがある。加熱したロールに直接接触することで焼結を行うか、または基板材料を介して熱を伝導させることも可能である。また、接触するロールの両方とも、焼結挟みにおける熱伝導を向上させるために加熱することができる。発明者らの研究によれば、基板への粒子の付着を最大化するために、粒子で形成されたプリントパターンを有さない、少なくとも基板表面に接触するロールまたはプレート(第２ロール)を加熱することが望ましい。粉末に接触するロール(第１ロール)は、かなり低温であっても良く、加熱せずに冷却することも可能である。しかしながら、耐久性のあるプリントパターンは、第１ロールのみを加熱することで得ることができる。
【００５６】
ロール表面の特性は重要であり、その滑らかさは非常に高く(望ましくは、Ra<1μm)、表面エネルギーは低い(望ましくは、<100mN/m)ものである。これは、融解した金属がロールに付着する傾向を低減するためである。
【００５７】
加熱は、挟みで圧縮する前に、レーザー、または誘導、IR加熱、及びマイクロ波加熱によっても行うことができる。
【００５８】
半導体材料(及び層構造用の絶縁材料を含む)用の付着システムの特殊機能
半導体及び絶縁材料に関して、付着の原理は従来の電子写真と同様である。半導体とは、本質的に導電性材料及び絶縁材料(例えば相当な電荷減衰時間を有する粒子)とからなる半導電材料または凝集体であることを言う。導電性粒子の帯電の違いは、帯電方法であり、その帯電方法には、例えば電界荷電(コロナを発生するための高電圧1,000〜20,00Vによる大量のイオン)などのトライボ帯電及び超過したイオン量による帯電がある。また、この方法は、層構造を形成するためにも用いることができる。異なる特性(金属やポリマーなど)を有する粒子は、別々の工程で付着することが望ましい。例えば、先ず、金属の導電性経路を付着して焼結し、その後、絶縁材料(ポリマー、ラッカー)を基板上に付着して焼結することができる。以下の工程において、どの下位層も壊われてはならないことに注意する。これは、例えば下位層の融点が最上位層の材料の融点よりも高くなるように選択することで可能である。また、材料の再溶解を防止するために、熱硬化性樹脂を用いることもできる。実際には、その材料の上に付着して使用する熱硬化性樹脂の元の融点は、その材料よりも低い融点でも可能である。ある種の架橋剤を熱硬化性樹脂と混合する場合、応用工程の間に熱硬化性樹脂が架橋される。架橋反応を開始させるものとして、例えば、熱、UVや他の電磁波などが挙げられる。これらの樹脂の例として、以下のグループを挙げておく。フェノールホルムアルデヒド、アミノ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、アリル樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリウレタン、ポリイミド、及びシリコーンがある。
【００５９】
実験結果
実験で使用されるシステムは、シート印刷用に設計されたものだが、織物ベースの材料やより広範囲のシステムに関しての制限はない。動作速度は、転写ロールの粒子の転写率と、さらに転写挟みにおける基板表面への粒子の転写率により制限され、それに加えて焼結工程(材料の十分な集結と溶解を行うために要求される滞留時間)によっても制限される。粒子の焼結による滞留時間は１ms〜10秒の間で多様であり、温度も材料の融点に応じて50〜250℃の間で様々である。また、圧力に関しても、50kPa〜10MPaの間で様々である。
【００６０】
図６ａは、焼結前に紙の表面に転写された粒子を示してある。線幅は500μmであり、使用する粒子は30μmの平均直径を有している。図６bでは、1mmの線幅で80μmの平均粒径を有する焼結後の構造が示されている。粒径が小さいほど、より良い微細度が得られる。一般的には、市販の錫ビスマス粉末の粒子サイズの範囲は、5〜100μmである。この範囲全体において、良導性のプリントパターンを得ることができる。
【００６１】
PETフィルム上に付着させた錫ビスマス線に関して、図７aは500μmの線幅を示し、図７bは300μmの線幅を示す。平均粒子サイズは10μmである。両方の場合において、連続的な構造となっている。
【００６２】
図８ａ及び図８ｂに、紙の表面上に焼結した錫ビスマス粉末が２つの異なるスケールで示されている。図８ａは線幅500μmが、図８ｂのスケールバーの長さは10μmと同様である。
【００６３】
図６〜図８は、連続的な導電性を有する構造を形成するように粒子を互いに直接融合されることが分かる。この事実の重要な点は、図９に示されているように、バルクの錫ビスマスと幾つかの他の金属、及びポリマーに対する、静電的に転写されて焼結された錫ビスマス合金の実験での導電性の計測結果であり、バルク金属と同程度の電気伝導度を達成していることが分かる。
【００６４】
以下において、上述した方法以外の適切な転写方法を詳しく説明する。
【００６５】
電子写真転写
静電転写は、基本的に、上述した方法(乾燥／従来の電子写真法)で実行可能である。他の形態は、溶剤を用いる湿式電子写真を含む。錫ビスマス粒子(または他の適切な粒子)を溶剤に入れる。溶剤は蒸発されるまたは基板(特定の紙またはボード)により吸収され、その後(ほとんど)乾燥した粒子に対して焼結が行われる。上述したものに加えて、可能な転写機構は、カスケード現像法()、ファーブラシ現像法、磁気ブラシ現像法、加圧現像法、パウダークラウド現像法、液体スプレー現像法、電気泳動現像法、熱現像法、液体フィルム現像法、選択トナー(錫ビスマス)の放出、及びその他を含む。
【００６６】
スクリーン印刷
液状の「色」は、織物状のスクリーン手段(布地または金属)またはステンシルを介して基盤に転写される。錫ビスマス(または他の適切な粒子)は、基板上に液体ペーストとして粒子を適用するために使用される溶剤または搬送媒体に分散される。溶剤は、焼結前に、蒸発するかまたは基板に吸収される。
【００６７】
グラビア印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、及び凸版印刷
問題となっている技術によれば、錫ビスマス(または他の適切な粒子)は、基板上に液体ペーストとして粒子を適用するために使用される溶剤または搬送媒体に分散される。溶剤は、焼結前に、蒸発するかまたは基板に吸収される。
【００６８】
一般的に言えば、開示した技術は、焼結挟みに代わる他の焼結技術が用いられるように、様々なものが可能である。そのため、一般的な形態において、本願発明の方法は、粒子状の導電性物質が基板の表面上に所定のパターンで転写され、前記粒子状の導電性物質を前記基板に付着させた連続的な導電性のプリントパターンに変換するために、前記粒子状の導電性物質が高温高圧で少なくとも部分的に焼結されるように、特に、平坦な絶縁基板上に導電性のプリントパターンを形成することを備える。上述したように、静電転写法と前記基板の表面上に前記粒子状の導電性物質を所定のプリントパターンでスクリーンレス転写可能な静電転写手段とを使用するのが望ましいが、他のプリント方法を用いることも可能である。そのため、本明細書において説明した全ての実施形態及び添付した特許請求の範囲において定義されたものは、上記で開示した基本概念と自由に組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１００，２００，３００  基板
１１０，３１０  転写ロール
１１２，１１４  電極
１２０，２２０，３２０      電極ロール
１４０          導電性粒子
２４０，２４０‘        プリントパターン
２５０，２６０，２７０      ロール
【図１】
2009543365.tif 000003
【図２ａ】
2009543365.tif 000004
【図２ｂ】
2009543365.tif 000005
【図２ｃ】
2009543365.tif 000006
【図３】
2009543365.tif 000007
【図４ａ】
2009543365.tif 000008
【図４ｂ】
2009543365.tif 000009
【図４ｃ】
2009543365.tif 000010
【図５】
2009543365.tif 000011
【図６ａ】
2009543365.tif 000012
【図６ｂ】
2009543365.tif 000013
【図７ａ】
2009543365.tif 000014
【図７ｂ】
2009543365.tif 000015
【図８ａ】
2009543365.tif 000016
【図８ｂ】
2009543365.tif 000017
【図９】
2009543365.tif 000018
【国際調査報告】
2009543365.tif 000019
2009543365.tif 000020
2009543365.tif 000021
2009543365.tif 000022
2009543365.tif 000023
2009543365.tif 000024