(57)【要約】ポリマー基材（３０）に埋め込まれた微細な導電性グリッドを製造する方法。本方法は、ポリマー基材（３０）を提供する工程と、基材（３０）中に溝（３１）のパターンを形成する工程と、溝（３１）に導電性粉末を充填する工程と、熱および／または圧力を基材（３０）に加える工程と、を含む。熱および／または圧力を基材（３０）に加えることによって、溝（３１）は伝導性粉末に向かって内側に圧壊する。溝（３１）の圧壊によって伝導性粉末が溝（３１）内部に圧縮されて、連続的で伝導性のグリッド線または回路が形成される。結果として得られるより狭いグリッド線によって、より多くの光が基材（３０）を透過できるようになる。本方法によって、従来方法で実現可能なアスペクト比（線の深さの、線幅に対する比）よりも高いアスペクト比を有するグリッド線を製造することができる。
2005503942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー基材中に複数の導電性トレースを形成する方法であって、
ポリマー基材（３０）を提供する工程と、
チャネル（３１）のパターンを前記基材の表面に形成する工程と、
伝導性粒子を前記チャネル内に配置する工程と、
伝導性トレースを前記基材中に形成するために、前記チャネルの側面を前記伝導性粒子に向けて内側に圧壊させる工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記伝導性粒子が金属である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記伝導性粒子が有機化合物である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記伝導性粒子が無機化合物である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記伝導性粒子が光伝導性である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光伝導性粒子がセレンである請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマー基材が熱成形性材料である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ポリマー基材がエラストマー材料である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基材の前記表面にチャネルのパターンを形成する工程が、前記基材のガラス転移温度よりも低温で前記基材を変形させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記チャネル（４１）が三角形の断面を有するように形成される、請求項１または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記チャネルの前記側面を圧壊させる工程が、前記基材の前記表面に力を加える工程を含む、請求項１または９に記載の方法。
【請求項１２】
前記チャネルの前記側面を圧壊させる工程が、前記基材の前記表面に熱を加える工程を含む、請求項１または９に記載の方法。
【請求項１３】
前記チャネルの前記側面を圧壊させる工程が、前記基材の前記表面に力および熱を加える工程を含む、請求項１または９に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属粒子を溶融させ融合させる工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属粒子が樹枝状粒子を含む請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
前記粒子が銅、スズ、銀、鉛、またはビスマスの群から選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
前記側壁の圧壊が、前記粒子の一部のみの溶融を生ずる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記基材がフルオロポリマーである請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記基材が過フッ素化ポリマーである請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記基材が部分フッ素化ポリマーである請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記チャネルの前記側面を圧壊させる前の、前記チャネルの深さの、幅に対する比が１を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記チャネルが、前記基材の前記表面に対して９０°以下の角度で形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記粒子の粒径が、前記チャネル幅の１０〜２５％の範囲にある請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記トレースの幅が２μｍ未満である請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記トレースの深さの、幅に対する比が５を超える請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記チャネルの前記側面を圧壊させた後で、前記基板のパターン化された表面上に、ポリマー被覆層を積層する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
ポリマー基材と、
前記基材中の金属トレースのパターンと、を含む導電性シート材料であって、前記金属トレースが、前記基材中のチャネル中で前記基材によって圧縮された状態で維持される、導電性シート材料。
【請求項２８】
前記トレースの幅が２μｍ未満である請求項２７に記載の導電性シート材料。
【請求項２９】
前記トレースの深さの、幅に対する比が５を超える請求項２７に記載の導電性シート材料。
【請求項３０】
前記トレースの深さの、幅に対する比が１０を超える請求項２７に記載の導電性シート材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材に埋め込まれた微細な導電線、導電性グリッド、または導電性回路、およびそのようなデバイスの製造方法に関する。一実施態様では、伝導性グリッドは肉眼では見えないほど十分に微細であり、基材は透明な熱可塑性シートである。透明な伝導性シートは、抵抗加熱されるウィンドウ、電磁干渉（ＥＭＩ）遮蔽、静電気遮蔽、アンテナ、コンピュータディスプレイのタッチスクリーン、およびエレクトロクロミックウィンドウや液晶ディスプレイの表面電極などの種々の用途がある。
【背景技術】
【０００２】
実質的に透明の導電性グリッドのＥＭＩ遮蔽などの用途への使用は公知である。このようなグリッドは、金属線の網目構造またはスクリーンを、透明シートの間にはさむまたは積層するか、あるいは基板に埋め込むかによって形成することができる（米国特許第３，９５２，１５２号明細書、米国特許第４，１７９，７９７号明細書、米国特許第４，３２１，２９６号明細書、米国特許第４，３８１，４２１号明細書、米国特許第４，４１２，２５５号明細書）。ワイヤスクリーンを使用することの欠点は、非常に細いワイヤの取り扱いが困難となること、または非常に微細なワイヤスクリーンの製造および取り扱いが困難となることである。たとえば、直径２０μｍの銅線は引張強さがわずか１オンス（２８ｇ重）であり、そのため容易に損傷する。直径２０μｍのワイヤで製造されたワイヤスクリーンは入手可能であるが、非常に細いワイヤの取り扱いが困難なため非常に高価である。
【０００３】
既存のワイヤスクリーンを基板に埋め込むのではなくて、最初に基板中に溝またはチャネルのパターを形成し、続いてチャネルに伝導性材料を充填することによってその場で伝導性パターンを形成することができる。この方法は種々の手段による伝導性回路線およびパターンの形成に使用されているが、通常は比較的粗い規模の線およびパターンに使用されている。成形、エンボス加工、またはリソグラフィー法によって溝を基板中に形成してから、伝導性インクまたはエポキシ（米国特許第５，４６２，６２４号明細書）、金属の蒸着、スパッタリング、またはめっき（米国特許第３，８９１，５１４号明細書、米国特許第４，５１０，３４７号明細書、米国特許第５，５９５，９４３号明細書）、溶融金属（米国特許第４，７４８，１３０号明細書）、あるいは金属粉末（米国特許第２，９６３，７４８号明細書、米国特許第３，０７５，２８０号明細書、米国特許第３，８００，０２０号明細書、米国特許第４，６１４，８３７号明細書、米国特許第５，０６１，４３８号明細書、米国特許第５，０９４，８１１号明細書）で溝を充填することができる。
【０００４】
しかし、これらの従来技術の方法は、大きな制限がある。たとえば、伝導性インクまたはエポキシに関する問題の１つは、隣接する伝導性粒子の間の接触の形成に導電率が依存することであり、全体の導電率は通常は固体金属の導電率よりもはるかに小さい。金属の蒸着または電気めっきは一般にかなり時間を要し、溝の間に付着する過剰の金属を除去するための後の工程を必要とすることが多い。溶融金属を溝の内部に配置することができるが、通常は最初に、金属がぬれるようにある材料を溝の内部付着させることが必要になる。そうしなければ、溶融金属の表面張力のために、溶融金属は溝に浸透せず、溝内部に維持されなくなる。
【０００５】
金属粉末を溝内部に入れた後、それらの粉末を圧縮して粒子間の電気的接触を増大させることによって、回路が製造されている。リリー（Ｌｉｌｌｉｅ）ら（米国特許第５，０６１，４３８号明細書）およびケーン（Ｋａｎｅ）ら（米国特許第５，０９４，８１１号明細書）は、この方法をプリント回路基板の製造に使用している。しかし、これらの発明者らにより説明される方法は、非常に微細な回路および金属パターンを製造する場合には実用的でない。上記方法では、パターン化された工具を使用して基板をエンボス加工し、金属粉末をチャネル内部に入れ、続いて同じ工具を使用して粉末を圧縮することによって、チャネルのパターンが基板に形成される。微細な規模では、エンボス加工されたパターンの上に工具を再配置または再位置合わせして金属の圧縮を実施することは非常に困難である。たとえば、幅２０μｍのチャネルのパターンを有するシートでは、シートの一面からもう一方の面に約３μｍの精度で工具をパターン上に配置する必要がある。多くの用途では、シートは３０ｃｍ×３０ｃｍ程度となりうる。成形温度から室温に冷却する間の熱可塑性シートの熱収縮による寸法変化は通常約１％以上となる。したがって、３０ｃｍ×３０ｃｍのシートの場合、１％の収縮では全体で０．３ｃｍの収縮となる。この値は必要な配置精度である３μｍの１０００倍の大きさであり、そのため工具を正確に再配置することは不可能となる。
【０００６】
別の方法として、リリー（Ｌｉｌｌｉｅ）ら（ＷＯ８５／０１２３１）は、プラスチックなどの変形性材料を粉末上に配置し、続いて圧力を変形性材料に加えて金属粉末を溝内部に圧縮することを提案している。ジャック（Ｊａｃｋ）ら（米国特許第３，０７５，２８０号明細書）は、粒子を充填した溝のパターン上でエラストマーシートに圧力を加えている。これらの場合、比較的高い圧力を、可塑性層またはエラストマー層の裏面に作用させ、適合性層を溝に押し込むのに十分な静水圧を溝の領域に発生させて、粉末を圧縮する必要がある。幅に対して深さの寸法が大きい溝では、特に問題が発生する。適合性層が軟質プラスチックである場合、その層が粒子を巻き込んでしまうため、少なくとも一部の粒子を脱離させずに適合性層を除去することは不可能になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ポリマー基材に埋め込まれた微細な導電性グリッドの製造方法に関する。この方法は、ポリマー基材を提供する工程と、基材中に溝のパターンを形成する工程と、溝に導電性粉末を充填する工程と、熱および／または圧力を基材に加える工程と、を含む。熱および／または圧力を基材に加えることによって、溝は伝導性粉末に向かって内側に圧壊する。溝の圧壊は２つの目的を果たす。第１に、伝導性粉末が溝内部に圧縮されることによって、連続的で伝導性のグリッド線または回路が形成される。第２に、溝が圧壊されることで、溝が狭くなる。透明であることが望ましい用途では、結果として得られるより狭いグリッド線によって、より多くの光が基材を透過できるようになる。本発明の方法によって、従来の金属粉末法よりも大きなアスペクト比（線の深さの、幅に対する比）を有するグリッド線を形成することができる。本明細書に記載される本発明の方法によると、金属を付着させることが困難なフルオロポリマーなどの材料の表面に導電性グリッドを形成することもできる。
【０００８】
本発明の一実施態様では、ポリマーが圧縮された粉末を溝の内部に巻き込むのに十分な熱および圧力が加えられる。この実施態様では、埋め込まれた粉末は環境から隔離され環境から保護されるようになる。別の方法では、ポリマーは、伝導性粒子を部分的に巻き込むことができるのみである。ある用途では、伝導性グリッド材料と電気的に接触できるようにするため、少なくとも一部の粒子を基材表面に露出させることが望ましい。
【０００９】
別の実施態様では、粒子は、加熱および／または加圧工程中に使用される温度よりも低温で溶融する金属または合金であってよい。通常、圧力を加えずに溶融する金属微粒子は、粒子周囲に酸化物スキン層が存在するために、容易には互いに融合しない。圧力を加えることによって、酸化物スキン層を破壊するのに十分なほど粒子が変形し、それによって溶融した金属が融合して、チャネルに沿って流動する。
【００１０】
熱可塑性基材の場合、基材の平坦面に熱および圧力を加えることによって、溝の圧壊が誘導される。熱可塑性基材内部で発生する圧縮応力はアイソスタティックにポリマー内部に分散し、溝の側壁および底部から内側に向かって溝の圧壊が起こる。側壁の圧壊によって粒子に対して圧力が生じ、粒子の電気的接触が向上する、あるいは粒子が溶融する場合には、新しく溶融した粒子の周囲の酸化物スキン層が破壊されて、粒子が融合して連続的な電気トレースとなる。
【００１１】
熱硬化性ポリマーの場合、分子が架橋して、塑性流動が妨げられる。しかしそれでも、表面に切り込みを入れる鋭利な工具によって、伝導性トレースを熱硬化性ポリマー基材の表面に埋め込むことが可能である。溝と隣接するポリマーの領域では残留応力が残存する。ポリマーが加熱されると、これらの残留応力によってポリマーの溝が閉じて加工前のポリマーの元の形状に近づき、溝の内部にある材料が閉じ込められ、溝の中の材料に圧力が加わる。多くの場合では、熱単独で溝が圧壊するが、この圧壊は、基材に対して平坦な板で圧力を加えることによって促進することができる。この場合に加えられる圧力の大部分は、溝の側面または端部の溝が隆起した領域に対して作用する。いずれの場合も、溝の元の幅よりも狭く、圧壊する前の溝と最大で同じ深さとなる伝導性トレースが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ポリカーボネートシートをエンボス加工された基材を図１に示す。エンボス加工された溝は、たとえば、平坦な基材をパターン化されたダイに対して熱エンボス加工する、加熱したポリマー樹枝をパターン化されたダイにキャスティングする、または鋭利な工具で表面に切り込みを入れることによって形成することができる。基材は、圧力を加えることによって、熱を加えることによって、または熱および圧力を合わせて加えることによって流動するあらゆる種類の材料から選択することができる。好ましい基材としてはあらゆる熱成形性または熱可塑性のポリマーが挙げられ、エラストマー材料を含んでもよい。基材は過フッ素化ポリマーおよび部分フッ素化ポリマーなどのフルオロポリマーであってよい。選択された用途では、基材が透明であると好ましい場合がある。
【００１３】
図２に示されるように、図１に示されるポリカーボネート基材が熱および圧力にさらされると、エンボス加工された溝が部分的に圧壊する。ポリマー基材の平坦面に対して垂直方向に圧力が加えられると、溝の壁面は内側に向かって圧壊し、溝の底部は上方に向かって圧壊する。この溝の圧壊は図３に概略的に示されており、以下に詳細に説明する。
【００１４】
図３に示されるように、ポリマー基材３０は断面が略長方形である溝３１を有する。溝３１は側壁３２と底面３３とによって画定される。基材３０の平坦面３４に圧力が加えられると、溝３１の元の略長方形断面は変形し始め、側壁３２および底面３３は内側に向かって圧壊する。側壁３２および底面３３の中程度の圧壊の後には、溝３１は破線３５で示されるような断面形状を有する。さらに時間、熱および／または圧力を増加させると、溝３１は破線３６に示すような断面形状を有するようになる。最終的には、溝３１内に別の種類の材料がなければ、溝３１が圧壊して完全に閉じてしまう。溝３１が幅に対して十分な深さを有する場合、圧壊中に溝３１の側壁３２は最終的に互いに接触する。
【００１５】
図４は、断面が三角形の溝４１を有するポリマー基材４０の断面図である。溝４１が熱可塑性ポリマー基材４０の熱エンボス加工またはキャスティングによって形成される場合、溝４１の側壁４２は、図４に示されるように圧壊する。すなわち、熱および圧力を加える前にポリマー基材４０が元の三角形の断面４３を有する場合、基材４０の平坦面４４に熱、力、および時間を適用すると、溝４１の側壁４２が最初に破線４５の形状に圧壊し、続いてさらに熱、圧力、または時間を適用すると破線４６の形状に圧壊する。
【００１６】
鋭利なエンボス加工工具と十分な圧力とを使用すると、三角形の断面を有する溝は、ポリイミドやエポキシなどの架橋ポリマーの場合でさえも、ポリマー基材のガラス転移温度より低温で形成することができる。この場合、通常、溝は図５に示すように圧壊する。図５に示されるように、ポリマー基板５０は、側壁５２を有する溝５１を有する。側壁５２は三角形の断面５３を形成している。熱および／または圧力がポリマー基板５０の元の平坦面５４に加えられると、溝５１の側壁５２は破線５５の形状に向かって圧壊し、さらに熱および圧力を加えると、破線５６に示されるような形状に向かって圧壊する。基材を鋭利な工具（図示せず）に対して押しつけることによって溝５１が形成される場合、溝５１と隣接する端部５７が上昇または隆起することが多い。これらの隆起した端部５７および溝５１と隣接するポリマーには、残留応力が保存されている。熱を加えると、残留応力が開放され、基材５０は元の形状に向かって移動または流動する。この作用は、熱単独を加える場合に発生しうる。
【００１７】
図６および７は、鋭利な工具を使用して室温でエンボス加工したポリイミド中の溝の断面の走査型電子顕微鏡写真（図６）、およびそれを圧力を加えずに加熱した場合の走査型電子顕微鏡写真（図７）である。図８は、基材の表面に渡ってかみそりの刃を軽く引くことによって室温で形成された、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）基材中の溝を示す走査型電子顕微鏡写真である。次に、この顕微鏡写真の左上に示される溝の部分を、基板に対して外部からの圧力は加えずに加熱した。圧力を加えずに加熱すると、溝がふさがって元の形状に近づき、溝の代わりに狭いスリットが形成される。
【００１８】
図９は、ポリカーボネートシート中の溝の部分的に圧壊したパターン中に保持される銅粒子を示している。以下の実施例で説明するように、溝に金属粒子を充填してから、熱および圧力が加えられる。揮発性液体と粒子とで構成されるスラリーを溝が形成された基材上にナイフコーティングまたは塗布するなどの公知の方法によって、粒子は溝内部に最も容易に配置される。通常、このようなコーティング方法の結果、溝と、溝の間の平坦領域とを粒子が完全に覆う。溝が粒子の粒径に対して十分に深い場合、および溝のアスペクト比（深さ対幅）が約１を超える場合、溝の間の平坦領域に残存する過剰の粒子は、溝の内部にある粒子をかき乱すことなく簡単に拭き取ることができる。
【００１９】
熱および／または圧力が基材に加えられると、溝内部の粒子はポリマー基材によって取り込まれ、巻き込まれる。溝の側面および底部は、前述のように変形して粒子を圧迫し、それによって粒子が互いに対して圧縮され、粒子間に確実な電気的接触を形成することができる。最良の圧縮の場合、圧縮中の温度はポリマーの軟化点よりごくわずか高温となるべきであり、圧力は比較的大きくなるべきである。この方法では、溝の壁面は、粒子周囲でポリマーが簡単には流動することなく粒子を互いに押しつけるのに十分な剛性を有する。
【００２０】
溝の圧壊の程度は、最終製品の意図する用途によって制御することができる。たとえば、溝を部分的にのみ圧壊することによって、基材表面に粒子が露出し（図９の粒子のように）、これによって圧縮された粒子の線のパターンと容易に電気的接触を形成することができる。さらに時間、熱、および圧力を適用すると、ポリマー基材によって粒子が完全に巻き込まれるようにすることができる。ある用途では、基材内部に完全に粒子が巻き込まれることが望ましく、それは、粒子周囲のポリマーの保護層によって耐摩耗性、耐食性、および耐酸化性を向上させるためである。ある用途では、ポリマーによって金属をさらに十分に保護するために、埋め込まれた粒子充填パターンに別のポリマー層を積層するとさらに望ましい場合がある。好ましい実施態様では、この第２の保護ポリマー層の厚さは、積層構造体の中間の厚さの面に金属パターンが位置するように選択することができる。中間の厚さの面における金属線のパターンの、有害な引張応力（基材の曲げによって誘発される引張応力など）による悪影響は、構造体を曲げた場合に基材表面状またはその付近のパターンと比べると少なくなる。
【００２１】
溝に対する粒子の寸法は重要である。粒子は、溝の幅よりも小さな平均粒径を有することが望ましい。限定された空間内で粒子が互いに圧縮されるため、粒子の間に空隙が形成されるのが軽減される粒径分布を有することも望ましい。理想的には、粒径は溝の幅の約１／４〜１／１０の間となるべきである。しかし、粒子が細かすぎると、熱および圧力を加える間にプレス板とポリマーの間の溝の端部に粒子が補足されるようになる。この現象によって金属線の有効幅が増加し、それによって金属／ポリマー構造体を透過することができる光の量が減少する。図１０は、非常に細かい粒子（粒径０．０２μｍの銅）を充填し圧壊した溝の断面の熱および圧力を加える前の走査型電子顕微鏡写真を示している。８１で示される領域は、溝の圧壊中にプレス板とポリマーとの間に閉じ込められた金属粒子の狭い領域である。図１０を調べれば分かるように、領域８１では金属線の見掛けの幅が増加している。
【００２２】
金属粒子の形状は、金属線の伝導性および機械的強度にある程度影響を与える。図１１に示される樹枝状銅粒子として公知の特に望ましい種類の粒子は、高電流密度で電気めっきすることで形成され、多数の指を有する非常に不規則なシダに似た形状が得られる。圧力を加える間に、隣接する粒子の指が絡み合って、優れた機械的強度と改善された導電率が得られ、多くの接触点が形成される。
【００２３】
以上に金属粒子について説明してきたが、本発明の粒子は、金属粒子、有機粒子、および無機粒子を含むあらゆる好適な伝導性粒子で構成されてよいことに注意されたい。金属の場合、銅や銀などの高伝導率の金属が望ましい。あるいは、スズなどの延性のある金属は、十分な圧力下で変形して、隣接する粒子の間で向上した電気的接触が形成されうるので、これも望ましい。本発明の粒子はセレンなどの光伝導性粒子であってもよい。好ましい実施態様では、金属粒子は、熱および圧力を加える間に溶融する金属または合金で構成されてもよい。
【００２４】
圧力を加えないと、各粒子を取り囲む酸化物層またはスキン層による抑制作用のため、遊離した金属粒子の大部分は溶融中には融合しない。これは、スズ、ビスマス、鉛、インジウム、アンチモン、亜鉛、およびアルミニウムの低融点元素金属および合金の場合に特に顕著である。通常、これらの金属の粒子は、融合を誘導するためにはんだフラックスの存在下で加熱する必要がある。このようなフラックスの例は、より大きな金属粒子の間の空隙を占有するのに十分小さな粒径を有する粉末状カルボン酸無水物である。しかし、溶融中に金属粒子が十分に変形する場合は、はんだフラックスを使用しなくても、酸化物スキン層が破壊され、溶融金属が流動して融合し連続した金属線になる。
【００２５】
図１２は、図１と同様の溝が形成されたポリカーボネートシートに充填し、金属を溶融するのに十分な温度で基材を平坦な板で圧縮することによって形成されたスズとビスマスと鉛との合金のグリットを示している。図１３は、図１２のグリッド線の１つの断面を示している。金属の融点より高温で変形する、熱可塑性樹脂中の低融点金属の金属線のパターンのポリマー／金属構造体は、導電率が低下することなくある程度の熱成形性を有することができる。金属パターン上を別の熱可塑性材料でコーティングして、熱成形中の溝からの溶融金属の出現を抑制する場合に、特にこのことが言える。
【００２６】
銅などのより高融点の粉末と、スズ−ビスマスなどのより低融点の粉末の混合物は好都合となりうる。銅はスズ−ビスマスよりも導電性が高いが、スズ−ビスマスは溶融して、他の方法では銅粉末単独を加圧した場合に存在しうる空隙を満たす。はんだフラックスを使用せずにスズ−ビスマスが銅をぬらさない場合でさえも、存在しうる空隙を満たすことによって導電率が向上する。さらに、樹枝状銅粒子を混合した場合、樹枝状銅粒子の不規則なシダ状の指および突起を封入することによって電気トレースの機械的強度が向上する。銅などの非溶融性粒子が存在することによって、熱および圧力の存在下での溝の圧壊をある程度制御することもできる。束縛されない溶融金属は、溝の側壁の圧壊に対する抵抗性があまり大きくなく、時間、熱および圧力の適用が過剰であると溝は完全に圧壊しうる。固体の粒子は、完全な圧壊の防止に有用となりうる。
【００２７】
図１４は、スズ−ビスマス−鉛合金の金属粒子を溝に充填し、続いてポリイミドを加熱して金属を溶融させ、溝を圧壊させて、金属の少なくとも一部を取り込ませることによって形成された、ポリイミド中の金属トレースの断面を示している。このトレースは深さが約１０μｍであり、幅が１〜２μｍである。図１４は、本発明の方法を使用して実現されうる電気トレースの精密さを示している。
【００２８】
図１５は、スズ−鉛およびスズ−ビスマスの粒子を溝に多量に加えた後のＰＥＥＫ中の溝（図６に示される溝の未加熱部分と類似）を示している。熱単独を使用して溝がふさがれる場合は、基材を加熱する前に溝の間の領域の過剰の粒子を除去する必要がない。基材上に過剰の粒子が残存していると、洗浄または拭き取りの工程中に多発する溝からの粒子の損失を防止するのに役立つ。加熱中、溝が閉じるときに溝から過剰の金属が押し出され、図１６に示されるように溝に沿って断続的に金属のビーズが形成される。一部の金属は溝内部に残留して導電性トレースを形成し、一部の金属はその金属が自身の酸化物をぬらすために溝内部に残留する。粒子の本来の酸化物スキン層は、溝内部で固着する傾向にあり、溶融金属を引き留めるのに役立つ。溝の外部に形成されるビーズ、および溝の間の過剰の粒子は、ブラシがけまたは拭き取りによって除去して再利用することができる。結果として得られる金属トレースを図１７に示す。
【００２９】
最初の溝が比較的狭い場合、溝の上部をより十分に開放するために溝と平行な円筒形表面に沿って基材を湾曲させながら、基材上に粒子をはけ塗りするまたは拭くことによって金属粒子をより容易かつ効率的に充填することができる。十分な体積の金属粒子が溝内部に存在するようにするため、非常に狭いスリット状の溝はこの方法で充填することが好ましい。
【００３０】
ある用途では、図１８に示すように、基材表面から９０°未満の角度で配向した溝および結果として得られる電子トレース断面を有すると好都合となりうる。直角ではない配向による利点の一つは、基材の厚さ制限のために他の方法で実現されうる深さよりも深いトレースを形成できる可能性があることである。トレース断面によって画定されるある角度で最大光透過率が得られることが望ましい光学的用途も存在するかもしれない。さらに、傾斜した深さ方向の断面を有する溝は、溝の隆起した端部の一方がもう一方よりも厚い場合に特に、粒子の充填がより容易になりうる。この突出した端部は、突出端部に向かう方向に拭き取った場合に粒子の捕集が容易となりうる。図１８は、基材に対して垂直ではない角度で維持したかみそりの刃を使用して、ポリイミド基材の表面に切り込みを入れた溝の断面を示している。図１９は、傾斜した溝を使用して形成された電気トレースの断面を示している。
【実施例】
【００３１】
以下の実施例で、上述の本発明の使用および応用分野を説明する。これらの実施例は例示的なものであり、それらの説明に限定されることを意図するものではない。
【００３２】
実施例１
山の幅２５μｍ、高さ２５μｍ、およびピッチ１２５μｍの正方形のパターンを有する２５ｃｍ×２５ｃｍ×０．１５ｃｍの電鋳ニッケル工具を使用して、１枚の２５ｃｍ×２５ｃｍ×２５０μｍのポリカーボネート（イリノイ州シラーパーク（Ｓｃｈｉｌｌｅｒ  Ｐａｒｋ，ＩＬ）のプラスチック・フィルムズ社（Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｆｉｌｍｓ  Ｃｏ．）より入手したレクサン８０１０ＭＣ（Ｌｅｘａｎ  ８０１０ＭＣ））をエンボス加工した。このエンボス加工は、４６ｃｍ×４６ｃｍの領域に５０トンの力を加えることができるウォバシュ（Ｗａｂａｓｈ）プレス機で実施した。ポリカーボネートシートの一方の面にニッケル工具、反対側の面上に厚さ２ミルのポリイミド（カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標））が来るように配置することによって、ポリカーボネートをエンボス加工した。１枚の２５ｃｍ×２５ｃｍ×０．３ｃｍシリコーンゴムシートをポリイミドシートの反対側の面上に配置し、このニッケル工具と、ポリカーボネートと、ポリイミドと、シリコーンゴムとの組立体を、２枚の２５ｃｍ×２５ｃｍ×１．３ｃｍの鋼板の間に置き、加熱プレス機に取り付けた。このプレス機で８トン（試料面積１００ｃｍ2で１６０ｐｓｉ＝１．１Ｍｐａに相当する）まで加圧し、１５分間で室温から１８２℃まで加熱した。続いて、圧板の冷却管に溝を流してプレス機を室温まで冷却すると、この過程に約８分間を要した。圧力を開放し、ポリカーボネートシートをプレス機から取り出した。これによって得られたパターンは図１に示される。
【００３３】
銅粉末を、アトランティック・イクイップメント・エンジニアーズ社（Ａｔｌａｎｔｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ．）より入手した（＃Ｃｕ１１０  １−５μｍ）。より大きな粒子をふるい分けで除去するために、約２０ｇの銅粉末を２５０ｍｌの水に加え、振り混ぜ、メスシリンダー中で１分間静置した。水と銅微粒子とを注ぎ出すと、シリンダー底部により粗い粒子が残った。この微粒子を０．１ＮのＨＣｌで洗浄して酸化物層を取り除き、さらに水で２回洗浄し、その各回で５分間かけてビーカー底部に粒子を沈降させた。約１０ｍｌのメタノールを使用して最後に１回洗浄した。
【００３４】
０．５ｇのこの銅微粉末と１ｍｌのメタノールとの混合物を、上記のパターン化したポリカーボネートの表面に塗り広げた。５ｃｍ×１０ｃｍの綿布を折り畳んだ５ｃｍ×５ｃｍの布を使用して、スラリーを塗り広げた。溝がスラリーで完全に覆われるまで、ポリカーボネート中の水の正方形パターンに対して対角線状に前後にスラリーを塗り広げた。メタノールが蒸発してから、ランド面の過剰の粒子を布で取り除いた。この過程に約１５〜３０秒を要した。パターンのランド面からメタノールが完全に蒸発するか布にしみ込むかして、過剰の粒子をランド面から拭き取るのに、ある時間を要する。拭き取り動作を続けると、溝からもメタノールが乾燥し、この時点で布は溝内部の粒子も拾い上げ始める。このようなことが起こる前に、拭き取り動作をやめる必要がある。
【００３５】
この粒子が充填されたポリカーボネートシートを次に、２枚の厚さ２ミルのポリイミドの間にはさみ、続いてこの組立体を２枚の厚さ１／８インチのシリコーンゴムの間にはさみ、２枚の厚さ１／２インチの鋼板の間にはさみ、加熱プレス機に戻した。５トンの力（試料全体で１００ｐｓｉ＝６８０ｋｐａ）を加えた。この加熱プレス機を３４０°Ｆ（１７１℃）で１５分間加熱した後、圧板の冷却チャネルに水を流すことによってプレス機を室温まで冷却し、この過程にはさらに７分間を要した。
【００３６】
シートの抵抗率を大まかに測定するために、＃１８の銅線２本を使用し、それぞれを０．６３ｃｍ×５ｃｍ×１．３ｃｍのガラス片に銅線の間隔が１．３ｃｍになるように巻き付け、幅１．３ｃｍのガラス面上に１．３ｃｍ×１．３ｃｍの正方形部分を形成することによってプローブを作製した。これらの銅線はエポキシを使用して固定した。このプローブ面を、＃３２０グリットの紙ヤスリで穏やかに研磨して平坦にし、過剰のエポキシを除去した。
【００３７】
ポリカーボネート上に埋め込まれたメッシュパターンの抵抗率を測定すると、試料中央部で約０．３オーム／スクエアとなり、端部の５ｃｍ以内では約１オーム／スクエアとなった。端部の２．５ｃｍ以内では、抵抗率が顕著に増加して３０ＭΩを超えた。
【００３８】
実施例２
銅粒子が、アルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）から入手し「３５，７４５−６，樹枝状３μｍ」と表示されたものであったことを除いて、実施例１と同じ方法で、ポリカーボネート上に銅粒子を充填したグリッドを作製した。これらの粒子の一部は図１１に示される。これらを＃６３５ステンレス鋼ふるいでふるい分けして、より大きな粒子は取り除いた。加熱プレス温度は１８０℃であった。結果として得られた試料の表面抵抗率は約１オーム／スクエアであった。この試料の２．５ｃｍ×１５ｃｍ幅のストリップを、パターン化された面を外側にして半径４ｍｍに沿って１８０°で絞り加工した。この抵抗率を測定した。抵抗率は約１．５〜２倍に増加した。実施例１も同様の方法である半径で絞り加工した。抵抗率は３〜５倍増加した。
【００３９】
実施例３
スズ−ビスマス共晶粉末とスズ−鉛共晶粉末の５０−５０（重量比）混合物を銅粒子の代わりに使用したことを除いて、実施例１と同じ方法で、ポリカーボネートのシートをパターン化し、粉末を充填し、加熱プレスした。スズ−ビスマス共晶粉末は、加熱窒素ガスの数本の高速流に向けて、共晶スズ−ビスマスの溶融物流をノズルから吹き出させて、溶融物ジェットを破壊して微小粒子にすることによって製造した。これらの粒子は＃６３５ステンレス鋼メッシュに通してふるい分けした。スズ−鉛共晶粉末はシェリット（Ｓｈｅｒｒｉｔｔ）より入手した（タイプ６５０１  ６３  Ｓｎ３７Ｐｂ−１０μｍ）。ポリカーボネートシートのパターンに塗布する前に、粒子の酸化物コーティングの除去は行わなかった。これによって得られたシートの抵抗率は約２〜５オーム／スクエアであった。
【００４０】
実施例４
粉末が、実施例１の銅粉末と、実施例３のＳｎ−Ｂｉ／ＳｎＰｂ粉末と、あるスズ微粉末（ＡＥＥタイプＳＮ−１０１、１〜５μｍ）とを重量比１：１：１で含む混合物からなったことを除いて、実施例３の方法と同じ方法でポリカーボネートのシートをパターン化した。加熱プレス中、スズ系粉末は溶融した。この場合、銅粉末は導電率を上昇させる機能を果たし、スズ系粉末は溶融して流動し、銅粒子の間の空隙を満たし、電気トレースの機械的強度を増大させる。しかし、溶融金属は、銅粒子をぬらしているようには見えなかった。これによって得られたシートの抵抗率は１〜２オーム／スクエアの間であった。
【００４１】
実施例５
実施例１と同じ方法で、ポリカーボネートのシートをパターン化し、銅粉末を充填し、加熱プレスした。この実施例では、溝の間の平坦領域の銅粒子を、溝内部の粉末の大部分を除去するに十分な強さで拭き取った。この試料の初期の抵抗率を測定すると、試料中央部で１ｋオーム／スクエアを超え、試料の外側の領域では１Ｍオーム／スクエアを超えた。次に、この材料の一部を、酸性塩化パラジウム溶液中に浸漬することによって触媒反応を誘導し、続いて無電解銅浴（リー・ロナルＣｕ−８７２（Ｌｅａ  Ｒｏｎａｌ  Ｃｕ−８７２））中６０℃で４分間めっきした。銅めっき後、均一なシートの抵抗率は２．５オーム／スクエアとなった。
【００４２】
実施例６
テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）のパターン化および伝送性グリッドの加熱プレスのために加熱プレス温度２０４℃を使用したことを除いて、実施例１と同様の方法で銅粒子の伝導性グリッドをテフロンＦＥＰ（Ｔｅｆｌｏｎ  ＦＥＰ）中にパターン化した。これによって得られたパターン化された基材のシート抵抗率は約０．５〜１オーム／スクエアであった。
【００４３】
実施例７
電鋳ニッケル工具を、１５ｃｍ×２０ｃｍで厚さ１２７μｍのポリイミド（デュポン・カプトン（Ｄｕｐｏｎｔ  Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）Ｈフィルム）に対して、ポリイミドの３００ｃｍ2の領域全体に平均で３．４ＭＰａの圧力で押しつけた。この電鋳工具は、鋭利な三角形の断面の山の正方形のパターンを有し、その内角は３５°であり、山の高さは３００μｍであり、底部における山の幅は１９０μｍであった。この山のピッチ（山の間の距離）は１．２７ｍｍであった。３．４ＭＰａの圧力下で、この工具の山はポリイミド基板を完全に貫通することはなく、幅４０μｍおよび深さ７０μｍの溝の正方形のパターンが形成された。得られた溝の断面は図６に示される。ラクダの毛の絵画用ブラシを使用してポリイミド表面に粉体をまぶすことによって、実施例３で使用したＳｎＢｉ／ＳｎＰｂ粉末をポリイミド中の溝のグリッド内部に入れた。次にこの基材をホットプレートにのせて、３００℃で１０秒間加熱した。ポリイミド中の溝が閉じた。過剰の溶融金属は、溝に沿って間隔を置いて配列するビーズの形態で溝から押し出された。これらのビーズおよび過剰の金属粉末は、湿らせた綿布を使用してポリイミド表面から拭き取った。これによって得られた金属線の抵抗率は約１ｋΩ／ｃｍであった。これらの線の中の１本の断面が図１４に示される。
【００４４】
実施例８
５ｃｍ×１２ｃｍ×２５０μｍのＰＥＥＫフィルムを、オーハウスＧＴ８０００（Ｏｈａｕｓ  ＧＴ８０００）微量天秤の平坦な秤量面にテープで留めた。かみそりの刃を、基材に対して垂直となり、鋭利な刃先は基材に対して約２０°に維持されるように手で持って、刃と平行にＰＥＥＫ表面に引くことによって、ＰＥＥＫ表面に三角形の断面の溝を形成した。かみそりの刃を使用したときの微量天秤上の下向きの力は６０ｇであった。実施例３で使用したスズ−鉛微粉末とスズ−ビスマス微粉末との同じ混合物を、このＰＥＥＫフィルムの表面に適用し、溝に対して垂直方向で表面全体にはけ塗りした。この表面を、弱火（炎の内部に約１ｃｍの青色の円錐形）に設定したプロパントーチで緩やかに加熱し、金属粉末の融点より高温まで溝を加熱するために、溝の上の表面を通過させた（約４ｃｍ／秒）。この熱はＰＥＥＫを結晶化させるには不十分であった。過剰の金属粉末は、メタノールで湿らせた綿布を使用して拭き取った。これによって得られた金属線の抵抗率は約２００Ω／ｃｍであった。これらの工程段階中の線の外観は図１５〜１７に示される。
【００４５】
実施例９
基材に対して垂直にかみそりを保持する代わりに、基材表面から約４５°傾いた溝を形成するために、かみそりを４５°の横向きの角度で保持したことを除いて、実施例８と同様の方法で、厚さ２０μｍのポリイミド（デュポン・カプトン（Ｄｕｐｏｎｔ  Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）Ｈフィルム）に溝を形成した。かみそりの刃の下向きの力は約４０ｇであった。これによって得られた溝の断面は図１８に示される。溝付近の隆起した端部の鋭い端部に向かって粉末をはけ塗りしたことを除いて、実施例８と同様の方法で溝にスズ−ビスマス粉末およびスズ−鉛粉末を充填した。この方法で、隆起した端部によって、粒子の溝内部への補足が促進された。加熱して粒子を溶融させ、溝をふさいだ後で、得られた電気トレースの抵抗率は２００Ω／ｃｍであった。図１９は、これによって得られた断面の電子顕微鏡写真を示している。
【００４６】
本発明は種々の変更および変形形態に適用可能であり、本明細書では単なる例として特定の実施態様が説明され説明されている。本発明が開示される特定の形態に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の請求項によって規定される本発明の意図および範囲内にあるすべての変更、同等物、および変形を包含している。さらに、開示される構造および方法の種々の態様は、種々の組み合わせおよび／または独立に利用してよい。したがって、本発明は、本明細書に示される組み合わせのみに限定されるのではなく、その他の組み合わせも包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】エンボス加工された溝のパターンを有するポリカーボネートシートを示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】平坦な金属表面を使用して溝のパターンに熱および圧力を加えた後の、エンボス加工された溝のパターンを有するポリカーボネートシートを示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】平坦な板で基材を圧縮した場合にどのように溝が圧壊するかを示す溝の断面図である。
【図４】平坦な板で基材を圧縮した場合にどのように溝が圧壊するかを示す溝の断面図である。
【図５】平坦な板で基材を圧縮した場合にどのように溝が圧壊するかを示す溝の断面図である。
【図６】ポリイミド中の溝の加熱前の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】ポリイミド中の溝の加熱後の走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）中の溝の走査型電子顕微鏡写真である。写真左上の溝の部分は加熱されることによって溝がふさがっている。
【図９】溝内部に取り込まれた銅粒子を含有する部分的に圧壊した溝のパターンを有するポリカーボネートシートの走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０】銅微粒子を含有するポリカーボネート中の部分的に圧壊した溝の断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１１】樹枝状銅として知られるある銅粒子の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１２】平坦な表面による圧力下で溶融し固化したスズ、ビスマス、および鉛の低融点三元合金のパターンを有するポリカーボネートシートの走査型電子顕微鏡写真である。
【図１３】図１２に示す溝の１つの断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１４】ポリイミド中の金属線の断面図である。
【図１５】ＰＥＥＫ中の粒子を充填した溝の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１６】図１５に示す粒子を充填した溝の加熱後の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１７】図１５および１６の粒子を充填した溝の過剰の粒子を拭き取った後の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１８】ポリイミド中の傾斜した溝の断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１９】図１に示すものと最初は同様であったポリイミド中の溝の断面の走査型電子顕微鏡写真である。この溝にはＳｎＢｉ／ＳｎＰｂ粒子が充填されて加熱された。続いて過剰の粒子が拭き取られた。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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