(57)【要約】  導電性または装飾的なパターンを形成するために、基材への塗布後にさらなる加工工程を必要としないナノ粒子のインクが記載される。ナノ粒子のインクは、金属ナノ粒子、１つまたは複数の保湿剤、分散剤および溶媒を含む。ナノ粒子のインクを形成するための方法には、所望の特性のナノ粒子のインクを形成するために、低エネルギーの混合工程および高エネルギーの混合工程が含まれる。また、標準的なプリンターに取り付けることができるナノ粒子のインクを含むカートリッジも記載される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ナノ粒子;
保湿剤または保湿剤の混合物;
分散剤; および
組成物の質量のバランスを整える溶媒
を含む、ナノ粒子のインク組成物。
【請求項２】
前記金属ナノ粒子が銀ナノ粒子である、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項３】
前記金属粒子が、金、銅、ニッケル、コバルト、スズ、および亜鉛からなる群から選択される金属、または銀を有するもしくは有さないこれらの混合物を含む、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項４】
前記保湿剤が、ポリエチレングリコール、グリセロールおよびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項５】
前記分散剤がCiba DISPEX A40である、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項６】
前記溶媒が水である、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項７】
前記金属ナノ粒子が、最終組成物の約5質量%から約45質量%の濃度で存在する、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項８】
前記保湿剤または保湿剤の混合物が、最終組成物の約2質量%から約30質量%の濃度で存在する、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項９】
前記分散剤が、最終組成物の約0.1質量%から約2.0質量%の濃度で存在する、請求項１に記載のナノ粒子のインク組成物。
【請求項１０】
金属ナノ粒子および1つまたは複数の保湿剤を準備する工程;
金属ナノ粒子および保湿剤を、低エネルギーの混合プロセスによって混合する工程;
分散剤を準備する工程;
混合物を、高エネルギーの混合プロセスによって混合する工程;
混合物を、ふるいを通してふるいにかける工程;
追加の保湿剤および溶媒を、組成物の成分の所望の最終濃度を得るために十分な量で加える工程;
混合物を、低エネルギーの混合プロセスを使用して混合する工程; および
得られた混合物を濾過して、ナノ粒子のインク組成物を得る工程
を含む、ナノ粒子のインク組成物を形成するための方法。
【請求項１１】
前記高エネルギーの混合プロセスが、混合物を3本ロールミルに通すことを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
請求項１に規定されたナノ粒子のインクを含む、プリンター内に取り付けるためのカートリッジ。
【請求項１３】
請求項１に規定されたナノ粒子のインクを準備する工程;
基材を準備する工程;
基材にナノ粒子のインクを、塗布プロセスを使用して、パターンに塗布する工程;
を含み、前記パターンは、さらなる加工工程の必要なしに、基材への塗布の時点で電気的に伝導性である、基材に導電性パターンを形成するための方法。
【請求項１４】
前記塗布プロセスが印刷プロセスである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記印刷プロセスがインクジェット印刷プロセスである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、インク受容体コーティングを基材にコートする工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記インク受容体コーティングが、全インク受容体コーティングの約10質量%から75質量%のチタニアパウダー、および全インク受容体コーティングの約0.1質量%から10質量%の、液体中に溶解されたか、または液体中のエマルションもしくは分散体かのどちらかの樹脂を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記液体が、水またはエステルあるいはアルコール溶媒である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記樹脂が、アクリル樹脂またはポリビニルアルコール樹脂である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記コートする工程が、印刷、スプレー、またはローラーコーティングによって基材に塗布される、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2009年7月25日に出願された米国仮特許出願番号61/083626号の優先権を主張し、これは参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、基材上に電気的に伝導性のある、または装飾的な層およびパターンを形成するために使用することができる、印刷可能なナノ粒子のインクに関する。より詳しくは、本発明は、焼結されたパターンを形成するために、印刷後に追加の焼結工程を必要としない金属ナノ粒子を含む、印刷可能なナノ粒子のインクに関する。
【背景技術】
【０００３】
金属粒子を含むインク組成物は、導電性パターンの迅速かつ効率的な印刷に有用である。以前に知られている導電性インク組成物は、導電性となるように印刷されたパターンを焼結するために、印刷後の熱処理を必要とした。このような印刷後の熱処理は、製造時間および費用を増大させる。さらに、ポリマー基材などの多くの基材は熱処理の影響を受けやすく、インクの焼結に必要な温度において、融解または分解し始める。
【０００４】
Cornellらに対する米国特許第7316475号には、熱による焼結後に、電気的に伝導性のあるパターンを形成するために使用することができる、銀ナノ粒子を有する水性インクジェットインクが記載されている。
【０００５】
Vanheusdenらに対する米国特許出願第2006/0163744号には、液体媒体中の金属性ナノ粒子を有する、印刷可能な電気伝導体が記載されている。印刷後、液体媒体は、パターンを導電性にするために、プリントされたパターンから除去されなければならない。また、パターンを、さらに導電性を改善するために焼結してもよい。
【０００６】
Reinartzに対する米国特許出願第2006/0130700号には、銀塩を含むインクジェットインクが記載されている。印刷後、塩中の銀イオンを、熱の適用を通して、または還元剤による印刷されたパターンの処理によって、還元しなければならない。
【０００７】
Voss-Kehlらに対する米国特許出願第2005/0136638号には、銀および金ナノ粒子を有するインク組成物が記載されており、これらは導電性パターンを形成するために印刷後に焼結しなければならない。
【０００８】
Bollらに対する米国特許出願第2008/0113195号には、銀粒子を含む水性インクが記載されている。印刷されたパターンを、インクを伝導性にするために焼結しなければならない。
【０００９】
このように、当分野において、焼結されたパターンを形成するために、大規模な印刷後の加工工程を必要としないインクへの要求が存在する。さらに、当分野において、熱処理の必要がなく、熱処理によって焼結されたパターンと同様、またはより優れた導電性を有するパターンを形成するインクへの要求が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第7316475号
【特許文献２】米国特許出願第2006/0163744号
【特許文献３】米国特許出願第2006/0130700号
【特許文献４】米国特許出願第2005/0136638号
【特許文献５】米国特許出願第2008/0113195号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、電気的に伝導性のある、または装飾的なパターンを形成するために、追加の印刷後の加工工程を必要としない、基材への印刷に好適なナノ粒子のインクを提供することである。本発明のナノ粒子のインクは、金属性ナノ粒子、1つ又は複数の保湿剤、分散剤および溶媒を含む。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、印刷後の加工を必要としないナノ粒子のインクを製造するための方法を提供することである。本発明の方法は、ふるいにかける工程および濾過する工程に加えて、高エネルギーおよび低エネルギーの混合工程の両方を組合せて、所望の特性を有するナノ粒子のインクを形成する。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、標準的なプリンターにおける使用のための、カートリッジを提供することである。本発明のカートリッジは、ナノ粒子のインクを含み、標準的な印刷インクを含むインクカートリッジと同じ方法でプリンター内に取り付けることができるように製造される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ナノ粒子のインクおよびナノ粒子のインクを製造するための方法を意図している。本発明のナノ粒子のインクは、印刷するため、または基材に導電性パターンもしくは層を塗布するために使用されてもよい。ナノ粒子のインクは、インクジェット印刷法を使用して塗布されてもよいが、当分野においてよく知られている他の技術を使用して塗布されてもよい。本発明は、ナノ粒子のインクを含むインクジェットプリンターカートリッジも意図している。
【００１５】
本発明は、装飾的なパターンなどの非導電性パターンの塗布のためのナノ粒子のインクの使用を、さらに意図している。これらの装飾的なパターンは、導電性パターンと同じ方法で形成することができるが、パターンの形成後に導電性となる必要はない。ナノ粒子のインクは金属ナノ粒子を含むため、印刷された装飾的なパターンは、インク中に存在する金属ナノ粒子に応じて光沢のある金属の外観を有する傾向がある。基材に応じて、インク受容体コーティングは、その最表面に印刷された銀の光沢を可能にする、または促進してもよい。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のナノ粒子のインクは、インクの導電性を提供する、少なくとも1つの種類の金属ナノ粒子を含む。本発明の特定の実施形態において、金属ナノ粒子は、銀の金属ナノ粒子である。しかしながら、金属ナノ粒子は別の金属、例えば金、銅、ニッケル、コバルト、スズ、亜鉛および好適な導電特性を有する他の金属を含んでもよいことを意図している。また、1種より多い金属ナノ粒子を、同じインク組成物中に使用してもよいことも意図している。
【００１７】
本発明の金属ナノ粒子は、一般的に、好適なスラリー溶媒中のスラリーとして提供される。提供されるスラリーは、一般的に、約50質量%から約95質量%のナノ粒子、好ましくは約75質量%から約90質量%のナノ粒子を含む。特定の実施形態において、スラリー溶媒はイソプロポルアルコールであるが、他のスラリー溶媒、例えば水、単純アルコールおよび他の好適な溶媒も意図している。金属ナノ粒子のスラリーは、最終インク組成物の約5質量%から約45質量%の量で存在する。
【００１８】
本発明のナノ粒子のインクは、インクがインクジェットを目詰まりさせることを防ぎ、さらに粘度調整剤としても働く、保湿剤を含む。1つまたは複数の保湿剤を、同じインク組成物中に使用してもよい。本発明の特定の実施形態において、保湿剤はポリエチレングリコールおよび/またはグリセロールである。しかしながら、本発明のインクの形成において、他の保湿剤を使用してもよいことも意図しており、これにはソルビトール、キシリトールおよびマルチトールのようなポリオール、またはポリデキストロースのようなポリマーのポリオールもしくはキラヤ(quillaia)のような天然の抽出物、あるいは乳酸または尿素が含まれる。一般的に、保湿剤または保湿剤の混合物は、最終インク組成物の約2質量%から約30質量%の間、好ましくは最終インク組成物の約10質量%から約25質量%の間の濃度で存在する。
【００１９】
本発明のナノ粒子のインクは、金属粒子の軟凝集(flocculation)または凝集(agglomeration)を防ぐことを助ける、分散剤を含む。当分野においてよく知られている分散剤を、本発明のインクの形成において使用してもよい。本発明の特定の実施形態において、分散剤はBasel、SwitzerlandのCiba Specialty Chemicals, Inc.からのDISPEX A40である。他の分散剤、例えば他の種類のアクリル分散剤を本発明のインク組成物の形成において使用してもよいことも意図している。一般的に、分散剤または分散剤の混合物は、最終インク組成物の約0.1質量%から約2.0質量%の間の濃度で存在するだろう。
【００２０】
導電性インクのバランスは、溶媒で整えられている。一般的に、溶媒はインク組成物に好適な水であろう。しかし、インク組成物の形成において一般的に使用される他の溶媒も使用することが可能である。これには、サーマルインクジェット印刷に好適ではない溶媒、例えばピエゾタイプの装置において使用されるインクに好適な溶媒が含まれる。
【００２１】
本発明のインクは、場合によって追加の成分を含む。このような追加の成分の例には、インクに広範な基材への印刷を可能にする湿潤剤が含まれる。特定の実施形態において、湿潤剤はMidland、MIのDow Corningにより製造されたDow Corning 67 Additiveである。
【００２２】
本発明のナノ粒子のインクは、一般的に、処方されて、約1から100cPの間、好ましくは約3から約10cPの間の粘度を有する。インク組成物の粘度は、当分野においてよく知られている通り、保湿剤、溶媒およびナノ粒子の濃度を変化させることによって調整することができる。
【００２３】
本発明のナノ粒子のインクは、以下の方法によって形成してもよい。
【００２４】
金属ナノ粒子のスラリーおよび保湿剤を、低エネルギーのプロセスによって、よく一体化するまで混合する。混合は、手動で、または低エネルギーのプラネタリーミキサー(planetary mixer)、例えばTroy、OHのHobart CorporationまたはFlorence、KYのLittleford Dayによって製造されたものによって行われてもよい。その後、分散剤を混合物に加える。その後、混合物を滑らかな質感が得られるまで、数回3本ロールミル(three roll mill)を通す。特定の場合において、混合物の分散体を、粉度ゲージ(Finess of Grind gauge)、例えばDayton、OHのPrecision Gauge and Toolにより販売されているものを使用して試験してもよい。一般的に、混合物は、所望の結果が得られるまで、1から10回3本ロールミルを通るだろう。使用に好適な3本ロールミルの例には、Lindenhurst、NYのKeith Machineryにより販売されているものが含まれる。その後、混合物を、ステンレス鋼325メッシュふるい(screen)を通してふるいにかける。
【００２５】
得られた物質を、重量を量り、適切な量の追加の保湿剤および溶媒を加え、手動または低せん断混合物で、よく一体化するまで混合する。得られたインクを、1ミクロンフィルター、例えばEast Hills、NYのPall Corporationにより製造されたものを通して濾過する。
【００２６】
一般的に、本発明のナノ粒子のインクは、上記の工程において記載された通り、ふるいおよび濾過に組み合わせて、高エネルギーおよび低エネルギーのミキサーの両方を組合せるプロセスによって製造される。
【００２７】
本発明のナノ粒子のインクが形成された後、これらは基材に塗布される準備ができている。一般的に、これはインクの塗布のために使用されるプリンターに適合するプリントカートリッジを満たすことによって行うことができる。しかしながら、インクを他の方法、例えば基材へのインクのブラッシングまたはスプレーを使用して基材に塗布できることも意図している。
【００２８】
インクジェットプリンターなどのプリンターが使用される場合、導電性インクを含むプリントカートリッジがプリンターに取り付けられる。その後、プリンターは基材に所望のパターンを印刷するためにプログラムされる。ナノ粒子のインクは様々なプリントカートリッジに挿入することができるため、ナノ粒子のインクを、標準的なインクジェットおよび中判または大判プリンターを使用して塗布することができる。
【００２９】
様々な基材を、本発明のナノ粒子のインクの塗布のために使用することができる。本発明で使用することができる基材には、紙基材、例えば標準的なオフィス用紙、カードストック(cardstock)、および写真用紙; 剛体の基材、例えばガラス、セラミック、木材およびFR4回路基板; および電子回路のための基材として当分野において知られているポリマー基材が含まれる。基材上のインク受容体コーティングは、基材の最表面に印刷されたインクの光沢を可能にする、または促進するために使用してもよい。このインク受容体コーティングは、全インク受容体コーティングの10質量%から75質量%のチタニアパウダーと、全インク受容体コーティングの約0.1質量%から10質量%の、溶解されたか、またはエマルションもしくは分散体かのどちらかの樹脂と、液体、例えば水またはエステルあるいはアルコール溶媒とを含むことができる。樹脂は、これに限定されないが、アクリル樹脂(例えばBASF、Florham Park、NJ 07932からのJoncryl 62、またはRohm & Haas Co.からのParaloid F-10)またはポリビニルアルコール樹脂であってもよい。アルコール溶媒は、これに限定されないが、トリデカルアルコール(tridecal alcohol)またはイソプロピルアルコールであってもよい。エステル溶媒は、これに限定されないが、グリコールエーテルEMアセテート(2-メトキシエチルアセテート)またはグリコールエーテルDEアセテート(2-(2-エトキシエトキシ)エチルアセテート)であってもよい。コーティングは、ナノ粒子のインクの塗布の前に、印刷、スプレー、ローラーコーティングなどによって基材に塗布されてもよい。
【００３０】
ナノ粒子のインクが基材に塗布された後、形成されたパターンは導電性であり、印刷プロセスの数秒以内に使用する準備ができている。ほとんどの場合において、印刷されたパターンは、印刷後標準的なインクが乾燥する時間以内で使用可能となる。
【００３１】
本発明のナノ粒子のインクは、印刷後にさらなる加工工程を必要とせず、印刷されたパターンは導電性であり、印刷上で使用する準備ができている。理論に束縛されることは望まないが、本発明のナノ粒子のインクにおける金属ナノ粒子は、室温または印刷プロセスに伴う温度で焼結することができる。このように、本発明のナノ粒子のインクは、熱の焼結などの印刷後の加工工程を必要とするインクと同じまたはより優れた導電特性を有する印刷されたパターンを形成することができる。
【００３２】
本発明は、本発明のナノ粒子のインクで満たされたプリントカートリッジも意図している。本発明のプリントカートリッジは、インクが使用されるプリンターと適合する、当業者に知られているようなもので構築されるだろう。本発明によって、ナノ粒子のインクは中判および大判プリンターならびにピエゾタイプのプリンターを含むインクジェットプリンターに加えて、他のタイプのプリンターにおいて使用することができる。
【００３３】
さらなる記載なしに、当業者は、前述の記載および以下の例示的な実施例を使用して、本発明の化合物を利用し、請求された方法を実行することができると考えられる。以下の実施例は、本発明を例示するために与えられる。本発明は、この実施例において記載された特定の条件または詳細に制限されないことが理解される。
【実施例】
【００３４】
以下の最終処方を有する導電性インクを形成した。
【００３５】
【表１】
2011529125.tif 000002
【００３６】
ナノ粒子の銀のスラリー、グリセロールおよびポリエチレングリコールの一部を、よく一体化するまで手で混合した。分散剤を加えた。その後、混合物を、滑らかな質感が得られるまで、3本ロールミキサーに4回通した。混合された物質を、ステンレス鋼325メッシュふるいを通してふるいにかけた。得られた物質の重量を量り、所望の最終濃度を得るために適切な量の水およびポリエチレングリコールを加え、手で混合した。得られたインクを、1ミクロンフィルターを通して濾過し、使用の準備をした。
【００３７】
写真用紙にインクジェット印刷後、印刷されたパターンは光沢のある外観を有した。印刷の顕微鏡検査により、印刷後の焼結工程の適用なしに、銀粒子が一緒に焼結されたように見えることが示された。
【００３８】
本発明の現在の特定の好ましい実施形態が、本明細書において具体的に記載されたが、当業者には、本発明が、本発明の思想および範囲から離れることなく、本明細書において示され記載された様々な実施形態の変化および修正に関連することは明らかだろう。したがって、本発明は、添付した請求項および適用可能な法の支配によって必要とされる範囲でのみ制限されることが意図される。
【国際調査報告】
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2011529125.tif 000004