(57)【要約】【課題】基材と基材上に印刷により形成される配線パターンとの密着性を確保し易くすることを課題とする。【解決手段】配線構造体は、基材と、基材上に形成された配線パターンと、絶縁性が付与されたカーボンナノチューブにより形成され、基材内に埋め込まれた埋設部と、基材から露出した部分において、配線パターンの一部が浸透した含浸部と、を有する密着層と、を備える。配線パターンは、カーボンナノチューブを基板上で成長させる工程と、基板から基材へカーボンナノチューブを転写し、カーボンナノチューブの一部が基材に埋設された状態でカーボンナノチューブを基材に固定する工程と、導電性インクを用い、基材上に転写されたカーボンナノチューブ上に印刷する工程と、導電性インクに含まれる溶剤を乾燥させる工程と、導電性インクを焼結させる工程と、を含む配線パターンの形成方法によって形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材上に形成された配線パターンと、
絶縁性が付与されたカーボンナノチューブにより形成され、前記基材内に埋め込まれた埋設部と、前記基材から露出した部分において、前記配線パターンの一部が浸透した含浸部と、を有する密着層と、
を備えた配線構造体。
【請求項２】
前記密着層は、多孔質状に形成された請求項１に記載の配線構造体。
【請求項３】
前記基材は、熱可塑性樹脂又は光硬化性樹脂により形成された請求項１又は２に記載の配線構造体。
【請求項４】
基材と配線パターンとを密着させる密着層となるカーボンナノチューブを基板上で成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブに絶縁性を付与し、前記密着層を形成する工程と、
前記基板から前記基材へ前記密着層を転写し、前記密着層の一部が前記基材に埋設された状態で前記密着層を前記基材に固定する工程と、
導電性インクを用い、前記基材上に転写された前記密着層上に印刷する工程と、
前記導電性インクに含まれる溶剤を乾燥させる工程と、
前記導電性インクを焼結させ、配線パターンを得る工程と、
を備える配線パターンの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線構造体及び配線パターンの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、印刷手法によりエレクトロニクスデバイスを創出する技術、いわゆるプリンテッドエレクトロニクスの開発が進められている。プリンテッドエレクトロニクスは、材料の消費量を抑制し、生産効率を向上させることができる等の利点を有している。プリンテッドエレクトロニクスは、例えば、電子回路等の導電性パターンを作成する場面で使用することが検討されている。これは、近年の電子機器の高性能化や小型化、薄型化の要求に伴い、それに使用される電子回路や集積回路に小型化や薄型化が強く求められるなかで、高密度な導電性パターンを形成できる可能性があるためである。印刷手法による導電性の配線パターンの形成方法としては、溶媒等に導電性微粒子を分散させたインクを用いて、所定の印刷手法により、基材に塗布され、溶媒の乾燥を行った後に、所定の温度にて焼結させる方法が一般的である。例えば、導電性微粒子を配合した導電性インクジェットインク受容層形成用インクを用いて導電性インクジェットインク受容層を形成し、この受容層上に印刷を用いて導電回路を形成する提案が知られている（特許文献１参照）。また、シート状多孔質基材に導電ペーストからなるインクを印刷して導電部を形成する提案が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４５３２２号公報
【特許文献２】特開２００４−２９６５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、導電性を有するインクを機材の表面に印刷する場合、インクを基材の表面に直接印刷しても、インクが基材の表面に密着しにくい。このため、インクが基材から剥離し、最終的に得られる電子回路等の断線等を引き起こす可能性があった。例えば、熱可塑性樹脂等からなるプラスチック製の基材は、スマートフォン等のウェアラブル機器等に用いられる基材として注目されているものの、インクとの密着性に乏しく、両者の経時的な剥離を引き起こしやすい。特許文献１では、導電性インクジェットインク受容層上に印刷された導電回路が導電性インクジェットインク受容層中に沈み込むため、両者間の密着性は高いと考えられる。
【０００５】
しかしながら、導電性インクジェットインク受容層と基材との間には、密着性を向上させる格別の対策は施されておらず、両者間が剥離する可能性がある。また、導電性インクジェットインク受容層と基材とを剥離させる原因としてインクが含有する溶媒の残留が挙げられるが、特許文献１は、溶媒の残留に対する配慮もなされていない。
【０００６】
一方、特許文献２では、シート状多孔質基材に印刷された導電ペーストからなるインクがシート状多孔質基材に浸透することにより、相互浸入構造が形成され、シート状多孔質基材とインクとの密着性の向上が図られている。また、特許文献２は、基材が多孔質となっていることからインクが含有する溶媒を排出しやすく、この点でも、基材とインクとの密着性を確保しやすい。
【０００７】
しかしながら、特許文献２では、例えば、相転換法と呼ばれるポリマーの相分離現象を利用してシート状多孔質基材を準備しなければならず、製造過程が煩雑となることが考えられる。
【０００８】
１つの側面では、本明細書開示の配線構造体及び配線パターンの形成方法は、基材と基材上に印刷により形成される配線パターンとの密着性を確保し易くすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書開示の配線構造体は、基材と、前記基材上に形成された配線パターンと、絶縁性が付与されたカーボンナノチューブにより形成され、前記基材内に埋め込まれた埋設部と、前記基材から露出した部分において、前記配線パターンの一部が浸透した含浸部と、を有する密着層と、を備える。
【００１０】
本明細書開示の配線パターンの形成方法は、基材と配線パターンとを密着させる密着層となるカーボンナノチューブを基板上で成長させる工程と、前記カーボンナノチューブに絶縁性を付与し、前記密着層を形成する工程と、  前記基板から前記基材へ前記密着層を転写し、前記密着層の一部が前記基材に埋設された状態で前記密着層を前記基材に固定する工程と、導電性インクを用い、前記基材上に転写された前記密着層上に印刷する工程と、前記導電性インクに含まれる溶剤を乾燥させる工程と、前記導電性インクを焼結させ、配線パターンを得る工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書開示の配線構造体及び配線パターンの形成方法は、基材と基材上に印刷により形成される配線パターンとの密着性を確保し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は実施形態の配線構造体を模式的に示す説明図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｈ）は実施形態の配線構造体における配線パターンの形成方法を示す説明図である。
【図３】図３はインクに含まれる溶媒を乾燥させる様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。
【００１４】
（実施形態）
まず、図１を参照しつつ、実施形態の配線構造体１の概略構成について説明する。配線構造体１は、基材２と配線パターン３と密着層４を備える。密着層４は、基材２内に埋め込まれた埋設部４ａと、配線パターン３の一部が浸透した含浸部４ｂとを含む。
【００１５】
基材２はプラスチック製である。具体的に、熱可塑性樹脂によって形成されている。なお、熱可塑性樹脂に代えて光硬化性樹脂を採用することもできる。配線パターン３は、導電性粒子である金属ナノ粒子を含有した導電性インクを用いて印刷することによって形成されている。導電性インクは、従来公知のインクを用いることができる。導電性インクに含有された導電性粒子の平均粒径は、数ｎｍ〜数十μｍ程度とすることができ、１０ｎｍ〜１μｍ程度とすることが好ましい。
【００１６】
密着層４は、カーボンナノチューブを多孔質状に成長させることにより形成されている。カーボンナノチューブは、一般的に、一本一本が直線的に成長するが、本実施形態における密着層４を形成するカーボンナノチューブは、ランダムな方向に成長し、カーボンナノチューブが絡まった状態となることにより多孔質状に形成されている。カーボンナノチューブが絡まることによって形成された微細孔の寸法、すなわち、繊維状のカーボンナノチューブ間の平均的な間隔は、導電性インクに含まれる導電性粒子との関係で、導電性粒子を保持することができる値とされている。例えば、繊維状のカーボンナノチューブ間の平均的な間隔は、数μｍ以下、具体的に、５μｍ以下程度とすることができる。なお、絡まったカーボンナノチューブ間に形成された空間は、導電性粒子を保持するだけでなく、インクに含まれる溶媒が乾燥する際の溶媒の通路となることができる。繊維状のカーボンナノチューブ間の平均的な間隔は、これらを考慮して決定する。
【００１７】
密着層４を形成するカーボンナノチューブには、絶縁性が付与されている。密着層４上に複数の配線パターン３が形成されているときに、配線パターン３間の絶縁を確保することができる。
【００１８】
密着層４の一部は、基材２の一面側に埋設され、埋設部４ａを形成する。埋設部４ａにおける絡まったカーボンナノチューブ間には、基材２を形成する樹脂が入り込む。埋設部４ａに入り込んだ樹脂が硬化することで密着層４が基材２に固定される。これにより、密着層４が基材２と一体化される。
【００１９】
密着層４の埋設部４ａ以外の部分は、基材２から露出した状態となる。このように露出した部分に印刷されると、絡まったカーボンナノチューブ間にインクが浸透する。これにより、配線パターン３の一部が浸透した含浸部４ｂが形成される。これにより、密着層４が配線パターン３と一体化される。
【００２０】
このように、密着層４は、基材２及び配線パターン３と一体化される。この結果、基材２と配線パターン３との密着性が向上する。
【００２１】
つぎに、このような配線構造体１における配線パターン３の形成方法について、図２（Ａ）〜（Ｈ）及び図３を参照しつつ説明する。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す工程が、基材２と配線パターン３とを密着させる密着層４となるカーボンナノチューブ１２を基板１０上で成長させる工程に相当する。図２（Ｄ）に示す工程が、カーボンナノチューブ１２に絶縁性を付与する工程に相当する。図２（Ｅ）に示す工程が、Ｓｉ基板１０から基材２へ密着層４を転写し、密着層４の一部が基材２に埋設された状態で密着層４を基材２に固定する工程に相当する。図２（Ｆ）に示す工程が、導電性インク１３を用い、基材２上に転写された密着層４上に印刷する工程に相当する。図２（Ｇ）が導電性インク１３に含まれる溶剤を乾燥させる工程に相当する。図２（Ｈ）は導電性インク１３を焼結させ、配線パターン３を得る工程に相当する。
【００２２】
まず、図２（Ａ）を参照すると、カーボンナノチューブを成長させるための土台となる基板１０を準備する。基板は、カーボンナノチューブを成長させるために用いられる従来公知の基板、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、ガラス基板などを用いることができる。本実施形態では、Ｓｉ基板１０が採用されている。カーボンナノチューブを成長させる基板は、その表面に薄膜が形成されたものを採用することができ、本実施形態では、Ｓｉ基板１０上に膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜が形成されたものが採用されている。シリコン酸化膜を形成するために、ＣＶＤ法や熱酸化法等、従来公知の方法を採用することができる。基板は、カーボンナノチューブの形成後に剥離されるものである。このため、基板としては、少なくともカーボンナノチューブに接する面が、カーボンナノチューブから容易に剥離できる材料によって形成されていることが望ましい。
【００２３】
つぎに、図２（Ｂ）を参照すると、Ｓｉ基板１０上に触媒金属膜１１を形成する。本実施形態における触媒金属膜１１は、スパッタ法により形成された膜厚２．５ｎｍの鉄（Ｆｅ）膜とされている。触媒金属膜及びその形成方法は、従来公知の材質を採用し、従来公知の方法を採用することができる。触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、これら触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、厚さ５ｎｍのＡｌ層を下地膜とし、このＡｌ層の上に厚さ２．５ｎｍのＦｅ層を形成した積層構造を採用してもよい。
【００２４】
つぎに、図２（Ｃ）を参照すると、触媒金属膜１１を触媒として、カーボンナノチューブ１２を成長させる。ここで、カーボンナノチューブ１２を成長させるためには、従来公知の方法を採用することができる。本実施形態では、成長炉内に成長ガスを供給してカーボンナノチューブ１２を成長させるホットフィラメントＣＶＤ法を採用した。ただし、本実施形態ではランダムな方向に成長したカーボンナノチューブ１２が絡まった多孔質状に成長することが求められる。そこで、本実施形態では、触媒種、触媒膜厚、原料ガス、圧力、温度及び成長時間を制御することにより、カーボンナノチューブ１２を多孔質状に成長させる。触媒種、触媒膜厚、原料ガス、圧力、温度、成長時間を従来公知の範囲で選定すると、カーボンナノチューブは一般的に直線状に成長する。このため、本実施形態では、触媒種、触媒膜厚、原料ガス、圧力、温度及び成長時間の少なくとも一つの要素を意図的に従来公知の範囲から逸脱する範囲から選定する。例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比２：１）を用い、成膜室内の総ガス圧を１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を６６０℃、成長時間を６０分とする。このような条件下で成長するカーボンナノチューブ１２は、絡み合った状態で成長することが確認されている。また、得られたカーボンナノチューブ１２間の平均的な間隔は、５μｍ以下であった。
【００２５】
図２（Ｄ）を参照すると、カーボンナノチューブ１２に絶縁性が付与され、密着層４が形成される。具体的に、カーボンナノチューブ１２に被膜コーティングが施される。本実施形態における被膜コーティングには、パリレンコーティングが採用されているが、従来公知の他のコーティング方法を採用してもよい。カーボンナノチューブ１２に被膜コーティングが施されることにより、カーボンナノチューブ１２に絶縁性が付与されるだけでなく撥水性が付与され、また、機械的強度が向上する。なお、被膜コーティングが施された後であっても、カーボンナノチューブ間の隙間は維持され、密着層４は多孔質状に形成されている。
【００２６】
つぎに、図２（Ｅ）を参照すると、熱可塑性樹脂からなる基材２に密着層４を熱転写する。これにより、密着層４はＳｉ基板１０から基材２へ移る。このとき、密着層４の一部を基材２に埋設し、残りの部分を基材２の表面から露出させた状態とする。密着層４の一部が基材２に埋設された状態で基材２に熱が付与されることで埋設部４ａが形成され、密着層４が基材２に固定される。これにより、密着層４と基材２とが一体化される。なお、基材として光硬化性樹脂を採用した場合は、密着層４を転写した後、基材に光を照射して光硬化性樹脂を硬化し、密着層４を基材に固定する。
【００２７】
つぎに、図２（Ｆ）を参照すると、導電性インク１３を用い、基材２上に転写された密着層４上に印刷を行う。印刷は、従来公知の方法を採用することができ、本実施形態では、インクジェット法が採用されている。印刷は、最終的に所望される配線パターン３の形状に応じて施される。導電性インク１３は、密着層４の基材から露出した部分に浸透する。印刷に用いられる導電性インク１３には、平均粒径１０ｎｍ〜１μｍ程度の導電性粒子が含有されている。このような導電性粒子は、多孔質状に形成された密着層４のカーボンナノチューブ間に保持される。このように、導電性インク１３が密着層４に入り込むことにより、最終的に密着層４に配線パターン３の一部が浸透した含浸部４ｂが形成される。これにより、密着層４と基材２とが一体化される。
【００２８】
つぎに、図２（Ｇ）を参照すると、導電性インク１３に含まれる溶剤を乾燥させる処理が行われる。具体的に、導電性インク１３によって印刷が施された基材２をおよそ１００℃の環境下に設置する。これにより、溶剤を乾燥させる。ここで、図３を参照すると、本実施形態の密着層４は、多孔質状に形成されているため、溶剤は、例えば、矢示２０で示すように、密着層４内を通過して外部へ排出される。すなわち、多孔質状とすることによって密着層４内に形成された通路を通って溶剤が排出される。これにより、溶媒の乾燥が容易となる。溶媒の残留は、導電性インク１３が焼結されて形成される配線パターン３の基材２への密着性へ影響を及ぼすが、本実施形態によれば、溶媒の乾燥が促進されるので、配線パターン３と基材２との密着性が向上する。また、乾燥時間を短縮することができるので、作業時間を短縮することができる。
【００２９】
つぎに、図２（Ｈ）を参照すると、導電性インク１３を焼結させ、配線パターン３を得る。具体的に、導電性インク１３の乾燥処理が行われた基材２をおよそ１２０℃の環境下に設置する。これにより、導電性インク１３を焼結し、配線パターン３を得る。なお、焼結温度は、乾燥温度よりも高い温度とされている。これにより、基材２との密着性が向上した配線パターン３を得ることができる。
【００３０】
このような配線パターン３を備えた配線構造体１は、基材２と基材２上に印刷により形成される配線パターン３との密着性を確保することができる。
【００３１】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【００３２】
なお、以上の実施形態の説明に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基材と、
前記基材上に形成された配線パターンと、
絶縁性が付与されたカーボンナノチューブにより形成され、前記基材内に埋め込まれた埋設部と、前記基材から露出した部分において、前記配線パターンの一部が浸透した含浸部と、を有する密着層と、
を備えた配線構造体。
（付記２）
前記密着層は、多孔質状に形成された付記１に記載の配線構造体。
（付記３）
前記基材は、熱可塑性樹脂又は光硬化性樹脂により形成された付記１又は２に記載の配線構造体。
（付記４）
基材と配線パターンとを密着させる密着層となるカーボンナノチューブを基板上で成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブに絶縁性を付与し、前記密着層を形成する工程と、
前記基板から前記基材へ前記密着層を転写し、前記密着層の一部が前記基材に埋設された状態で前記密着層を前記基材に固定する工程と、
導電性インクを用い、前記基材上に転写された前記密着層上に印刷する工程と、
前記導電性インクに含まれる溶剤を乾燥させる工程と、
前記導電性インクを焼結させ、配線パターンを得る工程と、
を備える配線パターンの形成方法。
（付記５）
前記密着層は、多孔質状に形成される付記４に記載の配線パターンの形成方法。
（付記６）
前記基材は、熱可塑性樹脂又は光硬化性樹脂により形成された付記４又は５に記載の配線パターンの形成方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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